CN116319205A - 卫星通信高速调制解调并行计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于卫星通信技术领域，尤其是一种卫星通信高速调制解调并行计算方法，针对现有卫星的通信容量和发送功率偏低的问题限制了应用需求发展的问题，现提出以下方案，包括卫星通信高速调制解调方法和卫星通信高速并行计算方法。本发明中的AWGN信道中信号成形均采用升余弦成形，通过考虑升余弦成形对信号高阶累积量和谱特征的影响，从而具有适合卫星通信信道的特点，且本发明给出了一种新的帧同步检测算法，在相同帧头长度下检测概率更高，并采用编码辅助算法完成载波、定时同步，无需额外增加导频序列，可以大幅减少导频序列，故传输效率较高，另外通过调用大量线程将摄动力加速度计算和积分过程由串行改为并行，大大提升了计算速度。
Description
技术领域
本发明涉及卫星通信技术领域，尤其涉及一种卫星通信高速调制解调并行计算方法。
背景技术
卫星通信系统实际上也是一种微波通信，它以卫星作为中继站转发微波信号，在多个地面站之间通信，卫星通信的主要目的是实现对地面的“无缝隙”覆盖，由于卫星工作于几百、几千、甚至上万公里的轨道上，因此覆盖范围远大于一般的移动通信系统。但卫星通信要求地面设备具有较大的发射功率，因此不易普及使用。
随着卫星通信的信息容量不断增加，现有卫星的通信容量和发送功率偏低的问题限制了应用需求的发展，如何在有限的卫星带宽内和较低的发射功率下，尽可能多的传送数据是一个迫切需要解决的问题。
发明内容
基于现有卫星的通信容量和发送功率偏低的问题限制了应用需求发展的技术问题，本发明提出了一种卫星通信高速调制解调并行计算方法。
本发明提出的一种卫星通信高速调制解调并行计算方法，包括卫星通信高速调制解调方法和卫星通信高速并行计算方法。
卫星通信高速调制解调方法，包括如下步骤：
S1,利用信号带通滤波来接收待处理的调制信号数据，并对其进行带通滤波；
S2，通过估计载波频率来对滤波后的信号进行分段处理，计算每段信号的功率谱，并对功率谱进行平滑处理，利用频率居中算法估计信号的载波频；
S3，通过估计符号速率来对滤波后的信号进行平方处理，计算其二次方谱，检测二次方谱的基带谱线结构，利用符号速率的谱线结构特性估计信号的符号速率；
S4，通过获取高阶累积量参数来计算高阶累积量，获取高阶累积量参数，给出门限值；
S5，通过接收信号下变频，将接收带通信号通过正交下变频，转换为基带信号；
S6，通过信号大频偏消除，将基带信号分段进行傅里叶变换并进行累加后，与匹配滤波器响应函数的傅里叶变换移位相加，得到似然函数；通过搜索似然函数峰值获得频偏粗估计值，并利用该估计值对接收带通信号进行载波频偏补偿。
S7,利用基于M值搜索和基于三角插值EM算法级联的码辅助算法，对频偏相偏进行精估计，并对预估计补偿后的信号进行补偿。
优选地，所述S2中的信号分段是将滤波后的信号数据分为若干段，并计算每段信号数据的功率谱，且截取有效带宽步骤具体为：首先从平滑功率谱两端开始搜索，查找出所有的极小值点，通过设置自适应门限找到峰值两侧的极小值点，然后保留极小值点之间的频率分量，其余分量置零。
优选地，所述S7中设置频偏相偏动态范围为频偏相偏预估计环节完成后，频偏、相偏的压缩范围分别由频率和相位的MCRB界决定，S7中的M值搜索利用每一组搜索值，对接收数据进行载波频偏校正，经过译码迭代后，根据其输出的软信息计算得到数值，最后通过比较，选择其中最大值对应的数据作为最终的估计值。
卫星通信高速并行计算方法，包括如下步骤：
S8,调用CPU执行采用数值法计算卫星通信所需的参数初始化，包括初始化通信计算的环境和计算目标信息、通信时间坐标系和地理坐标系的转化；
S9,调用GPU基于CPU初始化的参数、使用数值法并行计算所有卫星的通信数据。
优选地，所述S8中需要获取卫星通信的卫星数据，读取卫星数量、每颗卫星的初始位置、卫星质量、阻力系数、预测起始时刻、预测结束时刻和计算摄动力相关的数据。
优选地，所述卫星摄动力参数计算初始化，包括计算所有卫星当前时刻的位置、地球引力系数、岁差章动矩阵、参考系转换矩阵并传输到GPU中。
优选地，所述S9中调用GPU时，为每个卫星分配一个线程并在预测起始时刻至预测结束时刻中的每一个时刻由所有线程并行执行如下步骤：以CPU初始化的摄动力参数为输入，使用数值法并行计算卫星的摄动力；获得卫星基于数值法的加速度微分方程，并对微分方程进行求解得到卫星下一时刻的速度和位置向量并存入GPU内存中。
本发明中的有益效果为：
1、本发明适合卫星通信信道特点：卫星通信信道为AWGN信道，信号成形一般均采用升余弦成形，本发明充分考虑了升余弦成形对信号高阶累积量和谱特征的影响，适合卫星通信信道的特点，且本发明不依赖于先验知识，包括滚降系数或调制指数、信噪比、准确的载波频率、载波相位、码元同步等，做到了全盲调制方式识别。
2、本发明给出了一种新的帧同步检测算法，在相同帧头长度下检测概率更高，并采用编码辅助算法完成载波、定时同步，无需额外增加导频序列，可以大幅减少导频序列，传输效率较高。
3、发明使用CPU+GPU异构并行计算，通过调用大量线程将摄动力加速度计算和积分过程由串行改为并行，大大提升了计算速度,同时，本发明采用了摄动力加速度计算过程并行化，将数值法计算卫星轨道过程中最复杂的计算部分摄动力的求解并行化。
附图说明
图1为本发明提出的一种卫星通信高速调制解调方法的流程图；
图2为本发明提出的一种卫星通信高速并行计算方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
参照图1，一种卫星通信高速调制解调并行计算方法，包括卫星通信高速调制解调方法，具有如下步骤：
S1,利用信号带通滤波来接收待处理的调制信号数据，并对其进行带通滤波；
S2，通过估计载波频率来对滤波后的信号进行分段处理，计算每段信号的功率谱，并对功率谱进行平滑处理，利用频率居中算法估计信号的载波频；
S3，通过估计符号速率来对滤波后的信号进行平方处理，计算其二次方谱，检测二次方谱的基带谱线结构，利用符号速率的谱线结构特性估计信号的符号速率；
S4，通过获取高阶累积量参数来计算高阶累积量，获取高阶累积量参数，给出门限值；
S5，通过接收信号下变频，将接收带通信号通过正交下变频，转换为基带信号；
S6，通过信号大频偏消除，将基带信号分段进行傅里叶变换并进行累加后，与匹配滤波器响应函数的傅里叶变换移位相加，得到似然函数；通过搜索似然函数峰值获得频偏粗估计值，并利用该估计值对接收带通信号进行载波频偏补偿。
S7,利用基于M值搜索和基于三角插值EM算法级联的码辅助算法，对频偏相偏进行精估计，并对预估计补偿后的信号进行补偿。
其中，所述S2中的信号分段是将滤波后的信号数据分为若干段，并计算每段信号数据的功率谱，且截取有效带宽步骤具体为：首先从平滑功率谱两端开始搜索，查找出所有的极小值点，通过设置自适应门限找到峰值两侧的极小值点，然后保留极小值点之间的频率分量，其余分量置零。
其中，所述S7中设置频偏相偏动态范围为频偏相偏预估计环节完成后，频偏、相偏的压缩范围分别由频率和相位的MCRB界决定，S7中的M值搜索利用每一组搜索值，对接收数据进行载波频偏校正，经过译码迭代后，根据其输出的软信息计算得到数值，最后通过比较，选择其中最大值对应的数据作为最终的估计值。
参照图2，一种卫星通信高速调制解调并行计算方法，还包括卫星通信高速并行计算方法，具有如下步骤：
S8,调用CPU执行采用数值法计算卫星通信所需的参数初始化，包括初始化通信计算的环境和计算目标信息、通信时间坐标系和地理坐标系的转化；
S9,调用GPU基于CPU初始化的参数、使用数值法并行计算所有卫星的通信数据。
其中，所述S8中需要获取卫星通信的卫星数据，读取卫星数量、每颗卫星的初始位置、卫星质量、阻力系数、预测起始时刻、预测结束时刻和计算摄动力相关的数据。
其中，所述卫星摄动力参数计算初始化，包括计算所有卫星当前时刻的位置、地球引力系数、岁差章动矩阵、参考系转换矩阵并传输到GPU中。
其中，所述S9中调用GPU时，为每个卫星分配一个线程并在预测起始时刻至预测结束时刻中的每一个时刻由所有线程并行执行如下步骤：以CPU初始化的摄动力参数为输入，使用数值法并行计算卫星的摄动力；获得卫星基于数值法的加速度微分方程，并对微分方程进行求解得到卫星下一时刻的速度和位置向量并存入GPU内存中。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种卫星通信高速调制解调方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1,利用信号带通滤波来接收待处理的调制信号数据，并对其进行带通滤波；
S2，通过估计载波频率来对滤波后的信号进行分段处理，计算每段信号的功率谱，并对功率谱进行平滑处理，利用频率居中算法估计信号的载波频；
S3，通过估计符号速率来对滤波后的信号进行平方处理，计算其二次方谱，检测二次方谱的基带谱线结构，利用符号速率的谱线结构特性估计信号的符号速率；
S4，通过获取高阶累积量参数来计算高阶累积量，获取高阶累积量参数，给出门限值；
S5，通过接收信号下变频，将接收带通信号通过正交下变频，转换为基带信号；
S6，通过信号大频偏消除，将基带信号分段进行傅里叶变换并进行累加后，与匹配滤波器响应函数的傅里叶变换移位相加，得到似然函数；通过搜索似然函数峰值获得频偏粗估计值，并利用该估计值对接收带通信号进行载波频偏补偿。
S7,利用基于M值搜索和基于三角插值EM算法级联的码辅助算法，对频偏相偏进行精估计，并对预估计补偿后的信号进行补偿。
2.根据权利要求1所述的一种卫星通信高速调制解调方法，其特征在于，所述S2中的信号分段是将滤波后的信号数据分为若干段，并计算每段信号数据的功率谱，且截取有效带宽步骤具体为：首先从平滑功率谱两端开始搜索，查找出所有的极小值点，通过设置自适应门限找到峰值两侧的极小值点，然后保留极小值点之间的频率分量，其余分量置零。
3.根据权利要求1所述的一种卫星通信高速调制解调方法，其特征在于，所述S7中设置频偏相偏动态范围为频偏相偏预估计环节完成后，频偏、相偏的压缩范围分别由频率和相位的MCRB界决定，S7中的M值搜索利用每一组搜索值，对接收数据进行载波频偏校正，经过译码迭代后，根据其输出的软信息计算得到数值，最后通过比较，选择其中最大值对应的数据作为最终的估计值。
4.根据权利要求1所述的一种卫星通信高速并行计算方法，其特征在于，包括如下步骤：
S8,调用CPU执行采用数值法计算卫星通信所需的参数初始化，包括初始化通信计算的环境和计算目标信息、通信时间坐标系和地理坐标系的转化；
S9,调用GPU基于CPU初始化的参数、使用数值法并行计算所有卫星的通信数据。
5.根据权利要求4所述的一种卫星通信高速并行计算方法，其特征在于，所述S8中需要获取卫星通信的卫星数据，读取卫星数量、每颗卫星的初始位置、卫星质量、阻力系数、预测起始时刻、预测结束时刻和计算摄动力相关的数据。
6.根据权利要求5所述的一种卫星通信高速并行计算方法，其特征在于，所述卫星摄动力参数计算初始化，包括计算所有卫星当前时刻的位置、地球引力系数、岁差章动矩阵、参考系转换矩阵并传输到GPU中。
7.根据权利要求5所述的一种卫星通信高速并行计算方法，其特征在于，所述S9中调用GPU时，为每个卫星分配一个线程并在预测起始时刻至预测结束时刻中的每一个时刻由所有线程并行执行如下步骤：以CPU初始化的摄动力参数为输入，使用数值法并行计算卫星的摄动力；获得卫星基于数值法的加速度微分方程，并对微分方程进行求解得到卫星下一时刻的速度和位置向量并存入GPU内存中。
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| CN116859422A (zh) * | 2023-07-18 | 2023-10-10 | 湖南六九零六信息科技股份有限公司 | 一种基于异构融合并行集群架构的卫星高精度定位增强系统及方法 |
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| CN116859422A (zh) * | 2023-07-18 | 2023-10-10 | 湖南六九零六信息科技股份有限公司 | 一种基于异构融合并行集群架构的卫星高精度定位增强系统及方法 |
| CN116859422B (zh) * | 2023-07-18 | 2024-01-26 | 湖南六九零六信息科技股份有限公司 | 一种基于异构融合并行集群架构的卫星高精度定位增强系统及方法 |
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