CN116915281A - 一种用于低轨抗干扰通信的突发扩频解调方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于低轨抗干扰通信的突发扩频解调方法，涉及低轨及抗干扰卫星通信系统领域。本发明采用差分捕获保证捕获位置在帧同步头位置，采用并行扫频将频偏锁定在一定范围内，帧头频率估计加相位估计方便载波估计环路快速入锁，二次连续频率估计跟踪多普勒频移导致的载波频偏变化，从而实现高动态的载波同步功能。该方法可以实现自适应速率匹配，逐帧扩频比、信息速率可变，有利于低信噪比大动态解调，采用扩频方式可以实现抗干扰、隐蔽通信，适用于速率实时调整的隐蔽通信，可用于低轨卫星的抗干扰通信。
Description
技术领域
本发明涉及卫星通信领域，特别是指一种用于低轨抗干扰通信的突发扩频解调方法，能够提高低轨卫星通信中扩频系统的抗干扰能力。
背景技术
低轨卫星通信系统凭借其运行轨道低传输时延短覆盖范围广及组网灵活等优势，可以在任意时间任意地点和用户对接，让全球的用户享受全方位的通信服务。根据卫星信道的快速时变特性，对于采用高扩频比加短猝发等技术手段提升隐蔽性能的平台，特别是在时钟源稳定度低、载波频偏变化大的情况下，需要终端捕获更大的频偏及适应更大的频率变化率。
现有的低轨低速卫星通信的解调大多采用补偿的方式，在发端进行频偏补偿或者采用惯导辅助频偏补偿的方法，可实现性高，补偿精度能满足解调实现。但是，针对特殊的平台，没有惯导或者补偿体制的情况，这就对解调的载波同步和定时同步流程设计提出了更高的要求。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种用于低轨抗干扰通信的突发扩频解调方法，该方法可以产生低频谱密度短猝发信号，采用并行扫频和帧头频率估计和相位估计、数据二次频率估计的方法实现大频偏高动态情况下载波快速跟踪捕获，同时满足低轨卫星平台隐蔽通信和抗干扰通信需求。
本发明的目的是这样实现的：
一种用于低轨抗干扰通信的突发扩频解调方法，包括以下步骤：
(1)设计帧结构，每帧中包括同步序列、控制信息、业务信息预留数据；其中，整帧采用扩频序列扩频，帧头和控制信息采用估计扩频比，其他信息的扩频比根据速率动态变化；控制信息的内容指示业务数据的扩频比，一帧为一个周期；
(2)序列发送：卫星转发器按照帧结构组帧、扩频并发送扩频后的帧序列；
(3)预处理：地面站终端对接收信号进行匹配滤波、增益调整的预处理；
(4)并行扫频及差分捕获：对接收信号进行并行多路下变频和差分捕获，选择捕获同步的一路输出并记录频偏值；
(5)相关及频率校正：对捕获同步后的信号进行相关，利用相关后的同步序列进行FFT频率估计，并将频率估计结果补偿到接收通道中，消除相关后的信号频偏；
(6)指示字搜索及初相计算：对频偏补偿后的信号进行指示字搜索，确定业务信息的扩频比，并计算指示字去调制后数据的初相并补偿到载波相位上；
(7)二次频率校正及载波锁相环：利用解析出的扩频比信息对业务信息序列进行相关解扩，并对解扩后的序列进行载波相位恢复，同时进行周期性的频率估计，根据估计结果对频偏进行实时补偿；
完成低轨抗干扰通信的突发扩频解调。
进一步地，步骤(1)中，扩频序列采用伪随机序列，同步序列用于数据帧定位和伪码同步，控制信息用于业务信息速率解析及定位，控制信息采用一组walsh码，不同walsh码用于指示业务数据长度、扩频比的信息，预留数据用于数据调整，预留数据填充0；指示字长度L的设定依赖于接收信噪比和频率变化率a，在满足接收信噪比的情况下L<Rs/2a；频率变化率a＝卫星和接收平台的相对加速度*工作频率/光速。
进一步地，步骤(4)的具体方式为：
(301)上电复位：终端上电全局复位后启动并行扫频和差分捕获模块；
(302)同步判决：启动并行扫频和差分捕获模块的同时进行计数清零，重新启动计数器，计数器的周期为传输一个完整帧长度所用的时间，在一个周期内对多个差分捕获模块的同步状态进行查询，任何一个模块捕获同步即判决为同步，并记录其扫频频偏信息delta_f；
(303)载波错锁：以捕获同步的扫频频偏信息delta_f为中心频点，左右各取两个频点delta_f-Rs，delta_f-2Rs，delta_f+Rs，delta_f+2Rs，计算五个频偏下的相关后信号的功率累加值，中频频点下的功率累加值大于其他频偏判决为不错锁，否则判决为错锁；错锁后复位并行扫频和差分捕获模块并重新启动捕获流程；不错锁则继续后续解调流程；
(304)后续解调流程控制：载波不错锁后进行后续解调流程，当搜索到指示字后重新启动对下一个突发帧的并行扫频和差分捕获模块；重新进入步骤302。
进一步地，步骤(6)中，将指示字去调制后数据先进行累加得到数据accu_data，然后再计算数据相位，计算公式为arctan(Q/I)，其中I和Q为数据accu_data的实部和虚部。
本发明相比背景技术具有如下优点：
1、本发明非常适合高动态抗干扰通信，而且本发明物理帧结构设计非常适合于FPGA实现，复杂度低、性能稳定可靠，具有扩频系统的顽存性和鲁棒性，可提高卫星通信系统的抗干扰能力。
2、本发明采用两级频率补偿加初相估计补偿的方法有助于载波快速入锁和稳定跟踪，非常适合大多普勒频偏的载波同步。
3、本发明采用差分捕获，可以提高帧捕获性能。
附图说明
图1是本发明的突发扩频解调示意图。
图2是本发明的扫频及差分捕获流程示意图。
具体实施方式
下面，结合附图对本发明做进一步的详细说明。
一种用于低轨抗干扰通信的突发扩频解调方法，包括以下步骤：
(1)设计帧结构，每帧中包括同步序列、控制信息、业务信息预留数据；其中，整帧采用扩频序列扩频，帧头和控制信息采用估计扩频比，其他根据速率扩频比可变；控制信息的内容指示业务数据的扩频比，一帧为一个周期；
(2)卫星转发器按照帧结构组帧、扩频并发送扩频后的帧序列；
(3)地面站终端对接收信号进行匹配滤波、增益调整等预处理；
(4)并行扫频及差分捕获：对接收信号进行并行多路下变频和差分捕获，选择正确捕获的一路输出并记录频偏值；
(5)相关及频率校正：对捕获同步后的信号进行相关，利用相关后的同步序列进行FFT频率估计，并将频率估计结果补偿到接收通道中以基本消除相关后的信号频偏；
(6)指示字搜索及初相计算：对频偏补偿后信号进行指示字搜索确定业务信息的扩频比，并计算指示字的初相并补偿保证后面锁相环快速入锁；
(7)二次频率校正及载波锁相环：利用解析出的扩频比信息对业务信息序列进行相关解扩，并对解扩后的序列进行载波相位恢复，同时进行周期性的频率估计并对估计结果对频偏进行实时补偿。
完成低轨抗干扰通信的突发扩频解调。
步骤(1)中，扩频序列采用伪随机序列，同步序列用于数据帧定位和伪码同步，控制信息用于业务信息速率解析及定位，控制信息采用一组walsh码，不同walsh码用于指示业务数据长度、扩频比等信息，预留数据用于数据调整，预留数据填充0。指示字长度L的设定依赖于接收信噪比和频率变化率a，在满足接收信噪比的情况下需要保证L<Rs/2a。
步骤(4)的并行扫频及差分捕获控制流程，具体方式为：
(301)上电复位：终端上电全局复位后启动并行扫频和差分捕获模块；
(302)同步判决：启动并行扫频和差分捕获模块的同时进行计数清零，重新启动计数器，计数器的周期为传输一个完整帧长度所用的时间，在一个周期内对多个差分捕获模块的同步状态进行查询，任何一个模块捕获同步即判决为同步，并记录其扫频频偏信息delta_f；
(303)载波错锁：以捕获同步的扫频频偏信息delta_f为中心频点，左右各取两个频点delta_f-Rs，delta_f-2Rs，delta_f+Rs，delta_f+2Rs，计算五个频偏下的相关后信号的功率累加值，中频频点下的功率累加值大于其他频偏判决为不错锁，否则判决为错锁。错锁后复位并行扫频和差分捕获模块并重新启动捕获流程；不错锁则继续后续解调流程；
(304)后续解调流程控制：载波不错锁后进行后续解调流程，当搜索到指示字后可以重新启动对下一个突发帧的并行扫频和差分捕获模块；从而进入步骤302。
步骤(6)中，对指示字的相位进行准确估计的前提是经过扫频和同步头FFT频率估计后的剩余频偏非常小，为了保证低信噪比下对相位的准确计算，需要将指示字去调制后数据先进行累加得到数据accu_data，然后再计算数据相位，计算公式为arctan(Q/I)，其中I和Q对应数据accu_data的实部和虚部。
本方法能够在系统存在大的载波频偏及频率变化率，高扩频比信号码字相位难以同步的情况下，保证低频谱密度低速突发信号的捕获概率。
以下为一个更具体的例子：
一种用于低轨抗干扰通信的突发扩频解调方法，参照图1至图2，突发扩频解调如图1所示，卫星通信系统地面站开机后，采用并行捕获进行频率粗捕获，再利用后续二级频率估计、相位估计两种频率补偿方式结合实现载波同步；并行扫频及差分捕获控制流程示意图如图2所示，设备上电及后续帧捕获控制按照图2进行。
该方法具体步骤如下：
(1)设计帧结构，每帧中包括同步序列、控制信息、业务信息预留数据；其中，整帧采用扩频序列扩频，帧头和控制信息采用估计扩频比，其他根据速率扩频比可变；控制信息的内容指示业务数据的扩频比，一帧为一个周期；
扩频序列采用伪随机序列，同步序列用于数据帧定位和伪码同步，控制信息用于业务信息速率解析及定位，控制信息采用一组walsh码，不同walsh码用于指示业务数据长度、扩频比等信息，预留数据用于数据调整，预留数据填充0。指示字长度L的设定依赖于接收信噪比和频率变化率a，在满足接收信噪比的情况下需要保证L<Rs/2a。
(2)卫星转发器按照帧结构组帧、扩频并发送扩频后的帧序列；
(3)地面站终端对接收信号进行匹配滤波、增益调整等预处理；
(4)并行扫频及差分捕获：对接收信号进行并行多路下变频和差分捕获，选择正确捕获的一路输出并记录频偏值；
其中，并行扫频及差分捕获控制流程为：
1)上电复位：终端上电全局复位后启动并行扫频和差分捕获模块；
2)同步判决：启动并行扫频和差分捕获模块的同时进行计数清零，重新启动计数器，计数器的周期为传输一个完整帧长度所用的时间，在一个周期内对多个差分捕获模块的同步状态进行查询，任何一个模块捕获同步即判决为同步，并记录其扫频频偏信息delta_f；
3)载波错锁：以捕获同步的扫频频偏信息delta_f为中心频点，左右各取两个频点delta_f-Rs，delta_f-2Rs，delta_f+Rs，delta_f+2Rs，计算五个频偏下的相关后信号的功率累加值，中频频点下的功率累加值大于其他频偏判决为不错锁，否则判决为错锁。错锁后复位并行扫频和差分捕获模块并重新启动捕获流程；不错锁则继续后续解调流程；
4)后续解调流程控制：载波不错锁后进行后续解调流程，当搜索到指示字后可以重新启动对下一个突发帧的并行扫频和差分捕获模块；从而进入步骤2)。
(5)相关及频率校正：对捕获同步后的信号进行相关，利用相关后的同步序列进行FFT频率估计，并将频率估计结果补偿到接收通道中以基本消除相关后的信号频偏；
(6)指示字搜索及初相计算：对频偏补偿后信号进行指示字搜索确定业务信息的扩频比，并计算指示字的初相并补偿保证后面锁相环快速入锁；
对指示字的相位进行准确估计的前提是经过扫频和同步头FFT频率估计后的剩余频偏非常小，为了保证低信噪比下对相位的准确计算，需要将指示字去调制后数据先进行累加得到数据accu_data，然后再计算数据相位，计算公式为arctan(Q/I)，其中I和Q对应数据accu_data的实部和虚部。
(7)二次频率校正及载波锁相环：利用解析出的扩频比信息对业务信息序列进行相关解扩，并对解扩后的序列进行载波相位恢复，同时进行周期性的频率估计并对估计结果对频偏进行实时补偿。完成低轨抗干扰通信的突发扩频解调。
该方法在步骤1中完成了波形设计，在步骤2实现高动态下的码捕获及频率粗捕获，在步骤5和6实现帧头的频率估计和指示字的初始相位估计，为步骤7的载波锁相环快速入锁提供条件，同时步骤7的频率估计跟踪大动态导致的频率变化率，保证解调稳定可靠。
总之，本发明针对低速信号在高动态引起的频率同步和定时同步困难的问题提出了一种用于低轨抗干扰通信的突发扩频解调方法，涉及卫星抗干扰通信系统领域。本发明采用差分捕获保证捕获位置在帧同步头位置，采用并行扫频将频偏锁定在一定范围内，帧头频率估计加相位估计方便载波估计环路快速入锁，二次连续频率估计跟踪多普勒频移导致的载波频偏变化，从而实现高动态的载波同步功能。该方法可以实现自适应速率匹配，逐帧扩频比、信息速率可变，有利于低信噪比大动态解调，采用扩频方式可以实现抗干扰、隐蔽通信，适用于速率实时调整的隐蔽通信，可用于低轨卫星的抗干扰通信。
Claims (4)
1.一种用于低轨抗干扰通信的突发扩频解调方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)设计帧结构，每帧中包括同步序列、控制信息、业务信息预留数据；其中，整帧采用扩频序列扩频，帧头和控制信息采用估计扩频比，其他信息的扩频比根据速率动态变化；控制信息的内容指示业务数据的扩频比，一帧为一个周期；
(2)序列发送：卫星转发器按照帧结构组帧、扩频并发送扩频后的帧序列；
(3)预处理：地面站终端对接收信号进行匹配滤波、增益调整的预处理；
(4)并行扫频及差分捕获：对接收信号进行并行多路下变频和差分捕获，选择捕获同步的一路输出并记录频偏值；
(5)相关及频率校正：对捕获同步后的信号进行相关，利用相关后的同步序列进行FFT频率估计，并将频率估计结果补偿到接收通道中，消除相关后的信号频偏；
(6)指示字搜索及初相计算：对频偏补偿后的信号进行指示字搜索，确定业务信息的扩频比，并计算指示字去调制后数据的初相并补偿到载波相位上；
(7)二次频率校正及载波锁相环：利用解析出的扩频比信息对业务信息序列进行相关解扩，并对解扩后的序列进行载波相位恢复，同时进行周期性的频率估计，根据估计结果对频偏进行实时补偿；
完成低轨抗干扰通信的突发扩频解调。
2.根据权利要求1所述的一种用于低轨抗干扰通信的突发扩频解调方法，其特征在于，步骤(1)中，扩频序列采用伪随机序列，同步序列用于数据帧定位和伪码同步，控制信息用于业务信息速率解析及定位，控制信息采用一组walsh码，不同walsh码用于指示业务数据长度、扩频比的信息，预留数据用于数据调整，预留数据填充0；指示字长度L的设定依赖于接收信噪比和频率变化率a，在满足接收信噪比的情况下L<Rs/2a；频率变化率a＝卫星和接收平台的相对加速度*工作频率/光速。
3.根据权利要求1所述的一种用于低轨抗干扰通信的突发扩频解调方法，其特征在于，步骤(4)的具体方式为：
(301)上电复位：终端上电全局复位后启动并行扫频和差分捕获模块；
(302)同步判决：启动并行扫频和差分捕获模块的同时进行计数清零，重新启动计数器，计数器的周期为传输一个完整帧长度所用的时间，在一个周期内对多个差分捕获模块的同步状态进行查询，任何一个模块捕获同步即判决为同步，并记录其扫频频偏信息delta_f；
(303)载波错锁：以捕获同步的扫频频偏信息delta_f为中心频点，左右各取两个频点delta_f-Rs，delta_f-2Rs，delta_f+Rs，delta_f+2Rs，计算五个频偏下的相关后信号的功率累加值，中频频点下的功率累加值大于其他频偏判决为不错锁，否则判决为错锁；错锁后复位并行扫频和差分捕获模块并重新启动捕获流程；不错锁则继续后续解调流程；
(304)后续解调流程控制：载波不错锁后进行后续解调流程，当搜索到指示字后重新启动对下一个突发帧的并行扫频和差分捕获模块；重新进入步骤302。
4.根据权利要求1所述的一种用于低轨抗干扰通信的突发扩频解调方法，其特征在于，步骤(6)中，将指示字去调制后数据先进行累加得到数据accu_data，然后再计算数据相位，计算公式为arctan(Q/I)，其中I和Q为数据accu_data的实部和虚部。
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|---|---|---|---|---|
| CN117615458A (zh) * | 2024-01-22 | 2024-02-27 | 南京典格通信科技有限公司 | 一种5g自组网系统的多带宽扫频方法 |
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- 2023-08-21 CN CN202311052330.0A patent/CN116915281A/zh active Pending
Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN117615458A (zh) * | 2024-01-22 | 2024-02-27 | 南京典格通信科技有限公司 | 一种5g自组网系统的多带宽扫频方法 |
| CN117615458B (zh) * | 2024-01-22 | 2024-04-16 | 南京典格通信科技有限公司 | 一种5g自组网系统的多带宽扫频方法 |
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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