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CN114760175B - 基于星载vde的qpsk-cpm分段双向差分解调系统 - Google Patents

基于星载vde的qpsk-cpm分段双向差分解调系统 Download PDF

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CN114760175B CN202210275456.3A CN202210275456A CN114760175B CN 114760175 B CN114760175 B CN 114760175B CN 202210275456 A CN202210275456 A CN 202210275456A CN 114760175 B CN114760175 B CN 114760175B
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Abstract

一种基于星载VDE的QPSK‑CPM分段双向差分解调系统系统，包括：载波相关同步模块，用于对接收的VDE信号采用频域滑动相关估算突发信号的时延和频偏，并对数据进行频偏补偿。CPM分段双向差分解调模块，用于对补偿后的数据利用导频分段双向差分算法进行解扩解调。该系统利用导频双向差分解调防止误码扩散，可有效减少解调硬件资源，提高容错率，在存在一定残留频偏、相偏、相位噪声时仍可进行正常解调，提高了海空通信恶劣环境的容忍度。

Description

基于星载VDE的QPSK-CPM分段双向差分解调系统
技术领域
本发明涉及星载通信技术领域，具体涉及一种基于星载VDE的QPSK-CPM分段双向差分解调系统。
背景技术
VDES(VHF Data Exchange System)作为下一代海事通信系统,可以提供全天时、全天候的甚高频数据通信，数据采集和海上物联等信息管控与服务，应用前景极为广阔。G1139 VDES标准定义了卫星上行的数据确认信令通道和随机接入通道必须使用Link ID20物理层帧格式。LinkID20物理层采用QPSK-CPM扩频调制方式，使数据在从一个符号到下一个符号的转换过程中也保持相位连续。其中VDE的CPM扩频采用CPM波形对QPSK调制信号进行16倍扩频。
发明内容
为解决星载VDE通信中近地轨道卫星接收数据的CPM解调问题，本申请提供一种星载VDE的QPSK-CPM分段双向差分解调系统。
本发明提供的技术方案是：
本发明提供一种星载VDE的QPSK-CPM分段双向差分解调系统，包括：
载波相关同步模块，基于数据辅助的频域滑动相关算法用于对接收的数据进行时延和频偏捕获，频偏估计与补偿。
差分解调模块，用于对补偿后的数据进行解扩解调。
进一步的，星载接收的VDE信号进行下变频和AD采样后，数据传输速率为134.4KHz(CPM扩频的码片速率为33.6Kcps，4倍采样速率为134.4KHz)，根据GPS的UTC时间信号，截取接收数据位置的前4096采样点与本地参考CPM扩频序列进行频域移位滑动相关。
进一步的，本地CPM参考扩频序列频域进行4096点循环移位，每循环移位一个采样点符号，本地参考CPM扩频序列频率移动32.8125Hz(134.4KHz/4096)，根据G1139协议，卫星接收的最大多普勒频偏范围为±4.5KHz,即需要进行275点频率扫描(即9KHz除以32.8125Hz)，可以覆盖±4.5KHz的最大频偏范围。
进一步的，采用最大似然估计法，找到相关最大值，对频率偏移至和时延值进行计算，对补时延后的数据进行频偏补偿，补偿后的数据频偏在±32.8125Hz以内。
进一步的，把补偿后的数据64采样点分成一组(4倍符号过采样)，一个VDE LinkID 20帧格式的数据包有260组，本地CPA，CPE序列分别每32行分成一组，每组中有四列数据。每一组的前32个采样点与本地CPA扩频序列相对应的组中的4列数据分别一一进行时域相关，比较四次相关值，找出最大值并记录该最大值相关对应本地CPA序列的那一列为DPa(DPa∈[0,1,2,3])。每一组的后32个采样点与本地CPE扩频序列相对应的组中的4列数分别一一进行时域相关，比较四次相关值，找出最大值并记录该最大值相关对应本地CPA序列的那一列为DPe(DPe∈[0,1,2,3])。
进一步的，利用同步字和导频把DPa，DPe分别分成13段，第1段有56个数据，包含48个同步头数据和8个信号数据；第2段到第13段均有17个数据，除去第1组外每组第一个数都是导频信号数据。
进一步的，利用导频信号的独立性和固定间隔(每17个符号插入一个导频)，根据差分调制算法，对DPa的每一段进行计算得到Qa，对DPe的每一段进行计算得到Qe。
进一步的，在每一段中(每一段指包括头尾两个导频的18个符号)，为了减少差分解调中误码扩散的影响，对每一段用导频信号进行隔离，并取Qa的前半部分和Qe的后半部分组成Qae，进一步减小误码扩散的影响，利用Qae解映射，最终得到解调数据。
技术方案的实现具体流程图见图3。
依据本发明提供的星载VDE的QPSK-CPM分段双向差分解调系统，具有的有益效果是：
面对复杂恶劣环境，在存在一定频偏和相偏的低信噪比环境下，依然可以解调出正确数据，不需要额外的精确频率和相位估计，节省了硬件资源。利用导频信号进行分段双向差分解调，对数据段进行了隔离，防止出现大规模误码扩散的现象。比单独使用Qa或Qe解调算法，提高了误码率性能。
附图说明
图1为G1139协议中LinkID20物理层QPSK-CPM扩频调制实现流程图；
图2为QPSK映射图；
图3为QPSK-CPM扩频分段双向差分解调流程图；
图4为QSPK-CPM扩频分段双向差分解调误码率曲线图；
图5为不同频率偏移下QSPK-CPM扩频分段双向差分解调误码率曲线图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。本发明提供一种基于星载VDE的QPSK-CPM分段双向差分解调系统，其特征在于，包括：
载波相关同步模块，用于对接收的数据进行时延和频偏捕获，频偏估计与补偿；
CPM分段双向差分解调模块，用于对数据进行解扩解调。
优选的，基于星载VDE的QPSK-CPM分段双向差分解调系统中，所述载波相关同步模块，采用基于数据辅助的算法，用最大似然算法对频偏和时延进行估计并修正。
优选的，基于星载VDE的QPSK-CPM分段双向差分解调系统中，所述载波相关同步模块，基于数据辅助算法，在数据在未进行调制时数据帧头有48个同步字，进行CPM扩频调制后，有3072个同步字采样点，3072个同步字采样点补上1024个零，以构成本地参考CPM扩频调制同步字序列；接收数据到来时，由GPS的UTC信号取接收数据的前4096个采样点，与本地参考CPM扩频调制同步字序列进行循环移位频域相关，用最大似然法估计频率偏移值和时延值并进行修正补偿。
优选的，基于星载VDE的QPSK-CPM分段双向差分解调系统中，所述CPM扩频调制，为CPM序列16倍扩频4倍过采样。
优选的，基于星载VDE的QPSK-CPM分段双向差分解调系统中，所述CPM分段双向差分解调模块，用于对补偿后的数据进行解调。
优选的，基于星载VDE的QPSK-CPM分段双向差分解调系统中，所述补偿后的数据中的64个采样点为一组第一数据(CPM调制信号是16倍扩频4倍过采样的CPA和CPE序列)，本地CPA和CPE序列32行4列序列为一组第二数据，第一数据的每组的前32个采样点与第二数据中的本地CPA序列对应组4列分别进行相关，找到4个相关的最大值对应CPA的那一列并记录为DPa数据；第一数据的每组的后32个采样点与第二数据中的本地CPE序列对应组的4列分别进行相关，找到4个相关的最大值对应CPA的那一列并记录为DPe数据；将两组记录的DPa数据和DPe数据利用导频计算差分信号，分别得到两组序列Qa和Qe；将Qa和Qe再利用导频进行分组，每组取Qa的前半部分，Qe的后半部分进行组合，组合后解映射，最终得到解调数据。利用Qa，Qe双向结合解映射的算法，比单独使用Qa或Qe解映射提高了误码率。
所述CPM分段双向差分解调系统，避免了粗频偏补偿后对数据的相位补偿与相位追踪的设计，极大减小了硬件资源，且在一定的残留载波频偏、相偏和符号定时频偏环境下仍可正常解调。
所述CPM分段双向差分解调系统，利用导频进行分段处理避免了因为一个符号错误导致后续符号出现一连串错误的情况，防止误码扩散。降低了错误率。
具体的，G1139 VDES标准定义的卫星上行Link ID 20的主要物理层指标如下：
Link ID 20
通道带宽 50KHz
信号带宽 42KHz
CPM扩频码片速率 33.6kcps
扩频倍数 16倍
符号速率 2.1Ksps
突发信号占用 5个时隙
突发信号持续时间 125.3ms
同步字长度 48个符号
同步字和数据调制方式 QPSK-CPM扩频
导频间隔 17个符号
总导频符号 12个符号
CPM扩频调制方案如图1所示，调制后的输出y(k)为
其中，n∈[0,BL-1]，BL是数据经过QPSK调制后的长度，SL＝SF*NS，SF是扩频因子，NS是采样倍数。k＝BL*SL,m＝k％63，CPA，CPE分别是16倍扩频4倍过采样的CPM波形序列，共8352行4列。调制公式中其他参数公式如下：
m＝k％SL
la＝(m+n·SL/2)％TL
le＝(m+(n-1)·SL/2)％TL
pa,pe的值取决于数据映射QPSK后的数据。其具体关系如下：
数据经过CPM扩频调制后经射频端发射出去。星载VDE接收机接收到数据后经过下变频和滤波后，首先进行频偏和时延补偿，对本地序列进行4096点循环移位FFT，(帧头同步字48×16倍扩频×4倍过采样+1024个零)每循环移位1比特，频率步进为32.8Hz(134.4KHz/4096＝32.8Hz)，根据G1139协议，卫星接收最大频偏范围为±4.5KHz,对同步字频域循环移位与接收序列前4096点频域相关，采用最大似然估计法，找到相关最大值，求出频偏，并对数据进行频率补偿，补偿后的数据频偏在±32.8Hz。
图2为QPSK映射图。
进一步的，进行CPM解调解扩。具体解扩流程如图3所示。把接收到的16640个采样点每64个分成1组，把本地CPA，CPE序列分别每32行分成一组，共261组，4列。每组接收数据前32个采样点与相对应的每组CPA的4列一一相关，把四列相关值进行比较，找出最大值，该最大值对应的列记为DPa。同理，每组接收数据后32个采样点与相对应的每组CPE的四列一一相关，把四列相关值进行比较，找出最大值，该最大值对应的列记为DPe。
进一步的，对DPa进行处理，DPa共260个，前48个是同步字映射的DPa，位置在57,74,91,108,125,142,159，176,193,210,227，244是导频映射的DPa，根据导频信号把DPa分成13组，每组中根据调制时pa的差分关系计算q，差分公式：q(n)＝q(n-1)+pa(n)。这样可计算出全部的q(n)，记为Qa(n)。
同理，对DPe进行处理，DPe共260个，前48个是同步字映射的DPe，位置在57,74,91,108,125,142,159，176,193,210,227，244是导频映射的DPe，根据导频信号把DPe分成13组，每组中根据调制时pe的差分关系计算q，差分公式：q(n)＝q(n+1)-pe(n)。这样可计算出全部的q(n)，记为Qe(n)。
进一步的，将Qa(n)，Qe(n)结合起来，记为Qae(n)。处理方法是：Qae(n)前56个数是Qa(n)的前56个数。12个导频信号分别放在Qae(n)对应的位置。每两组导频信号为一组，Qa(n)每组导频信号之间的前半段数据赋值给Qae(n)导频信号之间数据的前半段，Qe(n)赋值给后半段。Qae(n)最后一个导频后的16个数据取Qa(n)的最后16个数据。利用Qae(n)解映射，得到解调数据。
图4是进行差分解调的误码率图(调制端加入turbo码)。单独采用Qa进行解调数据的误码率如BER pa曲线所示，单独采用Qe进行解调数据的误码率如BER pe曲线所示，Qa，Qe联合的分段双向算法差分解调数据的误码率如BEF pae曲线所示。联合算法大约比单独用Qa解调提高了大约3dB，比单独用Qe解调提高了大约2dB。
图5是频率偏移对误码率的影响曲线(EbNo＝8)，由图可以看出，频率偏移对误码率几乎无影响。
本发明提供了一种基于星载VDE的QPSK-CPM扩频差分解调算法，无需进行相位追踪，极大减少了硬件资源。满足在允许一定频偏(±32.8Hz内)、相偏可以解调出来数据，利用导频分段进行差分计算，避免了一个符号错误导致后面符号出现连续错误的情况，防止误码扩散。利用Qa，Qe联合解映射的算法，降低了解调误码率。

Claims (4)

1.一种基于星载VDE的QPSK-CPM分段双向差分解调系统，其特征在于，包括：
载波相关同步模块，用于对接收的数据进行时延和频偏捕获，频偏估计与补偿；
CPM分段双向差分解调模块，用于对数据进行解扩解调；
所述载波相关同步模块，基于数据辅助算法，在数据在未进行调制时数据帧头有48个同步字，进行CPM扩频调制后，有3072个同步字采样点，3072个同步字采样点补上1024个零，以构成本地参考CPM扩频调制同步字序列；接收数据到来时，由GPS的UTC信号取接收数据的前4096个采样点，与本地参考CPM扩频调制同步字序列进行循环移位频域相关，用最大似然法估计频率偏移值和时延值并进行修正补偿；
所述补偿后的数据中的64个采样点为一组第一数据，本地CPA和CPE序列32行4列序列为一组第二数据，第一数据的每组的前32个采样点与第二数据中的本地CPA序列对应组4列分别进行相关，找到4个相关的最大值对应CPA的那一列并记录为DPa数据；第一数据的每组的后32个采样点与第二数据中的本地CPE序列对应组的4列分别进行相关，找到4个相关的最大值对应CPA的那一列并记录为DPe数据；将两组记录的DPa数据和DPe数据利用导频计算差分信号，分别得到两组序列Qa和Qe；将Qa和Qe再利用导频进行分组，每组取Qa的前半部分，Qe的后半部分进行组合，组合后解映射，最终得到解调数据。
2.如权利要求1所述的基于星载VDE的QPSK-CPM分段双向差分解调系统，其特征在于，所述载波相关同步模块，采用基于数据辅助的算法，用最大似然算法对频偏和时延进行估计并修正。
3.如权利要求1所述的一种基于星载VDE的QPSK-CPM分段双向差分解调系统，其特征在于，所述CPM扩频调制，为CPM序列16倍扩频4倍过采样。
4.如权利要求1所述的基于星载VDE的QPSK-CPM分段双向差分解调系统，其特征在于，所述CPM分段双向差分解调模块，用于对补偿后的数据进行解调。
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