CN118659864B - 一种卫星通信同步方法、设备及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种卫星通信同步方法，包括以下步骤：对基带信号进行预处理并发送至接收端；对接收信号进行还原得到基带信号；通过对接收信号进行滑窗处理和循环移位，将循环移位后的信号与扩频码进行相关运算，得到峰值，若峰值大于捕获门限值，则捕获峰值对应的循环序号和索引；根据循环序号生成本地载波对基带信号进行频率粗补偿；根据索引对粗补偿后的信号进行头部确认，捕获信号头部；然后对粗补偿后的信号进行频率细补偿，并将细补偿后的信号与扩频码相乘后进行累加，最后对累加结果进行鉴相得到收发信号的相位误差，根据相位误差可以对接收信号进行相位补偿，从而实现在收发设备无外部共源本振的情况下，完成收发信号的快速、高精度同步。
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同步方法、设备及存储介质。
背景技术
随着无线网络的迅速发展，5G网络技术为新型网络应用提供了更灵活的服务、更大的容量和更高的效率，为物联网规划了重要服务场景。然而，大规模5G部署成本高且网络覆盖有限。同时，随着多维信息服务需求的提升，迫切需要构建空天地一体化网络。该网络通过融合不同网络维度的功能，打破数据共享的壁垒，实现了广域覆盖和网络互联互通。
面向星间组网的卫星突发通信系统，需要在不同卫星之间建立双向的数据通信链路，以完成星间情报数据和其他信息的传输任务。由于不同卫星通信设备的晶振之间存在着较大的频偏，收发设备不同源时导致两设备采样率存在一定的偏差，再加上短时突发的通信特点，这对系统的同步性能要求相当之高。因此，如何设计一种针对收发设备无外部共源本振的情况下实现快速、高精度卫星通信同步的方法，成为本领域亟需解决的问题。
发明内容
本发明提出一种卫星通信同步方法、设备及存储介质，解决了现有技术中在收发设备无外部共源本振的情况下卫星通信同步精度较差等问题。
本发明的技术方案是这样实现的：
本发明第一方面提供了一种卫星通信同步方法，包括以下步骤：
对基带信号进行预处理并发送至接收端；
对接收信号进行还原得到基带信号；
对基带信号进行滑窗处理和循环移位，将循环移位后的信号与本地生成的扩频码进行相关运算，得到峰值，若峰值大于捕获门限值，则捕获峰值对应的循环序号和索引；
根据循环序号生成本地载波对基带信号进行频率粗补偿；
根据峰值对应的索引对频率粗补偿后的信号进行头部确认，捕获信号头部；
对频率粗补偿后的信号进行频率细补偿；
将频率细补偿后的信号与扩频码相乘后进行累加，对累加结果进行鉴相得到收发信号的相位误差，根据相位误差对接收信号进行相位补偿，完成收发信号的同步。
本发明通过对接收到的信号进行滑窗处理和循环移位，并与扩频码进行相关运算，捕获峰值对应的循环序号，再根据循环序号对接收信号进行频率补偿，并将频率补偿后的信号与扩频码相乘后进行累加，最后对累加结果进行鉴相得到收发信号的相位误差，根据相位误差可以对接收信号进行相位补偿，从而实现在收发设备无外部共源本振的情况下，完成收发信号的快速、高精度同步。
具体地，对基带信号进行预处理的方法包括以下步骤：
信息序列生成，生成导频信号和同步字，所述导频信号用于接收端对接收信号进行捕获，所述同步字用于确认接收信号是否被接收端完整接收到；
信道编码，在基带信号的每个时隙后面增加冗余信息；
组帧，将基带信号、导频信号、同步字、冗余信息组成信息流；
BPSK调制，通过BPSK调制模块对组帧后的信息流进行相位调制；
扩频，生成扩频码，将扩频码的长度与经过BPSK调制后的信号长度对齐；将调制信号和扩频码上采样，每比特调制信号的采样点与上采样的扩频码对齐后相乘，完成扩频；
成型滤波，扩频后的信号通过根升余弦成型滤波器进行赋形；
一次上采样，对成型滤波后的信号进行一次上采样；
上变频，生成载波并与一次上采样后的信号相乘生成发射信号，将发射信号与生成的载波进行复乘，完成上变频；
二次上采样，将上变频后的信号进行二次上采样；
高通滤波，滤除上变频产生的低频镜像频率。
具体地，对接收信号进行还原得到基带信号的方法包括以下步骤：
下变频，在接收端生成一个与接收信号的频率对应的载波，将接收信号与对应的载波复乘，完成下变频；
低通滤波，采用低通滤波器滤除下变频信号中的高频分量。
具体地，捕获循环序号和索引的方法包括以下步骤：
对基带信号进行滑窗，每次滑P个点，窗长为W；
对滑窗后的信号进行FFT变换，并在频域循环移位，生成N路FFT数据；
将扩频码补零至W点并进行FFT变换，FFT变换后取共轭得到扩频码的频谱共轭数据；
将N路FFT数据与扩频码的频谱共轭数据进行复乘，对复乘后的结果进行IFFT变换，得到N路IFFT数据；
将N路IFFT数据的P+1~N点置零，置零后的结果求绝对值；
找出N条通道中绝对值的最大值Vmax，并记录最大值所在通道的循环序号s_idx和最大值索引Vmax_idx；
判断最大值Vmax是否大于捕获门限值Th，若大于，则输出循环序号s_idx和最大值索引Vmax_idx；否则，继续滑窗。
具体地，采用如下公式进行频率粗补偿：
其中，y(n)表示经过频率粗补偿后的信号；i为虚数单位；df为循环序号s_idx与频率分辨率的乘积；n表示接收信号的采样时间；x(n)表示接收信号。
具体地，进行头部确认的方法包括以下步骤：
由峰值对应的索引确认信号起始点，从起始点开始取频率粗补偿后信号的UW同步头对应的点数开始解调，得到解调信号；
将解调信号与预设的同步字进行比较；
当解调信号与预设的同步字相同的个数超过门限值时，表示接收信号被完整接收到，完成头部确认；否则，继续滑窗获取新的峰值对应的索引直至完成头部确认。
具体地，采用如下公式进行频率细补偿：
其中，r(n)表示经过频率细补偿后的信号；i为虚数单位；n表示接收信号的采样时间；y(n)表示经过频率粗补偿后的信号；F_est的计算方法如下：
将扩频码的N*LPN个点与频率粗补偿后信号的前N*LPN个采样点进行复乘，LPN为扩频码的长度；
当扩频码计数器计数到LPN比特边界时，扩频码计数器清零；
对每LPN个点进行累加，得到N个点为解扩频后的数据，将解扩频后的数据平移一个比特后与自身共轭进行复乘；
复乘之后对N个点求反正切值并与本地系数相乘得到N个点的频率估计值，对N个点的频率估计值求平均值得到F_est。
具体地，当累加结果实部的绝对值大于载波环路锁定门限与累加结果虚部的绝对值乘积时，表示载波跟踪环路锁定；当载波跟踪环路处于锁定状态时，若当前累加清零的输出连续4个比特不满足锁定条件时，载波跟踪环路失去锁定。
本发明第二方面提供了一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器内存储有可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述卫星通信同步方法的步骤。
本发明第三方面提供了一种计算机可读存储介质，所述存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现上述卫星通信同步方法的步骤。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种卫星通信同步方法的流程示意图；
图2为本发明实施例中发射端对基带信号进行预处理的流程示意图；
图3为本发明实施例中接收端对信号进行滑窗处理的流程示意图；
图4为本发明实施例中接收端对信号进行频率细补偿的流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例对本发明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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参照图1，本发明实施例第一方面提供了一种卫星通信同步方法，包括以下步骤：
对基带信号进行预处理并发送至接收端；
对接收信号进行还原得到基带信号；
对基带信号进行滑窗处理和循环移位，将循环移位后的信号与本地生成的扩频码进行相关运算，得到峰值，若峰值大于捕获门限值，则捕获峰值对应的循环序号和索引；
根据循环序号生成本地载波对基带信号进行频率粗补偿；
根据峰值对应的索引对频率粗补偿后的信号进行头部确认，捕获信号头部；
对频率粗补偿后的信号进行频率细补偿；
将频率细补偿后的信号与扩频码相乘后进行累加，对累加结果进行鉴相得到收发信号的相位误差，根据相位误差对接收信号进行相位补偿，完成收发信号的同步。
本发明通过对接收到的信号进行滑窗处理和循环移位，并与扩频码进行相关运算，捕获峰值对应的循环序号，再根据循环序号对接收信号进行频率补偿，并将频率补偿后的信号与扩频码相乘后进行累加，最后对累加结果进行鉴相得到收发信号的相位误差，根据相位误差可以对接收信号进行相位补偿，从而实现在收发设备无外部共源本振的情况下，完成收发信号的快速、高精度同步。
具体地，如图2所示，本发明发射端对基带信号进行预处理的方法包括以下步骤：
信息序列生成，生成导频信号和同步字；
本实施例中，通过发射端生成时间为T、信息速率为Rb、LP比特的导频信号和LUW比特的UW同步字；所述导频信号用于接收端对接收信号进行捕获，由于待传输的目标信息的码速率较高，导致目标信息扩频后的相位翻转也比较多，从而导致目标信息无法被捕获，因此需要借助导频信号对目标信息进行捕获；所述UW同步字用于确认接收信号是否被接收端完整接收到，经过UW同步字确认和帧头确认，才能保证接收信号被完整的接收到了。
信道编码，采用二分之一LDPC编码，在基带信号的每个时隙后面增加冗余信息，冗余信息增加在目标信息部分，用于提高数据传输的可靠性。
组帧，将基带信号、导频信号、同步字、冗余信息组成长度为Nb比特的信息流，所述信息流包括同步头、版本号、航天器标识、虚拟信道标识、虚拟信道计数、标志域、插入域、数据域、CRC纠错码和LDPC编码。
BPSK调制，通过BPSK调制模块对组帧后的信息流进行相位调制；
组帧序列经双极性变换为双极性码序列后进入BPSK调制模块进行相位调制，BPSK初始相位设为-π/4，若导频信号的码值为1，则组帧后的信号相位正向旋转π/4，若导频信号的码值为-1，则组帧后的信号相位反向旋转-3π/4。
扩频，生成扩频码，将扩频码的长度与经过BPSK调制后的信号长度对齐（经过BPSK调制后的信号长度要与生成的扩频码长度对齐，便于后续进行扩频处理；例如：扩频码长度为N，BPSK调制后的长度为L，L可以整除N，扩频码需要循环往后叠加至与L长度对应）；将调制信号和扩频码上采样，每比特调制信号的采样点与上采样的扩频码对齐后相乘，完成扩频（调制信号和扩频码需要通过约定好的采样率进行输出，例如：在32.768MHZ的采样率下生成信号，以245.76的采样率进行输出，那么需要对发射信号进行7.5倍的上采样）。
成型滤波，扩频后的信号通过根升余弦成型滤波器进行赋形，扩频后的信号通过根升余弦滚降滤波器滤波后，再截掉前后各9位，完成赋形。
一次上采样，使用NCO（数字控制振荡器）对成型滤波后的信号进行一次上采样；
上变频，生成载波并与一次上采样后的信号相乘生成发射信号，将发射信号与生成的载波进行复乘，完成上变频；
二次上采样，将上变频后的信号进行二次上采样；
高通滤波，滤除上变频产生的低频镜像频率，滤波后的信号经AWGN信道到达接收端。
具体地，本发明接收端对接收信号进行还原得到基带信号的方法包括以下步骤：
下变频，在接收端生成一个与接收信号的频率对应的载波，将接收信号与对应的载波复乘，完成下变频；由于接收的信号是经过上变频之后的信号，需要将接收信号还原为基带信号，因此需要对接收信号进行下变频，因为接收信号的频率是已知的，可直接在接收端生成一个对应的载波，对接收信号复乘对应的载波即可完成下变频。
低通滤波，在信号完成下变频之后，可能会存在不需要的高频分量，因此采用低通滤波器滤除下变频信号中不需要的高频分量。
具体地，如图3所示，本发明接收端捕获循环序号和索引的方法包括以下步骤：
对基带信号进行滑窗，每次滑P个点，窗长为W（即FFT的点数）；
对滑窗后的信号进行FFT变换（快速傅里叶变换），并在频域循环移位，生成N路FFT数据；
将扩频码补零至W点（扩频码原始长度为LPN）并进行FFT变换，FFT变换后取共轭得到扩频码的频谱共轭数据；
将N路FFT数据与扩频码的频谱共轭数据进行复乘，对复乘后的结果进行IFFT变换（逆快速傅里叶变换），得到N路IFFT数据；
基带信号和扩频码进行相关时两者长度需相同，相关=IFFT（（FFT数据） * （扩频码的频谱共轭数据）），即求取基带信号和扩频码的相关性。
将N路IFFT数据的P+1~N点置零（由于取基带信号时只取了P个点，故P+1点后的IFFT数据无效），置零后的结果求绝对值；
找出N条通道中绝对值的最大值Vmax，并记录最大值所在通道的循环序号s_idx和最大值索引Vmax_idx；
循环序号指的是输出通道的序号，例如循环移位40次会产生41路数据（-20~20），将41路数据与扩频码数据进行相关运算（FFT和IFFT），若此时最大值产生在第-15路，则s_idx为-15。
判断最大值Vmax是否大于捕获门限值Th，若大于，则输出循环序号s_idx和最大值索引Vmax_idx；否则，继续滑窗；例如：一开始从第10个点开始，取1000个点（即滑P个点），若这1000个点里面没找到信号，就继续之前步骤，从第1011个点开始继续取1000个点。
进一步地，找出N条通道各自的最大值，对N个最大值进行排序，取其中最小的16个值的均值，将均值与设定系数（默认为2）相乘后得到捕获门限值TH。
具体地，采用如下公式进行频率粗补偿：
其中，y(n)表示经过频率粗补偿后的信号；i为虚数单位（频率补偿要同时对实部和虚部进行补偿，所以需要加虚数单位i构成欧拉公式）；df为循环序号s_idx与频率分辨率的乘积；n表示接收信号的采样时间；x(n)表示接收信号。
此时刻由于多普勒等一系列因素影响导致接收信号无法正常解调，在这个过程中，对接收信号进行频偏粗补偿。
通过循环序号s_idx可以得知在第几个通道出现的相关峰的峰值，例如：采样率为xxx，一次FFT变换的点数为N，可以得出FFT数据的多普勒分辨率为Fd=xxx/N，s_idx*Fd即为多普勒粗估计值，因为多普勒分辨率在大于Fd才能分辨，所以在0-Fd的多普勒范围内无法完整分辨，因此需要后续对频率进行精补偿。
具体地，进行头部确认的方法包括以下步骤：
由峰值（最大值）对应的索引确认信号起始点，从起始点开始取频率粗补偿后信号的UW同步头对应的点数开始解调，得到解调信号；
将解调信号与预设的同步字进行比较；
当解调信号与预设的同步字相同的个数超过门限值时，表示接收信号被完整接收到，完成头部确认；否则，继续滑窗获取新的峰值对应的索引直至完成头部确认。
一般认为相关最大值处可能为信号的起始点，因此需要先将同步部分解调出来，与预设值比对，若不是信号头部，则需要继续捕获，直到捕获到信号头部。
进一步地，基带信号的头部或尾部插入了信标（100w点低幅值正弦波），用于判别接收信号完整接收一帧数据起始点大致位置，获取大致位置后再进行收发信号头部互相关得出峰值点确定信号起始点。当输入有效时（前面捕获完成，会产生一个标识符），从信号起始点开始取粗补偿后信号UW同步头对应的点数开始解调；取符号S，当Header（同步头）为0时，S={8{I路数据的符号位取反}}，当Header为1时，S={8{I路数据的符号位}}；当输入有效时，对S进行累加；累加N次时，对S求绝对值（记作A）；若S符号为1，A为S取反+1，反之，A值为S；当A大于累加门限X（本实施例设置为24）时，完成头部确认，此时头部锁定标志hd_lock_status=1；S实际上就是累加器的作用，解调每个bit并按位比较，如果相同则加1。
具体地，采用如下公式进行频率细补偿：
其中，r(n)表示经过频率细补偿后的信号；i为虚数单位；n表示接收信号的采样时间；y(n)表示经过频率粗补偿后的信号；如图4所示，F_est的计算方法如下：
将扩频码的N*LPN个点与频率粗补偿后信号的前N*LPN个采样点进行复乘，LPN为扩频码的长度；
当扩频码计数器计数到LPN比特边界时，扩频码计数器清零；
对每LPN个点进行累加，得到N个点为解扩频后的数据，将解扩频后的数据平移一个比特后与自身共轭进行复乘；
复乘之后对N个点求反正切值（atan）并与本地系数（3.2595e4）相乘得到N个点的频率估计值，对N个点的频率估计值求平均值得到F_est。
具体地，将频率细补偿后的信号与扩频码相乘后进行累加，对累加结果进行鉴相：
其中，为鉴相器的输出，相位误差来源于鉴相器的输出；sign( )表示取符号值；
根据相位误差对接收信号进行相位补偿，完成收发信号的同步。
当累加结果实部的绝对值大于载波环路锁定门限与累加结果虚部的绝对值乘积时，表示载波跟踪环路锁定；当载波跟踪环路处于锁定状态时，若当前累加清零的输出连续4个比特不满足锁定条件时，载波跟踪环路失去锁定，需要重新捕获。
累加清零输出的是解扩频后的当前符号的数据值，载波跟踪后的数据间隔多少个采样点是一个符号的数据，与本地扩频码相乘后累加进行解扩频，输出数据之后对数据进行清零操作，继续执行下一个符号的解调。
本发明实施例第二方面提供了一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器内存储有可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述卫星通信同步方法的步骤。
本发明实施例第三方面提供了一种计算机可读存储介质，所述存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现上述卫星通信同步方法的步骤。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种卫星通信同步方法，其特征在于，包括以下步骤：
对基带信号进行预处理并发送至接收端；
对接收信号进行还原得到基带信号；
对基带信号进行滑窗处理和循环移位，将循环移位后的信号与本地生成的扩频码进行相关运算，得到峰值，若峰值大于捕获门限值，则捕获峰值对应的循环序号和索引；
根据循环序号生成本地载波对基带信号进行频率粗补偿；
根据峰值对应的索引对频率粗补偿后的信号进行头部确认，捕获信号头部；
对频率粗补偿后的信号进行频率细补偿；
将频率细补偿后的信号与扩频码相乘后进行累加，对累加结果进行鉴相得到收发信号的相位误差，根据相位误差对接收信号进行相位补偿，完成收发信号的同步。
2.根据权利要求1所述的一种卫星通信同步方法，其特征在于，对基带信号进行预处理的方法包括以下步骤：
信息序列生成，生成导频信号和同步字，所述导频信号用于接收端对接收信号进行捕获，所述同步字用于确认接收信号是否被接收端完整接收到；
信道编码，在基带信号的每个时隙后面增加冗余信息；
组帧，将基带信号、导频信号、同步字、冗余信息组成信息流；
BPSK调制，通过BPSK调制模块对组帧后的信息流进行相位调制；
扩频，生成扩频码，将扩频码的长度与经过BPSK调制后的信号长度对齐；将调制信号和扩频码上采样，每比特调制信号的采样点与上采样的扩频码对齐后相乘，完成扩频；
成型滤波，扩频后的信号通过根升余弦成型滤波器进行赋形；
一次上采样，对成型滤波后的信号进行一次上采样；
上变频，生成载波并与一次上采样后的信号相乘生成发射信号，将发射信号与生成的载波进行复乘，完成上变频；
二次上采样，将上变频后的信号进行二次上采样；
高通滤波，滤除上变频产生的低频镜像频率。
3.根据权利要求1所述的一种卫星通信同步方法，其特征在于，对接收信号进行还原得到基带信号的方法包括以下步骤：
下变频，在接收端生成一个与接收信号的频率对应的载波，将接收信号与对应的载波复乘，完成下变频；
低通滤波，采用低通滤波器滤除下变频信号中的高频分量。
4.根据权利要求1所述的一种卫星通信同步方法，其特征在于，捕获循环序号和索引的方法包括以下步骤：
对基带信号进行滑窗，每次滑P个点，窗长为W；
对滑窗后的信号进行FFT变换，并在频域循环移位，生成N路FFT数据；
将扩频码补零至W点并进行FFT变换，FFT变换后取共轭得到扩频码的频谱共轭数据；
将N路FFT数据与扩频码的频谱共轭数据进行复乘，对复乘后的结果进行IFFT变换，得到N路IFFT数据；
将N路IFFT数据的P+1~N点置零，置零后的结果求绝对值；
找出N条通道中绝对值的最大值Vmax，并记录最大值所在通道的循环序号s_idx和最大值索引Vmax_idx；
判断最大值Vmax是否大于捕获门限值Th，若大于，则输出循环序号s_idx和最大值索引Vmax_idx；否则，继续滑窗。
5.根据权利要求1所述的一种卫星通信同步方法，其特征在于，采用如下公式进行频率粗补偿：
；
其中，y(n)表示经过频率粗补偿后的信号；i为虚数单位；df为循环序号s_idx与频率分辨率的乘积；n表示接收信号的采样时间；x(n)表示接收信号。
6.根据权利要求1所述的一种卫星通信同步方法，其特征在于，进行头部确认的方法包括以下步骤：
由峰值对应的索引确认信号起始点，从起始点开始取频率粗补偿后信号的UW同步头对应的点数开始解调，得到解调信号；
将解调信号与预设的同步字进行比较；
当解调信号与预设的同步字相同的个数超过门限值时，表示接收信号被完整接收到，完成头部确认；否则，继续滑窗获取新的峰值对应的索引直至完成头部确认。
7.根据权利要求1所述的一种卫星通信同步方法，其特征在于，采用如下公式进行频率细补偿：
；
其中，r(n)表示经过频率细补偿后的信号；i为虚数单位；n表示接收信号的采样时间；y(n)表示经过频率粗补偿后的信号；F_est的计算方法如下：
将扩频码的N*LPN个点与频率粗补偿后信号的前N*LPN个采样点进行复乘，LPN为扩频码的长度；
当扩频码计数器计数到LPN比特边界时，扩频码计数器清零；
对每LPN个点进行累加，得到N个点为解扩频后的数据，将解扩频后的数据平移一个比特后与自身共轭进行复乘；
复乘之后对N个点求反正切值并与本地系数相乘得到N个点的频率估计值，对N个点的频率估计值求平均值得到F_est。
8.根据权利要求1所述的一种卫星通信同步方法，其特征在于，当累加结果实部的绝对值大于载波环路锁定门限与累加结果虚部的绝对值乘积时，表示载波跟踪环路锁定；当载波跟踪环路处于锁定状态时，若当前累加清零的输出连续4个比特不满足锁定条件时，载波跟踪环路失去锁定。
9.一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器内存储有可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至8中任一项所述卫星通信同步方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，所述存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至8中任一项所述卫星通信同步方法的步骤。
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