一種用於衛星通信中的頻譜重疊共享的方法與流程

2023-09-13 17:25:55

本發明涉及衛星數據機處理信號的方法，特別涉及一種用於衛星通信中的頻譜重疊共享的方法。

背景技術：

衛星通信具有覆蓋範圍廣，通信距離遠，建設速度快等特點，已成為現代社會的一種重要通信手段。然而，衛星平臺上頻譜和功率資源卻非常有限，選擇合適的頻譜利用方式可以提高頻譜和功率的利用效率。因此，衛星頻譜利用方式一直是衛星通信研究的一個重要方向。現階段衛星頻譜利用主要局限於調製方式和信道復用。

這裡簡單介紹現有技術下衛星通信中的頻譜利用的調製方式和信道復用技術。

現有技術中的衛星通信頻譜利用的調製方式的發展依次經歷由頻譜利用率較低的BPSK(Binary Phase Shift Keying，移相鍵控)、QPSK(Quadrature Phase Shift Keyin，正交相移鍵控)、OQPSK(Offset-QPSK，偏移四相相移鍵控)到階數較高的8-QAM(Quadrature Amplitude Modulation，正交振幅調製)，16QAM等，但隨著調製階數的提高帶來的信道載噪比要求的上升問題限制了頻譜利用率的提升。

復用方式主要有時分多址的TDMA(Time division multiple access，時分多址)體制、頻分多址的FDMA(Frequency division multiple access，頻分多址)體制和碼分多址的CDMA(Code division multiple access，碼分多址)體制。TDMA體制中將系統同一頻帶劃分成不同時隙，各個終端在不同時隙進行通信，它需要嚴格的時間同步和頻率同步，對系統都卜勒頻偏要求很高。FDMA系統中各終端使用獨佔的不同頻段進行通信，頻譜利用率較低。CDMA系統具有保密和抗幹擾特性，主要適用於小容量抗幹擾的軍事通信和國家政府部門的內部保密通信。

現有技術中的對頻譜利用的調製方式和信道復用技術雖然已經比較穩定、成熟，但是制約了頻譜利用率的上升，難以適應現代衛星通信的需要。現有技術通信中，第三方可以截獲通信信號後容易破解通信內容，安全保密性較低。

技術實現要素：

本發明的目的在於提供一種用於衛星通信中的頻譜重疊共享的方法。該方法中採用的頻譜重疊共享技術可以與不同調製方式和復用方式共用，將系統的上下行頻譜進行重疊使用，在不增加頻帶的情況下倍增數據通信帶寬，提高信道使用效率和安全性。

為解決上述技術問題，本發明的實施方式提供了一種用於衛星通信中的頻譜重疊共享的方法，包含以下步驟：

衛星終端在每次開機時，初始化終端各模塊，主要包括基帶處理單元以及數據機等主要部件；

當終端檢測到需要發射上行信號到衛星時，檢測當前衛星終端是否為自環和衛星是否為透明轉發器；滿足條件則啟動頻譜重疊共享來發射和接收；否則啟動常規射頻模塊通過特定頻譜發射上行信號到衛星；

在頻譜重疊共享過程中，接收到信號後，啟動信號評估模塊來評估收到的下行鏈路中自己的信號的參量；

然後在調製與濾波模塊中補償上行與下行鏈路的濾波器效應，從複合信號中去除自身的上行信號對下行信號的影響。

在使用頻譜重疊共享技術的衛星系統中，將系統中處於相互通信的終端兩兩分組，對同一組內的不同終端使用完全相同的上、下行鏈路。也就是說，這兩個終端可以同時使用完全相同的頻率、時隙或擴頻碼字。而利用衛星傳輸中的自發自收特性（即任何一個衛星終端發出的信號均可被包括它本身在內的任何一個衛星終端接收到），每個終端都可以非常可靠地將該組另一個終端的信號從混合的下行信號中分離。由於衛星系統中每個終端都可以確切地知道該終端本身所發射的上行信號，而且也確切地知道該信號在衛星轉發器中經過的處理過程。因此，該終端完全可以對其上行信號經衛星轉發後的下行信號進行估計。

在該方法中，每個終端都接收到一個複合的下行鏈路信號。由於將正在相互通信的2個終端分為一組，佔用同一信道。因此對這2個終端而言，該複合信號內既包括有用信號，也包括該終端本身上行信號經過衛星轉發後的下行信號（對該終端而言也就是因採用頻譜重疊共享而引入的無用信號）。並且這2個信號在頻率上是重疊的。為了將無用信號從複合信號內除去，必須準確估計下行鍵路參數。當然，任何一個終端的下行鍵路參數都不可能估計得非常準確。因而，在本發明中，不可能完全從複合信號中去除其本身下行信號的影響，但通過信道參數估計，可以把影響減小。

附圖說明

圖1是本發明實施方式的系統框圖；

圖2是根據本發明實施方式中系統初始化模塊的流程圖；

圖3是根據本發明實施方式中的信號發射與接收模塊的流程圖；

圖4是根據本發明實施方式中的信號估計模塊的流程圖；

圖5是根據本發明實施方式中的參數調整模塊的流程圖；

圖6是根據本發明實施方式中的信號重構模塊的流程圖。

具體實施方式

為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明的實施方式進行詳細的闡述。然而，本領域的普通技術人員可以理解，在本發明實施方式中，為了使讀者更好地理解本申請而提出了許多技術細節。但是，即使沒有這些技術細節和基於以下實施方式的種種變化和修改，也可以實現本申請各權利要求所要求保護的技術方案。

本發明的實施方式涉及一種用於衛星通信中的頻譜重疊共享的方法，具體流程如圖1所示，包含以下步驟：

步驟101，衛星終端從正常啟動模式開機。

步驟102，衛星終端開機時執行系統初始化模塊。主要包括初始化基帶處理單元、數據機、上變頻器、功率放大器，以及用於解調過程中用到的低噪聲放大器、下變頻器等。

步驟103為該方法中的調製與解調模塊。該模塊描述了衛星通信中頻譜重疊共享方法的具體流程，包括以下步驟：

步驟104，信號發射與接收模塊。當衛星終端經過步驟102完成初始化之後，在該模塊中判斷是否滿足頻譜重疊共享的條件來啟動射頻發射與接收；

步驟105，在頻譜重疊共享的方法中，對接收到的下行信號進行信號估計，準備在後續模塊中消除重複信號；

步驟106，經過自我信號估計後，在該模塊中進行參數調整，包括時延、頻率、相位和增益等的調整；

步驟107，經過步驟105的自我信號估計和步驟106的參數調整，在該模塊中進行信號重構，即把收到的下行信號中自己發送的重複的信號消除。

步驟108，當衛星終端完成所有的任務後，終端關機；否則，終端在步驟104至步驟107之間重複工作進行信號的調製與解調，以及發送和接收。

為了更詳細地介紹本發明，下面結合實例逐一描述下列功能模塊，為簡明起見，衛星通信中與本發明無關的其他細節不再圖示和描述。

在本實施方式中，衛星終端開機後首先完成初始化才能進行後續的信號發射與接收。具體流程如圖2所示：

步驟201，衛星終端開始初始化；

步驟201，初始化基帶處理單元。發射信號前和接收到信號後都需要基帶處理單元來對信號進行編碼和解碼，所以必須保證衛星終端成功初始化基帶處理單元。

步驟203，初始化數據機。調製器負責調製需要發送的信號，解調器負責解析收到的信號。所以數據機必須初始化成功，否則衛星終端無法使用。

步驟204，初始化上變頻器。上變頻器負責將基帶信號的頻譜頻移到所需要的較高載波頻率上。

步驟205，初始化功率放大器。微信終端需要增大發射功率發射信號，以便衛星可以接收到該信號。

步驟206，初始化低噪聲放大器。從衛星接收到的信號由於經常長距離的傳輸，信號都比較微弱，所以需要使用低噪聲放大器來提高信噪比。

步驟207，初始化下變頻器。為了降低信號的載波頻率以及直接去除載波頻率得到基帶信號，所以在衛星終端中也必須初始化成功下變頻器。

步驟208，完成終端的初始化流程。

上述流程201至208即完成了衛星終端的初始化流程，衛星終端可以正常工作。

衛星終端完成初始化後，具備了發射和接收信號的能力，後續進入調製解調模塊103。該模塊主要包括信號發射與接收模塊104、信號估計模塊105、參數調整模塊106以及信號重構模塊107。

衛星終端需要發射調製完成的信號時，如圖3所示，具體步驟如下：

步驟301，啟動射頻系統準備發射與接收信號。

步驟302，判斷是否為自環系統。在採用頻譜重疊共享方法的系統中，衛星鏈路需要滿足以下兩個條件才可以使用該方法：

a).衛星系統中的任何一個終端發出的信號可以被包括它本身的任何一個終端接收到；

b).衛星採用透明轉發器。也就是說，衛星轉發器只對上行信號進行帶通濾波、頻率轉換和信號放大，然後轉發至各地面站。

對大多數現有的以及計劃中行將建設的固定衛星地面站系統而言，都符合上述兩個條件。

衛星終端可以根據自身系統設計時的特性知道本身是否為自環系統。

步驟303，如果是自環系統，進行步驟304；否則執行步驟311採用常規射頻信號發射流程。

步驟304，判斷衛星轉發器是否為透明轉發器。是否為透明轉發器，是衛星轉發器自身的特性。衛星終端通過發送特性的查詢指令到衛星來查詢該轉發器是否支持透明轉發特性。 取得是否為透明轉發器後，在衛星終端中設置標誌位保存起來，後續直接從終端中讀取該標誌位而無需通過衛星通信取得該數據。

步驟305，如果衛星轉發器是透明轉發器，則在此步驟中滿足了採用頻譜重疊共享方法的兩個條件，後續執行步驟306，準備採用頻譜重疊共享方法；否則執行步驟311採用常規射頻信號發射流程。

步驟306，當滿足頻譜重疊共享方法的條件後，衛星終端開始搜索並把收、發天線駐留在統一頻率上。在發明中，衛星終端發射與接收信號的天線必須都駐留在同一頻譜上。

步驟307，判斷在上一步驟中收發天線駐留是否成功。如果成功，執行步驟308，否則需要重試，因為只有駐留在同一頻譜上才能使用該方法。當搜索、駐留失敗時，進入步驟309準備重試機制。

步驟308，經過上述幾個步驟的判斷後，此時具備使用頻譜重疊共享方法的條件，通過射頻天線發射信號，同時通過射頻天線接收信號。

步驟309，當在步驟307中判斷搜索、駐留在同一頻譜失敗後，需要重試，但是重試不能超過一定的門限值。在該步驟中判斷重試次數是否達到門限值。該門限值在衛星終端中設定。如果重試次數超過門限值，則通過步驟310執行常規信號發射；否則返回步驟306重新搜索並駐留在同一頻譜。

步驟310，當在上述判斷中不滿足條件時，不可以採用頻譜重疊共享的方法，為保證衛星通信能力，需要採用常規射頻方法發送信號。

步驟311，結束單次信號發射與接收。信號發射與接收是一個循環過程，在模塊104中只是描述了一個單次過程，在實際中，是多次該流程的重複。

常規信號發射流程以及信號發射與接收為公知技術，在這裡不再贅述。

上述步驟301至311，衛星終端需要發送信號時，先判斷當前是否滿足使用頻譜重疊共享方法的條件，如果滿足，則後續使用頻譜重疊共享技術同步發送和接收信號；否則採用常規的射頻方法發送信號。

在採用頻譜重疊共享方法的衛星終端中，每一個衛星終端發送一個上行信號，同時從另一個終端接收一個下行信號。因此每一方收到的下行信號是雙方通信信號的疊加。由於每個終端都可以確切地知道自身所發送的上行信號，而且也確切地知道該信號的轉發、處理過程，所以該終端完全可以對自己發送轉發回的下行信號進行估計，並從疊加的信號中抵消濾除，從而正確恢復出對方發來的信號數據。在採用頻譜重疊共享方法的衛星通信系統中，每個終端都接收到一個複合的下行鏈路信號。它包括對端發來的有用信號和該終端本身上行信號經過衛星轉發後的無用信號。並且這兩個信號在頻率或時間或碼字上(取決於多址方式)是重疊的。為了將無用的自發信號從複合信號內除去，必須準確估計鏈路參數。這些參數主要包括信號的幅度、頻率漂移、都卜勒頻移、傳播時延、未知的載波相位和定時等。

具體如圖4所示：

步驟401，終端收到下行鏈路信號。終端收到下行信號時，如果採用頻譜重疊共享的方法，則需要估計信號參數；如果採用常規方法接收信號，則直接解調處理信號。

步驟402，判斷當前是否為自環系統。在上一模塊中步驟302中已經判斷過並且把標誌位保存在衛星終端中，所以在此步驟中只需要讀取該標誌位即可。

步驟403，如果是自環系統，則進行後續步驟404；否則執行步驟412執行常規解析流程。

步驟404，判斷衛星轉發器是否為透明轉發器。與步驟402一樣，在上一模塊中的步驟304中已經判斷過是否為透明轉發器，並且已經置標誌位保存起來。所以在此步驟中只需要讀取該標誌位即可。

步驟405，如果衛星是透明轉發器，則執行步驟406；否則執行步驟412執行常規解析流程。

步驟406，計算信號的幅度。

步驟407，計算信號的頻率漂移。

步驟408，計算信號的都卜勒頻移。

步驟409，計算信號的傳播時延。

步驟410，計算信號的相位和定時。

衛星信號中的參數包括信號幅度、頻率漂移、都卜勒頻移、傳播時延、相位和定時等參數。這些參數是調製與解調信號的主要參數，所以必須儘量準確估計出下行信號中所包含的自己所發送的上行信號的這些參數。

步驟411，在完成步驟406至410後，即完成了自我信號參數估計。

步驟412，在步驟403和405中如果不滿足條件，則不可以使用頻譜重疊共享方法，則進入本步驟，按照常規方法解調接收到的信號。

步驟401至412描述了衛星終端接收到下行鏈路信號後對自我信號參數估計的流程。該流程主要用來校準本地產生的刪除信號的參數，使之與下行鏈路的信號參數相一致； 完成該流程後，即可進入下一模塊。

在上一模塊中完成自我信號估計後，就需要對接收到的信號中的上行鏈路信號進行反向信號抑制。

在模塊106參數調整模塊中，根據上一模塊中自我信號的評估得到的參數來調整接收到的信號，以便從接收到的信號中去除衛星終端自身發出的上行信號。

具體為圖5所示：

步驟501，終端收到下行鏈路信號。

步驟502，判斷是否完成自我參數估計。自我參數評估是反向信號抑制的必要條件。

步驟503，如果已經完成自我參數估計，則執行步驟504；否則執行步驟509返回信號評估模塊。

步驟504，在上一步驟中判斷已經完成自我信號估計。在本步驟中根據信號評估模塊得到的參數調整下行鏈路的信號時延。

步驟505，調試下行鏈路信號的頻率。

步驟506，調整信號的相位。

步驟507，調整下行鏈路信號的增益。

步驟508，完成對下行鏈路信號的參數調整。

步驟509，當在步驟503中發現在上一模塊中沒有完成自我信號估計後，無法在本模塊進行信號參數調整，所以在本步驟中返回信號估計模塊。

上述步驟是根據上一模塊取得的參數評估來調整下行鏈路的參數，步驟501至步驟509即完成對下行鏈路信號參數的調整。

前面兩個模塊分別完成了自我信號估計和對下行鏈路參數的調整，接下來即可對下行連結信號重構，使其恢復為衛星發送過來的數據。具體步驟如圖6所示：

步驟601，終端收到下行鏈路信號。

步驟602，判斷在前一模塊中是否完成參數調整。必須完成參數調整後才能從下行鏈路信號中解析出接收到的衛星的信號。

步驟603，完成參數調整，執行步驟604，進行信號重構；否則執行步驟607返回參數調整模塊。

步驟604，濾波。要對有效波之外的其他波進行過濾。

步驟605，經過濾波後，解調下行信號。

步驟606，完成下行鏈路解析流程，得到真正的衛星轉發下來的信號。

步驟607，在步驟603中如果判斷參數調整沒有完成，則無法進行後續的信號重構，必須返回參數調整模塊進行參數調整。

上述步驟601至607就完成了信號重構流程，衛星終端從接收到的下行鏈路中解析到了真正的衛星傳輸的信號。

上述流程，只是衛星終端在一次發送和接收時的流程，在實際中，是多次該流程的重複。

上面各種方法的步驟劃分，只是為了描述清楚，實現時可以合併為一個步驟或者對某些步驟進行拆分，分解為多個步驟，只要包含相同的邏輯關係，都在本專利的保護範圍內；對算法中或者流程中添加無關緊要的修改或者引入無關緊要的設計，但不改變其算法和流程的核心設計都在該專利的保護範圍內。

本領域的普通技術人員可以理解，上述各實施方式是實現本發明的具體實施例，而在實際應用中，可以在形式上和細節上對其作各種改變，而不偏離本發明的精神和範圍。