CN103501218A - 一种基于资源复用的多载波自适应解调方法 - Google Patents

Abstract

一种基于资源复用的多载波自适应解调方法，包括的主要步骤为：输入多路串行数据缓存、各载波中间变量缓存、前导头捕获、位定时偏差估计、三角函数内插、坐标转换、输入幅度和相位数据缓存、各载波中间变量缓存、初始频偏及相偏估计、RM译码及载波跟踪算法处理。本发明实现了对变速率、多调制方式的突发多载波信号进行自适应解调的通用设计。解决了卫星在Ku/Ka频段进行多载波无线传输时的严重雨衰问题、多类型通信终端不同的数据传输需求问题及通信卫星系统多载波抗干扰通信的需求问题。

Description

一种基于资源复用的多载波自适应解调方法

技术领域

本发明涉及一种基于资源复用的多载波自适应解调方法。

背景技术

卫星通信具有覆盖地域广、通信距离远、通信容量大、传输质量好等特点，己成为通信的一种重要的通信手段。由于卫星通信业务日趋繁忙，通信容量迅速增加，致使射频频谱非常拥挤，为了解决频谱资源紧张的问题，卫星通信向着有广阔前景的Ka(20/30GHz)及以上的高频段发展。结合通信类型的多样化要求，使得卫星通信系统在Ka及以上的频段的应用有以下几个问题需要解决：1）卫星在Ku/Ka频段进行多载波无线传输时的严重雨衰问题；2）通信卫星系统如何满足多类型通信终端不同的数据传输需求问题；3）通信卫星系统如何满足多载波抗干扰通信的需求问题。而解决这一切的基础是卫星的高效多载波自适应解调能力。

多载波自适应解调既要求各路载波能够独立自适应解调，又要求各载波能够资源复用，资源的消耗不能比单载波大很多，因此，多载波自适应解调性能的优劣直接影响系统的整体性能。

现有的多载波解调算法都相对单一。例如文献1《多载波突发信号整体解调技术研究》（李辉，西安电子科技大学硕士学位论文，2011年）给出了多载波突发信号的全数字接收技术，包含位同步及载波同步；文献2《Multi-CarrierMulti-Rate Modem for Universal FDMA/TDMA system》（Fumihiro Yamashita,24th AIAA international Communications Satellite Systems Conference,2006-5316）给出了基于资源复用的QPSK多载波突发解调器的设计。文献1中，其给出的多载波突发算法是单独实现的，并没有给出具体的复用方式；文献2中，给出了的多载波突发解调算法仅能适用于QPSK，解调模式单一。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于资源复用的多载波自适应解调方法，以非常小的资源消耗解决了卫星在Ku/Ka频段进行多载波自适应通信时的星载实现问题。

本发明的技术方案是：一种基于资源复用的多载波自适应解调方法，步骤如下：

1）将数字分路之后的多路串行输入数据的实部和虚部缓存入RAM1中，每存入一个数据，输入数据的地址Addr_in加1，并且将各载波初始参数依次写入FIFO1中；所述的初始参数包括开始处理的输入数据地址Addr_best、输出块的个数Part_num、各载波的编号Channel_index、捕获标志Flag、用于同前导头相关的128位序列Demola；

2）从FIFO1中读出第1路载波的载波参数，判断Flag的值，若Flag的值不为1，表明没有成功捕获，则进入步骤3）；若Flag的值为1，表示已经成功捕获，则进入步骤5）；

3）以Addr_best为起始地址，A为载波个数，从RAM1中读取数据，做差分运算后进行硬判决，将硬判决结果存入Demola，同前导头做相关，若Addr_in减去Addr_best小于载波个数A的2倍，则Flag置为1，Addr_best置为成功捕获时的输入序列的起始地址，并进入步骤4）；若Addr_in减去Addr_best大于等于载波个数A的2倍，将此时的参数存入FIFO1，跳转至步骤2）继续读取下一路载波参数；

4）若Addr_in减去Addr_best大于M，进入步骤5）；若Addr_in减去Addr_best小于等于M，将此时的载波参数存入FIFO1，跳转至步骤2）继续读取下一路载波参数；所述的

其中N为三角函数内插后的输出符号个数；

5）以Addr_best为起始地址，A为间隔，从RAM1中读取4N个采样点，获取位定时偏差值；

6）以Addr_best-1为起始地址，A为间隔，从RAM1中读取4N个采样点，根据步骤5）获得的位定时偏差值，对4N个采样点做三角函数内插后，输出N个符号，同时将此时的载波参数存入FIFO1中，跳转至步骤2）继续读取下一路载波参数；

7）将步骤6）中输出的N个符号的实部与虚部数据转换为幅度和相位数据；

8）将步骤7）中得到的幅度和相位数据按载波号存入RAM2中，第n路每存入一个数据，n=1,2,3...A，该路输入数据地址Addr_in_mid_n加1，并且将各路的初始参数，依次写入FIFO2中；所述的初始参数包括载波编号Channel_index、载波帧头指示信号initial_flag(Channel_index)、载波输入数据地址Addr_in_mid_n、初始频偏及相偏估计标志信号Flag_est、开始处理的输入数据地址Addr_track、输出块的个数Part_num、估计出的初始频偏Fre_move、估计出的初始相偏Phase_offset、编码调制类型Rm_reg；

9）读出第一路载波参数，判断Flag_est的值，若Flag_est的值不为1，则进入步骤10）；若Flag_est的值为1，则进入步骤13）；

10）判断initial_flag(Channel_index)的值，若initial_flag(Channel_index)的值为1，则进入步骤11），若initial_flag(Channel_index)的值不为1，则将当前的载波参数存入FIFO中，跳转至步骤9）继续读取下一路载波参数；

11）以载波编号Channel_index和输入数据地址Addr_track的复合地址Addr_Channel为起始地址，从RAM2中读取128位幅度及相位数据，并进行初始频偏及相偏估计，得到估计出的初始频偏Fre_move及相偏Phase_offset；

12）以Addr_Channel为起始地址从RAM2中读取64位编码调制模式字的幅度及相位数据，根据从步骤11）中接收到的Fre_move及Phase_offset对读取的64位编码调制模式字的幅度及相位数据进行纠偏处理，然后将纠偏后的数据进行硬判决，对硬判决后的数据做RM译码运算，得到编码调制类型RM_reg，并将Flag_est置为1，进入步骤13）；

13）若Addr_in_mid_n减去Addr_track大于N，则进入步骤14），若Addr_in_mid_n减去Addr_track小于等于N，则将当前载波参数存入FIFO2中，跳转至步骤9）继续读取下一路载波参数；

14）以Addr_Channel为起始地址从RAM2中读取信息数据的幅度及相位数据，根据步骤11）中得到的Fre_move及Phase_offset的值对读取的输入数据的幅度及相位数据进行纠偏，并根据RM_reg的不同，选用不同的载波跟踪算法对纠偏后的数据进行载波跟踪处理并按128个数据为一块处理单元分块输出，并将当前载波参数存入FIFO2中，跳转至步骤9）继续读取下一路载波参数，直至完成对A路载波的处理。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

（1）本发明在多载波突发自适应解调上有很好的性能，在频偏、相偏、位定时偏差及白噪声的影响下，解调损失小于0.5dB。

（2）本发明资源复用率高，使用Virtex4-55芯片，仅以14%的资源消耗率完成多载波自适应捕获及位同步功能、13%的资源消耗率完成多载波自适应载波同步功能，稍大于单载波模块。

（3）本发明实现了对变速率（2～7Mbps）、多调制方式（QPSK、8PSK及16APSK）的突发多载波信号进行自适应解调。速率可变，可适应多种调制方式。

附图说明

图1为资源复用的多载波自适应解调方法框图；

图2为传输信号帧结构；

图3为RAM存储分配图。

具体实施方式

下面以8个载波为例，结合附图对本发明做进一步介绍。

如图1所示，8个载波复用是通过FIFO实现的，各路将其重要的中间参数存入FIFO中，待处理到哪一路，则在读出参数的基础上继续做处理。FIFO1中各路需缓存的参数分别是Addr_best（开始处理的输入数据地址）、Part_num（输出块的个数）、Channel_index（各载波的编号，范围0～7）、Flag（是否成功捕获的标志，’1’代表成功捕获）、Burst_type（突发类型，’0’代表数据突发，’1’代表测距突发）、Demola（用于同前导头相关的128位序列），所述的前导头为图2中的捕获及同步序列。

总体处理过程如下：

1)从FIFO1中读出一路载波参数，判断Flag的值，若Flag的值不为1，表明没有成功捕获，进入步骤2）；若Flag的值为1，表示已经成功捕获，进入步骤4）；

2)以Addr_best为起始地址，8为载波个数，从RAM1中读取数据，做差分运算后进行硬判决，将硬判决结果存入Demola，同前导头做相关，若Addr_in减去Addr_best小于16，则Flag置为1，Addr_best置为成功捕获时的输入序列的起始地址，并进入步骤3）；若Addr_in减去Addr_best大于等于16，将此时的参数存入FIFO1，跳转至步骤1）继续读取下一路载波参数；

3)若Addr_in减去Addr_best大于512进入步骤4），若Addr_in减去Addr_best小于等于512，将此时的载波参数存入FIFO1，跳转至步骤2）继续读取下一路载波参数；

4)以Addr_best为起始地址，8为间隔，从RAM1中读取512个采样点，估计出位定时偏差（见专利《一种MAPSK自适应解调系统》）；

5)以Addr_best-1为起始地址，8为间隔，从RAM中读取512个采样点，根据步骤4）获得的位定时偏差值，对512个采样点做三角函数内插（见专利《一种MAPSK自适应解调系统》）并分块输出，每块128个符号数据，随着各载波的突发类型反馈到捕获及位同步处理部分，各路载波的输出符号块数就确定了（数据突发：ceil(16352/N)=128，测距突发：ceil(4256/N)=34），若本路载波为数据突发且Part_num<128或本路载波为测距突发且Part_num<34），输出128个符号，输出完毕后，Part_num置为Part_num+1，Addr_best置为Addr_best+512，Burst_type置为反馈回来的本路载波的Burst_type，其余不变，将本路载波的参数存入FIFO1中，再读取下一路载波的参数进行处理；若本路载波为数据突发且Part_num=128，说明这是本载波数据突发帧的最后一块，输出M1个符号(M1=16352-N*(Part_num-1)=96)，输出完毕后，Addr_best置为Addr_best+M1′

Channel_index不变，其余全置为0，将本路载波的参数存入FIFO1中，再读取下一路载波的参数进行处理；若本路载波为测距突发且Part_num=34，说明这是本载波测距突发帧的最后一块，输出M2个符号(M2=4256-N*(Part_num-1)=32)，输出完毕后，Addr_best置为Addr_best+M2′

Channel_index不变，其余全置为0，将本路载波的参数存入FIFO1中，，跳转至步骤（1）读取下一路载波的参数；

6)将步骤5）中输出的128个符号的实部与虚部数据块转换为幅度和相位数据；

7)将步骤6）中得到的幅度和相位数据按载波号存入RAM2中，第n路每存入一个数据，n=1,2,3...8，该路输入数据地址Addr_in_mid_n加1，并且将各路的初始参数，依次写入FIFO2中；所述的初始参数包括载波编号Channel_index、载波帧头指示信号initial_flag(Channel_index)、载波输入数据地址Addr_in_mid_n、初始频偏及相偏估计标志信号Flag_est、开始处理的输入数据地址Addr_track、输出块的个数Part_num、估计出的初始频偏Fre_move、估计出的初始相偏Phase_offset、编码调制类型Rm_reg；

8)读出一路载波参数，判断Flag_est的值，若Flag_est的值不为1，则进入步骤（9）；若Flag_est的值为1，则进入步骤（12）；

9)判断initial_flag(n)的值，n为读出的本路载波号Channel_index，若initial_flag(n)的值为1，说明本路载波已经有数据存入RAM2，则进入步骤（10），若initial_flag(n)的值不为1，则将当前的载波参数存入FIFO2中（Channel_index为本路载波号，其余都为0），并读取下一路载波参数，返回步骤（8）；

10)以载波编号Channel_index和输入数据地址Addr_track的复合地址Addr_Channel为起始地址，从RAM2中读取128个幅度及相位数据，对前导头（图3中的捕获及同步序列）做初始频偏及相偏估计（见专利《一种MAPSK自适应解调系统》），得到估计出的初始频偏（Fre_move）及相偏（Phase_offset）；

11)以载波编号Channel_index和输入数据地址Addr_track的复合地址Addr_Channel为起始地址，从RAM2中读取读出64个幅度和相位数据（图2的编码调制模式字），用从10）中接收到的初始频偏及相偏对这些数据进行纠偏处理，然后将纠偏后的数据进行硬判决，之后对硬判决后的数据做RM译码运算，得到编码调制类型RM_reg，并将Flag_est置为1，进入步骤12）；

12)若Addr_in_mid_n减去Addr_track大于128（128为输出一块的符号数据个数），则进入步骤13），若Addr_in_mid_n减去Addr_track小于等于128，则将当前载波参数存入FIFO2中，跳转至步骤8）继续读取下一路载波参数；

13)从RAM2中读取输入数据的幅度及相位数据，用10）中得到的Fre_move及Phase_offset值对这些数据进行纠偏，并根据RM_reg的不同，选用不同的载波跟踪算法（见专利《一种MAPSK自适应解调系统》）对纠偏后的数据进行载波跟踪处理并按128个数据为1块处理单元分块输出，随着本路载波的突发类型反馈到载波跟踪模块，本路载波输出的数据块数就确定了（数据突发：ceil(16352/N)=128，测距突发：ceil(4256/N)=34）。若本路载波为数据突发且Part_num<128或本路载波为测距突发且Part_num<34），输出128个幅度、相位数据，输出完毕后，Part_num置为Part_num+1，Addr_track置为Addr_track+128，Burst_type置为反馈回来的本路载波的Burst_type，其余不变，将本路载波的参数存入FIFO2中，再读取下一路载波的参数进行处理；若本路载波为数据突发且Part_num=128，说明这是本载波数据突发帧的最后一块，输出M1个幅度、相位数据(M1=96)，输出完毕后，Addr_track置为Addr_track+96，Channel_index不变，其余全置为0，将本路载波的参数存入FIFO2中，再读取下一路载波的参数进行处理；若本路载波为测距突发且Part_num=34，说明这是本载波测距突发帧的最后一块，输出M2个幅度、相位数据(M2=4256-N^＊(Part_num-1)=32)，输出完毕后，Addr_track置为Addr_track+32，Channel_index不变，其余全置为0，将当前载波参数存入FIFO2中，读取下一载波的参数，跳转至步骤（8）继续处理。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (1)

1.一种基于资源复用的多载波自适应解调方法，其特征在于步骤如下：

1）将数字分路之后的多路串行输入数据的实部和虚部缓存入RAM1中，每存入一个数据，输入数据的地址Addr_in加1，并且将各载波初始参数依次写入FIFO1中；所述的初始参数包括开始处理的输入数据地址Addr_best、输出块的个数Part_num、各载波的编号Channel_index、捕获标志Flag、用于同前导头相关的128位序列Demola；

2）从FIFO1中读出第1路载波的载波参数，判断Flag的值，若Flag的值不为1，表明没有成功捕获，则进入步骤3）；若Flag的值为1，表示已经成功捕获，则进入步骤5）；

3）以Addr_best为起始地址，A为载波个数，从RAM1中读取数据，做差分运算后进行硬判决，将硬判决结果存入Demola，同前导头做相关，若Addr_in减去Addr_best小于载波个数A的2倍，则Flag置为1，Addr_best置为成功捕获时的输入序列的起始地址，并进入步骤4）；若Addr_in减去Addr_best大于等于载波个数A的2倍，将此时的参数存入FIFO1，跳转至步骤2）继续读取下一路载波参数；

4）若Addr_in减去Addr_best大于M，进入步骤5）；若Addr_in减去Addr_best小于等于M，将此时的载波参数存入FIFO1，跳转至步骤2）继续读取下一路载波参数；所述的

其中N为三角函数内插后的输出符号个数；

5）以Addr_best为起始地址，A为间隔，从RAM1中读取4N个采样点，获取位定时偏差值；

6）以Addr_best-1为起始地址，A为间隔，从RAM1中读取4N个采样点，根据步骤5）获得的位定时偏差值，对4N个采样点做三角函数内插后，输出N个符号，同时将此时的载波参数存入FIFO1中，跳转至步骤2）继续读取下一路载波参数；

7）将步骤6）中输出的N个符号的实部与虚部数据转换为幅度和相位数据；

8）将步骤7）中得到的幅度和相位数据按载波号存入RAM2中，第n路每存入一个数据，n=1,2,3...A，该路输入数据地址Addr_in_mid_n加1，并且将各路的初始参数，依次写入FIFO2中；所述的初始参数包括载波编号Channel_index、载波帧头指示信号initial_flag(Channel_index)、载波输入数据地址Addr_in_mid_n、初始频偏及相偏估计标志信号Flag_est、开始处理的输入数据地址Addr_track、输出块的个数Part_num、估计出的初始频偏Fre_move、估计出的初始相偏Phase_offset、编码调制类型Rm_reg；

9）读出第一路载波参数，判断Flag_est的值，若Flag_est的值不为1，则进入步骤10）；若Flag_est的值为1，则进入步骤13）；

10）判断initial_flag(Channel_index)的值，若initial_flag(Channel_index)的值为1，则进入步骤11），若initial_flag(Channel_index)的值不为1，则将当前的载波参数存入FIFO中，跳转至步骤9）继续读取下一路载波参数；

11）以载波编号Channel_index和输入数据地址Addr_track的复合地址Addr_Channel为起始地址，从RAM2中读取128位幅度及相位数据，并进行初始频偏及相偏估计，得到估计出的初始频偏Fre_move及相偏Phase_offset；

12）以Addr_Channel为起始地址从RAM2中读取64位编码调制模式字的幅度及相位数据，根据从步骤11）中接收到的Fre_move及Phase_offset对读取的64位编码调制模式字的幅度及相位数据进行纠偏处理，然后将纠偏后的数据进行硬判决，对硬判决后的数据做RM译码运算，得到编码调制类型RM_reg，并将Flag_est置为1，进入步骤13）；

13）若Addr_in_mid_n减去Addr_track大于N，则进入步骤14），若Addr_in_mid_n减去Addr_track小于等于N，则将当前载波参数存入FIFO2中，跳转至步骤9）继续读取下一路载波参数；

14）以Addr_Channel为起始地址从RAM2中读取信息数据的幅度及相位数据，根据步骤11）中得到的Fre_move及Phase_offset的值对读取的输入数据的幅度及相位数据进行纠偏，并根据RM_reg的不同，选用不同的载波跟踪算法对纠偏后的数据进行载波跟踪处理并按128个数据为一块处理单元分块输出，并将当前载波参数存入FIFO2中，跳转至步骤9）继续读取下一路载波参数，直至完成对A路载波的处理。

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