基于相干-非相干扩频调制的卫星物联网信号处理方法与流程

基于相干
‑
非相干扩频调制的卫星物联网信号处理方法
技术领域
1.本技术涉及信号处理的技术领域，具体而言，涉及基于相干
‑
非相干扩频调制的卫星物联网信号处理方法。


背景技术：

2.1979年以来，国际海洋组织一共发射了三颗装载有dcs(data collection satellite system)有效载荷的海事卫星，通过存储转发的方式向地面发送低速数据。目前国外已广泛投入商用的，相对比较成熟的dcs系统主要有orbcomm系统和argos系统。
3.我国从20世纪80年代起也开始了对卫星数据采集系统的研究工作，相对于国外，国内的dcs系统建设起步较晚，目前主要处于科技立项和技术研究试验阶段，dcs载荷主要搭载于一些专用卫星，如风云、行云、资源卫星等，不具备组网能力，系统用户容量小。我国拥有广阔的领土领海领空，同时又是自然灾害多发、人口众多、资源相对短缺的国家，急需建立一个我国自主可控的可全球组网的天基物联网数据采集系统，对海洋、森林、矿产等资源进行调查、检测和管理，对自然灾害进行快速、准确、实时的监测、预报，对智慧城市建设所必需的万物互联提供最核心的数据采集与分析支持。
4.而现有卫星物联网信号解调的调制方法大致可分为两类：
5.一类为qpsk/bpsk调制，此类方案的电文速率较高，但只能通过频分与时分方式，来解决卫星物联网海量终端接入的问题，对频带的利用率低；
6.另一类采用bpsk与扩频调制相结合的调制方式，此类方案均采用相干扩频调制，其对频带利用率高，也可以获得较高的相干解调增益，但由于相干调制下的电文边沿必须与扩频码周期对齐，即电文的长度必须是一个扩频码周期的长度，导致电文速率受限于扩频码速率，特别是在频率带宽有限的条件下，扩频码速率是有限的，难以获得较高的电文速率。


技术实现要素：

7.本技术的目的在于：将相干、非相干扩频调制相结合，在获得更好的电文捕获性能的同时，提高获得电文的速率，并解决电文跳变带来的积分能量损耗大的问题。
8.本技术的技术方案是：提供了基于相干
‑
非相干扩频调制的卫星物联网信号处理方法，该方法包括：步骤1，根据接收到的卫星物联网信号，生成伪码，其中，卫星物联网信号包括gold有效数据段；步骤2，根据伪码，对gold有效数据段进行模型化，并对模型化后的gold有效数据段进行采样，根据采样结果确定多段信息段，计算每段信息段对应的相干积分值；步骤3，采用0/1电文比较法，根据相干积分值，累加计算多段信息段对应的相干积分和值，并根据相干积分和值中的最大值解调gold有效数据段。
9.上述任一项技术方案中，进一步地，卫星物联网信号还包括gold引导段，gold引导段采用相干扩频调制，电文边沿与扩频码边沿对齐，gold引导段中包含物联网设备地址信息；gold有效数据段采用非相干扩频调制，gold有效数据段中包含扩频码多项式与初相值，
其中，gold有效数据段的扩频码速率与gold引导段的扩频码速率一致。
10.上述任一项技术方案中，进一步地，步骤1，具体包括：步骤11，捕获卫星物联网信号中的gold引导段；步骤12，根据gold引导段，确定初始值，并根据初始值进行跟踪环路初始化，通过相干扩频调制方法，解调出引导段电文信息，以获得物联网设备地址信息，其中，初始值至少包括载波多普勒频偏、扩频码多普勒频偏、扩频码相位值；步骤13，根据物联网设备地址信息，查询映射表，确定扩频码多项式与初相值；步骤14，根据扩频码多项式与初相值，生成伪码。
11.上述任一项技术方案中，进一步地，gold有效数据段进行模型化的数学表达式为：
[0012][0013]
式中，t为采样时刻，s(t)为模型化后的gold有效数据段，a为信号幅值，cos(
·
)为载波，c(t)为伪码，w为载波角频率，为载波初相，d(t)为时间域下采样时刻t对应的电文信息；
[0014]
相干积分值的计算公式为：
[0015][0016]
式中，d(n)为数字域下第n个信息段对应的电文，其中，n＝1,2,
…
,k,
…
,l，l为信息段数量，r(τ
p
)为自相关函数值，τ
p
为伪码相位误差，f
e
为载波频率差，t
co
h为相干积分时长，为载波相位差。
[0017]
上述任一项技术方案中，进一步地，步骤3，具体包括：步骤31，采用0/1电文比较法，设定第k 1个信息段对应的电文d(k 1)为0，将第k 1个信息段对应的相干积分值，累加至前k个信息段对应的相干积分和值，记作第一参考值，并计算第一参考值对应的第一即时支路相干积分幅值；步骤32，设定第k 1个信息段对应的电文d(k 1)为1，将第k 1个信息段对应的相干积分值的相反数，累加至前k个信息段对应的相干积分和值，记作第二参考值，并计算第二参考值对应的第二即时支路相干积分幅值；步骤33，判断第一即时支路相干积分幅值是否大于或等于第二即时支路相干积分幅值，若是，将第一参考值记作第k 1段信息段对应的相干积分和值，若否，将第二即时支路相干积分幅值记作第k 1段信息段对应的相干积分和值。
[0018]
本技术的有益效果是：
[0019]
本技术中的技术方案，将卫星物联网信号体制采用分段式设计，分为gold引导段与gold有效数据段，其中gold引导段采用相干扩频调制，以获得更好的捕获性能，gold有效数据段采用非相干扩频调制，可以使电文与伪码不需要与扩频码周期边沿对齐，并利用相干积分和值中的最大值解调gold有效数据段，从而实现了将相干、非相干扩频调制相结合，以获得较高的电文速率。
[0020]
本技术中，通过采用0/1电文比较法，通过累加的方式计算两种情况下即时支路相干积分幅值，以确定对应的相干积分和值作为解调gold有效数据段的依据，还有助于解决非相干调制下，电文跳变带来的积分能量损耗大的问题。
附图说明
[0021]
本技术的上述和/或附加方面的优点在结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
[0022]
图1是根据本技术的一个实施例的基于相干
‑
非相干扩频调制的卫星物联网信号处理方法的示意流程图；
[0023]
图2是根据本技术的一个实施例的卫星物联网信号的结构示意图。
具体实施方式
[0024]
为了能够更清楚地理解本技术的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本技术进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术的实施例及实施例中的特征可以相互结合。
[0025]
在下面的描述中，阐述了很多具体细节以便于充分理解本技术，但是，本技术还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本技术的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
[0026]
如图1所示，本实施例提供了基于相干
‑
非相干扩频调制的卫星物联网信号处理方法，包括：
[0027]
步骤1，根据接收到的卫星物联网信号，生成伪码，其中，卫星物联网信号包括gold引导段和gold有效数据段；
[0028]
具体的，如图2所示，卫星物联网信号体制分为gold引导段、gold有效数据段。gold引导段采用相干扩频调制，将电文边沿与扩频码边沿对齐，使得对应电文的长度等于一个扩频码周期的长度，其中，扩频码型为gold码型。
[0029]
之后，对gold引导段进行跟踪并解调，可解出引导段电文信息，根据引导段电文信息，可获得gold引导段中包含物联网设备地址信息，其中，物联网设备地址信息与gold有效数据段的扩频码多项式与初相值一一映射，组成映射表；
[0030]
本实施例中，gold有效数据段采用非相干扩频调制，扩频码型为gold码型，其中，gold有效数据段的扩频码速率与gold引导段的扩频码速率一致。
[0031]
本实施例中，通过将gold有效数据段的扩频码速率与gold引导段的扩频码速率设置为一致速率，从而避免不同码速率切换时带来的扩频码跟踪环路震荡；采用非相干扩频调制gold有效数据段，可以使对应电文边沿不需要与扩频码边沿对齐，从而获得更高的电文速率。
[0032]
进一步的，步骤1中生成伪码的过程，具体包括：
[0033]
步骤11，捕获卫星物联网信号中的gold引导段；
[0034]
具体的，通过天线接收射频信号，即卫星物联网信号，并将该射频信号下变频为中频信号，再利用欠采样定理，对中频信号进行采样，具体捕获卫星物联网信号中的gold引导段的过程，本实施例并不限定。
[0035]
步骤12，根据gold引导段，确定初始值，该初始值至少包括载波多普勒频偏、扩频码多普勒频偏、扩频码相位值，并根据初始值进行跟踪环路初始化，通过相干扩频调制方法，解调出引导段电文信息，以获得物联网设备地址信息。
[0036]
步骤13，根据物联网设备地址信息，查询映射表，确定扩频码多项式与初相值；其
中，映射表由物联网设备地址信息与gold有效数据段的扩频码多项式与初相值一一映射组成。
[0037]
步骤14，根据扩频码多项式与初相值，生成伪码。
[0038]
需要说明的是，本实施例对生成伪码的方式并不限定。
[0039]
步骤2，根据伪码，对gold有效数据段进行模型化，并对模型化后的gold有效数据段进行采样，根据采样结果确定多段信息段，计算每段信息段对应的相干积分值；
[0040]
具体的，对gold有效数据段进行模型化，模型化对应的数学表达式为：
[0041][0042]
式中，t为时间域下的采样时刻，s(t)为模型化后的gold有效数据段，a为信号幅值，cos(
·
)为载波，c(t)为伪码，w为载波角频率，为载波初相，d(t)为时间域下采样时刻t对应的电文信息。
[0043]
通过模型化并进行采样，将信号s(t)从时间域化为数字域，若假设相干积分时长t
co
h所对应的采样点数为n，可将n点分为l段信息段，每段信息段包含m个采样点，即n＝m*l。因此，可以将时间域下的电文信息d(t)转换为数字域下的电文d(n)。
[0044]
每m点相干累加，得到当前信息段对应的相干积分值，相干积分值的计算公式为：
[0045][0046]
式中，d(n)为电文信息d(t)转换为数字域后的第n个信息段对应的电文，n＝1,2,
…
,k,
…
,l，l为信息段数量，r(τ
p
)为自相关函数值，τ
p
为伪码相位误差，f
e
为载波频率差，t
co
h为相干积分时长，为载波相位差。
[0047]
步骤3，采用0/1电文比较法，根据相干积分值，累加计算多段信息段对应的相干积分和值，并根据相干积分和值中的最大值解调gold有效数据段。
[0048]
在本实施例中，以gold引导段电文结束边沿为跟踪环路的相干积分起始点，采用0/1电文比较法，来解决非相干扩频调制下的跨电文相干积分的问题，跟踪并解调gold有效数据段，该过程具体包括：
[0049]
步骤31，采用0/1电文比较法，设定第k 1个信息段对应的电文d(k 1)为0，将第k 1个信息段对应的相干积分值，累加至前k个信息段对应的相干积分和值，记作第一参考值，并计算第一参考值对应的第一即时支路相干积分幅值；
[0050]
步骤32，设定第k 1个信息段对应的电文d(k 1)为1，将第k 1个信息段对应的相干积分值的相反数，累加至前k个信息段对应的相干积分和值，记作第二参考值，并计算第二参考值对应的第二即时支路相干积分幅值；
[0051]
具体的，当采用0/1电文比较法时，第k 1个信息段对应的电文d(k 1)存在0和1两种情况，设定前k个电文对应的相干积分和值为i
pk
、q
pk
，中间参数i
k 1
、q
k 1
，情况如下：
[0052]
情况1：电文d(k 1)为0时，中间参数i
k 1
、q
k 1
的取值为第k 1个信息段的相干积分值，即：
[0053]
i
k 1
＝i
p
[0054]
q
k 1
＝q
p
[0055]
此时，直接将电文d(k 1)对应的相干积分值i
p
、q
p
累加至相干积分和值i
pk
、q
pk
，即
第一参考值的计算公式为：
[0056]
i
p1(k 1)
＝i
p
i
pk
[0057]
q
p1(k 1)
＝q
p
q
pk
[0058]
相应的，第一即时支路相干积分幅值p1的计算公式为：
[0059][0060]
情况2：电文d(k 1)为1时，中间参数i
k 1
、q
k 1
的取值为第k 1个信息段的相干积分值的相反数，即：
[0061]
i
k 1
＝
‑
i
p
[0062]
q
k 1
＝
‑
q
p
[0063]
此时，需将相干积分值的相反数，即
‑
i
p
和
‑
q
p
，累加至相干积分和值i
pk
、q
pk
，即第二参考值的计算公式为：
[0064]
i
p2(k 1)
＝
‑
i
p
i
pk
[0065]
q
p2(k 1)
＝
‑
q
p
q
pk
[0066]
同样的，第二即时支路相干积分幅值p2的计算公式为：
[0067][0068]
步骤33，判断第一即时支路相干积分幅值是否大于或等于第二即时支路相干积分幅值，若是，将第一参考值记作第k 1段信息段对应的相干积分和值，若否，将第二即时支路相干积分幅值记作第k 1段信息段对应的相干积分和值。
[0069]
具体的，比较p1与p2，如果p1≥p2，则前k 1段所对应的相干积分和值为i
p1(k 1)
＝i
p
i
pk
、q
p1(k 1)
＝q
p
q
pk
；如果p1<p2，则前k 1段所对应的相干积分和值为i
p2(k 1)
＝
‑
i
p
i
pk
、q
p2(k 1)
＝
‑
q
p
q
pk
。
[0070]
当确定出所有l段信息段对应的相干积分和值后，选取相干积分和值中的最大值进行环路计算，确定相干积分能量，来反馈调节跟踪载波环、码环，并解调出gold有效数据段，得到对应的电文。
[0071]
之后，当在gold有效数据段的电文信息中找到结束标志符，则退出当前数据帧的跟踪，并判决为失锁，重新捕获卫星物联网信号中的gold引导段，开始下一数据帧的处理。
[0072]
通过对本实施例中的信号处理方法进行分析可知，现有的相干扩频调制方法中，gold引导段和gold有效数据段均采用相干扩频调制方式，对应电文的长度必须严格等于一个扩频码时间周期，且电文的边沿与扩频码周期的边沿对齐，使得电文速率受限于扩频码速率。
[0073]
而本实施例中由于gold引导段采用相干扩频调制而gold有效数据段采用非相干扩频调制，采用0/1电文比较法，根据相干积分值，累加计算多段信息段对应的相干积分和值，并根据相干积分和值中的最大值解调gold有效数据段，使得对应电文的长度可以小于一个扩频码时间周期的长度，且电文边沿与扩频码周期的边沿不需要对齐，有效提高获得电文的速率。
[0074]
以上结合附图详细说明了本技术的技术方案，本技术提出了基于相干
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非相干扩
频调制的卫星物联网信号处理方法，包括：步骤1，根据接收到的卫星物联网信号，生成伪码，其中，卫星物联网信号包括gold有效数据段；步骤2，根据伪码，对gold有效数据段进行模型化，并对模型化后的gold有效数据段进行采样，根据采样结果确定多段信息段，计算每段信息段对应的相干积分值；步骤3，采用0/1电文比较法，根据相干积分值，累加计算多段信息段对应的相干积分和值，并根据相干积分和值中的最大值解调gold有效数据段。通过本技术中的技术方案，将相干、非相干扩频调制相结合，并利用相干积分和值中的最大值解调gold有效数据段，在获得更好的电文捕获性能的同时，有助于提高获得电文的速率。
[0075]
本技术中的步骤可根据实际需求进行顺序调整、合并和删减。
[0076]
本技术装置中的单元可根据实际需求进行合并、划分和删减。
[0077]
尽管参考附图详地公开了本技术，但应理解的是，这些描述仅仅是示例性的，并非用来限制本技术的应用。本技术的保护范围由附加权利要求限定，并可包括在不脱离本技术保护范围和精神的情况下针对发明所作的各种变型、改型及等效方案。