一种用于卫星通信中的频谱重叠共享的方法与流程

本发明涉及卫星调制解调器处理信号的方法，特别涉及一种用于卫星通信中的频谱重叠共享的方法。

背景技术：

卫星通信具有覆盖范围广，通信距离远，建设速度快等特点，已成为现代社会的一种重要通信手段。然而，卫星平台上频谱和功率资源却非常有限，选择合适的频谱利用方式可以提高频谱和功率的利用效率。因此，卫星频谱利用方式一直是卫星通信研究的一个重要方向。现阶段卫星频谱利用主要局限于调制方式和信道复用。

这里简单介绍现有技术下卫星通信中的频谱利用的调制方式和信道复用技术。

现有技术中的卫星通信频谱利用的调制方式的发展依次经历由频谱利用率较低的BPSK(Binary Phase Shift Keying，移相键控)、QPSK(Quadrature Phase Shift Keyin，正交相移键控)、OQPSK(Offset-QPSK，偏移四相相移键控)到阶数较高的8-QAM(Quadrature Amplitude Modulation，正交振幅调制)，16QAM等，但随着调制阶数的提高带来的信道载噪比要求的上升问题限制了频谱利用率的提升。

复用方式主要有时分多址的TDMA(Time division multiple access，时分多址)体制、频分多址的FDMA(Frequency division multiple access，频分多址)体制和码分多址的CDMA(Code division multiple access，码分多址)体制。TDMA体制中将系统同一频带划分成不同时隙，各个终端在不同时隙进行通信，它需要严格的时间同步和频率同步，对系统多普勒频偏要求很高。FDMA系统中各终端使用独占的不同频段进行通信，频谱利用率较低。CDMA系统具有保密和抗干扰特性，主要适用于小容量抗干扰的军事通信和国家政府部门的内部保密通信。

现有技术中的对频谱利用的调制方式和信道复用技术虽然已经比较稳定、成熟，但是制约了频谱利用率的上升，难以适应现代卫星通信的需要。现有技术通信中，第三方可以截获通信信号后容易破解通信内容，安全保密性较低。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种用于卫星通信中的频谱重叠共享的方法。该方法中采用的频谱重叠共享技术可以与不同调制方式和复用方式共用，将系统的上下行频谱进行重叠使用，在不增加频带的情况下倍增数据通信带宽，提高信道使用效率和安全性。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种用于卫星通信中的频谱重叠共享的方法，包含以下步骤：

卫星终端在每次开机时，初始化终端各模块，主要包括基带处理单元以及调制解调器等主要部件；

当终端检测到需要发射上行信号到卫星时，检测当前卫星终端是否为自环和卫星是否为透明转发器；满足条件则启动频谱重叠共享来发射和接收；否则启动常规射频模块通过特定频谱发射上行信号到卫星；

在频谱重叠共享过程中，接收到信号后，启动信号评估模块来评估收到的下行链路中自己的信号的参量；

然后在调制与滤波模块中补偿上行与下行链路的滤波器效应，从复合信号中去除自身的上行信号对下行信号的影响。

在使用频谱重叠共享技术的卫星系统中，将系统中处于相互通信的终端两两分组，对同一组内的不同终端使用完全相同的上、下行链路。也就是说，这两个终端可以同时使用完全相同的频率、时隙或扩频码字。而利用卫星传输中的自发自收特性（即任何一个卫星终端发出的信号均可被包括它本身在内的任何一个卫星终端接收到），每个终端都可以非常可靠地将该组另一个终端的信号从混合的下行信号中分离。由于卫星系统中每个终端都可以确切地知道该终端本身所发射的上行信号，而且也确切地知道该信号在卫星转发器中经过的处理过程。因此，该终端完全可以对其上行信号经卫星转发后的下行信号进行估计。

在该方法中，每个终端都接收到一个复合的下行链路信号。由于将正在相互通信的2个终端分为一组，占用同一信道。因此对这2个终端而言，该复合信号内既包括有用信号，也包括该终端本身上行信号经过卫星转发后的下行信号（对该终端而言也就是因采用频谱重叠共享而引入的无用信号）。并且这2个信号在频率上是重叠的。为了将无用信号从复合信号内除去，必须准确估计下行键路参数。当然，任何一个终端的下行键路参数都不可能估计得非常准确。因而，在本发明中，不可能完全从复合信号中去除其本身下行信号的影响，但通过信道参数估计，可以把影响减小。

附图说明

图1是本发明实施方式的系统框图；

图2是根据本发明实施方式中系统初始化模块的流程图；

图3是根据本发明实施方式中的信号发射与接收模块的流程图；

图4是根据本发明实施方式中的信号估计模块的流程图；

图5是根据本发明实施方式中的参数调整模块的流程图；

图6是根据本发明实施方式中的信号重构模块的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。

本发明的实施方式涉及一种用于卫星通信中的频谱重叠共享的方法，具体流程如图1所示，包含以下步骤：

步骤101，卫星终端从正常启动模式开机。

步骤102，卫星终端开机时执行系统初始化模块。主要包括初始化基带处理单元、调制解调器、上变频器、功率放大器，以及用于解调过程中用到的低噪声放大器、下变频器等。

步骤103为该方法中的调制与解调模块。该模块描述了卫星通信中频谱重叠共享方法的具体流程，包括以下步骤：

步骤104，信号发射与接收模块。当卫星终端经过步骤102完成初始化之后，在该模块中判断是否满足频谱重叠共享的条件来启动射频发射与接收；

步骤105，在频谱重叠共享的方法中，对接收到的下行信号进行信号估计，准备在后续模块中消除重复信号；

步骤106，经过自我信号估计后，在该模块中进行参数调整，包括时延、频率、相位和增益等的调整；

步骤107，经过步骤105的自我信号估计和步骤106的参数调整，在该模块中进行信号重构，即把收到的下行信号中自己发送的重复的信号消除。

步骤108，当卫星终端完成所有的任务后，终端关机；否则，终端在步骤104至步骤107之间重复工作进行信号的调制与解调，以及发送和接收。

为了更详细地介绍本发明，下面结合实例逐一描述下列功能模块，为简明起见，卫星通信中与本发明无关的其他细节不再图示和描述。

在本实施方式中，卫星终端开机后首先完成初始化才能进行后续的信号发射与接收。具体流程如图2所示：

步骤201，卫星终端开始初始化；

步骤201，初始化基带处理单元。发射信号前和接收到信号后都需要基带处理单元来对信号进行编码和解码，所以必须保证卫星终端成功初始化基带处理单元。

步骤203，初始化调制解调器。调制器负责调制需要发送的信号，解调器负责解析收到的信号。所以调制解调器必须初始化成功，否则卫星终端无法使用。

步骤204，初始化上变频器。上变频器负责将基带信号的频谱频移到所需要的较高载波频率上。

步骤205，初始化功率放大器。微信终端需要增大发射功率发射信号，以便卫星可以接收到该信号。

步骤206，初始化低噪声放大器。从卫星接收到的信号由于经常长距离的传输，信号都比较微弱，所以需要使用低噪声放大器来提高信噪比。

步骤207，初始化下变频器。为了降低信号的载波频率以及直接去除载波频率得到基带信号，所以在卫星终端中也必须初始化成功下变频器。

步骤208，完成终端的初始化流程。

上述流程201至208即完成了卫星终端的初始化流程，卫星终端可以正常工作。

卫星终端完成初始化后，具备了发射和接收信号的能力，后续进入调制解调模块103。该模块主要包括信号发射与接收模块104、信号估计模块105、参数调整模块106以及信号重构模块107。

卫星终端需要发射调制完成的信号时，如图3所示，具体步骤如下：

步骤301，启动射频系统准备发射与接收信号。

步骤302，判断是否为自环系统。在采用频谱重叠共享方法的系统中，卫星链路需要满足以下两个条件才可以使用该方法：

a).卫星系统中的任何一个终端发出的信号可以被包括它本身的任何一个终端接收到；

b).卫星采用透明转发器。也就是说，卫星转发器只对上行信号进行带通滤波、频率转换和信号放大，然后转发至各地面站。

对大多数现有的以及计划中行将建设的固定卫星地面站系统而言，都符合上述两个条件。

卫星终端可以根据自身系统设计时的特性知道本身是否为自环系统。

步骤303，如果是自环系统，进行步骤304；否则执行步骤311采用常规射频信号发射流程。

步骤304，判断卫星转发器是否为透明转发器。是否为透明转发器，是卫星转发器自身的特性。卫星终端通过发送特性的查询指令到卫星来查询该转发器是否支持透明转发特性。 取得是否为透明转发器后，在卫星终端中设置标志位保存起来，后续直接从终端中读取该标志位而无需通过卫星通信取得该数据。

步骤305，如果卫星转发器是透明转发器，则在此步骤中满足了采用频谱重叠共享方法的两个条件，后续执行步骤306，准备采用频谱重叠共享方法；否则执行步骤311采用常规射频信号发射流程。

步骤306，当满足频谱重叠共享方法的条件后，卫星终端开始搜索并把收、发天线驻留在统一频率上。在发明中，卫星终端发射与接收信号的天线必须都驻留在同一频谱上。

步骤307，判断在上一步骤中收发天线驻留是否成功。如果成功，执行步骤308，否则需要重试，因为只有驻留在同一频谱上才能使用该方法。当搜索、驻留失败时，进入步骤309准备重试机制。

步骤308，经过上述几个步骤的判断后，此时具备使用频谱重叠共享方法的条件，通过射频天线发射信号，同时通过射频天线接收信号。

步骤309，当在步骤307中判断搜索、驻留在同一频谱失败后，需要重试，但是重试不能超过一定的门限值。在该步骤中判断重试次数是否达到门限值。该门限值在卫星终端中设定。如果重试次数超过门限值，则通过步骤310执行常规信号发射；否则返回步骤306重新搜索并驻留在同一频谱。

步骤310，当在上述判断中不满足条件时，不可以采用频谱重叠共享的方法，为保证卫星通信能力，需要采用常规射频方法发送信号。

步骤311，结束单次信号发射与接收。信号发射与接收是一个循环过程，在模块104中只是描述了一个单次过程，在实际中，是多次该流程的重复。

常规信号发射流程以及信号发射与接收为公知技术，在这里不再赘述。

上述步骤301至311，卫星终端需要发送信号时，先判断当前是否满足使用频谱重叠共享方法的条件，如果满足，则后续使用频谱重叠共享技术同步发送和接收信号；否则采用常规的射频方法发送信号。

在采用频谱重叠共享方法的卫星终端中，每一个卫星终端发送一个上行信号，同时从另一个终端接收一个下行信号。因此每一方收到的下行信号是双方通信信号的叠加。由于每个终端都可以确切地知道自身所发送的上行信号，而且也确切地知道该信号的转发、处理过程，所以该终端完全可以对自己发送转发回的下行信号进行估计，并从叠加的信号中抵消滤除，从而正确恢复出对方发来的信号数据。在采用频谱重叠共享方法的卫星通信系统中，每个终端都接收到一个复合的下行链路信号。它包括对端发来的有用信号和该终端本身上行信号经过卫星转发后的无用信号。并且这两个信号在频率或时间或码字上(取决于多址方式)是重叠的。为了将无用的自发信号从复合信号内除去，必须准确估计链路参数。这些参数主要包括信号的幅度、频率漂移、多普勒频移、传播时延、未知的载波相位和定时等。

具体如图4所示：

步骤401，终端收到下行链路信号。终端收到下行信号时，如果采用频谱重叠共享的方法，则需要估计信号参数；如果采用常规方法接收信号，则直接解调处理信号。

步骤402，判断当前是否为自环系统。在上一模块中步骤302中已经判断过并且把标志位保存在卫星终端中，所以在此步骤中只需要读取该标志位即可。

步骤403，如果是自环系统，则进行后续步骤404；否则执行步骤412执行常规解析流程。

步骤404，判断卫星转发器是否为透明转发器。与步骤402一样，在上一模块中的步骤304中已经判断过是否为透明转发器，并且已经置标志位保存起来。所以在此步骤中只需要读取该标志位即可。

步骤405，如果卫星是透明转发器，则执行步骤406；否则执行步骤412执行常规解析流程。

步骤406，计算信号的幅度。

步骤407，计算信号的频率漂移。

步骤408，计算信号的多普勒频移。

步骤409，计算信号的传播时延。

步骤410，计算信号的相位和定时。

卫星信号中的参数包括信号幅度、频率漂移、多普勒频移、传播时延、相位和定时等参数。这些参数是调制与解调信号的主要参数，所以必须尽量准确估计出下行信号中所包含的自己所发送的上行信号的这些参数。

步骤411，在完成步骤406至410后，即完成了自我信号参数估计。

步骤412，在步骤403和405中如果不满足条件，则不可以使用频谱重叠共享方法，则进入本步骤，按照常规方法解调接收到的信号。

步骤401至412描述了卫星终端接收到下行链路信号后对自我信号参数估计的流程。该流程主要用来校准本地产生的删除信号的参数，使之与下行链路的信号参数相一致； 完成该流程后，即可进入下一模块。

在上一模块中完成自我信号估计后，就需要对接收到的信号中的上行链路信号进行反向信号抑制。

在模块106参数调整模块中，根据上一模块中自我信号的评估得到的参数来调整接收到的信号，以便从接收到的信号中去除卫星终端自身发出的上行信号。

具体为图5所示：

步骤501，终端收到下行链路信号。

步骤502，判断是否完成自我参数估计。自我参数评估是反向信号抑制的必要条件。

步骤503，如果已经完成自我参数估计，则执行步骤504；否则执行步骤509返回信号评估模块。

步骤504，在上一步骤中判断已经完成自我信号估计。在本步骤中根据信号评估模块得到的参数调整下行链路的信号时延。

步骤505，调试下行链路信号的频率。

步骤506，调整信号的相位。

步骤507，调整下行链路信号的增益。

步骤508，完成对下行链路信号的参数调整。

步骤509，当在步骤503中发现在上一模块中没有完成自我信号估计后，无法在本模块进行信号参数调整，所以在本步骤中返回信号估计模块。

上述步骤是根据上一模块取得的参数评估来调整下行链路的参数，步骤501至步骤509即完成对下行链路信号参数的调整。

前面两个模块分别完成了自我信号估计和对下行链路参数的调整，接下来即可对下行链接信号重构，使其恢复为卫星发送过来的数据。具体步骤如图6所示：

步骤601，终端收到下行链路信号。

步骤602，判断在前一模块中是否完成参数调整。必须完成参数调整后才能从下行链路信号中解析出接收到的卫星的信号。

步骤603，完成参数调整，执行步骤604，进行信号重构；否则执行步骤607返回参数调整模块。

步骤604，滤波。要对有效波之外的其他波进行过滤。

步骤605，经过滤波后，解调下行信号。

步骤606，完成下行链路解析流程，得到真正的卫星转发下来的信号。

步骤607，在步骤603中如果判断参数调整没有完成，则无法进行后续的信号重构，必须返回参数调整模块进行参数调整。

上述步骤601至607就完成了信号重构流程，卫星终端从接收到的下行链路中解析到了真正的卫星传输的信号。

上述流程，只是卫星终端在一次发送和接收时的流程，在实际中，是多次该流程的重复。

上面各种方法的步骤划分，只是为了描述清楚，实现时可以合并为一个步骤或者对某些步骤进行拆分，分解为多个步骤，只要包含相同的逻辑关系，都在本专利的保护范围内；对算法中或者流程中添加无关紧要的修改或者引入无关紧要的设计，但不改变其算法和流程的核心设计都在该专利的保护范围内。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。