一种卫星通信方法及模组与流程

本发明属于卫星通信领域，具体涉及一种卫星通信方法及模组。

背景技术：

卫星通信网络是通过自身网络覆盖区域内的卫星终端设备，为用户提供语音及数据通信服务。所不同的是，卫星通信网络依靠其在太空中的卫星实现了覆盖区域的有效扩大。为地面的通信网络不能覆盖的野外地区、或者灾难地区提供了有效的通信保障。现有最简捷的卫星通信系统而言，最少只要三颗卫星，就能实现全球覆盖。

卫星通信模组，就是依托卫星通信系统，主要完成与星上多用户接入载荷之间的通信，针对具体的应用场景，可通过在卫星通信模组外部配备收发天线，增设应用处理模块、定位模块、采集模块和存储模块等来研制相应的终端设备，进而完成数据的采集、处理、传输过程。

然而，现有的卫星通信模组设备，可实现与卫星信号的收发，但由于其结构设置的原因，其可实现交互的信息吞吐量少，同时，模组和卫星之间的传输时延长，模组的发射功率固定且多普勒补偿精度低。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种卫星通信方法及模组，其通过设置基带模块和射频模块，通过射频模块完成卫星信号的收发，发信方向把基带模块来的射频信号放大到需要的功率，以便卫星能够顺利接收，通过接收方向的低噪声的滤波器可有效降低系统噪声系数，有利于准确接收卫星下发的数据，通过基带模块实现信号的调制解调、各层协议处理等功能，同时，其通过过粗频偏估计与细频偏估计两步实现了频偏估计，通过频偏估计的结果对基带信号进行频率补偿，将频率补偿的精度控制在正负100hz以内。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种卫星通信方法，其包括射频发射信号的调制和射频接收信号的解调，

射频发射信号的调制过程具体为：

接收外部的业务接口发送的控制信号和业务载荷信号，并依据预设的通信协议，对控制信号和业务载荷信号依次进行组帧、调制、扩频、基带成型和频偏补偿，得到数字基带调制信号；对数字基带调制信号依次进行数模转换、滤波和衰减，得到模拟基带调制信号；对模拟基带调制信号依次进行滤波、上变频、射频滤波和功率放大，得到射频发射信号；发射天线将射频发射信号发送给卫星；

射频接收信号的解调过程具体为：

接收来自卫星的射频接收信号，依次对射频接收信号进行低噪声放大、射频滤波、下变频和滤波，得到射频解调信号；依次对射频解调信号进行自动增益调制、模数转换和滤波，得到数字基带接收信号；依据预设的通信协议，对数字基带接收信号进行定时跟踪，依据跟踪结果进行时偏或频偏补偿、解扩和判决生成ldpc译码信号，对ldpc译码信号进行crc校验得到基带解调信号

调制过程和解调过程中的频偏补偿具体为：

计算待补偿信号的粗调制值，具体地，利用fft计算待补偿信号的pn码的相关值序列，将待补偿信号的同相和正交支路的相关值作平方求和，得到待补偿信号的能量最大值，利用能量最大值搜索得到待补偿信号的相位延时估计τ，相位延时估计τ即为待补偿信号的粗调制值；

计算待补偿信号的细调制值，具体地，利用待补偿信号的粗调制值得到待补偿信号的突发同步信号，依据突发同步信号进行细频偏估计得到待补偿信号的细调制值，利用待补偿信号的细调制值对待补偿信号进行频偏调制。

作为本发明的进一步改进，控制信号包括突发同步信号、帧开始信号、信号速率信号和帧结束信号。

作为本发明的进一步改进，业务载荷信号通过数据缓存、crc校验和ldpc编码生成。

作为本发明的进一步改进，突发同步信号为预设长度的全零数据，帧开始信号和帧结束信号为预设长度的小m序列。

作为本发明的进一步改进，射频发射信号的工作频率采用公共接入频点时，控制信号采用预设长度的gold码加0码进行扩频，业务载荷信号采用长码进行扩频；否则，所述控制信号和业务载荷信号采用小m序列长码进行扩频。

为实现上述目的，按照本发明的另一个方面，提供了一种卫星通信模组，其包括基带模块、射频模块、接收天线和发射天线，其中，基带模块包括接收基带子模块、数字基带处理子模块和发射基带子模块，射频模块包括接收射频子模块和发射射频子模块，发射天线、发射射频子模块、接收基带子模块和数字基带处理子模块依次连接，接收天线、接收射频子模块、接收基带子模块和数字基带处理子模块依次连接，

数字基带处理子模块用于接收外部的业务接口发送的控制信号和业务载荷信号，并依据预设的通信协议，对控制信号和业务载荷信号依次进行组帧、调制、扩频、基带成型和频偏补偿，得到数字基带调制信号；数字基带处理子模块还用于依据预设的通信协议，对数字基带接收信号进行定时跟踪，依据跟踪结果进行时偏或频偏补偿、解扩和判决生成ldpc译码信号，对ldpc译码信号进行crc校验得到基带解调信号；

发射基带子模块用于对数字基带调制信号依次进行数模转换、滤波和衰减，得到模拟基带调制信号；

发射射频子模块用于对模拟基带调制信号依次进行滤波、上变频、射频滤波和功率放大，得到射频发射信号；

发射天线用于将射频发射信号发送给卫星；

接收天线用于接收来自卫星的射频接收信号，依次对射频接收信号进行低噪声放大、射频滤波、下变频和滤波，得到射频解调信号；

接收基带子模块用于依次对射频解调信号进行自动增益调制、模数转换和滤波，得到数字基带接收信号

调制过程和解调过程中的频偏补偿具体为：

计算待补偿信号的粗调制值，具体地，利用fft计算待补偿信号的pn码的相关值序列，将待补偿信号的同相和正交支路的相关值作平方求和，得到待补偿信号的能量最大值，利用能量最大值搜索得到待补偿信号的相位延时估计τ，相位延时估计τ即为待补偿信号的粗调制值；

计算待补偿信号的细调制值，具体地，利用待补偿信号的粗调制值得到待补偿信号的突发同步信号，依据突发同步信号进行细频偏估计得到待补偿信号的细调制值，利用待补偿信号的细调制值对待补偿信号进行频偏调制。

作为本发明的进一步改进，控制信号包括突发同步信号、帧开始信号、信号速率信号和帧结束信号。

作为本发明的进一步改进，业务载荷信号通过数据缓存、crc校验和ldpc编码生成。

作为本发明的进一步改进，突发同步信号为预设长度的全零数据，帧开始信号和帧结束信号为预设长度的小m序列。

作为本发明的进一步改进，射频发射信号的工作频率采用公共接入频点时，控制信号采用预设长度的gold码加0码进行扩频，业务载荷信号采用长码进行扩频；否则，控制信号和业务载荷信采用小m序列长码进行扩频。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

本发明的一种卫星通信方法及模组，其通过设置基带模块和射频模块，通过射频模块完成卫星信号的收发，发信方向把基带模块来的射频信号放大到需要的功率，以便卫星能够顺利接收，通过接收方向的低噪声的滤波器可有效降低系统噪声系数，有利于准确接收卫星下发的数据，其通过基带模块实现信号的调制解调、各层协议处理等功能，同时，其通过过粗频偏估计与细频偏估计两步实现了频偏估计，通过频偏估计的结果对基带信号进行频率补偿，将频率补偿的精度控制在正负100hz以内。

本发明的一种卫星通信方法及模组，其通过设置包括各类信息的控制信号和业务载荷信号，在公共接入频点和其他频点采用不同的方式进行扩频，有利于实现利用公共接入频点进行信号传输的准确率，进一步准确接收卫星下发的数据，同时其通过计算所需发送功率调整射频前端增益来实现功率自适应，从而提高卫星通信的可靠性，同时使得卫星通信可实现交互的信号吞吐量增加，减少模组和卫星之间的传输时延。

附图说明

图1是本发明实施例的一种卫星通信模组的结构示意图；

图2是本发明实施例的卫星通信模组发送信号的示意图；

图3是本发明实施例的卫星通信模组接收信号的示意图；

图4是本发明实施例的卫星通信模组的频偏补偿的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。下面结合具体实施方式对本发明进一步详细说明。

ldpc：低密度校验码，一种前向纠错码；

agc：自动增益调制；

一种卫星通信方法，其包括射频发射信号的调制和射频接收信号的解调，其中，

射频发射信号的调制过程具体为：

接收外部的业务接口发送的控制信号和业务载荷信号，并依据预设的通信协议，对控制信号和业务载荷信号依次进行组帧、调制、扩频、基带成型和频偏补偿，得到数字基带调制信号；

对数字基带调制信号依次进行数模转换、滤波和衰减后得到模拟基带调制信号；

对模拟基带调制信号依次进行滤波、上变频、射频滤波和功率放大后得到射频发射信号；

发射天线将射频发射信号发送给卫星；

接收来自卫星的射频接收信号，依次对射频接收信号进行低噪声放大、射频滤波、下变频和滤波后得到射频解调信号；

依次对射频解调信号进行自动增益调制、模数转换和滤波后得到数字基带接收信号；

数字基带处理子模块依据预设的通信协议，对数字基带接收信号进行定时跟踪，依据跟踪结果进行时偏或频偏补偿、解扩和判决生成ldpc译码信号，对ldpc译码信号进行crc校验得到基带解调信号。

调制过程和解调过程中的频偏补偿具体为：

计算待补偿信号的粗调制值，具体地，利用fft计算待补偿信号的pn码的相关值序列，将待补偿信号的同相和正交支路的相关值作平方求和，得到待补偿信号的能量最大值，利用能量最大值搜索得到待补偿信号的相位延时估计τ，相位延时估计τ即为待补偿信号的粗调制值；

计算待补偿信号的细调制值，具体地，利用待补偿信号的粗调制值得到待补偿信号的突发同步信号，依据突发同步信号进行细频偏估计得到待补偿信号的细调制值，利用待补偿信号的细调制值对待补偿信号进行频偏调制。

其中，ldpc译码的过程为：系统计算好软信息，ldpc使用软判决的结果做译码，输出硬判决信息，通过crc进一步校验数据是否正确接收；低噪声放大主要是可有效降低系统噪声系数，有利于准确接收卫星下发的数据，为了确保工作频率、增益、噪声系数、iip3等性能参数均满足系统需求；发射功率放大主要将发射信号功率变大，为了确保工作频率、增益、饱和功率输出、工作电压等性能参数均满足系统需求。

作为一个优选的实施例，业务载荷信号通过数据缓存、crc校验和ldpc编码生成，控制信号包括cw信号、uw1信号、uwr信号和uw2信号，其中，

cw信号为突发同步信号，通过cw码产生器生成；

uw1信号为帧开始信号，通过uw1码产生器生成；

uwr信号为信号速率信号，通过bch编码器生成；

uw2信号为帧结束信号，其通过uw2码产生器和bch编码器生成；

突发同步信号为预设长度的全零数据，uw1信号和uw2信号为预设长度的小m序列，一般来说，cw信号为360symbol长度的全零数据，uw1信号和uw2信号为63symbol长度的小m序列，当然，也可以依次调制需求或者协议的不同进行相应的调整；

依次对数字基带调制信号的频点进行相应的扩频，射频发射信号的工作频率采用公共接入频点，控制信号采用预设长度的gold码加0码进行扩频，业务载荷信号采用长码进行扩频，具体为：射频发射信号的工作频率采用公共接入频点时，cw信号、uw1信号、uw2信号和uwr信号采用周期为512的gold码加0码进行扩频，mload数据采用长码进行扩频；否则，控制信号和业务载荷信号均采用小m序列长码进行扩频，且依据相应的传输速率设置不同的扩频比。

作为一个优选的实施例，可以利用uws(即下行数据的帧同步头，用于指示超帧的开始，同时用于纠相位模糊)进行定时估计，由于uws序列为小m序列，可以利用序列本身良好的自相关特性，进行定时估计；进一步地，可利用数字基带调制信号的数字域直接进行功率估计，可利用功率计算的结果调整射频前端增益，每100ms调整一次。

图1是本发明实施例的一种卫星通信模组的结构示意图。如图1所示，一种卫星通信模组，其包括基带模块、射频模块、接收天线和发射天线，发射天线、发射射频子模块、接收基带子模块和数字基带处理子模块依次连接，接收天线、接收射频子模块、接收基带子模块和数字基带处理子模块依次连接，其中，

基带模块包括接收基带子模块、数字基带处理子模块和发射基带子模块，接收基带子模块包括依次连接的agc和a/d滤波器，发射基带子模块包括依次连接的可控衰减器和d/a滤波器，数字基带处理子模块分别连接a/d滤波器和d/a滤波器；

射频模块包括接收射频子模块、发射射频子模块和频率合成器，接收射频子模块包括依次连接的低噪声放大器、第一射频滤波器、下变频器和第一滤波器，发射射频子模块包括依次连接的功率放大器、第二射频滤波器、上变频器和第二滤波器，频率合成器分别连接上变频器和下变频器，第一滤波器连接agc，第二滤波器连接可控衰减器，低噪声放大器连接接收天线，功率放大器连接发射天线；

图2是本发明实施例的卫星通信模组发送信号的示意图。如图2所示，卫星通信终端发送卫星信号的处理过程为：数字基带处理子模块接收外部的业务接口发送的控制信号和业务载荷信号，并依据预设的通信协议对控制信号和业务载荷信号进行组帧、调制、扩频、基带成型和频偏补偿后得到数字基带调制信号；发射基带子模块对数字基带调制信号依次进行数模转换、滤波和衰减后得到模拟基带调制信号；发射射频子模块对模拟基带调制信号进行滤波、上变频、射频滤波和功率放大后得到射频发射信号；发射天线将射频发射信号发送给卫星；

图3是本发明实施例的卫星通信模组接收信号的示意图。如图3所示，卫星通信终端接收卫星信号的处理过程为：接收天线接收来自卫星的射频接收信号，接收射频子模块依次对射频接收信号进行低噪声放大、射频滤波、下变频和滤波后得到射频解调信号；接收基带子模块依次对射频解调信号进行自动增益调制、模数转换和滤波后得到数字基带接收信号；数字基带处理子模块依据预设的通信协议，对数字基带接收信号进行定时跟踪，依据跟踪结果进行时偏或频偏补偿、解扩和判决生成ldpc译码信号，对ldpc译码信号进行crc校验得到基带解调信号。其中，ldpc译码的过程为：系统计算好软信息，ldpc使用软判决的结果做译码，输出硬判决信息，通过crc进一步校验数据是否正确接收；低噪声放大主要是可有效降低系统噪声系数，有利于准确接收卫星下发的数据，为了确保工作频率、增益、噪声系数、iip3等性能参数均满足系统需求；发射功率放大主要将发射信号功率变大，为了确保工作频率、增益、饱和功率输出、工作电压等性能参数均满足系统需求。

作为一个优选的实施例，业务载荷信号通过数据缓存、crc校验和ldpc编码生成，控制信号包括cw信号、uw1信号、uwr信号和uw2信号，其中，

cw信号为突发同步信号，通过cw码产生器生成；

uw1信号为帧开始信号，通过uw1码产生器生成；

uwr信号为信号速率信号，通过bch编码器生成；

uw2信号为帧结束信号，其通过uw2码产生器和bch编码器生成；

突发同步信号为预设长度的全零数据，uw1信号和uw2信号为预设长度的小m序列，一般来说，cw信号为360symbol长度的全零数据，uw1信号和uw2信号为63symbol长度的小m序列，当然，也可以依次调制需求或者协议的不同进行相应的调整；

依次数字基带调制信号的频点进行相应的扩频，射频发射信号的工作频率采用公共接入频点，控制信号采用预设长度的gold码加0码进行扩频，业务载荷信号采用长码进行扩频，具体为：射频发射信号的工作频率采用公共接入频点时，cw信号、uw1信号、uw2信号和uwr信号采用周期为512的gold码加0码进行扩频，mload数据采用长码进行扩频；否则，控制信号和业务载荷信号均采用小m序列长码进行扩频，且依据相应的传输速率设置不同的扩频比。

调制过程和解调过程中的频偏补偿具体为：

计算待补偿信号的粗调制值，具体地，利用fft计算待补偿信号的pn码的相关值序列，将待补偿信号的同相和正交支路的相关值作平方求和，得到待补偿信号的能量最大值，利用能量最大值搜索得到待补偿信号的相位延时估计τ，相位延时估计τ即为待补偿信号的粗调制值；

计算待补偿信号的细调制值，具体地，利用待补偿信号的粗调制值得到待补偿信号的突发同步信号，依据突发同步信号进行细频偏估计得到待补偿信号的细调制值，利用待补偿信号的细调制值对待补偿信号进行频偏调制。

具体地，频偏估计分两步，粗频偏估计和细频偏估计。

粗频偏估计主要用fft来实现，工作过程如下：首先捕获搜索过程，设定相关时间为tr1，利用fft可以计算出待补偿信号的整个pn码的相关值序列，将同相和正交支路的相关值作平方求和后，得到相关输出的能量最大值，搜索能量最大值即可得到待补偿信号的相位延时估计τ，进入捕获验证阶段。

图4是本发明实施例的卫星通信模组的频偏补偿的示意图。如图4所示，利用fft完成快速相关单元的结构如所示，i、q两路的基本采样信号分别作为待补偿信号的实部与虚部构成一个复输入序列，进行适当的补零延长后求其fft，同理，对本地同相支路和正交支路序列也做同样处理。利用序列实部和虚部fft的变换关系，可求出待补偿信号的同相支路和正交支路序列的fft，分别求ifft便可求出待补偿信号的同相支路和正交支路相关序列。

完成粗频偏估计后，进行细频偏估计，细频偏预计需要利用待补偿信号的全部的cw序列，cw序列的长度为385个符号，持续时间约为80ms，用全部cw序列做完细频偏估计后，对进行频偏调整，频率精度可控制在正负100hz以内。

可根据星历计算出卫星当前多普勒频偏，将估计出的频偏减去计算出的频偏，可以得到卫星与终端之间的时钟偏差。

可以利用uws(即下行数据的帧同步头，用于指示超帧的开始，同时用于纠相位模糊)进行定时估计，由于uws序列为小m序列，可以利用序列本身良好的自相关特性，进行定时估计，功率估计在数字域直接计算即可，可利用功率计算的结果调整射频前端增益，每100ms调整一次。

本发明的一种卫星通信模组整机结构布局紧凑，其可以采用外壳承力式结构，有效缩小整机体积，实现小型化设计，并以温度、结构强度等为优化目标进行结构优化，将模组的安全系数优化调整到合理区间，提高产品的可靠性。因产品在研制过程中分为电性件、鉴定件和正样件三个阶段，在前期电性件阶段，考虑到试验和调试过程中产品需要经常拆卸，系统内部可以采用紧固件连接的方式。在鉴定件和正样件阶段，考虑到可靠性和保密性的要求，系统可以采用扣式或者焊接两种方式进行微封装。

本领域的技术人员容易理解，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。