卫星通信的数据信号传输方法与流程

本发明涉及卫星通信技术领域，特别涉及一种卫星通信的数据信号传输方法。

背景技术：

卫星通信就是以卫星为中继器，实现地面远距离通信的一种通信方式。卫星通信系统较陆地通信系统而言具有信号覆盖区域广、通信距离远、可利用频带宽、通信容量大和通信线路稳定等优点，得到了广泛应用。

目前卫星通信因频谱资源限制，一般单独采用fdma(频分多址)制式，从而增加可用码道数。

但是fdma制式有一些额外开销：1)应对发射信号谱密度超标的射频设计；2)采用高阶数字滤波器，以抑制邻道干扰；3)抗干扰能力低，地面采用应答模式的开销；4)频偏较大，快速捕获的数字信号处理复杂；5)需要较为复杂的星上信道管理。

而且单独采用fdma制式，尽管潜在容量增加一倍，但是面临如下问题：

1.发射功率谱密度显著超标，终端认证及进一步应用和推广困难；

2.几乎没有抗干扰能力，vhf频段上不能保证可靠通信；

3.星上的处理能力没有显著降低，还面临较为复杂的星上信道管理。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种卫星通信的数据信号传输方法，用于卫星通信系统中的数据信号进行上行传输或下行传输，通过采用fdma(频分多址)加cdma(码分多址)的混合通信制式的卫星通信系统，兼顾提升系统容量和降低信号处理复杂之间的平衡，可用于中、低轨卫星与地面之间进行通信的无线装置，不但能够保证通信指令，有效提高了系统的通信容量，还可以合理选择通信频率，降低各系统间的干扰影响。

本发明采用的技术方案为，一种卫星通信的上行数据信号传输方法，包括步骤：

根据数据信号的上行传输速率，形成标准速率的vcdu数据单元；

通过扰码生成函数对每个vcdu数据单元的数据信号进行卷积加扰；

采用卷积码对加扰后的数据信号进行卷积编码；

将卷积编码后的数据信号生成信道帧，并对信道帧进行扩频编码；

对扩频编码后的扩频码流进行脉冲调制，生成脉冲数据信号；

通过上行信道对脉冲数据信号进行上行传输。

优选的，所述上行信道的多址方式采用频分多址-时分多址-码分多址模式，将对应的上行带宽划分为12个频分信道，每个频分信道划分为8个码分信道；

所述码分多址还包括采用直接序列扩频模式对所述码分信道进行扩频。

优选的，所述数据信号包括：

小于等于208bps速率的上行数据信号，对应生成标准速率为208bps的vcdu数据单元；或

小于等于832bps速率的上行数据信号，对应生成标准速率为832bps的vcdu数据单元。

优选的，数据信号的上行传输速率小于等于832bps时，还包括：

在卷积加扰步骤后，对加扰后的数据信号进行rs编码。

优选的，所述脉冲调制包括：

对标准速率为208bps的扩频码流进行dbpsk脉冲调制；或

对标准速率为832bps的扩频码流进行dpsk脉冲调制。

本发明还提供了一种卫星通信的下行数据信号传输方法，包括步骤：

根据数据信号的下行传输速率，形成标准速率的vcdu数据单元；

通过扰码生成函数对每个vcdu数据单元的数据信号进行卷积加扰；

采用卷积码对加扰后的数据信号进行卷积编码；

将卷积编码后的数据信号生成信道帧，并对信道帧进行扩频编码；

对扩频编码后的扩频码流进行脉冲调制，生成脉冲数据信号；

通过下行信道对脉冲数据信号进行下行传输。

优选的，所述下行信道的多址方式采用时分复用-直接序列扩频模式。

优选的，所述数据信号包括：

小于等于208bps速率的下行数据信号，对应生成标准速率为208bps的vcdu数据单元；或

小于等于1152bps速率的下行数据信号，对应生成标准速率为1152bps的vcdu数据单元。

优选的，数据信号的下行传输速率小于等于1152bps时，还包括：

在卷积加扰步骤后，对加扰后的数据信号进行rs编码。

优选的，所述脉冲调制包括：

对标准速率为208bps的扩频码流进行dbpsk脉冲调制；或

对标准速率为1152bps的扩频码流进行dpsk脉冲调制。

优选的，所述扰码生成函数通过采用循环移位寄存器实现。

优选的，所述扩频编码包括：

通过gold扩频码，对信道帧进行扩频编码，将帧转换为码片，形成扩频码流。

附图说明

图1为本发明上行链路信道划分的原理图；

图2为本发明上行链路对208bps速率的上行数据信号的处理流程图；

图3为本发明上行链路对832bps速率的上行数据信号的处理流程图；

图4为本发明下行链路信道划分的原理图；

图5为本发明下行链路对208bps速率的下行数据信号的处理流程图；

图6为本发明下行链路对1152bps速率的下行数据信号的处理流程图；

图7为本发明帧结构及时隙划分的原理图。

具体实施方式

下面参照如图1-图7对本发明的具体实施方式进行详细说明。

本发明实施例提供了一种卫星通信的数据信号传输方法，该方法应用于卫星载荷系统和地面终端之间的上行链路和下行链路，用于进出数据信号的上行传输或下行传输；

如图1所示，所述上行链路采用频分多址(fdma)-时分多址(tdma)-码分多址(cdma)的多址方式，占用240mhz至243mhz的vhf(甚高频)频段，将上行3mhz带宽划分为12个250khz的频分信道，每个频分信道包含8个码分信道，并且，码分多址(cdma)还包括采用直接序列扩频(dsss)模式对码分信道进行扩频，多个终端用户使用扩频码分信道，按照时隙alhoa方式，进行上行数据信号的突发性传输；

其中，该上行链路还包括位于终端用户设备中的信号处理装置，例如dsp芯片或fpga芯片，支持对208bps和832bps两种速率的上行数据信号进行处理；

如图2所示，对传输速率小于等于208bps的上行数据信号，处理步骤如下：

201：对小于等于208bps的用户数据信号进行处理，形成同等标准速率即208bps的vcdu(虚拟信道数据单元)数据单元；

202：对每个vcdu数据单元的输入数据信号通过扰码生成函数h(x)＝x⁸+x⁷+x⁵+x³+1进行卷积加扰，形成加扰后的208bit数据单元和8bit的卷积尾比特，共计216bit；

本步骤中，卷积加扰的目的是对每个vcdu数据单元的数据进行加密，上述扰码生成函数的实现，即扰码的产生采用循环移位寄存器实现；

203：经过加扰后的216bit进行卷积码卷积运算，卷积码形式为(n，k，l)，分别对应输出比特数、输入比特数、约束长度，这里采用的卷积码为(4,3,7),编码后形成288bit的vcdu数据单元，添加32bit同步头、16bit的处理延时保护和4bit的星地同步保护，其中4bit星地同步保护对应保护时间为11秒，共计340bit；

本步骤中，卷积编码的目的是，数字信号在无线信道中传输时，由于信道自身条件特性的不理想，会受到诸多噪声干扰的影响，因而产生误码，通过卷积编码技术，可以降低误码率；

204：上述340bit形成信道帧；

205：对信道帧进行扩频编码，扩频码采用2⁹-1形式的gold码，将帧(bit)转换为码片(chip)流(1bit占用多chip)，形成511340＝173740chip的扩频码流；

206：对上述扩频码流进行dbpsk调制，进行脉冲成形，采用滚降系数为0.25的脉冲，形成上行带宽223khz(通带225，阻带50khz)；

形成上述上行带宽后，即可使用对应的通信频段进行数据信号的上行传输。

如图3所示，对传输速率小于等于832bps的上行数据信号，处理步骤如下：

301：对小于等于832bps的用户数据信号进行处理，形成同等标准速率即832bps的vcdu(虚拟信道数据单元)数据单元；

302：对每个vcdu数据单元的输入数据信号通过扰码生成函数h(x)＝x⁸+x⁷+x⁵+x³+1卷积加扰，形成加扰后的832bit数据单元；

同上所述，本步骤卷积加扰的目的是对每个vcdu数据单元的数据进行加密，上述扰码生成函数的实现，即扰码的产生采用循环移位寄存器实现；

303：rs编码：仅832bps速率时有效，rs(255,239)虚拟填充后rs(120,104)，编码后形成16b的校验位；

304：vcdu数据单元120b加上12b的卷积卷尾；

305：上述972bit(120b×8+12＝972bit)进行卷积码卷积运算，卷积码形式为(n，k，l)，分别对应输出比特数、输入比特数、约束长度，这里采用的卷积码为(4,3,7),编码后形成1296bit的vcdu数据单元，添加32bit同步头、16bit的处理延时保护和16bit的星地同步保护，其中16bit星地同步保护对应保护时间为12秒；

306：上述1360bit形成信道帧；

307：对信道帧进行扩频编码，扩频码采用形式的gold码，将帧(bit)转换为码片(chip)流(1bit占用多chip)，形成1271360＝172720chip的扩频码流；

308：对扩频码流进行dpsk调制，进行脉冲成形，采用滚降系数为0.25的脉冲，形成上行带宽222khz(通带225khz，阻带50khz)；

形成上述上行带宽后，即可使用对应的通信频段进行数据信号的上行传输。

如图4所示，所述下行链路采用时分复用(tdm)-直接序列扩频(dsss)的多址方式，占用318mhz至320mhz的频段，最多可以含有2个码分信道，卫星载荷系统将下行数据信号按照时隙传输至对应的终端用户，终端用户仅接收与自己相关的下行时隙的数据信号；

其中，该下行链路还包括位于卫星载荷终端的信号处理装置，例如dsp芯片或fpga芯片，支持对208bps和1152bps两种速率的下行信号进行处理；

如图5所示，对传输速率小于等于208bps的下行数据信号，处理步骤如下：

501：对小于等于208bps的数据信号进行处理，形成同等标准速率即208bps的vcdu(虚拟信道数据单元)数据单元；

502：对每个vcdu数据单元的输入数据通过扰码生成函数h(x)＝x⁸+x⁷+x⁵+x³+1卷积加扰，形成加扰后的208bit数据单元和8bit的卷积尾比特；

同上所述，本步骤卷积加扰的目的是对每个vcdu数据单元的数据进行加密，上述扰码生成函数的实现，即扰码的产生采用循环移位寄存器实现；

503：经过加扰后的216bit进行卷积码卷积运算，卷积码形式为(n，k，l)，分别对应输出比特数、输入比特数、约束长度，这里采用的卷积码为(4,3,7),编码后形成288bit的vcdu数据单元，添加32bit同步头、16bit的处理延时保护和4bit的星地同步保护，其中4bit星地同步保护对应保护时间为11秒；

504：上述340bit形成信道帧。

505：对信道帧进行扩频编码，扩频码采用2⁹-1形式的gold码，将帧(bit)转换为码片(chip)流(1bit占用多chip)，形成511340＝173740chip的扩频码流；

506：对扩频码流进行dbpsk调制，进行脉冲成形，采用滚降系数为0.25的脉冲，形成下行带宽223khz(通带225，阻带50khz)；

形成上述下行带宽后，即可使用对应的通信频段进行数据信号的下行传输。

如图6所示，对传输速率小于等于1152bps的下行数据信号，处理步骤如下：

601：对小于等于1152bps的数据信号进行处理，形成同等标准速率即1152bps的vcdu(虚拟信道数据单元)数据单元；

602：对每个vcdu数据单元的输入数据通过扰码生成函数h(x)＝x⁸+x⁷+x⁵+x³+1卷积加扰，形成加扰后的1152bit数据单元；

同上所述，本步骤卷积加扰的目的是对每个vcdu数据单元的数据进行加密，上述扰码生成函数的实现，即扰码的产生采用循环移位寄存器实现；

603：rs编码：仅1152bps速率时有效，rs(255,223)使用虚拟填充实现rs(176,144)，编码后形成32b的校验位；

604：vcdu数据单元176b加上8b的卷积卷尾。

605：上述1416bit(176b×8+8＝1416bit)进行卷积码卷积运算，卷积码形式为(n，k，l)，分别对应输出比特数、输入比特数、约束长度，这里采用的卷积码为(2，1，7)，编码后形成2832bit的vcdu数据单元，添加32bit同步头、16bit的处理延时保护和32bit的星地同步保护，其中32bit星地同步保护对应保护时间为12秒；

606：上述2912bit形成信道帧。

607：对信道帧进行扩频编码，扩频码采用2⁹-1形式的gold码，将帧(bit)转换为码片(chip)流(1bit占用多chip)，形成5112912＝1488032chip的扩频码流；

608：对扩频码流进行dpsk调制，进行脉冲成形，采用滚降系数为0.25的脉冲，形成下行带宽1890khz(通带1900khz)；

形成上述下行带宽后，即可使用对应的通信频段进行数据信号的下行传输。

如图7所示，本发明的上行链路或下行链路完成对数据信号的处理后，即可按照时隙的方式进行传输，其中对上行时隙或下行时隙及对应的帧结构按照下述方式进行划分：

通过gps或北斗进行时间同步和对齐；

形成超帧，每个超帧60s，一个超帧含6个子帧，按照0-5编号，每个子帧长度10s；

在下行方向，10s的子帧包括10个时隙，每个时隙占用1s，第一个时隙是广播时隙，另有9个通信时隙，按照1-9编号。

在上行方向，10s的子帧包括10个时隙，每个时隙占用1s，都是通信时隙，按照0-9编号。

综上所述，本发明提供的方法用于卫星载荷系统及地面终端之间的通信，具有以下优点：

1、实现了卫星载荷系统与地面小型化、低功耗终端实施短数据卫星通信，实现终端信息收集及下传，可应用于卫星物联网；

2、能够接收用户发射的上行传感器数据和通信短报文数据，解调出数据信息，通过与星载计算机的数据通信接口传送并存储于星上数管；

3、载荷支持的下行功能包括：周期性数据下行，即面向终端广播的卫星信息；触发式下行；指令性下行；通过can总线接收星务计算机的遥测数据，并完成和地面数据中心的遥测数据下行传输；

4、应用范围较广，能够接收并处理船舶发送的ais报文数据，并能够接收飞行器发送的ads-b报文数据等。

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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。