CN107370710B - 一种直升机旋翼遮挡高阶调制信号补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及直升机抗旋翼遮挡的卫星通信技术领域，具体涉及一种直升机旋翼遮挡高阶调制信号补偿方法。本发明的方法针对高阶调制方式，对直升机旋翼遮挡的高阶信号进行能量补偿，可以解决直升机卫星通信中，由于旋翼遮挡对信号幅度的衰减影响，直接利用遮挡信号会降低误码性能的问题。使用本发明的方法，可以改善遮挡部分数据星座图；相同遮挡利用率时，信号传输误码性能更好；达到相同性能时，遮挡利用率更高。此方法实现简单，只需使用简单的乘除运算和比较操作即可实现。通过设置对应的信噪比阈值和补偿峰值阈值可满足不同阶数的高阶调制方式的应用场景，如对于16QAM，32QAM，64QAM等MQAM信号（M>4）均有效具有较大使用范围，实现简单的特点。

Description

一种直升机旋翼遮挡高阶调制信号补偿方法

技术领域

本发明涉及直升机抗旋翼遮挡的卫星通信技术领域，具体涉及一种直升机旋翼遮挡高阶调制信号补偿方法。

背景技术

卫星通信具有通信距离远、相对成本低、覆盖范围大、通信容量大、不受地理条件的限制和自然灾害的影响等特点；而在飞行器中，直升机具有可低空低速飞行，对起降条件要求低，具有较大的灵活性等一系列优点；基于直升机和卫星通信的上述优点，将两者结合后，采用卫星通信的直升机可在医疗救护、救灾救生、紧急营救、地质勘探、护林灭火等场景得到广泛应用。

但是随着技术的发展，各种应用场景中对实时高质量通信的要求不断提高，这样迫使直升机采用的卫星通信需要有更高的通信速率；常见的提高直升机卫星通信速率的方法是使用高阶调制方式，其可在一定程度上满足直升机卫星通信中的实时高速率通信要求；但高阶调制方式仍存在一些问题需要解决；具体的，在直升机卫星通信中，通信天线与卫星之间的信号传递容易被直升机旋翼遮挡，从而使直升机卫星通信信号收到周期性衰落影响。利用旋翼遮挡间隙通信是对抗旋翼遮挡的一种有效方法，但这种方式中实际被旋翼遮挡的信号就被浪费。

直升机旋翼遮挡会对信号的幅度造成衰减，但并不会改变信号的极性和相位，因此QPSK等低阶的相位调制信号受到旋翼遮挡后并不会因幅度衰减而影响解调的正确性；而16QAM、32QAM等多幅度高阶调制信号幅度受到影响后，星座点可能会偏离原本正确译码区域，如图7a所示，从而引起差错，直接利用会带来严重的误码影响。因此为了实现有限带宽高速率通信方案，利用遮挡部分的高阶信号时，对高阶调制信号进行对应的信号幅度补偿就显得非常必要；现有技术中，通常使用AGC(自动增益控制)对信号进行补偿，将传输信号幅度补偿至目标值，这对于等幅度的相位调制信号有效，如QPSK信号；但对于16QAM等多幅度的高阶信号，AGC除了会对遮挡部分的信号补偿，同时也会将原本不同幅度的信号都补偿至目标幅度，使得部分原本正确的星座点发生偏离，从而带来额外的差错。如图5a、图5b所示，该星座图中圆Re为16QAM信号平均幅度

为半径的圆，AGC会分别使半径为

和

的圆上的星座点以坐标原点为中心，向圆Re的附近进行补偿，直接导致这部分星座点的错误；因此AGC并不适用于直升机通信中高阶信号的补偿，需要使用其他技术来对直升机通信中被旋翼遮挡的高阶信号进行补偿。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术直升机通信中，卫星通信天线与卫星之间的通信信号易被旋转中的直升机旋翼遮挡，导致通信信号利用率不高的问题，提供一种通信效率更高、通信效果更好的用于直升机卫星通信的信号补偿方法。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种直升机旋翼遮挡高阶调制信号补偿方法，包括：

A：根据接收到的信号，结合直升机旋翼遮挡状态，将旋翼遮挡状态参数化，得到直升机旋翼遮挡曲线h(t)；

B：根据处理得到的直升机旋翼遮挡曲线h(t)，取倒数计算得到旋翼遮挡信号初级补偿模型曲线

C：根据信号信噪比不同，对补偿曲线函数作削顶处理，设置匹配的补偿曲线的峰值，获取最终补偿函数c(t)；设置补偿曲线的峰值的目的在于抑制信噪比较低部分信号的补偿；

D：将接收到的信号s(t)与最终补偿函数c(t)相乘，得到补偿后的信号r(t)。具体的，将接收到的信号s(t)与补偿函数c(t)按对应时间相乘，即实际上信号s(t)每个时刻的值均与该时刻中补偿函数c(t)的值(补偿系数)进行相乘，得到补偿后的信号r(t)。

进一步的，所述步骤A中，利用如下公式获取直升机旋翼遮挡曲线h(t)：

其中，0≤t≤T，S为旋翼完全遮挡时，遮挡信号幅度平均值与原信号的比值，取值范围为0＜S≤1，t₁,t₂,t₃,t₄分别为遮挡开始时间、完全遮挡开始时间、完全遮挡结束时间、遮挡结束时间，t₁,t₂,t₃,t₄满足0≤t₁≤t₂≤t₃≤t₄≤T，T为直升机旋翼遮挡周期。

进一步的，所述步骤C中，设置信噪比阈值SNR_threshold＝0dB，获取与该阈值SNR_threshold对应的补偿曲线的补偿峰值阈值G_threshold，G_threshold与信噪比阈值SNR_threshold设置根据如下关系确定，SNR₀+20log₁₀h(t₀)＝SNR_threshold，G_threshold＝g(t₀)，其中SNR₀为当前无遮挡传输时信号的信噪比。对初级补偿模型曲线g(t)，若g(t_x)＞G_threshold，令g(t_x)＝G_threshold，利用公式

获取最终补偿函数c(t)；这是因为，遮挡过程实际是信号信噪比降低的过程，若信号信噪比过低，直接使用函数g(t)补偿会过度放大噪声，为了抑制这部分噪声，设置阈值SNR_threshold＝0dB，只对信噪比SNR＞SNR_threshold的部分根据g(t)补偿，信噪比SNR≤SNR_threshold的部分信号按SNR_threshold处理。

与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明的方法针对高阶调制方式，对直升机旋翼遮挡的高阶信号进行能量补偿，可以解决直升机卫星通信中，由于旋翼遮挡对信号幅度的衰减影响，直接利用遮挡信号会降低误码性能的问题。使用本发明的方法，可以改善遮挡部分数据星座图；相同遮挡利用率时，信号传输误码性能更好；达到相同性能时，遮挡利用率更高。方法实现简单，只需使用简单的乘除运算和比较操作即可实现。通过设置对应的SNR_threshold和G_threshold可满足不同阶数的高阶调制方式的应用场景，如对于16QAM，32QAM，64QAM等MQAM信号(M>4)均有效具有较大使用范围，实现简单的特点。

附图说明：

图1本发明提供的补偿方法信号走向图；

图2为本发明参数化的遮挡模型图；

图3为本发明根据遮挡模型计算得到补偿模型图；

图4为本发明根据信噪比作削顶处理得到的最终补偿模型图；

图5a、图5b分别为AGC补偿前后16QAM信号星座图的具体实施例；

图6为遮挡部分高阶信号补偿前补偿实例示意框图；

图7a、图7b分别为无噪声时遮挡部分高阶信号补偿前后星座图对比；

图8a、图8b分别为SNR＝20dB时遮挡部分高阶信号补偿前后星座图对比；

图9为本发明中应用于64QAM信号传输无时间分集传输系统示例框图；

图10为图9中无时间分集传输系统进行数据间隙发送示意图；

图11a为图9中无时间分集传输系统无时间分集64QAM传输误比特性能图；

图11b为图9中无时间分集传输系统误比特图；

图12本发明中应用于64QAM信号传输时间分集传输系统示例框图；

图13为图12中时间分集传输系统数据重复发送示意图；

图14为图12中时间分集传输系统误比特性能图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

本发明利用基于直升机旋翼遮挡预测的方法，得到直升机旋翼遮挡状态，经过参数化后用于计算初步补偿模型函数，再根据信噪比对补偿函数进行削顶优化处理，得到最终补偿函数，再将补偿函数与接收信号对应相乘得到补偿后的信号。下面具体说明。

如图1所示，本实施例提供一种直升机旋翼遮挡高阶调制信号补偿方法，包括：

步骤100：根据接收到的信号，结合直升机旋翼遮挡状态，将旋翼遮挡状态参数化，得到直升机旋翼遮挡曲线h(t)；具体的，利用如下公式获取直升机旋翼遮挡曲线h(t)：

其中，0≤t≤T，S为旋翼完全遮挡时，遮挡信号幅度平均值与原信号的比值，取值范围为0＜S≤1，t₁,t₂,t₃,t₄分别为遮挡开始时间、完全遮挡开始时间、完全遮挡结束时间、遮挡结束时间，t₁,t₂,t₃,t₄满足0≤t₁≤t₂≤t₃≤t₄≤T，T为直升机旋翼遮挡周期，典型的该周期T如图2所示。

S200：根据处理得到的直升机旋翼遮挡曲线h(t)，取倒数计算得到旋翼遮挡信号初级补偿模型曲线

这是由于，遮挡信号s(t)＝x(t)h(t)，其中x(t)为原始发送信号，由于补偿信号r_c(t)＝s(t)g(t)，为了使补偿信号恢复为原信号，即r_c(t)＝x(t)，则可求得补偿函数

具体如图3所示。

S300：设置信噪比阈值SNR_threshold＝0dB，获取与该阈值SNR_threshold对应的补偿曲线的补偿峰值阈值G_threshold，G_threshold与信噪比阈值SNR_threshold设置根据如下关系确定，SNR₀+20log₁₀h(t₀)＝SNR_threshold，G_threshold＝g(t₀)，其中SNR₀为当前无遮挡传输时信号的信噪比。对初级补偿模型曲线g(t)，若g(t_x)＞G_threshold，令g(t_x)＝G_threshold，利用公式

获取最终补偿函数c(t)；这是因为，遮挡过程实际是信号信噪比降低的过程，若信号信噪比过低，直接使用函数g(t)补偿会过度放大噪声，为了抑制这部分噪声，设置阈值SNR_threshold＝0dB，只对信噪比SNR＞SNR_threshold的部分根据g(t)补偿，信噪比SNR≤SNR_threshold的部分信号按SNR_threshold处理。具体如图4所示。

S400：将接收到的信号s(t)与最终补偿函数c(t)相乘，得到补偿后的信号r(t)。具体的，将接收到的信号s(t)与补偿函数c(t)按对应时间相乘，即实际上信号s(t)每个时刻的值均与该时刻中补偿函数c(t)的值(补偿系数)进行相乘，得到补偿后的信号r(t)。

下面结合一个具体示例对本发明作更进一步的说明。

示例一：补偿方法对星座点的影响：

示例一所使用仿真平台为MATLAB R2014a，所使用的遮挡模型如图2所示，遮挡率20％，遮挡率为遮挡时间占遮挡周期的比率，即(t₄-t₁)/T，遮挡下降和遮挡上升时间各占遮挡时间的40％，完全遮挡时间占遮挡时间的20％，完全遮挡时信号能量衰减为20dB，无遮挡时信号能量衰减为0dB，遮挡模型曲线遮挡下降和上升均为线性变化过程。

示例一使用64QAM调制信号，经过遮挡模型处理，得到遮挡后的高阶信号，经过加噪得到仿真的接收端直升机遮挡高阶信号。根据计算公式计算得到补偿函数c(t)，对接收信号进行补偿，实例示意框图如图6所示。分别画出无噪声情况和信噪比SNR＝20dB情况，遮挡部分高阶调制信号补偿前后的星座图，如图7a、图7b和图8a、图8b所示。

如图7a、图7b所示分别为无噪声情况补偿前后的星座图，高阶调制信号幅度由于遮挡而衰减，信号星座点向坐标原点偏移而偏离了原本的星座点区域，直接利用这部分信号则会导致错误。而使用遮挡补偿方法能很好地将信号很好地补偿回原本的星座点区域。

如图8a、图8b所示信噪比SNR＝20dB情况补偿前后的星座图，遮挡后的有噪声的高阶调制信号星座点主要集中在以坐标原点为中心的中间区域，直接利用同样会导致错误，经过遮挡补偿后，可以看出星座点被很好地补偿回原有的星座点区域。对比可以发现，遮挡补偿可以很大程度地减少信号星座点因遮挡偏离原本区域而导致的错误。

示例二：补偿方法对无时间分集传输系统性能的影响

示例二仿真平台以及使用的遮挡模型与示例一相同，搭建如图9所示的抗直升机旋翼遮挡无时间分集传输系统，接收端分别设置对遮挡信号补偿和无补偿两种处理方案，对比最终结果，验证本发明使用方法带来的效果。

发送端随机产生60480bits的二进制数据，然后对二进制数据进行分块LDPC编码，LDPC编码长度为2016，码率为1/2；对LDPC编码后的数据进行交织处理；交织后的数据进行64QAM符号映射，映射使用格雷编码方式；根据直升机旋翼遮挡状况以及遮挡利用率进行间隙发送，如图10所示；传输信号先后经过旋翼遮挡模块和高斯噪声模块处理，模拟实际传输信道；接收端接收到信号分成两路：第一路根据计算公式计算得到补偿函数c(t)，对信号进行补偿，再对补偿后信号进行对应的64QAM软解调，解交织，LDPC译码基带数据处理，第二路不进行遮挡补偿，直接进行与第一路相同的后续处理，分别在图9中误比特统计(a)、误比特统计(b)两个位置统计64QAM解调后误比特率和LDPC译码后的误比特率，分别对应图11a和图11b；分别设置情况：(1)50％遮挡利用率有补偿，(2)50％遮挡利用率无补偿，(3)20％遮挡利用率无补偿，对比验证补偿方法对信号传输性能的影响。其中遮挡利用率定义为遮挡部分利用的数据长度与遮挡部分数据总长度的比值，如图10所示，即遮挡利用率β＝2T_d/(t₄-t₁)。

如图11a所示为高斯信道下无时间分集64QAM信号传输误比特性能图。SNR＜5.5dB时，由于噪声较大，补偿方法对信号的误比特性能没有太大影响；SNR＞5.5dB时，对比图11a中曲线2，曲线3和曲线4可以发现，无遮挡补偿时，20％遮挡利用率时性能略差于纯高斯噪声信道情况，50％遮挡利用率时传输性能进一步下降，即信号遮挡利用率越高，信号传输误比特性能损失越大；对比图11a中曲线1和曲线2发现，50％遮挡利用率有补偿情况传输性能明显优于50％遮挡利用率无补偿情况(BER<0.05时，性能相差1dB)，说明使用遮挡补偿方法，能一定程度弥补提高信号遮挡利用率时带来的性能损失，即相同遮挡利用率时，有遮挡补偿的传输性能更好；对比图11a中曲线1和曲线3发现，50％遮挡利用率有补偿情况性能比20％遮挡利用率无补偿情况误码性能相近，说明达到相同传输性能时，有遮挡补偿的遮挡利用率更高。

如图11b所示为高斯信道下无时间分集传输系统误比特性能图。无时间分集时，经过解交织LDPC译码后，对比图11b中三种情况的曲线，结合以上结果分析，遮挡补偿方法对无时间分集传输系统仍有以下结论：使用本发明的遮挡补偿方法，相同遮挡利用率时，系统误码性能更好；达到相同系统误码性能时，遮挡利用率更高。图11b会在示例三中与图14进一步对比说明。

示例三：补偿方法对时间分集传输系统性能的影响：

示例三仿真平台以及使用的遮挡模型与实例一相同，搭建如图12所示的抗直升机旋翼遮挡时间分集传输系统，在接收端分别设置对遮挡信号补偿和无补偿两种处理方案，对比最终结果，验证本发明使用方法带来的效果。

发送端随机产生60480bits的二进制数据，然后对二进制数据进行分块LDPC编码，LDPC编码长度为2016，码率为1/2；对LDPC编码后的数据进行交织处理；交织后的数据进行64QAM符号映射，映射使用格雷编码方式；映射后的符号根据旋翼遮挡情况按80％的重复率进行时间分集处理，如图13所示，以对抗直升机旋翼遮挡，保证正常的通信；传输信号先后经过旋翼遮挡模块和高斯噪声模块处理，模拟实际传输信道；接收端接收到信号分成两路：第一路根据计算公式计算得到补偿函数c(t)，对信号进行补偿，再进行后续重组，64QAM软解调，解交织，LDPC译码处理，最后统计误比特率，第二路不进行遮挡补偿，直接进行与第一路相同的后续处理；分别设置情况：(1)50％遮挡利用率有补偿，(2)50％遮挡利用率无补偿，(3)20％遮挡利用率无补偿，对比验证补偿方法对信号传输性能的影响。

系统误比特性能图如图14所示，通过比较发现，SNR＜5dB时，由于噪声较大，补偿方法对信号的误比特性能没有太大影响；SNR＞5dB时，对比曲线1和2发现，遮挡利用率均为50％情况下，BER＜10^-3时有遮挡补偿比无遮挡补偿的误比特性能好约0.2dB，即相同遮挡利用率时，有遮挡补偿的传输性能更好；对比曲线1和3发现，50％遮挡利用率有遮挡补偿的误比特性能与20％遮挡利用率无遮挡补偿时的误比特性能相近，可以看出达到相同性能时，有遮挡补偿的遮挡部分信号利用率比无遮挡补偿的高，实例三中达到相同性能时，有遮挡补偿的利用率比无遮挡补偿的利用高约30％。结合以上结果分析，遮挡补偿方法对时间分集传输系统，仍有以下结论：使用遮挡补偿，相同遮挡利用率时，系统误码性能更好；达到相同系统性能时，遮挡利用率更高。

对比图11b和图14中的曲线1和曲线3发现，无时间分集时，20％遮挡利用率无补偿情况性能优于50％遮挡利用率有补偿情况，而有时间分集时，两者性能几乎一致，这是由于50％遮挡利用率情况比20％遮挡利用率情况的合并增益更大导致的。对比图11b和图14，结合表一中不同情况频谱效率的对比发现，时间分集系统比无时间分集系统误码性能更优，无时间分集系统信道频谱效率更高，而本发明的遮挡补偿方法在两个系统中均有显著效果。本发明的遮挡补偿方法不仅对64QAM信号有效，对其他多幅度的高阶调制方式同样有效。

表一

上面结合附图对本发明的具体实施方式进行了详细说明，但本发明并不限制于上述实施方式，在不脱离本申请的权利要求的精神和范围情况下，本领域的技术人员可以作出各种修改或改型。

Claims (3)

1.一种直升机旋翼遮挡信号补偿方法，其特征在于：包括：

步骤A：根据接收到的信号，结合直升机旋翼遮挡状态，将旋翼遮挡状态参数化，得到直升机旋翼遮挡曲线h(t)；

步骤B：根据处理得到的直升机旋翼遮挡曲线h(t)，取倒数计算得到旋翼遮挡信号初级补偿模型曲线

步骤C：根据信号信噪比不同，对补偿曲线函数作削顶处理，设置匹配的补偿曲线的峰值，获取最终补偿函数c(t)；

步骤D：将接收到的信号s(t)与最终补偿函数c(t)相乘，得到补偿后的信号r(t)。

2.根据权利要求1所述的直升机旋翼遮挡信号补偿方法，其特征在于：所述步骤A中，利用如下公式获取直升机旋翼遮挡曲线h(t)：

其中，0≤t≤T，S为旋翼完全遮挡时，遮挡信号幅度平均值与原信号的比值，取值范围为0＜S≤1，t1,t2,t3,t4分别为遮挡开始时间、完全遮挡开始时间、完全遮挡结束时间、遮挡结束时间，t1,t2,t3,t4满足0≤t1≤t2≤t3≤t4≤T，T为直升机旋翼遮挡周期。

3.根据权利要求2所述的直升机旋翼遮挡信号补偿方法，其特征在于：所述步骤C中，设置信噪比阈值SNRthreshold＝0dB，获取与该阈值SNRthreshold对应的补偿曲线的补偿峰值阈值Gthreshold，利用公式

获取最终补偿函数c(t)。

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