一种流星余迹通信的时频调制解调方法、系统、设备及介质

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种流星余迹通信的时频调制解调方法、系统、设备及介质。

背景技术

流星余迹通信(Meteor Burst Communication，MBC)是一种利用流星体射入高空大气层摩擦燃烧后在高空形成的电离余迹，利用VHEF无线电波的前向散射作用而实现的远距离突发通信方式，然而流星这一自然现象决定了该信道具有其特殊性，首先，自然界中的流星发生时间分布不均匀，余迹方向随机，且包含了数量巨大的无法进行利用的小流星，这造成了流星利用率难以提升，通信等待时间长；其次，根据电子线密度的不同，可以将流星余迹分为过密类流星余迹和欠密类流星余迹两种，余迹寿命在几百毫秒至几秒之间不等，因此流星余迹通信又是一种突发通信；进一步，又可以将流星余迹信道分为稀疏欠密类流星余迹信道，欠密类多径流星余迹信道，流星簇信道和稀疏过密类流星余迹信道等多种子信道，每种子信道都有着不同的信道衰落特征并伴随着随机散射现象，这使得通信传输速率变低；现有的流星余迹通信系统，多采用BPSK二进制相移键控或QPSK正交相移键控调制技术，但是由于可用的流星余迹信道通常是一个伴随噪声与干扰的多径衰落信道，而BPSK信号在传输过程中易受到噪声干扰和多径衰落的影响，影响通信效果。

公开号为CN113745852A的发明专利申请，公开了一种流星余迹通信系统的通信方法和共形阵列天线，通过共形阵列天线进行接收信号预处理，得到多组数字信号，对多组数字信号进行数字波束形成处理和解调处理，得到接收信号；当信号发射时，进行信号调制和功分处理，得到多组数字信号，对多组数字信号进行数字波束形成处理之后，进行发射信号预处理，得到每个贴片阵子天线对应的发射信号，通过共形天线阵列的多个贴片阵子天线进行信号的发射；但由于该方法通过天线获取信号，无法规避流星余迹通信的多径衰落影响，进而影响信号调制效果，且无法对多种流星余迹信道分别进行调制，适用范围较小。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种流星余迹通信的时频调制解调方法、系统、设备及介质，通过构建多个流星余迹子信道，按照统计概率进行合成，以构建流星余迹通信系统信道模型，并根据通信中产生的信号选择对应的TFSK调制模式进行调制，再将TFSK调制信号通过不同的传输至接收端进行解调，具有信号处理效果好，通信效果提升，适用范围广以及可靠性高的优点。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种流星余迹通信的时频调制解调方法，包括以下步骤：

步骤1、构建流星余迹通信系统信道模型，具体为：

结合天然流星的衰减特性，并根据设置的参数分别构建子信道，所述的参数包括：不同的流星余迹电子线密度、是否存在多径效应以及流星出现的数量；所述的子信道包括：稀疏欠密类流星余迹子信道、欠密类流星余迹多径子信道、欠密类流星簇子信道、流星雨子信道、不含瑞利衰落稀疏过密类流星余迹子信道以及含瑞利衰落稀疏过密类流星余迹子信道；再对上述子信道按照子信道出现统计概率进行合成，以构建流星余迹通信系统信道模型；

步骤2、根据步骤1构建的流星余迹通信系统信道模型选择对应的TFSK调制模式，对通信中产生的信号进行调制，以获得流星余迹TFSK调制信号；

步骤3、从步骤1构建的流星余迹通信系统信道模型中，选择与步骤2中获得的流星余迹TFSK调制信号对应的子信道进行信号传输，并对流星余迹TFSK调制信号进行接收以及解调。

所述步骤1中构建流星余迹通信系统信道模型，具体包括以下步骤：

步骤1.1、构建稀疏欠密类流星余迹子信道，具体为：在一次通信内只出现一颗可用的欠密类流星余迹，即在该余迹衰落到无法维持通信前，还没有其他可用流星余迹出现，则通信系统需要等待，直到下颗可用流星余迹出现后通信再次开通，则稀疏欠密类流星信道的接收信号功率

其中，P

步骤1.2、构建欠密类流星余迹多径子信道，具体为：根据步骤1.1中稀疏欠密类流星余迹子信道的接收信号功率P

其中，N

步骤1.3、构建欠密类流星簇子信道，所述欠密类流星簇子信道的接收信号功率P

其中，N

步骤1.4、构建流星雨子信道，所述流星雨子信道的接收信号功率P

其中，N

步骤1.5、构建不含瑞利衰落稀疏过密类流星余迹子信道，不含瑞利衰落稀疏过密类流星余迹子信道的接收信号功率P

步骤1.6、构建含瑞利衰落稀疏过密类流星余迹子信道，通过生成服从瑞利衰落分布的随机信号M(t)，以对步骤1.5中不含瑞利衰落稀疏过密类流星余迹子信道的接收信号功率P

步骤1.7、对步骤1.1至步骤1.6中构建的子信道进行综合，合成为流星余迹通信系统信道模型。

所述步骤2中根据步骤1构建的流星余迹通信系统信道模型选择对应的TFSK调制模式，对通信中产生的信号进行调制，具体为：

步骤2.1、对流星余迹TFSK信号进行参数设置，具体为：根据流星余迹通信的需求，将流星余迹TFSK信号的带宽设置在30～50MHz之间，将流星余迹TFSK信号的比特速率设置在64～256kbps；

步骤2.2、以K个比特符号b＝{b

步骤2.3、根据流星余迹TFSK信号的特性，从步骤1中建立的流星余迹通信系统信道模型中选择相应的子信道，通过发送端将码元按步骤2.2的方式对流星余迹TFSK信号进行调制并添加白噪声，并发送至信号接收模块。

所述步骤3中对流星余迹TFSK调制信号进行接收以及解调，具体为：

通过步骤2中对流星余迹TFSK信号进行调制并添加白噪声后，通过接收端获取调制后的流星余迹TFSK信号r(t)，并通过TFSK接收器进行解调，具体为：首先对调制后的流星余迹TFSK信号r(t)进行串并转换，分离不同时隙内的波形，之后分别对每个时隙内的波形做多载波非相干接收，再将接受结果各自传输到对应的组合器中以进行比较判决，最终获得解调结果。

一种流星余迹通信的时频调制解调系统，包括：

信号生成模块，用于生成流星余迹TFSK信号，并发送至步骤1中构建的流星余迹通信系统信道模型；

信号调制模块，用于结合步骤1中构建的流星余迹通信系统信道模型，选择对应的TFSK调制模式，以对通信中产生的信号进行调制，获得流星余迹TFSK调制信号，并发送至信号接收模块；

信号接收模块，用于接收信号调制模块发送的流星余迹TFSK调制信号；

信号解调模块，用于对信号接收模块接收到的流星余迹TFSK调制信号进行信号解调。

一种流星余迹通信的时频调制解调设备，包括：

存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于执行所述计算机程序时实现所述的一种流星余迹通信的时频调制解调方法。

一种计算机可读介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时能够实现所述的一种流星余迹通信的时频调制解调方法。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1.本发明通过构建多个流星余迹子信道，按照统计概率进行合成，以构建流星余迹通信系统信道模型，并根据通信中产生的信号选择对应的TFSK调制模式进行调制，再将TFSK调制信号通过不同的传输至接收端进行解调，具有信号处理效果好的优点。

2.本发明通过步骤2中对流星余迹通信特有的信道特征进行分析，利用TFSK信号良好的信道抗衰弱能力，避免了通信中的噪声干扰，以及天然流星余迹的多径衰落的影响，使得本发明方法的通信效果得到提升。

3.通过在步骤1中构建的流星余迹通信系统信道模型中的流星余迹子信道选择相应的TFSK调制方式，适用于通信中出现的各种不同类型的信号，因此本发明具有适用范围广的优点。

4.本发明构建的流星余迹信道建模参数灵活可调，TFSK调制模式多样，能够高精度模拟实际流星信道的物理特性，具体测试不同调制模式性能，使得其与实际情况更加接近，因此本发明具有通信方案可靠性高的优点。

综上所述，本发明通过构建多个流星余迹子信道，按照统计概率进行合成，以构建流星余迹通信系统信道模型，并根据通信中产生的信号选择对应的TFSK调制模式进行调制，再将TFSK调制信号通过不同的传输至接收端进行解调，具有信号处理效果好，通信效果提升，适用范围广以及可靠性高的优点。

附图说明

图1为本发明的方法流程图。

图2为本发明实施例中的流星余迹通信系统信道模型构建流程示意图。

图3为本发明实施例中的四进制四时四频系统00比特组映射符号时频图。

图4为本发明实施例中的四进制四时四频系统基于时隙非相干接收框图。

图5为本发明实施例中的欠密类多径流余子信道下TFSK和BPSK误码率对比图。

图6为本发明实施例中的不同流星余迹子信道下的TFSK误码率对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细叙述。

参考图1，本发明提供了一种实施例，一种流星余迹通信的时频调制解调方法，包括以下步骤：

步骤1、构建流星余迹通信系统信道模型，具体为：

对流星余迹电波传播机理进行分析，对流星余迹信道数学模型中的欠密类流星余迹电波传播机理和过密类流星余迹电波传播机理，以及自然界中天然流星的种类进行统计特性研究，参考图2，采用部分实现与整体综合相结合的设计方法，结合天然流星的衰减特性，并根据设置的参数分别构建子信道，所述的参数包括以下3项：不同的流星余迹电子线密度、是否存在多径效应以及流星出现的数量；所述的子信道包括以下6种：稀疏欠密类流星余迹子信道、欠密类流星余迹多径子信道、欠密类流星簇子信道、流星雨子信道、不含瑞利衰落稀疏过密类流星余迹子信道以及含瑞利衰落稀疏过密类流星余迹子信道；再对上述6种子信道按照子信道出现统计概率进行合成，以构建流星余迹通信系统信道模型；

步骤2、根据步骤1构建的流星余迹通信系统信道模型选择对应的TFSK调制模式，对通信中产生的信号进行调制，以获得流星余迹TFSK调制信号；

步骤3、从步骤1构建的流星余迹通信系统信道模型中，选择与步骤2中获得的流星余迹TFSK调制信号对应的子信道进行信号传输，并对流星余迹TFSK调制信号进行接收以及解调；通过构建多个流星余迹子信道，按照统计概率进行合成，以构建流星余迹通信系统信道模型，并根据通信中产生的信号选择对应的TFSK调制模式进行调制，再将TFSK调制信号通过不同的传输至接收端进行解调，具有信号处理效果好的优点。

所述步骤1中构建流星余迹通信系统信道模型，具体包括以下步骤：

步骤1.1、构建稀疏欠密类流星余迹子信道，具体为：在一次通信内只出现一颗可用的欠密类流星余迹，即在该余迹衰落到无法维持通信前，还没有其他可用流星余迹出现，则通信系统需要等待，直到下颗可用流星余迹出现后通信才再次开通，则稀疏欠密类流星信道的接收信号功率P

其中，P

步骤1.2、构建欠密类流星余迹多径子信道，具体为：根据步骤1.1中稀疏欠密类流星余迹子信道的接收信号功率P

其中，N

步骤1.3、构建欠密类流星簇子信道，所述欠密类流星簇子信道的接收信号功率P

其中，N

步骤1.4、构建流星雨子信道，所述流星雨子信道的接收信号功率P

其中，N

步骤1.5、构建不含瑞利衰落稀疏过密类流星余迹子信道，不含瑞利衰落稀疏过密类流星余迹子信道的接收信号功率P

步骤1.6、构建含瑞利衰落稀疏过密类流星余迹子信道，通过生成服从瑞利衰落分布的随机信号M(t)，以对步骤1.5中不含瑞利衰落稀疏过密类流星余迹子信道的接收信号功率P

步骤1.7、对步骤1.1至步骤1.6中构建的子信道进行综合，合成为流星余迹通信系统信道模型，通过构建流星余迹通信系统信道模型，结合不同类型的流星余迹TFSK信号进行调制与解调，具有信号处理效果好的优点。

所述步骤2中根据步骤1构建的流星余迹通信系统信道模型选择对应的TFSK调制模式，对通信中产生的信号进行调制，具体为：

步骤2.1、对流星余迹TFSK信号进行参数设置，具体为：根据流星余迹通信的需求，将流星余迹TFSK信号的带宽设置在30～50MHz之间，将流星余迹TFSK信号的比特速率设置在64～256kbps；

步骤2.2、以K个比特符号b＝{b

步骤2.3、根据流星余迹TFSK信号的特性，从步骤1中建立的流星余迹通信系统信道模型中选择相应的子信道，通过发送端将码元按步骤2.2的方式对流星余迹TFSK信号进行调制并添加白噪声，并发送至信号接收模块；由于参数K,N,M的不同，TFSK调制出现了众多的信号模式，即2

所述步骤3中对步骤2中对流星余迹TFSK调制信号进行接收以及解调，具体为：

通过步骤2中对流星余迹TFSK信号进行调制并添加白噪声后，通过接收端获取调制后的流星余迹TFSK信号r(t)，并通过TFSK接收器进行解调，具体为：首先对调制后的流星余迹TFSK信号r(t)进行串并转换，分离不同时隙内的波形，之后分别对每个时隙内的波形做多载波非相干接收，再将接受结果各自传输到对应的组合器中以进行比较判决，最终得出解调结果，如图4所示，为在本发明的实施例中，以四进制四时四频系统为例的基于时隙非相干接收框图。

一种流星余迹通信的时频调制解调系统，包括：

信号生成模块，用于生成流星余迹TFSK信号，并发送至步骤1中构建的流星余迹通信系统信道模型；

信号调制模块，用于结合步骤1中构建的流星余迹通信系统信道模型，选择对应的TFSK调制模式，以对通信中产生的信号进行调制，获得流星余迹TFSK调制信号，并发送至信号接收模块；

信号接收模块，用于接收信号调制模块发送的流星余迹TFSK调制信号；

信号解调模块，用于对信号接收模块接收到的流星余迹TFSK调制信号进行信号解调。

一种流星余迹通信的时频调制解调设备，包括：

存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于执行所述计算机程序时实现所述的一种流星余迹通信的时频调制解调方法。

一种计算机可读介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时能够实现所述的一种流星余迹通信的时频调制解调方法。

参考图3，图3为本发明实施例中的四进制四时四频系统00比特组映射符号时频图，以四进制四时四频TFSK调制为例，该种TFSK调制信号模式具有完全正交性，四进制四时四频TFSK调制符号组合如表1所示：

表1

参考图3，通过比特组合00映射出一个发送符号S

本发明的效果可以通过仿真进一步说明：

设定仿真条件，采用四进制四时四频的TFSK信号调制，设定比特速率为100kbps，载波频率分别为：f

参考图5，在本发明实施例中，通过仿真以对比TFSK信号和BPSK信号在欠密类多径流余子信道下的误码率，从图中可以看出，TFSK信号相比于BPSK信号的误码率更低，表现更加优异；证明相比于BPSK调制，通过本发明提出的流星余迹时频调制解调方法，能够有效克服流余信道在短时间内存在的多径干扰问题。

参考图6，图6表示在本发明实施例中的不同流星余迹子信道下的TFSK误码率对比图，选取四种流星余迹子信道：稀疏欠密类子信道，欠密类多径子信道，欠密类流星簇子信道以及不含瑞利衰落的稀疏过密类子信道，让TFSK信号通过上述子信道进行传输，图中展示了在接收器输出的误码率随着信噪比的变化情况，从图中可以发现，本发明提出的流星余迹时频调制解调方法能够稀疏欠密类子信道，欠密类多径子信道和不含瑞利衰落的稀疏过密类子信道中进行有效通信；对于流星簇信道这种强随机性的子信道，也同样具有较好的信号调制效果，满足正常情况下的通信需求。