复杂信道下无人机通信信号对齐的方法、装置和设备

技术领域

本申请的实施例涉及通信领域，尤其涉及复杂信道下无人机通信信号对齐的方法、装置和设备。

背景技术

针对各种作战对无人机系统的需求，如何让无人机测控系统在城市非直视路径、远距离郊区信道和密林环境，即，无直视路径，发送功率低，传输距离远的恶劣城市复杂信道环境，且低信噪比条件下，实现信息的可靠性传输，即，如何实现在复杂信道下的快速准确数据同步，是当前急需解决的问题。

发明内容

根据本申请的实施例，提供了一种复杂信道下无人机通信信号对齐的方案。

在本申请的第一方面，提供了一种复杂信道下无人机通信信号对齐的方法。该方法包括：

对信号数据进行匹配滤波，得到优化的信号数据；所述信号数据的帧结构包括前导头、唯一字和数据；

对所述优化的信号数据进行突发粗捕获，得到所述前导头中伪码周期的起始位置；

借用所述前导头中与所述唯一字码片数量相同的码片与所述唯一字进行联合，得到联合唯一字；

基于前导头中伪码周期的起始位置，与所述联合唯一字进行相关，相关完成后，通过非对称门限判决的方式，对所述优化的信号数据进行突发细捕获，得到唯一字的起始位置；

基于所述唯一字的起始位置，通过所述前导头、唯一字进行初始载波同步，得到初始频偏和初始相偏；

基于所述初始频偏和初始相偏，对所述信号数据进行频偏纠正，纠正完成后进行解调输出。

进一步地，所述对所述优化的信号数据进行突发粗捕获，得到所述前导头中伪码的起始位置包括：

对所述前导头中的伪码进行滑动相关，计算信号峰均比；

基于所述信号峰均比和绝对值门限，确定所述伪码的初始相位时间，得到所述前导头中伪码的起始位置。

进一步地，还包括：

计算所述信号峰均比时，当前信号和所述当前信号前的每隔n*TP个点均不参与计算。

进一步地，所述基于前导头中伪码周期的起始位置，与所述联合唯一字进行相关，相关完成后，通过非对称门限判决的方式，对所述优化的信号数据进行突发细捕获，得到唯一字的起始位置包括：

基于前导头中伪码周期的起始位置，每隔一个所述伪码周期与所述联合唯一字进行相关；所述相关的长度为所述联合唯一字的码片个数；

基于相关完成的码片，通过非对称门限判决的方式，对所述优化的信号数据进行突发细捕获，确定所述唯一字的起始位置。

进一步地，所述初始频偏通过如下公式计算得到：

其中，为f搜索的频点；

L为采样点数；

r

T

进一步地，所述初始相偏通过如下公式计算得到：

其中，angle表示计算相位。

进一步地，所述信号数据包括：

量化为[1,-1]的单BIT数据。

在本申请的第二方面，提供了一种复杂信道下无人机通信信号对齐的装置。该装置包括：

优化模块，用于对信号数据进行匹配滤波，得到优化的信号数据；所述信号数据的帧结构包括前导头、唯一字和数据；

第一捕获模块，用于对所述优化的信号数据进行突发粗捕获，得到所述前导头中伪码的起始位置；

第二捕获模块，用于借用所述前导头中与所述唯一字码片数量相同的码片与所述唯一字进行联合，得到联合唯一字；基于前导头中伪码周期的起始位置，与所述联合唯一字进行相关，相关完成后，通过非对称门限判决的方式，对所述优化的信号数据进行突发细捕获，得到唯一字的起始位置；

计算模块，用于基于所述唯一字的起始位置，通过所述前导头、唯一字进行初始载波同步，得到初始频偏和初始相偏；

纠正模块，用于基于所述初始频偏和初始相偏，对所述信号数据进行频偏纠正，纠正完成后进行解调输出。

在本申请的第三方面，提供了一种电子设备。该电子设备包括：存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如以上所述的方法。

在本申请的第四方面，提供了一种计算机可读存储设备，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现如根据本申请的第一方面的方法。

本申请实施例提供的复杂信道下无人机通信信号对齐的方法，通过对信号数据进行匹配滤波，得到优化的信号数据；所述信号数据的帧结构包括前导头、唯一字和数据；对所述优化的信号数据进行突发粗捕获，得到所述前导头中伪码周期的起始位置；借用所述前导头中与所述唯一字码片数量相同的码片与所述唯一字进行联合，得到联合唯一字；基于前导头中伪码周期的起始位置，与所述联合唯一字进行相关，相关完成后，通过非对称门限判决的方式，对所述优化的信号数据进行突发细捕获，得到唯一字的起始位置；基于所述唯一字的起始位置，通过所述前导头、唯一字进行初始载波同步，得到初始频偏和初始相偏；基于所述初始频偏和初始相偏，对所述信号数据进行频偏纠正，纠正完成后进行解调输出，在系统存在采样频率偏差时，仍然能够实现准确的精同步。

应当理解，发明内容部分中所描述的内容并非旨在限定本申请的实施例的关键或重要特征，亦非用于限制本申请的范围。本申请的其它特征将通过以下的描述变得容易理解。

附图说明

结合附图并参考以下详细说明，本申请各实施例的上述和其他特征、优点及方面将变得更加明显。在附图中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的元素，其中：

图1为根据本申请的实施例的复杂信道下无人机通信信号对齐的方法的流程图；

图2为根据本申请的实施例的突发扩频通信系统帧结构示意图；

图3为根据本申请的实施例的突发粗捕获示意图；

图4为根据本申请的实施例的辅助字同步捕获示意图；

图5为根据本申请的实施例的相关峰均比示意图；

图6为根据本申请的实施例的使用FIFO计算均值功率示意图；

图7为根据本申请的实施例的扩展唯一字示意图；

图8为根据本申请的实施例的精同步示意图；

图9为根据本申请的实施例的相关峰值点示意图；

图10为根据本申请的实施例的基于频偏估计与补偿算法的载波同步结构示意图；

图11为根据本申请的实施例的复杂信道下无人机通信信号对齐的装置的方框图；

图12为适于用来实现本申请实施例的终端设备或服务器的结构示意图。

具体实施方式

为使本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的全部其他实施例，都属于本公开保护的范围。

另外，本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

名词解析：

粗同步和精同步：

同步技术通常分为粗同步和精同步两步来完成。具体方法是捕获在不定的时间窗里搜索同步序列，对同步序列的做循环相关，当超过一定峰值时可以确定二者对准；接着选择适合同步头结构的一个检测搜索算法处理相关值，判定是否捕获成功若在某点搜索终止，则可看作粗同步成功。需要说明的是，粗同步不一定找到真正的同步起始点。

进一步地，粗同步完成后，进入细同步跟踪过程，即，将后续两个序列做循环相关处理其相关值，用以进一步提高同步的精确度或者找到真正的起始点。将本地对应的已调序列信号与接收到的跳频同步头做相关运算，在检测时间窗的范围内，若相关值没有高于门限电平，则捕获失败，继续搜索；若在检测时间窗的范围内相关值输出高于门限电平，则捕获成功，粗同步完成，停止搜索，系统进入跟踪状态。

进一步地，在跟踪状态中，即，继续检查在一定的时间范围内是否相关值输出高于门限电平，此时的时间范围相较粗同步要小一些，若满足条件则细同步完成，从数据开始位置开始后续解调工作。

图1示出了根据本公开实施例的复杂信道下无人机通信信号对齐的方法的流程图。所述方法包括：

S110，对信号数据进行匹配滤波，得到优化的信号数据。

在一些实施例中，本公开可应用于突发扩频通信和常发扩频等系统，所采用的帧结构如图2所示，包括前导头(辅助同步字)、唯一字和数据。

所述前导头、唯一字和数据的值为非固定值，可根据应用场景的不同进行确定。

便于对本公开进行说明，以图2中的赋值为例，同时设置码片速率设为10Mcps；

多普勒频偏最大±5kHz；

ADC采样率：40MHz(4倍采样)或80MHz(8倍采样)；

处理时钟频率：80MHz。

需要说明的是，上述设置(赋值)均可根据实际应用场景进行调整。

在一些实施例中，参考图2，每个突发前面有32*128＝4096个码片的前导头，其内容为32个已知伪码重复128次；之后是1024个码片的已知唯一字；最后是数据，可以采用64/32/16倍扩频(扩频比)中的一种，分别对应1280/2560/5120个符号；需要说明的是所述数据符号的长度和扩频比均没有限制，上述数值仅用于举例说明。

在一些实施例中，首先对ADC采样得到的信号数据进行匹配滤波，以滤除带外噪声及使信号能量最大化，得到优化的信号数据。

其中，匹配滤波器的形式取决于发送端成形滤波器的形式，若发送端为矩形成形，则匹配滤波器亦为矩形滤波器，若发送端为根升余弦成形，则匹配滤波器亦为根升余弦滤波器。

S120，对所述优化的信号数据进行突发粗捕获，得到所述前导头中伪码的起始位置。

其中，突发粗捕获是利用扩频伪码进行滑动相关的过程，一旦相关峰超过门限，则能够精确得到接收信号中扩频码字的初始码相位时间，即32位长的伪码起始位置。

具体地，参考图3：

扩频伪码周期为TP＝32，即，捕获时最多需要搜索TP＝32个伪码相位的时间，即，同步的跨越精度是32个符号，搜索采用数据分段法进行，每次用于相关的时间为16段伪码的时间(16个伪码周期)，16*32＝512个码片。

每段数据搜索17.5个码片的时间，完成一段数据的搜索后，进入等待状态，当收满下一段数据后，重新开始搜索，直到相关峰值超过门限，完成捕获为止。

进一步地，在每段数据搜索17.5个码片时，每个码片内以T

进一步地，对于每次相关，可由一个累加器来实现，累加器根据已知伪码周期，对接收数据按码片间隔进行累加，累加后计算其模值作为相关值；完成一次相关需要32*16＝512个时钟周期。在80MHz处理时钟频率下，一段数据共有32*16*8＝4096个时钟周期可以利用，考虑到处理的开销，一个相关器在该时间内可以完成7次相关计算，即，需要70/7＝10个相关器来进行并行搜索。

进一步地，由于频偏最大只有±5kHz，在相关时间内产生的相位旋转只有2π*32*16*5kHz/10MHz＝0.512π，相关值损失约1dB，非常小，因此可不在频偏域再进行搜索。

进一步地，由于捕获伪码周期为1024个码片，抗噪声能力稍有不足。因此，辅助字在低SNR下可以采用2048个码片(唯一字1024借助一部分辅助字1024，也达到2048长度，需统一长度)，即，48个伪码周期48*32＝2048个码片，同时为了节省资源，接收的数据可以仅仅量化为[1,-1],接收数据单BIT，本地数据也为单BIT，用以降低数据位宽，同时增加相关点数增强抗干扰性能。

经仿真实验，变成单BIT后，抗噪声能力降低2db，长度增加到4倍，抗噪声能力提升6dB，起到了明显的改善效果。

进一步地，参考图4，辅助字捕获判决的条件有2条：

第一条为图4中所示的峰均比，即，接收信号的均值PowAVER乘上一个峰均比PAR，THR1＝PowAVER*PAR；

第二条为图4中所示的绝对值门限；所述绝对值门限需要和接收机AGC配合，用以保证输入到同步器的信号均值幅度控制在一定范围内(根据实际应用场景进行确定)。

进一步地，参考图5和图6，在计算信号峰均比时，当前信号和当前信号前的每隔n*TP＝32n(n＝0,1,2,…N)个点都不参与均值计算。TP部分不参与计算，以便在峰值到来的时刻降低均值，此时可以得到更大的PAR，大幅提高捕获概率；即，计算均值时周期性峰值点不参与计算，使得遇到真正的峰值点时，均值功率不会太高。

S130，借用所述前导头中与所述唯一字码片数量相同的码片与所述唯一字进行联合，得到联合唯一字；基于前导头中伪码周期的起始位置，与所述联合唯一字进行相关，相关完成后，通过非对称门限判决的方式，对所述优化的信号数据进行突发细捕获，得到唯一字的起始位置。

其中，所述所述联合唯一字由唯一字和所述前导头中与所述唯一字码片数相同的码片组成。

例如，若唯一字包括1024个码片，则借用前导头中的1024个码片，联合后形成2048个码片。

在一些实施例中，通过突发细捕获的方式(利用1024个码片的唯一字进行)，确定唯一字的起始位置。即，根据粗捕获找到的位置(32位长伪码的起始位置)，每隔32个码片，即，一个伪码周期，将接收数据与唯一字进行相关，相关时间长度为1024个码片，若相关峰值超过门限值时，则认为找到了唯一字的起始位置。

进一步地，为了得到更精确的起始位置，可在捕获上的当前位置前后两个采样点为起始点，再计算两个相关值，取三者相关值最大的位置作为最后的起始位置，完成细捕获。

通常情况下，在数据阶段通过多普勒造成的码片偏移较小，因此，在数据阶段可不对码片进行跟踪。例如，数据部分有64*1280＝81920个码片，最大速度不超过1马赫，此时，由于多普勒造成的码片偏移最大为81920*340/c＝0.093码片，非常小。

在一些实施例中，参考图7和图8，为了进一步提高同步抗噪声性能，进行唯一字同步时，借用辅助字中的1024个点用来完成唯一字的同步。即，借助辅助字中的32个伪码周期和后面的唯一字联合，组成联合唯一字来实现细同步。

具体地，进行辅助字同步时，同步精度为1/4chip，辅助字同步成功后(32×64)，进行联合同步，即，开始更换为唯一字和辅助字联合同步，借用32*32＝1024个辅助字和1024个唯一字进行联合同步，此时同步精度为32chip，当联合同步成功时，出现峰尖(参考图9)，当相关峰值(峰尖)满足阈值时完成精同步。

进一步地，基于所述联合唯一字(扩展唯一字)，确定相关峰值点。

具体地，参考图9，分别计算左边(辅助字)的峰均比(PAR)门限、右边(1024个辅助字加1024个唯一字)的峰均比门限和绝对值门限，当三者均满足时的峰值点为所需的相关峰值点，根据所述相关峰值点确定唯一字的起始位置。其中，所述峰均比为传输信号的最大值平方和信号平方的平均值之比。

进一步地，参考图9，进行左右非对称的PAR计算，左边PAR＝1.25，右边PAR＝5，可见，右边条件更加苛刻。原因为，左边前面一直有匹配的辅助字积分功率会比较高，右边没有可以匹配的辅助字积分。因此，可通过设置不同门限达到检测到峰值点的目的。

S140，基于所述唯一字的起始位置，通过所述前导头、唯一字进行初始载波同步，得到初始频偏和初始相偏。

在一些实施例中，基于已知的前导头和唯一字，估计初始频偏。基于所述初始频偏，采用基于频偏估计与补偿的载波同步算法将频偏估计出来，再对原始信号进行补偿，该操作在解调的过程中始终进行。其中，基于频偏估计与补偿算法的载波同步结构如图10所示。

在一些实施例中，采用最大似然估计算法进行频偏估计，用于估计的数据长度为64*16＝1024个码片，包括512个唯一码和与之相邻的512个前导头。

进一步地，为了减少计算量，可先将数据解扩并按照64个码片的周期进行积分，将采样点数减少至16个点，采样率降为10Mcps/64＝156.25kHz，即，按照一定扩频比进行SP积分，在降低采样点和速率的情况下进行频偏的计算(估计)。

进一步地，通过如下方式进行初始频偏估计：

其中，初始频偏估计采用最大似然算法，搜索的频偏范围为±5kHz，采用线性搜索，搜索步进为0.2kHz，共搜索50次，频偏估计值为(取使得后面计算式最大的f值)：

其中，其中，为f搜索的频点；

L为采样点数(16)；

r

T

arg表示集合；

此时，最大频偏估计误差为0.2kHz/2＝0.1kHz，在该段数据内产生的最大相位偏移为2π*16*0.1kHz/1/156.25kHz＝0.02048π＝3.68°，对解调的影响非常小，可以忽略。

在一些实施例中，基于所述初始频偏通过如下公式，计算初始相偏：

其中，所述angle表示求相位。

S150，基于所述初始频偏和初始相偏，对所述信号数据进行频偏纠正，纠正完成后进行解调输出。

在一些实施例中，基于所述初始频偏和初始相偏，通过如下公式进行频偏纠正：

其中，

为初始相偏。

在一些实施例中，基于所述频偏对原始信号进行补偿，该操作在解调的过程中始终进行，补偿完成后，进行解调输出，参考图9。

根据本公开的实施例，实现了以下技术效果：

采用辅助字和唯一字联合进行同步捕获，通过辅助字完成粗同步，通过唯一字联合部分辅助字完成精细同步，在系统存在采样频率偏差时，仍然能够实现准确的精同步，同时提升了系统抗噪声性能。

即，通过本公开的方法，实现了无人机测控系统在无直视路径、发送功率低、传输距离远的恶劣城市复杂信道环境下的稳定通信。

需要说明的是，对于前述的各方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本申请并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本申请，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于可选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本申请所必须的。

以上是关于方法实施例的介绍，以下通过装置实施例，对本申请所述方案进行进一步说明。

图11示出了根据本申请的实施例的复杂信道下无人机通信信号对齐的装置1000的方框图如图11所示，装置1100包括：

优化模块1110，用于对信号数据进行匹配滤波，得到优化的信号数据；所述信号数据的帧结构包括前导头、唯一字和数据；

第一捕获模块1120，用于对所述优化的信号数据进行突发粗捕获，得到所述前导头中伪码的起始位置；

第二捕获模块1130，用于借用所述前导头中与所述唯一字码片数量相同的码片与所述唯一字进行联合，得到联合唯一字；基于前导头中伪码的起始位置，将所述前导头和唯一字进行联合，通过非对称门限判决的方式，对所述优化的信号数据进行突发细捕获，得到唯一字的起始位置；

计算模块1140，用于基于所述唯一字的起始位置，通过所述前导头、唯一字进行初始载波同步，得到初始频偏和初始相偏；

纠正模块1150，用于基于所述初始频偏和初始相偏，对所述信号数据进行频偏纠正，纠正完成后进行解调输出。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，所述描述的模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

图12示出了适于用来实现本申请实施例的终端设备或服务器的结构示意图。

如图12所示，终端设备或服务器包括中央处理单元(CPU)1201，其可以根据存储在只读存储器(ROM)1202中的程序或者从存储部分1208加载到随机访问存储器(RAM)1203中的程序而执行各种适当的动作和处理。在RAM 1203中，还存储有终端设备或服务器操作所需的各种程序和数据。CPU 1201、ROM1202以及RAM 1203通过总线1204彼此相连。输入/输出(I/O)接口1205也连接至总线1204。

以下部件连接至I/O接口1205：包括键盘、鼠标等的输入部分1206；包括诸如阴极射线管(CRT)、液晶显示器(LCD)等以及扬声器等的输出部分1207；包括硬盘等的存储部分1208；以及包括诸如LAN卡、调制解调器等的网络接口卡的通信部分1209。通信部分1209经由诸如因特网的网络执行通信处理。驱动器1210也根据需要连接至I/O接口1205。可拆卸介质1211，诸如磁盘、光盘、磁光盘、半导体存储器等等，根据需要安装在驱动器1210上，以便于从其上读出的计算机程序根据需要被安装入存储部分1208。

特别地，根据本申请的实施例，上文方法流程步骤可以被实现为计算机软件程序。例如，本申请的实施例包括一种计算机程序产品，其包括承载在机器可读介质上的计算机程序，该计算机程序包含用于执行流程图所示的方法的程序代码。在这样的实施例中，该计算机程序可以通过通信部分1209从网络上被下载和安装，和/或从可拆卸介质1211被安装。在该计算机程序被中央处理单元(CPU)1201执行时，执行本申请的系统中限定的上述功能。

需要说明的是，本申请所示的计算机可读设备可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质或者是上述两者的任意组合。计算机可读存储设备例如可以是——但不限于——电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储设备的更具体的例子可以包括但不限于：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机访问存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本申请中，计算机可读存储设备可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。而在本申请中，计算机可读的信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读的信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于：无线、电线、光缆、RF等等，或者上述的任意合适的组合。

附图中的流程图和框图，图示了按照本申请各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，前述模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

描述于本申请实施例中所涉及到的单元或模块可以通过软件的方式实现，也可以通过硬件的方式来实现。所描述的单元或模块也可以设置在处理器中。其中，这些单元或模块的名称在某种情况下并不构成对该单元或模块本身的限定。

作为另一方面，本申请还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质可以是上述实施例中描述的电子设备中所包含的；也可以是单独存在，而未装配入该电子设备中的。上述计算机可读存储介质存储有一个或者多个程序，当上述前述程序被一个或者一个以上的处理器用来执行描述于本申请的方法。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的申请范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离前述申请构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中申请的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。