一种基于FPGA的抗直升机旋翼遮挡的时间分集并行同步方法

摘要

本发明涉及直升机抗旋翼遮挡的卫星通信技术领域，公开了一种基于FPGA的抗直升机旋翼遮挡的时间分集并行同步方法，其针对旋翼遮挡，发送端采用双重时间分集的方式进行组帧，经过遮挡以及噪声处理，接收端采用并行同步的帧检测法进行帧同步，同时采用合并法重组的方式进行解帧。本发明充分利用FPGA的并行性，快速同步出子帧位置。本发明具有简单高效、扩展性强、适用范围广等特点，能减小存储资源，提高帧同步速率，并具有良好的传输误码性能。

说明书

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，具体涉及一种基于FPGA的抗直升机旋翼遮挡的时间分集并行同步法。

背景技术

目前，直升机在反恐怖、抢险救灾、处理边防突发事件等非战争军事行动中起到越来越重要的作用。直升机卫星通信系统是由直升机和地面固定站通过同步卫星构成点对点通信系统。由于卫星通信电波传播方式是直射波，要求在无遮挡的条件下通信，而直升机飞行过程中，旋翼桨叶会周期性的遮挡天线，造成通信信号的周期性衰落，影响正常通信。采用双重时间分集发送数据，可以有效对抗旋翼遮挡的影响，但在帧同步以及数据重组过程中仍存在一些问题需要解决。

在直升机卫星通信系统中，常采用DSP来实现帧同步，但该方法需要存储大量数据，而且同步速率慢，随着通信速率的提升，可能很难满足实际需求。另外，由于采用了双重时间分集发送数据，因此在帧同步出数据后，如何最大可能的利用源帧和复制帧中的信息，提高系统性能也是十分重要的。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中所存在的上述不足，提供一种基于FPGA的抗直升机旋翼遮挡的时间分集并行同步法，该方法具有简单高效、扩展性强、适用范围广等特点，能提高帧同步速率，减小存储资源。

为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于FPGA的抗直升机旋翼遮挡的时间分集并行同步方法，包括如下步骤：

采用双重时间分集方式对发送数据进行数据封装及发送，所述发送数据包括源帧和对源帧的复制帧，其中源帧的每个子帧包括帧头、编码后业务数据和填充数据，所述帧头采用相关性能强的ZC序列(即Zadoff-Chu序列)；

在FPGA中实现帧同步，将直升机接收到的数据，同时并行地与本地的N路ZC序列进行滑动互相关操作，并对得到的互相关值进行归一化处理，所述FPGA的写时钟设置为L/T_s，其中L表示发送数据的帧长，即源帧和复制帧总帧长度，T_s表示遮挡周期，即数据周期；N的取值为发送数据的子帧数，即N＝2K，其中K表示源帧的子帧数，且复制帧的子帧数与源帧相同；基于本地的并行度(N)和FPGA的写时钟设置FPGA的读时钟；

对归一化后的互相关值进行阈值判断，若大于预设阈值，则表明找到了子帧，并根据本地的ZC序列编号确定子帧索引，从而实现帧同步表示当前对应的子帧，进而确定同步的子帧位置，其中阈值为经验值，通常选取应随信噪比的增大而略微增大；

根据同步的子帧索引号及位置，则可得到源帧和复制帧中的有效数据，因而根据同步的子帧索引号及位置，对源帧和复制帧进行合并法数据重组，得到解帧结果。

进一步的，根据定时度量函数的最大值得到每个子帧的同步位置，其中c_u(d)表示起始位置为d的接收信号与ZC序列根序号为u的本地同步帧头序列的互相关值，表达式为p_u(d)表示接收序列与本地同步帧头序列的能量平均值，表达式为其中M为子帧的帧头长度，u表示同步帧头的根序号，r(·)为接收信号序列，上标“*”表示矩阵的伴随矩阵符号，s_u(k)为本地同步帧头序列，表达式为：1≤k≤M，i为虚数单位。

在进行互相关操作及归一化处理时，在FPGA的读时钟下计算滑动计算M个点的输入数据能量与本地ZC序列的能量并获取能力平均值(即M个点的输入数据能量与本地ZC序列的能量)；同时采用CORDIC核(通过基本的加和移位运算代替乘法运算)计算接收到的数据与本地的N路ZC序列的滑动互相关值的模，再将所述滑动互相关值的模除以能量平均值，得到归一化后的互相关值。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本发明的方法对抗直升机旋翼遮挡通信系统，可以采用双重时间分集发送数据，利用ZC序列进行滑动互相关运算实现帧同步，充分利用FPGA的并行性，将本地多路ZC序列与接收数据同时进行滑动互相关运算，寻找子帧的索引以及位置，然后将帧同步出的数据进行合并法重组，充分利用源帧和复制帧中的信息。此方法不仅能够快速而准确地找到子帧的索引及位置，完成帧同步，而且其充分利用了源帧和复制帧中的信息，保证了信号传输的误码性能。简言之，该方法具有简单高效、扩展性强、适用范围广等特点，能减小存储资源，提高帧同步速率，并具有良好的传输误码性能。

附图说明

图1为发送数据的帧格式图；

图2为直升机旋翼遮挡模型图；

图3为相关检测框图；

图4为帧同步硬件结构图；

图5为实例1系统框图；

图6为不同重组方式性能对比图；

图7为实例2系统框图；

图8为帧同步硬件仿真图，其中A为局部放大区域标识符；

图9为图8中的标注区域A的局部放大图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施方式和附图，对本发明作进一步地详细描述。

本发明采用双重时间分集发送数据来实现抗直升机旋翼遮挡通信，接收端接收数据后同时并行地与本地N(N的值与子帧数相同，例如设置为64)路ZC序列同时进行滑动互相关运算，实现帧同步，通过帧同步出的子帧索引以及位置进行合并法重组。其具体实现包括下述步骤：

步骤A：采用双重时间分集方式进行帧格式设计，帧头使用相关性强的ZC序列；

步骤B：在FPGA中实现帧同步，将直升机接收到的数据，同时并行地与本地的ZC序列进行滑动互相关操作，并对得到的互相关值进行归一化处理；

步骤C：对归一化后的互相关值进行阈值判断，确定子帧索引号及位置，即完成帧同步处理；

步骤D：根据帧同步出的子帧索引号及位置，则得到源帧和复制帧中的有效数据(子帧的编码后业务数据、填充数据)，再对基于帧同步出的子帧索引号及位置的数据内容采用合并法重组的方式进解帧；

所述步骤A中，直升机旋翼遮挡会对信号的幅度造成衰减，从而导致信号无法还原。因此，本发明通过通过双重时间分集发送数据来解决信号因直升机旋翼遮挡而无法还原的问题。发送数据的帧格式如图1所示，包括源帧和对源帧的复制帧(源帧和复制帧的帧数相同)，源帧包括帧头、编码后业务数据和填充数据。其中，帧头采用相关性能强的ZC序列，在收端通过接收数据与ZC序列进行滑动互相关运算，实现帧同步。根据遮挡状态设置帧长(L)以及子帧数(N)，遮挡模型如图2所示，遮挡周期(数据周期T_s)为31.25ms，遮挡时长(7.8125ms)占遮挡周期的25％，若设置帧长L为80000，子帧数N为64，即源帧和复制帧各32个子帧，子帧长度为L/N＝1250，各子帧的帧头长度为131，编码后业务数据长度1008，填充数据长度为111，能够满足最大48％的遮挡率。

所述步骤B中，通过接收数据同时并行地与本地同步序列进行滑动互相关操作，实现帧同步，其检测框图如图3所示，其中N为子帧个数64。基于互相关的帧同步算法，其定时度量函数为：其中c_u(d)表示起始位置为d的接收信号与ZC序列根序号为u的本地同步帧头序列的互相关值，p_u(d)表示接收序列与本地同步帧头序列的能量平均值。

其中，互相关值c_u(d)的表达式为：能量平均值p_u(d)的表达式为：其中M为子帧的帧头的长度131，u表示同步帧头的根序号，r(·)为接收信号序列，上标“*”表示矩阵的伴随矩阵符号，s_u(k)为本地同步帧头序列，表达式为：1≤k≤M，i为虚数单位。

根据式的最大值即可确定每个子帧的同步位置即

基于FPGA的帧同步设计框图如图4所示，首先将输入数据进行异步时钟处理，采用异步FIFO(先进先出)实现，将FIFO写时钟设置为2.56Mhz(即基于帧长L与数据周期T_s的比值L/T_s得到)，FIFO读时钟基于并行度和读时钟设置相匹配的值，对于64路的并行数据，2.56Mhz的写时钟，读时钟需要大于等于2.56*64＝163.84M，故本具体实施方式中，将FIFO读时钟设置为200Mhz，在200Mhz时钟下计算滑动计算131个点的输入数据能量与本地ZC序列的能量，取平均用于归一化，同时将输入数据与本地64路ZC序列同时进行滑动互相关操作，采用CORDIC核(通过基本的加和移位运算代替乘法运算)求滑动互相关值的模，然后将互相关值模除以能量平均值，得到归一化后的互相关值。

所述步骤C中，根据步骤B中得到的归一化后互相关值进行阈值判断，其中阈值选取应随信噪比的增大而略微增大，当归一化后的互相关值大于设定的阈值时说明找到了子帧，并根据本地的ZC序列编号确定子帧索引，从而实现帧同步。

所述步骤D中，根据步骤C中得到的子帧号以及子帧位置进行数据重组，例如对于子帧号0-31对应源帧索引，32-63对应复制帧索引示例，重组方式为合并法重组，即将检测出的源帧数据和复制帧数据对应比特相加即可，例如0帧与32帧、1帧与33帧、2与34帧的除帧头的数据按比特位置相加。

下面结合具体实例对本发明作更进一步的说明。

实例1

实例1所使用仿真平台为MATLAB R2011b，所使用的遮挡模型如图2所示，遮挡率为25％，遮挡周期为31.25ms，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40dB，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。

实例1采用的测试框图如图5所示，首先产生随机的0,1信号，然后进行QPSK(正交相移键控)映射，采用双重时间分集的方式进行数据组帧，经过遮挡模型处理，然后加噪得到接收信号(高斯遮挡信道处理)；在收端将接收信号进行帧同步，并将帧同步出的数据进行解帧，在解帧中分别采用合并法重组以及比较法重组，将重组后的数据进行解映射以及硬判决，然后进行统计误比特率。测试得到的性能曲线如图6所示，可以看出，采用合并法重组性能比使用比较法重组性能好1db左右。

实例2

实例2所使用仿真平台为ISE 14.7和Modelsim 10.1a，处理过程框图如图7所示，首先对数据进行组帧，经过遮挡模型处理，以及加躁处理，然后进行帧同步，最后将帧同步出的数据进行合并重组。图8为帧同步仿真图，图9为对图8的左端所标注的白色虚线框的局部放大图。由图8、9可以看出，本地ZC序列与源帧和复制帧进行滑动相关操作，当检测到对应的帧头时，其归一化相关值相比帧的其他位置高出很多，即帧同步能够实时同步出同步帧头，并得到对应的子帧索引。例如，当编号为0的本地ZC序列与接收到的数据滑动相关，得到一个最大的相关值和该值的位置，即同步出了子帧0的同步帧头。另外，由图8可以看出，源帧与本地ZC序列进行同步得到的归一化后的互相关值在中间位置出现一段没有明显峰值的区域，这是由于该区域为遮挡区域，遮挡会导致互相关值减小，甚至无法同步出同步帧头，因此发送端需要进行双重时间分集发送数据。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。