一種用於無人機地空窄帶通信系統的接收終端方法
2023-10-09 05:57:59
一種用於無人機地空窄帶通信系統的接收終端方法
【專利摘要】本發明公開了一種用於無人機地空窄帶通信系統的接收終端方法，它包括以下步驟：S1：射頻接收模塊接受來自外部的通信信號以及來自FPGA的增益控制信號，經過轉換之後發送給中頻濾波模塊；S2：中頻濾波模塊對來自射頻接收模塊輸入的信號進行中頻濾波，並發送給ADC；S3：ADC接收來自中頻濾波模塊輸出的信號，經過轉換之後發送給FPGA；S4：FPGA對信號進行處理後，通過內部接口輸出調解數據，FPGA還向射頻接收模塊輸出增益控制信號。本發明對可遙測、遙控、數傳的無人機的系統中的地空窄帶信號通信子系統進行完善，提供一種資源損耗低的、數據處理精確的用於無人機地空窄帶通信系統的接收終端方法。
【專利說明】一種用於無人機地空窄帶通信系統的接收終端方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種用於無人機地空窄帶通信系統的接收終端方法。
【背景技術】
[0002]無人機具有費效比低、零傷亡和部署靈活等優點，可以幫助甚至是代替人類在很多場景中發揮作用，如災後的人員搜救、基礎設施監察等。無論在民用還是軍用領域，無人機均有著廣闊的應用和發展前景。
[0003]可遙測、遙控、數傳的無人機的系統包括空-地雙向通信和地-地雙向通信兩部分，按照傳輸數據類型進行劃分，可分為寬帶信號通信和窄帶信號通信兩種類型，其中寬帶信號為無人機偵察圖像數據傳輸業務和無人機遙測業務，窄帶信號為手持終端與無人機間遙控通信業務，手持終端與車載終端間通信業務。而窄帶通信中很重要的一個環節就是它的接收終端，接收終端包括無人機終端。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在於克服現有技術的不足，提供一種資源損耗低的、數據處理精確的用於無人機地空窄帶通信系統的接收終端方法。
[0005]本發明的目的是通過以下技術方案來實現的:一種用於無人機地空窄帶通信系統的接收終端方法，它包括以下步驟:
51:射頻接收模塊接受來自外部的通信信號以及來自FPGA的增益控制信號，經過轉換之後發送給中頻濾波模塊；
52:中頻濾波模塊對來自射頻接收模塊輸入的信號進行中頻濾波，並發送給ADC ；
53=ADC接收來自中頻濾波模塊輸出的信號，經過轉換之後發送給FPGA ；
54:FPGA對信號進行處理後，通過內部接口輸出調解數據，FPGA還向射頻接收模塊輸出增益控制信號。
[0006]所述的步驟S4包括以下子步驟:
S41:FPGA中的下變頻模塊對來自ADC的輸入進行下變頻處理，並輸出至小數抽取模塊；
S42:小數抽取模塊對接收到的基帶信號進行小數倍抽取，輸出信號樣值至粗頻偏校正模塊；
543:粗頻偏校正模塊對多倍符號採樣率的輸入信號進行獲取粗頻偏信息處理，並輸出信息至窄帶濾波模塊；
544:窄帶濾波模塊濾除殘餘的帶外噪聲,輸出至位同步模塊；
545:位同步模塊對輸入信號進行位同步處理，輸出信號至精頻偏同步模塊；
546:精頻偏同步模塊使用數字鎖相環進行載波同步，完成基本的同步解調，輸出信號至解碼/判決模塊；
547:解碼/判決模塊接收信號進行卷積解碼，保證整體的解調信噪比，並輸出至解交織模塊；
548:解交織模塊進行緩衝讀寫，之後將信號輸出至勻速緩衝模塊；
549:勻速緩衝模塊將解調數據通過內部接口進行勻速輸出。
[0007]所述的步驟S41包括以下子步驟:
5411:正交混頻電路接收來自ADC的輸入以及數控振蕩電路的輸入，輸出1、Q兩路信號至低通濾波電路，所述的數控振蕩電路採用CORDIC算法；
5412:低通濾波模塊對輸入信號進行低通濾波後輸出至小數抽取模塊。
[0008]所述的步驟S43包括以下子步驟:
由於解擴後信號帶寬只有180kHz左右，而最高都卜勒頻偏達3kHz，在某些幹擾情況下，頻偏可能會超出常規的鎖相環捕獲帶之外，所以這裡將載波同步部分拆分成「粗頻偏校正」和「精頻偏同步」兩個環節。
[0009]S431:正交混頻電路接收來自小數抽取模塊輸入的多倍符號採樣率信號，並輸出至消除調製信息模塊；
5432:消除調製信息模塊消除調製信息，獲得單音頻點信息；
5433:FFT模塊對單音頻點信息進行快速傅立葉變換，並輸出至譜線峰值搜索模塊；
5434:譜線峰值搜索模塊進行峰值搜索，獲取粗頻偏信息，並輸出至計算頻偏模塊；
5435:計算頻偏模塊對粗頻偏信息進行計算，判斷是否需要繼續進行校正:
(1)若後續幾次FFT得到的粗頻偏消息接近，峰值足夠，則將結果依次輸出至數控振蕩模塊和正交混頻模塊之後，直接輸出至窄帶濾波模塊；
(2)其它情況下，認為系統失步，將結果依次輸出至數控振蕩模塊、正交混頻模塊和消除調製信息模塊之後返回步驟S432。
[0010]所述的步驟S45包括以下子步驟:
5451:將從窄帶濾波模塊輸入數據進行gardner位定時誤差估計，得到瞬時誤差值；
5452:環路濾波器濾除高頻噪聲；
5453:驅動數控振蕩電路產生定時內插使能及內插參數；
5454:對數據進行定時內插，得到準確的碼元判決點；
5455:通過輸出緩衝電路輸出結果至頻偏同步模塊。
[0011]所述的步驟S46包括以下子步驟:
5461:正交混頻電路對從位同步模塊輸入信號進行正交混頻，輸出信號至相位誤差估計電路；
5462:相位誤差估計電路進行相位估計，輸出信號至環路濾波電路；
5463:環路濾波電路進行濾波，輸出至數控振蕩電路；
5464:數控振蕩電路輸出信號至正交混頻電路，所述的數控振蕩電路採用DDS算法；
5465:正交混頻電路輸出信號至解碼/判決模塊。
[0012]步驟S47所述的卷積解碼使用維特比軟判決算法。
[0013]所述的步驟S49包括以下子步驟:
5491:數據緩衝模塊接收從解交織模塊輸入的數據以及時鐘，輸出信號至緩衝量檢測模塊；
5492:緩衝量檢測模塊對數據緩衝模塊的緩衝量進行監測，同時輸出信號至環路濾波模塊；
5493:環路濾波模塊進行濾波後，輸出信號至數控振蕩模塊；
5494:數控振蕩模塊有兩路輸出，一路輸出時鐘,一路輸出信號控制數據緩衝模塊；
5495:數據緩衝模塊輸出數據。
[0014]本發明的有益效果是:1) ADC輸入的信號經過下變頻得到基帶信號，下變頻中的數控振蕩電路使用CORDIC算法實現，僅消耗少量的寄存器和加法器資源，不消耗RAM，資源損耗基本上可以忽略不計；(2)基帶信號進行小數倍抽取，得到4倍碼元速率的信號樣值，再進行匹配濾波，這樣做的好處是利於匹配濾波係數的計算；(3)由於解擴後信號帶寬只有180kHz左右，而最高都卜勒頻偏達3kHz，在某些幹擾情況下，頻偏可能會超出常規的鎖相環捕獲帶之外，所以這裡將載波同步部分拆分成「粗頻偏校正」和「精頻偏同步」兩個環節；(4)由於頻偏較大，DDC，實施的是稍微寬帶的濾波，保證信號譜不受損壞；(5)在粗頻偏校正完成後，再進行一次窄帶濾波，進一步濾除殘餘的帶外噪聲；(6)窄帶信號的信號帶寬較小，不再使用SCFDE等均衡技術，節約成本；(7)判決後的比特信息經過信道解碼，得到糾錯後的結果，為了支持遙測的精確時標，解調數據將進行勻速輸出；(8)由於前面幾點，本發明便可適用於一種可遙測、遙控、數傳的無人機的地空窄帶通信系統的接收終端方法，接收終端包括無人機終端。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]圖1為本發明方法流程圖；
圖2為步驟S4子步驟流程圖；
圖3為實施例實現步驟S41的下變頻|旲塊結構不意圖；
圖4為實施例實現步驟S43的粗頻偏校正模塊結構示意圖；
圖5為實施例實現步驟S45的位同步模塊結構示意圖；
圖6為實施例實現步驟S46的精頻偏同步|旲塊結構不意圖；
圖7為實施例實現步驟S49的勻速緩衝模塊結構示意圖。
【具體實施方式】
[0016]下面結合附圖進一步詳細描述本發明的技術方案:如圖1所示，一種用於無人機地空窄帶通信系統的接收終端方法，它包括以下步驟:
51:射頻接收模塊接受來自外部的通信信號以及來自FPGA的增益控制信號，經過轉換之後發送給中頻濾波模塊；
52:中頻濾波模塊對來自射頻接收模塊輸入的信號進行中頻濾波，並發送給ADC ；
53=ADC接收來自中頻濾波模塊輸出的信號，經過轉換之後發送給FPGA ；
54:FPGA對信號進行處理後，通過內部接口輸出調解數據，FPGA還向射頻接收模塊輸出增益控制信號。
[0017]如圖2所示，所述的步驟S4包括以下子步驟:
S41:FPGA中的下變頻模塊對來自ADC的輸入進行下變頻處理，並輸出至小數抽取模塊；
S42:小數抽取模塊對接收到的基帶信號進行小數倍抽取，輸出信號樣值至粗頻偏校正模塊；
543:粗頻偏校正模塊對多倍符號採樣率的輸入信號進行獲取粗頻偏信息處理，並輸出信息至窄帶濾波模塊；
544:窄帶濾波模塊濾除殘餘的帶外噪聲,輸出至位同步模塊；
545:位同步模塊對輸入信號進行位同步處理，輸出信號至精頻偏同步模塊；
S46:精頻偏同步模塊使用數字鎖相環進行載波同步，完成基本的同步解調，輸出信號至解碼/判決模塊；
547:解碼/判決模塊接收信號進行卷積解碼，保證整體的解調信噪比，並輸出至解交織模塊；
548:解交織模塊進行緩衝讀寫，之後將信號輸出至勻速緩衝模塊；
549:勻速緩衝模塊將解調數據通過內部接口進行勻速輸出。
[0018]如圖3所示，實現步驟S41的下變頻模塊包括正交混頻電路、低通濾波電路和數控振蕩電路,正交混頻電路的輸入分別與外部輸入信號和數控振蕩電路連接,正交混頻電路輸出1、Q兩路信號至低通濾波電路，低通濾波電路輸出1、Q兩路信號至小數抽取模塊。數控振蕩電路使用CORDIC算法實現，僅消耗少量的寄存器和加法器資源，不消耗RAM，資源損耗基本上可以忽略不計。
[0019]所述的步驟S41包括以下子步驟:
5411:正交混頻電路接收來自ADC的輸入以及數控振蕩電路的輸入，輸出1、Q兩路信號至低通濾波電路，所述的數控振蕩電路採用CORDIC算法；
5412:低通濾波模塊對輸入信號進行低通濾波後輸出至小數抽取模塊。
[0020]由於解擴後信號帶寬只有180kHz左右，而最高都卜勒頻偏達3kHz，在某些幹擾情況下，頻偏可能會超出常規的鎖相環捕獲帶之外，所以這裡將載波同步部分拆分成「粗頻偏校正」和「精頻偏同步」兩個環節。
[0021]如圖4所示，實現步驟S43的粗頻偏校正模塊包括正交混頻電路、消除調製信息電路、FFT電路、譜線峰值搜索電路、計算頻偏電路和數控振蕩電路，正交混頻電路接收來自小數抽取模塊輸出的信號，正交混頻電路的輸出分別與窄帶濾波模塊和消除調製信息電路連接，消除調製信息電路的輸出與FFT電路連接，FFT電路的輸出與譜線峰值搜索電路連接，譜線峰值搜索電路的輸出與計算頻偏電路連接，計算頻偏電路的輸出與數控振蕩電路連接，數控振蕩電路的輸出與正交混頻電路連接。
[0022]輸入信號是4倍符號採樣率，進入4次方運算模塊，消除QPSK的調製信息，獲得單音頻點信息。經過FFT和譜線峰值搜索，即可獲取粗頻偏信息。其中FFT的點數使用2048點，可以獲得足夠低的殘餘頻偏，保證精頻偏同步模塊的正常捕獲。
[0023]校正一次後，後續幾次FFT得到的粗頻偏信息接近，峰值足夠，則認為已經穩定，無需再校正；否則認為系統失步，重新進行粗頻偏校正。
[0024]所述的步驟S43包括以下子步驟:
5431:正交混頻電路接收來自小數抽取模塊輸入的多倍符號採樣率信號，並輸出至消除調製信息模塊；
5432:消除調製信息模塊消除調製信息，獲得單音頻點信息；
5433:FFT模塊對單音頻點信息進行快速傅立葉變換，並輸出至譜線峰值搜索模塊；5434:譜線峰值搜索模塊進行峰值搜索，獲取粗頻偏信息，並輸出至計算頻偏模塊；
5435:計算頻偏模塊對粗頻偏信息進行計算，判斷是否需要繼續進行校正:
(1)若後續幾次FFT得到的粗頻偏消息接近，峰值足夠，則將結果依次輸出至數控振蕩模塊和正交混頻模塊之後，直接輸出至窄帶濾波模塊；
(2)其它情況下，認為系統失步，將結果依次輸出至數控振蕩模塊、正交混頻模塊和消除調製信息模塊之後返回步驟S432。
[0025]如圖5所示，實現方法步驟S45的位同步模塊包括輸入緩衝模塊、reg模塊、定時誤差估計模塊、環路濾波器、數控振蕩電路、定時內插模塊、輸出緩衝模塊和兩個移位寄存器，輸入緩衝模塊的輸入與窄帶濾波模塊連接，輸入緩衝模塊的輸出與reg模塊連接，reg模塊的輸出與其中一個移位寄存器連接，此移位寄存器的輸出與定時內插模塊連接，定時內插模塊的一路輸出與另一個移位寄存器連接，此移位寄存器的輸出與定時誤差模塊連接，定時誤差估計模塊的輸出與環路濾波器連接，環路濾波器的輸出與數控振蕩電路連接，數控振蕩電路的輸出與定時內插模塊連接，定時內插模塊的另一路輸出通過輸出緩衝模塊輸出數據。
[0026]所述的步驟S45包括以下子步驟:
5451:將從窄帶濾波模塊輸入數據進行gardner位定時誤差估計，得到瞬時誤差值；
5452:環路濾波器濾除高頻噪聲；
5453:驅動數控振蕩電路產生定時內插使能及內插參數；
5454:對數據進行定時內插，得到準確的碼元判決點；
5455:通過輸出緩衝電路輸出結果至頻偏同步模塊。
[0027]如圖6所示，實現步驟S46的精頻偏同步模塊包括正交混頻電路、NCO電路、相位誤差估計電路和環路濾波電路，正交混頻電路、數控振蕩電路、相位誤差估計電路和環路濾波電路組成數字鎖相環，外部1、Q兩路輸入與正交混頻電路連接，正交混頻電路的輸出分別與相位誤差估計電路和判決/解碼模塊連接，相位誤差估計電路的輸出與環路濾波電路連接，環路濾波電路的輸出與數控振蕩電路連接，數控振蕩電路的輸出與正交混頻電路連接；所述的數控振蕩電路的實現使用的是DDS算法,而不是cordic算法，因為FPGA中cordic邏輯的時序延時量較大，導致環路延遲大，影響頻偏捕獲能力，而DDS只有I到3個elk的延時，可以保證環路捕獲行為和跟蹤行為的性能。
[0028]所述的步驟S46包括以下子步驟:
5461:正交混頻電路對從位同步模塊輸入信號進行正交混頻，輸出信號至相位誤差估計電路；
5462:相位誤差估計電路進行相位估計，輸出信號至環路濾波電路；
5463:環路濾波電路進行濾波，輸出至數控振蕩電路；
5464:數控振蕩電路輸出信號至正交混頻電路，所述的數控振蕩電路採用DDS算法；
5465:正交混頻電路輸出信號至解碼/判決模塊。
[0029]步驟S47所述的卷積解碼使用維特比軟判決算法，調用Xilinx官方IPCORE即可。
[0030]由於ADC採樣時鐘和實際的信號碼元速率並非整數倍關係，加上解調過程中可能使用了高倍時鐘來提升運算速度，所以前面的模塊實際上是斷續使能的時序。為了支持遙控的精確時標，這裡將解調數據進行勻速輸出。如圖7所示，實現步驟S49的勻速緩衝模塊包括數據緩衝模塊、緩衝量監測模塊、環路濾波模塊和數控振蕩模塊，數據緩衝模塊接收輸入數據和輸入時鐘，數據緩衝模塊的一路輸出與緩衝量監測模塊連接，數據緩衝模塊的另一路輸出輸出數據，緩衝量監測模塊的輸出與環路濾波模塊連接，環路濾波模塊的輸出與數控振蕩模塊連接，數控振蕩模塊的一路輸出與數據緩衝模塊連接，數控振蕩模塊的另一路輸出輸出時鐘。
[0031]所述的步驟S49包括以下子步驟:
5491:數據緩衝模塊接收從解交織模塊輸入的數據以及時鐘，輸出信號至緩衝量檢測模塊；
5492:緩衝量檢測模塊對數據緩衝模塊的緩衝量進行監測，同時輸出信號至環路濾波模塊；
5493:環路濾波模塊進行濾波後，輸出信號至數控振蕩模塊；
5494:數控振蕩模塊有兩路輸出，一路輸出時鐘,一路輸出信號控制數據緩衝模塊；
5495:數據緩衝模塊輸出數據。
【權利要求】
1.一種用於無人機地空窄帶通信系統的接收終端方法，其特徵在於:它包括以下步驟: 51:射頻接收模塊接受來自外部的通信信號以及來自FPGA的增益控制信號，經過轉換之後發送給中頻濾波模塊；52:中頻濾波模塊對來自射頻接收模塊輸入的信號進行中頻濾波，並發送給ADC ； 53=ADC接收來自中頻濾波模塊輸出的信號，經過轉換之後發送給FPGA ； 54:FPGA對信號進行處理後，通過內部接口輸出調解數據，FPGA還向射頻接收模塊輸出增益控制信號。
2.根據權利要求1所述的一種用於無人機地空窄帶通信系統的接收終端方法，其特徵在於:所述的步驟S4包括以下子步驟: S41 =FPGA中的下變頻模塊對來自ADC的輸入進行下變頻處理，並輸出至小數抽取模塊； S42:小數抽取模塊對接收到的基帶信號進行小數倍抽取，輸出信號樣值至粗頻偏校正模塊； 543:粗頻偏校正模塊對多倍符號採樣率的輸入信號進行獲取粗頻偏信息處理，並輸出信息至窄帶濾波模塊； 544:窄帶濾波模塊濾除殘餘的帶外噪聲,輸出至位同步模塊； 545:位同步模塊對輸入信號進行位同步處理，輸出信號至精頻偏同步模塊； 546:精頻偏同步模塊使用數字鎖相環進行載波同步，完成基本的同步解調，輸出信號至解碼/判決模塊； 547:解碼/判決模塊接收信號進行卷積解碼，保證整體的解調信噪比，並輸出至解交織模塊； 548:解交織模塊進行緩衝讀寫，之後將信號輸出至勻速緩衝模塊； 549:勻速緩衝模塊將解調數據通過內部接口進行勻速輸出。
3.根據權利要求2所述的一種用於無人機地空窄帶通信系統的接收終端方法，其特徵在於:所述的步驟S41包括以下子步驟: 5411:正交混頻電路接收來自ADC的輸入以及數控振蕩電路的輸入，輸出1、Q兩路信號至低通濾波電路，所述的數控振蕩電路採用CORDIC算法； 5412:低通濾波模塊對輸入信號進行低通濾波後輸出至小數抽取模塊。
4.根據權利要求2所述的一種用於無人機地空窄帶通信系統的接收終端方法，其特徵在於:所述的步驟S43包括以下子步驟: 5431:正交混頻電路接收來自小數抽取模塊輸入的多倍符號採樣率信號，並輸出至消除調製信息模塊； 5432:消除調製信息模塊消除調製信息，獲得單音頻點信息；5433:FFT模塊對單音頻點信息進行快速傅立葉變換，並輸出至譜線峰值搜索模塊；5434:譜線峰值搜索模塊進行峰值搜索，獲取粗頻偏信息，並輸出至計算頻偏模塊； 5435:計算頻偏模塊對粗頻偏信息進行計算，判斷是否需要繼續進行校正: (I)若後續幾次FFT得到的粗頻偏消息接近，峰值足夠，則將結果依次輸出至數控振蕩模塊和正交混頻模塊之後，直接輸出至窄帶濾波模塊； (2)其它情況下，認為系統失步，將結果依次輸出至數控振蕩模塊、正交混頻模塊和消除調製信息模塊之後返回步驟S432。
5.根據權利要求2所述的一種用於無人機地空窄帶通信系統的接收終端方法，其特徵在於:所述的步驟S45包括以下子步驟:5451:將從窄帶濾波模塊輸入數據進行gardner位定時誤差估計，得到瞬時誤差值； 5452:環路濾波器濾除高頻噪聲； 5453:驅動數控振蕩電路產生定時內插使能及內插參數； 5454:對數據進行定時內插，得到準確的碼元判決點； 5455:通過輸出緩衝電路輸出結果至頻偏同步模塊。
6.根據權利要求2所述的一種用於無人機地空窄帶通信系統的接收終端方法，其特徵在於:所述的步驟S46包括以下子步驟: 5461:正交混頻電路對從位同步模塊輸入信號進行正交混頻，輸出信號至相位誤差估計電路； 5462:相位誤差估計電路進行相位估計，輸出信號至環路濾波電路； 5463:環路濾波電路進行濾波，輸出至數控振蕩電路；5464:數控振蕩電路輸出信號至正交混頻電路，所述的數控振蕩電路採用DDS算法； 5465:正交混頻電路輸出信號至解碼/判決模塊。
7.根據權利要求2所述的一種用於無人機地空窄帶通信系統的接收終端方法，其特徵在於:步驟S47所述的卷積解碼使用維特比軟判決算法。
8.根據權利要求2所述的一種用於無人機地空窄帶通信系統的接收終端方法，其特徵在於:所述的步驟S49包括以下子步驟: 5491:數據緩衝模塊接收從解交織模塊輸入的數據以及時鐘，輸出信號至緩衝量檢測模塊； 5492:緩衝量檢測模塊對數據緩衝模塊的緩衝量進行監測，同時輸出信號至環路濾波模塊； 5493:環路濾波模塊進行濾波後，輸出信號至數控振蕩模塊；5494:數控振蕩模塊有兩路輸出，一路輸出時鐘,一路輸出信號控制數據緩衝模塊； 5495:數據緩衝模塊輸出數據。
【文檔編號】H04L25/03GK104394112SQ201410689435
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年11月26日 優先權日:2014年11月26日
【發明者】龍寧, 李亞斌, 張瀾, 張星星 申請人:成都中遠信電子科技有限公司