CN104363193A - 一种用于无人机地空宽带通信系统的接收终端方法 - Google Patents

一种用于无人机地空宽带通信系统的接收终端方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于无人机地空宽带通信系统的接收终端方法，它包括以下步骤：S1：射频接收模块接受来自外部的通信信号以及来自FPGA的增益控制信号，经过转换之后发送给中频滤波模块；S2：中频滤波模块对来自射频接收模块输入的信号进行中频滤波，并发送给ADC；S3：ADC接收来自中频滤波模块输出的信号，经过转换之后发送给FPGA；S4：FPGA对信号进行处理后，通过内部接口输出调解数据，FPGA还向射频接收模块输出增益控制信号。本发明对可遥测、遥控、数传的无人机的系统中的地空宽带信号通信子系统进行完善，同时适用于地面的手持终端和车载终端。

Description

一种用于无人机地空宽带通信系统的接收终端方法
技术领域
本发明涉及一种用于无人机地空宽带通信系统的接收终端方法。
背景技术
无人机具有费效比低、零伤亡和部署灵活等优点，可以帮助甚至是代替人类在很多场景中发挥作用，如灾后的人员搜救、基础设施监察等。无论在民用还是军用领域，无人机均有着广阔的应用和发展前景。
可遥测、遥控、数传的无人机的系统包括空-地双向通信和地-地双向通信两部分，按照传输数据类型进行划分，可分为宽带信号通信和窄带信号通信两种类型，其中宽带信号为无人机侦察图像数据传输业务和无人机遥测业务，窄带信号为手持终端与无人机间遥控通信业务，手持终端与车载终端间通信业务。而宽带通信中很重要的一个环节就是它的接收终端，接收终端包括手持终端和车载终端。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种信号处理精确的用于无人机地空宽带通信系统的接收终端方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种用于无人机地空宽带通信系统的接收终端方法，它包括以下步骤：
S1：射频接收模块接受来自外部的通信信号以及来自FPGA的增益控制信号，经过转换之后发送给中频滤波模块；
S2：中频滤波模块对来自射频接收模块输入的信号进行中频滤波，并发送给ADC；
S3：ADC接收来自中频滤波模块输出的信号，经过转换之后发送给FPGA；
S4：FPGA对信号进行处理后，通过内部接口输出调解数据，FPGA还向射频接收模块输出增益控制信号。
步骤S4包括以下子步骤：
S401：FPGA中的下变频模块对来自ADC的输入进行下变频处理，并输出至AGC控制模块；
S402：AGC控制模块根据信号的功率做自适应的功率控制，输出增益控制信号至射频接收模块，同时输出调解信号至小数抽取模块；
S403：小数抽取模块对接收到的基带信号进行小数倍抽取，输出信号样值至匹配滤波模块；
S404：匹配滤波模块对输入信号进入匹配滤波，并输出至位同步模块；
S405：位同步模块对输入信号进行位同步处理，输出信号至频偏同步模块；
S406：频偏同步模块使用数字锁相环进行载波同步，输出信号至频域均衡模块；
S407：频域均衡模块将信号变换到频域进行信道估计和均衡，均衡完之后再变换回时域，输出信号至译码/判决模块；
S408：译码/判决模块接收信号进行卷积译码，并输出至解交织模块；
S409：解交织模块进行缓冲读写，之后将信号输出至匀速缓冲模块；
S410：匀速缓冲模块将解调数据通过内部接口进行匀速输出。
所述的步骤S401包括以下子步骤：
S4011：正交混频电路接收来自ADC的输入以及数控振荡电路的输入，输出I、Q两路信号至低通滤波电路，所述的数控振荡电路采用CORDIC算法；
S4012：低通滤波模块对输入信号进行低通滤波后输出至AGC模块。
所述的步骤S405包括以下子步骤：
S4051：将从匹配滤波模块输入数据进行gardner位定时误差估计，得到瞬时误差值；
S4052：环路滤波器滤除高频噪声；
S4053：驱动数控振荡电路产生定时内插使能及内插参数；
S4054：对数据进行定时内插，得到准确的码元判决点；
S4055：通过输出缓冲电路输出结果至频偏同步模块。
所述的步骤S406包括以下子步骤：
S4061：正交混频电路对从位同步模块输入信号进行正交混频，输出信号至相位误差估计电路；
S4062：相位误差估计电路进行相位估计，输出信号至环路滤波电路；
S4063：环路滤波电路进行滤波，输出至数控振荡电路；
S4064：数控振荡电路输出信号至正交混频电路，所述的数控振荡电路采用DDS算法；
S4065：正交混频电路输出信号至频域均衡模块。
所述的步骤S407包括以下子步骤：
S4071：频偏同步模块输入的信号分别输入至第一FFT电路和独特字搜索模块；
S4072：本地独特字模块输出信号至第二FFT电路；
S4073：第一FFT电路、第二FFT电路和独特字搜索模块同时输出信号至信道估计模块进行信道估计；
S4074：信道估计模块输出信号至第一IFFT电路；
S4075：第一IFFT电路输出信号至补0模块；
S4076：补0模块输出信号至第三FFT电路；
S4077：第一FFT电路和第三FFT电路同时输出信号至信道均衡模块进行信道均衡处理；
S4078：信道均衡模块通过第二IFFT电路输出信号至译码/判决模块。
所述的步骤S410包括以下子步骤：
S4101：数据缓冲模块接收从解交织模块输入的数据以及时钟，输出信号至缓冲量检测模块；
S4102：缓冲量检测模块对数据缓冲模块的缓冲量进行监测，同时输出信号至环路滤波模块；
S4103：环路滤波模块进行滤波后，输出信号至数控振荡模块；
S4104：数控振荡模块有两路输出，一路输出时钟，一路输出信号控制数据缓冲模块；
S4105：数据缓冲模块输出数据。
本发明的有益效果是：（1）ADC输入的信号经过下变频得到基带信号，下变频中的数控振荡电路使用CORDIC算法实现，仅消耗少量的寄存器和加法器资源，不消耗RAM，资源损耗基本上可以忽略不计；（2）基带信号进行小数倍抽取，得到4倍码元速率的信号样值，再进行匹配滤波，这样做的好处是利于成型匹配滤波器系数的计算；（3）匹配后的信号进入位同步和频偏同步模块，完成基本的同步解调，由于DDC后残余频偏为码元速率的0.1%左右，频偏同步模块的接收算法无需考虑粗频偏同步，直接进行精频偏跟踪即可，精频偏跟踪中的数控振荡电路的实现使用的是DDS，而不是cordic算法，因为FPGA中cordic逻辑的时序延时量较大，导致环路延迟大，影响频偏捕获能力，而DDS只有1到3个clk的延时，可以保证环路捕获行为和跟踪行为的性能；（4）随后，使用频域均衡技术进行信道解卷，再进行码元判决，保证整体的解调信噪比，频域均衡采用单载波频域均衡技术，将信号变换到频域进行信道估计和均衡，均衡完后再变换回时域；（5）判决后的比特信息经过信道译码，得到纠错后的结果，为了支持遥测的精确时标，解调数据将进行匀速输出；（6）由于前面几点，本发明便可适用于一种可遥测、遥控、数传的无人机的地空宽带通信系统的接收终端方法，接收终端包括手持终端和车载终端。
附图说明
图1为本发明方法流程图；
图2为步骤S4子步骤流程图；
图3为实施例实现步骤S401的下变频模块结构示意图；
图4为实施例实现步骤S405的位同步模块结构示意图；
图5为Farrow定时内插模块结构示意图；
图6为实施例实现步骤S406的频偏同步模块结构示意图；
图7为实施例实现步骤S407的频域均衡模块结构示意图；
图8为实施例实现步骤S410的匀速缓冲模块结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案：如图1所示，一种用于无人机地空宽带通信系统的接收终端方法，它包括以下步骤：
S1：射频接收模块接受来自外部的通信信号以及来自FPGA的增益控制信号，经过转换之后发送给中频滤波模块；
S2：中频滤波模块对来自射频接收模块输入的信号进行中频滤波，并发送给ADC；
S3：ADC接收来自中频滤波模块输出的信号，经过转换之后发送给FPGA；
S4：FPGA对信号进行处理后，通过内部接口输出调解数据，FPGA还向射频接收模块输出增益控制信号。
如图2所示，步骤S4包括以下子步骤：
S401：FPGA中的下变频模块对来自ADC的输入进行下变频处理，并输出至AGC控制模块；
S402：AGC控制模块根据信号的功率做自适应的功率控制，输出增益控制信号至射频接收模块，同时输出调解信号至小数抽取模块；
S403：小数抽取模块对接收到的基带信号进行小数倍抽取，输出信号样值至匹配滤波模块；
S404：匹配滤波模块对输入信号进入匹配滤波，并输出至位同步模块；
S405：位同步模块对输入信号进行位同步处理，输出信号至频偏同步模块；
S406：频偏同步模块使用数字锁相环进行载波同步，输出信号至频域均衡模块；
S407：频域均衡模块将信号变换到频域进行信道估计和均衡，均衡完之后再变换回时域，输出信号至译码/判决模块；
S408：译码/判决模块接收信号进行卷积译码，并输出至解交织模块；
S409：解交织模块进行缓冲读写，之后将信号输出至匀速缓冲模块；
S410：匀速缓冲模块将解调数据通过内部接口进行匀速输出。
如图3所示，实现步骤S401的下变频模块包括正交混频电路、低通滤波电路和数控振荡电路，正交混频电路的输入分别与外部输入信号和数控振荡电路连接，正交混频电路输出I、Q两路信号至低通滤波电路，低通滤波电路输出I、Q两路信号至AGC控制模块。数控振荡电路使用CORDIC算法实现，仅消耗少量的寄存器和加法器资源，不消耗RAM，资源损耗基本上可以忽略不计。
所述的步骤S401包括以下子步骤：
S4011：正交混频电路接收来自ADC的输入以及数控振荡电路的输入，输出I、Q两路信号至低通滤波电路，所述的数控振荡电路采用CORDIC算法；
S4012：低通滤波模块对输入信号进行低通滤波后输出至AGC模块。
如图4所示，实现方法步骤S405的位同步模块包括输入缓冲模块、reg模块、定时误差估计模块、环路滤波器、数控振荡电路、定时内插模块、输出缓冲模块和两个移位寄存器，输入缓冲模块的输入与匹配滤波模块连接，输入缓冲模块的输出与reg模块连接，reg模块的输出与其中一个移位寄存器连接，此移位寄存器的输出与定时内插模块连接，定时内插模块的一路输出与另一个移位寄存器连接，此移位寄存器的输出与定时误差模块连接，定时误差估计模块的输出与环路滤波器连接，环路滤波器的输出与数控振荡电路连接，数控振荡电路的输出与定时内插模块连接，定时内插模块的另一路输出通过输出缓冲模块输出数据。定时内插模块使用Farrow结构，插值得到准确的码元判决点，最终通过输出缓冲输出，所述的Farrow结构是一种高效的多项式内插实现结构，其逻辑结构如图5所示。
所述的步骤S405包括以下子步骤：
S4051：将从匹配滤波模块输入数据进行gardner位定时误差估计，得到瞬时误差值；
S4052：环路滤波器滤除高频噪声；
S4053：驱动数控振荡电路产生定时内插使能及内插参数；
S4054：对数据进行定时内插，得到准确的码元判决点；
S4055：通过输出缓冲电路输出结果至频偏同步模块。
由于DDC后残余频偏为码元速率的0.1%左右，接收算法无需考虑粗频偏同步，直接进行精频偏跟踪即可，所述的频偏同步模块为精频偏跟踪模块。如图6所示，实现步骤S406的的频偏同步模块包括正交混频电路、NCO电路、相位误差估计电路和环路滤波电路，正交混频电路、数控振荡电路、相位误差估计电路和环路滤波电路组成数字锁相环，外部I、Q两路输入与正交混频电路连接，正交混频电路的输出分别与相位误差估计电路和频域均衡电路连接，相位误差估计电路的输出与环路滤波电路连接，环路滤波电路的输出与数控振荡电路连接，数控振荡电路的输出与正交混频电路连接；所述的数控振荡电路的实现使用的是DDS算法，而不是cordic算法，因为FPGA中cordic逻辑的时序延时量较大，导致环路延迟大，影响频偏捕获能力，而DDS只有1到3个clk的延时，可以保证环路捕获行为和跟踪行为的性能。
所述的步骤S406包括以下子步骤：
S4061：正交混频电路对从位同步模块输入信号进行正交混频，输出信号至相位误差估计电路；
S4062：相位误差估计电路进行相位估计，输出信号至环路滤波电路；
S4063：环路滤波电路进行滤波，输出至数控振荡电路；
S4064：数控振荡电路输出信号至正交混频电路，所述的数控振荡电路采用DDS算法；
S4065：正交混频电路输出信号至频域均衡模块。
频域均衡采用单载波频域均衡技术，将信号变换到频域进行信道估计和均衡，均衡完后再变换回时域；针对下行链路，算上信道纠错、帧结构损耗等，信息速率较高，达10Mbps左右，多径延迟在十个码元以上，所以应该考虑信道均衡。如果使用传统的单载波时域均衡，在多径延时超过的码元数量较多时，会导致抽自适应滤波器的阶数过大，从而运算复杂并且影响逻辑电路的时序吞吐能力。本系统采用最新的信道均衡技术SCFDE(单载波频域均衡)解决多径干扰。SCFDE和OFDM（正交频分复用）都是在频域上进行信道估计和均衡，相比于传统的单载波时域均衡，具有更高的计算效率和均衡性能，已经成为当今通信系统的热点，并且已经作为IEEE802.16和4G通信的均衡技术方案。而SCFDE相比于OFDM，具有如下优势：（1）SCFDE可克服OFDM技术PAR(峰值平均功率比)过高的问题，从而发射端可以使用低成本的RF功放；（2）SCFDE可克服OFDM技术对频偏比较敏感的弱点，在高速飞行器通信中比OFDM更加可靠；（3）SCFDE和OFDM虽然在信号链路运算模型类似(都存在IFFT和FFT)，但是OFDM的IFFT放在发射端，而SCFDE的IFFT和FFT都在接收端，这样空中载体作为发射端可以消耗更少的硬件资源，对于发射端的小型化及功耗优化来说很有好处。（4）SCFDE在不使用信道编码的情况下，不像OFDM会受到频率选择性衰落的损伤。
如图7所示，实现步骤S407的频域均衡模块包括三个FFT模块即FFT1、FFT2和FFT3、二个IFFT模块即IFFT1和IFFT2、独特字搜索模块、信道估计模块、本地独特字模块、补0模块和信道均衡模块，输入的信号分别与FFT1和独特字搜索模块连接，本地关键字模块的输出与FFT2连接，独特字搜索模块、FFT1和FFT2的输出与信道估计模块连接，信道估计模块的输出与IFFT1连接，IFFT1的输出与补0模块连接，补0模块的输出与FFT3模块连接，FFT1和FFT3的输出与信道均衡模块连接，信道均衡模块与IFFT2连接，IFFT2输出信号。
所述的步骤S407包括以下子步骤：
S4071：频偏同步模块输入的信号分别输入至FFT1电路和独特字搜索模块；
S4072：本地独特字模块输出信号至FFT2电路；
S4073：FFT1电路、FFT2电路和独特字搜索模块同时输出信号至信道估计模块进行信道估计；
S4074：信道估计模块输出信号至IFFT1电路；
S4075：IFFT1电路输出信号至补0模块；
S4076：补0模块输出信号至FFT3电路；
S4077：FFT1电路和FFT3电路同时输出信号至信道均衡模块进行信道均衡处理；
S4078：信道均衡模块通过IFFT2电路输出信号至译码/判决模块。
由于ADC采样时钟和实际的信号码元速率并非整数倍关系，加上解调过程中可能使用了高倍时钟来提升运算速度，所以前面的模块实际上是断续使能的时序。为了支持遥测的精确时标，这里将解调数据进行匀速输出。如图8所示，实现步骤S410的匀速缓冲模块包括数据缓冲模块、缓冲量监测模块、环路滤波模块和数控振荡模块，数据缓冲模块接收输入数据和输入时钟，数据缓冲模块的一路输出与缓冲量监测模块连接，数据缓冲模块的另一路输出输出数据，缓冲量监测模块的输出与环路滤波模块连接，环路滤波模块的输出与数控振荡模块连接，数控振荡模块的一路输出与数据缓冲模块连接，数控振荡模块的另一路输出输出时钟。
所述的步骤S410包括以下子步骤：
S4101：数据缓冲模块接收从解交织模块输入的数据以及时钟，输出信号至缓冲量检测模块；
S4102：缓冲量检测模块对数据缓冲模块的缓冲量进行监测，同时输出信号至环路滤波模块；
S4103：环路滤波模块进行滤波后，输出信号至数控振荡模块；
S4104：数控振荡模块有两路输出，一路输出时钟，一路输出信号控制数据缓冲模块；
S4105：数据缓冲模块输出数据。 

Claims (7)

1.一种用于无人机地空宽带通信系统的接收终端方法，其特征在于：它包括以下步骤：
S1：射频接收模块接受来自外部的通信信号以及来自FPGA的增益控制信号，经过转换之后发送给中频滤波模块；
S2：中频滤波模块对来自射频接收模块输入的信号进行中频滤波，并发送给ADC；
S3：ADC接收来自中频滤波模块输出的信号，经过转换之后发送给FPGA；
S4：FPGA对信号进行处理后，通过内部接口输出调解数据，FPGA还向射频接收模块输出增益控制信号。
2.根据权利要求1所述的一种用于无人机地空宽带通信系统的接收终端方法，其特征在于：所述的步骤S4包括以下子步骤：
S401：FPGA中的下变频模块对来自ADC的输入进行下变频处理，并输出至AGC控制模块；
S402：AGC控制模块根据信号的功率做自适应的功率控制，输出增益控制信号至射频接收模块，同时输出调解信号至小数抽取模块；
S403：小数抽取模块对接收到的基带信号进行小数倍抽取，输出信号样值至匹配滤波模块；
S404：匹配滤波模块对输入信号进入匹配滤波，并输出至位同步模块；
S405：位同步模块对输入信号进行位同步处理，输出信号至频偏同步模块；
S406：频偏同步模块使用数字锁相环进行载波同步，完成基本的同步解调，输出信号至频域均衡模块；
S407：频域均衡模块将信号变换到频域进行信道估计和均衡，均衡完之后再变换回时域，输出信号至译码/判决模块；
S408：译码/判决模块接收信号进行卷积译码，保证整体的解调信噪比，并输出至解交织模块；
S409：解交织模块进行缓冲读写，之后将信号输出至匀速缓冲模块；
S410：匀速缓冲模块将解调数据通过内部接口进行匀速输出。
3.根据权利要求2所述的一种用于无人机地空宽带通信系统的接收终端方法，其特征在于：所述的步骤S401包括以下子步骤：
S4011：正交混频电路接收来自ADC的输入以及数控振荡电路的输入，输出I、Q两路信号至低通滤波电路，所述的数控振荡电路采用CORDIC算法；
S4012：低通滤波模块对输入信号进行低通滤波后输出至AGC模块。
4.根据权利要求2所述的一种用于无人机地空宽带通信系统的接收终端方法，其特征在于：所述的步骤S405包括以下子步骤：
S4051：将从匹配滤波模块输入数据进行gardner位定时误差估计，得到瞬时误差值；
S4052：环路滤波器滤除高频噪声；
S4053：驱动数控振荡电路产生定时内插使能及内插参数；
S4054：对数据进行定时内插，得到准确的码元判决点；
S4055：通过输出缓冲电路输出结果至频偏同步模块。
5.根据权利要求2所述的一种用于无人机地空宽带通信系统的接收终端方法，其特征在于：所述的步骤S406包括以下子步骤：
S4061：正交混频电路对从位同步模块输入信号进行正交混频，输出信号至相位误差估计电路；
S4062：相位误差估计电路进行相位估计，输出信号至环路滤波电路；
S4063：环路滤波电路进行滤波，输出至数控振荡电路；
S4064：数控振荡电路输出信号至正交混频电路，所述的数控振荡电路采用DDS算法；
S4065：正交混频电路输出信号至频域均衡模块。
6.根据权利要求2所述的一种用于无人机地空宽带通信系统的接收终端方法，其特征在于：所述的步骤S407包括以下子步骤：
S4071：频偏同步模块输入的信号分别输入至第一FFT电路和独特字搜索模块；
S4072：本地独特字模块输出信号至第二FFT电路；
S4073：第一FFT电路、第二FFT电路和独特字搜索模块同时输出信号至信道估计模块进行信道估计；
S4074：信道估计模块输出信号至第一IFFT电路；
S4075：第一IFFT电路输出信号至补0模块；
S4076：补0模块输出信号至第三FFT电路；
S4077：第一FFT电路和第三FFT电路同时输出信号至信道均衡模块进行信道均衡处理；
S4078：信道均衡模块通过第二IFFT电路输出信号至译码/判决模块。
7.根据权利要求2所述的一种用于无人机地空宽带通信系统的接收终端方法，其特征在于：所述的步骤S410包括以下子步骤：
S4101：数据缓冲模块接收从解交织模块输入的数据以及时钟，输出信号至缓冲量检测模块；
S4102：缓冲量检测模块对数据缓冲模块的缓冲量进行监测，同时输出信号至环路滤波模块；
S4103：环路滤波模块进行滤波后，输出信号至数控振荡模块；
S4104：数控振荡模块有两路输出，一路输出时钟，一路输出信号控制数据缓冲模块；
S4105：数据缓冲模块输出数据。
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