CN105262495A - 一种数传发射机及其信号辐射方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数传发射机的信号辐射方法，包含以下步骤：将宽带天线接收采集到的待分析信号进行预处理，得到射频采集信号，对射频采集信号进行以能量检测为准则的频谱空隙分析，得到预设频带范围内的频谱空隙检测结果；根据预设频带范围内的频谱空隙检测结果计算发射频率和调制速率及发射本振；将发射载频转换为发射本振的频率控制字；将基带数据以调制速率进行调制后获得中频信号；将中频信号上变频到发射载频上，再经滤波及放大后将信号辐射出去。本发明还公开了一种数传发射机。本发明能够在复杂信道环境下通过分析频谱空隙，实现发射频率和速率的自适应更改，有效降低通信双方的被干扰几率。

Description

一种数传发射机及其信号辐射方法

技术领域

本发明涉及通信领域中的数字调制发射技术领域，具体涉及一种数传发射机及其信号辐射方法。

背景技术

分析频谱空隙方面，主要的方法包括匹配滤波器检测、循环平稳特征检测、能量检测等，其中匹配滤波器检测通过在本地装载与被检测信号频谱特征一样的滤波器，有用信号进入时就会使输出信噪比达到最大，那么如果滤波器的输出信噪比超出一定阈值，即可以认为存在有用信号，这种方法能够获得较高的处理增益，但只能识别指定类型的信号，不能很好地避开复杂干扰频段；循环平稳特征检测，通过提取调制信号特征来判断是否存在有用信号，若非零循环频率处呈现频谱相关性，则存在有用信号，若仅在零循环频率处呈现频谱相关性，则不存在有用信号，该方法的能够区分噪声能量和调制信号能量，但算法复杂度较高，不易实现；能量检测是在一定频带范围内作能量累积，如果检测到的能量高于门限，则说明存在有用信号，如果低于门限，则说明仅有噪声，能量检测基于一个简单的事实，即信号加噪声的能量一定大于噪声单独存在时的能量，故能够检测大部分的信号存在，但在具体实现时需要精确测量环境噪声等参数。

速率自适应技术主要用于无线局域网、移动通信等方面，主要包括闭环类方法和开环类方法，闭环类方法通过直接测量信道信息，如信噪比、接收信号强度、误码率等决定发送速率，速率越低抗噪声的能力越强，此类方法具有普遍适用性和高可靠性；开环类方法通过计算在一段时间内的发送数据的统计信息获得参数，如误帧率、接收的询问帧个数以及吞吐量等，用于判断无线信道的状态以决定发送速率，此类方法实时性较差，需判断较多参数，仅适用于带协议的无线网络设备。

现有技术中，申请号为201310025681.2的专利文献公开了一种数传发射机，给出了一种数传发射机架构，其频段和速率都可以调整，但不能够进行自适应调整，其应用不具备自适应功能。

申请号为200680035788.3的专利文献公开了频段自适应的无线通信，给出了一种频段自适应通信方法，虽然能够根据频谱分析获得可用频段，并决策调制方式，但其频谱分析策略较为复杂，而且需要双向通信监测，不适用于单向数据传输，其应用范围限于双向通信。

非专利文献《用于变参信道的变速率传输技术》，发表于2013年第39卷第6期《无线电通信技术》，能够针对信道进行变速率，但针对的是极低速率的散射通信，不适用于高速数据传输中，其应用范围限于低速通信。

非专利文献《星地链路高速数传系统快时变信道估计方法》，发表于2013年11月《遥测遥控》，提供了一种用于OFDM数传系统的信道分析方法，但较为复杂，其应用范围限于OFDM通信。

数传发射机要求高可靠、低功耗，系统不宜复杂，以往的频率速率自适应技术往往存在检测正确率和系统复杂度之间的矛盾，难以直接应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种数传发射机及其信号辐射方法，能够在复杂信道环境下通过分析频谱空隙，实现发射频率和速率的自适应更改，有效降低通信双方的被干扰几率。

为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：一种数传发射机，其特点是，包含：

频谱空隙分析模块，用于对宽带天线采集到的待分析信号进行预处理得到射频采集信号，对射频采集信号进行以能量检测为准则的频谱空隙分析，获得预设频带范围内的频谱空隙检测结果；

发射载频决策模块，与所述频谱空隙分析模块连接，用于根据预设频带范围内的频谱空隙检测结果获得发射载频；

调制速率决策模块，与所述频谱空隙分析模块连接，用于根据预设频带范围内的频谱空隙检测结果获得调制速率；

信号发射模块，分别与所述发射载频决策模块及调制速率决策模块连接，所述的信号发射模块包含发射本振，与所述发射载频决策模块连接，用于根据发射载频获得发射本振的频率控制字；数传调制器，与所述调制速率决策模块连接，用于根据调制速率将基带数据进行调制上，生成中频信号；数模转换器，与所述数传调制器连接，用于将中频信号由数字信号形式转换为模拟信号形式；上变频器，分别与所述数模转换器及发射本振连接，用于将模拟信号形式的中频信号上变频到发射载频。

所述的信号发射模块还包含功率放大器，与所述上变频器连接，用于将上变频后的发射载频进行功率放大，形成功率放大信号后辐射出去。

所述的频谱空隙分析模块包含宽带放大器，用于对对宽带天线采集到的待分析信号进行放大，形成待分析放大信号；可调本振，用于输出预设本振频率；下变频器，分别与所述宽带放大器及可调本振连接，用于将分析放大信号与预设本振频率进行混频，形成待分析混频信号；滤波器，与所述下变频器连接，用于对待分析混频信号进行低通滤波，形成射频采集信号；模数转换器，与所述滤波器连接，用于将射频采集信号由模拟信号形式转换为数字信号形式；信号分析处理模块，分别与所述模数转换器、发射载频决策模块及调制速率决策模块连接，用于对数字信号形式的射频采集信号进行分析处理，得到预设频带范围内的频谱空隙检测结果。

所述的频谱空隙分析模块与信号发射模块不同时工作。

一种数传发射机的信号辐射方法，其特点是，包含以下步骤：

S1、将宽带天线接收采集到的待分析信号进行预处理，得到射频采集信号，对射频采集信号进行以能量检测为准则的频谱空隙分析，得到预设频带范围内的频谱空隙检测结果；

S2、根据预设频带范围内的频谱空隙检测结果计算发射载频、调制速率及发射本振；

S3、将发射载频转换为发射本振的频率控制字；

S4、将基带数据以调制速率进行调制后获得中频信号；

S5、将中频信号上变频到发射载频上，再经滤波及放大后将信号辐射出去。

所述的步骤S1中对待分析信号进行预处理的步骤包含：

将待分析信号进行放大处理；

将经放大处理后的待分析信号与本振进行混频；

将混频后的待分析信号进行低通滤波，得到射频采集信号。

所述的步骤S1中频谱空隙分析的步骤包含：

A、将射频采集信号作平方运算，采用积分器对时间内的信号进行积分，得到时域能量计算结果输出信号；

B、将时域能量计算结果与时域能量门限值进行比较，判断时域能量计算结果是否大于时域能量门限值预设倍数；

若是，则执行步骤C，

若否，则输出该频段内无信号的结果；

C、将射频采集信号执行快速傅里叶变换后进行频域检测；得到频域能量计算结果；

D、对射频采集信号的频域能量进行积分得到频域能量计算结果；

E、将频域能量计算结果与频域能量门限值进行比较，判断频域能量计算结果是否大于频域能量门限值预设倍数；

若是，则输出该频段内有信号的结果；

若否，则输出该频段内无信号的结果；

F、改变可调本振的频率及低通滤波的带宽，重复步骤A～E，得到预设频带范围内的频谱空隙检测结果。

所述的步骤S2中，发射本振的计算步骤包含：

将预设频带范围内的频谱空隙检测结果以频率检测带宽为最小单位存入寄存器中，并以频率检测带宽为单位设定速率积分带宽；

将速率积分窗以频率为轴进行滑动积分；

判断速率积分窗内的所有频点是否全部未被占用；

若否，则输出速率与频率不可用的结果；

若是，则输出速率与频率可用的结果后将所有可用的速率与频率进行筛选，选择可用速率最高的频率集的中心频率作为发射本振。

所述的预设频带范围为8～10GHz。

本发明一种数传发射机及其信号辐射方法与现有技术相比具有以下优点：通过频谱感知和发射频率及速率调整，使数传发射机能够适应复杂电磁环境，以最佳发射性能和最低干扰状态工作，提高了通信效率和电磁兼容性能。

附图说明

图1为本发明一种数传发射机的整体结构示意图；

图2为频谱空隙分析模块的整体结构示意图；

图3为本发明一种数传发射机的信号辐射方法的流程图；

图4为频率分析流程图。

具体实施方式

以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。

如图1所示，一种数传发射机，包含：频谱空隙分析模块100，用于对宽带天线采集到的待分析信号进行预处理得到射频采集信号，对射频采集信号进行以能量检测为准则的频谱空隙分析，获得预设频带范围内的频谱空隙检测结果；发射载频决策模块200，与所述频谱空隙分析模块100连接，用于根据预设频带范围内的频谱空隙检测结果获得发射载频；调制速率决策模块300，与所述频谱空隙分析模块100连接，用于根据预设频带范围内的频谱空隙检测结果获得调制速率；信号发射模块400，分别与所述发射载频决策模块200及调制速率决策模块300连接，所述的信号发射模块400包含发射本振401，与所述发射载频决策模块200连接，用于根据发射载频获得发射本振的频率控制字；数传调制器402，与所述调制速率决策模块300连接，用于根据调制速率将基带数据进行调制上，生成中频信号；数模转换器403，与所述数传调制器402连接，用于将中频信号由数字信号形式转换为模拟信号形式；上变频器404，分别与所述数模转换器403及发射本振401连接，用于将模拟信号形式的中频信号上变频到发射载频。

在另外一些实施例中，信号发射模块400还包含功率放大器405，与所述上变频器404连接，用于将上变频后的发射载频进行功率放大，形成功率放大信号后辐射出去。

在本实施例中，结合图2所示，所述的频谱空隙分析模块100包含宽带放大器101，用于对对宽带天线采集到的待分析信号进行放大，形成待分析放大信号；可调本振102，用于输出预设本振频率；下变频器103，分别与所述宽带放大器101及可调本振102连接，用于将分析放大信号与预设本振频率进行混频，形成待分析混频信号；滤波器104，与所述下变频器103连接，用于对待分析混频信号进行低通滤波，形成射频采集信号；模数转换器105，与所述滤波器104连接，用于将射频采集信号由模拟信号形式转换为数字信号形式；信号分析处理模块106，分别与所述模数转换器105、发射载频决策模块200及调制速率决策模块300连接，用于对数字信号形式的射频采集信号进行分析处理，得到预设频带范围内的频谱空隙检测结果，主要实现信号平方、综合计算及门限判决的功能。

具体地，其中频谱空隙分析模块100中的宽带放大器101、可调本振102、下变频器103、滤波器104，以及信号发射模块400中的发射本振401、上变频器404和功率放大器405为微波模拟电路。信号分析处理模块106、发射载频决策模块200、调制速率决策模块300和数传调制器402在XilinxXC7K325TFPGA中实现，模拟和数字信号的转换采用了TI公司的高速数模/模数转换芯片。

在本实施例中，结合上述的数传发射机，还公开了采用上述数传发射机的信号辐射方法，如图3所示，包含以下步骤：

S1、将宽带天线接收采集到的待分析信号进行预处理，得到射频采集信号，对射频采集信号进行以能量检测为准则的频谱空隙分析，得到预设频带范围内的频谱空隙检测结果；

S2、根据预设频带范围内的频谱空隙检测结果计算发射载频、调制速率及发射本振，其中发射载频和调制速率取决于频谱空隙检测结果中的最大频谱空隙，取该频谱空隙检测结果的中心频率为发射载频，再根据频谱空隙带宽决定调制速率；

S3、将发射载频转换为发射本振的频率控制字；

S4、将基带数据以调制速率进行调制后获得中频信号，其中基带数据可以由外部设备(如电脑等)产生，并通过传输协议(如RS422，USB等)发送到数传发射机的数传调制器；

S5、将中频信号上变频到发射载频上，再经滤波及放大后将信号辐射出去。

所述的步骤S1中对待分析信号进行预处理的步骤包含：

将待分析信号进行放大处理；

将经放大处理后的待分析信号与本振进行混频；

将混频后的待分析信号进行低通滤波，得到射频采集信号。

所述的步骤S1中频谱空隙分析的步骤包含：

A、将射频采集信号作平方运算，采用积分器对时间内的信号进行积分，得到时域能量计算结果输出信号；

B、将时域能量计算结果与时域能量门限值进行比较，判断时域能量计算结果是否大于时域能量门限值预设倍数；

若是，则执行步骤C，

若否，则输出该频段内无信号的结果；

C、将射频采集信号执行快速傅里叶变换后进行频域检测；得到频域能量计算结果；

D、对射频采集信号的频域能量进行积分得到频域能量计算结果；

E、将频域能量计算结果与频域能量门限值进行比较，判断频域能量计算结果是否大于频域能量门限值预设倍数；

若是，则输出该频段内有信号的结果；

若否，则输出该频段内无信号的结果；

F、改变可调本振的频率及低通滤波的带宽，重复步骤A～E，得到预设频带范围内的频谱空隙检测结果。

所述的步骤S2中，发射本振的计算步骤包含：

将预设频带范围内的频谱空隙检测结果以频率检测带宽为最小单位存入寄存器中，并以频率检测带宽为单位设定速率积分带宽；

将速率积分窗以频率为轴进行滑动积分；

判断速率积分窗内的所有频点是否全部未被占用；

若否，则输出速率与频率不可用的结果；

若是，则输出速率与频率可用的结果后将所有可用的速率与频率进行筛选，选择可用速率最高的频率集的中心频率作为发射本振。

具体应用：本发明的数传发射机的工作频段为8～10GHz，采用QPSK调制，调制数据速率为1Mbps～100Mbps。

将宽带天线接收采集到的待分析信号r(t)＝s(t)+n(t)送入宽带放大器，其中：s(t)为有用信号，n(t)为环境噪声，放大器工作带宽满足8～10GHz，放大器增益根据信号捕获能量需求而定，优选地放大增益优于50dB；

将放大后的信号送入下变频器，与9GHz本振频率进行混频，再经过带宽1MHz的滤波器进行低通滤波得到近零频的信号，变换到近零频是为了易于数字化处理，该信号即为载频f＝9GHz，带宽B＝1MHz的射频采集信号r(t)_fB；

该信号通过模数转换送入FPGA处理，采样率100MHz，量化精度8bit，执行以能量检测为准则的频谱空隙分析；

频谱空隙分析包含以下步骤：

步骤1、将射频采集信号r(t)_fB作平方运算，采用积分器对时间T内的信号进行积分，得到时域能量计算结果的输出信号T可取为0.1ms，对应10000个采样点；

步骤2、将时域能量计算结果V_T和时域能量门限Γ_T进行比较，时域能量门限计算准则为其中n(t)_fB为频带内环境噪声，通过实测获得；

步骤3、若时域能量计算结果超过时域能量门限两倍以上，则将信号执行8192点快速傅里叶变换，将射频采集信号r(t)_fB变换到频域y(k)_fB＝FFT(r(t)_fB)，进行频域检测，否则认为该频段无信号；

步骤4、将频域能量进行积分得频域能量计算结果同频域能量门限Γ_F进行比较，频域能量门限Γ_F为频带内环境噪声的FFT和频域积分，若频域能量计算结果超过频域能量门限两倍以上则认为该频段有信号，否则认为该频段无信号。

步骤5、在8～10GHz范围为以1MHz为步进改变可调本振频率，重复执行步骤1～4，即可得到该频带范围内的频谱空隙检测结果，将该结果送入发射载频决策模块和调制速率决策模块，在FPGA中执行，步骤如下：

将f1＝8GHz至fn＝10GHz频段检测结果以频率检测带宽1MHz为单位存入寄存器中，共n＝2000个寄存器，如图4所示，频谱已占用表示为0，未占用表示为1；

设定速率积分带宽分别为1MHz、2MHz、4MHz…100MHz，对应QPSK的调制速率为1Mbps(速率C)、2Mbps(速率B)、4Mbps(速率A)…100Mbps；

将速率积分窗以频率f为轴，步进为1，进行滑动积分，若该积分窗内的所有频点都没有被占用，即累积结果满窗，说明该速率和频率是可用的；

将所有可用速率和频率进行筛选，选择可用速率最高的频率集的中心频率作为发射本振，例如2Mbps速率下8.004GHz～8.006GHz频段可用，发射本振设定为8.005GHz。

将发射载频转换为发射本振的频率控制字，调制速率提供给数传调制器，再将调制后信号上变频到发射载频，再经过带通滤波处理、功率放大即可传送给天线，将信号辐射出去。

为避免信号自激，频谱空隙监测模块和数传发射模块不同时工作。在常规工作模式，先进行频谱空隙检测，确定工作频率和速率后进行数据传输；在抗干扰工作模式，频谱空隙检测和数据传输过程分时隙交替进行，确保频谱最佳利用。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (9)

1.一种数传发射机，其特征在于，包含：

频谱空隙分析模块，用于对宽带天线采集到的待分析信号进行预处理得到射频采集信号，对射频采集信号进行以能量检测为准则的频谱空隙分析，获得预设频带范围内的频谱空隙检测结果；

发射载频决策模块，与所述频谱空隙分析模块连接，用于根据预设频带范围内的频谱空隙检测结果获得发射载频；

调制速率决策模块，与所述频谱空隙分析模块连接，用于根据预设频带范围内的频谱空隙检测结果获得调制速率；

信号发射模块，分别与所述发射载频决策模块及调制速率决策模块连接，所述的信号发射模块包含发射本振，与所述发射载频决策模块连接，用于根据发射载频获得发射本振的频率控制字；数传调制器，与所述调制速率决策模块连接，用于根据调制速率将基带数据进行调制上，生成中频信号；数模转换器，与所述数传调制器连接，用于将中频信号由数字信号形式转换为模拟信号形式；上变频器，分别与所述数模转换器及发射本振连接，用于将模拟信号形式的中频信号上变频到发射载频。

2.如权利要求1所述的数传发射机，其特征在于，所述的信号发射模块还包含功率放大器，与所述上变频器连接，用于将上变频后的发射载频进行功率放大，形成功率放大信号后辐射出去。

3.如权利要求1所述的数传发射机，其特征在于，所述的频谱空隙分析模块包含宽带放大器，用于对对宽带天线采集到的待分析信号进行放大，形成待分析放大信号；可调本振，用于输出预设本振频率；下变频器，分别与所述宽带放大器及可调本振连接，用于将分析放大信号与预设本振频率进行混频，形成待分析混频信号；滤波器，与所述下变频器连接，用于对待分析混频信号进行低通滤波，形成射频采集信号；模数转换器，与所述滤波器连接，用于将射频采集信号由模拟信号形式转换为数字信号形式；信号分析处理模块，分别与所述模数转换器、发射载频决策模块及调制速率决策模块连接，用于对数字信号形式的射频采集信号进行分析处理，得到预设频带范围内的频谱空隙检测结果。

4.如权利要求1所述的数传发射机，其特征在于，所述的频谱空隙分析模块与信号发射模块不同时工作。

5.一种数传发射机的信号辐射方法，其特征在于，包含以下步骤：

S1、将宽带天线接收采集到的待分析信号进行预处理，得到射频采集信号，对射频采集信号进行以能量检测为准则的频谱空隙分析，得到预设频带范围内的频谱空隙检测结果；

S2、根据预设频带范围内的频谱空隙检测结果计算发射载频、调制速率及发射本振；

S3、将发射载频转换为发射本振的频率控制字；

S4、将基带数据以调制速率进行调制后获得中频信号；

S5、将中频信号上变频到发射载频上，再经滤波及放大后将信号辐射出去。

6.如权利要求5所述的信号辐射方法，其特征在于，所述的步骤S1中对待分析信号进行预处理的步骤包含：

将待分析信号进行放大处理；

将经放大处理后的待分析信号与本振进行混频；

将混频后的待分析信号进行低通滤波，得到射频采集信号。

7.如权利要求5或6所述的信号辐射方法，其特征在于，所述的步骤S1中频谱空隙分析的步骤包含：

A、将射频采集信号作平方运算，采用积分器对时间内的信号进行积分，得到时域能量计算结果输出信号；

B、将时域能量计算结果与时域能量门限值进行比较，判断时域能量计算结果是否大于时域能量门限值预设倍数；

若是，则执行步骤C，

若否，则输出该频段内无信号的结果；

C、将射频采集信号执行快速傅里叶变换后进行频域检测；得到频域能量计算结果；

D、对射频采集信号的频域能量进行积分得到频域能量计算结果；

E、将频域能量计算结果与频域能量门限值进行比较，判断频域能量计算结果是否大于频域能量门限值预设倍数；

若是，则输出该频段内有信号的结果；

若否，则输出该频段内无信号的结果；

F、改变可调本振的频率及低通滤波的带宽，重复步骤A~E，得到预设频带范围内的频谱空隙检测结果。

8.如权利要求5所述的信号辐射方法，其特征在于，所述的步骤S2中，发射本振的计算步骤包含：

将预设频带范围内的频谱空隙检测结果以频率检测带宽为最小单位存入寄存器中，并以频率检测带宽为单位设定速率积分带宽；

将速率积分窗以频率为轴进行滑动积分；

判断速率积分窗内的所有频点是否全部未被占用；

若否，则输出速率与频率不可用的结果；

若是，则输出速率与频率可用的结果后将所有可用的速率与频率进行筛选，选择可用速率最高的频率集的中心频率作为发射本振。

9.如权利要求5所述的信号辐射方法，其特征在于，所述的预设频带范围为8~10GHz。