CN105530048B - 一种位于短距离红外无线高速通信系统中的通信编码方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种短距离红外无线高速通信系统及其编码方法，解决了随天线转动的信处单元和固定不动的雷达基座间双向高速通信的问题，在小型化、低成本的雷达设计中可以避免引入昂贵的射频汇流环，从而显著低生产成本，特别是在雷达大批量生产时，可以带来可观的经济效益，同时雷达功能不受影响。

Description

一种位于短距离红外无线高速通信系统中的通信编码方法

技术领域

本发明涉及雷达回波的数据传输领域，具体涉及短距离红外无线高速通信系统及一种通信编码方法，用于实现雷达目标回波至雷达显示终端的数字传输。

背景技术

红外通信是利用近红外波段的红外线作为一种无线传输介质来进行传输信息的通信方式。红外线通信方向性很强，适用于近距离的无线传输。尽管通信距离只有几米，却有很多优势：如成本低、体积小、信息传输稳定(不受电磁信号影响)、功耗低等，红外连接比有线连接更加安全可靠，并且避免了因线缆和连接器磨损和断裂造成的检修；其小型化和低成本很适合应用在便携式产品中；并跨平台适应性好、传输速率高，尤其适用于嵌入式系统。

在传统的雷达设计中，雷达天线只作为高频电流和空间电磁波的能量转换装置，用来辐射和接收空间的电磁波，因此旋转的雷达天线和固定不动的雷达基座之间就需要通过射频汇流环来进行通信。射频汇流环作为一种昂贵的微波连接件，可以实现雷达高频发射信号和雷达高频回波信号的双向传输，同时作为一个旋转关节，解决了旋转的雷达天线和固定的雷达基座之间的信号传递问题。由汇流环传来的雷达回波(高频电流信号)经过雷达基座上接收机和信号处理机等各模块的处理就可以送到雷达终端上进行目标显示了。

在大型雷达设计中使用汇流环方便可靠，但在一些小型化雷达的设计领域就不得不考虑其高昂的成本问题了。针对小型化，低成本雷达设计中，雷达天线和雷达基座之间的信号传递问题发明了一种短距离红外无线高速通信系统。和传统雷达设计不同，本发明的应用环境是雷达的发射机、接收机以及信号处理模块等都在雷达天线的背部，随雷达天线一起转动，雷达基座只接收信号处理模块传来的目标结果，此时传输的信号不再是高频电流信号，而转化成了数字信号。本发明很好的解决了随天线转动的信处单元和固定不动的雷达基座间短距离高速数据通信的问题。

发表于2007年6月《光学精密工程》中的“一种低功耗的红外无线视频传输系统”(作者：郭磐、许廷发、倪国强)，本文的主要方案是将摄像机的视频源经AD采样后，经过IRDA(红外数据协会)推荐的RL(1,13)编码后经红外发射电路单向发送至接收电路，然后解码进行视频回放，并达到了16Mbit/s的速率；发表于2009年10月《激光与红外》中的“一种可靠的红外通信协议设计与实现”(作者：王成义、郭秀梅、丛晓燕)，本文使用了保证波特率在2400波特，距离在8m内能可靠传输的双向红外收发电路，主要设计了采用自动重传的停止等待协议，以达到可靠传输的目的。两个方案都是针对自己特定的应用环境，但都不完善，方案一采用IRDA的标准编码实现了16Mbit/s的高速传输，但是单向传输；方案二虽然是双向通信，但是速率不高，属于低速遥控器类的通信，重点在可靠通信协议的设计。在雷达数据传输领域既要求传输速度高，又要求双向通信，上下行链路都要有，本发明解决了上述问题。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对随天线转动的信处单元和固定不动的雷达基座间短距离高速数据通信的问题，提出了一种短距离红外无线高速通信系统及一种通信编码方法，解决了转动的信处单元和固定的雷达基座间的高速数据通信问题。

本发明的技术方案是：一种短距离红外无线高速通信系统，其特征在于，包括两块红外数据收发板，一块位于雷达天线上，一块位于雷达基座上；红外数据收发板包括接收部分和发射部分，其中接收部分包括红外接收管和放大整形电路，发射部分包括红外发射管和驱动电路；

雷达初始回波信号经接收机和信号处理模块转化为数字信号后传入雷达天线侧红外通信接口；经雷达天线侧红外通信接口内的通信编码部分转换为单比特的串行数据流后传入雷达天线侧红外收发板发射部分；经雷达天线侧红外收发板发射部分的驱动电路放大信号后，通过红外发射管将红外线信号发射给雷达基座侧红外收发板接收部分红外接收管；经雷达基座侧红外收发板接收部分的放大整形路传入雷达基座侧红外通信接口中，得到雷达最终回波信号并传入雷达终端；来自雷达终端的控制命令经雷达基座侧红外通信接口转换为单比特串行数据流后，传入雷达基座侧红外收发板发射部分；经过雷达基座侧红外收发板中发射部分驱动电路放大信号后，通过发射管将红外线信号传入雷达天线侧红外收发板接收部分的红外接收管；经雷达天线侧红外收发板接收部分的放大整形电路后传入雷达天线侧红外通信接口中，得到最终雷达控制信号；雷达天线侧红外通信接口将来自雷达终端的命令信号分发到各个子模块以达到控制雷达系统工作的目的。

本发明的进一步技术方案是：雷达天线侧红外发射管的轴线、雷达天线的转动轴线和雷达天线侧红外数据收发板的转动轴线三者相重合，且雷达基座侧红外接收管的轴线和雷达天线侧的红外发射管的轴线相互重合。

本发明的进一步技术方案是：雷达天线侧的红外接收管置于雷达天线侧红外数据收发板的偏心位置。

本发明的进一步技术方案是：一种位于短距离红外无线高速通信系统中的通信编码方法，其特征在于，包括上行数据传送和下行数据传送，且上行数据传送和下行数据传送编码方式一样，包括以下步骤：

步骤一：定义帧结构，帧结构包括前导码、帧开始标志、帧数据和帧结束标志，其中前导码用于数据时钟同步，帧开始标志用于指示数据头的位置，帧数据用于存储待发送的雷达数据，帧结束标志用于指示数据尾的位置；定义数据时钟同步方法，使得收发数据同步；

步骤二：对数据进行通信编码，包括以下子步骤：

子步骤1)：将8比特数据编码变为10比特数据；

子步骤2)：将步骤一中的前导码、帧开始标志和帧结束标志位连同子步骤1)中的数据组成完整的一帧数据；

子步骤3)：将完整的一帧数据发送给0_1位宽调整模块，0_1位宽调整模块内设有快时钟，原单比特数据通过若干倍比特数据表示，按同一数据流方向，调节0或1 比特数据相邻的1或0所占的个数，使得0_1位宽调整模块的发送端和接收端的信号占空比的比例保持一致；

子步骤4)：将调整后的数据串并转化为单比特数据；

步骤三：将单比特数据过发射部分中驱动电路放大信号后，通过红外发射管发射到空间中；

步骤四：红外接收管接收空间中的单比特数据，并经放大整形电路后将数据信号传入红外通信接口部分；

步骤五：对数据信号进行帧头检测，完成数据和时钟的同步；

步骤六：将同步后的数据通过串并转化模块去掉起始和结束标志，得到10比特数据；

步骤七：将10比特数据进行解码，最终得到8比特的雷达回波数据。

本发明的进一步技术方案是：所述快时钟为不低于原发送数据率4倍的快时钟。

发明效果

本发明的技术效果在于：本发明解决了随天线转动的信处单元和固定不动的雷达基座间双向高速通信的问题，在小型化、低成本的雷达设计中可以避免引入昂贵的射频汇流环，从而显著低生产成本，特别是在雷达大批量生产时，可以带来可观的经济效益，同时雷达功能不受影响。

附图说明

图1系统应用环境示意图

图2两侧红外收发管的相对位置

图3短距离红外无线高速通信系统框图

图4 0_1位宽调整以及效果示意图

具体实施方式

下面结合具体实施实例，对本发明技术方案进一步说明。

本发明解决技术问题的方案是：本系统根据雷达信处单元和雷达基座间数据通信的特点，提出了一种上下行链路速率不对称的短距离红外无线高速通信系统。该系统包括了红外数据收发板以及自定义的红外数据通信编码方法，两者之间密切配合，实现了信处单元到雷达基座下行链路高达12Mbit/s的传输速率以及雷达基座到信处单元上行链路的1Mbit/s的传输速率。

本发明的应用环境如图1所示，转动的天线侧有一块红外收发板位于转台上，雷达基座上也有一块红外收发板，两块电路板间没有任何物理连接也没有任何遮挡，天线侧的红外发射管和雷达基座侧的红外接收管对应；天线侧的红外接收管和雷达基座测的红外发射管对应。

考虑到天线侧的电路板会随天线转动，两对红外管之间便不再是静止直视的关系，同时考虑到天线侧到雷达基座侧的数据量大(下行速率要求高)，在电路板设计时，如图2所示，将天线侧红外发射管置于圆形红外收发板的圆心位置，红外接收管置于偏心位置。这样做就可以确保在红外收发板随天线转动的时候，处于转动轴向上的下行链路不受影响，而主要起控制作用的上行链路就不能时刻处于直视，但由于上行链路速率较低，稍微的偏离影响不大。

本发明的系统框图如图3所示，主要包含两部分：一个是左侧的红外通信接口部分即通信编码方法部分，使用verilog硬件描述语言在FPGA中实现；另一个是右侧的红外收发电路板部分，两部分相互配合实现短距离的红外高速通信。上下行链路间除了速率不同，在收发流程以及收发硬件电路上是完全一致的。下面以下行高速链路为例，简述其工作过程：待发送1024个8bit数据首先经过8b/10b编码，然后进行帧头以及数据包的起始终止位的添加构成完整的数据帧，再进入0_1位宽调整，最后进入并串转化模块，此时的单bit串行数据流送到红外收发板的发射部分，经过驱动电路后由红外发射管发送出去；红外线接收管将光信号转化为电信号后经过放大整形电路得到串行的数据流，送往40bit帧头检测模块，随后进入串并转化以及数据提取的模块，去掉用于同步的帧头以及数据包的起始和终止位，得到待解码的数据，最后进入10b/8b解码模块，解码出天线侧信处模块发来的数据。

IRDA(红外数据协会)制定了一系列红外通信标准，是目前IT和通信行业普遍支持的近距离无线数据传输规范。根据速率的不同其对应的调制方式也不同，依次为 3/16调制，4PPM调制和HHH(1,13)编码。不论采用哪种调制方法，IRDA规范采用的调制方法都带来极大的带宽浪费，这是出于降低光辐射平均功率的要求，因为小辐射功率对延长发射光源工作寿命特别重要，能有效提高整机系统的使用寿命。由于本发明中对发射功率没有明确要求，而对带宽利用率要求较高，所以IRDA的规范协议不太适合，需要采用自己定制化的通信协议。

本发明中采用的通信编码方法如下：由于距离较近，直接采用光的通断来传递0，1信号，然后使用8b/10b编码实现直流平衡，避免连0或连1的出现。为了克服信道中的数据延迟以及收发时钟的不同步，在每一帧数据的开始设计了前导码来同步时钟用，同时为了准确的提取数据设计了帧开始标志(Start of Frame)和帧结束标志(End of Frame)。帧结构如表1所示。

表1 方案中使用的通信编码方法帧结构

前导码：11_1111_1111&00_0000_0000，根据8b/10b的编码规则，经过编码后的信处结果不会存在5个以上的连0或连1，使用这个前导码不会和数据混在一起无法识别，而且就根据10个连1到10个连0下降沿来确定最佳的采样点，同步采样时钟，防止误采样。

帧开始标志和帧结束标志：同样利用了信处编码数据不会出现5个以上的连 0或连1，设计成11_1111_1000和00_0111_1111，方便接收端对数据的提取。

本通信编码方法中数据时钟的同步方法为：对前导码11_1111_1111& 00_0000_0000进行检测，以下降沿确定最佳的采样时刻，保证每次都能正确地采样数据，克服时钟抖动以及信道延迟带来可能采样到数据变化边沿的问题。

采用4倍过采样，使用40Mhz的时钟去采样红外收发板传来的接收数据，设计了一个32bit的移位寄存器，用来检测10个连1和10个连0，以四倍采样的话，将会采到40个连1和40个连0，当32bit的寄存器输出为32'hffff时表明下降沿快到来了，当输出为32'h0000时表明下降沿已经过去，就在该寄存器的值从32'hffff 到32'h0000变化时，利用延迟一拍准确捕获到下降沿，并以此为采样移位寄存器清零的基准，正确采样接收数据。

由一个40bit的移位寄存器完成数据的串并转换，根据前导码的下降沿指示来决定移位寄存器开始进行移位的起始时间，然后移位输出的40bit并行数据采取抽取的方法得到10bit的恢复数据，抽取的位置一般取4倍过采样中的2或3的位置。最后对恢复得到的数据进行帧头和帧尾的检测形成有效的数据使能。

本发明中通信编码方法中的0_1位宽调整模块主要完成0和1单bit位宽的调整，正常情况下发送的0和1是等宽的，但是由于光器件特性以及在接收电路中的放大器以及一些RC滤波器的存在会使0和1切换的变化沿不再陡峭，进而使1的宽度削窄，如图2所示。改进的方法有两种，一种是在硬件上作波形修正，另一种是比较方便和简单直观的即本发明中使用的方法，就是改变发送波形的0_1占空比，实验证明本方法切实可行。同硬件波形修正电路相比，本方法不局限于某一硬件电路，普适性较好，而且修改方便。

举例说明为：根据红外收发板的发射部分到另一块红外收发板的接收部分这段物理层链路的测试结果，测试方法为发送端发送占空比为50％的方波信号(0_1等间隔)，查看接收端信号的占空比变化情况(0_1是否还是等间隔)，如果不是，软件通过调节发送端0_1位宽调整模块使接收端信号占空比为50％)将完整的一帧数据发送给0_1位宽调整模块，并通过软件调节，使用高于发送数据率5倍的快时钟，原来1bit 的发送时间内以5倍的快时钟发送便可以发送5个bit的数据，原来的单bit数据0或1就可以变成00000或11111，根据硬件的测试结果来调节0和1所占的个数，保证0_1位宽调整模块的发送端和接收端的信号占空比的比例保持一致。

如图1所示，当雷达整机上电后，雷达系统开始工作，天线做360度机械旋转，本系统也开始工作。具体的工作流程如图3所示，下面分别以上下行链路来说明具体内容。

下行链路：雷达回波信号经过接收机以及信号处理机处理后得到数字化的雷达回波信息，1024点的8bits回波数据进入天线侧的红外通信接口部分。首先经过8b/10b 编码部分，编码的目的是避免连0或连1的出现，编码完成后数据变为1024个10bits的数据；接下来进入添加帧头以及起始和终止标志模块，本模块将设计好的帧头以及起始和结束位连同数据组成完整的一帧数据；再下来进入0_1位宽调整模块，将0和1 的占空比根据硬件电路的测试结果调整到合适的比例上；随后进入并串转换模块，将1028个10bits的并行数据转化成为10280个单bit的数据送出FPGA器件；单 bit的串行数据流直接进入到红外收发板的发射部分，经过驱动电路后由红外发射管辐射到空间中，处于其正下方的红外接收管接收来自空间中的红外信号，经过放大整形电路后送往雷达基座侧FPGA器件中的红外通信接口部分；进入 FPGA器件内的串行数据流首先进行40bits的帧头检测，完成数据和时钟的同步；接下来进入串并转化&数据包的提取模块，去掉起始和结束标志得到雷达回波编码数据即1024个10bits数据；最后进入10b/8b解码模块，得到最终的1024个8bits 的雷达回波数据，并送往雷达终端进行显示。

上行链路：来自雷达终端的控制命令经由雷达基座侧的红外通信接口传送到天线侧的红外通信接口进而控制频综和信处的工作模式，来自雷达终端的16 个8bits的命令首先进入8b/10b编码部分，编码得到的16个10bits的数据；编码后的数据进入添加帧头和起始结束标志部分组成完整数据帧；再进入0_1位宽调整模块进行占空比调整；最后经过并串转换模块得到160个的单bit串行数据流；单 bit的串行数据流直接进入到红外收发板的发射部分，经过驱动电路后由红外发射管辐射到空间中，处于其上方的红外接收管接收来自空间中的红外信号，经过放大整形电路后送往天线侧FPGA器件中的红外通信接口部分；进入FPGA器件内的串行数据流首先进行40bits的帧头检测，完成数据和时钟的同步；接下来进入串并转化&数据包的提取模块，去掉起始和结束标志得到雷达回波编码数据即16个10bits数据；最后进入10b/8b解码模块，得到最终的16个8bits的雷达回波数据，根据不同位置对应的命令，将来自雷达终端的命令分发到各个子模块以达到控制雷达工作的目的。

Claims (2)

1.一种位于短距离红外无线高速通信系统中的通信编码方法，其特征在于，包括上行数据传送和下行数据传送，且上行数据传送和下行数据传送编码方式一样，包括以下步骤：

步骤一：定义帧结构，帧结构包括前导码、帧开始标志、帧数据和帧结束标志，其中前导码用于数据时钟同步，帧开始标志用于指示数据头的位置，帧数据用于

存储待发送的雷达数据，帧结束标志用于指示数据尾的位置；定义数据时钟同步

方法，使得收发数据同步；

步骤二：对数据进行通信编码，包括以下子步骤：

子步骤1)：将8比特数据编码变为10比特数据；

子步骤2)：将步骤一中的前导码、帧开始标志和帧结束标志位连同子步骤1)中的数据组成完整的一帧数据；

子步骤3)：将完整的一帧数据发送给0_1位宽调整模块，0_1位宽调整模块内设有快时钟，原单比特数据通过若干倍比特数据表示，按同一数据流方向，调节0或1比特数据相邻的1或0所占的个数，使得0_1位宽调整模块的发送端和接收端的信号占空比的比例保持一致；

子步骤4)：将调整后的数据串并转化为单比特数据；

步骤三：将单比特数据过发射部分中驱动电路放大信号后，通过红外发射管发射到空间中；

步骤四：红外接收管接收空间中的单比特数据，并经放大整形电路后将数据信号传入红外通信接口部分；

步骤五：对数据信号进行帧头检测，完成数据和时钟的同步；

步骤六：将同步后的数据通过串并转化模块去掉起始和结束标志，得到10比特数据；

步骤七：将10比特数据进行解码，最终得到8比特的雷达回波数据。

2.如权利要求1所述的一种位于短距离红外无线高速通信系统中的通信编码方法，其特征在于，所述快时钟为不低于原发送数据率4倍的快时钟。