CN106506053A - 一种基于天线控制系统的控制方法 - Google Patents

一种基于天线控制系统的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于天线控制系统的控制方法，该方法利用转台控制器、控制装置及天线之间的通信完成对天线的控制，包括启动，系统初始化，建立连接，输入需要选择的波位号或者衰减量，将波位号或者衰减量按照通信格式打包，将打包后的数据传输给转台控制器等步骤。本发明实现了天线的波束角度可调、方向可调、功率可调的功能，为了提高天线角度控制的准确性，也提高了天线的辐射角度以及改善了系统的性能。

Description

一种基于天线控制系统的控制方法
技术领域
本发明属于天线的技术领域，特别涉及一种认知无线电系统的全向通信天线的控制方法。
背景技术
认知无线电(Cognitive Radio，CR)是一种可控频谱共享技术。它能够连续不断地感知无线环境的变化、在不改变系统硬件的条件下，使用可控技术实时地调整系统参数(如发射功率、载波频率等)，以适应环境的变化，从而实现对已有频谱的再利用，能达到很高的频谱的利用率。特别是可让非授权用户，即次用户(seconddary user，SU)使用授权用户，即主用户(primary user，PU)的频谱。由于面对不可再生的无线电频谱资源，与授权用户共享频谱的时候，SU肯定对PU产生一些干扰，那么如何去抑制这些干扰，在不影响PU正常工作的前提下，满足SU的通信质量要求，成为认知无线电系统研究的重点以及挑战。
当前，认知无线电系统作为无线通信领域研究热点之一，一般非授权用户(SU)使用全向天线通信，在时域或频域上寻找可用频谱。基于全向天线的特性，它可以在各个方向上检测当前整个区域的频谱使用情况，由于非授权用户(SU)在实际的通信过程中，仅希望对目标的方向发送和接收信号，这样不可避免会对非目标的方向产生干扰，因此不能充分利用现有的频谱资源。在与授权用户(PU)共享频谱时，减少非授权用户(SU)产生的干扰，能使SU和PU共享信道，可以将可控天线技术引入到认知无线电系统中。非授权用户(SU)使用可控天线进行发射和接收，当非授权用户(SU)处于发射状态时，将对非期望方向的用户形成零陷，使期望方向的用户接收到信噪比最大；当非授权用户(SU)处于接收状态，仅在期望方向上接收信号，零陷窄带波束以外的信号；这样既可以避免非授权用户(SU)对授权用户(PU)产生干扰，又能降低与其它用户间的相互干扰[8]。可控天线是通过空分多址原理来实现对不同用户的区分，从而提高频谱利用率以及通信质量，改善认知无线电系统的性能。
可控天线的结构主要由以下四个部分构成：天线阵列、模数转换(A/D)、波束形成网络、自适应处理部分。如图1所示：
(1)天线阵列部分：它包括多个天线阵元，一般是均匀圆形阵、均匀直线阵、随机分布线阵、十字阵等。
(2)模数转换部分：接收链路(下行)由模拟信号转换数字信号，发射链路(上行)由数字信号转换模拟信号。
(3)自适应处理部分：通过自适应算法和数字信号处理器来对实时输入的信号和干扰矢量进行处理，用来产生自适应的最优权值参数。
(4)波束形成网络：能够动态自适应加权处理，经过自适应信号处理器处理，产生所期望的自适应波束。
在认知无线电系统中，使用全向天线的认知用户与授权用户共享频谱时，不可避免会对授权用户产生干扰，而且控制过程复杂，这样会影响系统的性能。
发明内容
基于此，本发明的首要目地是克服上述问题，提供一种基于天线控制系统的控制方法，该控制方法在认知无线电系统中引入可控天线技术，利用其空分多址特性使认知用户和授权用户共享频谱，在同时域同频域的情况下，可以实现认知用户的通信工作。
本发明的另一个目地在于提供一种基于天线控制系统的控制方法，该天线控制方法可以提高认知无线电系统的性能，作为认知用户能从空域中寻找更多的频谱机会，减少同频干扰，降低了频率复用系数，提高频谱利用率。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种基于天线控制系统的控制方法，其特征在于该方法利用转台控制器、控制装置及天线之间的通信完成对天线的控制，包括如下步骤：
101、启动，系统初始化；
102、控制装置与天线、转台控制器建立连接；
该步骤中，控制装置与天线的连接端口以RS232的形式，用于对天线系统进行程控工作模式的通讯和控制。且控制装置与天线的通信格式如下：
7E+00H+COM(命令)+LEN(数据长度)+DATA(数据)+校验码+7E。
控制装置与天线转台控制器之间的网络协议为UDP协议，双方需要绑定端口号。命令格式为16进制字节。
其中，协议格式是用于上位机(可控天线控制系统也称为控制装置)向下位机(转台控制器)发送控制命令信息，其主要包括有：
起始字节：0xFF，结束字节：OxFE；命令符：操作命令的代码数据位，操作时所需要的数据。
上位机向下位机发送的数据包含下面两种帧格式：
1、三字节命令的帧格式，三字节命令的帧格式包括有起始符、终止符及命令符。
起始符0xFF：作为数据起始标志，收到此字符，则证明数据开始传输。
终止符0xFE：作为数据结束标志，收到此字符，则证明数据传输结束。
命令符0x01：此数值代表着操作命令，不同的命令代表不同的功能。
2、七字节命令的帧格式，七字节命令的帧格式包括有起始符、命令符、透明信息、数据高、数据中、数据低、终止符。
起始符0xFF：作为数据起始标志，收到此字符，则证明数据开始传输。
终止符0xFE：作为数据结束标志，收到此字符，则证明数据传输结束。
命令符0x07：此数值代表着操作命令的信息，按照具体命令填写。
103、输入需要选择的波位号或者衰减量。
在该步骤中，需要判断输入的波位号是否错误，如果错误则要重新操作；并判断衰减量是否超过范围，如果超过范围则需要重新输入。
104、将波位号或者衰减量按照通信格式打包。
105、将打包后的数据传输给转台控制器。
106、转台控制器控制天线工作，并由天线反馈工作状态数据给控制装置。
本发明结合嵌入式和网络技术，来实现天线的波束角度可调、方向可调、功率可调的功能，为了提高天线角度控制的准确性，也提高了天线的辐射角度以及改善了系统的性能。
并且由于对天线的有效控制，能够减少同频干扰，降低了频率复用系数，提高频谱利用率。
附图说明
图1是现有技术的天线结构示意图。
图2是本发明所实施的天线结构示意图。
图3是本发明所实施的控制流程图。
图4是本发明所实施控制字的状态定义图。
图5是本发明所实施ENC28J60的初始化流程图。
图6是本发明所实施天线串口的中断流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图2所示，本发明所实现的天线系统包括有相控阵天线、转台、转台控制器及控制装置构成，所述相控阵天线设置于转台上，转台由转台控制器进行控制，控制装置则实现对转台控制器的控制。
无线通信系统是将可用信息加载到无线电波或射频波上，再利用天线进行电波的发射和接收操作，从而实现设备间的通信。天线还具有能量转换功能，将馈线的高频电流转换为无线电波。垂直极化波就是电场强度方向垂直于地面，水平极化波就是电场强度方向平行于地面。本系统的双频段圆环相控阵天线的天线极化方式是垂直极化，其工作方式是水平面电控扫描，垂直面固定波束。方向图上有主瓣和副瓣之分，波束宽度就是主瓣两半功率点间的夹角，其中主瓣的瓣宽和方向性成反比的，决定了抗干扰能力的强弱。
相控阵天线是在转台控制器的控制下，利用电控制阵列单元的相位来改变波束指向，实现波束的快速扫描，而且其方向图是随着波束的扫描发生变化。通常，使用键盘操作相控阵天线，键盘将输入指令传输给控制装置，控制装置将控制信号传输给转台控制器，转台控制器则执行具体的控制指令，控制相控阵天线的调整。
其具体实现的控制方法为：
101、启动，系统初始化。
102、控制装置与天线、转台控制器建立连接。
该步骤中，控制装置与天线的连接端口以RS232的形式，用于对天线系统进行程控工作模式的通讯和控制。且控制装置与天线的通信格式如下：
7E+00H+COM(命令)+LEN(数据长度)+DATA(数据)+校验码+7E。
控制装置与天线转台控制器之间的网络协议为UDP协议，双方需要绑定端口号。命令格式为16进制字节。
其中，协议格式是用于上位机(可控天线控制系统)向下位机(转台控制器)发送控制命令信息，其注意包括有：
起始字节：0xFF，结束字节：OxFE；命令符：操作命令的代码数据位，操作时所需要的数据。
上位机向下位机发送的数据包含下面两种帧格式：
1、字节命令的帧格式，如表1所示为三字节命令的帧格式。
表1
起始符0xFF：作为数据起始标志，收到此字符，则证明数据开始传输。
终止符0xFE：作为数据结束标志，收到此字符，则证明数据传输结束。
命令符0x01：此数值代表着操作命令，不同的命令代表不同的功能。
2、七字节命令的帧格式，如表2所示为七字节命令的帧格式。
起始符 命令符 透明信息 数据高 数据中 数据低 终止符
0xFF 0x07 0x00 0xaa 0xaa 0xaa 0xFE
1字节 1字节 1字节 1字节 1字节 1字节 1字节
表2
起始符0xFF：作为数据起始标志，收到此字符，则证明数据开始传输。
终止符0xFE：作为数据结束标志，收到此字符，则证明数据传输结束。
命令符0x07：此数值代表着操作命令的信息，按照具体命令填写。
103、输入需要选择的波位号或者衰减量。
在该步骤中，需要判断输入的波位号是否错误，如果错误则要重新操作；并判断衰减量是否超过范围，如果超过范围则需要重新输入。
104、将波位号或者衰减量按照通信格式打包。
105、将打包后的数据传输给转台控制器。
106、转台控制器控制天线工作，并由天线反馈工作状态数据给控制装置。
如图4所示，为天线控制信号中，控制字的状态定义图，每一位的状态均有“0”和“1”两种。
相控阵天线系统通常是由阵列天线、移相器、馈电网络等组成。阵列天线一般是若干个单元天线组成；移相器是由数字式移相器和连续式移相器组成，数字式移相器提供离散的移相值，必须是360°×(1/2)的整数倍，其中n代表位数。在0°～360。范围内，连续式移相器的移相值是可以连续变化的。本系统使用的相控阵天线的移相器是数字式移相器，n＝5，移相器位的状态“0”表示直通，不移相；“1”表示移相，即对应通道相位延迟对应的度数。衰减器位的状态“0”代表直通，不衰减；“1”表示衰减，即对应通道幅度衰减对应的dB数。
具体实践中，在控制装置上使用键盘操作相控阵天线的基本操作步骤如下：
①开机后，系统显示主界面。
②按菜单menu键进入选择界面，根据提示输入需要选择的波位号或者衰减量。
③输入完成后按enter键结束输入，返回主界面。
④如果波位号选择错误，则会显示提示信息，按enter键返回选择界面，重新进行选择。
⑤如果衰减量输入超出范围，会显示提示信息，按enter键返回重新输入。
⑥在选择界面，可以通过上和下及左右键来控制光标，以进行选择。
为了实现网络通信功能，控制装置及转台控制器的以太网模块设计大多是采取嵌入式微控制器和外围协议芯片组合的解决方案，以结合控制装置的主芯片的特性以及更好实现高速通信，转台控制器采用以太网模块设计方式，采用28引脚独立以太网芯片ENC28J60。
如图5所示，基于SPI接口的ENC28J60以太网驱动的核心就是初始化过程。具体实现的过程是首先需要初始化SPI接口，片选使能；再进行软件复位，等待时钟的稳定；然后设置发送缓冲区和接收缓冲区的起始和结束地址；设置MAC地址和配置PHY全双工，最后初始化中断并使能数据接收位。
结合图6所示，转台控制器与相控阵天线通过串口RS232连接，用于对天线系统进行程控工作模式的通讯和控制。其串口的中断方式流程如图6所示。
转台控制器的串口进行初始化设置，与相控阵天线系统建立正常连接后，可控天线控制器就可以使用串口对天线系统进行程控工作模式的通讯和控制。
控制流程是基于μCOS/II操作系统和μIP网络协议栈下实现的，可控天线控制器上电后，显示开机界面，显示实时时钟，下方有三个按钮，RESET复位按钮、Adjust校准按钮、NEXT进入网络信息界面按钮。
转台控制器采用UDP协议网络通讯，且IP地址已经固定为192.168.1.201，端口号为10001，这样需要把控制装置的IP地址设置与转台控制器同一网段，这里设置为192.168.1.200，端口号为10001。控制装置发出约定的控制命令，转台控制器收到控制命令后做出相应的处理。
总之，本发明结合嵌入式和网络技术，来实现天线的波束角度可调、方向可调、功率可调的功能，为了提高天线角度控制的准确性，也提高了天线的辐射角度以及改善了系统的性能。
并且由于对天线的有效控制，能够减少同频干扰，降低了频率复用系数，提高频谱利用率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于天线控制系统的控制方法，其特征在于该方法利用转台控制器、控制装置及天线之间的通信完成对天线的控制，包括如下步骤：
101、启动，系统初始化；
102、控制装置与天线、转台控制器建立连接；
103、输入需要选择的波位号或者衰减量。
104、将波位号或者衰减量按照通信格式打包。
105、将打包后的数据传输给转台控制器。
106、转台控制器控制天线工作，并由天线反馈工作状态数据给控制装置。
2.如权利要求1所述的天线控制系统，其特征在于该步骤中，控制装置与天线的连接端口以RS232的形式，且控制装置与天线的通信格式如下：
7E+00H+COM(命令)+LEN(数据长度)+DATA(数据)+校验码+7E。
3.如权利要求1所述的天线控制系统，其特征在于控制装置与天线转台控制器之间的网络协议为UDP协议，双方需要绑定端口号，命令格式为16进制字节。
4.如权利要求3所述的天线控制系统，其特征在于协议格式是用于上位机向下位机发送控制命令信息，其包括有：起始字节：0xFF，结束字节：OxFE；命令符：操作命令的代码数据位，操作时所需要的数据。
5.如权利要求4所述的天线控制系统，其特征在于上位机向下位机发送的数据包含下面两种帧格式：
1)、三字节命令的帧格式，三字节命令的帧格式包括有起始符、终止符及命令符；
起始符0xFF：作为数据起始标志，收到此字符，则证明数据开始传输；
终止符0xFE：作为数据结束标志，收到此字符，则证明数据传输结束；
命令符0x01：此数值代表着操作命令，不同的命令代表不同的功能；
2)、七字节命令的帧格式，七字节命令的帧格式包括有起始符、命令符、透明信息、数据高、数据中、数据低、终止符；
起始符0xFF：作为数据起始标志，收到此字符，则证明数据开始传输；
终止符0xFE：作为数据结束标志，收到此字符，则证明数据传输结束；
命令符0x07：此数值代表着操作命令的信息，按照具体命令填写。
6.如权利要求1所述的天线控制系统，其特征在于所述103步骤中，在该步骤中，需要判断输入的波位号是否错误，如果错误则要重新操作；并判断衰减量是否超过范围，如果超过范围则需要重新输入。
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