CN109194366B - 基于g3-plc芯片和射频模块的无线自组网跳频电台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于G3‑PLC芯片和软件射频模块的MESH无线自组网跳频电台，包括G3‑PLC芯片和软件射频模块，所述G3‑PLC芯片的收发基带数字信号与软件射频模块相连，软件射频模块由可编程SOC，宽带射频调制解调器AD9371和天线组成，其中可编程SOC包含有ARM处理器和FPGA信号处理单元，完成无线射频信号的频率同步、帧检测和高速宽频域跳频控制，宽带射频调制解调器宽带射频调制解调器AD9371由可编程SOC的跳频算法控制，在100MHZ频域范围内进行高速数字化的跳频。

Description

基于G3-PLC芯片和射频模块的无线自组网跳频电台

技术领域

本发明涉及通信领域，具体是一种基于G3-PLC芯片和软件射频模块的MESH无线自组网跳频电台。

背景技术

无线Mesh网络是一种近年来得到快速发展的无线接入网络技术，它的特点是不需要基站等基础设施，利用分布式动态自组织的无线多跳网络，让处于该网络覆盖范围内的用户在任何时间、任何地点都可以对进行互联互通。在这些网络中，避免了终端无线覆盖范围的局限性，使两个无法直接进行通信的用户终端可以借助其它节点进行分组转发，每一个节点同时是一个路由器，它们能完成发现以及维持到其它节点路由的功能。无线Mesh网络电台可广泛应用于某些特殊环境或应急通信中，如公安人员的通信以及发生地震、水灾后的营救、远海船队的通信、无人机无线飞控、机器人无线数传等场合。

G3-PLC电力线通信(PLC)基带调制解调器可通过交流电力线提供半双工异步数据通信，传输速率高达300kbps。G3-PLC芯片是一款包含物理层(PHY)和媒体访问控制(MAC)层的SOC芯片。G3-PLC采用带有DBPSK、DQPSK、D8PSK调制和前向纠错(FEC)的OFDM技术，其载波分布在10KHz～500KHz的范围内，支持电网的可靠数据通信。它具有增强型的CSMA/CA和ARQ，结合网络路由协议，可支持各种网络的通用MAC层服务。特别是G3-PLC芯片具有强大的有线MESH功能，它能使有线相连的数千用户节点能够互通互联实现自组网的功能。如图1所示的是一款典型的G3-PLC芯片的功能框图。

G3-PLC是一块电力线有线通信的标准，要把它应用于无线领域，需要做架构上的变化和算法上的支持。G3-PLC SOC是一块用于PLC有线通信的基带芯片，为了使其能够工作在环境更加恶劣的无线信道里，必须解决以下几个技术问题：

1.无线电台的频率同步：G3-PLC采用的是OFDM通信方式，它对收发器之间的频率误差要求很高(<10Hz)。如果收发射频载波中心频率为300MHz的话，那么要求系统的晶振稳定度优于0.017ppm,这个频率稳定度是一般的晶振不能够达到的。

2.G3-PLC的信号检测：由于G3-PLC标准所允许的解调信噪比低到-1.2dB,这就对软件射频模块的信号检测提出了很高的要求。

3.适合的宽频域跳频处理算法。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明在成熟的有线MESH基带芯片G3-PLC基础上，发明了一种能使其无线化的智能算法和软件射频电路架构，从而可以实现先进的无线MESH自组网电台功能和优异的跳频抗干扰功能。相较于现有的以WIFI为基础的MESH自组网系统，本发明具有自组网区域大(数千平方公里)，支持用户节点多(数千节点)，抗干扰能力强(跳频能力)和体积小功耗低等明显优势。具体技术方案如下：

一种基于G3-PLC芯片和软件射频模块的MESH无线自组网跳频电台，包括G3-PLC芯片和软件射频模块，所述G3-PLC芯片的收发基带数字信号与软件射频模块相连，软件射频模块由可编程SOC，宽带射频调制解调器AD9371和天线组成，其中可编程SOC包含有ARM处理器和FPGA信号处理单元，完成无线射频信号的频率同步、帧检测和高速宽频域跳频控制，宽带射频调制解调器宽带射频调制解调器AD9371由可编程SOC的跳频算法控制，在100MHZ频域范围内进行高速数字化的跳频。

进一步的，所述可编程SOC为XILINX的ZYNQ-7000SOC。

进一步的，无线射频信号的频率同步具体如下：

基于G3-PLC的帧结构基础上，G3-PLC的帧结构由前导组成，每个前导含有8个相同的同步头(SYNCP),每个SYNCP含有256个样本，样本的采样频率为1.2MSPS；

在300MHz的射频上，在一个SYNCP上的接收机的最大相位变化为：

2π·300·10⁶·2·10^-6·256/(1.2·10⁶)＝0.2π；

由于最大相位变化小于pi,根据前导信号的重复性特点：

s(n)＝s(n+256),n＝0,1…,1791

其中s(n)为G3-PLC的发射复信号，采用差分相关法估计收发端之间的频率偏差f_e，在接收端前导段的接收信号为

r(n)＝s(n)*exp(j*2π*f_e*n*T)+w(n),n＝0,1…,1791

其中exp(j*2π*f_e*n*T)为由频偏f_e产生复数单音，w(n)为白噪声，T为采样周期；

频率偏差f_e的估计值

可由下列公式算出

在获得

后，接收信号r(n)上的频率偏差可以由下列公式移除

N为整个G3-PLC帧的长度，u(n)是频率同步后的OFDM信号。

进一步的，帧检测具体如下：

利用发射信号在帧前导部分的重复特征：

s(n+512)＝s(n),n＝0,1…,1535

其中s(n)为G3-PLC的发射复信号；

差分相关帧检测法为：

其中G(n)是用于信号检测的时间函数，当G(n)>α·P_n时，信号被检测到，这个样本点n为信号到达的时间。其中P_n为噪声功率，α为检测门限。

进一步的，宽频域跳频具体如下：

在FPGA内，基带信号被随机搬移到中频f_i上：

s_i(k)＝s(k)*exp(j*2π*f_i*k*T_s)，k＝0,1,…256*N-1

其中s_i(k)为中频调制后的中频信号，exp(j*2π*f_i*k*T_s)为用以中频调制的复数单音信号，Ts＝3.3ns为中频采样周期。由于中频采样频率307.2MSPS是G3-PLC的OFDM基带采样频率1.2MSPS的256倍，而OFDM一帧的基带长度为N，那么中频采样的长度k＝0,1,…256*N-1；

f_i为小于100MHz的任意随机正整数：

f_i＝100·10⁶*RandomN

其中RandomN是一个(0，1]内的均匀分布的随机数，由FPGA按照调频电台的同步要求产生。

本发明利用G3-PLC物理层的特点，通过频率同步的机制和算法，解决了适合于OFDM接收的频率同步问题；通过差分相关信号检测算法，完成了G3-PLC标准的低信噪比的信号检测问题。G3-PLC的基带信号通过FPGA的中频信号处理，实现了高速宽频域的随机跳频，最后利用AD9371调制解调器实现无线收发。

附图说明

图1是G3-PLC芯片的功能框图；

图2是基于G3-PLC基带芯片的自组网跳频电台的架构图；

图3是G3-PLC标准的帧结构图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图2所示，本发明的基于G3-PLC芯片和软件射频模块的MESH无线自组网跳频电台，包括G3-PLC芯片和软件射频模块，G3-PLC芯片的收发基带数字信号与软件射频模块相连，软件射频模块由可编程SOC，比如XILINX的ZYNQ-7000SOC、宽带射频调制解调器AD9371和天线组成。其中ZYNQ-7000SOC包含有ARM处理器和FPGA信号处理单元，主要完成信号的频率同步、帧检测和高速宽频域跳频控制等功能。宽带射频调制解调器AD9371是一块带宽为100MHz的宽带调制解调器，由ZYNQ-7000的跳频算法控制，在100MHZ频域范围内进行高速数字化的跳频。

本发明还采用以下三种算法：无线电台的频率同步算法、G3-PLC信号的帧检测算法、宽频域跳频算法以及实现。

无线电台的频率同步算法

无线射频信号的频率同步是基于G3-PLC的帧结构基础上的，如图3所示，它由前导(PREAMBLE)组成，每个前导含有8个相同的同步头(SYNCP),每个SYNCP含有256个样本，样本的采样频率为1.2MSPS。

软件射频模块使用一块中等精度的晶振(1ppm)，那么在300MHz的射频上，在一个SYNCP上的接收机的最大相位变化为：

2π·300·10⁶·2·10^-6·256/(1.2·10⁶)＝0.2π

由于最大相位变化小于pi,所以根据前导信号的重复性特点：

s(n)＝s(n+256),n＝0,1…,1791

其中s(n)为G3-PLC的发射复信号。

采用差分相关法估计收发端之间的频率偏差f_e，在接收端前导段的接收信号为

r(n)＝s(n)*exp(j*2π*f_e*n*T)+w(n),n＝0,1…,1791

其中exp(j*2π*f_e*n*T)为由频偏f_e产生复数单音，w(n)为白噪声，T为采样周期。

频率偏差f_e的估计值

可由下列公式算出

在获得

后，接收信号r(n)上的频率偏差可以由下列公式移除

N为整个G3-PLC帧的长度，u(n)是频率同步后的OFDM信号。

G3-PLC信号的帧检测算法

同样利用发射信号在帧前导部分的重复特征：

s(n+512)＝s(n),n＝0,1…,1535

其中s(n)为G3-PLC的发射复信号。

差分相关帧检测法为：

其中G(n)是用于信号检测的时间函数，当

G(n)>α·P_n

时，信号被检测到，这个样本点n为信号到达的时间。其中P_n为噪声功率，

α为检测门限。

宽频域跳频算法以及实现

G3-PLC的OFDM发射信号s(n)是截止频率为500KHz、采样频率为1.2MSPS的基带信号.为了实现高速宽频域跳频，本发明利用了AD9371的宽频调制解调能力，用FPGA实现数字跳频，然后由AD9371进行调制解调。

在FPGA内，基带信号被随机搬移到中频f_i上：

s_i(k)＝s(k)*exp(j*2π*f_i*k*T_s)，k＝0,1,…256*N-1

其中s_i(k)为中频调制后的中频信号，exp(j*2π*f_i*k*T_s)为用以中频调制的复数单音信号，Ts＝3.3ns为中频采样周期。由于中频采样频率307.2MSPS是G3-PLC的OFDM基带采样频率1.2MSPS的256倍，而OFDM一帧的基带长度为N，那么中频采样的长度k＝0,1,…256*N-1。另外f_i为小于100MHz的任意随机正整数：

f_i＝100·10⁶*RandomN

其中RandomN是一个(0，1]内的均匀分布的随机数，由FPGA按照调频电台的同步要求产生。由于中频跳频完全是在FPGA内完成的，AD9371只是一个固定射频载波的调制解调器，这样就可以实现超高速的跳频，使得跳频电台的抗干扰能力大大的增强了。

Claims (4)

1.一种基于G3-PLC芯片和软件射频模块的MESH无线自组网跳频电台，包括G3-PLC芯片和软件射频模块，其特征在于：所述G3-PLC芯片的收发基带数字信号与软件射频模块相连，软件射频模块由可编程SOC，宽带射频调制解调器AD9371和天线组成，其中可编程SOC包含有ARM处理器和FPGA信号处理单元，完成无线射频信号的频率同步、帧检测和高速宽频域跳频控制，宽带射频调制解调器AD9371由可编程SOC的跳频算法控制，在100MHZ频域范围内进行高速数字化的跳频；

无线射频信号的频率同步具体如下：

基于G3-PLC的帧结构基础上，G3-PLC的帧结构由前导组成，每个前导含有8个相同的同步头(SYNCP),每个SYNCP含有256个样本，样本的采样频率为1.2MSPS；

在300MHz的射频上，在一个SYNCP上的接收机的最大相位变化为：

2π·300·10⁶·2·10^-6·256/(1.2·10⁶)＝0.2π；

由于最大相位变化小于pi,根据前导信号的重复性特点：

s(n)＝s(n+256),n＝0,1…,1791

其中s(n)为G3-PLC的发射复信号，采用差分相关法估计收发端之间的频率偏差f_e，在接收端前导段的接收信号为

r(n)＝s(n)*exp(j*2π*f_e*n*T)+w(n),n＝0,1…,1791

其中exp(j*2π*f_e*n*T)为由频偏f_e产生复数单音，w(n)为白噪声，T为采样周期；

频率偏差f_e的估计值

可由下列公式算出

在获得

后，接收信号r(n)上的频率偏差可以由下列公式移除

N为整个G3-PLC帧的长度，u(n)是频率同步后的OFDM信号。

2.如权利要求1的基于G3-PLC芯片和软件射频模块的MESH无线自组网跳频电台，其特征在于：所述可编程SOC为XILINX的ZYNQ-7000SOC。

3.如权利要求2的基于G3-PLC芯片和软件射频模块的MESH无线自组网跳频电台，其特征在于：帧检测具体如下：

利用发射信号在帧前导部分的重复特征：

s(n+512)＝s(n),n＝0,1…,1535

其中s(n)为G3-PLC的发射复信号；

差分相关帧检测法为：

其中G(n)是用于信号检测的时间函数，当

G(n)>α·P_n

时，信号被检测到，这个样本点n为信号到达的时间； 其中P_n为噪声功率，α为检测门限。

4.如权利要求1的基于G3-PLC芯片和软件射频模块的MESH无线自组网跳频电台，其特征在于：宽频域跳频具体如下：

在FPGA内，基带信号被随机搬移到中频f_i上：

s_i(k)＝s(k)*exp(j*2π*f_i*k*T_s)，k＝0,1,…256*N-1

其中s_i(k)为中频调制后的中频信号，exp(j*2π*f_i*k*T_s)为用以中频调制的复数单音信号，Ts＝3.3ns为中频采样周期； 由于中频采样频率307.2MSPS是G3-PLC的OFDM基带采样频率1.2MSPS的256倍，而OFDM一帧的基带长度为N，那么中频采样的长度k＝0,1,…256*N-1；

f_i为小于100MHz的任意随机正整数：

f_i＝100·10⁶*RandomN

其中RandomN是一个(0，1]内的均匀分布的随机数，由FPGA按照调频电台的同步要求产生。

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