CN109495212A - 一种用于黑障区高速无线通信的太赫兹无线发射机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于黑障区高速无线通信的太赫兹无线发射机，按照信息的发送方向依次包括组帧模块、纠错编码模块、交织模块、符号映射模块、成型滤波模块、数模转换器（DAC）、I/Q混频器、带通滤波器（BPF）、功率放大器（PA），PA的输出端接入馈源网络，所述馈源网络上设置有由幅相调节控制模块控制的幅相调节组件；在所述馈源网络中，在幅相调节控制模块的控制下，经过幅相调节组件的幅度、相位的调节后，将太赫兹射频信号按照一定的波束方向发射出去。本发明工作太赫兹频段高于300GHz，可实现对等离子鞘套的穿透，能产生波束指向可调节的定向波束，实现无线通信信号的发射。

Description

一种用于黑障区高速无线通信的太赫兹无线发射机
技术领域
本发明涉及无线通信技术，尤其是一种用于黑障区高速通信的太赫兹无线发射机。
背景技术
高速飞行器在临近空间飞行时，由于与大气层发生剧烈的摩擦和挤压，表面温度激增到三千开尔文以上，引起大气分子的电离，使大气分子中绕原子核运动的电子脱离原子核的束缚，形成自由电子，失去电子的大气分子形成带正电的离子。自由电子和离子在飞行器表面形成等离子体。此外，由于飞行器本身隔热材料在高温烧蚀下电离，周围电子浓度大幅度上升，形成包围飞行器的有一定厚度的等离子体，称为“等离子鞘套”。
等离子鞘套对电磁波信号具有极强的吸收效应，使得飞行器与外界的信号传输质量下降，甚至完全中断，即所说的“黑障”现象。飞行器在临近空间飞行时出现黑障现象的区域被称为“黑障区”，在黑障区使用传统微波无线通信技术，则无法解决大容量信息传输的问题。由于黑障区的特殊性质，造成再入大气层的飞行器无法在该阶段开展实时的科学实验和测量，均需将实验数据进行存盘，并等待飞行器脱离黑障区后将获得的数据外传。大容量实时传输技术的缺乏使飞行器黑障现象的研究较为困难。
目前，克服黑障区无法进行信息传输的方法有以下几种：提高用于通信的无线电波载波频率，净化飞行器表面放热材料以减少烧蚀产生的等离子体，提高发射功率和接收机灵敏度，施加强磁场以改变等离子体的运动模式降低对电磁波产生的损耗，表面喷射亲电子材料以吸收电子，改善飞行器的气动外形，合理选择天线的窗口位置，数据记录待出黑障区后重发，落地后回收数据存储器等等。其中数据记录重发和存储器回收是目前主要采用的克服飞行区黑障区通信问题的手段。
发明内容
本发明为克服上述技术缺陷，提出了一种用于黑障区大容量无线通信的太赫兹无线发射机，工作于太赫兹频段高于300GHz ，可实现对等离子鞘套的穿透，实现无线通信信号的发射。
一种用于黑障区高速通信的太赫兹无线发射机，其特征在于：按照信息的发送方向依次包括组帧模块、纠错编码（ECC）模块、交织模块、符号映射模块、成型滤波模块、数模转换器（DAC）、I/Q混频器、带通滤波器（BPF）、功率放大器（PA），功率放大器（PA）的输出端接入馈源网络，所述馈源网络上设置有由幅相调节控制模块控制的幅相调节组件；
所述符号映射模块用于将信息比特映射为符号，获得I、Q两路符号流，实现信息比特到符号的转换；
所述成型滤波模块用于将I、Q两路符号流转换为I、Q两路数字基带信号；
所述数模转换器用于将I、Q两路数字基带信号转换成I、Q两路模拟基带信号；
所述I/Q混频器用于将I、Q两路模拟基带信号转换成一路太赫兹射频信号；
在所述馈源网络中，在幅相调节控制模块的控制下，经过幅相调节组件的幅度、相位的调节后，将太赫兹射频信号按照一定的波束方向发射出去。
等离子鞘套对电磁波的吸收效应存在一个截止频率，等离子鞘套对于高于截止频率的电磁波的吸收大幅下降。该截止频率的大小与等离子体的带电粒子浓度相关，浓度越高，截止频率越大；而带电粒子浓度又与飞行器的飞行速度相关。经研究，临近空间飞行器的等离子体截止频率一般都在300GHz以下，因此可以使用高于该截止频率的电磁波作为无线通信的信息传播载体，实现无线通信信号对等离子鞘套的穿透。利用上述原理，本发明的工作太赫兹频段高于300GHz ，可实现对等离子鞘套的穿透，实现无线通信信号的发射。
所述太赫兹射频信号经过环绕安装于飞行器表面的共形阵列天线按照一定的波束方向发射出去。通过幅相调节控制模块控制的幅相调节组件，可形成定向性波束并实现波束的指向调节，可根据合作通信方（例如卫星）的位置实时调节定向波束的指向。
其中组帧模块将待发送信息比特进行组帧，形成具有一定帧结构的分组数据，但本方案中对帧的结构和帧各部分的长度不作限定。
其中纠错编码模块用于对组帧后的信息比特进行纠错编码，采用低密度耦合校验码（LDPC）编码，对编码矩阵的定义不作限定，根据实际需求进行设置。
其中交织模块采用传统的交织算法，交织分组长度不作限定，根据实际需求设置。
其中符号映射模块采用QPSK映射方式，用于将信息比特映射为符号。
其中成型滤波模块包含上采样功能，对上采样倍数不作限定，实际应用中一般为2~4 倍。
其中发射机设置有两个分别对应I、Q两路数字基带信号的数模转换器，分别用于将I、Q两路数字基带信号转换成对应的I、Q两路模拟基带信号。
其中幅相调节控制模块根据通信合作方的位置和本发射机所处飞行器平台的姿态计算波束所需的指向角度，并快速调节幅相调节组件对射频信号进行幅相调节，使波束指向通信合作方。但对波束指向角度的计算方法不作限定，根据实际应用采用相应的计算方法。
本发明的信息处理流程如下：
首先，待发送的高速信息比特经过组帧模块，形成帧结构的分组数据，便于接收机实现同步；所述分组数据经过纠错编码模块，进行编码处理；编码后的数据经过交织模块进行数据交织；经过交织的数据再经过符号映射模块进行符号映射，获得I、Q两路符号流；所述I、Q两路符号流均经过成型滤波模块，进行包括上采样的成型滤波，分别输出I、Q两路数字基带信号；所述I、Q两路数字基带信号分别送入对应的DAC，得到I、Q两路模拟基带信号；所述I、Q两路模拟基带信号进入I/Q混频器，实现基带信号到太赫兹射频信号的上变频；所述太赫兹射频信号依次经过带通滤波器、功率放大器，得到发射射频信号并送入馈源网络；在馈源网络中，发射射频信号被分配到共形阵列天线的子阵元，在幅相调节控制模块的控制下，经过幅相调节组件的幅度、相位的调节后，按照一定的波束方向发射出去。
本发明具有如下优点：
1. 本发明工作于高于300 GHz的太赫兹频段，可实现对等离子鞘套的高穿透能力；
2. 本发明能产生波束指向可调节的定向波束；
3. 本发明采用LDPC编码方式，能实现较高的编码增益；
4. 本发明采用QPSK映射方式，能实现信息比特到符号的映射。
附图说明
图1为本发明的使用场景示意图。
图2为本发明按信息发送方向的架构示意图。
图3为本发明在实际中可采用的一种帧结构示意图。
具体实施方式
本发明使用的场景如图1所示。当飞行器在大气层中飞行时，等离子鞘套会覆盖飞行器表面和周围，阻碍传统微波无线通信系统的信号传输。因此采用本发明，以避免信号传输受阻的情况。
本发明是一种用于黑障区高速通信的太赫兹无线发射机，该发射机适用的工作频段为高于300GHz的太赫兹，如图1-3中，可以设计为0.3~10 THz。
该发射机按照信息的发送方向依次包括组帧模块、纠错编码模块、交织模块、符号映射模块、成型滤波模块、DAC、I/Q混频器、带通滤波器、功率放大器，功率放大器的输出端接入馈源网络，所述馈源网络上设置有由幅相调节控制模块控制的幅相调节组件；
所述符号映射模块用于将信息比特映射为符号，获得I、Q两路符号流，实现信息比特到符号的转换；
所述成型滤波模块用于将I、Q两路符号流转换为I、Q两路数字基带信号；
所述DAC包括有两个，分别对应I、Q两路数字基带信号，用于将I、Q两路数字基带信号转换成I、Q两路模拟基带信号；
所述I/Q混频器用于将I、Q两路模拟基带信号转换成一路太赫兹射频信号；
在所述馈源网络中，在幅相调节控制模块的控制下，经过幅相调节组件的幅度、相位的调节后，将太赫兹射频信号按照一定的波束方向发射出去。
所述太赫兹射频信号经过环绕安装于飞行器表面的共形阵列天线按照一定的波束方向发射出去。通过幅相调节控制模块控制的幅相调节组件，可形成定向性波束并实现波束的指向调节，可根据合作通信方（例如卫星）的位置实时调节定向波束的指向。
其中组帧模块按照一定的帧结构将待发送信息比特进行组帧，但对帧的结构和帧各部分的长度不作限定。图3是一种实际中可采用的帧结构方案，包括同步头、帧界定符、帧长度、帧内容和帧校验。
其中纠错编码模块用于对组帧后的信息比特进行纠错编码，采用低密度耦合校验码编码，对编码矩阵的定义不作限定，根据实际需求进行设置。
其中交织模块采用传统的交织算法，交织分组长度不作限定，根据实际需求设置。
其中符号映射模块采用QPSK映射方式，用于将信息比特映射为符号。
其中成型滤波模块包含上采样功能，对上采样倍数不作限定，实际应用中一般为2~4 倍。
其中幅相调节控制模块根据通信合作方的位置和本发射机所处飞行器平台的姿态计算波束所需的指向角度，并快速调节幅相调节组件对射频信号进行幅相调节，使波束指向通信合作方。但对波束指向角度的计算方法不作限定，根据实际应用采用相应的计算方法。
本发明的信息处理流程如下：
首先，待发送的高速信息比特经过组帧模块，形成一定帧结构的分组数据，便于接收机实现同步；所述分组数据经过纠错编码模块，进行编码处理；编码后的数据经过交织模块进行数据交织；经过交织的数据再经过符号映射模块进行符号映射，获得I、Q两路符号流；所述I、Q两路符号流均经过成型滤波模块，进行包括上采样的成型滤波，分别输出I、Q两路数字基带信号；所述I、Q两路数字基带信号分别送入对应的DAC，得到I、Q两路模拟基带信号；所述I、Q两路模拟基带信号进入I/Q混频器，实现基带信号到太赫兹射频信号的上变频；所述太赫兹射频信号依次经过带通滤波器、功率放大器，得到发射射频信号并送入馈源网络；在馈源网络中，发射射频信号被分配到共形阵列天线的子阵元，在幅相调节控制模块的控制下，经过幅相调节组件的幅度、相位的调节后，按照一定的波束方向发射出去。
本发明实施后，相对现有技术方案：
1. 现有技术方案主要采用数据记录重发和存储器回收的手段实现黑障区的信息收集，无法实现飞行器黑障区大容量实验数据的实时外传。本发明提出的太赫兹无线发射机工作于高于300 GHz的太赫兹频段，可实现对等离子鞘套的穿透，完成飞行器黑障区大容量实验数据的外传。
2. 本发明采用包围飞行器的共形阵列天线，产生波束指向可调节的定向波束，实现较高的天线增益。
3. 本发明采用LDPC纠错编码方式和QPSK符号映射方式，实现较高的编码增益。

Claims (10)

1.一种用于黑障区高速通信的太赫兹无线发射机，其特征在于：按照信息的发送方向依次包括组帧模块、纠错编码模块、交织模块、符号映射模块、成型滤波模块、数模转换器、I/Q混频器、带通滤波器、功率放大器，功率放大器的输出端接入馈源网络，所述馈源网络上设置有由幅相调节控制模块控制的幅相调节组件；
所述符号映射模块用于将信息比特映射为符号，获得I、Q两路符号流，实现信息比特到符号的转换；
所述成型滤波模块用于将I、Q两路符号流转换为I、Q两路数字基带信号；
所述数模转换器用于将I、Q两路数字基带信号转换成I、Q两路模拟基带信号；
所述I/Q混频器用于将I、Q两路模拟基带信号转换成一路太赫兹射频信号；
在所述馈源网络中，在幅相调节控制模块的控制下，经过幅相调节组件的幅度、相位的调节后，将太赫兹射频信号按照一定的波束方向发射出去；
所述太赫兹无线发射机适用的工作太赫兹频段高于300GHz。
2.根据权利要求1所述的用于黑障区高速通信的太赫兹无线发射机，其特征在于：所述太赫兹射频信号经过环绕安装于飞行器表面的共形阵列天线按照一定的波束方向发射出去。
3.根据权利要求1所述的用于黑障区高速通信的太赫兹无线发射机，其特征在于：所述组帧模块将待发送信息比特进行组帧。
4.根据权利要求1所述的用于黑障区高速通信的太赫兹无线发射机，其特征在于：所述纠错编码模块用于对组帧后的信息比特进行纠错编码，采用低密度耦合校验码编码，对编码矩阵的定义根据实际需求进行设置。
5.根据权利要求1所述的用于黑障区高速通信的太赫兹无线发射机，其特征在于：所述交织模块采用传统的交织算法，交织分组长度根据实际需求设置。
6.根据权利要求1所述的用于黑障区高速通信的太赫兹无线发射机，其特征在于：所述符号映射模块采用QPSK映射方式，用于将信息比特映射为符号。
7.根据权利要求1所述的用于黑障区高速通信的太赫兹无线发射机，其特征在于：所述成型滤波模块包含上采样功能。
8.根据权利要求1所述的用于黑障区高速通信的太赫兹无线发射机，其特征在于：所述数模转换器包括有两个分别对应I、Q两路数字基带信号的数模转换器，分别用于将I、Q两路数字基带信号转换成对应的I、Q两路模拟基带信号。
9.根据权利要求1所述的用于黑障区高速通信的太赫兹无线发射机，其特征在于：所述幅相调节控制模块根据通信合作方的位置和本发射机所处飞行器平台的姿态计算波束所需的指向角度，并调节幅相调节组件对射频信号进行幅相调节，使波束指向通信合作方。
10.根据权利要求1所述的用于黑障区高速通信的太赫兹无线发射机，其特征在于其信息处理流程如下：首先，待发送的高速信息比特经过组帧模块，形成一定帧结构的分组数据，便于接收机实现同步；所述分组数据经过纠错编码模块，进行编码处理；编码后的数据经过交织模块进行数据交织；经过交织的数据再经过符号映射模块进行符号映射，获得I、Q两路符号流；所述I、Q两路符号流均经过成型滤波模块，进行包括上采样的成型滤波，分别输出I、Q两路数字基带信号；所述I、Q两路数字基带信号分别送入对应的DAC，得到I、Q两路模拟基带信号；所述I、Q两路模拟基带信号进入I/Q混频器，实现基带信号到太赫兹射频信号的上变频；所述太赫兹射频信号依次经过带通滤波器、功率放大器，得到发射射频信号并送入馈源网络；在馈源网络中，发射射频信号被分配到共形阵列天线的子阵元，在幅相调节控制模块的控制下，经过幅相调节组件的幅度、相位的调节后，按照一定的波束方向发射出去。
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