CN109525365A - 一种应用于无人机图传的信道编码与调制系统与方法 - Google Patents

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CN109525365A CN201811315198.7A CN201811315198A CN109525365A CN 109525365 A CN109525365 A CN 109525365A CN 201811315198 A CN201811315198 A CN 201811315198A CN 109525365 A CN109525365 A CN 109525365A
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Abstract

本发明提供了一种应用于无人机图传的信道编码与调制系统，包括FPGA芯片，所述FPGA芯片包括加扰模块、RS编码模块、卷积交织模块、卷积编码模块、内交织模块、星座映射模块、帧形成模块、导频载波和TPS信号模块、OFDM模块。本发明还提供了一种应用于无人机图传的信道编码与调制方法。本发明的有益效果是：其信道编码与调制部分采用FPGA实现，使其面积减小，功耗降低，成本降低，并增大了传输速率；卷积交织模块提供了不同的交织深度方案，使其在移动环境下的信息传输具有更强的抗干扰能力；在OFDM模块提出了以循环前缀和固定的伪随机序列作为保护间隔的两种方案，可以使接收端同步时间减少，继而减小系统的延迟时间。

Description

一种应用于无人机图传的信道编码与调制系统与方法
技术领域
本发明涉及信道编码与调制系统，尤其涉及一种应用于无人机图传的信道编码与调制系统与方法。
背景技术
随着无人机及其相关技术的飞速发展，其应用场合变得越来越广泛。目前，无人机已应用在喷洒农药、电力检测、勘探地质、灾害应急、地图测绘、环境监测等诸多领域。这其中的绝大部分应用场景都会涉及到无线图像传输模块。传统的无线图传(图像传输)以模拟图像为主，其受到稳定性，传输距离，画面质量等的限制。如今，数字图传已成为主要发展趋势，但目前基于CPU或者DSP的数字图传依然面临着成本高，功耗高，可靠性底等诸多问题。因此，无人机数字无线图传仍有很大的优化与发展空间。
在现有的无人机图传方案中，常采用基于CPU或者DSP的数字图传方案，其信道编码与调制部分多是基于CPU或多块DSP组合实现的，难以满足当前无人机在一些场合下对于图传系统延迟时间和分辨率的要求。且微型无人机体积较小，所携带电池容量较小。采用多块DSP或CPU的体积较大，占用了无人机上本就不多的空间，高功耗使电池电量消耗迅速。并拉高了无人机的整体成本。
发明内容
为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种应用于无人机图传的信道编码与调制系统与方法。
本发明提供了一种应用于无人机图传的信道编码与调制系统，包括FPGA芯片，所述FPGA芯片包括加扰模块、RS编码模块、卷积交织模块、卷积编码模块、内交织模块、星座映射模块、帧形成模块、导频载波和TPS信号模块、OFDM模块，其中，所述加扰模块的输出端与所述RS编码模块的输入端连接，所述RS编码模块的输出端与所述卷积交织模块的输入端连接，所述卷积交织模块的输出端与所述卷积编码模块的输入端连接，所述卷积编码模块的输出端与所述内交织模块的输入端连接，所述内交织模块的输出端与所述星座映射模块的输入端连接，所述星座映射模块的输出端与所述帧形成模块的输入端连接，所述导频载波和TPS信号模块的输出端与所述帧形成模块的输入端连接，所述帧形成模块的输出端与所述OFDM模块的输入端连接。
作为本发明的进一步改进，所述卷积交织模块提供交织深度为12/24两种模式供选择；所述卷积编码模块支持1/2，2/3，3/4，5/6，7/8五种码率；所述星座映射模块支持QPSK，16QAM和64QAM三种调制方式；所述导频载波和TPS信号模块向所述帧形成模块插入三种载波信号：离散导频，连续导频和TPS；所述OFDM模块提供了循环前缀和伪随机序列两种保护间隔的模式。
本发明还提供了一种应用于无人机图传的信道编码与调制方法，基于所述的应用于无人机图传的信道编码与调制系统进行以下步骤：
S1、加扰，通过加扰模块将输入数据与按要求产生的伪随机序列按位异或，然后将加扰后的数据输出给RS编码模块；
S2、RS编码，通过RS编码模块进行RS编码，RS编码模块的所有的运算都是在伽罗华域中进行的，通过伽罗华域的加法和乘法运算得到RS编码包，然后将RS编码包输出给卷积交织模块；
S3、外交织，通过卷积交织模块进行外交织，并将外交织结果输出给卷积编码模块；
S4、卷积编码，通过卷积编码模块进行卷积编码，并将卷积编码结果输出给内交织模块；
S5、内交织，通过内交织模块进行内交织，内交织共含三部分：解复用，比特交织和符号交织，将内交织结果输出给星座映射模块；
S6、星座映射，通过星座映射模块进行星座映射，星座映射是把经符号交织输出的v比特位宽的数据符号流按照星座映射规则转换为复数电平符号流的过程，每v比特位宽的输入符号对应星座图中的一个星座点，输出数据采用定点数形式，将星座映射结果输出给帧形成模块；
S7、帧形成，通过帧形成模块进行帧形成，通过导频载波和TPS信号模块向帧形成模块插入三种载波信号：离散导频，连续导频和TPS，将帧形成结果输出给OFDM模块；
S8、正交频分复用，OFDM模块提供了循环前缀和伪随机序列两种保护间隔的模式。
作为本发明的进一步改进，在步骤S1中，伪随机序列是通过伪随机序列发生器产生的，伪随机序列发生器是一个15位的移位寄存器，其生成多项式为1+x14+x15，伪随机序列发生器主要由15个移位寄存器和若干异或门和与门组成；在一个时钟周期内产生一个字节的伪随机序列，与输入的一个字节数据进行异或，达到加扰的目的。
作为本发明的进一步改进，在步骤S2中，在伽罗华域CF(2m)中，有n＝2m个称号分别为0，a0，a1，...an-2，并且伽罗华域中的每个符号都用a0，a1，a2，...am-1的和来表示，伽罗华域的加法运算为模2加法，即不进位不借位，只对当前位做异或运算；
RS编码采用的是RS(204，188)，它是由系统码RS(255，239)前面的51位进行置零操作后编码输出而得；
其GF(28)域上的生成多项式g(x)为
g(x)＝(x+a0)(x+a1)...(x+a15) (1)
其本原多项式p(x)为
p(x)＝x8+x4+x3+x2+1 (2)
本原多项式p(x)＝0的根a为00000010，a＝02HEX；
按照伽罗华域的计算规则，令p(a)＝0可以得到a8＝a4+a3+a2+1；依次类推，GF(28)域中的每一个元素都用一组自然基底{1，a1，a2，...，a7}来表示；
根据伽罗华域四则运算法则，将g(x)的表达式展开，得到：
g(x)＝(x+a0)(x+a1)...(x+a15)
＝x16+a120x15+a104x14+a107x13+a109x12+a102x11+a161x10
+a176x9+a3x8+a91x7+a191x6+a147x5+a169x4+a182x3+a194x2+a255x+a120 (3)
将a＝02HEX代入到g(x)表达式，得到：
g(x)＝x16+59x15+13x14+104x13+189x12+68x11+209x10+30x9+8x8+163x7+65x6+41x5+229x4+98x3+50x2+36x+59 (4)
上式中g(x)即为所输出的编码结果，为方便下文说明，将上式中各项系数以字母替代，为：
g(x)＝x16+g15x15+g14x14+g13x13+g12x12+g11x11+g10x10+g9x9+g8x8+g7 x7+g6 x6+g5x5+g4x4+g3x3+g2x2+g1x+g0 (5)
由上式可知，编码结果由伽罗华域的加法和乘法运算实现，加法由相应元素进行异或得到，乘法器采用标准基乘法器，标准基乘法器的原理如下：GF(28)上任意两个元素A，B及其乘积C分别用多项式表示为
A(x)＝a7x7+a6x6+a5x5+a4x4+a3x3+a2x2+a1x+a0 (6)
B(x)＝b7x7+b6x6+b5x5+b4x4+b3x3+b2x2+b1x+b0 (7)
C(x)＝c7x7+c6x6+c5x5+c4x4+c3x3+c2x2+c1x+c0 (8)
C(x)＝(A(x)×B(c))modp(x) (9)
以g0为例，其值为00111011，设b＝(b7b6b5...b0)为一个8比特的二进制数，与g0作伽罗华域的乘法，其乘积c表示为：
矩阵γ是g0由伽罗华域乘法特性得到的，从上式中可以看到，伽罗华域的乘法运算在该算法下被转化为一系列的异或运算，而不再需要与门，将出现频率较高的用新的元素替代，将生成多项式中涉及的15个乘法器写成子模块，以便RS编码模块实现调用。
作为本发明的进一步改进，在步骤S3中，外交织的交织深度为12或24，宽度为17，其输入数据为RS编码后产生的以204字节为单位的数据包，卷积交织模块主要包括一个11或23路地址产生模块、双口RAM读写地址选择模块和一个控制模块；
根据交织深度I＝12，第一路无延迟不需要存储，实现过程中需要将双口RAM划分成不同长度的11部分，每部分的存储长度对应各支路的延迟长度，即第一块的存储长度为M＝17，第二块的存储长度为2M，依次类推，最后一部分的存储长度为11M；给每个子模块对应的支路地址赋值，采用一组模值不同的循环计数器来实现，每输入12个数据计数器的值相应加1；
对于各分块地址计数器的初始地址的选择分为两种情况，一是前面几位作为分模块片选指示，后几位均为相对初值为0的相应模值的计数循环，二者共同拼接之后作为子模块的真实地址，各模块的地址不一定顺序相连；另一种是各计数器初值和最大值均不相同，直接按顺序依次赋值，后一个子模块的初值是前一个子模块的最大值加1，即顺序分配地址；
交织过程中，控制模块根据输入字节的计数状态将各支路的子地址映射给双口RAM的读写地址，在读有效和写有效信号的控制下进行数据的输入输出，实现整个交织过程；采用相同的读写地址，依次对各地址进行先读后写操作；
在控制模块中设置一个0到11的输入数据计数器，对输入数据依次循环计数，计数器的值为0时，RAM的读写地址为0；计数器的值为1时，RAM的读写地址为支路一的地址产生器Addr1的当前值，同样的，计数器值为2～11时，双口RAM的读写地址对应各支路子地址Addr2～Addr11的当前值，同一通道两次数据字节输入的时间周期为12，因此各子地址的值是每12个输入数据发生一次变化，刚好进入每个支路的每个数据按照相应的地址映射到不同的RAM空间。
作为本发明的进一步改进，在步骤S4中，卷积编码模块使用的卷积编码码率为1/2，2/3，3/4，5/6，7/8共五种，不同的码率对应不同的收缩模式，经过串并转换后有不同的发送序列；首先将以字节为单位的TS数据转换为单比特数据，然后经过1/2主卷积码编码器后产生X和Y两路输出，即在1/2主卷积码编码器部分，每输入1比特数据，产生两个比特输出，之后按照相应的模式所给的参数进行收缩后，转换成一路串行数据发送出去；对于输入数据，卷积编码模块采用以下处理方法：首先统一卷积编码模块模块时钟为系统时钟，并调用同步FIFO的IP核，令FIFO输入单位为字节，输出为1比特，先将传输给卷积编码模块的数据送入FIFO中，每三个时钟周期内，前两个时钟周期各输出1比特数据，第三个时钟周期不做输出操作，在2/3码率下，经过删余以及串并转换处理后，三个时钟周期刚好输出三个比特数据。
作为本发明的进一步改进，在步骤S5中，解复用是将卷积编码后的一路串行比特流转换为v路并行数据，根据不同的星座映射，v的值取2，4，6；比特交织是以126字节的交织块为单位，按照既定规则进行前后换序；符号交织的目的是将V比特字映射在每个OFDM符号的1512个或6048个有效载波上。
作为本发明的进一步改进，在步骤S6中，星座映射的输出数据采用定点数形式，采用12位定点数取1位符号位，1位整数位，10位小数位，采取查找表的方式，按照三种映射规则将归一化的电平符号的实部虚部存储起来，输出时以v比特字的大小作为地址读取查找表中存储的内容，分I、Q两路输出出来；在步骤S7中，插入的三种载波信号：离散导频，连续导频和TPS按位置标号产生选择器控制信号。
作为本发明的进一步改进，在步骤S8中，正交频分复用采用傅立叶逆变换实现，首先将帧形成模块输出的1705个有效载波，通过在规定位置的插零处理，扩展至2048点；保护间隔采用两种方案实现，第一种为循环前缀，即将IFFT的结果的末尾部分数据在前端重复输出，第二种是采用固定的伪随机序列的方式；IFFT的IP核的输出数据也是12位定点数，将IFFT的输出定为1位符号位，11位整数位；当模式控制器选择采用循环前缀作为保护间隔时，直接对傅里叶逆变换IP核进行设置，即可自动输出循环前缀；当模式控制器选择采用伪随机二进制序列作为保护间隔时，由PRBS子模块计算生成。
本发明的有益效果是：其信道编码与调制部分采用FPGA实现，使其面积减小，功耗降低，成本降低，并增大了传输速率；卷积交织模块提供了不同的交织深度方案，使其在移动环境下的信息传输具有更强的抗干扰能力；在OFDM模块提出了以循环前缀和固定的伪随机序列作为保护间隔的两种方案，可以使接收端同步时间减少，继而减小系统的延迟时间。
附图说明
图1是本发明一种应用于无人机图传的信道编码与调制系统的示意图。
图2是本发明一种应用于无人机图传的信道编码与调制系统的伪随机序列发生器原理图。
图3是本发明一种应用于无人机图传的信道编码与调制系统的卷积交织原理图。
图4是本发明一种应用于无人机图传的信道编码与调制系统的卷积交织实现原理图。
图5是本发明一种应用于无人机图传的信道编码与调制系统的卷积编码原理图。
图6是本发明一种应用于无人机图传的信道编码与调制系统的1/2主卷积码编码原理图。
图7是本发明一种应用于无人机图传的信道编码与调制方法的内交织及星座映射流程图。
图8是本发明一种应用于无人机图传的信道编码与调制系统的比特交织实现原理图。
图9是本发明一种应用于无人机图传的信道编码与调制系统的符号交织实现原理图。
图10是本发明一种应用于无人机图传的信道编码与调制系统的星座映射模块的实现结构图。
图11是本发明一种应用于无人机图传的信道编码与调制系统的OFDM模块内部结构图。
图12是本发明一种应用于无人机图传的信道编码与调制系统的AD适配模块电路图。
具体实施方式
下面结合附图说明及具体实施方式对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种应用于无人机图传的信道编码与调制系统，包括FPGA芯片，FPGA(Field－Programmable Gate Array)，即现场可编程门阵列，所述FPGA芯片包括加扰模块1、RS编码模块2、卷积交织模块3、卷积编码模块4、内交织模块5、星座映射模块6、帧形成模块7、导频载波和TPS信号模块8、OFDM模块9，其中，所述加扰模块1的输出端与所述RS编码模块2的输入端连接，所述RS编码模块2的输出端与所述卷积交织模块3的输入端连接，所述卷积交织模块3的输出端与所述卷积编码模块4的输入端连接，所述卷积编码模块4的输出端与所述内交织模块5的输入端连接，所述内交织模块5的输出端与所述星座映射模块6的输入端连接，所述星座映射模块6的输出端与所述帧形成模块7的输入端连接，所述导频载波和TPS信号模块8的输出端与所述帧形成模块7的输入端连接，所述帧形成模块7的输出端与所述OFDM模块9的输入端连接，正交频分复用，英文原称Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing，缩写为OFDM。
本发明提供的一种应用于无人机图传的信道编码与调制系统，采用FPGA(FieldProgrammable Gate Array)实现，其中，卷积交织模块3提供交织深度为12/24两种模式供选择，卷积编码模块4支持1/2，2/3，3/4，5/6，7/8五种码率。星座映射模块6支持QPSK，16QAM和64QAM三种调制方式。在帧形成模块7需要插入三种载波信号：离散导频，连续导频和TPS(Transmission Parameter Signal)。在OFDM(Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing)模块9部分提供了循环前缀和伪随机序列两种保护间隔的模式。
本发明还提供了一种应用于无人机图传的信道编码与调制方法，基于所述的应用于无人机图传的信道编码与调制系统进行以下步骤：
S1、加扰，通过加扰模块1将输入数据与按要求产生的伪随机序列按位异或，然后将加扰后的数据输出给RS编码模块2；
S2、RS编码，通过RS编码模块2进行RS编码，RS编码模块2的所有的运算都是在伽罗华域中进行的，通过伽罗华域的加法和乘法运算得到RS编码包，然后将RS编码包输出给卷积交织模块3；
S3、外交织，通过卷积交织模块3进行外交织，并将外交织结果输出给卷积编码模块4；
S4、卷积编码，通过卷积编码模块4进行卷积编码，并将卷积编码结果输出给内交织模块5；
S5、内交织，通过内交织模块5进行内交织，内交织共含三部分：解复用，比特交织和符号交织，将内交织结果输出给星座映射模块6；
S6、星座映射，通过星座映射模块6进行星座映射，星座映射是把经符号交织输出的v比特位宽的数据符号流按照星座映射规则转换为复数电平符号流的过程，每v比特位宽的输入符号对应星座图中的一个星座点，输出数据采用定点数形式，将星座映射结果输出给帧形成模块7；
S7、帧形成，通过帧形成模块7进行帧形成，通过导频载波和TPS信号模块向帧形成模块8插入三种载波信号：离散导频，连续导频和TPS，将帧形成结果输出给OFDM模块9；
S8、正交频分复用，OFDM模块9提供了循环前缀和伪随机序列两种保护间隔的模式。
加扰模块1是将输入数据与按要求产生的伪随机序列按位异或，然后再输出。伪随机序列发生器是一个15位的移位寄存器，其生成多项式为1+x14+x15。具体电路设计如图2。由15个移位寄存器和若干异或门和与门组成。
根据公式可知，伪随机序列的产生是在每个时钟周期下产生一个比特输出。而TS流的加扰以及后续的RS编码模块2均是以字节为单位进行的。若以比特为单位进行伪随机序列的产生，则需要将输入的TS流由字节转换为比特为单位，将加扰后输出数据由比特转换为字节为单位。这使电路变得更加复杂，且需要更高的时钟，提高了对时序的要求。图2则给出了一个能够以字节为单位输出随机序列的方案。在一个时钟周期内可以产生一个字节的伪随机序列，与输入的一个字节数据进行异或，达到加扰的目的。
RS编码模块2的所有的运算都是在伽罗华域中进行的。在伽罗华域CF(2m)中，有n＝2m个称号分别为0，a0，a1，...an-2，并且伽罗华域中的每个符号都可以用a0，a1，a2，...am-1的和来表示。伽罗华域的加法运算为模2加法，即不进位不借位，只对当前位做异或运算。
本系统中的RS编码采用的是RS(204，188)，它是由系统码RS(255，239)前面的51位进行置零操作后编码输出而得。其GF(28)域上的生成多项式g(x)为
g(x)＝(x+a0)(x+a1)...(x+a15) (1)
其本原多项式p(x)为
p(x)＝x8+x4+x3+x2+1 (2)
本原多项式p(x)＝0的根a为00000010(a＝02HEX)。按照伽罗华域的计算规则，令p(a)＝0可以得到a8＝a4+a3+a2+1。依次类推，GF(28)域中的每一个元素都可以用一组自然基底{1，a1，a2，...，a7}来表示。
根据伽罗华域四则运算法则，可将g(x)的表达式展开，可以得到：
g(x)＝(x+a0)(x+a1)...(x+a15)
＝x16+a120x13+a104x14+a107x13+a109x12+a102x11+a161x10
+a176x9+a3x8+a91x7+a191x6+a147x5+a169x4+a182x3+a194x2+a255x+a120 (3)
将a＝02HEX代入到g(x)表达式，可以得到：
g(x)＝x16+59x15+13x14+104x13+189x12+68x11+209x10+30x9+8x8+163x7+65x6+41x5+229x4+98x3+50x2+36x+59 (4)
上式中g(x)即为所输出的编码结果，为方便下文说明，将上式中各项系数以字母替代，为：
g(x)＝x16+g15x15+g14x14+g13x13+g12x12+g11x11+g10x10+g9x9
+g8x8+g7x7+g6xw+g5x5+g4x4+g3x3+g2x2+g1x+g0 (5)
由上式可知，编码结果由伽罗华域的加法和乘法运算实现。加法可由相应元素进行异或得到。乘法器通常有四种方法来实现：查找表法，双基乘法器，正交基乘法器和标准基乘法器。综合各方法的优缺点，在本发明中采用标准基乘法器。标准基乘法器的原理如下：GF(28)上任意两个元素A，B及其乘积C可以分别用多项式表示为
A(x)＝a7x7+a6x6+a5x5+a4x4+a3x3+a2x2+a1x+a0 (6)
B(x)＝b7x7+b6x6+b5x5+b4x4+b3x3+b2x2+b1x+b0 (7)
C(x)＝c7x7+c6x6+c5x5+c4x4+c3x3+c2x2+c1x+c0 (8)
C(x)＝(A(x)×B(c))modp(x) (9)
以g0为例，其值为00111011，设b＝(b7b6b5...b0)为一个8比特的二进制数，与g0作伽罗华域的乘法，其乘积c表示为：
矩阵γ是g0由伽罗华域乘法特性得到的。从上式中可以看到，伽罗华域的乘法运算在该算法下被转化为一系列的异或运算，而不再需要与门。将出现频率较高的用新的元素替代，将生成多项式中涉及的15个乘法器写成子模块，以便编码模块实现调用。
卷积交织模块3以深度为2，宽度为5的交织器为例，如图3，当输入数据依次为0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，12，13，14时，若交织器内预先存储的数据全为0，则输出数据依次为0，0，0，0，0，5，0，0，0，0，10，1，0，0，0，*，6，0，0，0，*，11，2，0，0，*，*，7，0，0，*，*，12，3，0，*，*，*，8，0，*，*，*，13，4，*，*，*，*，9，*，*，*，*，14。其中“*”为14之后的输入数据。本系统中卷积交织原理与上图一样，只是交织深度为12或24，宽度为17。在这里的输入为上一模块输出，即RS编码后产生的以204字节为单位的包。由于12×17刚好为204，所以每个RS包的包头刚好从无延迟支路输出。
卷积交织的内部结构如图4。一般深度和宽度较小的卷积交织器可采用移位寄存器实现。但当M和I值都比较大的时候，会消耗大量的寄存器和LUT资源。而FPGA芯片中RAM(Random Access Memory)资源比较丰富，只需要消耗一块18K的BRAM即可实现交织过程。其结构主要包括一个11或23路地址产生模块，双口RAM读写地址选择模块和一个控制模块。
根据交织深度I＝12，第一路无延迟不需要存储，实现过程中需要将双端口RAM划分成不同长度的11部分，每部分的存储长度对应各支路的延迟长度，即第一块的存储长度为M＝17，第二块的存储长度为2M，依次类推，最后一部分的存储长度为11M。最关键的就是如何给每个子模块对应的支路地址赋值，可采用一组模值不同的循环计数器来实现，每输入12个数据计数器的值相应加1。
对于各分块地址计数器的初始地址的选择分为两种情况，一是前面几位作为分模块片选指示，后几位均为相对初值为0的相应模值的计数循环，二者共同拼接之后作为子模块的真实地址，各模块的地址不一定顺序相连；另一种是各计数器初值和最大值均不相同，直接按顺序依次赋值，后一个子模块的初值是前一个子模块的最大值加1，即顺序分配地址。
交织过程中，控制模块根据输入字节的计数状态将各支路的子地址映射给双口RAM的读写地址，在读有效和写有效信号的控制下进行数据的输入输出，实现整个交织过程。一般设计中都是采用不同的RAM读写地址，根据需要对数据进行读写操作，控制时序相对复杂，本发明中采用相同的读写地址，依次对各地址进行先读后写操作，实现过程中只需控制一路地址信息，操作比较方便。
在控制模块中设置一个0到11的输入数据计数器，对输入数据依次循环计数。计数器的值为0时，RAM的读写地址为0；计数器的值为1时，RAM的读写地址为支路一的地址产生器Addr1的当前值，同样的，计数器值为2～11时，RAM的读写地址对应各支路子地址Addr2～Addr11的当前值。同一通道两次数据字节输入的时间周期为12，因此各子地址的值是每12个输入数据发生一次变化，刚好进入每个支路的每个数据按照相应的地址映射到不同的RAM空间。
卷积编码模块4使用的卷积编码码率为1/2，2/3，3/4，5/6，7/8共五种。不同的码率对应不同的收缩模式，经过串并转换后有不同的发送序列。具体实现结构如图5所示。首先将以字节为单位的TS数据转换为单比特数据。然后经过1/2主卷积码编码器后产生X和Y两路输出。即在1/2主卷积码编码器部分，每输入1比特数据，产生两个比特输出。之后按照相应的模式所给的参数进行收缩后，转换成一路串行数据发送出去。1/2主卷积码编码器的具体实现形式如图6所示，即当前比特的输出不仅仅与当前输入的1比特有关系，还与前面输入的6比特相关联。1/2主卷积编码器采用组合逻辑即可完成。其内部结构见图6。
在卷积编码部分，由于前一模块不定时的输入数据，为了避免跨时钟域所引起的数据阻塞，对卷积编码模块4的输入数据采用以下处理方法：首先统一该模块时钟为系统时钟，并调用同步FIFO(First In First Out)IP核，令FIFO输入单位为字节(8比特)，输出为1比特。先将传输给卷积编码模块4的数据送入FIFO中，每三个时钟周期内，前两个时钟周期各输出1比特数据，第三个时钟周期不做输出操作。在2/3码率下，经过删余以及串并转换处理后，三个时钟周期刚好输出三个比特数据。这样在同一时钟的情况下是系统能够连续输出数据而又不至于溢出。
内交织模块5共含三部分，解复用，比特交织和符号交织。解复用是将卷积编码后的一路串行比特流转换为v路并行数据。根据不同的星座映射，v的值可以取2，4，6。图7给出了从串行码流到星座映射的流程。
比特交织的实质就是以126字节的交织块为单位，按照既定规则进行前后换序。所以块交织过程对2K模式，是有用数据的每个OFDM符号准确重复12次，对8K模式则是每个符号重复48次。每个比特交织器的输入矢量定义为：
B(e)＝be，0，be，1，be，2，...，be，125) (11)
式中e的取值范围是0到v-1。
交织输出矢量定义为：
A(e)＝(ae，0，ae，1，ae，2，...，ae，125) (12)
输入输出各元素对应关系为：
ae，w＝be，He(w) (13)
其中He(w)是置换函数，对每个交织器的He(w)定义如下：
I0：H0(w)＝w (14)
I1：H1(w)＝(w+63)mod126 (15)
I2：H2(w)＝(w+105)mod126 (16)
I3：H3(w)＝(w+42)mod126 (17)
I4：H4(w)＝(w+21)mod126 (18)
I5：H5(w)＝(w+84)mod126 (19)
比特交织器的实现结构如图8所示。
两个移位寄存器A与B组成的寄存器组在控制模块产生的使能信号控制下进行相应的移位和输出操作，寄存器的大小随He(w)的不同而不同。以I3路为例，当第一组126比特的数据流全部移入寄存器组以后，B中存放的是84比特数据，A中存放的是前42比特数据。接下来将B中存放的数据依次移位输出，同时第二组126比特数据依次移入B中，在B寄存器输出的过程中，A寄存器禁止移位操作，保留第一组前42比特的值。等到B寄存器中存放的第一组的84比特数据全部输出后，A重新进行移位操作，输出42比特数据。A输出完毕，第一组126比特的块交织完成，与此同时第二组数据刚好完全移入寄存器组，按照相同的输出规则完成接下来的交织过程，系统延时为126比特。
符号交织的目的是将V比特字映射在每个OFDM符号的1512个(2K模式)或6048个(8K模式)有效载波上。符号交织器作用于1512(2K模式)或6048个(8K模式)数据符号。
因此，对2K模式，来自比特交织器的126个数据字分12个组分别读入一矢量Y’＝(y’0，y’1，y’2……y’1511)。同样，在8K模式时，矢量Y’＝(y’0，y’1，y’2……y’6047)是126个数据字分48组的集合。
符号交织得到的矢量定义为：
yH(q)＝y′q，偶数符号条件下 (20)
yq＝y′H(q)，奇数符号条件下 (21)
H(q)是置换函数。H(q)的产生用硬件实现的话比较繁琐且占用资源，本设计中采用计算好的H(q)的值，存入ROM中，以q为地址进行查表取用。上述过程中偶符号输入期间，偶RAM的写地址和奇RAM的读地址是相同的，同样奇符号输入期间，奇RAM的写地址和偶RAM的读地址也是相同的。因此，可以采用一块双口RAM通过先读后写的方式实现交织过程，可以节省一半的存储资源，实现框图如图9。
将一帧中的68个OFDM符号的标号记为0,1,…,67，第一个到来的偶符号数据按照偶符号写地址H(q)完全写入RAM后，开始以偶符号读地址q输出数据每输出一个v比特字后接着在相同的地址上写入第二个符号(奇符号)的数据。当偶符号数据的1512个v比特字全部输出的下一时刻，第二个符号的数据恰好全部写入，接下来便可以进行第二个符号的读出和第三个符号的写入操作，依次循环下去便可完成整个符号交织过程。三个子模块的输出数据接口均为6比特，根据调制方式不同，自动选取输出位宽。
星座映射模块6的输出数据采用定点数形式，采用12位定点数取1位符号位，1位整数位，10位小数位。星座映射是把经符号交织输出的v比特位宽的数据符号流按照星座映射规则转换为复数电平符号流的过程，每v比特的输入符号对应星座图中的一个星座点。具体实现时可采取查找表的方式，按照三种映射规则将归一化的电平符号的实部虚部存储起来，输出时以v比特字的大小作为地址读取查找表中存储的内容，分I、Q两路输出出来，实现结构如图10所示。
通过导频载波和TPS信号模块8向帧形成模块7插入三种载波信号：离散导频，连续导频和TPS，离散导频的位置在不同的OFDM符号中有所不同，但以4个OFDM符号为周期循环，也就是说第1，2，3，4个OFDM符号中的离散导频位置各不相同，但第五个OFDM符号与第一个OFDM符号位置是相同的。故在一些载波位置上连续导频和离散导频可能会重合在一起。TPS载波用于给出传输方案参数。对于2K模式，在一个OFDM符号内的17个TPS载波上并行传输17比特内容相同的调制信息。每个符号内TPS载波的位置是固定的。在一个OFDM帧内，68个OFDM符号中同一对应位置上的68个比特构成一个TPS数据块，因而一帧内有相同信息内容的17个TPS数据块，每个数据块的68个比特用序号S0～S67表示。在电路实现中，插入的三中信息按位置标号产生选择器控制信号即可。
OFDM(正交频分复用)模块9，采用傅立叶逆变换实现。首先将帧形成模块输出的1705个载波，通过在规定位置的插零处理，扩展至2048点。保护间隔采用两种方案实现，第一种为循环前缀，即将IFFT的结果的末尾部分数据在前端重复输出第二种是采用固定的伪随机序列的方式。为了适配AD芯片，IFFT的IP核的输出数据也是12位定点数。将IFFT的输出定为1位符号位，11位整数位。图11给出了本模块内部结构图。以2K模式为例，前级产生1705个数据载波，在本模块内首先按照傅里叶逆变换的要求形式，存于RAM内。在刚好凑够一个OFDM符号的数据后，由于RAM的默认存储值为零，所以不必再特意设置插入零频载波。当模式控制器选择采用循环前缀作为保护间隔时，可直接对傅里叶逆变换IP核进行设置，即可自动输出循环前缀。当模式控制器选择采用伪随机二进制序列作为保护间隔时，由PRBS子模块计算生成。
AD适配模块要是为了适配数模转换芯片而设计。本模块采用的方案是将时钟信号在系统复位后分别做上升沿和下降沿的二分频处理，得到两个相位相差90°的二分频信号。由于系统复位时间的不确定性，为保证两个二分频信号的先后顺序不发生变化，将其中一个二分频信号与一个受复位控制的标志位相连接。然后将这两个二分频信号做异或操作，即可在同一个时钟周期的高低电平分别输出实部和虚部。图12给出了本模块的电路结构。
本发明提供的一种应用于无人机图传的信道编码与调制系统与方法，其信道编码与调制部分采用FPGA实现。使其面积减小，功耗降低，成本降低，并增大了传输速率。在其中加扰模块采用并行化电路设计，节省了FPGA片内资源，提高了系统时钟频率，使系统的传输速率提高。卷积交织模块提供了不同的交织深度方案，使其在移动环境下的信息传输具有更强的抗干扰能力。在OFDM模块提出了以循环前缀和固定的伪随机序列作为保护间隔的两种方案，可以使接收端同步时间减少，继而减小系统的延迟时间。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种应用于无人机图传的信道编码与调制系统，其特征在于：包括FPGA芯片，所述FPGA芯片包括加扰模块、RS编码模块、卷积交织模块、卷积编码模块、内交织模块、星座映射模块、帧形成模块、导频载波和TPS信号模块、OFDM模块，其中，所述加扰模块的输出端与所述RS编码模块的输入端连接，所述RS编码模块的输出端与所述卷积交织模块的输入端连接，所述卷积交织模块的输出端与所述卷积编码模块的输入端连接，所述卷积编码模块的输出端与所述内交织模块的输入端连接，所述内交织模块的输出端与所述星座映射模块的输入端连接，所述星座映射模块的输出端与所述帧形成模块的输入端连接，所述导频载波和TPS信号模块的输出端与所述帧形成模块的输入端连接，所述帧形成模块的输出端与所述OFDM模块的输入端连接。
2.根据权利要求1所述的应用于无人机图传的信道编码与调制系统，其特征在于：所述卷积交织模块提供交织深度为12/24两种模式供选择；所述卷积编码模块支持1/2，2/3，3/4，5/6，7/8五种码率；所述星座映射模块支持QPSK，16QAM和64QAM三种调制方式；所述导频载波和TPS信号模块向所述帧形成模块插入三种载波信号：离散导频，连续导频和TPS；所述OFDM模块提供了循环前缀和伪随机序列两种保护间隔的模式。
3.一种应用于无人机图传的信道编码与调制方法，其特征在于，基于权利要求1所述的应用于无人机图传的信道编码与调制系统进行以下步骤：
S1、加扰，通过加扰模块将输入数据与按要求产生的伪随机序列按位异或，然后将加扰后的数据输出给RS编码模块；
S2、RS编码，通过RS编码模块进行RS编码，RS编码模块的所有的运算都是在伽罗华域中进行的，通过伽罗华域的加法和乘法运算得到RS编码包，然后将RS编码包输出给卷积交织模块；
S3、外交织，通过卷积交织模块进行外交织，并将外交织结果输出给卷积编码模块；
S4、卷积编码，通过卷积编码模块进行卷积编码，并将卷积编码结果输出给内交织模块；
S5、内交织，通过内交织模块进行内交织，内交织共含三部分：解复用，比特交织和符号交织，将内交织结果输出给星座映射模块；
S6、星座映射，通过星座映射模块进行星座映射，星座映射是把经符号交织输出的v比特位宽的数据符号流按照星座映射规则转换为复数电平符号流的过程，每v比特位宽的输入符号对应星座图中的一个星座点，输出数据采用定点数形式，将星座映射结果输出给帧形成模块；
S7、帧形成，通过帧形成模块进行帧形成，通过导频载波和TPS信号模块向帧形成模块插入三种载波信号：离散导频，连续导频和TPS，将帧形成结果输出给OFDM模块；
S8、正交频分复用，OFDM模块提供了循环前缀和伪随机序列两种保护间隔的模式。
4.根据权利要求3所述的应用于无人机图传的信道编码与调制方法，其特征在于：在步骤S1中，伪随机序列是通过伪随机序列发生器产生的，伪随机序列发生器是一个15位的移位寄存器，其生成多项式为1+x14+x15，伪随机序列发生器主要由15个移位寄存器和若干异或门和与门组成；在一个时钟周期内产生一个字节的伪随机序列，与输入的一个字节数据进行异或，达到加扰的目的。
5.根据权利要求3所述的应用于无人机图传的信道编码与调制方法，其特征在于：在步骤S2中，在伽罗华域CF(2m)中，有n＝2m个称号分别为0，a0，a1，…an-2,并且伽罗华域中的每个符号都用a0，a1，a2，…am-1的和来表示，伽罗华域的加法运算为模2加法，即不进位不借位，只对当前位做异或运算；
RS编码采用的是RS(204，188)，它是由系统码RS(255，239)前面的51位进行置零操作后编码输出而得；
其GF(28)域上的生成多项式g(x)为
g(x)＝(x+a0)(x+a1)…(x+a15) (1)
其本原多项式p(x)为
p(x)＝x8+x4+x3+x2+1 (2)
本原多项式p(x)＝0的根a为00000010,a＝02HEX；
按照伽罗华域的计算规则，令p(a)＝0可以得到a8＝a4+a3+a2+1；依次类推，GF(28)域中的每一个元素都用一组自然基底{1，a1，a2，…，a7}来表示；
根据伽罗华域四则运算法则，将g(x)的表达式展开，得到：
g(x)＝(x+a0)(x+a1)...(x+a15)
＝x16+a120x15+a101x14+a107x13+a109x12+a102x11+a161x10+a176x9+a3x8+a91x7+a191x6+a147x5+a169x4+a182x3+a194x2+a255x+a120 (3)
将a＝02HEX代入到g(x)表达式，得到：
g(x)＝x16+59x15+13x14+104x13+189x12+68x11+209x10+30x9+8x8+163x7+65x6+41x5+229x4+98x3+50x2+36x+59 (4)
上式中g(x)即为所输出的编码结果，为方便下文说明，将上式中各项系数以字母替代，为：
g(x)＝x16+g15x15+g14x14+g13x13+g12x12+g11x11+g10x10+g9x9+g8x8+g7x7+g6x6+g5x5+g4x4+g3x3+g2x2+g1x+g0 (5)
由上式可知，编码结果由伽罗华域的加法和乘法运算实现，加法由相应元素进行异或得到，乘法器采用标准基乘法器，标准基乘法器的原理如下：GF(28)上任意两个元素A，B及其乘积C分别用多项式表示为
A(x)＝a7x7+a6x6+a5x5+a4x4+a3x3+a2x2+a1x+a0 (6)
B(x)＝b7x7+b6x6+b5x5+b4x4+b3x3+b2x2+b1x+b0 (7)
C(x)＝c7x7+c6x6+c5x5+c4x4+c3x3+c2x2+c1x+c0 (8)
C(x)＝(A(x)×B(x))modp(x) (9)
以g0为例，其值为00111011，设b＝(b7b6b5...b0)为一个8比特的二进制数，与g0作伽罗华域的乘法，其乘积c表示为：
矩阵γ是g0由伽罗华域乘法特性得到的，从上式中可以看到，伽罗华域的乘法运算在该算法下被转化为一系列的异或运算，而不再需要与门，将出现频率较高的用新的元素替代，将生成多项式中涉及的15个乘法器写成子模块，以便RS编码模块实现调用。
6.根据权利要求3所述的应用于无人机图传的信道编码与调制方法，其特征在于：在步骤S3中，外交织的交织深度为12或24，宽度为17，其输入数据为RS编码后产生的以204字节为单位的数据包，卷积交织模块主要包括一个11或23路地址产生模块、双口RAM读写地址选择模块和一个控制模块；
根据交织深度I＝12，第一路无延迟不需要存储，实现过程中需要将双口RAM划分成不同长度的11部分，每部分的存储长度对应各支路的延迟长度，即第一块的存储长度为M＝17，第二块的存储长度为2M，依次类推，最后一部分的存储长度为11M；给每个子模块对应的支路地址赋值，采用一组模值不同的循环计数器来实现，每输入12个数据计数器的值相应加1；
对于各分块地址计数器的初始地址的选择分为两种情况，一是前面几位作为分模块片选指示，后几位均为相对初值为0的相应模值的计数循环，二者共同拼接之后作为子模块的真实地址，各模块的地址不一定顺序相连；另一种是各计数器初值和最大值均不相同，直接按顺序依次赋值，后一个子模块的初值是前一个子模块的最大值加1，即顺序分配地址；
交织过程中，控制模块根据输入字节的计数状态将各支路的子地址映射给双口RAM的读写地址，在读有效和写有效信号的控制下进行数据的输入输出，实现整个交织过程；采用相同的读写地址，依次对各地址进行先读后写操作；
在控制模块中设置一个0到11的输入数据计数器，对输入数据依次循环计数，计数器的值为0时，RAM的读写地址为0；计数器的值为1时，RAM的读写地址为支路一的地址产生器Addr1的当前值，同样的，计数器值为2～11时，双口RAM的读写地址对应各支路子地址Addr2～Addr11的当前值，同一通道两次数据字节输入的时间周期为12，因此各子地址的值是每12个输入数据发生一次变化，刚好进入每个支路的每个数据按照相应的地址映射到不同的RAM空间。
7.根据权利要求3所述的应用于无人机图传的信道编码与调制方法，其特征在于：在步骤S4中，卷积编码模块使用的卷积编码码率为1/2，2/3，3/4，5/6，7/8共五种，不同的码率对应不同的收缩模式，经过串并转换后有不同的发送序列；首先将以字节为单位的TS数据转换为单比特数据，然后经过1/2主卷积码编码器后产生X和Y两路输出，即在1/2主卷积码编码器部分，每输入1比特数据，产生两个比特输出，之后按照相应的模式所给的参数进行收缩后，转换成一路串行数据发送出去；对于输入数据，卷积编码模块采用以下处理方法：首先统一卷积编码模块模块时钟为系统时钟，并调用同步FIFO的IP核，令FIFO输入单位为字节，输出为1比特，先将传输给卷积编码模块的数据送入FIFO中，每三个时钟周期内，前两个时钟周期各输出1比特数据，第三个时钟周期不做输出操作，在2/3码率下，经过删余以及串并转换处理后，三个时钟周期刚好输出三个比特数据。
8.根据权利要求3所述的应用于无人机图传的信道编码与调制方法，其特征在于：在步骤S5中，解复用是将卷积编码后的一路串行比特流转换为v路并行数据，根据不同的星座映射，v的值取2，4，6；比特交织是以126字节的交织块为单位，按照既定规则进行前后换序；符号交织的目的是将V比特字映射在每个OFDM符号的1512个或6048个有效载波上。
9.根据权利要求3所述的应用于无人机图传的信道编码与调制方法，其特征在于：在步骤S6中，星座映射的输出数据采用定点数形式，采用12位定点数取1位符号位，1位整数位，10位小数位，采取查找表的方式，按照三种映射规则将归一化的电平符号的实部虚部存储起来，输出时以v比特字的大小作为地址读取查找表中存储的内容，分I、Q两路输出出来；在步骤S7中，插入的三种载波信号：离散导频，连续导频和TPS按位置标号产生选择器控制信号。
10.根据权利要求3所述的应用于无人机图传的信道编码与调制方法，其特征在于：在步骤S8中，正交频分复用采用傅立叶逆变换实现，首先将帧形成模块输出的1705个有效载波，通过在规定位置的插零处理，扩展至2048点；保护间隔采用两种方案实现，第一种为循环前缀，即将IFFT的结果的末尾部分数据在前端重复输出，第二种是采用固定的伪随机序列的方式；IFFT的IP核的输出数据也是12位定点数，将IFFT的输出定为1位符号位，11位整数位；当模式控制器选择采用循环前缀作为保护间隔时，直接对傅里叶逆变换IP核进行设置，即可自动输出循环前缀；当模式控制器选择采用伪随机二进制序列作为保护间隔时，由PRBS子模块计算生成。
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