CN109756244B - 针对数据传输非对称性的无人机数据链系统架构装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种针对数据传输非对称性的无人机数据链系统架构装置，包括：无人机数据链上行链路架构装置和无人机数据链下行链路架构装置；其中，所述无人机数据链上行链路架构装置包括位于地面端的上行指令数据基带发送处理模块、上行数据数/模转换模块、上行数据射频发送模块，和位于机载端的上行数据射频接收模块、上行数据模/数转换模块、上行指令数据基带接收处理模块；所述无人机数据链下行链路架构装置包括位于机载端的下行图传遥测数据基带发送处理模块、下行数据数/模转换模块、下行数据射频发送模块，和位于地面端的下行数据射频接收模块、下行数据模/数转换模块、下行图传遥测数据基带接收处理模块。

Description

针对数据传输非对称性的无人机数据链系统架构装置

技术领域

本发明涉及通信技术领域，具体而言，涉及一种针对数据传输非对称性的无人机数据链系统架构装置。

背景技术

无人机数据链系统是连接无人机与地面站之间的纽带，其包括地面站终端到无人机终端的上行链路以及无人机终端到地面站终端的下行链路。无人机数据链系统的数据传输具有两条非对称性：第一，下行链路传输图像与测距信息的信息量大且要求更高的有效性，而上行链路传输遥控指令的信息量相对较小但要求更高的可靠性；第二，下行链路传输的图像数据的数据量大，数据速率快，但是可靠性要求较低，而遥测数据的数据量小，数据速率慢，但是要求传输定时信息且可靠性要求较高。目前，服役于中小型无人机的数据链系统主要完成低速的遥控指令的远距离传输或高速的传感器数据的近距离传输，在功能上比较单一，无法满足实际上下行数据链路数据的传输需求。

发明内容

本发明正是基于上述技术问题至少之一，提出了一种新的针对数据传输非对称性的无人机数据链系统架构装置，整个结构设计合理，满足了上行、下行链路数据的传输需求。

有鉴于此，本发明提出了一种新的针对数据传输非对称性的无人机数据链系统架构装置，包括：无人机数据链上行链路架构装置和无人机数据链下行链路架构装置；其中，所述无人机数据链上行链路架构装置包括位于地面端的上行指令数据基带发送处理模块、上行数据数/模转换模块、上行数据射频发送模块，和位于机载端的上行数据射频接收模块、上行数据模/数转换模块、上行指令数据基带接收处理模块；所述无人机数据链下行链路架构装置包括位于机载端的下行图传遥测数据基带发送处理模块、下行数据数/模转换模块、下行数据射频发送模块，和位于地面端的下行数据射频接收模块、下行数据模/数转换模块、下行图传遥测数据基带接收处理模块。

在上述技术方案中，优选地，所述上行指令数据基带发送处理模块对上行指令数据进行信道编码、组帧及直接序列扩频，并且对扩频后的数字信号进行BPSK调制，将调制后的基带数字信号输入到所述上行数据数/模转换模块；所述上行数据数/模转换模块对调制后的基带数字信号进行数/模转换后，以得到基带模拟信号，并将基带模拟信号输入到所述上行数据射频发送模块；所述上行数据射频发送模块将所述基带模拟信号进行第一级滤波放大后上变频到射频频段，并且对上变频后的射频模拟信号进行第二级滤波放大和功率放大器放大，以及通过发送天线将放大后的射频模拟信号辐射发送；地面端的所述上行数据射频发送模块发送的射频模拟信号被机载端的所述上行数据射频接收模块通过接收天线接收到后，所述上行数据射频接收模块对接收到的射频模拟信号进行选频滤波、低噪声功率放大器放大、第一级放大滤波后，将射频模拟信号下变频为基带模拟信号，在第二级放大滤波后输入到所述上行数据模/数转换模块；所述上行数据模/数转换模块对第二级放大滤波后的基带模拟信号进行模/数转换后，输出的基带数字信号输入到所述上行指令数据基带接收处理模块；所述上行指令数据基带接收处理模块对经所述上行数据模/数转换模块转换后的基带数字信号进行正交混频和低通滤波，滤波后的数字信号经过捕获跟踪实现位同步和载波同步后，进行BPSK解调和解扩，解调后的数字信号帧同步后译码得到上行指令数据。

在上述任一项技术方案中，优选地，所述下行图传遥测数据基带发送处理模块分别对下行遥测数据进行信道编码、组帧及直接序列扩频产生I路数字信号，以及对下行图传数据进行信道编码、组帧产生Q路数字信号，并将I路和Q路结合后的数字信号进行UQPSK调制，将调制后的基带数字信号输入到所述下行数据数/模转换模块；所述下行数据数/模转换模块对调制后的基带数字信号进行数/模转换后，输出的基带模拟信号输入到所述下行数据射频发送模块；所述下行数据射频发送模块将转换后的基带模拟信号进行第一级滤波放大后上变频到射频频段，并且对上变频后的射频模拟信号进行第二级滤波放大和功率放大器放大，最后通过发送天线将放大后的射频模拟信号辐射发送；机载端的所述下行数据射频发送模块发送的射频模拟信号被地面端的所述下行数据射频接收模块通过接收天线接收到后，所述下行数据射频接收模块对接收到的射频模拟信号进行选频滤波、低噪声功率放大器放大、第一级放大滤波后，将射频模拟信号下变频为基带模拟信号，在第二级放大滤波后输入到所述下行数据模/数转换模块；所述下行数据模/数转换模块对第二级放大滤波后的基带模拟信号进行模/数转换后，输出的基带数字信号输入到所述下行图传遥测数据基带接收处理模块；所述下行图传遥测数据基带接收处理模块对经所述下行数据模/数转换模块转换后的基带数字信号进行混频滤波和低通滤波，滤波后的数字信号经过捕获跟踪实现位同步和载波同步，以及经UQPSK解调后得到I路和Q路的数字信号，对I路数字信号进行解扩、帧同步后译码得到下行遥测数据，对Q路数字信号进行帧同步后译码得到下行图传数据。

通过以上技术方案，整个结构设计合理，满足了上行、下行链路数据的传输需求。

附图说明

图1示出了根据本发明的实施例的针对数据传输非对称性的无人机数据链系统架构装置的示意框图；

图2示出了根据本发明的实施例的上行链路信号处理流程图；

图3示出了根据本发明的实施例的下行链路信号处理流程图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

以下结合图1至图3对本发明的技术方案做进一步说明：

如图1所示，根据本发明的实施例的针对数据传输非对称性的无人机数据链系统架构装置200，包括：无人机数据链上行链路架构装置和无人机数据链下行链路架构装置。

其中，无人机数据链上行链路架构装置包括位于地面端的上行指令数据基带发送处理模块、上行数据数/模转换模块、上行数据射频发送模块，和位于机载端的上行数据射频接收模块、上行数据模/数转换模块、上行指令数据基带接收处理模块；无人机数据链下行链路架构装置包括位于机载端的下行图传遥测数据基带发送处理模块、下行数据数/模转换模块、下行数据射频发送模块，和位于地面端的下行数据射频接收模块、下行数据模/数转换模块、下行图传遥测数据基带接收处理模块。具体地，如图1所示，上行数据流经地面端的上行指令数据基带发送处理模块、上行数据数/模转换模块和上行数据射频发送模块，通过无线空间耦合进入机载端的上行数据射频接收模块、上行数据模/数转换模块和上行指令数据基带接收处理模块，形成无人机数据链上行链路；下行数据流经机载端的下行图传遥测数据基带发送处理模块、下行数据数/模转换模块和下行数据射频发送模块，通过无线空间耦合进入地面端的下行数据射频接收模块、下行数据模/数转换模块和下行图传遥测数据基带接收处理模块，形成无人机数据链下行链路。

上行链路信号处理过程，如图2所示，包括：

步骤A1、上行指令数据基带发送处理模块对上行指令数据进行信道编码、组帧及直接序列扩频，并且对扩频后的数字信号进行BPSK调制，将调制后的基带数字信号输入到上行数据数/模转换模块；

步骤A2、调制后的基带数字信号经过上行数据数/模转换模块进行数/模转换后，输出的基带模拟信号输入到上行数据射频发送模块；

步骤A3、上行数据射频发送模块将转换后的基带模拟信号进行第一级滤波放大后上变频到射频频段，并且对上变频后的射频模拟信号进行第二级滤波放大和功率放大器放大，最后通过发送天线将放大后的射频模拟信号辐射发送；

步骤A4、地面端上行数据射频发送模块发送的射频模拟信号被机载端的上行数据射频接收模块通过接收天线接收到后，上行数据射频接收模块对接收到的射频模拟信号进行选频滤波、低噪声功率放大器放大、第一级放大滤波后，将射频模拟信号下变频为基带模拟信号，在第二级放大滤波后输入到上行数据模/数转换模块；

步骤A5、第二级放大滤波后的基带模拟信号经过上行数据模/数转换模块进行模/数转换后，输出的基带数字信号输入到上行指令数据基带接收处理模块；

步骤A6、上行指令数据基带接收处理模块对转换后的基带数字信号进行正交混频和低通滤波，滤波后的数字信号经过捕获跟踪实现位同步和载波同步后进行BPSK解调和解扩，解调后的数字信号帧同步后译码得到上行指令数据。

下行链路信号处理过程，如图3所示，包括：

步骤B1、下行图传遥测数据基带发送处理模块分别对下行遥测数据进行信道编码、组帧及直接序列扩频产生I路数字信号，对下行图传数据进行信道编码、组帧产生Q路数字信号，将I路和Q路结合后的数字信号进行UQPSK调制，将调制后的基带数字信号输入到下行数据数/模转换模块；

步骤B2、调制后的基带数字信号经过下行数据数/模转换模块进行数/模转换后，输出的基带模拟信号输入到下行数据射频发送模块；

步骤B3、下行数据射频发送模块将转换后的基带模拟信号进行第一级滤波放大后上变频到射频频段，并且对上变频后的射频模拟信号进行第二级滤波放大和功率放大器放大，最后通过发送天线将放大后的射频模拟信号辐射发送；

步骤B4、机载端下行数据射频发送模块发送的射频模拟信号被地面端的下行数据射频接收模块通过接收天线接收到后，下行数据射频接收模块对接收到的射频模拟信号进行选频滤波、低噪声功率放大器放大、第一级放大滤波后，将射频模拟信号下变频为基带模拟信号，在第二级放大滤波后输入到下行数据模/数转换模块；

步骤B5、第二级放大滤波后的基带模拟信号经过下行数据模/数转换模块进行模/数转换后，输出的基带数字信号输入到下行图传遥测数据基带接收处理模块；

步骤B6、下行图传遥测数据基带接收处理模块对转换后的基带数字信号进行混频滤波和低通滤波，滤波后的数字信号经过捕获跟踪实现位同步和载波同步，并经UQPSK解调后得到I路和Q路的数字信号，对I路数字信号进行解扩、帧同步后译码得到下行遥测数据，而对Q路数字信号进行帧同步后译码得到下行图传数据。

以下以通信距离100km，具备遥控、遥测、图传功能需求的中小型军用无人机为例，对本发明的技术方案做进一步说明：

对于上行链路：

1、采用传输速率为51.2kbps的上行指令数据bit流，利用LDPC (1024,2048)进行信道编码，编码后数据传输速率为102.4kbps；

按照传输协议对编码后上行指令数据流进行组帧，形成上行指令数据帧信号；

2、采用128位的伪随机序列作为扩频码对上行指令数据帧信号进行直接序列扩频，扩频后码片速率13.1072Mbps，并且对扩频后的码片进行BPSK调制，载波频率2.4GHz，产生调制后的上行数据发送端基带数字信号；

3、调制后的上行数据发送端基带数字信号经过DAC进行数/模转换后产生上行数据发送端基带模拟信号，DAC即上行数据数/模转换模块；

4、对上行数据发送端基带模拟信号在中频2.4GHz信号频段进行第一级滤波放大，放大增益20dB；

5、利用本振信号将上行数据发送端基带模拟信号从中频2.4GHz信号频段上变频到射频15.4GHz信号频段，产生上行数据发送端射频模拟信号，并且在射频15.4GHz信号频段对上行数据发送端射频模拟信号进行第二级滤波放大，放大增益20dB；

6、利用功率放大器对第二级滤波放大后的上行数据发送端射频模拟信号进行放大，放大增益20dB，之后通过地面站的上行链路发送天线将上行数据发送端射频模拟信号辐射发出，上行链路发送端天线采用定向天线，其方位角在60度内，俯仰角在180度内可调；

7、机载端的上行链路接收天线接收到上行链路发送天线辐射的射频模拟信号，得到上行数据接收端射频模拟信号，在射频15.4GHz信号频段对其进行选频滤波，所用上行链路接收天线为加防护网罩的全向天线；

8、选频滤波后的上行数据接收端射频模拟信号通过LNA后在射频15.4GHz信号频段对其进行第一级放大滤波，放大增益30dB，所述LNA为低噪声功率放大器，其放大增益30dB，但引入噪声较少；

9、利用本振信号将放大后的上行数据接收基带模拟信号从射频15.4GHz信号频段下变频到中频800MHz信号频段，产生上行数据接收端基带模拟信号，并且在中频800MHz信号频段对其进行第二级放大滤波，放大增益30dB；

10、放大后的上行数据接收端基带模拟信号经过ADC进行进行模/数转换后产生上行数据接收端基带数字信号，所述ADC即上行数据模/数转换模块；

11、利用频率为800MHz的同相载波及正交载波对上行数据接收端基带数字信号进行正交混频，对混频后的上行数据接收端基带数字信号利用根升余弦滤波器实现匹配滤波和低通滤波；

12、对滤波后的上行数据接收端基带数字信号进行捕获和跟踪，矫正接收端信号的频偏、相偏和码偏，从而实现载波同步和位同步，在此基础上完成解调和解扩，获得上行数据接收端基带数据帧信号；

13、根据发送端组帧规则，识别帧头位置，完成帧同步，对帧同步后的上行数据接收端基带数据帧信号进行译码，在接收端恢复出上行指令数据，完成整个上行链路数据传输。

对于下行链路：

1、采用传输速率为51.2kbps的下行遥测数据bit流，利用LDPC (1024,2048)进行信道编码，编码后数据传输速率为102.4kbps；

2、按照传输协议对编码后下行遥测数据流进行组帧，形成下行遥测数据帧信号；

3、采用128位的伪随机序列作为扩频码对上行指令数据帧信号进行直接序列扩频，扩频后码片速率13.1072Mbps，产生I路下行数据基带数字信号；

4、采用传输速率为16Mbps的下行图传数据bit流，利用LDPC (4096,8192)进行信道编码，编码后数据传输速率为32Mbps；

5、按照传输协议对编码后下行图传数据流进行组帧，形成下行遥测数据帧信号，同时作为Q路下行数据基带数字信号；

6、将I路下行数据基带数字信号和Q路下行数据基带数字信号合并，并且对合并后的信号进行UQPSK调制，载波频率2.4GHz，产生调制后的下行数据发送端基带数字信号；

7、调制后的下行数据发送端基带数字信号经过DAC进行数/模转换后产生下行数据发送端基带模拟信号，DAC即下行数据数/模转换模块；

8、对下行数据发送端基带模拟信号在中频2.4GHz信号频段进行第一级滤波放大，放大增益20dB；

9、利用本振信号将下行数据发送端基带模拟信号从中频2.4GHz信号频段上变频到射频15.4GHz信号频段，产生下行数据发送端射频模拟信号，并且在射频15.4GHz信号频段对下行数据发送端射频模拟信号进行第二级滤波放大，放大增益20dB；

10、利用功率放大器对第二级滤波放大后的下行数据发送端射频模拟信号进行放大，放大增益20dB，之后通过机载端的下行链路发送天线将下行数据发送端射频模拟信号辐射发出，下行链路发送端天线采用全向天线；

11、地面端的下行链路接收天线接收到下行链路发送天线辐射的射频模拟信号，得到下行数据接收端射频模拟信号，在射频15.4GHz信号频段对其进行选频滤波，所用下行链路接收天线为定向天线，其方位角在60度内，俯仰角在180度内可调；

12、选频滤波后的下行数据接收端射频模拟信号通过LNA后在射频15.4GHz信号频段对其进行第一级放大滤波，放大增益30dB，所述LNA为低噪声功率放大器，其放大增益30dB，但引入噪声较少；

13、利用本振信号将放大后的下行数据接收基带模拟信号从射频15.4GHz信号频段下变频到中频800MHz信号频段，产生下行数据接收端基带模拟信号，并且在中频800MHz信号频段对其进行第二级放大滤波，放大增益30dB；

14、放大后的下行数据接收端基带模拟信号经过ADC进行进行模/数转换后产生下行数据接收端基带数字信号，所述ADC即下行数据模/数转换模块；

15、利用频率为800MHz的同相载波及正交载波对下行数据接收端基带数字信号进行正交混频，对混频后的下行数据接收端基带数字信号进行低通滤波；

16、对滤波后的下行数据接收端基带数字信号进行捕获和跟踪，矫正接收端信号的频偏、相偏和码偏，从而实现载波同步和位同步，经UQPSK解调后获得I路下行数据接收端基带数字信号和Q路下行数据接收端基带数字信号；

17、对I路下行数据接收端基带数字信号进行解扩，获得I路下行数据接收端基带数据帧信号，Q路下行数据接收端基带数字信号即Q路下行数据接收端基带数据帧信号；

18、根据发送端组帧规则，识别I路下行数据接收端基带数据帧信号和Q路下行数据接收端基带数据帧信号帧头位置，完成帧同步；

19、对帧同步后的I路下行数据接收端基带数据帧信号进行译码，在接收端恢复出下行遥测数据，对帧同步后的Q路下行数据接收端基带数据帧信号进行译码，在接收端恢复出下行图传数据，完成整个下行链路数据传输。

与现有技术相比，本申请具有如下有益效果：

1.上行、下行链路采用不同的调制方式可以解决现有架构技术中上行、下行链路数据传输需求不对称的问题，下行链路采用UQPSK调制可以解决现有架构技术中下行链路图传数据和遥测数据传输需求不对称的问题；

2.上行指令数据和下行遥测数据采用直接序列扩频，可以改善链路抗干扰性能，提高链路通信隐蔽性，满足数据传输可靠性要求；

3.下行链路架构方法采用的UQPSK调制，其两个支路可以采用不同的码速率和功率，可根据传输需求定制传输方案，使用适应性广泛，贴近用户要求；

4.采用软件无线电方式具体实现，通过软、硬件结合使设备终端具有可重配置能力，在标准化和可升级性方面都有较大竞争力。

5.在中小型无人机数据链系统中满足传输需求尤为突出。

以上结合附图详细说明了本发明的技术方案，本发明的技术方案提出了一种新的针对数据传输非对称性的无人机数据链系统架构装置，整个结构设计合理，满足了上行、下行链路数据的传输需求。

上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种针对数据传输非对称性的无人机数据链系统架构装置，其特征在于，包括：

无人机数据链上行链路架构装置和无人机数据链下行链路架构装置；

其中，所述无人机数据链上行链路架构装置包括位于地面端的上行指令数据基带发送处理模块、上行数据数/模转换模块、上行数据射频发送模块，和位于机载端的上行数据射频接收模块、上行数据模/数转换模块、上行指令数据基带接收处理模块；

所述无人机数据链下行链路架构装置包括位于机载端的下行图传遥测数据基带发送处理模块、下行数据数/模转换模块、下行数据射频发送模块，和位于地面端的下行数据射频接收模块、下行数据模/数转换模块、下行图传遥测数据基带接收处理模块；

所述上行指令数据基带发送处理模块对上行指令数据进行信道编码、组帧及直接序列扩频，并且对扩频后的数字信号进行BPSK调制，将调制后的基带数字信号输入到所述上行数据数/模转换模块；

所述上行数据数/模转换模块对调制后的基带数字信号进行数/模转换后，以得到基带模拟信号，并将基带模拟信号输入到所述上行数据射频发送模块；

所述上行数据射频发送模块将所述基带模拟信号进行第一级滤波放大后上变频到射频频段，并且对上变频后的射频模拟信号进行第二级滤波放大和功率放大器放大，以及通过发送天线将放大后的射频模拟信号辐射发送；

地面端的所述上行数据射频发送模块发送的射频模拟信号被机载端的所述上行数据射频接收模块通过接收天线接收到后，所述上行数据射频接收模块对接收到的射频模拟信号进行选频滤波、低噪声功率放大器放大、第一级放大滤波后，将射频模拟信号下变频为基带模拟信号，在第二级放大滤波后输入到所述上行数据模/数转换模块；

所述上行数据模/数转换模块对第二级放大滤波后的基带模拟信号进行模/数转换后，输出的基带数字信号输入到所述上行指令数据基带接收处理模块；

所述上行指令数据基带接收处理模块对经所述上行数据模/数转换模块转换后的基带数字信号进行正交混频和低通滤波，滤波后的数字信号经过捕获跟踪实现位同步和载波同步后，进行BPSK解调和解扩，解调后的数字信号帧同步后译码得到上行指令数据；

所述下行图传遥测数据基带发送处理模块分别对下行遥测数据进行信道编码、组帧及直接序列扩频产生I路数字信号，以及对下行图传数据进行信道编码、组帧产生Q路数字信号，并将I路和Q路结合后的数字信号进行UQPSK调制，将调制后的基带数字信号输入到所述下行数据数/模转换模块；

所述下行数据数/模转换模块对调制后的基带数字信号进行数/模转换后，输出的基带模拟信号输入到所述下行数据射频发送模块；

所述下行数据射频发送模块将转换后的基带模拟信号进行第一级滤波放大后上变频到射频频段，并且对上变频后的射频模拟信号进行第二级滤波放大和功率放大器放大，最后通过发送天线将放大后的射频模拟信号辐射发送；

机载端的所述下行数据射频发送模块发送的射频模拟信号被地面端的所述下行数据射频接收模块通过接收天线接收到后，所述下行数据射频接收模块对接收到的射频模拟信号进行选频滤波、低噪声功率放大器放大、第一级放大滤波后，将射频模拟信号下变频为基带模拟信号，在第二级放大滤波后输入到所述下行数据模/数转换模块；

所述下行数据模/数转换模块对第二级放大滤波后的基带模拟信号进行模/数转换后，输出的基带数字信号输入到所述下行图传遥测数据基带接收处理模块；

所述下行图传遥测数据基带接收处理模块对经所述下行数据模/数转换模块转换后的基带数字信号进行混频滤波和低通滤波，滤波后的数字信号经过捕获跟踪实现位同步和载波同步，以及经UQPSK解调后得到I路和Q路的数字信号，对I路数字信号进行解扩、帧同步后译码得到下行遥测数据，对Q路数字信号进行帧同步后译码得到下行图传数据。

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