CN110071739A - 一种基于跳频、gmsk和ds的通信系统及方法 - Google Patents

一种基于跳频、gmsk和ds的通信系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于跳频、GMSK和DS的通信系统及方法，信号发射模块采集信息数据、对信息数据进行RS编码、DS直扩和GMSK调制处理，然后进行混频和跳频处理后发射；信号接收模块接收信号发射模块发射的信息数据并进行跳频混频处理，然后再进行捕获、判决、解码和组帧处理，最后将信息数据输出。本发明通过采用RS编码、DS直扩、GMSK调制和混频跳频处理，能够极大的提高抗干扰能力，保证信号安全准确传输。

Description

一种基于跳频、GMSK和DS的通信系统及方法
技术领域
本发明属于通信领域，具体涉及一种基于跳频、GMSK和DS的通信系统及方法。
背景技术
目前市场上通用的数据传输系统，使用固定频段进行数据传输，例如，目前通用的消费级无人机均使用固定2.4G频段；在空间环境中，存在各种不同频段的信号干扰，因此如果在数据通信中出现相同频段信号，则设备易受到干扰，使数据传输错误或者通信距离下降，干扰较强时可能造成设备的控制失灵，从而使设备受损，严重情况下可能对人身安全造成危险。
因此在信息传输中，对于通信的抗干扰性、安全性以及稳定性提出严峻的要求，成为了当前无线通信设备中的重要难题。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于跳频、GMSK和DS的通信系统及方法，抗干扰能力更强。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种基于跳频、GMSK和DS的通信系统，包括信号发射模块和信号接收模块；
信号发射模块包括：
数据采集模块，用于采集信息数据，并发送至发射端数据处理模块；
发射端数据处理模块，用于对接收到的信息数据进行RS编码、DS直扩和GMSK调制处理，处理后的信息数据发送至射频发射模块；
射频发射模块，用于对接收到的信息数据进行混频和跳频处理，处理后的数据通过发射天线发射；
信号接收模块包括：
射频接收模块，用于通过接收天线接收射频发射模块发射的信息数据，并进行跳频和混频处理，处理后的信息数据发送至接收端数据处理模块；
接收端数据处理模块，用于对接收到的信息数据进行捕获、判决、RS解码和组帧处理，处理后的信息数据发送至数据输出模块；
数据输出模块，用于将信息数据输出。
优选的，发射端数据处理模块采用第一FPGA芯片，射频发射模块采用第一AD9361芯片；接收端数据处理模块采用第二FPGA芯片，射频接收模块采用第二AD9361芯片。
进一步的，信号发射模块还包括：第一时钟电路、第一供电电路和第一存储电路；第一时钟电路为第一FPGA芯片和第一AD9361芯片提供时钟；第一供电电路为信号发射模块提供供电电压；第一存储电路对第一FPGA芯片的固化代码进行存储。
进一步的，信号接收模块还包括：第二时钟电路、第二供电电路和第二存储电路；第二时钟电路为第二FPGA芯片和第二AD9361芯片提供时钟；第二供电电路为信号接收模块提供供电电压；第二存储电路对第二FPGA芯片的固化代码进行存储。
优选的，数据采集模块采用RS232接口。
优选的，数据输出模块采用RS422接口。
一种基于跳频、GMSK和DS的通信方法，基于所述的系统，包括：信号发射模块采集信息数据、对信息数据进行RS编码、DS直扩和GMSK调制处理，然后进行混频和跳频处理后发射；信号接收模块接收信号发射模块发射的信息数据并进行跳频混频处理，然后再进行捕获、判决、解码和组帧处理，最后将信息数据输出。
优选的，跳频频率为1000Hop。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明的通信系统，采用RS编码+DS直扩+GMSK调制，通过信道编码+GMSK调制，能够较大幅度提高设备的抗干扰能力。RS编码能够抵抗信号传输过程中出现的随机错误，通信中使用RS(63,51)编码，根据RS编码的纠错能力，在一组数据出现错误比特少于6个时，RS编码能够对原始数据的正确恢复；DS直频能够扩展信号的频带，使信号功率平均到一个宽带范围内，能够在低信噪比的情况下对于数据进行捕获；GMSK调制是在MSK调制的基础上前置一个Gauss滤波器进行预调制滤波，调制相位连续，平滑过渡，因此GMSK调制频偏紧凑、误码率较低，能够减少通信误码情况。跳频处理对于固定频率的干扰有较大的跳跃能力，能够在数次重复指令传输中，准确的解析到相应指令。本发明提供了一种抗干扰更强的数据通信系统，能够在20公里范围内，实现设备间的稳定、安全、可靠的通信。
进一步的，本发明的通信系统，在硬件上采用FPGA+AD9361架构，通过FPGA灵活的时序逻辑，对AD9361进行配置，在使用AD9361内本振的情况下，将AD9361的载波锁定时间压缩至40μs。在通信系统中，40μs的锁定时间能够使跳频频率达到1000Hop，在1s中完成1000次频率的切换，对于固定频率的干扰有较大的跳跃能力，能够在数次重复指令传输中，准确的解析到相应指令。
本发明的通信方法，通过采用RS编码、DS直扩、GMSK调制和混频跳频处理，能够极大的提高抗干扰能力，保证信号安全准确传输。
附图说明
图1为本发明通信系统的功能框图，(a)信号发射模块功能框图，(b)信号接收模块功能框图；
图2为本发明通信系统的硬件框图，(a)信号发射模块硬件框图，(b)信号接收模块硬件框图；
图3为本发明通信方法流程图。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明所述的通信系统包括信号发射模块和信号接收模块，其中信号发射模块和信号接收模块通过空间无线电信号通信，信号发射模块主要完成外部数据采集、信道编码、扩频、GMSK调制和混频跳频功能；信号接收模块主要完成信号的混频跳频、捕获、判决、RS解码、组帧和外部数据交互功能。模块之间的相互关系如图1所示。具体介绍如下。
信号发射模块包括：
数据采集模块，用于采集信息数据，并发送至发射端数据处理模块；
发射端数据处理模块，用于对接收到的信息数据进行RS编码、DS直扩和GMSK调制处理，处理后的信息数据发送至射频发射模块；
射频发射模块，用于对接收到的信息数据进行混频和跳频处理，处理后的数据通过发射天线发射。
其中，数据采集模块采用RS232接口，该接口为通用接口，能兼容各个平台使用；信道编码能够抵抗信号传输过程中出现的随机错误，通信中使用RS(63,31)编码，根据RS编码的纠错能力，在一组数据出现错误比特少于6个时，RS编码能够对原始数据的正确恢复；DS直扩能够扩展信号的频带，使信号功率平均到一个宽带范围内，能够在低信噪比的情况下对于数据进行捕获，使用两组互相关性为零，自相关性突出的伪随机码作为扩频序列，该序列长度为128比特；GMSK调制是在MSK调制的基础上前置一个Gauss滤波器进行预调制滤波，调制相位连续，平滑过渡，因此GMSK调制频偏紧凑、误码率较低，能够减少通信误码情况；混频跳频是将基带的零频信号直接混频到射频信号，同时使用不同的混频本振，完成跳频功能。
信号接收模块包括：
射频接收模块，用于通过接收天线接收射频发射模块发射的信息数据，并进行跳频和混频处理，处理后的信息数据发送至接收端数据处理模块；
接收端数据处理模块，用于对接收到的信息数据进行捕获、判决、RS解码和组帧处理，处理后的信息数据发送至数据输出模块；
数据输出模块，用于将信息数据输出。
其中，混频是将射频信号通过混频到基带信号，同时使用不同的混频本振，完成跳频跟随功能；捕获是使用和扩频码相同的两组伪随机序列分别进行相关，该序列长度为128比特，分别得到两组扩频序列的相关值；判决是根据捕获的两组相关值，判决两组的相关值峰值，得到原始的0、1码流；RS解码是根据编码(63,31)公式，解码得到原始码流；组帧是将解码得到数据流根据协议进行提取，将有效数据提取出来；数据输出模块是使用RS422接口，能够根据协议提取传输的所需数据流。
各个模块的硬件框图的如图2所示，具体介绍如下。
信号发射模块硬件包括第一FPGA芯片、第一AD9361芯片、第一时钟电路、第一供电电路、第一接口电路和第一存储电路；第一FPGA芯片主要完成原始数据协议处理、RS编码、DS直扩、GMSK调制和AD9361配置功能；第一AD9361芯片主要完成零频到射频的混频功能和跳频功能；第一时钟电路主要为第一FPGA芯片和第一AD9361芯片提供时钟；第一供电电路是对信号发射模块提供不同的供电电压；第一接口电路是对外部数据进行采集；第一存储电路是对第一FPGA芯片的固化代码进行存储，在启动时由存储电路输出FPGA固化代码。
信号接收模块硬件包括第二FPGA芯片、第二AD9361芯片、第二时钟电路、第二供电电路、第二接口电路和第二存储电路；第二FPGA芯片主要完成基带信号的捕获、判决、解码和组帧，以及接口协议处理和第二AD9361配置功能；第二AD9361芯片主要完成射频到零频的混频功能和跳频功能；第二时钟电路主要为第二FPGA芯片和第二AD9361芯片提供时钟；第二供电电路是对信号接收模块提供不同的供电电压；第二接口电路是对外数据交互功能；第二存储电路是对第二FPGA芯片的固化代码进行存储，在启动时由存储电路输出FPGA固化代码。
本发明系统的信号传输包括7个部分，包括：信号发射模块原始数据流采集；信号发射模块对原始数据流进行软件无线电处理，即RS编码、DS直扩和GMSK调制；信号发射模块进行混频跳频后空间辐射；在空间信道中信号传输；信号接收模块在空间接收信号并进行跳频混频；信号接收模块对数据进行捕获、判决、解码和解帧；接收模块和外部接口进行数据交互输出。数据传输流程图如图3所示。
本发明的优点如下：
1)在硬件上采用FPGA+AD9361架构，通过FPGA灵活的时序逻辑，对AD9361进行配置，在使用AD9361内本振的情况下，将AD9361的载波锁定时间压缩至40μs。在通信系统中，40μs的锁定时间能够使跳频频率达到1000Hop，在1s中完成1000次频率的切换，对于固定频率的干扰有较大的跳跃能力，能够在数次重复指令传输中，准确的解析到相应指令。
2)在软件上采用RS编码+DS直扩+GMSK调制，通过信道编码+GMSK调制，能够较大幅度提高设备的抗干扰能力。RS编码能够抵抗信号传输过程中出现的随机错误，通信中使用RS(63,51)编码，根据RS编码的纠错能力，在一组数据出现错误比特少于6个时，RS编码能够对原始数据的正确恢复；DS直频能够扩展信号的频带，使信号功率平均到一个宽带范围内，能够在低信噪比的情况下对于数据进行捕获，使用扩频伪随机码长为128比特；GMSK调制是在MSK调制的基础上前置一个Gauss滤波器进行预调制滤波，调制相位连续，平滑过渡，因此GMSK调制频偏紧凑、误码率较低，能够减少通信误码情况。
本发明由于其拥有较强的信号处理能力，适合于多种信道环境，具体可根据实际情况确定。

Claims (8)

1.一种基于跳频、GMSK和DS的通信系统，其特征在于，包括信号发射模块和信号接收模块；
信号发射模块包括：
数据采集模块，用于采集信息数据，并发送至发射端数据处理模块；
发射端数据处理模块，用于对接收到的信息数据进行RS编码、DS直扩和GMSK调制处理，处理后的信息数据发送至射频发射模块；
射频发射模块，用于对接收到的信息数据进行混频和跳频处理，处理后的数据通过发射天线发射；
信号接收模块包括：
射频接收模块，用于通过接收天线接收射频发射模块发射的信息数据，并进行跳频和混频处理，处理后的信息数据发送至接收端数据处理模块；
接收端数据处理模块，用于对接收到的信息数据进行捕获、判决、RS解码和组帧处理，处理后的信息数据发送至数据输出模块；
数据输出模块，用于将信息数据输出。
2.根据权利要求1所述的基于跳频、GMSK和DS的通信系统，其特征在于，发射端数据处理模块采用第一FPGA芯片，射频发射模块采用第一AD9361芯片；接收端数据处理模块采用第二FPGA芯片，射频接收模块采用第二AD9361芯片。
3.根据权利要求2所述的基于跳频、GMSK和DS的通信系统，其特征在于，信号发射模块还包括：第一时钟电路、第一供电电路和第一存储电路；第一时钟电路为第一FPGA芯片和第一AD9361芯片提供时钟；第一供电电路为信号发射模块提供供电电压；第一存储电路对第一FPGA芯片的固化代码进行存储。
4.根据权利要求3所述的基于跳频、GMSK和DS的通信系统，其特征在于，信号接收模块还包括：第二时钟电路、第二供电电路和第二存储电路；第二时钟电路为第二FPGA芯片和第二AD9361芯片提供时钟；第二供电电路为信号接收模块提供供电电压；第二存储电路对第二FPGA芯片的固化代码进行存储。
5.根据权利要求1所述的基于跳频、GMSK和DS的通信系统，其特征在于，数据采集模块采用RS232接口。
6.根据权利要求1所述的基于跳频、GMSK和DS的通信系统，其特征在于，数据输出模块采用RS422接口。
7.一种基于跳频、GMSK和DS的通信方法，其特征在于，基于权利要求1-6任一项所述的系统，包括：信号发射模块采集信息数据、对信息数据进行RS编码、DS直扩和GMSK调制处理，然后进行混频和跳频处理后发射；信号接收模块接收信号发射模块发射的信息数据并进行跳频混频处理，然后再进行捕获、判决、解码和组帧处理，最后将信息数据输出。
8.根据权利要求7所述的基于跳频、GMSK和DS的通信方法，其特征在于，跳频频率为1000Hop。
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Pledgor: XI'AN STANDARD INFORMATION TECHNOLOGY Co.,Ltd.

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