CN110138406A - 一点对多点靶机数据链系统及其信号处理方法 - Google Patents

一点对多点靶机数据链系统及其信号处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种一点对多点靶机数据链系统，包括射频模块、信号处理模块及电源转换模块；信号处理模块包括FPGA芯片、FLASH存储芯片、FLASH配置芯片、AD芯片以及DA芯片，FPGA芯片连接FLASH存储芯片、FLASH配置芯片、AD芯片、DA芯片、射频模块、上位机以及晶振，晶振还连接射频模块；同时公开了点对多点靶机数据链系统的信号处理方法，地面接收端通过由上位机配置不同的时隙、不同的载波频点或不同的扩频码，完成多路信号的汇集，通过采用一种多点靶机数据链系统的信号处理方法，为不同用户分配不同时隙、不同载波频点或不同的扩频码；由于引入时分多址方式，基带解调处理能复用相同的数字滤波器和解调通道，使得在一块FPGA芯片中能够达到多用户处理的目的。

Description

一点对多点靶机数据链系统及其信号处理方法
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种一点对多点靶机数据链系统及其信号处理方法。
背景技术
靶机作为武器研发过程中不可缺少的设备需求量较大，数据链系统用于传输靶机和地面指令站之间的交互信息。对于多靶机的应用场景，现有方案是将多套机载和地面站进行组合，通过简单集成多个原有地面站，以频分方式分别对各靶机进行操控。这使得地面站的成本，体积、重量、功耗等指标不具有竞争力，并且不易使用。因此，需要提供一种点对多点的靶机数据链系统，一个地面站能够同时控制多个靶机，在成本，体积、重量、功耗等指标优化设计的前提下，实现稳定、安全、可靠的通信。
发明内容
本发明的目的在于提供一种一点对多点靶机数据链系统及其信号处理方法，实现个地面站能够同时控制多个靶机，解决现有技术的问题。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种一点对多点靶机数据链系统，包括射频模块、信号处理模块及电源转换模块，信号处理模块用于对数据的编码、调制、解调、捕获、跟踪、AD/DA转换、射频模块频点控制并且与上位机的通信；信号处理模块包括FPGA芯片、FLASH存储芯片、FLASH配置芯片、AD芯片以及DA芯片，FPGA芯片连接FLASH存储芯片、FLASH配置芯片、AD芯片、DA芯片、射频模块、上位机以及晶振，晶振还连接射频模块，FLASH存储芯片用于存储数据，AD芯片连接射频模块，并接收射频模块的数据，对输入信号进行采样，；DA芯片用于将调制信号输出，DA芯片连接射频模块，并向射频模块传输数据。
射频模块包括射频发射模块和射频接收模块，射频发射模块和射频接收模块分别对应连接有发射天线和接收天线。
电源转换模块是一个稳压源控制电路，输入为12V，输出为稳定的5V。
通信接口采用标准的15针接插头和标准的RJ-45网口。
信号处理模块采用K7系列FPGA芯片。
一点对多点靶机数据链系统的信号处理方法，具体包括以下步骤：
S1，找到网口输入的PCM数据的帧头，即有效数据；
S2，将S1所得有效数据经过规则进行组帧，同时进行RS编码；
S3，将S2中RS编码后的数据进行加扰操作；
S4，将S3加扰后的数据，进行(1/2,7)卷积编码；
S5，将编码后的数据首先进行2.448M-29.564M扩频处理，再进行BPSK调制；将调制信号分配不同的时隙、不同的载波频点或不同的扩频码，实现一点对多点。
地面接收端通过上位机配置不同的时隙、不同的载波频点或不同的扩频码，完成多路信号的汇集。
针对BPSK扩频信号，采用基于并行FFT的匹配滤波的快速捕获方法，具体如下：
步骤1，根据多普勒频偏的最大范围，把捕获的频域搜索范围平均分为N个频率槽fi，i＝1～N，其中N为奇数，
步骤2，将接收信号分别以各频率槽的中心频率进行下变频，得到各频率槽的下变频信号，并计算相应下变频信号的伪码多普勒补偿量fd；
步骤3，在每个频率槽内，将各下变频信号与本地PN码做相关，找出最大峰值所在频率槽，此时载波多普勒频移在所在频率槽中心频率附近，将该频率槽设置为新的中心频率f’i＝fi+fd，同时将频率槽步进除以4，缩小频率搜索范围；
步骤4，重复步骤1到步骤3，直到频率精度达到跟踪要求。
编码后的码速率设置为9.6Kbps-28.9Kbps之间的任意数值，扩频码设置为255、511或1023。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：数字信号处理部分采用单颗高容量的FPGA芯片，将现有一点对多点方案中多个芯片构成的系统，集成于单颗芯片；将现有一点对多点方案中的多个窄带射频通道替换为单个宽带射频通道，减少射频通道数；
将现有点对多点方案中的多个独立的电源模块，替换为单个的共用电源；由于电源设计需要留输出余量，多个独立电源需要为每个电源单独留多份余量，而单电源只需要留出一份余量，因此简化了设计；综上，硬件设计上降低了地面站的成本、功耗、重量、体积，提高了产品竞争力；
地面接收端通过由上位机配置不同的时隙、不同的载波频点或不同的扩频码，完成多路信号的汇集，通过采用一种多点靶机数据链系统的信号处理方法，为不同的用户分配不同的时隙、不同的载波频点或不同的扩频码达到一点对多点传输的效果；由于引入时分多址方式，基带解调处理能复用相同的数字滤波器和解调通道，使得在一块FPGA芯片中能够达到多用户处理的目的；并针对BPSK扩频信号，采用基于并行FFT的匹配滤波的快速捕获方法，使得频偏捕获的范围和精度较现有方法有进一步优化提升，提高方法对移动速度的适应性；
一个地面站能够同时与多个靶机通讯，并且控制地面站的成本，体积、重量以及功耗等。
附图说明
图1为本发明的硬件组成示意图；
图2为本发明扩频信号捕捉方法示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
如图1所示，一点对多点靶机数据链系统包括射频发射模块、射频接收模块以及信号处理模块；信号处理模块完成对数据的编码、调制、解调、捕获、跟踪、AD/DA转换及射频模块频点控制、与上位机的RJ-45网口通信等功能；
包括FPGA芯片、AD芯片、DA芯片、FLASH芯片、时钟电路、电源模块、接口芯片、RS422通信，W5300网口芯片。
一点对多点靶机数据链系统采用多通道模式，即一个地面设备能同时接收多个机载设备的遥测信号，子帧长和码速率均可通过上位机进行更改，通过接收天线接遥测设备发送来的遥测数据。
控制过程为：将AD采集到中频信号进行下变频和鉴频鉴相；再将鉴频结果进行超前滞后位同步处理；然后将位同步得到的PCM码流进行帧同步处理；最后将得到的遥测数据发送到上位机进行显示和存盘处理。
将卷积编码后的数据直接进行BPSK调制或FM调制，采用直接数字锁相环位同步的方法，将码速率可设置为1Kbps-20Mbps之间的任意数值。
射频模块接收遥测信号进行下变频，将得到的中频信号输入到信号处理模块的AD输入，信号处理模块采用的是一片AD芯片进行输入信号采样，一片K7系列的FPGA进行信号解调与调制处理运算，FLASH存储芯片进行数据存储，DA芯片进行调制信号的输出，将DA芯片输出信号输入到射频发射模块的中频输入，输出遥测射频自检信号。
外壳采用金属外壳、壳内包含射频接收模块、射频发射模块、信号处理模块及电源转换模块，有一个15针接口、一个射频发射接口、一个射频输出接口、一个中频输出接口、两个AD信号输入接口、一个DA输出接口、一个RJ-45网口、一个电源输入接口。
电源转换模块是一个稳压源控制电路，输入为12V，输出为稳定的5V。
一点对多点靶机数据链系统与上位机的通信是RJ-45网口传输方式。
一点对多点靶机数据链系统和外部的通信接口采用标准的15针接插头以及网口，网口采用标准的RJ-45网口。
如图2所示，
数据链采用时分多址、码分多址和频分多址结合的方式进行编码，时隙、扩频码以及频道可通过上位机驱动网口进行配置加载。
数据发送过程：
S1，找到网口输入的PCM数据的帧头，若找到帧头则为有效数据；
S2，将S1所得有效数据经过规则进行组帧，同时进行RS编码；
S3，将S2中RS编码后的数据进行加扰操作；
S4，将S3加扰后的数据，进行(1/2,7)卷积编码；
S5，将编码后的数据首先进行2.448M-29.564M扩频处理，再进行BPSK调制；编码后的码速率可设置为9.6Kbps-28.9Kbps之间的任意数值，扩频码可设置为255、511或1023；将调制信号分配不同的时隙、不同的载波频点或不同的扩频码，实现一点对多点的目的；
接收端信号处理：
地面接收端通过由上位机配置不同的时隙、不同的载波频点或不同的扩频码，完成多路信号的汇集，由于引入时分多址方式，基带解调处理能复用相同的数字滤波器和解调通道，使得在一块FPGA芯片中能够达到多用户处理的目的。
针对本系统采用的BPSK扩频信号，采用快速捕获信号的方法，减少捕获时间，从而保证多路信号实时处理。具体采用基于并行FFT的匹配滤波算法，其原理如图2所示，
首先根据多普勒频偏的最大范围，把捕获的频域搜索范围平均分为N个频率槽fi，i＝1～N，其中N为奇数)，将接收信号分别以各频率槽的中心频率进行下变频，得到各频率槽的下变频信号，并计算相应下变频信号的伪码多普勒补偿量(fd)；在每个频率槽内，将各下变频信号与本地PN码做相关，找出最大峰值所在频率槽，此时可以认为载波多普勒频移在所在频率槽中心频率附近，将该频点设置为新的中心频率(f’i＝fi+fd)，同时将频槽步进除以4(Δf＝Δf/4)，缩小频率搜索范围，重复上述步骤，直到频率精度达到跟踪要求。
该数据链采用一对多通信模式，即一个地面设备可以同时接收多个机载设备的遥测信号，扩频码长度和码速率通过上位机驱动网口进行配置加载，数据通过BPSK调制直接发送至收发一体天线，并通过收发一体天线接收机载测控设备发送来的遥测数据。

Claims (9)

1.一种一点对多点靶机数据链系统，其特征在于，包括射频模块、信号处理模块及电源转换模块，信号处理模块用于对数据的编码、调制、解调、捕获、跟踪、AD/DA转换、射频模块频点控制并且与上位机的通信；信号处理模块包括FPGA芯片、FLASH存储芯片、FLASH配置芯片、AD芯片以及DA芯片，FPGA芯片连接FLASH存储芯片、FLASH配置芯片、AD芯片、DA芯片、射频模块、上位机以及晶振，晶振还连接射频模块，FLASH存储芯片用于存储数据，AD芯片连接射频模块，并接收射频模块的数据，用于对输入信号进行采样；DA芯片用于将调制信号输出，DA芯片连接射频模块，并向射频模块传输数据。
2.根据权利要求1所述的一点对多点靶机数据链系统，其特征在于，射频模块包括射频发射模块和射频接收模块，射频发射模块和射频接收模块分别对应连接有发射天线和接收天线。
3.根据权利要求1所述的一点对多点靶机数据链系统，其特征在于，电源转换模块采用一个稳压源控制电路，输入为12V，输出为5V。
4.根据权利要求1所述的一点对多点靶机数据链系统，其特征在于，通信接口采用标准的15针接插头和标准的RJ-45网口。
5.根据权利要求1所述的一点对多点靶机数据链系统，其特征在于，信号处理模块采用K7系列FPGA芯片。
6.根据权利要求1所述的一点对多点靶机数据链系统的信号处理方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
S1，找到网口输入的PCM数据的帧头，即有效数据；
S2，将S1所得有效数据经过规则进行组帧，同时进行RS编码；
S3，将S2中RS编码后的数据进行加扰操作；
S4，将S3加扰后的数据，进行(1/2,7)卷积编码；
S5，将编码后的数据首先进行2.448M-29.564M扩频处理，再进行BPSK调制；将调制信号分配不同的时隙、不同的载波频点或不同的扩频码，实现一点对多点。
7.根据权利要求6所述的一点对多点靶机数据链系统的信号处理方法，其特征在于，地面接收端通过上位机配置不同的时隙、不同的载波频点或不同的扩频码，完成多路信号的汇集。
8.根据权利要求6所述的一点对多点靶机数据链系统的信号处理方法，其特征在于，针对BPSK扩频信号，采用基于并行FFT的匹配滤波的快速捕获方法，具体如下：
步骤1，根据多普勒频偏的最大范围，把捕获的频域搜索范围平均分为N个频率槽fi，i＝1～N，其中N为奇数，
步骤2，将接收信号分别以各频率槽的中心频率进行下变频，得到各频率槽的下变频信号，并计算相应下变频信号的伪码多普勒补偿量fd；
步骤3，在每个频率槽内，将各下变频信号与本地PN码做相关，找出最大峰值所在频率槽，此时载波多普勒频移在所在频率槽中心频率附近，将该频率槽设置为新的中心频率f’i＝fi+fd，同时将频率槽步进除以4，缩小频率搜索范围；
步骤4，重复步骤1至步骤3，直到频率精度达到跟踪要求。
9.根据权利要求6所述的一点对多点靶机数据链系统的信号处理方法，其特征在于，编码后的码速率设置为9.6Kbps-28.9Kbps之间的任意数值，扩频码设置为255、511或1023。
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