CN110601717B - 一种基于码分复用的通信与测距一体化系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于码分复用的通信与测距一体化系统和方法，该系统由发射机和接收机组成，所述发射机采用相互正交的扩频码对定位数据和通信数据进行扩频，实现基带信号到射频信号的转换；所述接收机首先将接收到的射频信号转换为基带信号，利用不同的扩频码恢复原始的定位数据和通信数据，同时测量出发射机到接收机之间的距离。该方法包括定位和通信数据生成、多路正交伪随机码扩频、射频发射、射频接收、相关时延估计、多路正交伪随机码解扩、定位和通信数据恢复等七个步骤。本发明可以在飞行器节点间建立双向无线链路，同时完成通信和测距两种功能，在保持一定测距精度的前提下提高通信传输速率。

Description

一种基于码分复用的通信与测距一体化系统和方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及一种新型的无线通信和测距一体化方法，特别适用于无人机集群间的通信和相对定位。

背景技术

当前随着无人系统技术的不断发展，以无人机集群、导弹集群和卫星编队为代表无人飞行器集群在军事、工业和农业等领域得到了广泛的应用和发展。无人飞行器集群的组网通信和相对定位是实现集群任务协同、编队保持和监控管理的关键技术。飞行器集群的组网通信是实现数据业务、控制指令等信息交互的基础，主要是利用不同飞行器节点间的无线链路进行传输。飞行器集群的相对定位具有多种实现方法，最常用的方式是集群各节点利用全球卫星导航系统获取自身位置，通过无线链路获取其他节点位置信息实现相对定位。集群利用卫星导航等外部定位系统获取自身位置，在对抗条件下容易受到干扰而瘫痪。此外，当飞行器集群处于室内或者城市等不利于获取卫星信号的场景时，卫星导航信息微弱从而影响自身位置信息获取。因此，无人飞行器集群利用自身设备实现自主相对定位，脱离对导航卫星信号的依赖，对于复杂场景下集群编队飞行具有重要意义。

飞行器间自主相对定位可以采用光学定位和无线电定位两种方法。光学定位方法精度较高，但是容易受到环境的影响且光学系统的对准难度较大。无线电自主定位是利用无线电波测量不同节点间的距离或者角度，主要的实现方法包括蜂窝网定位、WIFI定位、蓝牙定位、超宽带UWB定位、ZigBee系统定位等。这些无线电定位系统与无线电通信系统属于两个独立的系统，采用不同的硬件资源和频带资源来同时实现定位和通信功能。因此，通信系统和定位系统采用一体化设计，可以显著较少对飞行器节点重量、体积和功耗的需求，有利于飞行器节点的小型化设计。

针对体积受限的无人机飞行器集群，通常采用距离测量实现节点间的相对定位。目前，通信与测距一体化系统设计普遍基于扩频码实现，具有测量精度高、无模糊距离长、抗干扰能力强等特点。无线电测距系统为提高测距精度要求提高扩频码的速率和周期，不利于提高扩频通信系统的传输速率。2009年，施浒立、崔君霞等登记的发明专利“导航和通信一体化信号结构”(发明专利申请号：200910084033.8)中提出利用正交和同相两条正交之路分别传输导航电文和通信电文，或者传输通信电文与导航定位短电文交替的组合电文，但是系统的通信效率较低。2012年，李文刚、张跃龙等登记的发明专利“宽带无线通信与测距定位一体化系统和方法”(发明专利申请号：201210392983.9)中提出将通信信息与扩频后的测距定位信息在同一频带叠加，但是通信信号和测距定位信号之间存在相互干扰。因此，为了同时提高测距精度和通信速率，迫切需要一种新型的通信与测距一体化系统设计方法。

发明内容

本发明针对现有无线通信与测距一体化技术存在的不足，提出了一种基于码分复用的通信与测距一体化系统及其方法，可以在飞行器节点间建立双向无线链路，同时完成通信和测距两种功能，在保持一定测距精度的前提下提高通信传输速率。

为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

本发明提出的通信与测距一体化系统由发射机和接收机组成，发射机和接收机利用无线信道进行信号传输。发射机采用相互正交的扩频码对定位数据和通信数据进行扩频，实现基带信号到射频信号的转换。接收机首先将接收到的射频信号转换为基带信号，利用不同的扩频码恢复原始的定位数据和通信数据，同时测量出发射机到接收机之间的距离。

该通信与测距一体化系统的发射机主要包括：

定位数据1，产生节点间相对测距和定位所需要的相关信息，主要包括节点的时钟、状态、编号等信息，将定位数据按照固定的数据格式和周期发送给编码组帧模块2；

编码组帧2，将输入的定位数据按照固定的格式进行编码，同时添加帧头和帧尾等数据位，形成一个完整的定位数据帧格式；

调制器3，将输入的二进制数据进行调制，完成二进制数据到数据符号的映射，形成适用于定位数据传输的调制格式；

乘法器4，将数据符号和正交伪随机序列发生器10产生的扩频码相乘，实现定位数据和通信数据的直接序列扩频；

通信数据5，产生节点需要传输的各种通信数据，包括节点间需要传递的数据信息和各类业务信息，将通信信息按照固定的数据格式和周期发送给编码组帧模块6；

编码组帧6，将输入的通信数据按照固定的格式进行编码，同时添加帧头和帧尾等数据位，形成一个完整的通信数据帧格式；

调制器7，将输入的二进制数据进行调制，完成二进制数据到数据符号的映射，形成适用于通信数据传输的调制格式；

串并转换8，将收到的已调制通信数据由串行数据转换为并行数据，并行数据每一条支路的传输数据速率相同；

加法器9，将扩频后的定位数据信号和扩频后的各支路通信数据信号相加；

正交伪随机序列发生器10，生成多路正交的扩频码，每一路扩频码的周期均相等且相互正交；

射频发送模块11，完成基带信号到射频信号的转换，主要包括射频本振、载波调制、功率放大等模块；

射频天线12，将输入的射频信号转换为电磁波辐射到无线信道中。

该通信与测距一体化系统的接收机主要包括：

射频天线13，从无线信道中接收电磁波信号，将电磁波信号转换为射频电信号输入到射频接收模块；

射频接收模块14，将射频电信号转换为基带数字信号，主要包括本振源、混频器和AD转换器等模块；

正交伪随机序列发生器15，生成多路正交的扩频码，每一路扩频码的周期均相等且相互正交；

相关时延估计器16，根据射频接收模块输出的基带信号和正交伪随机序列发生器产生的正交扩频码，通过相关运算和门限判决，得到信号传播时延的估计；

同步控制17，根据相关时延估计器的输出对正交伪随机序列发生器的输出进行控制，使得接收到的基带数据与扩频码时间同步；

距离估计器18，根据相关时延估计器得到的信号传播时延测算得到发射机和接收机之间的传输距离；

乘法器19，将射频接收模块输出的基带数据与同步后的正交扩频码相乘，实现数据的解扩和不同支路数据的分离；

解调器20，将定位数据支路解扩后的数据进行解调，恢复出二进制的定位数据帧；

解码器21，将定位数据帧进行解码，去除数据帧的格式封装，输出原始的定位数据；

并串转换22，将多个并行正交支路的通信数据转换为串行数据格式；

解调器23，将通信数据支路解扩后的数据进行解调，恢复出二进制的通信数据帧；

解码器24，将通信数据帧进行解码，去除数据帧的格式封装，输出原始的通信数据。

接收机中所述的相关时延估计器系统组成主要包括：

相关平方器161，将射频接收模块输出的基带信号和正交伪随机序列发生器产生的正交扩频码进行相关运算，然后将得到的相关结果进行平方；

加法器162，将各支路相关平方器的输出相加；

门限判决器163，将加法器输出的结果与提前设置好的门限值相互比较判决，如果满足判决条件则输出扩频码的偏移量，如果不满足判决条件则通过偏移控制器164对扩频码进行位移操作；

偏移控制器164，对扩频码进行位移操作，得到扩频码的不同偏移量；

时延计算165，根据门限判决器的输出结果和接收机采样速率等参数，计算得到信号传播时延的估计。

本发明还提供了一种基于码分复用的通信与测距一体化方法，主要包括以下步骤：

步骤一、定位数据帧和通信数据帧的生成与调制，并且将已调制的串行通信数据帧转换为多路并行信号；

步骤二、采用码分复用的原理，利用多路正交的伪随机序列对已调制的定位数据帧和通信数据帧进行扩频；

步骤三、将多路扩频后的数据叠加后转化为射频信号，通过天线进行发射；

步骤四、接收机利用天线接收射频信号，并且转换为基带信号；

步骤五、基带信号与接收机的正交扩频码进行相关运算，通过信号捕获算法得到信号传输时延的估计，并且进行传输距离测算；

步骤六、基带信号与同步后的正交扩频码进行解扩，利用码分复用的原理恢复出多路并行的基带数据信号；

步骤七、通过解调和解码恢复原始的定位数据和通信数据。

可选地，发射机将需要传输的定位数据帧和通信数据帧进行调制，根据选择的数字基带调制方式将二进制数据映射为传输码元；定位数据帧调制后的信号记为d₁(t)；通信数据帧调制后首先进行串并转换，将串行信号转换为K-1路并行信号，分别标记为d₂(t)、d₃(t)……d_K-1(t)、d_K(t)，其中K为大于等于2的正整数；

所述步骤二具体包括，正交伪随机序列发生器产生K个周期相同的正交伪随机序列作为扩频码，分别记为c₁(t)、c₂(t)……c_K-1(t)、c_K(t)，具有如下性质：

其中T_d表示扩频码的周期，N表示扩频码的周期；

调制后的定位数据和通信数据与K个正交的扩频码一一对应相乘，可以得到相应的扩频后信号为：

g₁(t)＝d₁(t)×c₁(t)；

g₂(t)＝d₂(t)×c₂(t)；

g_K(t)＝d_K(t)×c_K(t).

扩频后的K路信号相叠加，可以得到对应的扩频后基带信号为：

所述步骤三具体包括，将所述扩频后基带信号转变为射频信号，通过发射天线转换为电磁波在无线信道中进行传播，所述射频信号表达式为：

其中A表示载波的振幅，f_s表示载波的中心频率，

表示载波的初始相位；

所述步骤四具体包括，接收到的射频信号首先进行低噪放大和带通滤波，然后利用本地载波进行混频，恢复出基带信号，所述恢复出基带信号的表达式为：

r(t)＝A′g(t)+n(t)

其中A′表示输出基带信号中有用分量的幅度，n(t)表示输出基带信号中的噪声分量；

所述步骤五具体包括，射频接收模块输出的基带信号r(t)首先与本地正交伪随机序列发生器产生的正交扩频码分别进行相关运算，将各支路的相关运算结果平方后相加，得到时延估计的判决值：

将得到的判决值V_i(t)与设定好的判决门限V_th相比较，如果V_i(t)的值大于V_th则认为系统捕获成功，本地扩频码序列的相位与接收信号中扩频码的相位同步；当V_i(t)的值小于V_th则认为系统捕获失败，此时本地扩频序列的相位与接收信号中扩频码的相位不同；门限判决器给偏移控制器一个控制信号，改变本地扩频码的相位，使得相位偏移量应小于扩频码片持续时间的1/2；如果改变相位后的本地扩频序列仍然没有捕获成功，偏移控制器继续改变本地扩频码的相位，直至系统捕获成功；当系统捕获成功后，门限判决器输出此时系统的偏移控制量，利用系统参数得到信号传输的绝对时延估计值。

所述步骤六具体包括，首先本地正交扩频码与接收信号扩频码之间进行相位同步，将正交扩频码与接收基带信号r(t)对应相乘，完成解扩过程并且得到各支路信号；第i条支路解扩后输出信号表达式为：

其中1≤i≤K；第一项表示恢复出的数据信号，第二项表示噪声分量；

所述步骤七具体包括，根据解扩输出的各支路信号g′_i(t)(1≤i≤K)和选择的不同调制方案，通过解调恢复出各支路的传输码元d_i(t)，然后将传输码元转换为原始的二进制数据；将恢复出的原始二进制数据帧进行解封装，得到原始的定位数据和通信数据；

此外，根据信号传输时延进行传输距离估算。

相比于现有技术，本发明具有以下优点：

(1)本发明采用码分复用的原理实现了定位数据和通信数据的同时传输，通过多路正交的扩频码实现了多路数据的并行传输，提高了发射机和接收机之间的传输速率。相比于现有采用不同频率或者两路正交信号的方法，可以有效提高系统的频带利用率。在带宽确定的条件下，通过码分复用的方法降低了每一条数据支路的传输速率，可以进一步提高扩频码的码速率，进而提高测距的精度。

(2)本发明中相关时延估计器利用多个正交的扩频数据支路进行综合时延估计，在接收信号信噪比一定的条件下可以有效提高时延估计的准确性，在低信噪比条件下减少信号错误捕获的概率。

(3)本发明采用通信和测距的一体化设计方法，利用正交扩频码同时完成了测距和多路信号的并行传输，具有结构简单、功耗体积小等特点。此外，本发明中没有特别限定信号的调制方法，具有较大的灵活性。

附图说明

图1基于码分复用的通信与测距一体化系统发射机框图；

图2基于码分复用的通信与测距一体化系统接收机框图；

图3相关时延估计器的系统组成框图；

图4基于码分复用的通信与测距一体化方法流程图。

图中：1-定位数据生成模块、2-第一编码组帧模块、3-第一调制器、4-第一乘法器、5-通信数据生成模块、6-第二编码组帧模块、7-第二调制器、8-串并转换模块、9-加法器、10-第一正交伪随机序列发生器、11-射频发送模块、12-第一射频天线；13-第二射频天线、14-射频接收模块、15-第二正交伪随机序列发生器、16-相关时延估计器、17-同步控制器、18-距离估计器、19-第二乘法器、20-第一解调器、21-第一解码器、22-并串转换模块(22)、23-第二解调器、24-第二解码器、161相关平方器、162-加法器、163-门限判决器、164-偏移控制器、165-时延计算模块。

具体实施方式

本发明提出的通信与测距一体化系统主要由发射机和接收机组成，发射机的系统框图参照图1，接收机的系统框图参照图2。发射机的主要作用是将定位数据和通信数据扩频后转换为射频信号，利用无线信道进行发射，主要包括定位数据生成模块1、第一编码组帧模块2、第一调制器3、第一乘法器4、通信数据生成模块5、第二编码组帧模块6、第二调制器7、串并转换模块8、加法器9、第一正交伪随机序列发生器10、射频发送模块11、第一射频天线12。接收机的主要作用是从接收到射频信号中恢复出定位数据和通信数据，同时利用扩频码测量发射机与接收机之间的距离，主要包括第二射频天线13、射频接收模块14、第二正交伪随机序列发生器15、相关时延估计器16、同步控制器17、距离估计器18、第二乘法器19、第一解调器20、第一解码器21、并串转换模块22、第二解调器23、第二解码器24。

定位数据生成模块1，用于产生节点间相对测距和定位所需要的相关数据，将定位数据按照固定的数据格式和周期输入到所述第一编码组帧模块2，相关信息包括节点的时钟、状态、编号信息。

第一编码组帧模块2，用于将输入的定位数据按照固定的格式进行编码，同时添加帧头和帧尾等数据位，形成一个完整的定位数据帧格式二进制数据，然后输入到第一调制器3。

第一调制器3，用于将第一编码组帧模块2输入二进制数据进行调制，完成二进制数据到数据符号的映射，形成适用于定位数据传输的调制格式，然后输入到第一乘法器4。

第一乘法器4，用于将数据符号和正交伪随机序列发生器10产生的扩频码相乘，实现定位数据和通信数据的直接序列扩频。

通信数据生成模块5，用于产生节点需要传输的各种通信数据，将通信数据按照固定的数据格式和周期输入到第二编码组帧模块6；包括节点间需要传递的数据信息和各类业务信息。

第二编码组帧6，用于将输入的通信数据按照固定的格式进行编码，同时添加帧头和帧尾数据位，形成一个完整的通信数据帧格式二进制数据，然后输入到第二调制器3。

第二调制器7，用于将第二编码组帧6输入的二进制数据进行调制，完成二进制数据到数据符号的映射，形成适用于通信数据传输的调制格式，然后输入到串并转换模块8。

串并转换模块8，用于将收到的已调制通信数据由串行数据转换为若干条支路的并行数据，每条支路具有一个第一乘法器4，将并行数据分别输入到位于该支路的第一乘法器4；每一条支路的传输数据速率相同。

加法器9，用于将扩频后的定位数据信号和扩频后的各支路通信数据信号相叠加，得到基带信号并输入到射频发送模块11。

第一正交伪随机序列发生器10，用于生成多路正交的扩频码，将扩频码分别输入到乘法器4，每一路扩频码的周期均相等且相互正交。

射频发送模块11，用于完成基带信号到射频信号的转换，然后输入到射频发送模块11。

第一射频天线12，用于将输入的射频信号转换为电磁波辐射到无线信道中。

接收机包括第二射频天线13、射频接收模块14、第二正交伪随机序列发生器15、相关时延估计器16、同步控制器17、距离估计器18、第二乘法器19、第一解调器20、第一解码器21、并串转换模块22、第二解调器23、第二解码器24。

第二射频天线13，用于从无线信道中接收电磁波信号，将电磁波信号转换为射频电信号输入到射频接收模块14。

射频接收模块14，用于射频电信号转换为基带数字信号，分别输入到相关时延估计器16和乘法器19。

第二正交伪随机序列发生器15，用于生成多路正交的扩频码，将扩频码分别输入到相关时延估计器16和乘法器19，每一路扩频码的周期均相等且相互正交。

相关时延估计器16，用于根据射频接收模块14输出的基带信号和第二正交伪随机序列发生器15产生的扩频码，通过相关运算和门限判决，得到信号传播时延的估计。

同步控制17，用于根据相关时延估计器16的输出对第二正交伪随机序列发生器15的输出进行控制，使得接收到的基带数据与扩频码时间同步。

距离估计器18，用于根据相关时延估计器16输出的信号传播时延估计测算得到发射机和接收机之间的传输距离。

第二乘法器19，用于将射频接收模块14输出的基带数据与同步后的扩频码相乘，实现数据的解扩和不同支路数据的分离。

第一解调器20，用于将定位数据支路解扩后的数据进行解调，恢复出二进制的定位数据帧。

第一解码器21，用于将定位数据帧进行解码，去除数据帧的格式封装，输出原始的定位数据。

并串转换模块22，用于将多个并行正交支路的通信数据转换为串行数据格式。

第二解调器23，用于将通信数据支路解扩后的数据进行解调，恢复出二进制的通信数据帧。

第二解码器24，用于将通信数据帧进行解码，去除数据帧的格式封装，输出原始的通信数据。

如图3所示，相关时延估计器16包括相关平方器161、加法器162、门限判决器163、偏移控制器164、时延计算模块165。

相关平方器161，将射频接收模块14输出的基带信号和第二正交伪随机序列发生器15产生的扩频码进行相关运算，然后将得到的相关结果进行平方。

加法器162，将各支路相关平方器161的输出相加，然后输入到门限判决器163。

门限判决器163，将加法器162输出的结果与提前设置好的门限值相互比较判决，如果满足判决条件则输出扩频码的偏移量，如果不满足判决条件则通过偏移控制器164对扩频码进行位移操作。

偏移控制器164，对扩频码进行位移操作，得到扩频码的不同偏移量。

时延计算模块165，根据门限判决器的输出结果和接收机采样速率，计算得到信号传播时延的估计。

射频发送模块11包括射频本振模块、载波调制模块和功率模块。

射频接收模块14包括本振源、混频器和AD转换器模块。

本发明的具体实施流程主要包括定位和通信数据生成、多路正交伪随机码扩频、射频发射、射频接收、相关时延估计、多路正交伪随机码解扩、定位和通信数据恢复等七个步骤，见图4。下面对每一个步骤的具体实施方式进行介绍。

步骤1：定位和通信数据生成；

发射机将需要传输的定位数据帧和通信数据帧进行调制，根据选择的数字基带调制方式将二进制数据映射为传输码元。本发明不限定具体数字基带的调制方案，比如BPSK、QPSK、QAM等多种方案可以选择。定位数据帧调制后的信号可以记为d₁(t)；通信数据帧调制后首先进行串并转换，将串行信号转换为K-1(K为大于等于2的正整数)路并行信号，可以分别标记为d₂(t)、d₃(t)……d_K-1(t)、d_K(t)。

步骤2：多路正交伪随机码扩频；

正交伪随机序列发生器产生K个周期相同的正交伪随机序列作为扩频码，分别记为c₁(t)、c₂(t)……c_K-1(t)、c_K(t)，具有如下性质：

其中T_d表示扩频码的周期，N表示扩频码的周期。正交伪随机序列有很多生成方法，包括Walsh码、正交Gold码、OVSF码等，可以任选一种生成正交扩频码。

调制后的定位数据和通信数据与K个正交的扩频码一一对应相乘，可以得到相应的扩频后信号为：

g₁(t)＝d₁(t)×c₁(t)；

g₂(t)＝d₂(t)×c₂(t)；

扩频后的K路信号相叠加，可以得到对应的扩频后基带信号为：

步骤3：射频发射；

射频发射的主要作用是将基带信号转变为射频信号，通过发射天线转换为电磁波在无线信道中进行传播。射频发射模块的输出信号表达式为：

其中A表示载波的振幅，f_s表示载波的中心频率，

表示载波的初始相位。

步骤4：射频接收；

射频接收的主要作用是利用射频接收天线从无线信道中接收电磁波，并且转换为射频信号。接收到的射频信号首先进行低噪放大和带通滤波，然后利用本地载波进行混频，恢复出基带信号。射频接收模块输出的基带信号表达式为：

r(t)＝A′g(t)+n(t)

其中A′表示输出基带信号中有用分量的幅度，n(t)表示输出基带信号中的噪声分量。

步骤5：相关时延估计；

相关时延估计的基本原理是扩频码串行滑动相关捕获。射频接收模块输出的基带信号r(t)首先与本地正交伪随机序列发生器产生的正交扩频码分别进行相关运算，将各支路的相关运算结果平方后相加，得到时延估计的判决值：

将得到的判决值V_i(t)与设定好的判决门限V_th相比较，如果V_i(t)的值大于V_th则认为系统捕获成功，本地扩频码序列的相位与接收信号中扩频码的相位同步。当V_i(t)的值小于V_th则认为系统捕获失败，此时本地扩频序列的相位与接收信号中扩频码的相位不同。门限判决器给偏移控制器一个控制信号，改变本地扩频码的相位，相位偏移量应小于扩频码片持续时间的1/2。如果改变相位后的本地扩频序列仍然没有捕获成功，偏移控制器继续改变本地扩频码的相位，直至系统捕获成功。当系统捕获成功后，门限判决器输出此时系统的偏移控制量，即本地扩频码的相位延迟，利用系统参数得到信号传输的绝对时延估计值。

步骤6：多路正交伪随机码解扩；

多路正交伪随机码解扩过程是扩频的逆过程，根据扩频码的正交性，可以实现多路信号的复用传输。首先本地正交扩频码在相关时延估计器的控制下实现与接收信号扩频码之间的相位同步，将正交扩频码与接收基带信号r(t)对应相乘，完成解扩过程并且得到各支路信号。根据扩频码之间的正交性，第i(1≤i≤K)条支路解扩后输出信号表达式为：

上述表达式中第一项表示恢复出的数据信号，第二项表示噪声分量，即包括接收模块输出的噪声，也包括其他支路之间的干扰噪声。

步骤7：定位和通信数据恢复；

根据解扩模块输出的各支路信号g′_i(t)(1≤i≤K)和选择的不同调制方案(比如BPSK、QPSK、QAM等)，解调器恢复出各支路的传输码元d_i(t)，然后将传输码元转换为原始的二进制数据。解码器将恢复出的原始二进制数据帧进行解封装，得到原始的定位数据和通信数据。此外，距离估计器根据相关时延估计器得到信号传输时延进行传输距离估算。

本发明可以在飞行器节点间建立双向无线链路，同时完成通信和测距两种功能，在保持一定测距精度的前提下提高通信传输速率。

以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定，任何在本发明精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。本发明中正交伪随机序列生成等内容属本领域技术人员的公知技术，故此未做详细说明。

Claims (6)

1.一种基于码分复用的通信与测距一体化系统，其特征在于：由发射机和接收机组成，所述发射机采用相互正交的扩频码对定位数据和通信数据进行扩频，实现基带信号到射频信号的转换；所述接收机首先将接收到的射频信号转换为基带信号，利用不同的扩频码恢复原始的定位数据和通信数据，同时测量出发射机到接收机之间的距离；

所述发射机包括定位数据生成模块(1)、第一编码组帧模块(2)、第一调制器(3)、第一乘法器(4)、通信数据生成模块(5)、第二编码组帧模块(6)、第二调制器(7)、串并转换模块(8)、加法器(9)、第一正交伪随机序列发生器(10)、射频发送模块(11)、第一射频天线(12)；

所述定位数据生成模块(1)，用于产生节点间相对测距和定位所需要的相关信息，将定位数据按照固定的数据格式和周期输入到所述第一编码组帧模块(2)，所述相关信息包括节点的时钟、状态、编号信息；

所述第一编码组帧模块(2)，用于将输入的所述定位数据按照固定的格式进行编码，同时添加帧头和帧尾等数据位，形成一个完整的定位数据帧格式二进制数据，然后输入到所述第一调制器(3)；

所述第一调制器(3)，用于将所述第一编码组帧模块(2)输入二进制数据进行调制，完成二进制数据到数据符号的映射，形成适用于定位数据传输的调制格式，然后输入到所述第一乘法器(4)；

所述第一乘法器(4)，用于将所述数据符号和所述正交伪随机序列发生器(10)产生的扩频码相乘，实现定位数据和通信数据的直接序列扩频；

所述通信数据生成模块(5)，用于产生节点需要传输的各种通信数据，将通信数据按照固定的数据格式和周期输入到第二编码组帧模块(6)；包括节点间需要传递的数据信息和各类业务信息；

所述第二编码组帧(6)，用于将输入的所述通信数据按照固定的格式进行编码，同时添加帧头和帧尾数据位，形成一个完整的通信数据帧格式二进制数据，然后输入到所述第二调制器(3)；

所述第二调制器(7)，用于将第二编码组帧(6)输入的二进制数据进行调制，完成二进制数据到数据符号的映射，形成适用于通信数据传输的调制格式，然后输入到所述串并转换模块(8)；

所述串并转换模块(8)，用于将收到的所述已调制通信数据由串行数据转换为若干条支路的并行数据，每条支路具有一个第一乘法器(4)，将所述并行数据分别输入到位于该支路的第一乘法器(4)；所述每一条支路的传输数据速率相同；

所述加法器(9)，用于将扩频后的定位数据信号和扩频后的各支路通信数据信号相叠加，得到基带信号并输入到射频发送模块(11)；

所述第一正交伪随机序列发生器(10)，用于生成多路正交的扩频码，将所述扩频码分别输入到乘法器(4)，每一路扩频码的周期均相等且相互正交；

所述射频发送模块(11)，用于完成所述基带信号到射频信号的转换，然后输入到射频发送模块(11)；

所述第一射频天线(12)，用于将输入的射频信号转换为电磁波辐射到无线信道中；

所述接收机包括第二射频天线(13)、射频接收模块(14)、第二正交伪随机序列发生器(15)、相关时延估计器(16)、同步控制器(17)、距离估计器(18)、第二乘法器(19)、第一解调器(20)、第一解码器(21)、并串转换模块(22)、第二解调器(23)、第二解码器(24)；

所述第二射频天线(13)，用于从无线信道中接收电磁波信号，将电磁波信号转换为射频电信号输入到射频接收模块(14)；

所述射频接收模块(14)，用于所述射频电信号转换为基带数字信号，分别输入到相关时延估计器(16)和乘法器(19)；

所述第二正交伪随机序列发生器(15)，用于生成多路正交的扩频码，将所述扩频码分别输入到相关时延估计器(16)和乘法器(19)，每一路扩频码的周期均相等且相互正交；

所述相关时延估计器(16)，用于根据射频接收模块(14)输出的基带信号和第二正交伪随机序列发生器(15)产生的扩频码，通过相关运算和门限判决，得到信号传播时延的估计；

所述同步控制(17)，用于根据相关时延估计器(16)的输出对第二正交伪随机序列发生器(15)的输出进行控制，使得接收到的基带数据与扩频码时间同步；

所述距离估计器(18)，用于根据相关时延估计器(16)输出的信号传播时延估计测算得到发射机和接收机之间的传输距离；

所述第二乘法器(19)，用于将射频接收模块(14)输出的基带数据与同步后的扩频码相乘，实现数据的解扩和不同支路数据的分离；

所述第一解调器(20)，用于将定位数据支路解扩后的数据进行解调，恢复出二进制的定位数据帧；

所述第一解码器(21)，用于将定位数据帧进行解码，去除数据帧的格式封装，输出原始的定位数据；

所述并串转换模块(22)，用于将多个并行正交支路的通信数据转换为串行数据格式；

所述第二解调器(23)，用于将通信数据支路解扩后的数据进行解调，恢复出二进制的通信数据帧；

所述第二解码器(24)，用于将通信数据帧进行解码，去除数据帧的格式封装，输出原始的通信数据。

2.如权利要求1所述的一种基于码分复用的通信与测距一体化系统，其特征在于：所述相关时延估计器(16)包括相关平方器(161)、加法器(162)、门限判决器(163)、偏移控制器(164)、时延计算模块(165)；

所述相关平方器(161)，将所述射频接收模块(14)输出的基带信号和第二正交伪随机序列发生器(15)产生的扩频码进行相关运算，然后将得到的相关结果进行平方；

所述加法器(162)，将各支路相关平方器(161)的输出相加，然后输入到门限判决器(163)；

所述门限判决器(163)，将加法器(162)输出的结果与提前设置好的门限值相互比较判决，如果满足判决条件则输出扩频码的偏移量，如果不满足判决条件则通过偏移控制器(164)对扩频码进行位移操作；

所述偏移控制器(164)，对扩频码进行位移操作，得到扩频码的不同偏移量；

所述时延计算模块(165)，根据门限判决器的输出结果和接收机采样速率，计算得到信号传播时延的估计。

3.如权利要求1所述的一种基于码分复用的通信与测距一体化系统，其特征在于：所述射频发送模块(11)包括射频本振模块、载波调制模块和功率模块。

4.如权利要求1所述的一种基于码分复用的通信与测距一体化系统，其特征在于：所述射频接收模块(14)包括本振源、混频器和AD转换器模块。

5.一种基于码分复用的通信与测距一体化方法，其特征在于，包括：

步骤一：定位数据帧和通信数据帧的生成与调制，并且将已调制的串行通信数据帧转换为多路并行信号；

步骤二：采用码分复用的原理，利用多路正交的伪随机序列对已调制的定位数据帧和通信数据帧进行扩频；

步骤三：将多路扩频后的数据叠加后转化为射频信号，通过天线进行发射；

步骤四：接收机利用天线接收射频信号，并且转换为基带信号；

步骤五：基带信号与接收机的正交扩频码进行相关运算，通过信号捕获算法得到信号传输时延的估计，并且进行传输距离测算；

步骤六：基带信号与同步后的正交扩频码进行解扩，利用码分复用的原理恢复出多路并行的基带数据信号；

步骤七：通过解调和解码恢复原始的定位数据和通信数据。

6.根据权利要求5所述的一种基于码分复用的通信与测距一体化方法，其特征在于，

所述步骤一具体包括，发射机将需要传输的定位数据帧和通信数据帧进行调制，根据选择的数字基带调制方式将二进制数据映射为传输码元；定位数据帧调制后的信号记为d₁(t)；通信数据帧调制后首先进行串并转换，将串行信号转换为K-1路并行信号，分别标记为d₂(t)、d₃(t)……d_K-1(t)、d_K(t)，其中K为大于等于2的正整数；

所述步骤二具体包括，正交伪随机序列发生器产生K个周期相同的正交伪随机序列作为扩频码，分别记为c₁(t)、c₂(t)……c_K-1(t)、c_K(t)，具有如下性质：

其中T_d表示扩频码的周期，N表示扩频码的周期值；

调制后的定位数据和通信数据与K个正交的扩频码一一对应相乘，可以得到相应的扩频后信号为：

扩频后的K路信号相叠加，可以得到对应的扩频后基带信号为：

所述步骤三具体包括，将所述扩频后基带信号转变为射频信号，通过发射天线转换为电磁波在无线信道中进行传播，所述射频信号表达式为：

其中A表示载波的振幅，f_s表示载波的中心频率，

表示载波的初始相位；

所述步骤四具体包括，接收到的射频信号首先进行低噪放大和带通滤波，然后利用本地载波进行混频，恢复出基带信号，所述恢复出基带信号的表达式为：

r(t)＝A′g(t)+n(t)

其中A′表示输出基带信号中有用分量的幅度，n(t)表示输出基带信号中的噪声分量；

所述步骤五具体包括，射频接收模块输出的基带信号r(t)首先与本地正交伪随机序列发生器产生的正交扩频码分别进行相关运算，将各支路的相关运算结果平方后相加，得到时延估计的判决值：

将得到的判决值V_i(t)与设定好的判决门限V_th相比较，如果V_i(t)的值大于V_th则认为系统捕获成功，本地扩频码序列的相位与接收信号中扩频码的相位同步；当V_i(t)的值小于V_th则认为系统捕获失败，此时本地扩频序列的相位与接收信号中扩频码的相位不同；门限判决器给偏移控制器一个控制信号，改变本地扩频码的相位，使得相位偏移量应小于扩频码片持续时间的1/2；如果改变相位后的本地扩频序列仍然没有捕获成功，偏移控制器继续改变本地扩频码的相位，直至系统捕获成功；当系统捕获成功后，门限判决器输出此时系统的偏移控制量，利用系统参数得到信号传输的绝对时延估计值；

所述步骤六具体包括，首先本地正交扩频码与接收信号扩频码之间进行相位同步，将正交扩频码与接收基带信号r(t)对应相乘，完成解扩过程并且得到各支路信号；第i条支路解扩后输出信号表达式为：

其中1≤i≤K；第一项表示恢复出的数据信号，第二项表示噪声分量；

所述步骤七具体包括，根据解扩输出的各支路信号g′_i(t)(1≤i≤K)和选择的不同调制方案，通过解调恢复出各支路的传输码元d_i(t)，然后将传输码元转换为原始的二进制数据；将恢复出的原始二进制数据帧进行解封装，得到原始的定位数据和通信数据；

此外，根据信号传输时延进行传输距离估算。

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