CN111060866A - 一种双通道无线通信测向系统及其测向方法 - Google Patents

一种双通道无线通信测向系统及其测向方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双通道无线通信测向系统及其测向方法，该系统构建了彼此独立的双通道信号传输体系，解调器将双通道接收信号进行相干解调，得到解调输出信号，同时分离出测向数据，实现了同一设备完成宽带无线通信与精确测向两种功能的一体化设计；利用测向接收处理模块对测向数据进行滤波及数字信号处理，通过接收端两个天线的几何关系，可以计算出测向数据，此方法可靠性高，测向数据精确。

Description

一种双通道无线通信测向系统及其测向方法
技术领域
本发明属于宽带无线通信领域和测向领域，具体的说涉及一种双通道无线通信测向系统及其测向方法。
背景技术
在当前的地空通信系统中，地面站与无人机的双向数据通信带宽越来越大，地面站对无人机的精准测向技术日趋严苛，扩展传输带宽和精准测向已成为地空通信设备进行改良的关键因素。现代战场信息化使得作战平台功能从单一化向协同化方向发展，各型装备在此过程中不断进步、完善并获得大量使用。
利用导航系统（如北斗导航系统）进行无人机测向已经是一项比较成熟的技术，但这一技术严重依赖导航卫星，在卫星信号覆盖不全或导航受限条件下，这一技术将受到极大的限制，甚至无法使用。
当前地空系统中，测向系统与传输系统一般是各自独立的，测向系统多用导航系统或惯导实现，不具备宽带传输能力，而传输系统多是只用于宽带信息，两者相互独立，增加了设备的复杂度。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种在发送端将宽带数字信号与测向信号融合于同一波形中，在接收端利用两面接收天线采用空间分集接收时存在路程差的特性，在完成宽带信息传输的同时获得精确测向数据的双通道无线通信测向系统；本发明还有一个目的是提供一种基于两面接收天线存在接收路程差的特性，通过两套接收系统双通道信号处理获得相位差计算测向角的方法。
技术方案：本发明的一种双通道无线通信测向系统，包括发送端和接收端，发送端包括信道编码器、调制器、变频器、放大器和发送天线，所述接收端包括两面接收天线，用于双通道分别接收发送端发送的融合信号；至少一个双通道放大器，用于放大所述的融合信号；变频器，用于将放大后的融合信号下变频，获得两路中频信号；解调器，用于对两路中频信号分别进行A/D变换和相干解调，经合并模块解调输出至信道译码器；信道译码器，用于对解调输出码字进行译码处理；解帧模块，用于识别信道译码器的输出信号并分离出并行的宽带数字信号；以及测向处理模块，分别对解调器输出的两路数字信号通过其各自的锁相环路获得对应的频率累加字，相减获得相位差并输出结果；
其中，所述两面接收天线包括两个信号接收面处于同一平面的接收天线，所述融合信号为在同一无线信道中传输的测向单频信号和宽带数字信号。
进一步地，所述发送端设有成帧模块，用于将帧头和宽带数字信号复接为串行单通道信号输入信道编码器。
进一步地，所述发送端设有单频信号发生模块，用于输出测向单频信号。
作为本发明的优选实施方式，所述发送端包括成帧模块、信道编码器、调制器、单频信号发生模块、上变频器、功率放大器和发送天线。成帧模块将宽带数字信号与帧头复接后送入信道编码器，信道编码器采用多种编码方式级联，其编码的数据输出到调制器，调制器输出信号与单频信号发生模块输出的测向单频信号进行信号融合，融合后的数据经D/A变换后输出到上变频器，上变频器将基带数据上变频到4.4~4.8GHz，得到射频小信号，输出到功率放大器经放大后，通过发射天线辐射到无线信道中。
其中，所述测向单频信号是插在宽带数字信号的零点处，从而使测向单频信号与宽带数字信号之间不相互干扰。
对于接收端而言，接收端采用的是两面接收天线，其包括两个信号接收面处于同一平面的接收天线，两个接收天线选用包括但不限于相同的平板天线或抛物面天线。关键在于，两个接收天线的间距理论上应当不小于半个波长，从而保证具备足够的精度，对发送端进行测向时能检测出相位差。
接收端所述的双通道放大器可以设计为一个，或与变频器形成一个模块，也可设计为多个。作为优选的实施方式，所述双通道放大器包括变频前的低噪放大器、以及变频后的中频放大器。此处设计可以根据实际实用环境分开设计或进行集成化设计。
所述的信道编码器、调制器、天线、解调器和信道译码器可以独立设计，也可以在硬件资源满足设计要求的条件下，将这些组件进行集成设计，也可以将信道编码器和调制器，或解调器和信道译码器，或调制器和解调器进行集成设计。
本发明的调制方式包括但不限于BPSK、QPSK、16QAM、64QAM的任意一种。
本发明所述的编码方式包括但不限于Turbo码、LDPC码的任意一种。
下面结合图1阐述测向角与测向处理模块计算的关系：
本发明采用两面接收天线，其两个接收天线之间的距离计为L，接收天线可以是平板天线，也可以是抛物面天线，但其信号接收面必须位于同一平面。所述的测向角θ表示发送端从第一位置到第二位置相对于接收端的变换角度。在这一过程中假定两面接收天线以接收天线a为轴旋转，那么另一个接收天线b在转动过程中产生了接收路程差L1，即：
Figure 897653DEST_PATH_IMAGE001
接收端接收天线a接收到的测向单频信号
Figure 151917DEST_PATH_IMAGE002
；接收端接收天线b接收到的测向单频信号
Figure 825344DEST_PATH_IMAGE003
，下面以接收天线a及其对应的锁相环路来说明算法：
接收天线a锁相环路中的本地单频信号
Figure 772440DEST_PATH_IMAGE004
，与测向单频信号共轭相乘：
Figure 167037DEST_PATH_IMAGE005
当本地信号完全与测向单频信号完全锁定时，达到同频同相，锁相环路误差输入取Q路信号
Figure 224991DEST_PATH_IMAGE006
，此时本地输出频率控制字ACC_a。同理，接收天线b及其对应的锁相环路输出控制字ACC_b，获得相位差D，即：
Figure 752925DEST_PATH_IMAGE007
换算为弧度：
Figure 136501DEST_PATH_IMAGE008
其中，n为量化位数，如8,16,32,…。
Figure 18394DEST_PATH_IMAGE009
联立公式（2）、（5）和（6）获得测向角：
Figure 614461DEST_PATH_IMAGE010
上述算法主要在锁相环路中进行计算，具体地说，所述锁相环路包括：
乘加器，用于将本地单频信号与接收端接收到的测向单频信号共轭相乘；
取虚部模块，用于接收来自乘加器的数据，取虚部处理后输出Q路信号；
控制字调整模块，用于接收处理后的Q路信号和固定控制字，输出调整控制字；
频率累加器，接收调整控制字，将本地单频信号输出至乘加器，频率累加字输出至相减器。
由于地面站已知接收频率，所以本发明所述的固定控制字即固定频率控制字，用于产生对应的接收频率。但由于地面站与空中站是不同时钟源，因而根据固定控制字产生的频率与实际接收并不是同频同相的。
所述的控制字调整模块用于获取本地频率与实际接收频率的差值，将此差值补偿到固定控制字中，从而根据本地NCO（本地频率振荡器）产生与实际接收频率同频同相的频率。
所述的频率累加字是指用于本地NCO产生本地接收频率，频率累加字与特定频率一一对应。
本地单频信号是指宽带信号的零点位置确定的单频信号，此单频信号由宽带信号带宽及工作频率确定。
进一步地，所述取虚部模块的输出端设有用于对Q路信号进行滤波处理的带通滤波模块。
所述相减器的输出端还设有用于将频率累加字差值与路程差进行换算的数据处理模块。通常情况下，将累加字差值可以换算成弧度。
这里需要补充说明的是，本发明所述的发送端是指发出测向请求并产生位移的终端，又可以称为空中端，例如无人直升机。所述的接收端是指响应测向请求，其锁定请求端的过程中产生了信号接收路程差，以此来计算测向角的终端，主要指地面端。
所述宽带数字信号包括信道对控信息和宽带业务信息。
基于上述测距系统和发明原理，本发明提供的一种双通道无线通信测向系统的测向方法，包括如下步骤：
S100：基于两面接收天线同时接收包含测向单频信号和宽带信号的融合信号；
S200：分别对两路融合信号进行放大和变频处理，获得两路中频信号；
S300：对两路中频信号进行数字滤波处理后，分别进行相干解调，输出的两路解调信号合并后输出至信道译码；同时，两路经数字滤波处理后的中频信号分别经其各自的锁相环路输出至相减器，获得接收相位差，经公式（1）换算获得测向角，
所述测向角为
Figure 262480DEST_PATH_IMAGE010
其中，λ为两个接收天线接收信号频率的波长，D为测向处理模块经相减计算获得的接收相位差，L为两个接收天线之间的距离，n为量化位数。
其中，中频信号经数字滤波处理后，与本地单频信号共轭相乘，取虚部处理后输出Q路信号，经带通滤波处理后，与固定控制字一同输入到控制字调整模块，控制字调整模块输出控制字至频率累加器，从而逐步调整本地NCO，本地NCO产生单频信号输出至乘加器，同时将频率累加字输出至相减器。
有益效果：本发明构建了彼此独立的双通道信号接收体系，解调器将双通道接收信号进行相干解调，得到解调输出信号，同时分离出测向数据，实现了同一设备完成宽带无线通信与精确测向两种功能的一体化设计。利用测向接收处理模块对测向数据进行滤波及数字信号处理，通过接收端两个天线的几何关系，可以计算出测向数据，此方法可靠性高，测向数据精确。
附图说明
图1是本发明测向角计算的原理示意图；
图2是本发明的系统构架图；
图3是实施例2的系统构架图；
图4是实施例2解调器的电原理图；
图5是实施例2测向接收处理模块的电原理图；
图6是实施例2所述方法的流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行进一步说明。
实施例1
请参考图2所示，本实施例提供了一种双通道无线通信测向系统，该系统分为发送端和接收端。
发送端包括信道编码器、调制器、变频器、放大器和发送天线，宽带数字信号经信道编码、调制后，与测向单频信号融合，经变频器、放大器通过发送天线辐射至无线信道中。
接收端包括两面接收天线、至少一个双通道放大器、变频器、解调器、信道译码器、解帧模块、测向处理模块。其中，两面接收天线包括两个信号接收面处于同一平面的接收天线，选用包括但不限于相同的平板天线或抛物面天线，两个接收天线的间距理论上应当不小于半个波长，以保证测向角检测精度，其用于双通道分别接收发送端发送的融合信号。两面接收天线收到的信号经双通道分别经放大器、变频器进行放大、下变频处理，获得两路中频信号，输入至解调器。解调器用于对两路中频信号分别进行A/D变换和相干解调，经合并模块解调输出至信道译码器，同时，经A/D变换的两路数字信号分出支路，通过其各自的锁相环路获得对应的频率累加字，相减获得相位差并输出结果；信道译码器将解调输出码字译码处理后，经解帧模块，识别出帧头，分离出并行的宽带数字信号。前述的帧头是在发送端编码器输入端对宽带数字信号进行复接处理，便于在接收端解帧分离。
双通道放大器可根据需要设置多个，可在变频器前和变频后根据需要进行放大。信道编码器、调制器、解调器和信道译码器可以独立设计，也可以集成设计。
本发明的调制方式包括但不限于BPSK、QPSK、16QAM、64QAM的任意一种；编码方式包括但不限于Turbo码、LDPC码的任意一种。
实施例2
如图3所示，一种双通道无线通信测向系统，该系统分为发送端和接收端。发送端包括成帧模块、信道编码器、调制器、单频信号发生模块、上变频器、功率放大器和发送天线。信道对控信息和宽带业务信息等宽带数字信号经成帧模块加入帧头后，经信道编码器编码。信道编码器采用多种编码方式级联，如RS码+LDPC码，或者RS码+Turbo码、调制后，与单频信号发生模块发出的测向单频信号融合（测向单频信号是插在宽带数字信号的零点处，从而使测向单频信号与宽带数字信号之间不相互干扰），经上变频器将基带数据上变频到4.4~4.8GHz，得到射频小信号，然后输出到功率放大器，通过发送天线辐射至无线信道中。
图3中，接收端包括两面接收天线、双通低噪声道放大器、双通道下变频器、双通道中频放大器、解调器、信道译码器、解帧模块、测向处理模块。
两面接收天线选用间距为L的平板天线作为接收天线，两个平板天线间距理论上只需要间隔半个工作波长即可同时满足分集接收和测向要求。在4.4~4.8GHz实施例实现时，通常中心间距L可取1~3米，这样即可以实现很好的分集接收，也可满足较高的测向精度要求。
两面接收天线经双通道同时接收无线信号，经双通道低噪声放大器将信号进行放大，再经双通道下变频器获得两路600MHz的中频信号Sa和Sb，送入双通道中频放大器放大，然后进行数字滤波处理，两路中频信号分成两路分别Sa1、Sa2和Sb1、Sb2，将Sa1和Sb1同时送入解调器，解调输出送入信道译码器，然后输入解帧模块，识别帧头，解帧获得信道对控信息和宽带业务信息；将Sa2和Sb2同时送入测向接收数据模块，经处理后输出测向数据。
请结合图4所示，图4展示了解调器的内部设计原理，两路中频信号分别送入对应的A/D模块和滤波模块进行数字滤波处理，然后输入到各自对应的相干解调模块，同时进行相干解调、定时恢复和载波恢复，解调后得到的两路解调信号同时送入合并模块，合并处理后得到解调输出。
请进一步结合图5所示，经数字滤波处理的两路中频信号即处理后的单频测向信号，在测向接收处理模块中对应各自的锁相环路，将两个锁相环路输出的频率累加字于相减器相减，获得相位差并输出结果。
具体地说，每个锁相环路都包括：
一个乘加器，用于将本地单频信号与接收端接收到的测向单频信号共轭相乘；
一个取虚部模块，用于接收来自乘加器的数据，取虚部处理后输出Q路信号；
一个带通滤波模块，用于对取虚部模块输出的Q路信号进行滤波处理；
一个控制字调整模块，用于接收处理后的Q路信号和固定控制字，输出调整控制字；
一个频率累加器，接收调整控制字，将本地单频信号输出至乘加器，频率累加字输出至相减器。
下面基于上述锁相环路，结合图1说明本发明的侧向原理：
从图1可以看出，两个接收天线之间的距离计为L，测向角θ表示发送端从第一位置到第二位置相对于接收端的变换角度。在这一过程中假定两面接收天线以接收天线a为轴旋转，那么另一个接收天线b在转动过程中产生了接收路程差L1，即：
Figure 551379DEST_PATH_IMAGE001
接收端接收天线a接收到的测向单频信号
Figure 389409DEST_PATH_IMAGE002
；接收端接收天线b接收到的测向单频信号
Figure 54746DEST_PATH_IMAGE003
，下面以接收天线a及其对应的锁相环路来说明算法：
接收天线a锁相环路中的本地单频信号
Figure 557271DEST_PATH_IMAGE004
，与测向单频信号共轭相乘：
Figure 751492DEST_PATH_IMAGE005
当本地信号完全与测向单频信号完全锁定时，达到同频同相，锁相环路误差输入取Q路信号
Figure 596258DEST_PATH_IMAGE006
，此时本地输出频率控制字ACC_a。同理，接收天线b及其对应的锁相环路输出控制字ACC_b，获得相位差D，即：
Figure 534127DEST_PATH_IMAGE007
换算为弧度：
Figure 422318DEST_PATH_IMAGE008
其中，n为量化位数，如8,16,32,…。
Figure 787440DEST_PATH_IMAGE009
联立公式（2）、（5）和（6）获得测向角：
Figure 128292DEST_PATH_IMAGE010
本实施例的解调器将双通道接收信号进行相干解调，得到解调输出信号，同时分离出测向数据，实现了同一设备完成宽带无线通信与精确测向两种功能的一体化设计。利用测向接收处理模块对测向数据进行滤波及数字信号处理，通过接收端两个天线的几何关系，可以计算出测向数据，此方法可靠性高，测向数据精确。
基于上述系统，请结合图3、图6所示，本实施例还提供了一种双通道无线通信测向系统的测向方法，包括如下步骤：
S100：基于两面接收天线同时接收包含测向单频信号和宽带信号的融合信号；
S200：分别对两路融合信号进行放大和变频处理，获得两路中频信号；
S300：对两路中频信号进行数字滤波处理后，分别进行相干解调，输出的两路解调信号合并后输出至信道译码；同时，两路经数字滤波处理后的中频信号分别经其各自的锁相环路输出至相减器，获得接收相位差，经公式（1）换算获得测向角，
测向角
Figure 872781DEST_PATH_IMAGE010
其中，λ为两个接收天线的波长，D为测向处理模块经相减计算获得的接收相位差，L为两个接收天线之间的距离，n为量化位数。
其中，中频信号经数字滤波处理后，与本地单频信号共轭相乘，取虚部处理后输出Q路信号，经带通滤波处理后，与固定控制字一同输入到控制字调整模块，控制字调整模块输出控制字至频率累加器，将本地单频信号输出至乘加器，频率累加字输出至相减器。

Claims (13)

1.一种双通道无线通信测向系统，包括发送端和接收端，发送端包括信道编码器、调制器、变频器、放大器和发送天线，其特征在于：
所述接收端包括面接收天线，用于双通道分别接收发送端发送的融合信号；
至少一个双通道放大器，用于放大所述的融合信号；
变频器，用于将放大后的融合信号下变频，获得两路中频信号；
解调器，用于对两路中频信号分别进行A/D变换和相干解调，经合并模块解调输出至信道译码器；
信道译码器，用于对解调输出码字进行译码处理；
解帧模块，用于识别信道译码器的输出信号并分离出并行的宽带数字信号；
测向处理模块，分别对解调器输出的两路数字信号通过其各自的锁相环路获得对应的频率累加字，相减获得相位差并输出结果；
其中，所述两面接收天线包括两个信号接收面处于同一平面的接收天线，所述融合信号为在同一无线信道中传输的测向单频信号和宽带信号。
2.根据权利要求1所述的一种双通道无线通信测向系统，其特征在于：所述发送端设有成帧模块，用于将帧头和宽带数字信号复接为串行单通道信号输入信道编码器。
3.根据权利要求2所述的一种双通道无线通信测向系统，其特征在于：所述发送端设有单频信号发生模块，用于输出测向单频信号。
4.根据权利要求3所述的一种双通道无线通信测向系统，其特征在于：所述测向单频信号插在宽带数字信号的零点处。
5.根据权利要求1或4所述的一种双通道无线通信测向系统，其特征在于：所述双通道放大器包括变频前的低噪放大器、以及变频后的中频放大器。
6.根据权利要求5所述的一种双通道无线通信测向系统，其特征在于，所述锁相环路包括：
乘加器，用于将本地单频信号与接收端接收到的测向单频信号共轭相乘；
取虚部模块，用于接收来自乘加器的数据，取虚部处理后输出Q路信号；
控制字调整模块，用于接收处理后的Q路信号和固定控制字，输出调整控制字；
频率累加器，接收调整控制字，将本地单频信号输出至乘加器，频率累加字输出至相减器。
7.根据权利要求6所述的一种双通道无线通信测向系统，其特征在于：所述取虚部模块的输出端设有用于对Q路信号进行滤波处理的带通滤波模块。
8.根据权利要求6所述的一种双通道无线通信测向系统，其特征在于：所述相减器的输出端还设有用于将频率累加字差值与路程差进行换算的数据处理模块。
9.根据权利要求1-4任意一项所述的一种双通道无线通信测向系统，其特征在于：所述宽带数字信号包括信道对控信息和宽带业务信息。
10.根据权利要求1所述的一种双通道无线通信测向系统，其特征在于：所述两个接收天线的间距不小于半个波长。
11.根据权利要求10所述的一种双通道无线通信测向系统，其特征在于：所述两个接收天线为平板天线或抛物面天线。
12.如权利要求6所述一种双通道无线通信测向系统的测向方法，其特征在于：
S100：基于两面接收天线同时接收包含测向单频信号和宽带信号的融合信号；
S200：分别对两路融合信号进行放大和变频处理，获得两路中频信号；
S300：对两路中频信号进行数字滤波处理后，
S310：进行相干解调，输出的两路解调信号合并后输出至信道译码；
S320：两路经数字滤波处理后的中频信号分别经其各自的锁相环路输出至相减器，获得接收相位差，经公式（1）换算获得测向角，所述测向角为
Figure 59673DEST_PATH_IMAGE002
其中，λ为两个接收天线接收信号频率的波长，D为测向处理模块经相减计算获得的接收相位差，L为两个接收天线之间的距离，n为量化位数。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于：中频信号经数字滤波处理后，与本地单频信号共轭相乘，取虚部处理后输出Q路信号，经带通滤波处理后，与固定控制字一同输入到控制字调整模块，控制字调整模块输出控制字至频率累加器，从而逐步调整本地NCO，本地NCO产生单频信号输出至乘加器，同时将频率累加字输出至相减器。
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