CN111060868A - 一种宽带无线通信与测距系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽带无线通信与测距系统及其方法，该系统包括控制模块、测距数据处理模块、成帧模块、信道编码器、调制器、天线、解调器、信道译码器和解帧模块等组成，采用了测距发起控制及测距响应控制机制，将宽带无线通信与测距协议相结合，实现了同一设备完成宽带无线通信与精确测距两种功能的一体设计。本发明采用了测距协议预处理方式，对测距协议的发起数据和响应数据进行分别复接和分接，这种应答式的链状处理确保了单次测距的过程完整，保证了测距的准确性，本发明特别适用于在地空通信，单套系统同时具备宽带无线通信传输与精确测距功能。

Description

一种宽带无线通信与测距系统及其方法

技术领域

本发明属于无线通信领域，具体的说涉及一种宽带无线通信与测距系统及其方法，可同时实现宽带无线通信和测距两种功能。

背景技术

随着科技的发展和技术的进步，对大容量信息传递的需求越来越迫切，与此同时，在一些特定领域内，例如在现代军事战争中，对精准测距技术日趋严苛，已成为特定设备改良性能的关键因素。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。

在对信息多样化需求下，无线通信作为最重要的信息化系统之一，与无线测距在某些应用场合（如地空通信）进行统一化设计，成为必不可少的考虑。因此在进行合理波形设计下，宽带无线通信与测距可以在同一硬件平台实现两种功能。

无线通信与测距的实现方式有多种多样，当前阶段主要是窄带无线通信通过扩频方式来实现，这种方式的优点是协议简单，可实现的测距精度高，同时可以传输较少的业务信息，但其缺点也较明显，扩频技术是通过带宽来换取在接收时的强相关性，一般扩频倍数达数十到数百倍，这会极大占用无线带宽，因此采用扩频技术的系统，多不适合应用于宽带数据传输，只适用于窄带传输系统，因此利用扩频技术实现宽带传输同时进行测距的方式，极大地限制了宽带传输能力。

发明内容

发明目的：本发明的目的是通过单通道结构成帧、解帧处理的含有信息的宽带业务数据共模于同一波形中，提供一种同时完成宽带信息传输和精确测距功能的系统；本发明还有一个目的是提供一种基于该系统同时实现无线通信与测距的方法。

技术方案：一种宽带无线通信与测距系统，包括分别设于发起端和响应端的控制模块、信道编码器、调制器、天线、解调器和信道译码器，还包括：

发起端测距数据处理模块，用于发送测距发起数据复接指令至发起端成帧模块，并储存发送时刻为第一时间标志；并接收随后来自发起端解帧模块发送的数据；

发起端成帧模块，用于数据复接形成含有帧头和第一时间标志的发起端发测距数据，经处理后输出到无线信道；

响应端解帧模块，用于获取发起端发测距数据，经数据分接后发送到响应端测距数据处理模块；

响应端测距数据处理模块，用于接收来自响应端解帧模块发送的数据，储存接收时刻为第二时间标志；并随后发送测距响应数据复接指令至响应端成帧模块，并储存发送时刻为第三时间标志；

响应端成帧模块，用于数据复接形成含有帧头、第二时间标志和第三时间标志的响应端发测距数据，经处理后输出到无线信道；

发起端解帧模块，用于获取响应端发测距数据及获取时刻的第四时间标志，经数据分接后发送到发起端测距数据处理模块；

测距比较器，基于第一时间标志、第二时间标志、第三时间标志和第四时间标志，计算发起端和响应端之间的距离。

本发明中所述的系统和方法一般需要两个端站协作才能完成，通常情况下，所述的发起端是指一次完整测距过程的发起者，在实际使用过程中，一般是地面端站。所述的响应端是指接收发起信息，并对发起信息进行响应的端站，一般是空中端站。本发明基于相同的发明原理提供了两种测距信息的传输方式：第一种方法基于第一时间标志和第二时间标志，由响应端的测距比较器根据第一时间标志和第二时间标志计算两个端站之间的距离；第二种方法基于第三时间标志和第四时间标志，由发起端的测距比较器根据第三时间标志和第四时间标志计算两个端站之间的距离。本发明所述的测距比较器为发起端测距数据处理模块和/或响应端测距数据处理模块中的虚拟模块，通过识别两个时间标志，获得两个时间标志之间的时间偏差，进而计算获得两个端站之间的距离。

所述发起端成帧模块和响应端成帧模块的信号输出端各自地依次连接信道编码器、调制器、上变频器、功率放大器，然后输出到无线信道。

所述发起端解帧模块和响应端解帧模块的信号输入端各自地依次连接信道译码器、解调器、中频放大器、下变频器、低噪声放大器，然后连接到无线信道。

所述发起端成帧模块和/或响应端成帧模块还各自地与信道对控信息输出接口、宽带业务信息输出接口数据连接。

所述发起端解帧模块和/或响应端解帧模块还与信道对控信息输入接口、宽带业务信息输入接口数据连接。

所述发起端测距数据处理模块包括发起端发测距数据输出接口、响应端发测距数据输入接口、以及用于测距协议传输的控制模块交互接口；

所述响应端测距数据处理模块包括响应端发测距数据输出接口、发起端发测距数据输入接口、以及用于测距协议传输的控制模块交互接口；

本发明所述的测距协议是指测距发起过程，测距响应过程，以及各个过程根据需要传输确定数据内容、进行数据分接和数据复接，并最终计算的约定。

所述数据分接是指测距请求数据或者测距响应数据包含有帧头、数据，分接需要根据帧头找到各型数据的起始位置，准确地将有效数据从帧格式中取出，即数据分接过程。

所述数据复接是指有效的请求数据或者有效响应数据需要加入帧头信息，以便于接收端进行准确数据定位，因此需要在各型数据前加入帧头，即数据复接过程。

本发明提供了一种宽带无线通信与测距系统实现同时通信与测距的方法：

S110：发起端测距数据处理模块发送测距发起数据复接指令至发起端成帧模块，并储存发送时刻为第一时间标志T1；

S120：发起端成帧模块形成含有帧头和第一时间标志T1的发起端发测距数据，经处理后输出到无线信道；

S130：响应端解帧模块获取发起端发测距数据，经数据分接后发送到响应端测距数据处理模块；

S140：响应端测距数据处理模块接收来自响应端解帧模块发送的数据，储存接收时刻为第二时间标志T2；

S150：响应端的测距比较器基于第一时间标志T1和第二时间标志T2计算发起端和响应端之间的距离：

S = 光速 × [T2 - (T1 + t)]，

其中，

或

，t表示测距发起端与测距响应端之间的时间偏差；T3为响应端测距数据处理模块发送测距响应数据复接指令至响应端成帧模块的时刻；T4发起端测距数据处理模块接收来自发起端解帧模块发送数据的时刻。

其中，所述发起端发测距数据是依次含有帧头、第一时间标志、信道对控数据、宽带业务数据的单通道数据。

前述的方法适用于空中端站（例如无人机）获取并上传测距数据，本发明还提供了适用于地面端站获取并上传测距数据的方法，其可实现同时通信与测距：

S210：响应端测距数据处理模块发送测距响应数据复接指令至响应端成帧模块，并储存发送时刻为第三时间标志T3；

S220：响应端成帧模块形成含有帧头、第二时间标志T2和第三时间标志T3的响应端发测距数据，经处理后输出到无线信道；

S230：发起端解帧模块获取响应端发测距数据，经数据分接后发送到发起端测距数据处理模块；

S240：发起端测距数据处理模块接收来自发起端解帧模块发送的数据，储存接收时刻为第四时间标志T4；

S250：发起端的测距比较器基于第三时间标志T3和第四时间标志T4计算发起端和响应端之间的距离：

S = 光速 × [T4 - (T3 - t)]，

其中，

或

，t表示测距发起端与测距响应端之间的时间偏差；T1为发起端测距数据处理模块发送测距发起数据复接指令的时刻；T2为响应端测距数据处理模块接收来自响应端解帧模块发送数据的时刻。

其中，所述响应端发测距数据是依次含有帧头、第二时间标志T2和第三时间标志、信道对控数据、宽带业务数据的单通道数据。

本发明所述的帧头是用于进行数据标识的，根据帧头可以识别出是什么数据，根据帧头的起始位置可准确地从数据中分离出不同的数据内容。

本发明所述的第一时间标志表示测距发起端发出发起数据时刻的标志，即整个测距过程的起始时刻；第二时间标志表示测距响应端接收到测距发起端发起数据的时刻；第三时间标志表示测距响应端发出响应数据的时刻；第四时间标志表示测距发起端接收到测距响应端响应数据的时刻；时间偏差t表示测距发起端和测距响应端的时钟偏差。上述时间标志和时间偏差的单位通常为纳秒。

本发明所述发起端发测距数据或响应端发测距数据的调制方式包括但不限于BPSK、QPSK、16QAM、64QAM的任意一种。

本发明所述发起端发测距数据和响应端发测距数据的编码方式包括Turbo码、LDPC码的任意一种。

需要说明的是，该系统所述的控制模块、测距数据处理模块、成帧模块、解帧模块可以是各自独立的芯片，也可以集成设计。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，解调器和信道译码器分别集成设计。

本发明所述的第一时间标志T1所在的发送时刻为发起端控制模块生成测距发出数据复接指令的时刻，是测距发起端时序计算的开端，随后发起端测距数据处理模块将第一时间标志进行数据映射，并对映射后的数据进行数据复接。当对发起端解帧模块发送的数据进行数据分接时，将分接后的第四时间标记进行反映射。以上就是发起端控制模块和发起端测距数据处理模块的工作流程。响应端的工作流程与之相对应，故不赘述。

需要给特别说明的是，所述解帧模块在数据分接过程中，执行成帧模块的逆处理过程，将从同一个无线传输信道中接收到的不同功能数据进行分离。首先根据帧头找到各数据的起始位置，然后按照成帧模块中的顺序，依次从帧格式中提取时间标志数据、信道对控数据、宽带业务数据，删除前述的帧头，从帧结构中提取出有效数据，从而完成不同功能数据的传输。

本发明获得对两个端站距离的测量数据是通过计算传输延时D，乘以光速获得。传输延时D的推导公式如下：

以测距发起端时间为参考，测距发起端发送测距端发测距数据的时间（第一时间标志）为T1，同时刻测距响应端的时间标记为T1 + t，测距响应端接收到发起端发测距数据的时间标记为T2；

以测距响应端时间为参考，测距响应端发送响应端发测距数据的时间（第三时间标志）为T3，同时刻测距发起端的时间标记为T3 + t；测距发起端接收到响应端发测距数据的时间标记为T4。

测距发起端发起测距数据到测距发起端接收到响应回复数据的时间延迟，以及测距发起端到测距响应端与测距响应端到测距发起端的延迟均为d/2；测距发起端与测距响应端之间的时间偏差为t。

根据上述关系可列算式为：

（1）

解上述方程可得时间延迟和时间偏差分别为：

（2）

得到传输延时D = T2 - (T1 + t) = T4 - (T3 - t)，根据传输时延即可计算得到测距发起端和测距响应端之间的距离。D即是根据这一段距离而计算得到的无线信号的传输时间，因此两端的距离S即为：光速乘以传输延时D。

有益效果：本发明将宽带无线通信与测距协议相结合，实现了同一设备完成宽带无线通信与精确测距两种功能的一体设计；利用帧头、时间标志和宽带数据共模形成单通道数据，有利于在进行精确测距的同时，进行宽带数据传输；本发明对测距协议的发起数据和响应数据分别进行复接和分接，这种应答式的链状处理确保了单次测距的过程完整，有利于提高测距的准确性。该设计不依赖于扩频技术，避免测距数据占用无线带宽，从而提高了宽带传输效率。

附图说明

图1是实施例1中发起端端站的系统框架示意图；

图2是实施例2同时实现通信与测距的流程示意图；

图3是实施例3同时实现通信与测距的流程示意图；

图4是实施例2发起端测距数据处理模块的数据传输示意图；

图5是实施例3响应端测距数据处理模块的数据传输示意图；

图6是实施例2中数据复接共模于单通道的数据结构示意图；

图7是本发明发起端和响应端信号传递的时序图。

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

本实施例提供了一种宽带无线通信与测距系统，该系统由发起端端站（如地面端站）和响应端端站（如空中端站，无人机等）组成，两者的构架完全相同，图1展示了发起端端站的构架图。

请参考图1所示，以发起端端站为例，包括发起端控制模块1、发起端测距数据处理模块2、发起端成帧模块3、发起端信道编码器4、发起端调制器5、发起端上变频器6、发起端功率放大器7、发起端天线8、发起端低噪声放大器9、发起端下变频器10、发起端中频放大器11、发起端解调器12、发起端信道译码13、发起端解帧模块14、以及测距比较器15。响应端端站的设计与前述相同，仅在于数据传输和协议不同。

本实施例中的控制模块、测距数据处理模块、成帧模块、解帧模块集成化地设计于一个芯片上；信道编码器和信道译码器采用802.16e中的LDPC编码标准；调制解调器采用QPSK调制方式；天线配置为地面站为定向天线，空中配置为全向天线。

本实施例的还设有上变频器6和功率放大器7，成型后的基带数据由D/A变换后输出到上变频器6，采用一次变频方式，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7，最大可输出10瓦，经放大后输出到天线8，由天线8将功率放大后的信号辐射到无线信道中。

本实施例的还设有低噪声放大器9、下变频器10和中频放大器11，天线8接收测距发起端发送的无线信号，无线信号经过低噪声放大器9，固定增益为30dB，将接收信号进行放大，放大后的信号经过下变频器10，采用一次变频方式，下变频到中频信号（600MHz），中频信号送入中频放大器11，中频放大器采用数字控制方式，然后经过A/D变换后，送往解调器。

测距发起数据复接指令是由发起端控制模块发起，该系统的发起端测距数据处理模块2，用于发送测距发起数据复接指令至发起端成帧模块，并储存发送时刻为第一时间标志；并接收随后来自发起端解帧模块发送的数据。发起端测距数据处理模块包括发起端发测距数据输出接口、响应端发测距数据输入接口、以及用于测距协议传输的控制模块交互接口。

发起端成帧模块3，用于数据复接形成含有帧头和第一时间标志的发起端发测距数据，经处理后输出到无线信道；

响应端解帧模块，用于获取发起端发测距数据及获取时刻的第二时间标志，经数据分接后发送到响应端测距数据处理模块；

响应端测距数据处理模块，用于接收来自响应端解帧模块发送的数据，储存接收时刻为第二时间标志；并随后发送测距响应数据复接指令至响应端成帧模块。响应端测距数据处理模块包括响应端发测距数据输出接口、发起端发测距数据输入接口、以及用于测距协议传输的控制模块交互接口。

响应端成帧模块，用于数据复接形成含有帧头、第二时间标志和第三时间标志的响应端发测距数据，经处理后输出到无线信道；

发起端解帧模块14，用于获取响应端发测距数据及获取时刻的第四时间标志，经数据分接后发送到发起端测距数据处理模块；

测距比较器15，基于第一时间标志、第二时间标志、第三时间标志和第四时间标志，计算发起端和响应端之间的距离。

发起端成帧模块和/或响应端成帧模块还各自地与信道对控信息输出接口、宽带业务信息输出接口数据连接。发起端解帧模块和/或响应端解帧模块还与信道对控信息输入接口、宽带业务信息输入接口数据连接。

基于以上构架，发起端成帧模块和响应端成帧模块的信号输出端各自地依次连接信道编码器、调制器、上变频器、功率放大器，然后输出到无线信道。发起端解帧模块和响应端解帧模块的信号输入端各自地依次连接信道译码器、解调器、中频放大器、下变频器、低噪声放大器，然后连接到无线信道。

实施例2

基于实施例1的一种宽带无线通信与测距系统，其实现宽带通信的同时传输测距数据的流程是：

S110：发起端测距数据处理模块发送测距发起数据复接指令至发起端成帧模块，并储存发送时刻为第一时间标志T1；

S120：发起端成帧模块形成含有帧头和第一时间标志T1的发起端发测距数据，经处理后输出到无线信道；

S130：响应端解帧模块获取发起端发测距数据，经数据分接后发送到响应端测距数据处理模块；

S140：响应端测距数据处理模块接收来自响应端解帧模块发送的数据，储存接收时刻为第二时间标志T2；

S150：测距比较器基于第一时间标志T1和第二时间标志T2计算发起端和响应端之间的距离：

S = 光速 × [T2 - (T1 + t)]，

其中，t为测距发起端与测距响应端之间的时间偏差；T3为响应端测距数据处理模块发送测距响应数据复接指令至响应端成帧模块的时刻；T4发起端测距数据处理模块接收来自发起端解帧模块发送数据的时刻。

本实施例提供的方法是将第一时间标志和第二时间标志汇总到响应端端站的测距比较器及其控制模块进行计算，并将结果上传出去。请进一步结合图2、图4、图7来看，测距发起端测距数据中包含第一时间标志，测距响应端分接出数据后，得到第一时间标志以及本地时刻第二时间标志；测距响应端进行响应时，响应数据包含第二时间标志和第三时间标志，测距发起端分接出响应数据后，得到第二时间标志、第三时间标志以及本地时刻第四时间标志。其中，在数据复接过程中将帧头、第一时间标志、信道对控数据、宽带业务信息组成单通道数据，该数据结构图请参考图6所示。本实施例发起端发测距数据和响应端发测距数据采用QPSK调制，LDPC编码的方式进行传输，

数据分接是根据帧头对数据内容进行识别，当复接的数据进行分接时，对应的解帧模块通过识别帧头，将各段数据提取出来，并删除帧头。信道对控信息和宽带业务信息其中，发起端发测距数据是依次含有帧头、第一时间标志、信道对控数据、宽带业务数据的单通道数据。

实施例3

本实施例提供了适用于地面端站获取并上传测距数据的方法，其可实现同时通信与测距：

S210：响应端测距数据处理模块发送测距响应数据复接指令至响应端成帧模块，并储存发送时刻为第三时间标志T3；

S220：响应端成帧模块形成含有帧头、第二时间标志T2和第三时间标志T3的响应端发测距数据，经处理后输出到无线信道；

S230：发起端解帧模块获取响应端发测距数据，经数据分接后发送到发起端测距数据处理模块；

S240：发起端测距数据处理模块接收来自发起端解帧模块发送的数据，储存接收时刻为第四时间标志T4；

S250：测距比较器基于第三时间标志T3和第四时间标志T4计算发起端和响应端之间的距离：

S = 光速 × [T4 - (T3 - t)]，

其中，t为测距发起端与测距响应端之间的时间偏差；T1为发起端测距数据处理模块发送测距发起数据复接指令的时刻；T2为响应端测距数据处理模块接收来自响应端解帧模块发送数据的时刻。

Claims (12)

1.一种宽带无线通信与测距系统，包括分别设于发起端和响应端的控制模块、信道编码器、调制器、天线、解调器和信道译码器，其特征在于还包括：

发起端测距数据处理模块，用于发送测距发起数据复接指令至发起端成帧模块，并储存发送时刻为第一时间标志；并接收随后来自发起端解帧模块发送的数据；

发起端成帧模块，用于数据复接形成含有帧头和第一时间标志的发起端发测距数据，经处理后输出到无线信道；

响应端解帧模块，用于获取发起端发测距数据，经数据分接后发送到响应端测距数据处理模块；

响应端测距数据处理模块，用于接收来自响应端解帧模块发送的数据，储存接收时刻为第二时间标志；并随后发送测距响应数据复接指令至响应端成帧模块，并储存发送时刻为第三时间标志；

响应端成帧模块，用于数据复接形成含有帧头、第二时间标志和第三时间标志的响应端发测距数据，经处理后输出到无线信道；

发起端解帧模块，用于获取响应端发测距数据及获取时刻的第四时间标志，经数据分接后发送到发起端测距数据处理模块；

测距比较器，基于第一时间标志、第二时间标志、第三时间标志和第四时间标志，计算发起端和响应端之间的距离。

2.根据权利要求1所述的一种宽带无线通信与测距系统，其特征在于：所述发起端成帧模块和响应端成帧模块的信号输出端各自地依次连接信道编码器、调制器、上变频器、功率放大器，然后输出到无线信道。

3.根据权利要求2所述的一种宽带无线通信与测距系统，其特征在于：所述发起端解帧模块和响应端解帧模块的信号输入端各自地依次连接信道译码器、解调器、中频放大器、下变频器、低噪声放大器，然后连接到无线信道。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的一种宽带无线通信与测距系统，其特征在于：所述发起端成帧模块和/或响应端成帧模块还各自地与信道对控信息输出接口、宽带业务信息输出接口数据连接。

5.根据权利要求4所述的一种宽带无线通信与测距系统，其特征在于：所述发起端解帧模块和/或响应端解帧模块还与信道对控信息输入接口、宽带业务信息输入接口数据连接。

6.根据权利要求5所述的一种宽带无线通信与测距系统，其特征在于：所述发起端测距数据处理模块包括发起端发测距数据输出接口、响应端发测距数据输入接口、以及用于测距协议传输的控制模块交互接口；

所述响应端测距数据处理模块包括响应端发测距数据输出接口、发起端发测距数据输入接口、以及用于测距协议传输的控制模块交互接口。

7.一种宽带无线通信与测距系统实现同时通信与测距的方法，其特征在于：

S110：发起端测距数据处理模块发送测距发起数据复接指令至发起端成帧模块，并储存发送时刻为第一时间标志T1；

S120：发起端成帧模块形成含有帧头和第一时间标志T1的发起端发测距数据，经处理后输出到无线信道；

S130：响应端解帧模块获取发起端发测距数据，经数据分接后发送到响应端测距数据处理模块；

S140：响应端测距数据处理模块接收来自响应端解帧模块发送的数据，储存接收时刻为第二时间标志T2；

S150：响应端的测距比较器基于第一时间标志T1和第二时间标志T2计算发起端和响应端之间的距离：

S = 光速 × [T2 - (T1 + t)]，

其中，

或

，t表示测距发起端与测距响应端之间的时间偏差；T3为响应端测距数据处理模块发送测距响应数据复接指令至响应端成帧模块的时刻；T4发起端测距数据处理模块接收来自发起端解帧模块发送数据的时刻。

8.根据权利要求7所述的一种宽带无线通信与测距系统实现同时通信与测距的方法，其特征在于：所述发起端发测距数据是依次含有帧头、第一时间标志、信道对控数据、宽带业务数据的单通道数据。

9.一种宽带无线通信与测距系统实现同时通信与测距的方法，其特征在于：

S210：响应端测距数据处理模块发送测距响应数据复接指令至响应端成帧模块，并储存发送时刻为第三时间标志T3；

S220：响应端成帧模块形成含有帧头、第二时间标志T2和第三时间标志T3的响应端发测距数据，经处理后输出到无线信道；

S230：发起端解帧模块获取响应端发测距数据，经数据分接后发送到发起端测距数据处理模块；

S240：发起端测距数据处理模块接收来自发起端解帧模块发送的数据，储存接收时刻为第四时间标志T4；

S250：发起端的测距比较器基于第三时间标志T3和第四时间标志T4计算发起端和响应端之间的距离：

S = 光速 × T4 × (T3 + t)，

其中，

或

，t表示测距发起端与测距响应端之间的时间偏差；T1为发起端测距数据处理模块发送测距发起数据复接指令的时刻；T2为响应端测距数据处理模块接收来自响应端解帧模块发送数据的时刻。

10.根据权利要求9所述的一种宽带无线通信与测距系统实现同时通信与测距的方法，其特征在于：所述响应端发测距数据是依次含有帧头、第二时间标志、第三时间标志、信道对控数据、宽带业务数据的单通道数据。

11.根据权利要求8或10所述的一种宽带无线通信与测距系统实现同时通信与测距的方法，其特征在于：所述发起端发测距数据或响应端发测距数据的调制方式包括BPSK、QPSK、16QAM、64QAM的任意一种。

12.根据权利要求8或10所述的一种宽带无线通信与测距系统实现同时通信与测距的方法，其特征在于：所述发起端发测距数据和响应端发测距数据的编码方式包括Turbo码、LDPC码的任意一种。

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