CN115833854A - 一种无人机通信链路抗干扰系统及方法 - Google Patents

一种无人机通信链路抗干扰系统及方法 Download PDF

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CN115833854A CN202310087265.9A CN202310087265A CN115833854A CN 115833854 A CN115833854 A CN 115833854A CN 202310087265 A CN202310087265 A CN 202310087265A CN 115833854 A CN115833854 A CN 115833854A
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李文晗
潘敏
徐磊
徐东
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Abstract

本发明公开了一种无人机通信链路抗干扰系统及方法，涉及无线数字通信领域，解决了传统的无人机通信抗干扰方法效果不明显、通信质量和通信距离无法满足实际需求的问题，其技术方案要点是：无人机通信单元发射端和无人机通信单元接收端；无人机通信单元发射端：功分器一端经第一调制模块连接第一输出天线，功分器另一端经反相器和第二调制模块连接第二输出天线；无人机通信单元接收端：第一接收天线经第一解调模块连接减法器，第二接收天线经第二解调模块连接减法器，减法器输出处理后的接收信号；不更改现有无人机通信体制，提升无人机在城市复杂电磁环境下的抗干扰性。

Description

一种无人机通信链路抗干扰系统及方法
技术领域
本发明涉及无线数字通信领域，更具体地说，它涉及一种无人机通信链路抗干扰系统及方法。
背景技术
当前，无人机的应用领域越来越广泛。从军用侦察，农用播种，到物流配送、航拍技术，无人机在越来越多的领域发挥着无可比拟的优势。然而在实际使用时，无人机经常遇到各类电磁信号的干扰，特别是在城市复杂电磁环境下，各类电台、基站和其他通信设备的大量使用，对无人机的通信链路造成较大干扰，从而影响了无人机的通信稳定和飞行距离，甚至影响到了飞行安全。
因为无人机的体积和功耗特性，当前无人机厂家使用的通行链路抗干扰技术大致有两种：扩频通信和自适应技术：扩频通信大多采用直接序列扩频技术，自适应技术包括频率自适应（自适应跳频、自适应信道选择）和功率自适应（自动增益控制）等。
扩频通信和自适应技术一定程度上提高了无人机的通信抗干扰能力。但在移动通信高速发展的今天，人为噪声已经超过自然界本身的噪声，成为无线信道中的主要噪声源。随着电磁干扰的日益增强，在城市复杂电磁环境中，多种人为产生的电磁信号占主导的情况下，传统的无人机通信抗干扰方法效果不明显，通信质量和通信距离无法满足实际需求。
发明内容
本申请的目的是提供一种无人机通信链路抗干扰系统及方法，可在城市复杂电磁环境下，针对主要噪声的特性，即人为产生的噪声信号在相邻信道存在较大相关性，进行针对性消除，通过硬件设计和软件算法的配合，实现对城市复杂电磁环境下无人机通信链路中的噪声进一步消除，从而增强其通信的抗干扰性能。
本申请首先提供一种无人机通信链路抗干扰系统，包括：无人机通信单元发射端和无人机通信单元接收端；
所述无人机通信单元发射端包括：功分器、第一调制模块、第一输出天线、反相器、第二调制模块和第二输出天线；
所述功分器一端经所述第一调制模块连接所述第一输出天线，所述功分器另一端经所述反相器和所述第二调制模块连接所述第二输出天线；
所述无人机通信单元接收端包括：第一接收天线、第二接收天线、第一解调模块、第二解调模块和减法器；
所述第一接收天线经所述第一解调模块连接所述减法器，所述第二接收天线经所述第二解调模块连接所述减法器，所述减法器输出处理后的接收信号。
采用上述技术方案，在原无人机通信单元发射端增加一个反相器，接收端增加一个减法器，可以对人为产生的具有较大相关性的噪声信号进行针对性消除。根据载噪比验证可得，本系统较传统系统具有较高的载噪比，抗干扰性较好。本系统在现有无人机的通信体制上增加部分软硬件即可实现，不会显著增加成本和体积，实用性较强，易于推广。
进一步的，所述功分器为二功分器。
进一步的，所述第一调制模块和所述第二调制模块均包括上变频器和功放器。
进一步的，所述第一解调模块和第二解调模块均包括下变频器。
本申请另一方面，提供一种无人机通信链路抗干扰方法，应用于上述的一种无人机通信链路抗干扰系统，包括：
基带信号一分为二，第一基带信号经调制处理后由第一输出天线输出，第二基带信号经反相处理后进行调制处理，而后由第二输出天线输出；
第一接收天线接收第一基带信号和第二基带信号，得到第一接收信号，第二接收天线接收第一基带信号和第二基带信号，得到第二接收信号；
所述第一接收信号和所述第二接收信号经解调处理后进行相减，获得处理后的接收信号。
进一步的，基带信号一分为二包括将所述基带信号分成两路能量相等的信号：第一基带信号和第二基带信号。
进一步的，所述调制处理包括：上变频、滤波和功率放大。
进一步的，所述解调处理包括：下变频和滤波。
进一步的，还包括对所述处理后的接收信号进行数字采样和数字滤波。
进一步的，所述处理后的接收信号的平均载噪比为：
Figure SMS_1
其中，SNR A 为平均载噪比，S 1 为第一输出天线输出s 1 和第二输出天线输出s 2 的信号平均功率，h 1 为从发射端到接收端信道衰落系数，ρ为相邻信道的噪声相关系数，N 1 为s 1 、s 2 信号在整个信道传播过程中收到的噪声平均功率。
与现有技术相比，本申请提供的一种无人机通信链路抗干扰系统及方法，硬件方面，在原无人机通信单元发射端增加一个反相器，接收端增加一个减法器，以及其他与之适配的滤波、放大电路等；软件方面，增加与之对应的运算解析步骤。具有以下有益效果：
1、提升无人机在城市复杂电磁环境下的抗干扰性，提高通信质量、延长飞行距离；
2、提高无人机在城市复杂电磁环境下的飞行安全性，同时拓宽无人机的应用领域；
3、不更改现有无人机通信体制，不显著增加器件成本、体积和功耗，易于推广。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明实施例1提供的本系统的结构示意图；
图2为本发明实施例1提供的信号传播原理图；
图3为本发明实施例1提供的传统无人机通信链路抗干扰系统的结构示意图。
实施方式
在下文中，可在本申请的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所申请的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本申请的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。
在本申请的各种实施例中，表述“或”或“B或/和C中的至少一个”包括同时列出的文字的任何组合或所有组合。例如，表述“B或C”或“B或/和C中的至少一个”可包括B、可包括C或可包括B和C二者。
在本申请的各种实施例中使用的表述(诸如“第一”、“第二”等)可修饰在各种实施例中的各种组成元件，不过可不限制相应组成元件。例如，以上表述并不限制所述元件的顺序和/或重要性。以上表述仅用于将一个元件与其它元件区别开的目的。例如，第一用户装置和第二用户装置指示不同用户装置，尽管二者都是用户装置。例如，在不脱离本申请的各种实施例的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，同样地，第二元件也可被称为第一元件。
在本申请的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本申请的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本申请的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本申请的各种实施例中被清楚地限定。
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本申请作进一步的详细说明，本申请的示意性实施方式及其说明仅用于解释本申请，并不作为对本申请的限定。
目前，无人机通信抗干扰技术采用的扩频通信技术由于功率谱密度较低，可在一定功率噪声信号覆盖下仍能正常通信，但是考虑到城市电磁环境的复杂性，当飞机靠近大功率发射设备（电台、通信塔）时，信噪比大幅度下降，造成有用信号无法提取，考虑无人机通信模组的功率限制，此时开启功率自适应效果也不明显；而在遇到多频段占用的复杂电磁环境时，无人机的自适应跳频和信道更换也效果有限。所以，在城市复杂电磁环境下，特别是有大量人为产生的电磁信号作为干扰噪声，大部分无人机的通信表现都不佳，只能进行近距离简单轨迹的飞行任务，对无人机的应用扩展制约较大。
针对上述问题，发明人设计了一种无人机通信链路抗干扰系统及方法，在无人机和遥控器的原有硬件上增加部分电路模块，原有软件算法上增加运算步骤，二者配合实现降低信道噪声从而提高抗干扰性能，不修改原有通信体制的编码规则和自适应方法。
在硬件方面，主要在无人机通信单元发射端增加一个反相器，接收端增加一个减法器，以及其他适配的滤波放大电路。在软件方面，主要是对接收端的两路信号相减后的输出信号进行数字采样和数字滤波。下面通过两个实施例具体阐述本申请提供的一种无人机通信链路抗干扰系统。
实施例
本实施例对无人机通信链路抗干扰系统进行详细地说明。发明人在无人机通信单元发射端增加一个反相器，接收端增加一个减法器，以及其他适配的滤波放大电路，构建本申请提供的一种无人机通信链路抗干扰系统。参见图1所示，系统包括：
无人机通信单元发射端和无人机通信单元接收端；所述无人机通信单元发射端包括：功分器、第一调制模块、第一输出天线、反相器、第二调制模块和第二输出天线；所述功分器一端经所述第一调制模块连接所述第一输出天线，所述功分器另一端经所述反相器和所述第二调制模块连接所述第二输出天线；所述无人机通信单元接收端包括：第一接收天线、第二接收天线、第一解调模块、第二解调模块和减法器；所述第一接收天线经所述第一解调模块连接所述减法器，所述第二接收天线经所述第二解调模块连接所述减法器，所述减法器输出处理后的接收信号。
其中，所述功分器为二功分器，第一调制模块和所述第二调制模块均包括上变频器和功放器，第一解调模块和第二解调模块均包括下变频器。
具体地，在无人机通信单元发射端：基带信号s经功分器对半功分为第一基带信号s 1 和第二基带信号s 2 。第一基带信号s 1 经第一调制模块进行调制处理，调制处理包括：上变频、滤波和功率放大，而后由第一输出天线输出。第二基带信号s 2 先经反相器进行180°反相处理，而后经第二调制模块进行调制处理，调制处理包括：上变频、滤波和功率放大，而后由第二输出天线输出。
在无人机通信单元接收端：第一接收天线接收第一基带信号s 1 和第二基带信号s 2 ，得到第一接收信号r 1 ；第一接收信号r 1 经第一解调模块进行下变频和滤波处理，而后传至减法器；第二接收天线接收第一基带信号s 1 和第二基带信号s 2 ，得到第二接收信号r 2 ；第二接收信号r 2 经第二解调模块进行下变频和滤波处理，而后传至减法器；减法器对第一接收信号r 1 和第二接收信号r 2 进行相减处理，输出处理后的接收信号r。处理后的接收信号r经过后续的模数转换、数字采样、数字滤波等信号处理后以供控制使用。
本申请提供的一种无人机通信链路抗干扰系统，在发射端增设反相器，在接收端增设减法器，对相邻信道具有较大相关性的噪声信号具有良好的消除作用，提高了通信链路的抗干扰性性能，与传统无人机通信链路抗干扰系统相比，其输出信号的信噪比有所提升，实现了城市复杂电磁环境下无人机通信链路中的噪声消除。
下面对本系统噪声消除的原理进行说明：
A、首先计算两个通道之间的噪声相关性。
由于城市复杂电磁环境中，很大一部分干扰无人机通信的噪声是人为产生，故在相邻信道中（在本场景中即为通信的两个通道），主要噪声具有相关性。下面通过计算分析相邻信道的噪声相关系数：
假设相邻信道中的噪声都是零均值的加性噪声；设信道1中噪声信号为n 1， 噪声功率为N 1 ;信道2中噪声信号为n 2 ，噪声功率为N 2 ；两个信道噪声功率和为N+,噪声功率差为N-,即：
Figure SMS_2
；
设相邻信道的噪声相关系数为ρ，查阅《反相对称法中噪声相关系数的测试与研究》 可知ρ的定义为：
Figure SMS_3
；
将（3）（4）代入（5）得到：
Figure SMS_4
；
通过测量相邻信道的输出噪声功率(N1、N2)，以及这两个信道的输出噪声功率的和与差(N+、N-)，就可以求出两个信道之间的噪声相关系数ρ。
理论上ρ的取值范围为-1~1，通过查阅《反相对称法中噪声相关系数的测试与研究》和实践情况可知：在城市复杂电磁环境下（即人为噪声占主导情况下），相邻频带之间的噪声相关系数ρ随着带宽减小而增大，相邻空间的噪声相关系数ρ随着距离的减小而增大；即两个信道越临近，ρ越趋近于1。
B、基于上述原理对本系统的抗干扰性能进行分析。（为与传统技术进行区分，本系统的部分公式参数下标为A）。
本系统的结构如图1所示，设定发射端的基带信号s进行对半功分为s 1 、s 2 ，对其中一路信号s 2 进行180°反向，即s 1 =-s 2， 但两路信号功率和信息内容一样，即∣s 1 ∣=∣s 2 ∣。
然后再对两路信号进行常规的上变频和功率放大由两路天线发出，再由接收端两路天线接收，根据空间分集技术原理，信号传播原理图如图2。当两根天线同时发送信号s 1 、 s 2 时，接收端的天线的分别收到的信号为r 1 、r 2 ，根据空间信号传播特征，用h ij (i-1,2;j=1,2)表示从发射端到接收端信道衰落系数，考虑无人机飞机端和遥控器两根天线实际安装距离很近，一般在5cm~50cm之间，而无人机飞行距离一般为200m~3000m，且为方便分析，可假设信道衰落是相等的，即h 11 =h 12 =h 21 =h 22 ,设h 1 =h 11 =h 12 =h 21 =h 22 ；再定义s 1 信号在整个信道传播过程中收到的噪声为n 1 ,s 2 信号在整个信道传播过程中收到的噪声为n 2 ，则r 1 、r 2 则表示为：
r 1 =h 11 s 1 +h 21 s 1 +n 1 =h 1 （s 1 +s 2 ）+n 1 （7）
r 2 =h 12 s 1 +h 22 s 2 +n 2 =h 1 （s 1 +s 2 ）+n 2 （8）；
接收端将两路信号相减，即r 1 -r 2 ，根据MIMO系统的合并准则，可以得到发送信号s的估值：
Figure SMS_5
；
其中ω 1 ω 2 为分集技术选择的权值，因上文提到为对半功分，则ω 1 =ω 2 ，根据最大比合并准则，选择ω 1 =ω 2 =α*h 1 ，其中α为常数，代入得到：
Figure SMS_6
；
根据信噪比计算公式：
Figure SMS_7
；
S 0 为信号平均功率，N 0 为噪声平均功率。
设S1为s 1 的信号功率，则：
Figure SMS_8
；
假设噪声功率相等，即N 1 =N 2；
根据公式（10），将公式（1）（2）（12）代入（11）最终本系统的平均信噪比为：
Figure SMS_9
；
C、对传统无人机通信链路抗干扰系统的抗干扰性能进行分析。（为与本系统区分，传统技术的部分公式参数下标为B)。
传统无人机通信链路抗干扰系统采用MIMO 空间分集技术的硬件架构，如图3所示，和图1不同之处在于只在发射端对原信号s功分，一分为二，在接收端对信号合路接收再处理，信号传播原理和图2一样。
据上文∣s 1 ∣=∣s 2 ∣，同样假设信道衰落相等，h 1 =h 11 =h 12 =h 21 =h 22 ，同样定义s 1 信号在整个信道传播过程中收到的噪声为n 1 ,s 2 信号在整个信道传播过程中收到的噪声为n 2 ，则接收端天线的分别收到的信号r 1 、r 2 定义和公式（1）（2）一致，
根据MIMO系统的合并准则，可以得到发送信号s的估值：
Figure SMS_10
；
其中ω 1 ω 2 为分集技术选择的权值，因同样为对半功分，则ω 1 =ω 2 ，根据最大比合并准则，选择ω 1 =ω 2 =α*h 1 ，其中α为常数，代入（14）得到：
Figure SMS_11
；
同样计算传统无人机MIMO 空间分集技术的信噪比，根据公式（15），且∣s 1 ∣=∣s 2 ∣，假设噪声功率相等，即N 1 =N 2； 将公式（1）（2）（12）代入（11）则传统无人机MIMO 空间分集技术的平均信噪比为：
Figure SMS_12
；
D、本系统与传统无人机通信链路抗干扰系统的抗干扰性能比较。
抗干扰性能，可以通过信噪比进行表示，根据本系统与传统无人机通信链路抗干扰系统的信噪比比值，定义改善率G为：
Figure SMS_13
；
将(13)(16)代入(17)得到改善率表达式为：
Figure SMS_14
；
根据《反相对称法中噪声相关系数的测试与研究》和实际测量情况，在大多数情况下空间相邻信道之间的噪声系数ρ值可达0.8以上，故改善率G＞4.5。即本系统在城市复杂电磁环境下，信噪比能显著增强，抗干扰性能显著提升。
实施例
本实施例提供一种无人机通信链路抗干扰方法，应用于实施例1提供的一种无人机通信链路抗干扰系统。方法包括：
基带信号一分为二，第一基带信号经调制处理后由第一输出天线输出，第二基带信号经反相处理后进行调制处理，而后由第二输出天线输出；第一接收天线接收第一基带信号和第二基带信号，得到第一接收信号，第二接收天线接收第一基带信号和第二基带信号，得到第二接收信号；所述第一接收信号和所述第二接收信号经解调处理后进行相减，获得处理后的接收信号。
其中，基带信号一分为二包括将所述基带信号分成两路能量相等的信号：第一基带信号和第二基带信号；调制处理包括：上变频、滤波和功率放大；解调处理包括：下变频和滤波。
进一步地，方法还包括对所述处理后的接收信号进行数字采样和数字滤波，以供控制使用。
采用本方法，输出的处理后的接收信号的平均载噪比为：
Figure SMS_15
其中，SNR A 为平均载噪比，S 1 为第一输出天线输出s 1 和第二输出天线输出s 2 的信号平均功率，h 1 为从发射端到接收端信道衰落系数，ρ为相邻信道的噪声相关系数，N 1 为s 1 、s 2 信号在整个信道传播过程中收到的噪声平均功率。
需要说明的是，上述方法除了应用于无人机双发双收场景之外，还可以延展至其他多发多收的应用场景。其他多发多收的场景也应当属于本申请的保护范围之内。
本实施例1、2提供的一种无人机通信链路抗干扰系统及方法，硬件方面，在原无人机通信单元发射端增加一个反相器，接收端增加一个减法器，以及其他与之适配的滤波、放大电路等；软件方面，增加与之对应的运算解析步骤。在发射端先将基带信号功分一分为二，其中一路信号经过反相器做180°反相，然后将两路信号分别进行上变频、滤波、功率放大经由两路天线发射出去，接收端的两路天线收到两路信号后分别进行下变频、滤波再由减法器将两路信号相减，最后将相减结果进行后续的模数转换、数字滤波等数字信号处理。适配无人机现有通信体制，在城市复杂电磁环境下有效提升信噪比，提高抗干扰性。且广泛适用于无人机双发双收方式下的应用场景和其他多发多收的通信应用场景。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种无人机通信链路抗干扰系统，其特征是：包括
无人机通信单元发射端和无人机通信单元接收端；
所述无人机通信单元发射端包括：功分器、第一调制模块、第一输出天线、反相器、第二调制模块和第二输出天线；
所述功分器一端经所述第一调制模块连接所述第一输出天线，所述功分器另一端经所述反相器和所述第二调制模块连接所述第二输出天线；
所述无人机通信单元接收端包括：第一接收天线、第二接收天线、第一解调模块、第二解调模块和减法器；
所述第一接收天线经所述第一解调模块连接所述减法器，所述第二接收天线经所述第二解调模块连接所述减法器，所述减法器输出处理后的接收信号。
2.根据权利要求1所述的一种无人机通信链路抗干扰系统，其特征是：所述功分器为二功分器。
3.根据权利要求1所述的一种无人机通信链路抗干扰系统，其特征是：所述第一调制模块和所述第二调制模块均包括：上变频器和功放器。
4.根据权利要求1所述的一种无人机通信链路抗干扰系统，其特征是：所述第一解调模块和第二解调模块均包括下变频器。
5.一种无人机通信链路抗干扰方法，其特征是：应用于如权利要求1-4任一所述的一种无人机通信链路抗干扰系统，包括：
基带信号一分为二，第一基带信号经调制处理后由第一输出天线输出，第二基带信号经反相处理后进行调制处理，而后由第二输出天线输出；
第一接收天线接收第一基带信号和第二基带信号，得到第一接收信号，第二接收天线接收第一基带信号和第二基带信号，得到第二接收信号；
所述第一接收信号和所述第二接收信号经解调处理后进行相减，获得处理后的接收信号。
6.根据权利要求5所述的一种无人机通信链路抗干扰方法，其特征是：基带信号一分为二包括将所述基带信号分成两路能量相等的信号：第一基带信号和第二基带信号。
7.根据权利要求5所述的一种无人机通信链路抗干扰方法，其特征是：所述调制处理包括：上变频、滤波和功率放大。
8. 根据权利要求5所述的一种无人机通信链路抗干扰方法，其特征是：所述解调处理包括：下变频和滤波。
9.根据权利要求5所述的一种无人机通信链路抗干扰方法，其特征是：还包括
对所述处理后的接收信号进行数字采样和数字滤波。
10.根据权利要求9所述的一种无人机通信链路抗干扰方法，其特征是：所述处理后的接收信号的平均载噪比为：
Figure QLYQS_1
其中，S 1 为第一输出天线输出s 1 和第二输出天线输出s 2 的信号平均功率，h 1 为从发射端到接收端信道衰落系数，ρ为相邻信道的噪声相关系数，N 1 为s 1 、s 2 信号在整个信道传播过程中收到的噪声平均功率。
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