CN117692046A - 一种支持自定义多种波形的基带系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种支持自定义多种波形的基带系统。该硬件包括输入/输出模块，用于接收和发送数据；信号处理模块，用于处理接收到的数据；存储模块，用于存储接收和发送的数据以及处理结果；控制模块，用于协调和管理整个硬件设备的运行；波形动态加载模块，用于加载和控制用户定义的波形；算法模块，包含波形生成和处理的相关算法。本发明有利于实现动态加载控制不同的软件波形，支持多模制式、多波形的终端互联互通。通过合理利用软硬件资源，提高系统的灵活性和稳健性，为卫星通信、无线通信等领域提供了一种新的解决方案。

Description

一种支持自定义多种波形的基带系统

技术领域

本发明属于卫星通信领域，更具体的说涉及一种支持自定义多种波形的基带系统。

背景技术

卫星通信作为信息传输的一种方式，在许多领域都有着广泛的应用，其中基带处理是卫星通信中不可忽视的一部分。基带处理负责将卫星接收到的RF信号转换为基带信号进行处理，以及将处理后的基带信号转换为RF信号用于发送。

现有技术的缺点：

系统复杂度高：由于卫星通信基带处理涉及到的模块多，流程复杂，对各个模块之间的协调控制能力要求高，设计和实现难度大。

波形加载能力有限：现有的卫星通信基带系统往往只能处理预设的特定波形，不能按需动态加载和处理不同的波形。

波形处理效果不佳：在处理特殊或复杂波形时，现有的基带系统可能无法达到理想的处理效果。

系统效率问题：现有的基带系统由于设计或实现方法等问题，可能导致系统效率不高，耗电量大，处理能力有限。

发明内容

本发明采用模块化、标准化的设计理念，构造了一个广泛开放性的通用硬件平台。通过定义完备的、高效的硬件抽象层，并设计统一的传输机制与中间件接口规范，在同一硬件内实现动态加载控制不同的软件波形，支持多模制式、多波形的终端互联互通。合理利用软硬件资源，提高系统的灵活性和稳健性，为卫星通信、无线通信等领域提供了新的解决方案。

为了实现上述目的，本发明是采用以下技术方案实现的：所述的基带包括：

输入/输出模块、信号处理模块、存储模块、控制模块、波形动态加载模块、算法模块、模数转换器/数模转换器、混频器、滤波器、放大器；

输入/输出模块与信号处理模块连接，接收和发送数据流；

信号处理模块与控制模块连接，处理器接收来自控制模块的指令进行数据处理；

模数转换器/数模转换器与信号处理模块连接，将模拟信号和数字信号互相转化；

控制模块与所有模块连接：负责协调和控制整个系统的运行；

波形动态加载模块与信号处理模块连接，动态加载波形供处理器处理；

算法模块与信号处理模块连接，根据算法进行信号生成、处理和识别；

混频器与信号处理模块连接，进行频率的转换；

滤波器与信号处理模块连接：过滤出需要的频率分量；

放大器与输入/输出模块连接：对输入、输出信号进行放大；

存储模块与信号处理模块、输入/输出模块连接：用于数据的临时存储和交换。

进一步地，所述的基带还包括电源模块，冷却模块；

电源模块与所有模块连接，为整个基带硬件提供电力；冷却模块直接与硬件设备连接，为硬件设备提供冷却。

进一步地，所述的算法模块用于生成、处理和识别波形的算法，所述的生成波形算法为QPSK算法，波形处理采用自回归模型算法。

进一步地，所述的生成波形算法为QPSK算法具体如下：QPSK是一种相移键控调制方式，在QPSK调制中，每个符号携带2比特的信息，因此符号集合有{00,01,10,11}共4个符号；

步骤1、将二进制数据流按照每两比特进行划分，产生一个新的数据流；

步骤2、将这些两比特的数据映射到相位值上，在QPSK调制中，通常将{00,01,10,11}映射到{π/4,7π/4,3π/4,5π/4}；

步骤3、将映射后的相位值进行调制，生成QPSK波形；在数学表示上，生成的QPSK信号可以表示为

对t∈[(i-1)T,iT)

i为符号序号；其中A表示振幅、T表示每个符号的持续时间、f_c表示载波频率、表示第i个符号对应的相位。

进一步地，所述的波形处理采用自回归模型算法具体如下：

步骤1、首先将输入信号进行预处理，包括标准化和线性化；

步骤2、然后使用自回归模型对预处理过的信号进行建模，得到自回归系数；

自回归模型的数学公式如下︰

Y(t)＝Σa(i)*Y(t-i)+e(t),i＝1,2,...,p

其中，Y(t)是当前时间点的信号值，a(i)是回归系数，Y(t-i)是延迟i时间点的信号值，e(t)是噪声项，p是模型阶数；

步骤3、最后将自回归系数送入频率估计算法，得到信号的频率估计值；

频率估计方法是周期图法，其数学公式如下：

P(f)＝|ΣY(t)*e^(-j2πft)|²，t＝1,2,...,n

其中，P(f)是频率f处的功率，Y(t)是信号序列，j是虚数单位，e是自然对数的底，π是圆周率，n是信号序列长度。

本发明有益效果：

系统灵活性提高：由于采用动态加载波形模块，本发明可以根据实际需求处理多种波形，显著提高了系统的灵活性。

波形处理性能优化：通过算法模块，尤其是采用QPSK算法和自回归模型算法，本发明能够优化波形的生成、处理和识别，提升了波形处理的性能。

系统效率提升：本发明基于模数转换器/数模转换器、混频器、滤波器、放大器等多种模块的优化设计，能够大幅提升基带处理的整体效率。

系统稳定性提升：基带系统中添加电源模块和冷却模块，能够保证系统在长时间运行过程中的稳定性和安全性。

易于升级和维护：本发明系统中的各个模块之间的连接明晰，便于进行系统升级和维护。

应用范围广泛：由于具有以上优点，本发明可广泛应用于卫星通信以及其他需求基带处理的领域，具有较大的应用价值。

附图说明

图1为本发明的基带硬件组成框图；

图2为本发明算法模块波形生成流程图；

图3为本发明算法模块中波形处理流程图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的典型实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本发明所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

除非另有定义，本发明所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本发明中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

如图1所示，所述的支持自定义多种波形的基带系统包括；

输入/输出模块与信号处理模块连接：接收和发送数据流，接收和发送数据。它对输入/输出数据进行必要的缓存和调度，以满足系统的实时性需求。信号处理模块与控制模块连接：处理器接收来自控制模块的指令进行数据处理。对接收和发送的数据进行分析和处理。

存储模块存储接收和发送的信息以及处理后的结果。控制模块与所有模块连接：负责协调和控制整个系统的运行。波形动态加载模块加载和控制用户定义的波形。

波形动态加载模块与信号处理模块连接动态加载波形供处理器处理。

波形动态加载模块在此中起到关键作用。它能够加载和控制用户定义的波形，以满足不同的工作制式和接入不同的卫星网络。

实现多工作制式的关键步骤如下：

首先，用户需要提前定义出需要的各种不同的波形，这些波形对应了不同的工作制式和卫星网络。这些波形可以通过信号生成算法进行生成，也可以是实际接收到的卫星信号的样本。

用户将所定义的波形以某种形式(如文件)保存在存储模块中。每一个波形文件都会有一个对应的标识符，来表示它对应的是哪种工作制式和卫星网络。

当需要接入某种特定的卫星网络时，控制模块会向波形动态加载模块发送一个指令，告诉它要加载哪种波形。波形动态加载模块便会根据指令去存储模块中查找对应的波形文件，并将其加载到内存中。

信号处理模块接收到来自波形动态加载模块的波形数据后，会根据该波形进行相应的信号处理操作。这包括对接收到的卫星信号进行解调、解码等操作，也包括将待发送的数据进行编码、调制等操作。经过处理后的信号数据，则会通过输入/输出模块发送出去，或者存储到存储模块中。

通过这样的方式，基带系统就可以支持多种工作制式，能够接入不同的卫星网络。不同的波形对应了不同的通信协议，只要选择正确的波形，就能与对应的卫星网络进行通信。

算法模块与信号处理模块连接根据算法进行信号生成、处理和识别。

所述的算法模块用于生成、处理和识别波形的算法，所述的生成波形算法为QPSK算法，波形处理采用自回归模型算法。

如图2所示，所述的生成波形算法为QPSK算法具体如下：

QPSK是一种相移键控调制方式，在QPSK调制中，每个符号携带2比特的信息，因此符号集合有{00,01,10,11}共4个符号；

步骤1、将二进制数据流按照每两比特进行划分，产生一个新的数据流；例如，原始数据流为{1,0,1,1,0,0,0,1},两比特划分后的数据流为{10,11,00,01}。

步骤2、将这些两比特的数据映射到相位值上，在QPSK调制中，通常将{00,01,10,11}映射到{π/4,7π/4,3π/4,5π/4}；

步骤3、将映射后的相位值进行调制，生成QPSK波形；在数学表示上，生成的QPSK信号可以表示为

对t∈[(i-1)T,iT)

i为符号序号；其中A表示振幅、T表示每个符号的持续时间、f_c表示载波频率、表示第i个符号对应的相位。

以上步骤描述了如何根据原始数据生成QPSK波形。

如图3所示，所述的波形处理采用自回归模型算法具体如下：步骤1、首先将输入信号进行预处理，包括标准化和线性化；

标准化的数学公式如下：

其中X为标准化后的信号，x为原始信号，μ为原始信号的均值，σ为原始信号的标准差。

线性化的方法其数学公式如下：

Y＝log(X)

其中Y是线性化后的信号，X是原始信号。

步骤2、然后使用自回归模型对预处理过的信号进行建模，得到自回归系数；

自回归模型的数学公式如下︰

Y(t)＝Σa(i)*Y(t-i)+e(t),i＝1,2,...,p

其中，Y(t)是当前时间点的信号值，a(i)是回归系数，Y(t-i)是延迟i时间点的信号值，e(t)是噪声项，p是模型阶数；

步骤3、最后将自回归系数送入频率估计算法，得到信号的频率估计值；

频率估计方法是周期图法，其数学公式如下：

P(f)＝|∑Y(t)*e^(-j2πft)|²，t＝1,2,...,n

其中，P(f)是频率f处的功率，Y(t)是信号序列，j是虚数单位，e是自然对数的底，π是圆周率，n是信号序列长度。

混频器与信号处理模块连接进行频率的转换。滤波器与信号处理模块连接：过滤出需要的频率分量。放大器与输入/输出模块连接对输入、输出信号进行放大。

电源模块与所有模块连接：为整个基带硬件提供电力。所述的电源模块包括电源管理单元和电源转换器，电源管理单元用于控制整个基带的电源开关和供电模式，电源转换器用于将输入电源转换为基带所需的特定电压和电流。冷却模块直接与硬件设备连接：为硬件设备提供冷却。所述的冷却模块包括风扇和散热片，风扇用于产生气流，散热片用于增加散热表面，以提高散热效率。

实施例

假设我们现在要接入两个不同的卫星网络：GPS和北斗。每个卫星网络都有自己的工作制式，对应不同的波形。假设我们已经定义出了这两种波形，比如说分别是waveform1和waveform2，并且已经将它们存储在存储模块中。

首先，如果我们想接入GPS网络，

控制模块会向波形动态加载模块发送一个加载waveform1的指令。波形动态加载模块接收到这个指令后，会查询存储模块，找出对应的waveform1的数据，并将其加载到内存中。

波形动态加载模块完成加载后，会将waveform1的数据发送给信号处理模块。信号处理模块会使用特定的算法(例如QPSK)对这个波形进行处理。处理的结果会保存在存储模块中，并通过输入/输出模块发送给GPS卫星。

接入北斗网络的过程也是类似的，只不过在加载波形的步骤中，加载的是waveform2。

在这个过程中，

控制模块负责控制整个系统的运行，按需发送加载波形的指令；

波形动态加载模块负责接收加载指令，查询存储模块并加载相应的波形；

信号处理模块负责对加载的波形进行处理，并将处理结果发送出去或存至存储模块；

存储模块负责储存所有的波形数据和处理结果；

输入/输出模块负责接收和发送数据，包括原始的卫星信号数据和处理后的信号数据。

通过这种方式，就实现了加载多种波形，多工作制式，以接入不同的卫星网络的目的。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(ReadOnlyMemory，ROM)或随机存储记忆体(RandomABBessMemory，RAM)等。

应当理解，以上借助优选实施例对本发明的技术方案进行的详细说明是示意性的而非限制性的。本领域的普通技术人员在阅读本发明说明书的基础上可以对各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种支持自定义多种波形的基带系统，其特征在于：所述的基带系统包括：

输入/输出模块、信号处理模块、存储模块、控制模块、波形动态加载模块、算法模块、模数转换器/数模转换器、混频器、滤波器、放大器；

输入/输出模块与信号处理模块连接，接收和发送数据流；

信号处理模块与控制模块连接，处理器接收来自控制模块的指令进行数据处理；

模数转换器/数模转换器与信号处理模块连接，将模拟信号和数字信号互相转化；

控制模块与所有模块连接：负责协调和控制整个系统的运行；

波形动态加载模块与信号处理模块连接，动态加载波形供处理器处理；

算法模块与信号处理模块连接，根据算法进行信号生成、处理和识别；

混频器与信号处理模块连接，进行频率的转换；

滤波器与信号处理模块连接：过滤出需要的频率分量；

放大器与输入/输出模块连接：对输入、输出信号进行放大；

存储模块与信号处理模块、输入/输出模块连接：用于数据的临时存储和交换。

2.根据权利要求1所述的一种支持自定义多种波形的基带系统，其特征在于：所述的基带还包括电源模块，冷却模块；电源模块与所有模块连接，为整个基带硬件提供电力；冷却模块直接与硬件设备连接，为硬件设备提供冷却。

3.根据权利要求1所述的一种支持自定义多种波形的基带系统，其特征在于：所述的算法模块用于生成、处理和识别波形的算法，所述的生成波形算法为QPSK算法，波形处理采用自回归模型算法。

4.根据权利要求3所述的一种支持自定义多种波形的基带系统，其特征在于：所述的生成波形算法为QPSK算法具体如下：

QPSK是一种相移键控调制方式，在QPSK调制中，每个符号携带2比特的信息，因此符号集合有{00,01,10,11}共4个符号；

步骤1、将二进制数据流按照每两比特进行划分，产生一个新的数据流；

步骤2、将这些两比特的数据映射到相位值上，在QPSK调制中，通常将{00,01,10,11}映射到{π/4,7π/4,3π/4,5π/4}；

步骤3、将映射后的相位值进行调制，生成QPSK波形；在数学表示上，生成的QPSK信号表示为

对t∈[(i-1)T,iT)i为符号序号；其中A表示振幅、T表示每个符号的持续时间、f_c表示载波频率、/>表示第i个符号对应的相位。

5.根据权利要求3所述的一种支持自定义多种波形的基带系统，其特征在于：所述的波形处理采用自回归模型算法具体如下：

步骤1、首先将输入信号进行预处理，包括标准化和线性化；

步骤2、然后使用自回归模型对预处理过的信号进行建模，得到自回归系数；

自回归模型的数学公式如下︰

Y(t)＝Σa(i)*Y(t-i)+e(t),i＝1,2,...,p

其中，Y(t)是当前时间点的信号值，a(i)是回归系数，Y(t-i)是延迟i时间点的信号值，e(t)是噪声项，p是模型阶数；

步骤3、最后将自回归系数送入频率估计算法，得到信号的频率估计值；

频率估计方法是周期图法，其数学公式如下：

P(f)＝|∑Y(t)*e^(-j2πft)|²，t＝1,2,...,n

其中，P(f)是频率f处的功率，Y(t)是信号序列，j是虚数单位，e是自然对数的底，π是圆周率，n是信号序列长度。