可變增益自適應帶寬的航空無線電抗干擾寬帶傳輸方法
【專利摘要】本發明公開了一種可變增益自適應帶寬的航空無線電抗干擾寬帶傳輸方法，通過精心設計幀格式、選用合適的碼型，結合了信道估計技術、抗干擾同步技術、擴頻通信技術、數字寬帶傳輸及信道均衡技術，針對航空無線信道的特征進行了創新設計，使之具備了較強的抗毀和容錯能力、較大的降額設計能力和較高的寬帶傳輸性能。
【專利說明】可變增益自適應帶寬的航空無線電抗干擾寬帶傳輸方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于航空無線電領域的數據鏈技術，是一種基于FPGA硬件平臺的航空無線電抗干擾寬帶傳輸實現方法。
技術背景
[0002]航空無線傳輸技術一直是航空無線電數據鏈領域的關鍵技術之一。雖然民用商用領域的無線數據鏈技術已經較為成熟，但大多針對以城區環境為代表的Reighly信道設計，且多為地面移動平臺，對航空飛行器平臺大動態、大尺度特點的應對手段不夠，尤其針對航空無人飛行器的遙測遙控數據鏈，該問題則顯得更為突出。在傳統的航空無線電數據鏈系統中，也往往面臨著抗干擾能力不夠，系統魯棒性欠缺、降額處理能力缺乏等問題，這對于以Ricean信道為典型模型的航空無線數據鏈系統而言是亟待解決的重要問題，而對于無人機遙測遙控和通信數據鏈系統，提高寬帶傳輸性能、增強系統抗干擾能力和降額設計能力對提升無人機系統的可靠性而言則顯得更為重要。
【發明內容】
[0003]針對現有技術的不足，本發明的發明目的在于提供一種可變增益自適應帶寬的航空無線電抗干擾寬帶傳輸方法，該方法以軟件無線電為核心設計思想，通過精心設計幀格式、選用合適的碼型，結合了信道估計技術、抗干擾同步技術、擴頻通信技術、數字寬帶傳輸及信道均衡技術，使之具備了較強的抗毀和容錯能力、較大的降額設計能力和較高的寬帶傳輸性能，具有可變抗干擾增益、自適應傳輸帶寬、鏈路可靠性高等特點。
[0004]本發明的發明目的通過以下技術方案來實現:
[0005]一種可變增益自適應帶寬的航空無線電抗干擾寬帶傳輸方法，包含以下步驟:
[0006]A、在發射端對待發射數據進行編碼和組幀，形成1、Q兩路數據后進行成型濾波、調制映射；
[0007]其中通信幀的格式為:同步頭與訓練字段、解模糊與信道估計字段、工作模式字段以及數據包字段；
[0008]所述同步頭與訓練字段用于提供高增益的定時同步和幀同步、判決反饋信道均衡的時域訓練、以及誤碼統計；
[0009]所述解模糊與信道估計字段用于解相位模糊，以及頻域信道估計；
[0010]所述工作模式字段用于根據系統降額策略的輸出來表征當前鏈路的工作模式；
[0011]所述數據包字段包含若干個數據包，每個數據包包含CAZAC復正交序列表征的包頭和數據域，數據域中的數據根據工作模式字段的表征，采用TPC編碼方式形成信道編碼后的數據包或者采用Walsh序列擴頻的數據包；
[0012]B、在接收端首先完成模擬中頻信號的AD變換、數字下變頻、頻率跟蹤以及匹配濾波，輸出經過頻率跟蹤和未經過頻率跟蹤的二路數據。
[0013]C、通過對通信幀中的解模糊與信道估計字段的處理完成頻域信道估計；[0014]D、根據頻域信道估計和上一幀的誤碼統計結果，決定工作模式字段中的內容，從而完成系統降額切換，并將結果反饋給發射端以確定下一幀通信幀中工作模式字段中的內容；
[0015]E、將經過頻率跟蹤的數據完成基于內插Gardner的定時環路以及擴頻相關峰選點的定時同步，將未經過頻率跟蹤的數據根據內插Gardner的定時環路完成基于叉積載波環路的載波同步；
[0016]F、根據基于內插Gardner定時環路和擴頻相關峰選點的定時同步分別完成基于改進恒模盲均衡的信道均衡；根據叉積載波環路的載波同步以及通信幀中的同步頭與訓練字段完成基于判決反饋均衡的信道均衡；
[0017]G、依據通信幀中的解模糊與信道估計字段分別完成步驟F中的三路信道均衡后的數據解相位模糊功能并根據通信幀的同步頭與訓練字段進行誤碼統計，根據誤碼統計分別用于支路優選和步驟D中的系統降額切換策略；
[0018]H、根據支路優選的結果對寬帶業務數據進行TPC譯碼；
[0019]1、根據步驟D中的系統降額切換策略的結果以及步驟E中的叉積載波環路的載波同步完成擴頻支路的相關解擴和Viterbi譯碼；
[0020]J、多路選擇器根據步驟D中的系統降額切換策略對TPC譯碼和Viterbi譯碼進行選擇輸出。
[0021]優選地，所述步驟A前還包括接口適配環節，將64K?16Mbps或256K?64Mbps兩種自適應傳輸帶寬模式下不同速率的信源通過控制讀寫雙口 RAM將不同速率信源異步轉同步，變成統一的波特率后進入編碼和組幀環節。
[0022]依據上述特征，所述同步頭與訓練字段采用自相關性能好的PN碼序列，序列長度大于數據包最大相關擴頻增益的3dB以上；
[0023]所述解模糊與信道估計字段采用CAZAC序列，長度為16bit ;
[0024]所述工作模式字段采用PN碼，優選長度為256bit ；
[0025]所述數據包字段中的包頭采用8bit CAZAC復正交序列，所述數據域的大小為1、Q各2048bit，根據工作模式字段的表征采用以下模式編碼:
[0026]模式一、在非擴頻模式下，采用TPC編碼方式形成信道編碼后的數據包，數據包塊大小 4096bit ；
[0027]模式二、在擴頻模式下，采用十六進制64位Walsh序列擴頻的數據包，每包有效bit 數 256 ；
[0028]模式三、在擴頻模式下，采用十六進制128位Walsh序列擴頻的數據包，每包有效bit 數 128 ；
[0029]模式四、在擴頻模式下，采用十六進制256位Walsh序列擴頻的數據包，每包有效bit 數 64 ；
[0030]模塊五、在擴頻模式下，采用十六進制512位Walsh序列擴頻的數據包，每包有效bit 數 32 ；
[0031]模塊六、在擴頻模式下，采用十六進制1024位Walsh序列擴頻的數據包，每包有效bit 數 16。
[0032]優選地，所述步驟A中成型濾波采用根升余弦濾波器加漢明窗處理對符號數據作成型濾波，相關符號長度為3，內插倍數16。
[0033]優選地，所述步驟A中調制映射采用零中頻復基帶正交調制體制，通過對基帶數字信號同相、正交支路作數字成型濾波，完成基帶數字域的數字映射功能，通過專用芯片AD9957完成載波調制。
[0034]優選地，所述步驟B中鑒頻環節包含以下步驟:
[0035]B.1、FFT前向鑒頻:對低通濾波之后的復基帶信號進行抽取并做基于FFT的鑒頻處理；
[0036]B.2、閉環掃頻:根據當前FFT的鑒頻處理后信號自相關積累的結果，負反饋控制頻率跟蹤，糾正剩余頻偏，完成頻率跟蹤。
[0037]優選地，所述步驟C中的頻域信道估計包括以下步驟:
[0038]C.1、本地端序列與通信幀的解模糊與信道估計字段中的序列作卷積運算；
[0039]C.2、由卷積運算結果完成信道沖擊響應及頻域信道響應估計。
[0040]優選地，所述步驟E中的基于內插Gardner的定時環路采用二階二型環路實現。
[0041]優選地，所述步驟E中的擴頻相關峰選點的定時同步包含以下步驟:
[0042]E.1、先由計數器自由計數產生周期定時信號對輸入基帶信號進行抽樣、相關運算；
[0043]E.2將峰值檢測狀態機計算得到的置位信號及修正比較信息送入定時調整模塊，進入修正狀態實現定時的觸發式調整。
[0044]優選地,所述步驟E中的叉積載波環路的載波同步對基于內插Gardner的定時環路的輸出采用二階二型環路實現叉積載波環路同步。
[0045]本發明的有益效果包括以下四個方面:
[0046](I)具備多模式航空無線數據鏈業務傳輸能力，切換平穩、鏈路不中斷將抗干擾通信技術和寬帶通信技術有效融合，通過精心設計的幀格式、優選的碼型組合，使航空無線數據鏈兼具“寬帶傳輸”與“抗干擾傳輸”能力，且模式切換或降額工作時鏈路平穩切換不中斷，這一點對于無人飛行器的遙測遙控數據鏈路尤為重要。
[0047](2)可有效應對航空無線信道大尺度、大動態等性能需求
[0048]針對航空無線信道的特征和無人飛行器平臺遙測遙控的需求特點，創新設計了結合“FFT前向鑒頻”和“閉環掃頻”兩種方式的鑒頻器環節、基于“擴頻相關峰選點策略”的前向定時環節、Walsh解擴環節、基于DFE和MCMA的時域均衡、基于“信道估計”和“誤碼率統計”的降額設計策略等多個環節，使得鏈路應對航空無線信道下大尺度、大動態的能力得到提升。
[0049](3)滿足航空無人飛行器遙測遙控各等級Qos業務需求，提高了系統抗毀能力和
可靠性
[0050]通過多支路(如上所述——四支路)在后臺同時運行的熱備份設計，結合“時域誤碼率統計”和“頻域信道估計”的自適應支路優選策略，可以滿足不同航空無線信道環境下(從AWGN信道、到Ricean多徑信道、再到干擾信道)遙測遙控數據鏈各等級Qos的業務應用，有效提升了整個無人飛行器遙測遙控數據鏈系統的抗毀能力和可靠性。
[0051 ] (4)降低了資源和功耗需求，適合航空機載電子設備使用環境
[0052]通過對多個模塊的設計優化，大幅度降低了資源和功耗需求，全部設計僅占硬件平臺(一片Stratix III加一片Cyclone III)總體資源的50%,全部功耗僅在4W左右,低資源、低功耗對于航空機載電子設備尤其是無人飛行器的遙測遙控數據鏈而言有著非常重要的意義。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0053]圖1為本發明中發射端IP核實施方案設計原理框圖；
[0054]圖2為本發明中接收端IP核實施方案設計原理框圖；
[0055]圖3為本發明中通信幀結構；
[0056]圖4為本發明內插Gardner定時同步環路環節設計框圖；
[0057]圖5為本發明中基于擴頻相關峰選點策略的定時環節設計框圖；
[0058]圖6為本發明中叉積載波環路環節設計框圖；
[0059]圖7為DFE判決反饋均衡器設計框圖。
【具體實施方式】
[0060]下面結合附圖對本發明的實施例作詳細說明:本實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護范圍不限于下述的實施例。
[0061]本發明(軟核)包括發射端IP核和接收端IP核，如圖1所示，發射端IP核包含一個模塊一“調制發射模塊”，該模塊由“接口適配”、“編碼(擴頻)組幀”、“成型濾波”和“調制映射”等四個環節構成。如圖2所示，接收端IP核包含三個模塊——“數字前端模塊”、“信道估計模塊”和“同步解調譯碼模塊”，其中“數字前端模塊”由“數字下變頻(DDC)”、“低通濾波(LPF)”、“數字鑒頻”、“匹配濾波(MF)”等四個環節構成；“信道估計模塊”由“頻域信道估計”和“降額切換策略”等兩個環節構成；“同步解調譯碼模塊”又由以下四個支路構成:
[0062](I) “內插Gardner定時環路”級聯“叉積載波環路”級聯“DFE均衡器”級聯“解相位模糊環節”級聯“誤碼統計環節”級聯“支路優選環節”級聯“TPC譯碼環節”等7個環節構成支路一；
[0063](2) “基于擴頻相關峰選點策略的定時同步環節”級聯“MCMA均衡器”級聯“解相位模糊環節”級聯“誤碼統計環節”級聯“支路優選環節”級聯“TPC譯碼環節”等6個環節構成支路二；
[0064](3) “內插Gardner定時環路”級聯“MCMA均衡器”級聯“解相位模糊”級聯“誤碼統計環節”級聯“支路優選環節”級聯“TPC譯碼環節”等6個環節構成支路三；
[0065](4) “基于擴頻相關峰選點策略的定時同步環節”級聯“相關解擴環節”級聯“Viterbi譯碼環節”等3個環節構成支路四。
[0066]接口適配環節:
[0067]如圖1所示，本發明可支持64K?16Mbps或256K?64Mbps兩種自適應傳輸帶寬模式下(區別僅在時鐘配置)不同速率的信源，接口適配環節通過控制讀寫雙口 RAM將不同速率信源“異步轉同步”，變成統一的波特率后進入編碼(擴頻)組幀環節。
[0068]編碼組幀環節:[0069]如圖1所示，該環節由若干時序或組合邏輯設計構成，針對不同速率信源，完成信道編碼、擴頻(可選)和組幀，形成1、Q兩路數據進入成型濾波環節。
[0070]在本環節中，設計的通信幀結構如圖3所示。
[0071]I)同步頭與訓練字段
[0072]同步頭與訓練字段用于提供高增益的定時同步和幀同步，使得鏈路同步具備抗干擾能力，此外還用于DFE信道均衡的時域訓練，以及誤碼率統計。該字段的設計準則是——
[0073].采用自相關性能好的PN碼序列
[0074].序列長度(相關同步增益)應至少大于數據包最大相關擴頻增益的3dB以上(從而在工程設計上保證能夠拿到全部的擴頻增益)。
[0075]2)解模糊與信道估計字段
[0076]解模糊與信道估計字段用于解相位模糊(每幀解一次)，可以解決常規無線通信AWGN信道下的相位突跳問題。該字段同時用于頻域信道估計，結合“頻域信道估計”和“誤碼統計”結果設計了鏈路的“降額切換策略”。解模糊與信道估計字段采用16bit的CAZAC序列。
[0077]3)工作模式字段
[0078]通過256bit的PN碼來表征當前鏈路工作模式，鏈路工作模式的降額切換由接收IP核中的“降額切換策略”控制。
[0079]4)數據包字段
[0080]數據包字段由8bit CAZAC頭和1、Q各2048bit的編碼(擴頻)后信息構成。該段信息的組成方式由當前工作模式確定，包括以下幾種:
[0081]模式一、在非擴頻模式下，采用TPC編碼方式形成信道編碼后的數據包，數據包塊大小 4096bit ；
[0082]模式二、在擴頻模式下，采用十六進制64位Walsh序列擴頻的數據包，每包有效bit 數 256 ；
[0083]模式三、在擴頻模式下，采用十六進制128位Walsh序列擴頻的數據包，每包有效bit 數 128 ；
[0084]模式四、在擴頻模式下，采用十六進制256位Walsh序列擴頻的數據包，每包有效bit 數 64 ；
[0085]模塊五、在擴頻模式下，采用十六進制512位Walsh序列擴頻的數據包，每包有效bit 數 32 ；
[0086]模塊六、在擴頻模式下，采用十六進制1024位Walsh序列擴頻的數據包，每包有效bit 數 16。
[0087]成型濾波環節:
[0088]采用根升余弦濾波器加漢明窗處理，相關符號長度為3，內插倍數16，帶外抑制可達到-60dBc。
[0089]調制映射環節:
[0090]采用零中頻復基帶正交調制體制。通過對基帶數字信號同相、正交支路作數字成型濾波，完成基帶數字域的數字映射功能。通過專用芯片AD9957完成載波調制，在降低了數據處理速率的同時，能取得符合要求的調制效果。[0091]數字下變頻(DDC)環節:
[0092]數字下變頻環節通過復數乘法器實現，目的是將經過帶通采樣的基帶信號(實信號)變成近似零中頻(存在載波殘余誤差)的復信號。接收信號為:
[0093]S (t) = real ((I+jQ) eJwt) = Icoswt-Qsinwt
[0094]與本地參考信號混頻后I, Q路信號為:
[0095]
【權利要求】
1.一種可變增益自適應帶寬的航空無線電抗干擾寬帶傳輸方法，包含以下步驟: A、在發射端對待發射數據進行編碼和組幀，形成1、Q兩路數據后進行成型濾波、調制映射； 其中通信幀的格式為:同步頭與訓練字段、解模糊與信道估計字段、工作模式字段以及數據包字段； 所述同步頭與訓練字段用于提供高增益的定時同步和幀同步、判決反饋信道均衡的時域訓練、以及誤碼統計； 所述解模糊與信道估計字段用于解相位模糊，以及頻域信道估計； 所述工作模式字段用于根據系統降額策略的輸出來表征當前鏈路的工作模式； 所述數據包字段包含若干個數據包，每個數據包包含CAZAC復正交序列表征的包頭和數據域，數據域中的數據根據工作模式字段的表征，采用TPC編碼方式形成信道編碼后的數據包或者采用Walsh序列擴頻的數據包； B、在接收端首先完成模擬中頻信號的AD變換、數字下變頻、頻率跟蹤以及匹配濾波，輸出經過頻率跟蹤和未經過頻率跟蹤的二路數據。 C、通過對通信幀中的解模糊與信道估計字段的處理完成頻域信道估計； D、根據頻域信道估計和上一幀的誤碼統計結果，決定工作模式字段中的內容，從而完成系統降額切換，并將結果反饋給發射端以確定下一幀通信幀中工作模式字段中的內容； E、將經過頻率跟蹤的數據完成基于內插Gardner的定時環路以及擴頻相關峰選點的定時同步，將未經過頻率跟蹤的數據根據內插Gardner的定時環路完成基于叉積載波環路的載波同步； F、根據基于內插Gardner定時環路和擴頻相關峰選點的定時同步分別完成基于改進恒模盲均衡的信道均衡；根據叉積載波環路的載波同步以及通信幀中的同步頭與訓練字段完成基于判決反饋均衡的信道均衡； G、依據通信幀中的解模糊與信道估計字段分別完成步驟F中的三路信道均衡后的數據解相位模糊功能并根據通信幀的同步頭與訓練字段進行誤碼統計，根據誤碼統計分別用于支路優選和步驟D中的系統降額切換策略； H、根據支路優選的結果對寬帶業務數據進行TPC譯碼； 1、根據步驟D中的系統降額切換策略的結果以及步驟E中的叉積載波環路的載波同步完成擴頻支路的相關解擴和Viterbi譯碼； J、多路選擇器根據步驟D中的系統降額切換策略輸出的當前工作模式對TPC譯碼和Viterbi譯碼進行選擇輸出。
2.根據權利要求1所述的航空無線電抗干擾寬帶傳輸方法，其特征在于所述步驟A前還包括接口適配環節，將64K~16Mbps或256K~64Mbps兩種自適應傳輸帶寬模式下不同速率的信源通過控制讀寫雙口 RAM將不同速率信源異步轉同步，變成統一的波特率后進入編碼和組幀環節。
3.根據權利要求1所述的航空無線電抗干擾寬帶傳輸方法，其特征在于所述同步頭與訓練字段采用自相關性能好的PN碼序列，序列長度大于數據包最大相關擴頻增益的3dB以上； 所述解模糊與信道估計字段 采用CAZAC序列，長度為16bit ；所述工作模式字段采用PN碼，優選長度為256bit ； 所述數據包字段中的包頭采用8bit CAZAC復正交序列，所述數據域的大小為1、Q各`2048bit,根據工作模式字段的表征采用以下模式編碼: 模式一、在非擴頻模式下，采用TPC編碼方式形成信道編碼后的數據包，數據包塊大小`4096bit ； 模式二、在擴頻模式下，采用十六進制64位Walsh序列擴頻的數據包，每包有效bit數`256 ； 模式三、在擴頻模式下，采用十六進制128位Walsh序列擴頻的數據包，每包有效bit數 128 ； 模式四、在擴頻模式下，采用十六進制256位Walsh序列擴頻的數據包，每包有效bit數64 ； 模塊五、在擴頻模式下，采用十六進制512位Walsh序列擴頻的數據包，每包有效bit數32 ； 模塊六、在擴頻模式下，采用十六進制1024位Walsh序列擴頻的數據包，每包有效bit數16。
4.根據權利要求1所述的航空無線電抗干擾寬帶傳輸方法，其特征在于所述步驟A中成型濾波采用根升余弦濾波器加漢明窗處理對符號數據作成型濾波，相關符號長度為3，內插倍數16。
5.根據權利要求1所述的航空無線電抗干擾寬帶傳輸方法，其特征在于所述步驟A中調制映射采用零中頻復基帶正交調制體制，通過對基帶數字信號同相、正交支路作數字成型濾波，完成基帶數字域的數字映射功能，通過專用芯片AD9957完成載波調制。
6.根據權利要求1所述的航空無線電抗干擾寬帶傳輸方法，其特征在于所述步驟B中鑒頻環節包含以下步驟: B.1、FFT前向鑒頻:對低通濾波之后的復基帶信號進行抽取并做基于FFT的鑒頻處理； B.2、閉環掃頻:根據當前FFT的鑒頻處理后信號自相關積累的結果，負反饋控制頻率跟蹤，糾正剩余頻偏，完成頻率跟蹤。
7.根據權利要求1所述的航空無線電抗干擾寬帶傳輸方法，其特征在于所述步驟C中的頻域信道估計包括以下步驟: C.1、本地端序列與通信幀的解模糊與信道估計字段中的序列作卷積運算； C.2、由卷積運算結果完成信道沖擊響應及頻域信道響應估計。
8.根據權利要求1所述的航空無線電抗干擾寬帶傳輸方法，其特征在于所述步驟E中的基于內插Gardner的定時環路采用二階二型環路實現。
9.根據權利要求1所述的航空無線電抗干擾寬帶傳輸方法，其特征在于所述步驟E中的擴頻相關峰選點的定時同步包含以下步驟: E.1、先由計數器自由計數產生周期定時信號對輸入基帶信號進行抽樣、相關運算； E.2將峰值檢測狀態機計算得到的置位信號及修正比較信息送入定時調整模塊，進入修正狀態實現定時的觸發式調整。
10.根據權利要求1所述的航空無線電抗干擾寬帶傳輸方法，其特征在于所述步驟E中的叉積載波環路的載波同步對基于內插Gardner的定時環路的輸出采用二階二型環路實現叉積載波環路 同步。
【文檔編號】H04L27/36GK103763062SQ201410022673
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2014年1月17日 優先權日:2014年1月17日
【發明者】方正, 仇啟明, 鄒星, 夏高峰, 靳超, 李金喜 申請人:中國航空無線電電子研究所