一種短距離紅外無線高速通信系統及其編碼方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及雷達回波的數據傳輸領域，具體涉及短距離紅外無線高速通信系統及 一種通信編碼方法，用于實現雷達目標回波至雷達顯示終端的數字傳輸。
【背景技術】
[0002] 紅外通信是利用近紅外波段的紅外線作為一種無線傳輸介質來進行傳輸信息的 通信方式。紅外線通信方向性很強，適用于近距離的無線傳輸。盡管通信距離只有幾米，卻 有很多優勢:如成本低、體積小、信息傳輸穩定(不受電磁信號影響）、功耗低等，紅外連接比 有線連接更加安全可靠，并且避免了因線纜和連接器磨損和斷裂造成的檢修;其小型化和 低成本很適合應用在便攜式產品中；并跨平臺適應性好、傳輸速率高，尤其適用于嵌入式系 統。
[0003] 在傳統的雷達設計中，雷達天線只作為高頻電流和空間電磁波的能量轉換裝置， 用來輻射和接收空間的電磁波，因此旋轉的雷達天線和固定不動的雷達基座之間就需要通 過射頻匯流環來進行通信。射頻匯流環作為一種昂貴的微波連接件，可以實現雷達高頻發 射信號和雷達高頻回波信號的雙向傳輸，同時作為一個旋轉關節，解決了旋轉的雷達天線 和固定的雷達基座之間的信號傳遞問題。由匯流環傳來的雷達回波(高頻電流信號)經過雷 達基座上接收機和信號處理機等各模塊的處理就可以送到雷達終端上進行目標顯示了。
[0004] 在大型雷達設計中使用匯流環方便可靠，但在一些小型化雷達的設計領域就不得 不考慮其高昂的成本問題了。針對小型化，低成本雷達設計中，雷達天線和雷達基座之間的 信號傳遞問題發明了一種短距離紅外無線高速通信系統。和傳統雷達設計不同，本發明的 應用環境是雷達的發射機、接收機以及信號處理模塊等都在雷達天線的背部，隨雷達天線 一起轉動，雷達基座只接收信號處理模塊傳來的目標結果，此時傳輸的信號不再是高頻電 流信號，而轉化成了數字信號。本發明很好的解決了隨天線轉動的信處單元和固定不動的 雷達基座間短距離高速數據通信的問題。
[0005] 發表于2007年6月《光學精密工程》中的"一種低功耗的紅外無線視頻傳輸系統" (作者:郭磐、許廷發、倪國強），本文的主要方案是將攝像機的視頻源經AD采樣后，經過IRDA (紅外數據協會)推薦的RL(1，13)編碼后經紅外發射電路單向發送至接收電路，然后解碼進 行視頻回放，并達到了 16Mbit/s的速率;發表于2009年10月《激光與紅外》中的"一種可靠的 紅外通信協議設計與實現"（作者:王成義、郭秀梅、叢曉燕），本文使用了保證波特率在2400 波特，距離在8m內能可靠傳輸的雙向紅外收發電路，主要設計了采用自動重傳的停止等待 協議，以達到可靠傳輸的目的。兩個方案都是針對自己特定的應用環境，但都不完善，方案 一采用IRDA的標準編碼實現了 16Mbit/s的高速傳輸，但是單向傳輸;方案二雖然是雙向通 信，但是速率不高，屬于低速遙控器類的通信，重點在可靠通信協議的設計。在雷達數據傳 輸領域既要求傳輸速度高，又要求雙向通信，上下行鏈路都要有，本發明解決了上述問題。
【發明內容】
[0006] 本發明解決的技術問題是:針對隨天線轉動的信處單元和固定不動的雷達基座間 短距離高速數據通信的問題，提出了一種短距離紅外無線高速通信系統及一種通信編碼方 法，解決了轉動的信處單元和固定的雷達基座間的高速數據通信問題。
[0007] 本發明的技術方案是:一種短距離紅外無線高速通信系統，其特征在于，包括兩塊 紅外數據收發板，一塊位于雷達天線上，一塊位于雷達基座上;紅外數據收發板包括接收部 分和發射部分，其中接收部分包括紅外接收管和放大整形電路，發射部分包括紅外發射管 和驅動電路；
[0008] 雷達初始回波信號經接收機和信號處理模塊轉化為數字信號后傳入雷達天線側 紅外通信接口；經雷達天線側紅外通信接口內的通信編碼部分轉換為單比特的串行數據流 后傳入雷達天線側紅外收發板發射部分;經雷達天線側紅外收發板發射部分的驅動電路放 大信號后，通過紅外發射管將紅外線信號發射給雷達基座側紅外收發板接收部分紅外接收 管;經雷達基座側紅外收發板接收部分的放大整形路傳入雷達基座側紅外通信接口中，得 到雷達最終回波信號并傳入雷達終端;來自雷達終端的控制命令經雷達基座側紅外通信接 口轉換為單比特串行數據流后，傳入雷達基座側紅外收發板發射部分;經過雷達基座側紅 外收發板中發射部分驅動電路放大信號后，通過發射管將紅外線信號傳入雷達天線側紅外 收發板接收部分的紅外接收管;經雷達天線側紅外收發板接收部分的放大整形電路后傳入 雷達天線側紅外通信接口中，得到最終雷達控制信號；雷達天線側紅外通信接口將來自雷 達終端的命令信號分發到各個子模塊以達到控制雷達系統工作的目的。
[0009] 本發明的進一步技術方案是：雷達天線側紅外發射管的軸線、雷達天線的轉動軸 線和雷達天線側紅外數據收發板的轉動軸線三者相重合，且雷達基座側紅外接收管的軸線 和雷達天線側的紅外發射管的軸線相互重合。
[0010] 本發明的進一步技術方案是:雷達天線側的紅外接收管置于雷達天線側紅外數據 收發板的偏心位置。
[0011] 本發明的進一步技術方案是:一種位于短距離紅外無線高速通信系統中的通信編 碼方法，其特征在于，包括上行數據傳送和下行數據傳送，且上行數據傳送和下行數據傳送 編碼方式一樣，包括以下步驟：
[0012] 步驟一:定義幀結構，幀結構包括前導碼、幀開始標志、幀數據和幀結束標志，其中 前導碼用于數據時鐘同步，幀開始標志用于指示數據頭的位置，幀數據用于存儲待發送的 雷達數據，幀結束標志用于指示數據尾的位置;定義數據時鐘同步方法，使得收發數據同 步；
[0013] 步驟二:對數據進行通信編碼，包括以下子步驟：
[0014] 子步驟1):將8比特數據編碼變為10比特數據；
[0015] 子步驟2):將步驟一中的前導碼、幀開始標志和幀結束標志位連同子步驟1)中的 數據組成完整的一幀數據；
[0016] 子步驟3):將完整的一幀數據發送給0_1位寬調整模塊，位寬調整模塊內設有 快時鐘，原單比特數據通過若干倍比特數據表示，按同一數據流方向，調節0或1比特數據相 鄰的1或〇所占的個數，使得〇_1位寬調整模塊的發送端和接收端的信號占空比的比例保持 一致；
[0017]子步驟4):將調整后的數據串并轉化為單比特數據；
[0018] 步驟三:將單比特數據過發射部分中驅動電路放大信號后，通過紅外發射管發射 到空間中；
[0019] 步驟四：紅外接收管接收空間中的單比特數據，并經放大整形電路后將數據信號 傳入紅外通信接口部分；
[0020] 步驟五:對數據信號進行幀頭檢測，完成數據和時鐘的同步；
[0021] 步驟六:將同步后的數據通過串并轉化模塊去掉起始和結束標志，得到10比特數 據；
[0022] 步驟七:將10比特數據進行解碼，最終得到8比特的雷達回波數據。
[0023] 本發明的進一步技術方案是:所述快時鐘為不低于原發送數據率4倍的快時鐘。 [0024]發明效果
[0025]本發明的技術效果在于:本發明解決了隨天線轉動的信處單元和固定不動的雷達 基座間雙向高速通信的問題，在小型化、低成本的雷達設計中可以避免引入昂貴的射頻匯 流環，從而顯著低生產成本，特別是在雷達大批量生產時，可以帶來可觀的經濟效益，同時 雷達功能不受影響。
【附圖說明】
[0026]圖1系統應用環境示意圖 [0027]圖2兩側紅外收發管的相對位置 [0028]圖3短距離紅外無線高速通信系統框圖 [0029]圖4 0_1位寬調整以及效果示意圖
【具體實施方式】
[0030]下面結合具體實施實例，對本發明技術方案進一步說明。
[0031] 本發明解決技術問題的方案是:本系統根據雷達信處單元和雷達基座間數據通信 的特點，提出了一種上下行鏈路速率不對稱的短距離紅外無線高速通信系統。該系統包括 了紅外數據收發板以及自定義的紅外數據通信編碼方法，兩者之間密切配合，實現了信處 單元到雷達基座下行鏈路高達12Mbit/s的傳輸速率以及雷達基座到信處單元上行鏈路的 IMbit/s的傳輸速率。
[0032] 本發明的應用環境如圖1所示，轉動的天線側有一塊紅外收發板位于轉臺上，雷達 基座上也有一塊紅外收發板，兩塊電路板間沒有任何物理連接也沒有任何遮擋，天線側的 紅外發射管和雷達基座側的紅外接收管對應;天線側的紅外接收管和雷達基座測的紅外發 射管對應。
[0033] 考慮到天線側的電路板會隨天線轉動，兩對紅外管之間便不再是靜止直視的關 系，同時考慮到天線側到雷達基座側的數據量大(下行速率要求高），在電路板設計時，如圖 2所示，將天線側紅外發射管置于圓形紅外收發板的圓心位置，紅外接收管置于偏心位置。 這樣做就可以確保在紅外收發板隨天線轉動的時候，處于轉動軸向上的下行鏈路不受影 響，而主要起控制作用的上行鏈路就不能時刻處于直視，但由于上行鏈路速率較低，稍微的 偏離影響不大。
[0034] 本發明的系統框圖如圖3所示，主要包含兩部分:一個是左側的紅外通信接口部分 即通信編碼方法部分，使用verilog硬件描述語言在FPGA中實現;另一個是右側的紅外收發 電路板部分，兩部分相互配合實現短距離的紅外高速通信。上下行鏈路間除了速率不同，在 收發流程以及收發硬件電路上是完全一致的。下面以下行高速鏈路為例，簡述其工作過程： 待發送1024個8bit數據首先經過8b/10b編碼，然后進行幀頭以及數據包的起始終止位的添 加構成完整的數據幀，再進入〇_1位寬調整，最后進入并串轉化模塊，此時的單bit串行數據 流送到紅外收發板的發射部分，經過驅動電路后由紅外發射管發送出去;紅外線接收管將 光信號轉化為電信號后經過放大整形電路得到串行的數據流，送往40bit幀頭檢測模塊，隨 后進入串并轉化以及數據提取的模塊，去掉用于同步的幀頭以及數據包的起始和終止位， 得到待解碼的數據，最后進入l〇b/8b解碼模塊，解碼出天線側信處模塊發來的數據。
[0035] IRDA(紅外數據協會)制定了一系列紅外通信標準，是目前IT和通信行業普遍支持 的近距離無線數據傳輸規范。根據速率的不同其對應的調制方式也不同，依次為3/16調制， 4PPM調制和HHH(1，13)編碼。不論采用哪種調制方法，IRDA規范采用的調制方法都帶來極大 的帶寬浪費，這是出于降低光輻射平均功率的要求，因為小輻射功率對延長發射光源工作 壽命特別重要，能有效提高整機系統的使用壽命。由于本發明中對發射功率沒有明確要求， 而對帶