专利名称：一种基于soc及rfic的微型变速率通信模块及通信方法
技术领域：
本发明涉及一种基于SOC及RFIC的微型变速率通信模块及通信方法，属于航天 应用领域。
背景技术：
小卫星编队飞行是目前国内外研究的一块崭新的领域，多颗小卫星编队飞行， 共同执行空间任务，来完成单颗大卫星完成的任务，可以大大地提高系统的抗干扰性能 和抗摧毁能力。在编队飞行过程中，为了有效地利用每一个小卫星以完成复杂的航天任 务，各个微小卫星间必须建立可靠的通信，通过星间链路使多颗卫星形成可靠的空间通 信网络。目前，为了保证通信的可靠性和有效性，在星间距离较近时有效性高，距离较 远时又能可靠通信，可采用变速率通信方案当星间距离较远时，采用低通信速率进行 通信，星间仅交互状态等少量信息，保证通信的可靠性；当星间距离较近时，需进行编 队飞行，星间信息交互量较大，则进行高码速率通信，保证通信的有效性。对于变速率 通信，目前仅有SURREY大学研制的卫星中，根据仰角改变通信帧的长度进行通信的方 案；由于星间的相对运动导致了多普勒效应从而造成了接收的误码，而目前国内外多采 用发送和接收载波利用锁相环锁相的方式来抑制多普勒效应，设备复杂并且造价昂贵， 不适合应用于微小卫星。发明内容
本发明目的是为了解决现有编队飞行的卫星间通信无法保证可靠性和有效性问 题，提供了一种基于SOC及RFIC的微型变速率通信模块及通信方法。
本发明所述一种基于SOC及RFIC的微型变速率通信模块，它包括低噪声放大 器及功放模块、射频集成电路和SOC处理器，SOC处理器的数据总线与系统总线连接， SOC处理器的射频通信端口与射频集成电路的数据通信端相连，射频集成电路的信号接 收和发射端与低噪声放大器及功放模块和天线相连。
基于上述模块的通信方法作为发射端的通信模块的工作模式为直接模式，并 且对发送数据按曼彻斯特码进行编码，作为接收端的工作模块为直接模式，
发送端的数据发射过程为
根据通信所需码速率及最高码速率计算出每一位的重复次数Ntl，将每一位调制 并发送Ntl次后，再发送下一位，直至整帧数据发送完成；
接收端的数据接收过程为
步骤一、对接收的数据进行解调；
步骤二、对解调后的数据进行预处理；
步骤三、对预处理后的数据进行位同步处理，完成对接收数据的编码，得到与 发送端相同的数据。
本发明的优点设计出信道编码的方案来改变通信的码速率，通过将波形展4宽来降低接收的误码率，同时，接收端多次取平均的方案接收数据，保证了接收的信噪 比，同时采用一种新型数字锁相环使接收数据和时钟锁定在发送端上，可以有效改善多 普勒效应及频率漂移造成的误码。
发送端数据按曼彻斯特码进行编码，由于码间的汉明距离增大了导致了冗余的 增加，从而进一步提高了通信的可靠性。
图1是本发明装置结构示意图2是发送端发送数据编码图3是接收端过程原理框图4是预处理过程原理框图5是时钟再生原理框图6是数据再生原理框图7是发送长0时的错误编码图。
具体实施方式
具体实施方式
一下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述一种基于 SOC及RFIC的微型变速率通信模块，它包括低噪声放大器及功放模块1、射频集成电路 2和SOC处理器3，SOC处理器3的射频通信端口与射频集成电路2的数据通信端相连， 射频集成电路2的信号接收和发射端与低噪声放大器及功放模块1和天线相连。
射频集成电路2(RFIC)由发射模块和接收模块集成，发射模块和接收模块的核 心器件均采用nRFMOl射频芯片。
SOC处理器3的可扩展对外接口包括CAN总线接口、485总线接口、A/D转换接口、D/A转换接口、OC接口及射频通信接口。
本实施方式所述模块应用于星载计算机时，模块中的SOC处理器3的数据总线 与系统总线连接。
具体实施方式
二下面结合图2至图7说明本实施方式，基于实施方式一所述的 一种基于SOC及RFIC的微型变速率通信模块的通信方法，实施方式一提供的基于SOC 及RFIC的微型变速率通信模块是航天器微型通信平台，具有重量小，体积小，高功能密 度，能够适应编队飞行环境的特性，本实施方式提供的方法是利用SOC及RFIC技术，可 根据不同的通信距离选择不同的通信速率；可对多普勒效应及干扰造成的码速率漂移及 错误进行一定的纠正，大大增加通信的可靠性；并具有标准化的通信接口，可快速灵活 地适配不同小卫星，实现面向飞行任务的柔性化集成；具有批量化生产的优势，可以实 现微型航天器研制的低成本和短周期；具有高效的星间通信功能，可以灵活地实现分布 式空间应用，极大地减小了星间通信设备的体积，增强了传统星间通信设备的通信有效 性和可靠性。
作为发射端的通信模块的工作模式为直接模式，并且对发送数据按曼彻斯特码 进行编码，作为接收端的工作模块为直接模式，
发送端的数据发射过程为
根据通信所需码速率及最高码速率计算出每一位的重复次数Ntl，将每一位调制 并发送Ntl次后，再发送下一位，直至整帧数据发送完成；
接收端的数据接收过程为
步骤一、对接收的数据进行解调；
步骤二、对解调后的数据进行预处理；
步骤三、对预处理后的数据进行位同步处理，完成对接收数据的编码，得到与 发送端相同的数据。
在直接模式下通过信道编解码的方式来改变通信的码速率，通过将波形展宽来 降低接收的误码率。
在接收端，需对编码后的数据进行解调、预处理及位同步，得到与发送端相同 的数据。其中，射频信号的解调由nRFMOl芯片自动完成，预处理过程和位同步过程 用于解调后的重复码形式的基带数据的解码及同步，位同步过程包括时钟再生和数据再 生。接收端原理框图如图3所示。
步骤二对解调后的数据进行预处理的过程为
步骤21、按照周期T对解调后的数据进行采样，1 μ GT^lms ；
步骤22、对采样获取的数据平均分为2 5个区；
步骤23、将每个区内的数据取平均值；
步骤Μ、将每个区的平均值数据存储起来，完成预处理过程。
上述预处理过程的原理框图如图4所示，需将解调后的数据按照一定的周期进 行采样，并将采样后的数据按照通信码速率进行分块，将每一比特的时间内采到的数据 均分为三个数据区后将每区数据取平均，将取平均后的3个二进制数移位存入8位移位寄 存器中待后续处理。
步骤三的位同步处理包括时钟再生和数据再生两个过程，时钟再生过程产生的 时钟信号用于数据再生的采样时钟脉冲，
时钟再生过程为
步骤31、对预处理后的数据进行数字滤波处理；
步骤32、对滤波后的数据进行边沿检测；
步骤33、对检测后的数据进行超前/滞后鉴相处理；
步骤34、步骤33鉴相处理后同时输出给加/减沿式低通滤波处理，然后经过压 控振荡器后反馈用于超前/滞后鉴相处理的输入信号；同时，鉴相处理后形成的时钟脉 冲用于数据再生的采样时钟脉冲；
时钟再生模块使接收端本地时钟锁定在输入时钟上，使收发频率有偏差或有多 普勒频移时接收机仍可保持与发射机同步。时钟再生模块由数字低通滤波器、边沿检测 模块及数字锁相环组成，原理框图如图5所示。
步骤31中数字滤波处理采用3位的平滑滤波器完成。对预处理后8位寄存器中 的数据进行滤波，并对滤波后的数据进行边沿检测，得到数据的跳变点，用跳变点来调 整本地时钟。
超前/滞后鉴相、加/减沿式低通滤波和压控振荡共同组成了数字锁相环，超前 /滞后鉴相采用鉴相器完成，加/减沿式低通滤波采用低通滤波器完成，压控振荡采用压6控振荡器(DCO)完成；
数字锁相环完成时钟同步的工作过程为鉴相器判断数据跳变点与本地时钟的 相位差是否大于η，若大于，则经过低通滤波器后输出控制信号使压控振荡器时钟超前 2 π/3，否则控制压控振荡器时钟滞后2 π/3，使本地压控振荡器时锁定在输入信号相位 上，完成时钟的同步。
数据再生过程为
按照时钟再生生成的采样时钟脉冲对预处理后的数据进行采样，采样的原则 为对预处理后8位寄存器中间三位数据取平均值，作为再生后的数据。如图6所示。
对于0-1跳变的信号来说，纠正效果最好，参见图7，当数据中存在长0和长1 的时候，产生频率漂移时会产生错误，见图8，当发送15个0时，接收到的数据始终为 00000000,所以会判决为0，移动3位，会判决成20个0，这样就会发生错误。
为了避免发送的数据中出现长0和长1，我们采用编码的方法将数据编为曼彻斯 特码，即0编为01，1编为10，这样每一比特信号自身就会产生跳变，避免了发送长0和 长1的情况，不但可以解决上述问题，而且由于码间的汉明距离增大了导致了冗余的增 加，从而进一步提高了通信的可靠性。
权利要求
1.一种基于SOC及RFIC的微型变速率通信模块，其特征在于，它包括低噪声放大器 及功放模块⑴、射频集成电路⑵和SOC处理器⑶，SOC处理器⑶的射频通信端口 与射频集成电路(2)的数据通信端相连，射频集成电路(2)的信号接收和发射端与低噪声 放大器及功放模块(1)和天线相连。
2.根据权利要求1所述的一种基于SOC及RFIC的微型变速率通信模块，其特征在 于，SOC处理器(3)采用C8051F040型号单片机。
3.根据权利要求1所述的一种基于SOC及RFIC的微型变速率通信模块，其特征在 于，射频集成电路(2)由发射模块和接收模块集成，发射模块和接收模块的核心器件均 采用nRF2401射频芯片。
4.根据权利要求1所述的一种基于SOC及RFIC的微型变速率通信模块，其特征在 于，SOC处理器(3)的可扩展对外接口包括CAN总线接口、485总线接口、A/D转换接 口、D/A转换接口、OC接口及射频通信接口。
5.基于权利要求1所述的一种基于SOC及RFIC的微型变速率通信模块的通信方法， 其特征在于，作为发射端的通信模块的工作模式为直接模式，并且对发送数据按曼彻斯 特码进行编码，作为接收端的工作模块为直接模式，发送端的数据发射过程为根据通信所需码速率及最高码速率计算出每一位的重复次数Ntl，将每一位调制并发 送Ntl次后，再发送下一位，直至整帧数据发送完成； 接收端的数据接收过程为 步骤一、对接收的数据进行解调； 步骤二、对解调后的数据进行预处理；步骤三、对预处理后的数据进行位同步处理，完成对接收数据的编码，得到与发送 端相同的数据。
6.根据权利要求5所述的一种基于SOC及RFIC的微型变速率通信方法，其特征在 于，步骤二对解调后的数据进行预处理的过程为步骤21、按照周期T对解调后的数据进行采样，1 μ KT^lms; 步骤22、对采样获取的数据平均分为2 5个区； 步骤23、将每个区内的数据取平均值； 步骤24、将每个区的平均值数据存储起来，完成预处理过程。
7.根据权利要求5所述的一种基于SOC及RFIC的微型变速率通信方法，其特征在 于，步骤三的位同步处理包括时钟再生和数据再生两个过程，时钟再过程产生的时钟信 号用于数据再生的采样时钟脉冲，时钟再生过程为步骤31、对预处理后的数据进行数字滤波处理；步骤32、对滤波后的数据进行边沿检测；步骤33、对检测后的数据进行超前/滞后鉴相处理；步骤34、步骤33鉴相处理后同时输出给加/减沿式低通滤波处理，然后经过压控振 荡器后反馈用于超前/滞后鉴相处理的输入信号；同时，鉴相处理后形成的时钟脉冲用 于数据再生的采样时钟脉冲；数据再生过程为按照时钟再生生成的采样时钟脉冲对预处理后的数据进行采样，采样的原则为对 预处理后8位寄存器中间三位数据取平均值，作为再生后的数据。
8.根据权利要求7所述的一种基于SOC及RFIC的微型变速率通信方法，其特征在 于，步骤31中数字滤波处理采用3位的平滑滤波器完成。
9.根据权利要求7所述的一种基于SOC及RFIC的微型变速率通信方法，其特征在 于，超前/滞后鉴相、加/减沿式低通滤波和压控振荡共同组成了数字锁相环，超前/滞 后鉴相采用鉴相器完成，加/减沿式低通滤波采用低通滤波器完成，压控振荡采用压控 振荡器完成；数字锁相环完成时钟同步的工作过程为鉴相器判断数据跳变点与本地时钟的相 位差是否大于n，若大于，则经过低通滤波器后输出控制信号使压控振荡器时钟超前 2 π/3，否则控制压控振荡器时钟滞后2 π/3，使本地压控振荡器时锁定在输入信号相位 上，完成时钟的同步。
全文摘要
一种基于SOC及RFIC的微型变速率通信模块及通信方法，属于航天应用领域，本发明为解决现有编队飞行的卫星间通信无法保证可靠性和有效性问题。本发明所述变速率通信模块包括低噪声放大器及功放模块、射频集成电路和SOC处理器。基于上述模块的通信方法作为发射端的通信模块的工作模式为直接模式，并且对发送数据按曼彻斯特码进行编码，作为接收端的工作模块为直接模式，发送端的数据发射过程为根据通信所需码速率及最高码速率计算出每一位的重复次数N0，将每一位调制并发送N0次后，再发送下一位，直至整帧数据发送完成；接收端的数据接收过程为解调；预处理；位同步，得到与发送端相同的数据。
文档编号H04L1/00GK102025452SQ20101059119
公开日2011年4月20日 申请日期2010年12月16日 优先权日2010年12月16日
发明者徐国栋, 施梨, 曹星慧, 李化义, 董立珉 申请人:哈尔滨工业大学