Tdma+tdd制式高速图传系统及通信控制方法和工作方法
【专利摘要】本发明提供了一种TDMA+TDD制式高速图传系统及通信控制方法和工作方法，该图传系统采用模块化硬件结构设计，实现小体积、高集成度、多功能的需要，是一套高性能、高速率传输数据信号的无线传输系统。该系统集高质量的图像（包含视频、图片）和其他数据业务于一体，按照特定的消息格式和通信协议，实时传输数据信息与视频图像信息，电台具有TDMA+TDD的双向通信能力，同一套设备同时支持视频（可见光、红外）、图片、SAR信号的下行传输，也支持反向测控数据等低速数据业务的上行传输，同时支持一对多，多对多的视频信号传输，频谱利用率高，从而更加满足日新月异当前航天通信需要。
【专利说明】TDMA+TDD制式高速图传系统及通信控制方法和工作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种高速图传系统及通信控制方法和工作方法，特别是涉及一种基于TDMA+TDD制式的高速图传系统及通信控制方法和工作方法。
【背景技术】
[0002]航空电子技术的发展，尤其是无人侦察机、无人攻击机、战斗机的发展，使得高速图像传输技术得到了极大发展，地面操作人员的大多数指控行为均是根据回传的高清实时视频图像来做出判断。所以说，高速图传通信系统是无人机或其它无人飞行器的眼睛。
[0003]图像、话音、数据业务的双向传输是高速图传通信系统(以下简称图传系统)的关键技术。现有图传系统大多数只支持单向视频数据流传输，或者依靠频分双工(FrequencyDivision Duplexing, FDD)制式实现视频、数据的双向传输,频谱利用率与天线利用率较低。以一个简单的双发单收系统为例，发送方需要4根天线(2发送，2根接收)，接收方也需要4根天线才能完成该系统的双向通信。此类图传系统硬件复杂、成本较高，同时频谱利用率较低，只能实现点对点通信。
【发明内容】
[0004]本发明要解决的技术问题是提供一种TDMA+TDD制式高速图传系统及通信控制方法和工作方法，从而实现在一个信道上的图像、数据业务的双工传输。该技术区别于其他图像传输设备只支持单向、单个视频传输，或者只依靠FDD采用双天线，只能实现点对点通信的方式来满足双向、组网通信需求的缺陷。
[0005]本发明采用的技术方案如下:一种TDMA+TDD制式高速图传系统，其特征在于:包括分别与机载天线I及摄像机4相连的图传机载电台3，和分别与地面站天线2和监视器6相连的图传地面站电台5，图传机载电台3与图传地面站电台5通过机载天线I和地面站天线2完成相互通讯。
[0006]作为优选，所述图传机载电台3包括第一中频模块和第一射频模块；所述第一中频模块包括第一电源底板311、第一图像处理板312和第一 FPGA信号处理板313 ;所述第一射频模块包括第一接收机模块321、第一频综模块322和第一功放模块323 ;所述摄像机4、第一图像处理模板312、第一 FPGA信号处理板313、第一接收机模块321、第一功放模块323和机载天线I依次相连；所述第一频综模块322分别与第一收机模块321和第一功放模块323相连。
[0007]作为优选，所述图传地面站电台5包括第二中频模块和第二射频模块；所述第二中频模块包括第二电源板511、第二图像处理板512和第二 FPGA信号处理板513 ;所述第二射频模块包括第二接收机模块521、第二频综模块522和第二功放模块523 ;所述地面站天线2、第二功放模块523、第二接收机模块521、第二 FPGA信号处理板513、第二图像处理板512和监视器6依次相连；所述第二频综模块522与第二功放模块523和第二接收机模块521分别相连。[0008]作为优选，基于上述系统的通信控制方法，所述图传机载电台3为从机，图传地面站电台5为主机，主机和从机通信的具体控制方法为:上下行通信由TDMA+TDD协议来控制，传输时间以时隙来分配，将上下行帧结构设计为固定时隙，电台发送信息在固定时隙里发送数据；在给定时隙内发送的有效数据长度依据包长确定，无效数据为全O。
[0009]作为优选，主机与从机发送数据的帧结构为:保护位I帧头I包长I数据I保护位。
[0010]基于上述控制方法的通信工作方法，具体方法步骤为:步骤一、上电后，主机在规定的时隙时间内，发送已知的同步头与控制信息，且数据发送完毕后，立即切换至接收状态；步骤二、从机开机后，不断搜索主机发送的同步头，如果检测到同步头则进入下一步，否则一直处于接收状态；步骤三、从机对控制信息进行解调并判断循环周期计算值Cnt是否达到设定帧数阈值，是则进入下一步，否则继续数据传输；步骤四、从机转入复位状态，进入下一巾贞的数据传输。
[0011 ] 作为优选，所述收发状态通过PTT控制，当PTT为高电平I时，主机处于发射状态，从机处于接收状态；而PTT为低电平O时，主机处于接收状态，从机处于发射状态。
[0012]作为优选，主机与从机采用不同的调制方式。
[0013]作为优选，主机与从机处于发射状态时，皆包含空闲、发送帧头、发送数据和发送保护数据四个状态。
[0014]作为优选，下行采用DQPSK调制，码率3Mbit/s，上行采用MSK调制，码率60kbit/s ;单个时隙长度为8962.16ms,其中，机载台单次发送的时隙长度为16.5ms,地面台发送同步码与控制命令的时隙为0.16ms，单向空中传输延迟1ms。
[0015]与现有技术相比，本发明的有益效果是:硬件结构体积小，集成度高，频谱利用率高，满足多功能需求；采用TDMA+TDD制式的时分双工通信传输方式，同一套设备同时支持视频(可见光、红外)、图片、SAR信号的下行传输，也支持反向测控数据等低速数据业务的上行传输，能同时满足双向点对点、组网通信，从而更加满足日新月异当前航天通信需要。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1为本发明结构示意图。
[0017]图2为本发明其中一实施例的图传机载电台结构示意图。
[0018]图3为图2所示实施例的图传地面站电台结构示意图。
[0019]图4为本发明主机、从机通信帧结构示意图。
[0020]图5为本发明主机、从机通信工作流程图。
[0021]图6为主机发射状态控制及转移图。
[0022]图7为从机发射状态控制及转移图。
【具体实施方式】
[0023]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0024]本说明书中公开的所有特征，除了互相排除的特征以外，均可以以任何方式组合。[0025]本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或者具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
[0026]本发明针对高速信号(Mbps级)的时分双工(TDD)技术和时分多址(TDMA)技术，实现图像、数据业务的双工传输和组网通信。该系统只采用一个天线、一套收发机、在一个频点上即可实现数据、图像的双工组网通信。
[0027]如图1所示，一种TDMA+TDD制式高速图传系统，包括分别与机载天线I及摄像机4相连的图传机载电台3，和分别与地面站天线2和监视器6相连的图传地面站电台5，图传机载电台3与图传地面站电台5通过机载天线I和地面站天线2完成相互通讯。
[0028]从硬件复杂度和系统稳定性考虑，图传系统中频、基带信号处理模块改用单片、低功耗FPGA实现。其中图传机载电台3与图传地面站电台5通过TDMA+TDD制式实现图像与指控信息上下行组网通信传输。下行主要用于传输视频、图片等信息给地面站，上行用于指控命令等低速数据业务的传送，从而实现地空间的双向组网通信。
[0029]如图1所示，本发明所述系统有两种工作模式，分别为点对点通信和组网通信。该系统下行主要用于传输视频、图片等信息给地面站，上行用于指控命令等低速数据业务的传送。电台有两种工作状态:接收和发射。在本具体实施例中:接收时，对天线信号进行接收解调处理，恢复出相应格式的基带比特流数据或视频流，并将该数据送至计算机或监视器进行显示；发射时，将待发送数据进行调制，产生450MHz射频信号经天线发射出去。
[0030]发射工作状态时，如图2所示，所述图传机载电台3包括第一中频模块和第一射频模块；所述第一中频模块包括第一电源底板311、第一图像处理板312和第一 FPGA信号处理板313 ;所述第一射频模块包括第一接收机模块321、第一频综模块322和第一功放模块323 ;所述摄像机4、第一图像处理模板312、第一 FPGA信号处理板313、第一接收机模块321、第一功放模块323和机载天线I依次相连；所述第一频综模块322分别与第一收机模块321和第一功放模块323相连。
[0031]在本具体实施例中，来自(XD(摄像机4)的音视频信号与串口的控制命令送入第一图像处理板312，该组件对视频信号进行AD采样、压缩、组帧、优化处理后传输到第一 FPGA信号处理板313 ;第一FPGA信号处理板313对压缩后的视频信号进行调制，产生70MHz中频信号；已调制的发射中频信号在第一接收机模块321内上变频到相应工作频率(450MHz)，并传输到第一功放模块323 ;第一功放模块323对该信号进行放大和滤波处理后通过第一收发天线I发射出去；第一频综模块322产生本振频率信号给第一接收机模块321和第一功放模块323。
[0032]接收工作状态时，如图3所示，所述图传地面站电台5包括第二中频模块和第二射频模块；所述第二中频模块包括第二电源板511、第二图像处理板512和第二 FPGA信号处理板513 ;所述第二射频模块包括第二接收机模块521、第二频综模块522和第二功放模块523 ;所述地面站天线2、第二功放模块523、第二接收机模块521、第二 FPGA信号处理板513、第二图像处理板512和监视器6依次相连；所述第二频综模块522与第二功放模块523和第二接收机模块521分别相连。
[0033]在本具体实施例中，外部信号通过地面站天线2传输到第二功放模块523，经收发开关后送到第二接收机模块521 ;第二接收机模块521对接收信号进行选频放大后，与第二频综模块522产生的本振信号混频，进行下变频处理，然后输出接收的70MHz中频信号；该中频信号送到第二 FPGA信号处理板513进行AD采样、解调处理；解调输出的基带数据送入DSP第二图像处理板512进行解压缩，恢复为图像格式，送入监视器6显示。
[0034]图传机载电台3与图传地面站电台5均由中频模块与射频模块两大部分组成。其中中频模块内部集成了电源底板、FPGA信号处理板和图像处理板，射频模块内部集成了接收机模块、频综模块和功放模块。
[0035]且该系统图像处理模块不仅提供一路BNC (复合视频)输入输出接口，而且提供一个串口和一个网口。通过网口直接输出至上位机，实时显示两幅图像及控制信息。
[0036]电源板提供射频模块68芯接口、中频板连接接口、外部电源与控制盒输入接口、同时输出电台各模块所需电压(包含+5V，+12V，+27V)。
[0037]FPGA信号处理板实现QPSK、MSK调制解调、数字上下变频、A/D、D/A、TDMA上层协议、图像处理SPI接口协议、图像处理板5V供电等。
[0038]图像处理板完成图像视频信号的A/D、D/A转换、视频压缩、FPGA信号处理板SPI接口、解压缩、外部数据RS232通信接口、RJ45网口。
[0039]接收机模块接收状态下，产生中频70MHz输出信号；发射状态下，处理FPGA板产生的70MHz中频信号，产生发射激励信号。
[0040]频综模块生成基准频率信号，产生本振频率信号。
[0041]功放模块完成收/发切换、对激励信号进行功率放大。
[0042]如图4所示，图传系统的上下行通信由TDMA+TDD协议来控制，电台发送信息按时间进行循环。
[0043]所述图传机载电台3为从机，图传地面站电台5为主机，主机和从机通信的具体控制方法为:上下行通信由TDMA+TDD协议来控制，传输时间以时隙来分配，为避免主机与从机通信冲突，将上下行帧结构设计为固定时隙，电台发送信息在固定时隙里发送数据，同时，机载电台可以与地面电台进行双向通信；在给定时隙内发送的有效数据长度依据包长确定，无效数据为全O。
[0044]主机与从机发送数据的帧结构为:保护位I帧头I包长I数据I保护位。
[0045]如图5所示，基于上述控制方法的通信工作方法，具体方法步骤为步骤一、上电后，主机在规定的时隙时间内，发送已知的同步头与控制信息，且数据发送完毕后，立即切换至接收状态；步骤二、从机开机后，不断搜索主机发送的同步头，如果检测到同步头则进入下一步，否则一直处于接收状态；步骤三、从机对控制信息进行解调并判断循环周期计算值cnt是否达到设定帧数阈值，是则进入下一步，否则继续数据传输；步骤四、从机转入复位状态，进入下一帧的数据传输。
[0046]在本具体实施例中，所述的设定的阈值为255。
[0047]主机与从机都存在发送和接收数据两种状态，当主机处于发送状态时，从机处于接收状态；当从机处于发送状态时，主机处于接收状态。
[0048]所述收发状态通过PTT控制，当PTT为高电平I时，主机处于发射状态，从机处于接收状态；而PTT为低电平O时，主机处于接收状态，从机处于发射状态。
[0049]考虑到图像信息为突发数据，且数据量较大，因此时隙划分时图像信息将占用大部分时隙，上下行采用不同的调制方式。在本具体实施例中，下行采用DQPSK调制，码率3Mbit/s，上行采用MSK调制，码率60kbit/s。同时，上下行采用不同的调制方式，有效利用了 TDMA时隙。
[0050]如图6和图7所示，主机与从机处于发射状态时，皆包含空闲、发送帧头、发送数据和发送保护数据(IDLE、SEND_HD、SEND_DATA、SEND_GUA)四个状态。主机状态通过时钟频率为3Mbit/s的计数器控制,从机通过频率为600kbit/s的计数器控制,各状态下方为对应的计数值。
[0051]在本具体实施例中的时隙设计中，单个时隙长度为8962.16ms，其中，机载台单次发送的时隙长度为16.5ms，地面台发送同步码与控制命令的时隙为0.16ms，单向空中传输延迟1ms。
[0052]采用TDMA+TDD技术，地面图传电台不仅能接收来自于空中的下行视频信号，还能反向传输上行指控命令，实现对无人机飞行器的控制。TDMA技术的采用，使得无人机与地面指挥车既可实现I对I点对点通信，也可I对多、多对多的组网通信。而不管系统内存在多少台设备，单个设备只需要配备一副天线在一个频率上即可实现双向、组网通信，解决了频谱利用率与天线利用率较低的问题。
【权利要求】
1.一种TDMA+TDD制式高速图传系统，其特征在于:包括分别与机载天线(I)及摄像机(4)相连的图传机载电台(3)，和分别与地面站天线(2)和监视器(6)相连的图传地面站电台(5),图传机载电台(3)与图传地面站电台(5)通过机载天线(I)和地面站天线(2)完成相互通讯。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于:所述图传机载电台(3)包括第一中频模块和第一射频模块；所述第一中频模块包括第一电源底板(311)、第一图像处理板(312)和第一 FPGA信号处理板(313);所述第一射频模块包括第一接收机模块(321)、第一频综模块(322)和第一功放模块(323);所述摄像机(4)、第一图像处理模板(312)、第一 FPGA信号处理板(313)、第一接收机模块(321)、第一功放模块(323)和机载天线(I)依次相连；所述第一频综模块(322)分别与第一接收机模块(321)和第一功放模块(323)相连。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于:所述图传地面站电台(5)包括第二中频模块和第二射频模块；所述第二中频模块包括第二电源板(511)、第二图像处理板(512)和第二 FPGA信号处理板(513);所述第二射频模块包括第二接收机模块(521)、第二频综模块(522)和第二功放模块(523);所述地面站天线(2)、第二功放模块(523)、第二接收机机模块(521)、第二 FPGA信号处理板(513)、第二图像处理板(512)和监视器(6)依次相连；所述第二频综模块(522)与第二功放模块(523)和第二接收机机模块(521)分别相连。
4.基于权利要求1所述系统的通信控制方法，所述图传机载电台(3)为从机，图传地面站电台(5)为主机，主机和从机通信的具体控制方法为:上下行通信由TDMA+TDD协议来控制，传输时间以时隙来分配，将上下行帧结构设计为固定时隙，电台发送信息在固定时隙里发送数据；在给定时隙内发送的有效数据长度依据包长确定，无效数据为全O。
5.根据权利要求4所述的方法，主机与从机发送数据的帧结构为:保护位I帧头I包长I数据I保护位。
6.基于权利要求5所述的控制方法的通信工作方法，具体方法步骤为:步骤一、上电后，主机在规定的时隙时间内，发送已知的同步头与控制信息，且数据发送完毕后，立即切换至接收状态；步骤二、从机开机后，不断搜索主机发送的同步头，如果检测到同步头则进入下一步，否则一直处于接收状态；步骤三、从机对控制信息进行解调并判断循环周期计算值cnt是否达到设定帧数阈值，是则进入下一步，否则继续数据传输；步骤四、从机转入复位状态，进入下一帧的数据传输。
7.根据权利要求6所述的方法，所述收发状态通过PTT控制，当PTT为高电平I时，主机处于发射状态，从机处于接收状态；而PTT为低电平O时，主机处于接收状态，从机处于发射状态。
8.根据权利要求6所述的方法，主机与从机采用不同的调制方式。
9.根据权利要求8所述的方法，主机与从机处于发射状态时，皆包含空闲、发送帧头、发送数据和发送保护数据四个状态。
10.根据权利要求9所述的方法，下行采用DQPSK调制，码率3Mbit/s，上行采用MSK调制，码率60kbit/s ;单个时隙长度为8962.16ms，其中，机载台单次发送的时隙长度为16.5ms,地面台发送同步码与控制命令的时隙为0.16ms,单向空中传输延迟1ms。
【文档编号】H04N7/18GK103501424SQ201310440323
【公开日】2014年1月8日 申请日期:2013年9月25日 优先权日:2013年9月25日
【发明者】王娟, 苏莹, 程皓, 万潜韬, 胡文 申请人:成都航天通信设备有限责任公司