可变增益自适应带宽的航空无线电抗干扰宽带传输方法
【专利摘要】本发明公开了一种可变增益自适应带宽的航空无线电抗干扰宽带传输方法，通过精心设计帧格式、选用合适的码型，结合了信道估计技术、抗干扰同步技术、扩频通信技术、数字宽带传输及信道均衡技术，针对航空无线信道的特征进行了创新设计，使之具备了较强的抗毁和容错能力、较大的降额设计能力和较高的宽带传输性能。
【专利说明】可变增益自适应带宽的航空无线电抗干扰宽带传输方法
【技术领域】
[0001]本发明属于航空无线电领域的数据链技术，是一种基于FPGA硬件平台的航空无线电抗干扰宽带传输实现方法。
技术背景
[0002]航空无线传输技术一直是航空无线电数据链领域的关键技术之一。虽然民用商用领域的无线数据链技术已经较为成熟，但大多针对以城区环境为代表的Reighly信道设计，且多为地面移动平台，对航空飞行器平台大动态、大尺度特点的应对手段不够，尤其针对航空无人飞行器的遥测遥控数据链，该问题则显得更为突出。在传统的航空无线电数据链系统中，也往往面临着抗干扰能力不够，系统鲁棒性欠缺、降额处理能力缺乏等问题，这对于以Ricean信道为典型模型的航空无线数据链系统而言是亟待解决的重要问题，而对于无人机遥测遥控和通信数据链系统，提高宽带传输性能、增强系统抗干扰能力和降额设计能力对提升无人机系统的可靠性而言则显得更为重要。
【发明内容】
[0003]针对现有技术的不足，本发明的发明目的在于提供一种可变增益自适应带宽的航空无线电抗干扰宽带传输方法，该方法以软件无线电为核心设计思想，通过精心设计帧格式、选用合适的码型，结合了信道估计技术、抗干扰同步技术、扩频通信技术、数字宽带传输及信道均衡技术，使之具备了较强的抗毁和容错能力、较大的降额设计能力和较高的宽带传输性能，具有可变抗干扰增益、自适应传输带宽、链路可靠性高等特点。
[0004]本发明的发明目的通过以下技术方案来实现:
[0005]一种可变增益自适应带宽的航空无线电抗干扰宽带传输方法，包含以下步骤:
[0006]A、在发射端对待发射数据进行编码和组帧，形成1、Q两路数据后进行成型滤波、调制映射；
[0007]其中通信帧的格式为:同步头与训练字段、解模糊与信道估计字段、工作模式字段以及数据包字段；
[0008]所述同步头与训练字段用于提供高增益的定时同步和帧同步、判决反馈信道均衡的时域训练、以及误码统计；
[0009]所述解模糊与信道估计字段用于解相位模糊，以及频域信道估计；
[0010]所述工作模式字段用于根据系统降额策略的输出来表征当前链路的工作模式；
[0011]所述数据包字段包含若干个数据包，每个数据包包含CAZAC复正交序列表征的包头和数据域，数据域中的数据根据工作模式字段的表征，采用TPC编码方式形成信道编码后的数据包或者采用Walsh序列扩频的数据包；
[0012]B、在接收端首先完成模拟中频信号的AD变换、数字下变频、频率跟踪以及匹配滤波，输出经过频率跟踪和未经过频率跟踪的二路数据。
[0013]C、通过对通信帧中的解模糊与信道估计字段的处理完成频域信道估计；[0014]D、根据频域信道估计和上一帧的误码统计结果，决定工作模式字段中的内容，从而完成系统降额切换，并将结果反馈给发射端以确定下一帧通信帧中工作模式字段中的内容；
[0015]E、将经过频率跟踪的数据完成基于内插Gardner的定时环路以及扩频相关峰选点的定时同步，将未经过频率跟踪的数据根据内插Gardner的定时环路完成基于叉积载波环路的载波同步；
[0016]F、根据基于内插Gardner定时环路和扩频相关峰选点的定时同步分别完成基于改进恒模盲均衡的信道均衡；根据叉积载波环路的载波同步以及通信帧中的同步头与训练字段完成基于判决反馈均衡的信道均衡；
[0017]G、依据通信帧中的解模糊与信道估计字段分别完成步骤F中的三路信道均衡后的数据解相位模糊功能并根据通信帧的同步头与训练字段进行误码统计，根据误码统计分别用于支路优选和步骤D中的系统降额切换策略；
[0018]H、根据支路优选的结果对宽带业务数据进行TPC译码；
[0019]1、根据步骤D中的系统降额切换策略的结果以及步骤E中的叉积载波环路的载波同步完成扩频支路的相关解扩和Viterbi译码；
[0020]J、多路选择器根据步骤D中的系统降额切换策略对TPC译码和Viterbi译码进行选择输出。
[0021]优选地，所述步骤A前还包括接口适配环节，将64K?16Mbps或256K?64Mbps两种自适应传输带宽模式下不同速率的信源通过控制读写双口 RAM将不同速率信源异步转同步，变成统一的波特率后进入编码和组帧环节。
[0022]依据上述特征，所述同步头与训练字段采用自相关性能好的PN码序列，序列长度大于数据包最大相关扩频增益的3dB以上；
[0023]所述解模糊与信道估计字段采用CAZAC序列，长度为16bit ;
[0024]所述工作模式字段采用PN码，优选长度为256bit ；
[0025]所述数据包字段中的包头采用8bit CAZAC复正交序列，所述数据域的大小为1、Q各2048bit，根据工作模式字段的表征采用以下模式编码:
[0026]模式一、在非扩频模式下，采用TPC编码方式形成信道编码后的数据包，数据包块大小 4096bit ；
[0027]模式二、在扩频模式下，采用十六进制64位Walsh序列扩频的数据包，每包有效bit 数 256 ；
[0028]模式三、在扩频模式下，采用十六进制128位Walsh序列扩频的数据包，每包有效bit 数 128 ；
[0029]模式四、在扩频模式下，采用十六进制256位Walsh序列扩频的数据包，每包有效bit 数 64 ；
[0030]模块五、在扩频模式下，采用十六进制512位Walsh序列扩频的数据包，每包有效bit 数 32 ；
[0031]模块六、在扩频模式下，采用十六进制1024位Walsh序列扩频的数据包，每包有效bit 数 16。
[0032]优选地，所述步骤A中成型滤波采用根升余弦滤波器加汉明窗处理对符号数据作成型滤波，相关符号长度为3，内插倍数16。
[0033]优选地，所述步骤A中调制映射采用零中频复基带正交调制体制，通过对基带数字信号同相、正交支路作数字成型滤波，完成基带数字域的数字映射功能，通过专用芯片AD9957完成载波调制。
[0034]优选地，所述步骤B中鉴频环节包含以下步骤:
[0035]B.1、FFT前向鉴频:对低通滤波之后的复基带信号进行抽取并做基于FFT的鉴频处理；
[0036]B.2、闭环扫频:根据当前FFT的鉴频处理后信号自相关积累的结果，负反馈控制频率跟踪，纠正剩余频偏，完成频率跟踪。
[0037]优选地，所述步骤C中的频域信道估计包括以下步骤:
[0038]C.1、本地端序列与通信帧的解模糊与信道估计字段中的序列作卷积运算；
[0039]C.2、由卷积运算结果完成信道冲击响应及频域信道响应估计。
[0040]优选地，所述步骤E中的基于内插Gardner的定时环路采用二阶二型环路实现。
[0041]优选地，所述步骤E中的扩频相关峰选点的定时同步包含以下步骤:
[0042]E.1、先由计数器自由计数产生周期定时信号对输入基带信号进行抽样、相关运算；
[0043]E.2将峰值检测状态机计算得到的置位信号及修正比较信息送入定时调整模块，进入修正状态实现定时的触发式调整。
[0044]优选地,所述步骤E中的叉积载波环路的载波同步对基于内插Gardner的定时环路的输出采用二阶二型环路实现叉积载波环路同步。
[0045]本发明的有益效果包括以下四个方面:
[0046](I)具备多模式航空无线数据链业务传输能力，切换平稳、链路不中断将抗干扰通信技术和宽带通信技术有效融合，通过精心设计的帧格式、优选的码型组合，使航空无线数据链兼具“宽带传输”与“抗干扰传输”能力，且模式切换或降额工作时链路平稳切换不中断，这一点对于无人飞行器的遥测遥控数据链路尤为重要。
[0047](2)可有效应对航空无线信道大尺度、大动态等性能需求
[0048]针对航空无线信道的特征和无人飞行器平台遥测遥控的需求特点，创新设计了结合“FFT前向鉴频”和“闭环扫频”两种方式的鉴频器环节、基于“扩频相关峰选点策略”的前向定时环节、Walsh解扩环节、基于DFE和MCMA的时域均衡、基于“信道估计”和“误码率统计”的降额设计策略等多个环节，使得链路应对航空无线信道下大尺度、大动态的能力得到提升。
[0049](3)满足航空无人飞行器遥测遥控各等级Qos业务需求，提高了系统抗毁能力和
可靠性
[0050]通过多支路(如上所述——四支路)在后台同时运行的热备份设计，结合“时域误码率统计”和“频域信道估计”的自适应支路优选策略，可以满足不同航空无线信道环境下(从AWGN信道、到Ricean多径信道、再到干扰信道)遥测遥控数据链各等级Qos的业务应用，有效提升了整个无人飞行器遥测遥控数据链系统的抗毁能力和可靠性。
[0051 ] (4)降低了资源和功耗需求，适合航空机载电子设备使用环境
[0052]通过对多个模块的设计优化，大幅度降低了资源和功耗需求，全部设计仅占硬件平台(一片Stratix III加一片Cyclone III)总体资源的50%,全部功耗仅在4W左右,低资源、低功耗对于航空机载电子设备尤其是无人飞行器的遥测遥控数据链而言有着非常重要的意义。
【专利附图】
【附图说明】
[0053]图1为本发明中发射端IP核实施方案设计原理框图；
[0054]图2为本发明中接收端IP核实施方案设计原理框图；
[0055]图3为本发明中通信帧结构；
[0056]图4为本发明内插Gardner定时同步环路环节设计框图；
[0057]图5为本发明中基于扩频相关峰选点策略的定时环节设计框图；
[0058]图6为本发明中叉积载波环路环节设计框图；
[0059]图7为DFE判决反馈均衡器设计框图。
【具体实施方式】
[0060]下面结合附图对本发明的实施例作详细说明:本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0061]本发明(软核)包括发射端IP核和接收端IP核，如图1所示，发射端IP核包含一个模块一“调制发射模块”，该模块由“接口适配”、“编码(扩频)组帧”、“成型滤波”和“调制映射”等四个环节构成。如图2所示，接收端IP核包含三个模块——“数字前端模块”、“信道估计模块”和“同步解调译码模块”，其中“数字前端模块”由“数字下变频(DDC)”、“低通滤波(LPF)”、“数字鉴频”、“匹配滤波(MF)”等四个环节构成；“信道估计模块”由“频域信道估计”和“降额切换策略”等两个环节构成；“同步解调译码模块”又由以下四个支路构成:
[0062](I) “内插Gardner定时环路”级联“叉积载波环路”级联“DFE均衡器”级联“解相位模糊环节”级联“误码统计环节”级联“支路优选环节”级联“TPC译码环节”等7个环节构成支路一；
[0063](2) “基于扩频相关峰选点策略的定时同步环节”级联“MCMA均衡器”级联“解相位模糊环节”级联“误码统计环节”级联“支路优选环节”级联“TPC译码环节”等6个环节构成支路二；
[0064](3) “内插Gardner定时环路”级联“MCMA均衡器”级联“解相位模糊”级联“误码统计环节”级联“支路优选环节”级联“TPC译码环节”等6个环节构成支路三；
[0065](4) “基于扩频相关峰选点策略的定时同步环节”级联“相关解扩环节”级联“Viterbi译码环节”等3个环节构成支路四。
[0066]接口适配环节:
[0067]如图1所示，本发明可支持64K?16Mbps或256K?64Mbps两种自适应传输带宽模式下(区别仅在时钟配置)不同速率的信源，接口适配环节通过控制读写双口 RAM将不同速率信源“异步转同步”，变成统一的波特率后进入编码(扩频)组帧环节。
[0068]编码组帧环节:[0069]如图1所示，该环节由若干时序或组合逻辑设计构成，针对不同速率信源，完成信道编码、扩频(可选)和组帧，形成1、Q两路数据进入成型滤波环节。
[0070]在本环节中，设计的通信帧结构如图3所示。
[0071]I)同步头与训练字段
[0072]同步头与训练字段用于提供高增益的定时同步和帧同步，使得链路同步具备抗干扰能力，此外还用于DFE信道均衡的时域训练，以及误码率统计。该字段的设计准则是——
[0073].采用自相关性能好的PN码序列
[0074].序列长度(相关同步增益)应至少大于数据包最大相关扩频增益的3dB以上(从而在工程设计上保证能够拿到全部的扩频增益)。
[0075]2)解模糊与信道估计字段
[0076]解模糊与信道估计字段用于解相位模糊(每帧解一次)，可以解决常规无线通信AWGN信道下的相位突跳问题。该字段同时用于频域信道估计，结合“频域信道估计”和“误码统计”结果设计了链路的“降额切换策略”。解模糊与信道估计字段采用16bit的CAZAC序列。
[0077]3)工作模式字段
[0078]通过256bit的PN码来表征当前链路工作模式，链路工作模式的降额切换由接收IP核中的“降额切换策略”控制。
[0079]4)数据包字段
[0080]数据包字段由8bit CAZAC头和1、Q各2048bit的编码(扩频)后信息构成。该段信息的组成方式由当前工作模式确定，包括以下几种:
[0081]模式一、在非扩频模式下，采用TPC编码方式形成信道编码后的数据包，数据包块大小 4096bit ；
[0082]模式二、在扩频模式下，采用十六进制64位Walsh序列扩频的数据包，每包有效bit 数 256 ；
[0083]模式三、在扩频模式下，采用十六进制128位Walsh序列扩频的数据包，每包有效bit 数 128 ；
[0084]模式四、在扩频模式下，采用十六进制256位Walsh序列扩频的数据包，每包有效bit 数 64 ；
[0085]模块五、在扩频模式下，采用十六进制512位Walsh序列扩频的数据包，每包有效bit 数 32 ；
[0086]模块六、在扩频模式下，采用十六进制1024位Walsh序列扩频的数据包，每包有效bit 数 16。
[0087]成型滤波环节:
[0088]采用根升余弦滤波器加汉明窗处理，相关符号长度为3，内插倍数16，带外抑制可达到-60dBc。
[0089]调制映射环节:
[0090]采用零中频复基带正交调制体制。通过对基带数字信号同相、正交支路作数字成型滤波，完成基带数字域的数字映射功能。通过专用芯片AD9957完成载波调制，在降低了数据处理速率的同时，能取得符合要求的调制效果。[0091]数字下变频(DDC)环节:
[0092]数字下变频环节通过复数乘法器实现，目的是将经过带通采样的基带信号(实信号)变成近似零中频(存在载波残余误差)的复信号。接收信号为:
[0093]S (t) = real ((I+jQ) eJwt) = Icoswt-Qsinwt
[0094]与本地参考信号混频后I, Q路信号为:
[0095]
【权利要求】
1.一种可变增益自适应带宽的航空无线电抗干扰宽带传输方法，包含以下步骤: A、在发射端对待发射数据进行编码和组帧，形成1、Q两路数据后进行成型滤波、调制映射； 其中通信帧的格式为:同步头与训练字段、解模糊与信道估计字段、工作模式字段以及数据包字段； 所述同步头与训练字段用于提供高增益的定时同步和帧同步、判决反馈信道均衡的时域训练、以及误码统计； 所述解模糊与信道估计字段用于解相位模糊，以及频域信道估计； 所述工作模式字段用于根据系统降额策略的输出来表征当前链路的工作模式； 所述数据包字段包含若干个数据包，每个数据包包含CAZAC复正交序列表征的包头和数据域，数据域中的数据根据工作模式字段的表征，采用TPC编码方式形成信道编码后的数据包或者采用Walsh序列扩频的数据包； B、在接收端首先完成模拟中频信号的AD变换、数字下变频、频率跟踪以及匹配滤波，输出经过频率跟踪和未经过频率跟踪的二路数据。 C、通过对通信帧中的解模糊与信道估计字段的处理完成频域信道估计； D、根据频域信道估计和上一帧的误码统计结果，决定工作模式字段中的内容，从而完成系统降额切换，并将结果反馈给发射端以确定下一帧通信帧中工作模式字段中的内容； E、将经过频率跟踪的数据完成基于内插Gardner的定时环路以及扩频相关峰选点的定时同步，将未经过频率跟踪的数据根据内插Gardner的定时环路完成基于叉积载波环路的载波同步； F、根据基于内插Gardner定时环路和扩频相关峰选点的定时同步分别完成基于改进恒模盲均衡的信道均衡；根据叉积载波环路的载波同步以及通信帧中的同步头与训练字段完成基于判决反馈均衡的信道均衡； G、依据通信帧中的解模糊与信道估计字段分别完成步骤F中的三路信道均衡后的数据解相位模糊功能并根据通信帧的同步头与训练字段进行误码统计，根据误码统计分别用于支路优选和步骤D中的系统降额切换策略； H、根据支路优选的结果对宽带业务数据进行TPC译码； 1、根据步骤D中的系统降额切换策略的结果以及步骤E中的叉积载波环路的载波同步完成扩频支路的相关解扩和Viterbi译码； J、多路选择器根据步骤D中的系统降额切换策略输出的当前工作模式对TPC译码和Viterbi译码进行选择输出。
2.根据权利要求1所述的航空无线电抗干扰宽带传输方法，其特征在于所述步骤A前还包括接口适配环节，将64K~16Mbps或256K~64Mbps两种自适应传输带宽模式下不同速率的信源通过控制读写双口 RAM将不同速率信源异步转同步，变成统一的波特率后进入编码和组帧环节。
3.根据权利要求1所述的航空无线电抗干扰宽带传输方法，其特征在于所述同步头与训练字段采用自相关性能好的PN码序列，序列长度大于数据包最大相关扩频增益的3dB以上； 所述解模糊与信道估计字段 采用CAZAC序列，长度为16bit ；所述工作模式字段采用PN码，优选长度为256bit ； 所述数据包字段中的包头采用8bit CAZAC复正交序列，所述数据域的大小为1、Q各`2048bit,根据工作模式字段的表征采用以下模式编码: 模式一、在非扩频模式下，采用TPC编码方式形成信道编码后的数据包，数据包块大小`4096bit ； 模式二、在扩频模式下，采用十六进制64位Walsh序列扩频的数据包，每包有效bit数`256 ； 模式三、在扩频模式下，采用十六进制128位Walsh序列扩频的数据包，每包有效bit数 128 ； 模式四、在扩频模式下，采用十六进制256位Walsh序列扩频的数据包，每包有效bit数64 ； 模块五、在扩频模式下，采用十六进制512位Walsh序列扩频的数据包，每包有效bit数32 ； 模块六、在扩频模式下，采用十六进制1024位Walsh序列扩频的数据包，每包有效bit数16。
4.根据权利要求1所述的航空无线电抗干扰宽带传输方法，其特征在于所述步骤A中成型滤波采用根升余弦滤波器加汉明窗处理对符号数据作成型滤波，相关符号长度为3，内插倍数16。
5.根据权利要求1所述的航空无线电抗干扰宽带传输方法，其特征在于所述步骤A中调制映射采用零中频复基带正交调制体制，通过对基带数字信号同相、正交支路作数字成型滤波，完成基带数字域的数字映射功能，通过专用芯片AD9957完成载波调制。
6.根据权利要求1所述的航空无线电抗干扰宽带传输方法，其特征在于所述步骤B中鉴频环节包含以下步骤: B.1、FFT前向鉴频:对低通滤波之后的复基带信号进行抽取并做基于FFT的鉴频处理； B.2、闭环扫频:根据当前FFT的鉴频处理后信号自相关积累的结果，负反馈控制频率跟踪，纠正剩余频偏，完成频率跟踪。
7.根据权利要求1所述的航空无线电抗干扰宽带传输方法，其特征在于所述步骤C中的频域信道估计包括以下步骤: C.1、本地端序列与通信帧的解模糊与信道估计字段中的序列作卷积运算； C.2、由卷积运算结果完成信道冲击响应及频域信道响应估计。
8.根据权利要求1所述的航空无线电抗干扰宽带传输方法，其特征在于所述步骤E中的基于内插Gardner的定时环路采用二阶二型环路实现。
9.根据权利要求1所述的航空无线电抗干扰宽带传输方法，其特征在于所述步骤E中的扩频相关峰选点的定时同步包含以下步骤: E.1、先由计数器自由计数产生周期定时信号对输入基带信号进行抽样、相关运算； E.2将峰值检测状态机计算得到的置位信号及修正比较信息送入定时调整模块，进入修正状态实现定时的触发式调整。
10.根据权利要求1所述的航空无线电抗干扰宽带传输方法，其特征在于所述步骤E中的叉积载波环路的载波同步对基于内插Gardner的定时环路的输出采用二阶二型环路实现叉积载波环路 同步。
【文档编号】H04L27/36GK103763062SQ201410022673
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2014年1月17日 优先权日:2014年1月17日
【发明者】方正, 仇启明, 邹星, 夏高峰, 靳超, 李金喜 申请人:中国航空无线电电子研究所