发明内容
本发明的目的是提供一种在大动态极低信噪比下实现可靠通信,并能依据信道环境自适应调整通信模式的多模式自适应直扩通信***。
1.多模式自适应直扩通信***发送端的方法包括以下步骤:
1)将数据送入串并变换模块,BPSK模式I路数据流按照串行进入,Q路补0;QPSK模式将数据流分成并行两路,对于前后两比特数据前一比特送I路,后一比特送Q路发送;
2)自适应模式选择模块在初始阶段根据默认高扩频比模式给出帧信息,在***运行中则根据回传模式切换信息或者业务需求给出帧信息,并将其分解成相应模式切换信号输出给多扩频比扩频模块;
3)成帧模块接收自适应模式选择模块给出帧信息,将其组成帧信息字段完成成帧;
4)根据自适应模式选择模块给出的模式切换信号,多扩频比扩频模块对成帧模块的输出进行指定模式扩频;
5)将扩频后信号进行上变频,并送入信道发送。
2.多模式自适应直扩通信***接收端的方法包括以下步骤:
1)接收来自信道信号,对其进行模数变换、下变频产生同相(I路)和正交(Q路)信号,送给捕获模块和多扩频比跟踪模块处理;
2)根据***复位模块给出的***复位信号,启动或者重启捕获模块,当捕获最大值超过自适应门限,则在相应时刻启动并转入多扩频比跟踪模块;
3)根据捕获模块给出的跟踪启动信号,启动多扩频比跟踪模块,进行单符号累加,并给出符号周期指示信号;
4)根据多扩频比跟踪模块给出的符号周期指示信号,启动解调模块,对单符号累加和进行参数估计、分隔符检测、锁相输出等解调流程,最后输出接收数据;
5)***复位模块接收来自捕获模块的捕获错误信号、来自解调模块的分隔符检测错误信号以及来自比特成帧模块的接收完毕信号,产生***复位信号,重启捕获;
6)模式切换模块接收来自比特成帧模块的帧信息控制信号,指挥多扩频比跟踪模块和解调模块,使其在数据接收阶段转入相应模式和速率;
7)信噪比估计模块接收来自解调模块的锁相输出数据,对其进行信噪比估计,根据设定的模式选择门限选择一定发送模式,形成模式信息送基带发送模块发送。
3.自适应模式选择模块的方法包括以下步骤:
1)回传模式切换信息输入;
2)业务需求信息输入;
3)根据以上两种输入信息由帧信息组织模块将其组成帧信息,并输出给成帧模块;
4)发送帧数计数模块根据帧数配置输入信息对发送帧数进行计数,完成发送帧数之后则停止发送,等待接收回传模式切换信息。
5)模式切换信号产生模块接收帧信息组织模块输出的帧信息,并将其转换成相应模式切换信号输出给多扩频比扩频模块,控制扩频发送。
4.自适应多扩频比跟踪模块的方法包括以下步骤:
1)接收来自下变频的数据输入;
2)根据模式切换模块输出的速率切换信号,选择高中低扩频比单符号累加器和高中低扩频比码产生器对信号解扩;
3)高中低扩频比单符号累加器将下变频输入数据但符号累加输出;
4)码片误差提取模块根据单符号累加器输出,计算产生码片误差;
5)环路滤波模块接收码片误差信号,对其进行滤波器并输出控制信号,控制高中低扩频比码产生器进行码片步进。
5.信噪比估计模块的方法包括以下步骤:
1)接收来解调模块的解调锁相输出信号;
2)根据BPSK/QPSK模式选择信号,符号均值计算模块对固定象限符号统计其均值;
3)根据BPSK/QPSK模式选择信号和符号均值输出信号,符号方差计算模块对固定象限符号统计其方差;
4)信噪比计算模块根据信号均值方差输出,计算接收信号信噪比,并将其减去当前信号扩频增益,恢复出接收信号的信噪比并输出;
5)传送模式判决模块根据接收信号的信噪比输出信号,将其与设定好的模式选择门限比较,确定最佳的发送模式,并将其组成模式切换信息送基带发送模块发送。
多模式自适应直扩通信***发送端电路连接关系如下:串并变换模块与成帧模块、多扩频比扩频模块相接;基带接收模块与自适应模式选择模块、成帧模块相接;基带接收模块与自适应模式选择模块、多扩频比扩频模块相接。
多模式自适应直扩通信***接收端电路连接关系如下:捕获模块与***复位模块、多扩频比跟踪模块相接;多扩频比跟踪模块与解调模块、比特成帧模块、输出缓存模块相接;***复位模块与捕获模块、解调模块和比特成帧模块相接;模式切换模块与多扩频比跟踪模块、解调模块、比特成帧模块相接;解调模块与信噪比估计模块、基带发送模块相接。
自适应模式选择模块电路连接关系如下:发送帧数计数模块与帧信息组织模块、模式切换信号产生模块相接。
多扩频比跟踪模块电路连接关系如下:高扩频比单符号累加器与高扩频比码产生器、模式切换模块相接;中扩频比单符号累加器与中扩频比码产生器、模式切换模块相接;低扩频比单符号累加器与低扩频比码产生器、模式切换模块相接;码片误差提取模块与环路滤波模块、高扩频比码产生器相接;码片误差提取模块与环路滤波模块、中扩频比码产生器相接;码片误差提取模块与环路滤波模块、低扩频比码产生器相接。
信噪比估计模块电路连接关系如下:符号均值计算模块与符号方差计算模块、信噪比计算模块、传送模式判决模块相接。
本发明具有的有益效果包括以下几个方面:
1)提出了一种大动态极低信噪比条件下,实现语音和数据传输的方法和装置,具体在实施例中,选择高扩频比时扩频增益为18dB条件下,根据BPSK/QPSK两种不同调制方式,分别实现了在-13/-11dB信噪比下无误码接收;
2)对传统固定扩频比直扩***进行了自适应改进,增加了发送端多扩频比扩频模块和自适应模式选择模块、接收端信噪比估计模块和多扩频比跟踪模块使得接收端能将最合适的传送模式回传至发送端,自适应调整发送模式。这一方法极大改善了直扩通信***对不同信道的适应能力,提高了***吞吐量。
3)采用了由帧信息控制的多模式切换方法,实现了多种模式(BPSK/QPSK),多种扩频比条件下数据的自适应接收。
具体实施方式
本发明实现了多模式自适应直扩通信***收发装置。***多模式自适应功能实现,是依靠发送端多扩频比扩频模块、自适应模式选择模块、接收端信噪比估计模块、多扩频比跟踪模块联合控制实现的。本发明中扩频比分高中低三档,扩频倍数分别是63、31和15倍,对应的***符号率分别是80k、160k和320k。本发明中所有模块方法均在Altera公司的EP2S90F1020C5型号的FPGA芯片中实现。***采样时钟25.6MHz、扩频码片率高中低分别是5.04MHz、4.96MHz、4.80MHz。其中捕获模块采用匹配滤波器捕获的一般算法,这里不做赘述,解调模块也采用传统的BPSK、QPSK的锁相解调方法的算法。本发明还通过***复位模块,实现了在捕获错误,信息解调错误以及解调完毕等状态下重启捕获的机制,为***快速、准确捕捉空间信号提供了保障。
如图1所示,多模式自适应直扩通信方法帧结构由扩频前导101、参数估计辅助前导102、分隔符103、帧信息104和传送数据105共五部分组成。其中扩频前导部分发送全1符号,参数估计辅助前导字段是0、1间隔符号用于解调频偏、相偏估计,分隔符采用相关性优良的巴克码序列,帧信息字段包括调制模式、速率、帧长以及模式选择回传启动信息位,以上字段均采用BPSK调制,高扩频比的扩频方式;传送数据字段则可以选择BPSK或QPSK两种调制方式,高中低三种扩频方式发送。
如图2所示,多模式自适应直扩通信***发送端电路连接关系如下:串并变换模块201与成帧模块202、多扩频比扩频模块相接203;基带接收模块204与自适应模式选择模块205、成帧模块相接;基带接收模块204与自适应模式选择模块205、多扩频比扩频模块相接203。
在实施例中,多模式自适应直扩通信***发送端具体实施方式如下:将数据送入串并变换模块201,BPSK模式I路数据流按照串行进入,Q路补0,QPSK模式将数据流分成并行两路,对于前后两比特数据前一比特送I路,后一比特送Q路发送;自适应模式选择模块205接收来自基带接收模块204的回传模式切换信息,并将其组成帧结构中的帧信息104字段,同时将回传模式切换信息转换成模式切换信号送给成帧模块202和多扩频比扩频模块203;将串并后的数据送入成帧模块202,添加辅助前导,并加入帧信息104字段;多扩频比扩频模块203根据自适应模式选择模块205给出的模式切换信号,决定不同扩频比模式发送;最后将扩频后数据上变频送入信道发送。
如图3所示,多模式自适应直扩通信***接收端电路连接关系如下:捕获模块301与跟踪模块302、***复位模块306相接;跟踪模块302与解调模块303、比特成帧模块304、输出缓存模块305相接;***复位模块306与捕获模块301、解调模块303和比特成帧模块304相接;模式切换模块307与跟踪模块302、解调模块303、比特成帧模块304相接;解调模块303与信噪比估计模块308、基带发送模块309相接。
在实施例中,多模式自适应直扩通信***接收端具体实施方式如下:接收来自信道模块的基带模拟信号,对其采样输出I、Q两路数字信号;捕获模块301接收采样输出的I、Q两路数字信号对其进行捕获,如果捕获成功则输出跟踪启动信号,启动多扩频比跟踪模块302,否则输出捕获错误信号给***复位模块306,由其产生复位信号重启捕获;多扩频比跟踪模块302接收跟踪启动信号并启动跟踪,对采样输出的I、Q两路信号进行码片跟踪,并输出单符号固定满幅累加和以及符号周期翻转信号;解调模块303接收来自多扩频比跟踪模块302的单符号累加和以及周期翻转信号,执行解调流程,如果不能检测到分隔符,则输出分隔符检测错误信号给***复位模块306,重启捕获;否则继续完成后续解调,输出解调结果以及单符号周期翻转信号;比特成帧模块304接收解调输出结果以及单符号周期翻转信号,按照8比特一个单位的存储结构对解调结果进行组织,并将其送给输出缓存模块305缓存,并在完成帧信息解调之后,将其转换成调制模式、速率、帧长以及模式选择回传启动信息位等信息,如果模式选择回传启动信息位为1则在收完本帧数据之后启动回传;模式切换模块307接收来自比特成帧模块304的模式控制信息,指挥多扩频比跟踪模块302和解调模块303在相应时刻转入切换模式,完成不同速率不同模式数据信号解调接收;同时,比特成帧模块304将解调完成的数据输出,并同时开启接收数据计数器,当其计数值达到帧长时,输出接收完毕信号给***复位模块,重启捕获;在对数据进行解调的同时,信噪比估计模块308接收来自解调模块303的锁相输出数据,并对固定数量的数据进行信噪比估计,在模式选择回传启动信息位为1时的下一帧时刻,把判决得到的模式选择信息通过基带发送模块309回传,这里回传模式采用固定高扩频比的发送方式。
如图4所示,自适应模式选择模块电路连接关系如下:发送帧数计数模块401与帧信息组织模块402、模式切换信号产生模块403相接。
在实施例中,多模式自适应直扩通信***收发工作在同一中心频率之上,当建立了从A到B的数据连接之后,数据信息从A节点发送,在B节点接收,控制信息则从B节点发送,在A节点接收,在AB两个节点实现分时传送数据和控制信息。数据信息往往数量大、发送时间长,而控制信息数量少、发送时间短。根据两类信息传送不对称性,在本发明中,引入了自适应模式选择模块对收发进行控制。发送帧数计数模块401根据外部的帧数配置输入N,每发送N-1个次数据则启动一次回传模式切换信息接收;启动方法就是在帧信息104中对应的模式选择回传启动信息位中置1,发送端在完成该N-1帧发送之后自动切换到接收状态,而接收端则在收到回传启动信息之后启动模式切换信息回传;帧信息组织模块402根据输入的回传模式选择切换信息、业务需求以及回传启动信息位组织帧信息,并输出给成帧模块202;模式切换信号产生模块403接收来自帧信息组织模块402输出的帧信息,将其转换成相应的模式切换信号送给多扩频比扩频模块,完成不同扩频比数据的发送。
如图5所示,多扩频比跟踪模块电路连接关系如下:高扩频比单符号累加器501与高扩频比码产生器502、模式切换模块509、码片误差提取模块507相接;中扩频比单符号累加器503与中扩频比码产生器504、模式切换模块509、码片误差提取模块507相接;低扩频比单符号累加器505与低扩频比码产生器506、模式切换模块509、码片误差提取模块507相接;码片误差提取模块507与环路滤波模块508、高扩频比码产生器502相接;码片误差提取模块507与环路滤波模块508、中扩频比码产生器504相接;码片误差提取模块507与环路滤波模块508、低扩频比码产生器506相接。
在实施例中,多扩频比跟踪模块的具体实施方式:高扩频比单符号累加器501、中扩频比单符号累加器503、低扩频比单符号累加器505接收来自下变频器的I(同相)、Q(正交)两路信号,分别对其进行单符号累加,输出I、Q超前、滞后、即时共六路累加和∑IES∑ILS∑IPS∑QES∑QLS∑QPS,分别是I路超前累加和、I路滞后累加和、I路即时累加和、Q路超前累加和、Q路滞后累加和、Q路即时累加和,并将I、Q即时累加和输出;码片误差提取模块507接收六路单符号累加和,采用归一化的误差提取方法由[(∑IES-∑ILS)*∑IPS+(∑QES-∑QLS)*∑QPS]/[(∑IPS)2+(∑QPS)2]式计算得出码片偏移误差;环路误差经过环路滤波模块508,滤去高频抖动分量,控制高扩频比码产生器502、中扩频比码产生器504、低扩频比码产生器506输出精确复制的伪随机序列;模式切换模块509根据模式切换信息,在码产生器整符号溢出时刻对不同扩频比信号进行无缝切换,对不同扩频比信号进行无缝跟踪。
如图6所示,信噪比估计模块电路连接关系如下:符号均值计算模块601与符号方差计算模块602、信噪比计算模块603、传送模式判决模块604相连。
在实施例中,信噪比估计模块具体实施方式:根据BPSK/QPSK模式选择信号,对两种调制模式信号按照不同方法分别进行信噪比估计。对于BPSK信号,符号均值计算模块601收集N个I路为正的复数信号,计算器均值;符号方差计算模块602根据以上算得均值和N个复数信号,计算其方差;信噪比计算模块603则根据均值和方差计算信号接收信噪比,并将其减去当前扩频比,算得接收信号信噪比;传送模式判决模块604根据前面算得的接收信号信噪比,结合划定的信噪比门限选择相应的传送模式,并将其组成模式切换信息送至基带发送模块发送。对于QPSK信号,则选择I、Q两路信号均大子0的符号即星座图第一象限符号,统计其信噪比并发送。
如图7所示,是基带接收***对QPSK、160k模式信号的接收时序图。基带接收***完成捕获之后,在相应时刻将DLL_EN信号线拉高,启动多扩频比跟踪模块;多扩频比跟踪模块对码片进行跟踪的同时,输出符号周期翻转信号DLL_figout;解调模块按照解调状态依次进行参数估计DemodState(000),分隔符检测DemodState(001)以及帧信息收集DemodState(010);比特成帧模块在检测到最后一个帧信息比特之后拉高Infor_done信号线,将帧信息输出;同时,由比特成帧模块将帧信息解为相应的模式控制线信号QPSK_online(0:BPSK模式,1:QPSK模式)置1,Recv_mode_sel(00:80k,01:160k,00:320k)置为01;在下一个符号初始时刻拉高DLL_EN1信号线,启动160k符号率所对应的跟踪模块,同时关闭80k符号率对应的跟踪模块,如图所示之后由跟踪模块输出的DLL_figout翻转频率便由80k转为了160k。需要说明的是:***在解调初始阶段都默认使用码率最低80k、BPSK信号模式,使重要的信息字段有更高的扩频比,保证其正确性。
本发明实现了多模式自适应直扩通信***完整的发送接收装置。这里所述的方法与设备,彼此分离的单体部件可以完全是传统的,我们要求将它们的组合也就是***方案作为发明进行保护。以上所述实例仅仅是对自适应直扩通信技术方案的一种应用,但本发明的真实精神和范围不局限于此,任何熟悉本领域的技术人员可以修改单体部件的算法,实现其他场合的应用。本发明仅由后附权利要求书及其等效技术方案来限定,我们要求将这些作为本发明来保护。