薛雨萌, 張可嘉

(西安恒翔控制技術(shù)有限公司,陜西 西安 710065)

無人機測控系統(tǒng)[1]由數(shù)據(jù)鏈和控制站組成,用于地面控制站與無人機之間的數(shù)據(jù)收發(fā)與跟蹤定位工作。數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃允潜ＷC無人機安全飛行的重要因素。然而,現(xiàn)今日益加劇的電子干擾對測控鏈路的抗干擾性能帶來了嚴峻的考驗。

正交相移調(diào)制(Quadrature Phase Shift Keying,QPSK)具有較高頻譜利用率和抗干擾性能,是一種無人機測控鏈路常用的數(shù)字調(diào)制方式[2]。然而其自身的抗干擾性能無法彌補復雜干擾的無線信道對系統(tǒng)誤碼率的影響。信道編碼[3]通過對信號進行冗余糾錯編碼,有效地提高了信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性,將其應用于QPSK系統(tǒng)中,能夠有效提高系統(tǒng)可靠性,降低誤碼率,因此信道編碼被廣泛地應用于無人機測控鏈路設(shè)計中。

串行級聯(lián)編碼[4]是一種常用的信道編碼方式。Han等[5]利用RS-CC(Reed-Solomon Convolution Concatenated Code)編碼解決了無線信道在復雜環(huán)境中的突發(fā)錯誤和隨機誤碼,在較小信噪比條件下,實現(xiàn)了較理想的誤碼率。姜智等[6]針對導彈數(shù)據(jù)鏈中的突發(fā)錯誤,提出了RS碼+交織+卷積碼的級聯(lián)編碼方案,提高了導彈數(shù)據(jù)鏈的抗干擾性能。循環(huán)冗余校驗碼(Cyclic Redundancy Check,CRC)[7]編碼簡單,易于實現(xiàn)、具有較強的檢錯能力。將其與級聯(lián)編碼結(jié)合,能夠有效增強系統(tǒng)的檢錯能力,降低系統(tǒng)誤碼率。數(shù)據(jù)加擾[8]用一組偽隨機碼序列對數(shù)據(jù)加密,能很好地均衡噪聲,提高系統(tǒng)的抗干擾性能。

為了進一步提升無人機測控鏈路的抗干擾性和可實現(xiàn)性,本文設(shè)計了一種基于模型的無人機測控系統(tǒng)信道編碼算法。在RS碼+交織+卷積碼的串行級聯(lián)編碼的基礎(chǔ)上,融入CRC編碼,提升系統(tǒng)檢錯和糾錯能力,同時將交織與數(shù)據(jù)加擾結(jié)合來進一步增強系統(tǒng)抗干擾性能。本文首先在MATLAB/Simulink中搭建了采用上述級聯(lián)信道編碼的QPSK系統(tǒng)模型,仿真結(jié)果表明,本系統(tǒng)在不同信噪比下,相比于常用的編碼方式,均能夠明顯降低傳輸誤碼率,在不顯著增加編碼復雜度的情況下,有效提高系統(tǒng)的抗干擾性能。同時,該系統(tǒng)仿真模型可以直接部署在兩臺ADRV9361-Z7035上,實現(xiàn)兩臺設(shè)備間數(shù)據(jù)的正常收發(fā),避免進行硬件代碼編寫,提升了無人機測控系統(tǒng)算法的可實現(xiàn)性,具有一定的工程實現(xiàn)價值。

1 信道級聯(lián)編碼調(diào)制算法原理

1.1 RS+交織+卷積級聯(lián)編碼原理

RS編碼是一種線性分組碼,具有很高的糾錯能力和編碼效率[9]。RS碼采用(m,n,k)的編碼結(jié)構(gòu),通過增加監(jiān)督位的方式來保證傳輸?shù)恼`碼率。其中,輸入信號中每個碼元由m個bit組成;n為編碼后的碼字長度;k為信息位的長度。

信息位的一個bit或多個bit出現(xiàn)錯誤,RS碼就會出現(xiàn)一個誤符號。因此RS編碼具有極強的糾正突發(fā)錯誤的能力。

卷積碼是一種二進制非線性分組碼,它不再將輸入數(shù)據(jù)進行分組編碼,而是將原始信息碼全部打亂編碼[10],具有較優(yōu)的編碼增益和數(shù)據(jù)傳輸效率。對于(n,k,N)卷積碼,k個bit信息位編碼成n個bit,但這n個bit不再只與當前的k個bit信息有關(guān),還與其前面時刻的N-1個碼組的信息位有關(guān)。這樣的做法增加了碼元之間的關(guān)聯(lián)性,隨著參數(shù)N的增大,卷積碼的糾錯能力也會隨之加強,可以很好地解決隨機錯誤。

交織技術(shù)是一種時間/頻率擴展技術(shù),在不增加冗余碼的情況下,把突發(fā)錯誤離散成隨機錯誤。從而交織技術(shù)在不增加帶寬的情況下,提高系統(tǒng)的抗干擾能力,尤其是針對瑞利衰落信道中常出現(xiàn)的成串的比特差錯,有更好的處理效果,改善系統(tǒng)在衰減信道的抗干擾性能。

在RS+交織+卷積級聯(lián)編碼方式中,RS作為外碼,處理突發(fā)錯誤,卷積碼作為內(nèi)碼,解決隨機錯誤。編碼時,RS編碼后的數(shù)據(jù)由交織器[11]以矩陣形式重新排序,將突發(fā)錯誤在時間上擴散成隨機錯誤,送入卷積編碼處理,從而降低了對糾錯編碼糾錯能力的要求。譯碼時,內(nèi)碼未糾正的單個bit錯誤和突發(fā)錯誤,將被外碼譯碼轉(zhuǎn)化成單個或多個符號錯誤,在其譯碼過程中再次進行糾正,從而進一步保證了其解決突發(fā)錯誤的能力。

1.2 CRC與加擾編碼原理

CRC[12]屬于線性分組碼,其通過生成校驗式在信息位后增添冗余位的方式對數(shù)據(jù)進行編碼,譯碼時再利用校驗式通過模2除法進行循環(huán)冗余校驗,完成檢錯。CRC編碼具有較強的檢錯性能,但其糾錯算法復雜,效率過低,因此CRC通常僅被用于信號檢錯。將其與RS_CC編碼結(jié)合在一起,能夠有效提升系統(tǒng)的檢錯能力,進一步提高系統(tǒng)可靠性。

數(shù)據(jù)加擾[13]用一組偽隨機碼序列與原始信號相乘,打散信號的時間和頻率,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的加密,從而消除信號中長“0”或長“1”帶來的同步干擾。加擾技術(shù)能夠很好地均衡噪聲,提高系統(tǒng)的抗干擾性能。在卷積編碼前將數(shù)據(jù)進行加擾操作,能夠?qū)⑼话l(fā)錯誤轉(zhuǎn)換成隨機錯誤,增強卷積編碼效果。

1.3 QPSK性能指標

QPSK是一種四進制正交相移鍵控方法,利用載波的4種不同相位差來表征輸入的數(shù)字信息。QPSK具有較高的頻帶利用率,且其電路也較容易實現(xiàn),因此被廣泛應用于測控系統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈載波調(diào)制中。但是,QPSK是兩路正交2PSK信號的疊加,各碼元之間的距離較小,當其受到信道中的噪聲與多徑效應的干擾時[14],相干解調(diào)會變得困難,即接收端誤碼率會隨之增大。QPSK調(diào)制系統(tǒng)需要引入信道編碼技術(shù),來保證其抗干擾性能。

1.4 串行級聯(lián)編碼算法復雜度分析

級聯(lián)編碼通過串聯(lián)的方式,將兩個較短碼長的子碼構(gòu)成一個長碼,并且其碼率等于每個獨立編碼碼率的乘積。通過級聯(lián)的方式,RS-CC編碼在增加碼長的同時保證了更低的碼率,使其在編譯碼過程中產(chǎn)生更小的誤差。交織器本身不會產(chǎn)生冗余碼,在不增加系統(tǒng)帶寬的情況下提高系統(tǒng)抗干擾能力。因此,RS+交織+卷積級聯(lián)編碼系統(tǒng)的譯碼復雜度相比于單獨編碼也得到大幅下降。CRC編碼自身的譯碼復雜度為O(n),遠低于卷積編碼,因此將其與RS+交織+卷積級聯(lián)結(jié)合不會提高算法復雜度。

2 信道編碼系統(tǒng)仿真與參數(shù)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)整體設(shè)計

結(jié)合上述理論分析,本文為提升無人機測控系統(tǒng)抗干擾性能,設(shè)計了一種基于模型的無人機測控系統(tǒng)信道編碼調(diào)制算法,如圖1所示。

圖1 基于模型的無人機測控系統(tǒng)信道編碼調(diào)制系統(tǒng)框圖

信源數(shù)據(jù)首先進行CRC編碼,再進行RS+交織+卷積級聯(lián)編碼。內(nèi)外碼之間,在加入交織的基礎(chǔ)上,在數(shù)據(jù)中加入擾碼,進一步將突發(fā)錯誤擴散成隨機錯誤。為了模擬飛行器高速飛行時的信道情況,編碼后的信號經(jīng)由QPSK調(diào)制在具有多普勒頻移的AWGN信道中傳輸。然而,由于收發(fā)時鐘間的頻差,以及由于QPSK自身編碼特性產(chǎn)生的接收端存在180°的“相位模糊”現(xiàn)象[15],導致原始信號不能直接用于QPSK解調(diào),必須先依次進行信號的載波同步、位同步和幀同步。解調(diào)后的數(shù)據(jù),再進行信道解碼,并顯示輸出接收結(jié)果。根據(jù)本編碼調(diào)制算法系統(tǒng)原理在MATLAB/Simulink中搭建的信道編碼調(diào)制系統(tǒng)的仿真模型如圖2所示。其中Bit Generation模塊完成信源信號生成和串行級聯(lián)信道編碼。Phase/Frequency Offset與Delay Generation模塊仿真多普勒頻移現(xiàn)象,信號在AWGN信道中進行傳送。QPSK Receiver模塊實現(xiàn)接收數(shù)據(jù)的同步、解調(diào)與信道解碼功能。

圖2 信道編碼調(diào)制系統(tǒng)仿真模型

2.2 信號發(fā)生器與級聯(lián)信道編碼子系統(tǒng)設(shè)計

Bit Generation模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如3(a)所示。首先消息生成器將信源中的字符轉(zhuǎn)換成7位二進制碼,得到固定幀長的比特數(shù)據(jù),再進行信道級聯(lián)編碼。信道級聯(lián)編碼仿真設(shè)計如圖3(b)所示。首先,信號進行CRC編碼,提高信道檢錯性能。RS-CC級聯(lián)碼間加入交織器來擴散突發(fā)錯誤,結(jié)合數(shù)據(jù)加擾操作,再次均衡噪聲帶來的干擾,消除信號中長“0”或長“1”帶來的同步干擾。

圖3 信道級聯(lián)編碼原理框圖與仿真設(shè)計圖

各模塊具體參數(shù)設(shè)置如下。

① 信源:采用固定幀長輸出,每幀長度84 bit。

② CRC編碼器:CRC Generator采用CRC-16生成多項式為

G(x)=x16+x12+x5+1

(1)

CRC在每幀數(shù)據(jù)后添加16位校驗位,得到固定幀長100 bit輸出。

③ RS編碼器:采用Binary RS encoder模塊。m,n,k值分別設(shè)置為5,20,10。可檢測10個碼元,糾正5個碼元錯誤。

④ 交織器:采用Matrix Interleaver,按行讀入,按列讀出。根據(jù)RS輸出幀長200 bit/f,行列數(shù)分別設(shè)置為20,10。

⑤ 擾碼:Scrambler加擾多項式設(shè)置為[1 1 1 0 1]。

⑥ 卷積編碼器:采用1/2碼率的(2,1,7)卷積碼,m,n,k值分別設(shè)置為7,2,1。卷積編碼器之后加入緩沖區(qū)重新對數(shù)據(jù)組幀,并在每幀數(shù)據(jù)的起始位置加入13位的巴克碼作為數(shù)據(jù)幀頭,格式為(1 1 1 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1),用于接收端數(shù)據(jù)的幀同步。最后,再利用Bernoulli Binary將每幀數(shù)據(jù)長度擴充至500 bit,用于QPSK調(diào)制。

調(diào)制信號進入信道之前,升余弦濾波器對波形進行整形,濾波器的滾降系數(shù)設(shè)置為0.5,并對信號進行4倍上采樣來防止出現(xiàn)碼間串擾。

2.3 多普勒頻移AWGN信道設(shè)計

信道模型中利用Phase/Frequency Offset與Delay Generation模塊仿真無人機在空中盤旋飛行狀態(tài)下的多普勒頻移現(xiàn)象。Phase/Frequency Offset設(shè)置頻率偏移為5000 Hz,相位偏移為47°。Delay Generator以0.05為間隔,在[0,8]區(qū)間內(nèi)先遞增后遞減循環(huán)輸出頻率和相位延遲信號。AWGN采用SNR信噪比模式,輸入信號功率為0.25 W。

2.4 QPSK信號接收子系統(tǒng)設(shè)計

在QPSK接收機模塊集成了信號同步解調(diào)和信道譯碼兩個子模塊。接收機對信號完成解調(diào)后,再對其進行信號譯碼,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖4(a)所示,仿真設(shè)計圖如圖4(b)所示。

圖4 信號接收子系統(tǒng)原理框圖與仿真設(shè)計圖

2.4.1 載波同步子系統(tǒng)設(shè)計

由于多普勒偏移導致接收信號存在高動態(tài)范圍的載波頻率偏差,會導致接收的QPSK調(diào)制信號失步,無法解調(diào),系統(tǒng)誤碼率嚴重惡化。因此必須在信號解調(diào)前對載波信號進行同步。

考慮到接收信號強度會隨著信道傳輸發(fā)生變化,為了保證后續(xù)的載波和位同步參數(shù)固定并提升同步精度,在匹配濾波之前,首先利用自動增益控制(Automatic Gain Control,AGC)穩(wěn)定調(diào)制信號幅度。AGC設(shè)置輸出功率為0.25,步長為0.01。升余弦濾波器調(diào)制信號進行2倍降采樣,滾降系數(shù)為0.5。

載波同步首先對接收信號頻率進行捕獲,即載波粗同步,對應圖4(b)所示的Coarse Frequency Compensation模塊。粗同步使用FFT頻偏補償[16]的方法,首先對調(diào)制信號相位進行4倍頻來消除調(diào)制相位。之后FFT利用最大似然法對載波頻偏變化進行估計。

載波跟蹤,即載波精同步,對應圖4(b)中的Fine Frequency Compensation模塊,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5(a)所示。載波跟蹤采用二階數(shù)字鎖相環(huán),由相位誤差檢測器(Phase Error Detector,PED)、環(huán)路濾波器(Loop Filter)和直接數(shù)字合成器(Direat Digital Syntheslzer,DDS)構(gòu)成,其仿真設(shè)計原理如圖5(b)所示。鑒相器PED測量到的固定時間間隔內(nèi)載波相位變化量,經(jīng)過環(huán)路濾波器后,反饋給DDS來改進頻率步進間隔,得到高頻率分辨率的本地載波,對接收載波頻率變化量進行跟蹤。環(huán)路濾波器設(shè)置歸一化帶寬為0.06,阻尼系數(shù)為2.5,可以在引入較小相位噪聲時快速鎖定到目標相位。

圖5 精同步模塊原理框圖與仿真設(shè)計圖

2.4.2 位同步子系統(tǒng)設(shè)計

位同步子系統(tǒng),即如圖4(b)中所示的Timing Recovery模塊,仍采用數(shù)字鎖相環(huán)方式[17],其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖6(a)所示,仿真設(shè)計原理如圖6(b)所示。

圖6 位同步子系統(tǒng)原理框圖與仿真設(shè)計圖

NCO Control模塊產(chǎn)生控制信號,為Timing Error Detector(TED)模塊提供有效的時間誤差檢測位置,從而更新內(nèi)插濾波器(Interpolation Filter)中的時間誤差,找到正確的內(nèi)插位置。Interpolation Filter采用Farrow Parabolic濾波器。TED的輸出送入環(huán)路濾波器,濾波后反饋給NCO Control更新時間誤差。環(huán)路濾波器的環(huán)路帶寬設(shè)置為0.01,阻尼系數(shù)為1,即臨界阻尼狀態(tài)。

另外,為了后續(xù)信號進行幀同步,位同步需要對輸出信號進行緩存,每次緩存一幀長數(shù)據(jù)。位同步模塊同時提供DataValid信號,用于觸發(fā)幀同步模塊,保證其在位同步有效的情況下工作。

2.4.3 幀同步與解調(diào)子系統(tǒng)設(shè)計

圖4(b)中的Data Decoding子系統(tǒng)實現(xiàn)信號的幀同步、“相位模糊”解算和解調(diào)功能,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖和仿真設(shè)計原理圖分別如圖7(a)和圖7(b)所示。Compute Delay模塊每次輸入一幀數(shù)據(jù),與調(diào)制后的巴克碼元進行求自相關(guān)操作,根據(jù)相關(guān)峰峰值確定幀頭位置后,輸出數(shù)據(jù)給Align Data。Align Data每次緩存兩幀長數(shù)據(jù),利用幀頭索引定位,輸出幀同步后完整的一幀數(shù)據(jù)。

圖7 幀同步與解調(diào)子系統(tǒng)原理框圖與仿真設(shè)計圖

精同步后的載波相位存在0°、90°、180°或270°的相位偏移,從而造成QPSK解調(diào)時會出現(xiàn)“相位模糊”的現(xiàn)象。Phase Offset Estimator模塊計算接收信號中巴克碼和原始巴克碼之間的相位偏差。Phase Ambiguity Correction &Demodulation根據(jù)相位偏移量糾正信號相位后,對其進行解調(diào)。QPSK Demodulator采用log-likelihood ratio判決,bit形式輸出。Quantizer在[-3,3]區(qū)間內(nèi)對輸出數(shù)據(jù)進行量化,用于Viterbi軟判決解碼。

2.4.4 串行級聯(lián)信道解碼子系統(tǒng)設(shè)計

該子系統(tǒng)設(shè)計是信道編碼子系統(tǒng)的逆向設(shè)計。解調(diào)信號經(jīng)Viterbi譯碼后,再進行數(shù)據(jù)解擾與解交織,最后完成RS解碼和CRC譯碼。Viterbi譯碼的判決方式設(shè)置為軟判決,判決比特數(shù)為3,回溯深度設(shè)置為200,其余模塊參數(shù)設(shè)置與編碼器保持一致。系統(tǒng)利用Error Rate Calculation模塊統(tǒng)計接收數(shù)據(jù)誤比特率,計算模式為Entire Frame模式,由于卷積編碼的回溯長度會造成時延,計算時延設(shè)置為200,接收時延為0。

3 系統(tǒng)性能測試與分析

3.1 實驗設(shè)置

本次實驗分為兩個部分。第一部分一共設(shè)計了5組QPSK系統(tǒng)模型,分別為未編碼、RS(20,10)編碼、(2,1,7)卷積編碼、RS(20,10)+交織+(2,1,7)卷積級聯(lián)編碼,以及本文提出的串行級聯(lián)編碼的QPSK系統(tǒng)模型。信源發(fā)生器均生成固定字符串“Hello World!”,發(fā)射機采樣率為1.92e-6。為了使接收比特數(shù)達到10e-6數(shù)量級,所有模型的仿真時間均設(shè)置為40 s。改變AWGN信道的信噪比,比較不同信噪比情況下的誤碼率。

在第二部分的測試中將系統(tǒng)置于瑞利衰減信道中進行數(shù)據(jù)傳輸,信號發(fā)生器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)、發(fā)射機采樣率和仿真時間均與第一部分的實驗設(shè)置保持一致。改變信道信噪比,統(tǒng)計系統(tǒng)在衰減信道中傳輸?shù)恼`碼率。

3.2 誤碼率分析

3.2.1 AWGN信道誤碼率分析

為了測試系統(tǒng)在不同信噪比下的抗干擾性能,AWGN信道的信噪比分別設(shè)置為-2～10。運行仿真模型,統(tǒng)計5組仿真模型的誤碼率,其部分結(jié)果如表1所示。

表1 不同信噪比下未編碼和4種信道編碼的QPSK系統(tǒng)誤碼率統(tǒng)計結(jié)果

由表1可以看出,誤碼率在10e-5數(shù)量級下,串行級聯(lián)編碼系統(tǒng)編碼增益可達到5 dB。這說明在外界干擾較大時,本文信道編碼方法可以有效改善QPSK系統(tǒng)的抗干擾性能。

另外,根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果繪制了5組系統(tǒng)的誤碼率對比圖,信噪比變化范圍為2～10 dB,如圖8所示。由圖8可以看出,本文信道編碼方式在不同信噪比條件下均能夠有效降低誤碼率,并且在小信噪比條件下,其抗干擾性能提升更加顯著。同時,加入CRC編碼后,系統(tǒng)的抗干擾性能明顯得到了提高。

圖8 5種信道編碼QPSK系統(tǒng)的誤碼率對比圖

3.2.2 瑞利衰減信道誤碼率分析

為了測試系統(tǒng)在多徑干擾下的抗干擾性能,并且驗證交織技術(shù)對于增強系統(tǒng)在瑞利衰減信道中傳輸可靠性的效果。將瑞利衰減信道的信噪比變化范圍設(shè)置為2～10 dB,分別統(tǒng)計系統(tǒng)在使用與不使用交織技術(shù)后,經(jīng)過瑞利衰減信道后的傳輸誤碼率。

根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果,繪制了系統(tǒng)在瑞利衰減信道下和在AWGN信道中傳輸?shù)恼`碼率對比圖,如圖9所示。

圖9 瑞利衰減信道與AWGN信道中系統(tǒng)誤碼率對比圖

由圖9可以看出,系統(tǒng)在瑞利衰減信道中的傳輸誤碼率明顯高于AWGN信道,這是由于瑞利信道的多徑干擾和頻率選擇性衰減造成的。但是系統(tǒng)在瑞利衰減信道中的抗干擾性能并沒有大幅度惡化,在信噪比為6 dB的情況下,系統(tǒng)誤比特率可以達到10e-5數(shù)量級。

同時,從圖9中可以看出,系統(tǒng)經(jīng)過交織編碼,在瑞利衰減信道中的傳輸誤比特率有了明顯的下降趨勢。這說明交織技術(shù)能夠有效改善系統(tǒng)在瑞利衰減信道中的抗干擾性能。

3.3 硬件實現(xiàn)

在硬件開發(fā)平臺上對系統(tǒng)模型進行了實際效果測試。硬件平臺采用ADI公司生產(chǎn)的ADRV9361-Z7035開發(fā)板,其內(nèi)部集成了AD9361射頻捷變收發(fā)器與Xilinx Z7035可編程SoC。

將上文的信道編碼調(diào)制系統(tǒng)拆分為QPSK Transmitter與QPSK Receiver兩個子系統(tǒng),其仿真設(shè)計圖分別如圖10和圖11所示,均布署在兩臺ADRV9361-Z7035開發(fā)板上。

圖10 QPSK Transmitter子系統(tǒng)仿真設(shè)計圖

圖11 QPSK Receiver子系統(tǒng)仿真設(shè)計圖

發(fā)送端的QPSK Transmitter子系統(tǒng)首先在Bits Generation中進行信道級聯(lián)編碼,再完成QPSK調(diào)制,并利用buffer模塊對數(shù)據(jù)進行緩存,逐幀輸入到AD936x Transmitter模塊,獲得可通過天線傳輸?shù)纳漕l信號。

接收端的QPSK Receiver子系統(tǒng)接收到天線傳輸信號后,送入AD936x Receiver模塊處理,將射頻信號轉(zhuǎn)換成QPSK調(diào)制信號,并通過data valid為QPSK Receiver模塊提供使能信號,保證其在調(diào)制信號有效的情況下進行解調(diào)。

AD936x Transmitter和Receiver的基帶采樣率為520841 Hz,IP地址為192.168.3.2,與射頻模塊的硬件IP地址保持一致。Transmitter的發(fā)射增益為-10 dB。ADRV9361-Z7035開發(fā)板采用雙通道全雙工對通測試,每個通道配置一根天線,天線頻率分別為1430 MHz和860 MHz。兩塊射頻開發(fā)板均通過網(wǎng)線分別與兩臺主機連接。進行硬件對通測試時,兩臺主機均首先運行QPSK Transmitter,再運行QPSK Receiver。主機1的發(fā)射和主機2的接收頻率為1430 MHz,主機1的接收與主機2的發(fā)射頻率為816 MHz。進行兩臺設(shè)備間的全雙工對通測試。

接收到的數(shù)據(jù)會通過以太網(wǎng)利用UDP回傳給主機,顯示實際接收結(jié)果。接收端的顯示輸出如圖12所示,統(tǒng)計當前接收到的數(shù)據(jù)幀和誤碼率。由于接收端存在時延,在進行誤碼率統(tǒng)計時,在Error Rate Calculation模塊上加入一個enable信號,在有效信號到來時,激活該模塊開始統(tǒng)計當前誤碼率。從接收端輸出結(jié)果可以看到,本系統(tǒng)傳輸誤碼率可以穩(wěn)定在0.1%左右,當CRC檢測到誤碼時,系統(tǒng)會丟掉該幀,并顯示 “error!”對用戶進行提示。

圖12 實際接收結(jié)果

對通測試結(jié)果表明,將本系統(tǒng)部署在硬件平臺上,可以在保證誤碼率的情況下實現(xiàn)兩臺射頻設(shè)備間正常的無線通信。本算法可以直接將模型部署在硬件設(shè)備上,大幅減少了硬件語言開發(fā)工作量。將其應用到無人機測控系統(tǒng)中,具有一定的工程實現(xiàn)價值。

4 結(jié)束語

為了提高無人機測控系統(tǒng)的抗干擾性能,降低誤碼率,提出了一種基于模型的無人機測控系統(tǒng)信道編碼調(diào)制算法。在QPSK系統(tǒng)中,采用CRC-16+RS(20,10)+交織(20,10)+卷積碼(2,1,7)的串行級聯(lián)編碼方式,并輔以數(shù)據(jù)加擾技術(shù)增強信號傳輸抗干擾性能。仿真結(jié)果表明,本系統(tǒng)在不同信噪比條件下均能夠顯著降低誤碼率,尤其在小信噪比條件下,效果更加明顯。在誤碼率達到10e-5數(shù)量級時,系統(tǒng)編碼增益達到5 dB,有效改善了QPSK系統(tǒng)的抗干擾性能。并且本系統(tǒng)模型能夠直接部署在射頻收發(fā)設(shè)備上,在保證誤碼率的情況下實現(xiàn)兩臺設(shè)備間正常的無線通信。相比于現(xiàn)有硬件實現(xiàn)方法,基本免去了硬件代碼開發(fā)的工作。將其部署在無人機測控系統(tǒng)中,具有一定的工程實現(xiàn)價值。