无人机无线图传数据链系统关键模块设计与FPGA实现

摘要

当今时代，科技大爆炸、信息量骤增，数字通信系统日趋复杂化、通信业务日趋多样化，用户对于通信服务的需求也正不断攀升，因此，保障数字通信系统针对语音、图像以及传感数据等信息进行稳定、可靠、实时的处理与传输已成为无线通信领域的研究热点。无人机无线图传数据链是立体化信息系统的一个重要环节，对于当前无线通信与航空遥测关键技术研发具有十分重要的意义。利用有限的频带资源实现高速率、高质量、稳定可靠的数据传输一直是制约机载通信技术发展的瓶颈。一方面，由于无人机的高速移动和周围环境的复杂多变，多径效应及多普勒频移等因素使得由信道失真、畸变所引入的符号间干扰(inter-symbol interference, ISI)严重影响系统的整体性能，因而，有效的同步与均衡技术是无人机无线图传数据链系统设计的关键；另一方面，在功率、带宽等资源受限的情况下，为了满足无人机图传数据高速传输的稳定性和可靠性，需要具有高功率效率和高频谱效率的编码调制技术与之相适应。
　　本文针对无人机无线图传数据链系统的工作主要包括以下三个方面：
　　一、同步与频偏估计。同步作为信道估计与解调的前提，其性能的优劣直接关系到系统整体性能的好坏。这里主要介绍了同步的基本原理与相关的同步算法，频偏估计的基本原理与相关的频偏估计算法，并根据联合帧检测与改进优化后的I-Rife频偏估计算法完成了同步与频偏估计模块的逻辑结果设计与FPGA实现。
　　二、单载波频域均衡。当前被广泛采用的、能够有效对抗信道衰落的关键技术主要包括正交频分复用(orthogonal frequency division multiplexing, OFDM)技术和单载波频域均衡(single carrier frequency domain equalization, SC-FDE)技术。这里主要介绍了OFDM技术与SC-FDE技术的性能优劣，研究了SC-FDE技术中的线性均衡技术（迫零均衡技术(zero forcing, ZF)与最小均方误差均衡技术(minimum mean square error, MMSE)），在满足通信系统有效性与实时性的要求下，提出了一种低复杂度自适应单载波频域均衡器的FPGA实现方案，并基于该方案完成均衡器的FPGA实现。
　　三、TCM-CPM解调。对于带限信道而言，信道码的纠错性能总是与系统的带宽效率成反比，即功率利用率与频带利用率总是相互矛盾的。网格编码调制(trellis coded modulation, TCM)技术是解决纠错性能与带宽利用率这一矛盾的理想方案之一。这里主要介绍了TCM与CPM调制解调技术的基本原理，并引入CPM与TCM相联合的方式以进一步提高频带利用率，实现效率与可靠性的最优结合，同时，研究软判决双向Viterbi检测算法，并依据该算法完成TCM-4CPM系统解调模块的逻辑结构设计与FPGA实现。
　　总体而言，本文的主要研究工作聚焦于无人机无线图传数据链系统的关键模块结构设计与实现，对国内外相关领域的研究具有十分重要的借鉴意义与应用价值。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 课题来源

1.2 课题背景和研究意义

1.3 国内外研究现状

1.4 研究目标及任务

1.5 论文内容及结构安排

第二章 关键技术研究

2.1 同步与频偏估计

2.2 单载波频域均衡

2.3 连续相位调制的网格编码调制

2.4 FPGA及其硬件设计

2.5 本章小结

第三章 同步与频偏估计的FPGA实现

3.1 模块实现方案

3.2 模块结构设计

3.3 各单元逻辑结构设计

3.4 同步与频偏估计模块整体逻辑结构设计

3.5 功能仿真与综合

3.6 本章小结

第四章 低复杂度自适应SC-FDE的FPGA实现

4.1 模块实现方案

4.2 模块结构设计

4.3 均衡模块各单元结构设计

4.4 均衡模块整体逻辑结构设计

4.5 功能仿真与综合

4.6 本章小结

第五章 TCM-4CPM解调的FPGA实现

5.1 模块实现方案

5.2 模块结构设计

5.3 解调模块各单元逻辑结构设计

5.4 TCM-4CPM解调模块的整体结构设计

5.5 功能仿真与综合

5.6 本章小结

第六章 总结与展望

6.1工作总结

6.2不足与展望

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果

附录A缩略词表