飞行器间无线通信波形关键技术研究与验证

摘要

空中的多个飞行器节点可以构成网络进行通信，多个子节点可以将位置和传感器等数据实时汇集到主节点做总体的分析处理，主节点向子节点发送控制信号。本文设计了一种通信链路应用于空中飞行器间的无线通信，并完成了物理层波形传输的实现和验证。
　　文中首先研究了扩频通信、数字中频、时频同步、信道估计与均衡等关键性技术，然后分析了项目提出的需求，参考现有的军用通信链路和通信技术标准，提出物理层波形传输的设计方案。本文的内容分为以下三个方面：
　　第一，设计物理层技术方案并做性能仿真。本文设计的物理层链路采用CRC、卷积交织技术进行基带信道编码和16倍直接扩频，调制方式为QPSK，通信速率137kbps。数字中频部分将带宽5MHz的基带信号采样率增加到64倍，然后调制到频率70MHz的中频载波上。时间同步采用训练序列直接相关法，达到1/4码片精度。信道估计均衡采用单载波频域均衡技术，使链路可以抵抗1kHz频偏。仿真结果表明，物理层链路可以在Eb/N0为6dB时，达到10-6级别的通信误码率。
　　第二，实现物理层链路，并进行功能仿真，验证波形。链路的每个模块在FPGA芯片中实现后，都使用仿真工具测试验证信号波形。实现时间同步模块时，采用多路多相的匹配滤波结构，节省了硬件资源。数字中频模块分三级实现速率的上采和下采，使滤波器阶数不致太高。
　　第三，在实物设备搭建的硬件平台上测试通信功能和误码率性能。先在上电状态下验证各个模块的信号输出和功能。最后测试整个链路的波形传输误码率，结果与定点仿真相差约2dB。
　　论文根据需求设计的物理层链路的技术方案达到了目标，同时通过实际测试，验证了数字中频、时间同步和单载波频域均衡等关键技术，为相似通信链路的开发提供了工程参考。

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缩略词表

主要数学符号表

第一章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 论文结构与内容安排

第二章 无线通信波形关键技术

2.1 扩展频谱技术

2.2 数字中频技术

2.3 单载波频域均衡技术

2.4 小结

第三章 物理层传输的需求与分析

3.1 应用场景

3.2 物理层链路功能需求和性能需求

3.3 物理层链路预算分析

3.4 小结

第四章 物理层链路设计

4.1 物理层帧结构设计

4.2 基带处理

4.3 数字中频设计

4.4 时间同步

4.5 频偏估计

4.6 信道估计与补偿

4.7 整体链路性能仿真

4.8 小结

第五章 链路关键技术的FPGA实现

5.1 FPGA开发环境介绍

5.2 FPGA实现总体结构

5.3 发送部分的物理层实现

5.4 接收部分的物理层实现

5.5 资源消耗分析

5.6 小结

第六章 波形测试与分析

6.1 硬件平台简介

6.2 功能测试与分析

6.3 链路误码性能测试

6.4 小结

第七章 结束语

7.1 本文工作总结

7.2 下一步工作方向

致谢

参考文献

个人简历

攻读硕士学位期间的研究成果

学位论文评审后修改说明表

学位论文答辩后勘误修订说明表