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第7章无人机通信系统VLSI设计;
图7.1(a)描述了本章考虑的无人机通信场景,其中地面控制站通过通信链路与m架无人机进行低速指令交换和高速数据传输。指令交换链路采用双向扩频通信体制,每架无人机配置了独立的扩频码序列,地面控制站通过码分多址的方式同时向多架无人机发送指令,或接收多架无人机同时下行的遥控数据。高速数据传输链路为无人机到地面控制站的单向链路,采用OFDM多载波传输体制,用于下传无人机获取的图像等数据,不同无人机的下行数传信号通过频分多址的方式同时传向地面控制站。图7.1(b)给出了无人机与地面控制站的通信收发端框图。;
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7.1数字前端方案设计;
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7.1.1信号分离装置
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其中“*”表示卷积运算。滤除下行测控信号后,在[-fs/2,fs/2]的频带范围内只有下行数传信号,因此可以对y0(n)进行1/2抽取得到;
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基于上述信号分离方法设计的数字前端信号分离装置如图7.3所示,整个装置分为输入加权部分、滤波部分及后处理部分,下面对工作流程进行介绍。;
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7.1.2残余频偏纠正装置
信号分离模块的输出数传与下行测控信号的采样频率均变为BW/2,不过还存在着残余频偏,需要通过数字频谱搬移装置将通信和下行测控信号的频偏消除,然后再将信号送到相应的模块处理。具体而言,下行数传频带的中心频率为f0,经信号分离模块处理后,信号的残余频偏为MHz,其中fc为图7.2中整个信号频带的中心频率。因此通过计算即可消除下行数传信号中的残余频偏。类似地,下行测控频带的中心频率为f1,经信号分离模块处理后,信号的残余频偏为MHz,通过计算
即可消除下行数传信号中的残余频偏。
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因此,消除数传与测控信号中的残余频偏,实现数字频谱搬移的硬件结构结构如图7.4所示,该装置主要用于计算
。;
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7.1.3信号功率控制方案
不论数传链路的频分多址方案来支持多架无人机数据的同时回传,还是测控链路的码分多址来实现多架无人机的???时测控,都需要无人机对下行测控信号与导航信号的功率进行适当控制,保证在不同空域位置上发出的信号到达地面接收端时,具有大致相当的功率谱密度。这样信号经过低噪声放大器时,不会出现强信号对弱信号放大倍数的抑制问题,保证不同的链路具有相近的通信效果。由于地面接收设备的位置通常固定且已知,无人机可以通过计算自身相对于地面接收设备的通信仰角,来控制通信信号的等效全向辐射功率(EffectiveIsotropicRadiatedPower,ERIP)。;
首先,当无人机飞行高度为h(单位为km)、仰角为a(单位为度)时,与地面设备的通信距离可以表示为:
这里km表示地球半径。按照自由空间传播损耗模型,距离d对应的信号传播衰减为:
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7.2直接数字频率合成器VLSI结构设计;
由于相位累加值线性递增,将每个时钟周期的输出数据连在一起,便构成了给定频率的正弦和余弦信号的离散采样。相位步进Cf也被称为频率控制字,当相位累加值数据位宽为λ比特时,频率f对应的频率控制字Cf表示为;
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综合以上讨论,可以看到为提升DDFS的频率产生精度,需要增加相位累加值数据位宽,但这也会导致DDFS的存储开销呈指数级上升。因此,在不影响DDFS频率产生的精度的前提下,降低DDFS的数据存储开销,是DDFS方案设计和实现的关键问题。目前,DDFS中的数据存储主要有以下几种方式:;
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随着数字集成电路工作频率的不断提升和接收频带范围的持续扩展,在主流通信系统中,DDFS的工作频率通常在100MHz以上。另一方面,为了保证数字下变频信号的正确性,DDFS的频率分辨率往往需要小于1Hz,这样产生的正余弦信号精度才能达到Hz量级。这样一来,相位累加字的位宽需要大于27比特。在这种情况下,目前技术方案的不足之处主要表现在:;
(1)不论是直接和的全部2λ个数值,还是利用正余弦对称性与对偶性,存储范围内的2λ-3个数值,在相位累加器数据位宽λ较大时,都需要消耗大量的存储资源。
(2)尽管通过数据差分可以显著降低数据存储位宽,但随着频率控制字Cf的变化,需要同时读取多组差分数据来恢复出
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