專利名稱：全數(shù)字化空間光通信陣列信號分集接收系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于空間光通信的數(shù)字陣列信號分集接收系統(tǒng)，具體地說，本接收系統(tǒng)能夠通過多個(gè)光通信終端接收機(jī)，對來自同一目標(biāo)信號源的脈沖位置調(diào)制PPM調(diào)制光脈沖信號以陣列方式接收，并綜合運(yùn)用數(shù)字信號處理技術(shù)，通過數(shù)字信號處理器DSP、現(xiàn)場可編程門陣列FPGA等大規(guī)模數(shù)字器件，構(gòu)建了實(shí)現(xiàn)先進(jìn)通信信號處理算法的接收機(jī)硬件平臺，使接收機(jī)具備數(shù)字濾波、去噪、空間分集均衡和RS糾錯(cuò)解碼等很強(qiáng)的信號檢測和恢復(fù)有效發(fā)送信息的能力。從總體上說，本發(fā)明屬于空間光通信接收設(shè)備的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前空間激光通信是一項(xiàng)蓬勃發(fā)展的重要的新興的無線通信技術(shù)，空間光通信以其高速、靈活、不占用通信頻帶，安全保密等優(yōu)勢，已逐漸應(yīng)用在局域網(wǎng)、應(yīng)急通信、戰(zhàn)術(shù)通信和衛(wèi)星通信。另外，由于海水具有藍(lán)綠激光的透明窗口，用藍(lán)綠激光與水下目標(biāo)進(jìn)行通信，可以保證系統(tǒng)具有較高的通信帶寬、保密性和安全性，不產(chǎn)生聲、熱信號，不易被對方偵測。因此又是一種理想的水面艦艇、空間飛行器與水下目標(biāo)通信的手段，同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)水下目標(biāo)之間的高速通信。自由空間光信道與光纖等理想的光信道不同，經(jīng)常會遇到一些極端的天氣狀況，如厚云、濃霧、大雨等天氣，與水下目標(biāo)通信時(shí)，光脈沖還需要在海水中傳輸，這些都給遠(yuǎn)距離空間激光通信帶來極大的不利影響?？臻g光信道對光通信的影響主要體現(xiàn)在傳輸介質(zhì)的多重散射作用，介質(zhì)吸收引起的光強(qiáng)衰減，信號幅度衰落等方面，導(dǎo)致接收端難以從光信號中恢復(fù)出發(fā)送信息。此外，大氣湍流的局部介質(zhì)折射率擾動(dòng)，能使光信號由于隨機(jī)相干疊加使信號強(qiáng)度閃爍起伏，增加了光電檢測時(shí)的附加噪聲。除了以上干擾外，由于激光光束具有很好的方向性，發(fā)散角很小，這時(shí)發(fā)射的光脈沖信號必須準(zhǔn)確的照射到目標(biāo)接收機(jī)的接收平面上，而光學(xué)接收機(jī)的光學(xué)天線與無線電天線不同，屬于有方向、窄視場天線，因此在一般激光空間通信系統(tǒng)中，跟瞄控制(APT)也是必不可少的。
雖然面臨著這些困難，空間光通信技術(shù)也在不斷完善發(fā)展中，目前實(shí)用化的空間激光通信產(chǎn)品還不多，主要是作為樓宇間局域通信網(wǎng)橋使用，或者出現(xiàn)在一些民用應(yīng)急通信設(shè)備中，結(jié)構(gòu)和功能過于簡單，沒有精確的跟瞄系統(tǒng)，不能適應(yīng)復(fù)雜的通信環(huán)境。其他超視距激光通信系統(tǒng)，如地面衛(wèi)星通信，星間光通信和飛行器與水下目標(biāo)通信，則基本上處于實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)階段，還沒有正式商品化的報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服以上光通信的客觀障礙，提供一種全數(shù)字化空間光通信陣列信號分集接收系統(tǒng)，達(dá)到在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)、任何條件下都能實(shí)現(xiàn)兩通信節(jié)點(diǎn)間的高速數(shù)據(jù)鏈路級通信連接。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種全數(shù)字化的空間光通信陣列信號分集接收系統(tǒng)，該系統(tǒng)是采用先進(jìn)的數(shù)字信號處理技術(shù)在最大限度內(nèi)維持通信連接的，本系統(tǒng)采用主從工作模式，主上位機(jī)負(fù)責(zé)系統(tǒng)控制和各信道通信信號的分集處理，多個(gè)下位萬向軸(以下簡稱為Gimbal)通信接收機(jī)為下位從屬機(jī)，該下位萬向軸通信接收機(jī)是安裝在萬向軸調(diào)整架上的通信接收機(jī)，獨(dú)立自主地對信號源追蹤探測，既能組成接收陣列，又能各自分布在4π全空間角的任意方向，接收從任何可能方向入射的光信號。
本發(fā)明采用光脈沖位置調(diào)制(PPM)方式，最高通信速率達(dá)到1Mb/s，能夠在各種嚴(yán)酷的空間環(huán)境下工作，能用數(shù)字信號綜合傳送文字、視頻和語音信息。
本發(fā)明的具體方案這樣實(shí)現(xiàn)的一種全數(shù)字化空間光通信陣列信號分集接收系統(tǒng)，其特點(diǎn)是包括一個(gè)上位接收機(jī)和多臺安裝在各自的萬向軸旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上的下位通信接收機(jī)，每臺下位萬向軸通信接收機(jī)具有下位機(jī)跟瞄模塊和下位機(jī)通信接收模塊，上位接收機(jī)具有上位機(jī)信號處理模塊所述的下位機(jī)跟瞄模塊的構(gòu)成為視頻模數(shù)變換器與電荷耦合器件探測器相連，通過第一復(fù)雜可編程邏輯連接第一靜態(tài)隨機(jī)存儲器和第二靜態(tài)隨機(jī)存儲器，第一數(shù)字信號處理器通過復(fù)雜可編程邏輯連接到第一靜態(tài)隨機(jī)存儲器，第二靜態(tài)隨機(jī)存儲器，微控制器與第一數(shù)字信號處理器相連，微控制器控制第一控制器局域網(wǎng)絡(luò)控制器和下位萬向軸通信接收機(jī)安裝的萬向軸的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，第一數(shù)字信號處理器與同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲器和閃存相連；所述的下位機(jī)通信模塊的構(gòu)成是雪崩光電二極管與模數(shù)變換器相連，該模數(shù)變換器通過第二復(fù)雜可編程邏輯與第一先入先出緩存相連，第二數(shù)字信號處理器通過第二復(fù)雜可編程邏輯連接到以太網(wǎng)控制器，第二數(shù)字信號處理器和第一先入先出緩存相連，第二數(shù)字信號處理器與同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲器和串行可擦除只讀存儲器相連；上位機(jī)信號處理模塊的構(gòu)成為第三數(shù)字信號處理器通過第三復(fù)雜可編程邏輯連接到以太網(wǎng)控制器和第二先入先出緩存器和第三先入先出緩存器，第三先入先出緩存器與現(xiàn)場可編程門陣列相連，現(xiàn)場可編程門陣列與先進(jìn)精簡指令集處理器相連，先進(jìn)精簡指令集處理器控制第二控制器局域網(wǎng)絡(luò)控制器、液晶顯示器和通用串行總線控制器，第三數(shù)字信號處理器與同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲器和串行可擦除只讀存儲器相連；所述的下位機(jī)跟瞄模塊通過控制器局域網(wǎng)絡(luò)總線與上位機(jī)信號處理模塊的第二控制器局域網(wǎng)絡(luò)控制器相連，下位機(jī)的通信模塊的以太網(wǎng)控制器通過以太網(wǎng)與上位機(jī)信號處理模塊的以太網(wǎng)控制器相連。
所述的上位機(jī)信號處理模塊還設(shè)有通用串行接口，該接口可通過通用串行總線與計(jì)算機(jī)相連。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)首先，提出采用多接收機(jī)組成接收陣列，用先進(jìn)的空間分集均衡算法處理各通道的接收信號，并用數(shù)字信號處理器設(shè)計(jì)出了接收機(jī)的硬件電路，能夠有效降低光通信系統(tǒng)的誤碼率，本發(fā)明還把強(qiáng)有力的RS糾錯(cuò)碼用于本系統(tǒng)光PPM信號接收中，使接收機(jī)的性能更上一層樓，能夠應(yīng)用在最惡劣的空間激光信道中，包括衛(wèi)星和飛機(jī)的大氣海洋信道(參見圖1)，水下目標(biāo)的海水信道。本系統(tǒng)為全數(shù)字化方式構(gòu)建，大量采用了大規(guī)模數(shù)字IC器件，集成度高，整個(gè)核心電路僅需要三個(gè)電路模塊，包括下位機(jī)通信模塊、下位機(jī)跟瞄模塊和上位機(jī)信號處理模塊。
其次，設(shè)計(jì)通信速率達(dá)到1Mb/s，能以數(shù)字信號形式，綜合傳輸文字、圖像和語音信號，既可用于民用遠(yuǎn)距離可靠激光通信，也可用于軍事目的的作戰(zhàn)單位之間靈活機(jī)動(dòng)通信，完全具備激光通信系統(tǒng)高速、難以被對方偵聽、截獲的特點(diǎn)。
再者，本發(fā)明采用主從式、上位機(jī)和下位機(jī)結(jié)構(gòu)，通信信號的傳輸使用10BaseT以太網(wǎng)，命令傳輸采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的CAN現(xiàn)場總線，能夠?qū)崿F(xiàn)信號的遠(yuǎn)距離傳輸，這樣的設(shè)計(jì)，下位接收機(jī)可以配置到寄主的任何部分，靈活分布成任何拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，且每個(gè)下位接收機(jī)都能夠獨(dú)立的工作，具有自動(dòng)掃描未知區(qū)域或?qū)δ繕?biāo)自動(dòng)跟蹤的能力，是一種光機(jī)電結(jié)合的智能設(shè)備。
最后，本發(fā)明以較低的成本，實(shí)現(xiàn)了一種創(chuàng)新的功能強(qiáng)大的空間激光接收系統(tǒng)。


圖1是本發(fā)明在大氣海洋信道激光通信中采用陣列分集方式接收光脈沖信號的應(yīng)用示例，代表了多個(gè)分集接收截面對散射后擴(kuò)散光信號的接收和綜合信號的合成示意圖。
圖2是本發(fā)明中下位機(jī)跟瞄模塊的電路結(jié)構(gòu)方框圖。
圖3是本發(fā)明中下位機(jī)通信接收模塊的電路結(jié)構(gòu)方框圖。
圖4是本發(fā)明中上位機(jī)信號處理模塊的電路結(jié)構(gòu)方框圖。
圖5是本發(fā)明中下位機(jī)跟瞄模塊的視頻AD采樣和視頻DSP器件的邏輯電路電原理圖。
圖6是本發(fā)明中下位機(jī)跟瞄模塊的控制器及相關(guān)接口的控制電路電原理圖。
圖7是本發(fā)明中下位機(jī)通信接收模塊的通信AD采樣和以太網(wǎng)接口的邏輯電路電原理圖。
圖8是本發(fā)明中下位機(jī)通信接收模塊的DSP器件的邏輯電路電原理圖。
圖9是本發(fā)明中上位機(jī)信號處理模塊的上位機(jī)以太網(wǎng)接口及緩存的邏輯電路電原理圖。
圖10是本發(fā)明中上位機(jī)信號處理模塊的DSP器件和FPGA器件的邏輯電路電原理圖。
圖11是本發(fā)明中上位機(jī)信號處理模塊的主控制器及相關(guān)接口的控制電路電原理圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
先請參閱圖2、圖3和圖4，由圖可見，本發(fā)明全數(shù)字化空間光通信陣列信號分集接收系統(tǒng)，包括一個(gè)上位接收機(jī)和8臺下位通信接收機(jī)，每臺下位通信接收機(jī)具有下位機(jī)跟瞄模塊1和下位機(jī)通信接收模塊2，上位接收機(jī)具有上位機(jī)信號處理模塊3所述的跟瞄模塊1的連接關(guān)系為視頻模數(shù)變換器(以下簡稱VAD)12與電荷耦合器件(以下簡稱CCD)探測器9相連，通過第一復(fù)雜可編程邏輯(以下簡稱CPLD)11連接第一靜態(tài)隨機(jī)存儲器(以下簡稱SRAM)14，第二靜態(tài)隨機(jī)存儲器15、第一數(shù)字信號處理器(以下簡稱DSP)10通過復(fù)雜可編程邏輯(以下簡稱CPLD)11連接到第一靜態(tài)隨機(jī)存儲器14，第二靜態(tài)隨機(jī)存儲器15，微控制器(以下簡稱MCU)13與數(shù)字信號處理器10相連，微控制器l3控制控制器局域網(wǎng)絡(luò)(以下簡稱CAN)控制器18和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器19。
所述的通信模塊2的連接關(guān)系為雪崩光電二極管(以下簡稱APD)34與模數(shù)變換器(以下簡稱AD)31相連，模數(shù)變換器31通過第二復(fù)雜可編程邏輯(以下簡稱CPLD)30與第一先入先出緩存(以下簡稱FIFO)32相連，第二數(shù)字信號處理器(DSP)37通過第二復(fù)雜可編程邏輯(CPLD)30連接到以太網(wǎng)控制器33，第二數(shù)字信號處理器(DSP)37和第一先入先出緩存(FIFO)32相連。
所述的上位機(jī)信號處理模塊3的連接關(guān)系為第三數(shù)字信號處理器(DSP)46通過第三復(fù)雜可編程邏輯(CPLD)40連接到以太網(wǎng)控制器41和第二先入先出緩存器(FIFO)44和第三先入先出緩存器(FIFO)49，第三先入先出緩存器(FIFO)49與現(xiàn)場可編程門陣列(以下簡稱FPGA)48相連，現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)48與先進(jìn)精簡指令集處理器(以下簡稱ARM)51相連，先進(jìn)精簡指令集處理器(ARM)51控制控制器局域網(wǎng)絡(luò)(CAN)控制器56，液晶顯示器(LCD)57和通用串行總線控制器(以下簡稱USB)55。
所述的下位機(jī)跟瞄模塊1通過控制器局域網(wǎng)絡(luò)總線與上位機(jī)信號處理模塊3相連，下位機(jī)的通信模塊2通過以太網(wǎng)與上位機(jī)信號處理模塊3相連。
所述的下位機(jī)通信接收模塊2采用模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD31對APD34光電轉(zhuǎn)換得到的信號進(jìn)行數(shù)字化采樣，由第一DSP完成數(shù)字信號的數(shù)字濾波和去噪，用以太網(wǎng)控制器向上位信號處理模塊發(fā)送數(shù)字化的PPM幀信號。
所述的跟瞄模塊1采用高靈敏度的CCD攝像機(jī)9獲取目標(biāo)信標(biāo)光斑圖像，用視頻AD12將模擬視頻信號數(shù)字化，用第一DSP10完成光斑的捕獲和脫靶量的計(jì)算，MCU13采用光閉環(huán)回路實(shí)現(xiàn)跟蹤控制，把脫靶量信號換算成步進(jìn)電機(jī)的控制脈沖，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器19驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，用兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)Gimbal(萬向軸)機(jī)械構(gòu)架的三維轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的跟蹤和瞄準(zhǔn)。上位信號處理模塊3通過以太網(wǎng)控制器按8個(gè)信道循序分別接收各信道傳送的數(shù)字通信信號，由第三DSP46執(zhí)行空間分集均衡算法，由FPGA48實(shí)現(xiàn)RS糾錯(cuò)編碼的解碼，使用32位的ARM51控制器通過CAN現(xiàn)場總線與下位機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)之間的雙向控制交流，并實(shí)現(xiàn)和USB的接口，能夠方便的與計(jì)算機(jī)PC互連，ARM控制器51通過LCD57實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)信息和通信信息的顯示。
所述的AD31采樣芯片為德州儀器的TLC5510，20MSPS，并行8位輸出AD器件，用于光電信號的數(shù)字化，AD31采樣得到的數(shù)字信號被緩存到第一FIFO32中，F(xiàn)IFO32的型號為IDT72v06，容量為16K*9bit。
所述的第二數(shù)字信號處理器第二DSP37是美國德州儀器公司生產(chǎn)的芯片，作為通信模塊和上位機(jī)信號處理模塊的算法硬件實(shí)現(xiàn)器件，第二DSP37從FIFO32中讀取AD31采樣信號。
所述下位機(jī)的以太網(wǎng)控制器33為Realtek公司的RTL8019AS，10BaseT標(biāo)準(zhǔn)的控制器，內(nèi)部含有16K字節(jié)的SRAM收發(fā)緩沖區(qū)，第二DSP37處理后的數(shù)據(jù)保存到以太網(wǎng)控制器的緩存中再發(fā)送到以太網(wǎng)信道上。
所述的通信模塊的接口邏輯時(shí)序由Altera公司的CPLD30提供，型號為EPM7512AS，具有10K邏輯門的資源容量，光PPM信號的時(shí)序同步和幀同步器由CPLD30的內(nèi)部邏輯資源構(gòu)造。
所述的視頻AD12為Philips公司的SAA7113，能夠自適應(yīng)PAL、NTCS不同制式。SAA7113完成模擬視頻信號的數(shù)字化，通過可編程邏輯的控制，往雙SRAM14、15緩存模式保存視頻信號數(shù)據(jù)，SRAM的型號為CY7C1049B，容量為512K*8bits。
所述的第一數(shù)字信號處理器第一DSP10采用德州儀器的TMS320C6713，內(nèi)部具有8個(gè)并行運(yùn)算單元，32位寬指令，最大指令執(zhí)行速度達(dá)到1600MIPS，能夠滿足進(jìn)行大規(guī)模圖像處理的要求。第一DSP10從SRAM14或SRAM15緩存中獲取圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字圖像的信號處理，并通過SPI接口把處理結(jié)果發(fā)送給微控制器(MCU)13。
所述的跟瞄模塊的上位機(jī)命令傳輸通道為CAN現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)，CAN總線控制器為Philips公司的SJA1000，CAN總線是優(yōu)秀的系統(tǒng)控制總線，能保證控制命令的準(zhǔn)確傳輸，能夠工作在各種具有嚴(yán)重干擾信號的場合。最大傳輸距離達(dá)到1Km，滿足本發(fā)明分布式陣列布局的要求，下位Gimbal接收機(jī)在MCU13的控制下通過CAN總線向上位機(jī)反饋系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)，上位機(jī)則通過CAN總線控制下位Gimbal接收機(jī)的工作模式。
所述的步進(jìn)電機(jī)采用四相混合式步進(jìn)電機(jī)，電機(jī)控制器的型號為L297D，功率放大器型號為L298N，控制器工作在半步模式下，跟瞄模塊的MCU13采用德州儀器的16位單片機(jī)MSP430F149，MCU13控制跟瞄系統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路模塊，實(shí)現(xiàn)整個(gè)Gimbal的轉(zhuǎn)動(dòng)。
所述的上位機(jī)信號處理模塊3采用RTL8019AS作為以太網(wǎng)接口控制器41，以太網(wǎng)與下位機(jī)通信，接收來自下位機(jī)的數(shù)據(jù)送到第二FIFO44(型號為IDT72V06)進(jìn)行緩存，用接收中斷通知第三DSP46，用第三DSP46執(zhí)行空間分集均衡處理，處理完成的結(jié)果保存到第三FIFO49(型號為IDT72V06)。
所述的RS糾錯(cuò)碼解碼器由Altera公司的Cyclone系列FPGA48器件構(gòu)造，F(xiàn)PGA的型號為EP1C12，器件提供了12,060個(gè)LE單元，大約20萬門的邏輯資源。完全能夠滿足RS解碼器的設(shè)計(jì)需求，RS解碼器從第三FIFO49取得經(jīng)過第三DSP46處理后的輸入數(shù)據(jù)。
所述的上位機(jī)主控制器為韓國三星公司的ARM處理器51，型號為S3C44B0X，器件工作在66MHz頻率下，可以運(yùn)行前/后臺模式控制程序，也能運(yùn)行UCOS、ucLiunx等嵌入式操作系統(tǒng)。S3C44B0X接收完成了解調(diào)解碼后的數(shù)據(jù)，負(fù)責(zé)通信結(jié)果的顯示和人機(jī)界面控制管理，S3C44B0X有較強(qiáng)的控制和處理能力，其外擴(kuò)的接口器件包括USB接口，采用Philips公司符合USB1.1標(biāo)準(zhǔn)的控制器PDIUSBD12；CAN接口控制器56采用SJA1000；RS232串行接口；LCD顯示屏57；4*4小控制鍵盤58。
所述的上位機(jī)主信號處理模塊3的接口時(shí)序邏輯由Altera公司的EPM7512AS提供。
下面結(jié)合各個(gè)附圖，具體介紹本發(fā)明中上位機(jī)信號處理模塊3、下位機(jī)通信接收模塊2和下位機(jī)跟瞄模塊1三個(gè)基本模塊的控制電路結(jié)構(gòu)及其工作原理。
參見圖2和圖5，本發(fā)明采用高速、高靈敏度的CCD攝像機(jī)9作為本系統(tǒng)的跟蹤掃描模塊探測器，使用黑白CCD攝像機(jī)，輸出的是黑白全電視信號，模擬視頻信號通過接收機(jī)的S端子或C端子輸入視頻A/D轉(zhuǎn)換器12(型號為Philips公司的SAA7113)，SAA7113器件是8位視頻信號處理器，具有四路模擬輸入通道，通過內(nèi)部兩個(gè)A/D處理通道進(jìn)行數(shù)模變換，使用內(nèi)部集成電路總線(IIC總線)配置。SAA7113的輸出總線信號VPO7～0，能輸出標(biāo)準(zhǔn)的YCrCb(4∶2∶2)16位數(shù)字視頻信號，其中預(yù)濾波亮度信號，一方面經(jīng)過濾波和匹配放大，形成數(shù)字亮度信號，另一方面，用于同步信號的產(chǎn)生。SAA7113外接24.576MHz晶振，通過內(nèi)部鎖相環(huán)(LLC)，輸出27MHz的時(shí)鐘信號。LLC時(shí)鐘信號為像素時(shí)鐘頻率的2倍，每LLC的上升沿輸出一個(gè)字節(jié)的解碼數(shù)據(jù)，可設(shè)置RTS0信號為水平輸出參考信號(行同步信號)，RTS1為垂直輸出參考信號和奇偶場標(biāo)記信號(場同步信號)。
在本發(fā)明的跟瞄模塊1的電路中，見圖5，視頻采樣采用乒乓緩存方式存儲A/D轉(zhuǎn)換得到的視頻圖像數(shù)據(jù)，CCD輸出PAL制式的黑白全電視信號，信號采樣隔行方式輸出，圖像幀的頻率為25Hz，場頻率為50Hz，行頻為625*25＝15625Hz，每幀652行，每場312.5行，除去場同步、前后均衡，場消隱脈沖外，有效的圖像信號為287.5行/場，在本系統(tǒng)中，每行取中間的512個(gè)像素點(diǎn)數(shù)據(jù)，每場取其中的256圖像有效行，則一幀采樣圖像的數(shù)據(jù)量為512*512*8＝2Mbits。由于圖像幀的采樣數(shù)據(jù)量比較大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過一般緩存單元容量，如FIFO和兩口RAM的存儲容量，本發(fā)明采用SRAM14、SRAM15存儲器單元作為視頻跟瞄模塊的圖像緩存，在完成一幀數(shù)字圖像的存儲后，再由DSP器件10通過EDMA通道一次全部讀取和處理，最大程度的降低了第一DSP10的數(shù)據(jù)IO開銷，把盡量多的計(jì)算資源集中到跟瞄算法的實(shí)現(xiàn)和優(yōu)化上。為了防止SRAM中圖像數(shù)據(jù)的保存和讀取同時(shí)進(jìn)行時(shí)可能發(fā)生的沖突，本發(fā)明采用雙SRAM以乒乓方式交替工作在不同的狀態(tài)，即首先把圖像數(shù)據(jù)保存在SRAM14上，同時(shí)第一DSP10讀取SRAM15上的圖像數(shù)據(jù)，然后下一圖像幀，通過CPLD11中的端口選擇切換模塊，第一DSP10讀取SRAM14的圖像數(shù)據(jù)，而A/D采樣數(shù)據(jù)則保存在以被第一DSP10讀取的SRAM15中，如此輪流存儲。相關(guān)的信號為LLC-視頻A/D轉(zhuǎn)換器12視頻采樣時(shí)鐘，RTS0-水平同步信號，RTS1-場同步信號，VPO7～0-數(shù)字視頻信號，以上信號管教連接到CPLD11(型號為EPM7512AE)相應(yīng)的IO接口，由CPLD11的內(nèi)部邏輯對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存和傳輸控制，包括雙SRAM讀寫端口切換模塊的設(shè)計(jì)。由于視頻A/D只有并行數(shù)據(jù)的輸出端口，沒有地址和控制信號輸出，CPLD11還產(chǎn)生SRAM的讀寫控制時(shí)序信號，將視頻A/D采樣得到的圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過CPLD11的內(nèi)部控制單元，寫入到SRAM中。第一DSP10的TD7～0-DSP數(shù)據(jù)信號，TEA20～2-DSP的地址信號，TCE2、TCE3-DSP的片選信號，DSP_OE-DSP讀取使能與CPLD11相連，構(gòu)成SRAM的讀取通道，用第一DSP10的GPIO腳向CPLD11發(fā)送DSP_RDY-DSP已讀取圖像幀數(shù)據(jù)完畢信號，為CPLD11內(nèi)部的幀場切換模塊提供指示信號，每存儲完一幀圖像數(shù)據(jù)，CPLD11內(nèi)部計(jì)數(shù)器及場同步信號RST1和DSP_RDY信號共同決定了SRAM的端口切換。SRAM14、15(型號為CY7C1049B)具有4Mbits的容量，足以容納完整的一幀圖像，SRAM與CPLD11相連的信號為A18～0-地址信號，DO7～0-數(shù)據(jù)信號，CE-片選信號，OE-輸出使能信號，WE-寫入使能信號，兩片SRAM的以上引腳分別與CPLD11相連，構(gòu)成跟瞄處理模塊的圖像寫入通道，以乒乓方式工作時(shí)，兩者分別進(jìn)行視頻A/D數(shù)據(jù)的寫入和第一DSP10圖像數(shù)據(jù)的讀出。
當(dāng)系統(tǒng)上電時(shí)，第一DSP10完成自身的初始化工作后，通過SAA7113(12)的CE信號復(fù)位視頻A/D，通過CPLD11把SRAM的地址映射在第一DSP的CE2空間，內(nèi)部的存儲單元由TCE2和地址引腳TEA20～2選通，由第一DSP的DSP_OE輸出使能信號實(shí)現(xiàn)SRAM的讀取時(shí)序。
視頻A/D12通過IIC接口進(jìn)行配置，第一DSP10(型號為TMS320C6713B)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)IIC接口，在本發(fā)明中，在第一DSP10初始化完成和片選視頻A/D12后，由第一DSP通過IIC總線信號CCD_SCL、CCD_SDA對視頻A/D內(nèi)部的寄存器進(jìn)行設(shè)置，并最后觸發(fā)其工作。
下面說明本發(fā)明中跟瞄電路的第一DSP10器件及其外圍電路，由視頻A/D輸出的數(shù)字圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過CPLD11緩存到SRAM14、15后，由第一DSP10讀取數(shù)據(jù)，并按質(zhì)心算法計(jì)算出反映對準(zhǔn)誤差的信標(biāo)光斑的脫靶量信息。本發(fā)明的第一DSP10器件是美國德州儀器的TMS320C6713B，該第一DSP10是32位器件，采用浮點(diǎn)運(yùn)算，內(nèi)部有8個(gè)并行的指令執(zhí)行單元，在200MHz的時(shí)鐘頻率下，指令的執(zhí)行速度達(dá)到1600MIPS，完全能夠滿足圖像處理的大數(shù)據(jù)量計(jì)算的要求。本系統(tǒng)的跟瞄模塊的重要任務(wù)是從目標(biāo)圖像中提取出反映對準(zhǔn)誤差的脫靶量信息，在第一DSP10中實(shí)現(xiàn)的質(zhì)心算法，雖然不具備目標(biāo)識別的能力，但計(jì)算簡單，有較高的定位精度，能實(shí)時(shí)的完成目標(biāo)對準(zhǔn)偏差的計(jì)算。在理想情況下，質(zhì)心定位精度可達(dá)0.05個(gè)像素，第一DSP10器件將保存在SRAM14、SRAM15中的圖像數(shù)據(jù)讀取，按其排列順序把像素點(diǎn)數(shù)據(jù)值對應(yīng)成為圖像的位置坐標(biāo)的函數(shù)，用SDRAM16中保存算法程序計(jì)算出信標(biāo)光斑的質(zhì)心坐標(biāo)，并將轉(zhuǎn)換得到的脫靶量傳遞給MCU13(型號為MSP430F149)，由MCU13驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)以光閉環(huán)反饋方式跟蹤信標(biāo)光斑，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的跟瞄功能。其中用SDRAM16(型號為MT48LC4M32B)和Flash17(型號為HY29LV160)構(gòu)成第一DSP10運(yùn)行所需的最小系統(tǒng)，F(xiàn)lash17為引導(dǎo)程序存儲器，保存了第一DSP10運(yùn)行所需的程序和數(shù)據(jù)，第一DSP10啟動(dòng)時(shí)，由EDMA從外部存儲空間中將固定長度的代碼段拷貝到內(nèi)部地址0處執(zhí)行。HPI4～3引腳選擇第一DSP10的引導(dǎo)模式，第一DSP10通過外存儲器接口EMIF模塊與SDRAM16和Flash17存儲器實(shí)現(xiàn)接口。同時(shí)，為了方便第一DSP10器件的仿真調(diào)試，本發(fā)明在硬件設(shè)計(jì)中加入了聯(lián)合測試行動(dòng)組JTAG接口，能夠?qū)崟r(shí)中斷第一DSP10的執(zhí)行，查看其內(nèi)部寄存器的狀態(tài)，在實(shí)驗(yàn)中，利用CCS提供的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換插件RTDX，從目標(biāo)第一DSP10系統(tǒng)獲取圖像處理的結(jié)果，由于以上各電路均為常規(guī)電路，本文不再贅述。
這里需要說明的是，第一DSP10與MCU13之間的數(shù)據(jù)交換采用串行外設(shè)接口SPI，這是一種同步通信協(xié)議的接口，所有的傳輸都參考一個(gè)共同的時(shí)鐘。本發(fā)明以第一DSP10作為產(chǎn)生SPI時(shí)鐘的主設(shè)備，而MCU13為從設(shè)備。跟瞄單元的啟動(dòng)順序是，首先MCU13啟動(dòng)，之后復(fù)位第一DSP10(通過DSP_RST信號)，第一DSP10從Flash17引導(dǎo)，第一DSP10初始化完畢后，由其IIC接口，用CCD_SCL和CCD_SDA兩根信號線初始化視頻A/D。MCU13通過復(fù)用SPI接口與第一DSP10通信，獲取圖像處理的結(jié)果，SPI主設(shè)備第一DSP10采用其多通道緩沖串口McBSP實(shí)現(xiàn)SPI接口的功能。在本發(fā)明中，使用以下McBSP引腳實(shí)現(xiàn)SPI接口的功能SCK-同步時(shí)鐘信號，SS-從機(jī)選擇信號，SIMO-主機(jī)輸出/從機(jī)輸入信號，SOMI-主機(jī)輸入/從機(jī)輸出信號。用第一DSP10的McBSP串口通信時(shí)，可選擇的內(nèi)部通知事件方式包括DMA、中斷和輪詢方式，SPI通知事件完成數(shù)據(jù)的雙向傳遞。由于需要傳遞的數(shù)據(jù)量較小，本發(fā)明采用了中斷通知方式。
參見圖6，本發(fā)明的跟瞄模塊電路使用的MCU13(型號為MSP430F149)為德州儀器公司生產(chǎn)的16位微控制器，具有1MIPS的運(yùn)算速度，內(nèi)部含有60Kbit的Flash和2Kbit的RAM，豐富的IO端口資源，能夠完成大多數(shù)系統(tǒng)控制任務(wù)。MCU13具有兩個(gè)復(fù)用的通用同步異步收發(fā)USART單元，能實(shí)現(xiàn)SPI接口功能。本發(fā)明使用USART0作為SPI接口與DSP通信。USART0的SPI管腳與第一DSP10的McBSP通信時(shí)序能夠完全吻合，在它們之間實(shí)現(xiàn)無縫連接的電路。MCU13的P3口的4個(gè)管腳分別與第一DSP10的SCK、SS、SIMO和SOMI信號相連接，并采用中斷信號作為SPI接收數(shù)據(jù)通知事件。
本發(fā)明使用控制器局域網(wǎng)絡(luò)CAN現(xiàn)場總線作為上、下位機(jī)的命令傳輸通道，下位機(jī)的命令接收處理單元屬于跟瞄電路的MCU13模塊，由它根據(jù)上位機(jī)通過CAN總線傳來的命令進(jìn)行相關(guān)Gimbal下位接收機(jī)工作模式的設(shè)置，包括控制Gimbal接收機(jī)的掃描方位，掃描角度的大小，具體的掃描方式，第一DSP10圖像捕獲算法的選擇等，而下位機(jī)也可以通過CAN總線，將接收機(jī)的當(dāng)前狀態(tài)反饋給上位機(jī)，以利用上位機(jī)分集接收信號的協(xié)調(diào)控制，CAN總線能夠在許多條件惡劣或存在電氣干擾的工業(yè)環(huán)境中應(yīng)用，支持多主機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接，最大總線長度達(dá)1km，通信速率為1Mbps。在本發(fā)明中，CAN總線作為上位機(jī)的ARM控制器與8個(gè)下位Gimbal接收機(jī)的命令狀態(tài)傳輸通道。利用CAN總線的優(yōu)秀性能，要完成本發(fā)明的命令狀態(tài)傳輸綽綽有余。硬件上采用微控制器+獨(dú)立CAN控制器的方式實(shí)現(xiàn)CAN總線接口，CAN控制器采用Philips公司的SJA1000(18)，符合CAN2.0B通信標(biāo)準(zhǔn)，用CAN控制器18與MCU13相連接，并采用異步時(shí)序邏輯，相連接的管腳包括SJAD7～0-SJA1000的地址/數(shù)據(jù)復(fù)用管腳，nCS-片選信號，ALE-地址鎖存信號，nRD-數(shù)據(jù)讀取信號，nWR-數(shù)據(jù)寫入信號。本發(fā)明將CAN控制器18的INT中斷信號和nRST復(fù)位信號與MCU13相連，使用MCU13中斷來處理上位機(jī)的命令事件。CAN控制器18能實(shí)現(xiàn)信號的雙向傳輸，采用光耦6N137(23、24)與驅(qū)動(dòng)模塊25(型號為PCA82C250)相連，由CAN控制器18的Tx腳輸出的信號，最終由總線驅(qū)動(dòng)接口以差分?jǐn)?shù)據(jù)信號的形式發(fā)送到CAN信道上(如雙絞線)，而從CAN信道上傳來的差分?jǐn)?shù)據(jù)信號，也首先由驅(qū)動(dòng)接口接收，經(jīng)過光耦器件，傳送給CAN控制器18的Rx腳。
MCU13控制器的主要控制功能之一是控制Gimbal接收機(jī)的動(dòng)力單元，通過步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)整個(gè)Gimbal接收機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的搜索和跟蹤工作，兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)其中一個(gè)為方位角調(diào)整電機(jī)，另外一個(gè)為俯仰角調(diào)整電機(jī)，兩者相結(jié)合，能使Gimbal探測器在全空間4π立體角內(nèi)任意位置上進(jìn)行定位和搜索。在本發(fā)明中，采用微控制器(MCU)13+步進(jìn)電機(jī)控制器(19、20)實(shí)現(xiàn)四相電機(jī)的控制，步進(jìn)電機(jī)控制器(19、20)采用L297D在整步/半步驅(qū)動(dòng)模式下工作，輸入包括CLOCK-步進(jìn)時(shí)鐘信號，CW/nCCW-電機(jī)順時(shí)鐘/逆時(shí)鐘轉(zhuǎn)動(dòng)控制信號，HALF/nFULL-整步/半步控制信號，ENABLE-片選信號，RESET-復(fù)位信號，HOME-初始相位指示信號。由于L297D為5V供電，為了與MCU13的COMS電平兼容，應(yīng)在兩者之間加入緩沖器，如74LVT16245A，L297N(19、20)輸出4相繞組的相位控制電壓A、B、C、D，四相控制電壓由功率放大模塊21、22(型號為L298N)放大，該功放模塊可驅(qū)動(dòng)電壓46V，每相電流2.5A以下的步進(jìn)電機(jī)工作，內(nèi)含兩個(gè)H橋高壓大電流雙橋驅(qū)動(dòng)器，相位控制電壓輸入L298N(21、22)，輸出為OUTPUT4～1為功放后四相電壓的各繞組驅(qū)動(dòng)電壓。MCU13通過通用IO端口P2和P4控制電機(jī)的運(yùn)行方向和速度，而電機(jī)具體的轉(zhuǎn)動(dòng)角度由第一DSP10送來的圖像脫靶量，按立體幾何關(guān)系計(jì)算得到步進(jìn)電機(jī)在方位和俯仰兩個(gè)方向上需要轉(zhuǎn)動(dòng)的步數(shù)，然后由CLOCK引腳以負(fù)脈沖的形式去控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。
MCU13在跟瞄電路上電時(shí)，將復(fù)位各功能器件，復(fù)位信號包括SJA_RST-CAN控制器復(fù)位信號，DSP_RST-DSP復(fù)位信號，BRD_RST-引導(dǎo)Flash復(fù)位信號，MT_RST1、MT_RST2-步進(jìn)電機(jī)控制器復(fù)位信號，此外，MCU13處理CAN控制器18的接收數(shù)據(jù)中斷信號SJA_INT0。
下面介紹本發(fā)明中的通信模塊2，本發(fā)明中下位Gimbal接收機(jī)負(fù)責(zé)接收按PPM格式調(diào)制的光脈沖信號，采用數(shù)字方式接收和處理，前端系統(tǒng)包括卡塞格林Cassegrain式收發(fā)兩用望遠(yuǎn)鏡，作為系統(tǒng)的光學(xué)天線，安裝在可作任意方向轉(zhuǎn)動(dòng)的萬向軸Gimbal上，故下位接收機(jī)稱為Gimbal接收機(jī)。望遠(yuǎn)鏡接收光信號經(jīng)過分束器分束，一方面用于跟瞄模塊的目標(biāo)位置信息輸入，另一方面經(jīng)過光學(xué)聚焦系統(tǒng)聚焦在高靈敏度，小視場的APD34器件上，實(shí)現(xiàn)光信號到模擬電信號的轉(zhuǎn)換，APD34本身應(yīng)具有增益和溫度控制電路，然后對輸出的微弱光電流，首先以互阻抗低噪聲放大，之后加上帶自動(dòng)增益控制AGC的主放單元，輸出幅度符合A/D采樣要求的電壓信號。本發(fā)明是數(shù)字光通信分集接收系統(tǒng)，能在最惡劣的光信道條件下工作。將數(shù)字信號處理算法用于信號檢測之前，通過數(shù)模轉(zhuǎn)換A/D31(型號為TLC5510)把模擬通信電信號數(shù)字化，A/D31為8位高速并行采樣芯片，最高AD轉(zhuǎn)換速率可達(dá)20Mbit/s，AD采樣時(shí)序由CPLD30(型號為EPM7512AS)產(chǎn)生。
參見圖3和圖7，CPLD30內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了PPM數(shù)字鎖相環(huán)時(shí)鐘同步邏輯，鎖相環(huán)在開始時(shí)從一幀寬度中選擇計(jì)數(shù)值最大的一個(gè)時(shí)隙作為脈沖所在時(shí)隙，并在下一幀周期中調(diào)整本振信號的相位，另外，基于模擬信號檢測的部分把被放大后的電信號一路輸入脈沖上升沿檢測電路(由比較器、延遲電路和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器構(gòu)成)，當(dāng)PPM脈沖時(shí)隙起始上升沿到來時(shí)，進(jìn)入一路比較器電路，另一路則經(jīng)過延遲電路后進(jìn)入比較器和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，兩路輸出信號相與后，輸出一個(gè)觸發(fā)信號脈沖作為信號上升沿的確認(rèn)信號，CPLD30中的時(shí)鐘信號同步器將脈沖上升沿時(shí)鐘與本振時(shí)隙同步信號的相位差保存，在收到確認(rèn)信號PPM_AFFIRM后，將在下一時(shí)隙周期對時(shí)隙同步信號調(diào)整相位，保證PPM檢測模塊能夠精確的與發(fā)送端的發(fā)送時(shí)鐘同步。在得到時(shí)隙同步信號后，通過計(jì)數(shù)器分頻，即可得到PPM幀同步信號，同時(shí)，數(shù)字時(shí)隙同步鎖相環(huán)在一個(gè)時(shí)隙周期內(nèi)僅對脈沖上升沿信號響應(yīng)一次，通過以上措施，能大大減小噪聲和毛刺等干擾信號對接收同步的影響。得到的時(shí)隙同步信號和幀同步信號，用于采樣數(shù)據(jù)的PPM信號同步解調(diào)。脈沖上升沿檢測信號通過PPM_PUL信號端口輸入CPLD30，脈沖確認(rèn)信號由PPM_AFFIRM輸入鎖相環(huán)路，鎖相環(huán)路的內(nèi)部邏輯對同步時(shí)鐘進(jìn)行調(diào)整。
數(shù)字鎖相環(huán)輸出的時(shí)隙同步信號的倍頻信號，最好以為8～10倍頻作為AD采樣時(shí)鐘，由CPLD30的ADCLK端口輸出連接到A/D31采樣的時(shí)鐘頻率輸入端。CPLD30讀取AD31變換后得到的8位數(shù)據(jù)，由于AD31采樣為5V的TTL電平，而CPLD30為3.3V的CMOS電平，設(shè)計(jì)中采用了74LVT16245A作為雙向總線隔離器36，與其相連的信號包括ADCLK-A/D31采樣時(shí)鐘信號，ADOE-A/D31輸出使能信號通過隔離器與A/D31相連，而A/D31數(shù)據(jù)信號ADD8～1也經(jīng)過隔離器連接到CPLD，隔離器的兩個(gè)輸出方向信號DIR1、DIR2由CPLD30控制。
本發(fā)明采用了先入先出緩存第一FIFO32技術(shù)，減少第二DSP37用于IO采樣數(shù)據(jù)的時(shí)間，由CPLD30的讀寫時(shí)序把采樣數(shù)據(jù)保存到第一FIFO32中(型號為IDT72V06)，第二DSP37通過EMIF接口讀取第一FIFO32中保存的數(shù)據(jù)。CPLD30工作在全局50MHz時(shí)鐘頻率下，第一FIFO32與CPLD30相連接的管腳包括F1D8～0-FIFO的并行數(shù)據(jù)輸入，F(xiàn)1Q8～0-第一FIFO的并行數(shù)據(jù)輸出，F(xiàn)IFOW-第一FIFO32寫入信號，F(xiàn)IFOR-FIFO32讀取信號，HF-FIFO32半滿信號，EF-FIFO32為空信號，F(xiàn)F-FIFO32為滿信號，RT-讀指針復(fù)位信號。CPLD30內(nèi)部控制邏輯把A/D采樣數(shù)據(jù)通過F1D8～0寫入FIFO32中，并監(jiān)控HF、EF和FF等信號，當(dāng)已保存的采樣數(shù)據(jù)達(dá)到某數(shù)量時(shí)，向第二DSP37(型號為5509AGPE)發(fā)FIFO中斷信號，信號為FIFO_INT，F(xiàn)IFO32數(shù)據(jù)量已足夠的通知信號，第二DSP37收到通知事件后，采用DMA的方式通過CPLD30從FIFO32中讀取若干PPM幀的數(shù)據(jù)。
參見圖3和圖8，Gimbal下位接收機(jī)的通信信號處理器件采用德州儀器的TMS320VC5509A定點(diǎn)運(yùn)算第二DSP37，最大時(shí)鐘頻率200MHz，能提供比原54x系列高得多的性能，在下位機(jī)中用于AD采樣信號的去噪和數(shù)字濾波。去噪算法采用了小波分解軟閾值去噪技術(shù)。實(shí)現(xiàn)信號成分與噪聲成分相分離，提高PPM采樣信號的信噪比。第二DSP37的另一個(gè)功能是將采樣信號根據(jù)時(shí)隙同步和幀同步信號進(jìn)行累加和打包，并從10BaseT以太網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到上位接收機(jī)，此時(shí)第二DSP37輸出的是時(shí)隙速率的PPM數(shù)字信號，在上位機(jī)中進(jìn)行分集均衡處理。
參見圖8，第二DSP37與CPLD30相連的信號包括DSPD15～0-第二DSP37外部數(shù)據(jù)總線，DSPA13～0-第二DSP37外部地址總線，CE1、CE2-FIFO32和以太網(wǎng)控制器選通信號，DSP_R、DSP_W-第二DSP37的異步讀寫信號，F(xiàn)IFO_INT-FIFO32緩存中斷通知信號，ETH_INT-以太網(wǎng)接收數(shù)據(jù)中斷通知，8019_RST-以太網(wǎng)控制器復(fù)位信號，8019_CS-以太網(wǎng)控制器片選信號。第二DSP37用CE1和地址信號通過CPLD30選通FIFO32，然后以異步方式讀取FIFO32的內(nèi)容，一次讀取若干PPM幀，CE2配合地址總線信號選通以太網(wǎng)控制器，并將待發(fā)送的數(shù)據(jù)傳送到以太網(wǎng)控制器33內(nèi)部的SRAM中，通過設(shè)置控制寄存器，啟動(dòng)以太網(wǎng)發(fā)送數(shù)據(jù)，以太網(wǎng)控制器接收數(shù)據(jù)后，以中斷方式，信號為ETH_INT通知第二DSP37，以太網(wǎng)以長的數(shù)據(jù)列構(gòu)成以太網(wǎng)物理幀，特別適合PPM符號的傳輸，即可將若干PPM符號構(gòu)成一數(shù)據(jù)列，再由以太網(wǎng)控制器進(jìn)行打包，按照控制協(xié)議傳送，這完全由控制器硬件電路完成。以太網(wǎng)控制器的初始化由第二DSP37控制，信號為8019_RST和8019_CS，同時(shí)第二DSP37還負(fù)責(zé)控制A/D31和FIFO32的選通。第二DSP37的核心電路由SDRAM38(型號為MT48LC4M16A)和串行SPI EPROM39(型號為CAT25C256)構(gòu)成，第二DSP37通過EMIF接口直接與16位的SDRAM38相連，串行EPROM39則使用第二DSP37的McBSP(多通道緩沖串口)，第二DSP37的引導(dǎo)模式由外部引腳GPIO3～0的電平設(shè)置，用跳線開關(guān)進(jìn)行控制，同時(shí)為了第二DSP37器件的調(diào)試仿真方便，在硬件設(shè)計(jì)中，加入了JTAG接口，以上電路為常規(guī)電路，本文不再贅述。
本發(fā)明中上位接收機(jī)分別接收8個(gè)下位Gimbal通信接收機(jī)檢測的光電數(shù)字信號，下位機(jī)檢測的PPM信號以數(shù)字方式發(fā)送給上位接收機(jī)，考慮到系統(tǒng)的復(fù)雜性、連接的可靠性，網(wǎng)絡(luò)的有效長度和速度等因素，選擇以太網(wǎng)Ethernet41作為上下位機(jī)之間的通信網(wǎng)絡(luò)，采用帶沖突檢測的載波偵聽多路復(fù)用協(xié)議方式通信。采用的以太網(wǎng)控制器33為RTL8019AS，5V電壓供電，支持10Mbps的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.3，10BaseT，在以后系統(tǒng)升級時(shí)，可考慮采用更高速的100M以上以太網(wǎng)接口控制器。本發(fā)明中以太網(wǎng)控制器由第二DSP37的CE2和地址信號通過CPLD30選通，第二DSP37的外部存儲器接口EMIF經(jīng)過緩沖器(型號為74LVT8245)后與以太網(wǎng)控制器33相連，相連的信號包括ETHD7～0-雙向數(shù)據(jù)總線，ETHA4～0-地址總線，8019_RST、8019_CS-控制器復(fù)位和片選信號，8019R、8019W-異步讀寫信好。以太網(wǎng)控制器中斷信號ETH_INT與DSP的INT1外部中斷相連，使用第三DSP46中斷來處理以太網(wǎng)控制器事件，以太網(wǎng)控制器33使用93C46(35)配置，在復(fù)位后即讀取93C46(35)的配置內(nèi)容。以太網(wǎng)的收發(fā)數(shù)據(jù)管腳TPIN±、TPOUT±與包含兩個(gè)傳輸變壓器的20F001N雙絞線驅(qū)動(dòng)收發(fā)器34相連，將系統(tǒng)連接到10BaseT以太網(wǎng)信道上，連接的接口采用UTP(無屏蔽雙絞線)的RJ-45接口。
下面介紹本發(fā)明分集光通信接收系統(tǒng)的上位分集接收機(jī)電路模塊3，在本發(fā)明中上位接收機(jī)收集8個(gè)下位Gimbal通信接收機(jī)以非相干陣列方式接收到的同一目標(biāo)發(fā)出的脈沖位置調(diào)制PPM光信號，該信號可能是經(jīng)過了濃密的云層、擾動(dòng)的大氣湍流、波濤起伏的洋面、百米深的海水，最終才能到達(dá)接收機(jī)的探測器。在最嚴(yán)酷的空間光信道下，光信號的強(qiáng)度可能已被嚴(yán)重削弱，波形發(fā)生了很大的畸變，充斥著背景光干擾信號，本發(fā)明利用先進(jìn)的數(shù)字電子技術(shù)和處理算法，用8個(gè)下位Gimbal通信接收機(jī)以陣列方式接收光信號，在上位處理機(jī)中，使用空間均衡算法使有效接收光信號能量集中到實(shí)際通信時(shí)隙中，以此提高PPM信號解調(diào)的準(zhǔn)確度，并采用Reed-Solomon糾錯(cuò)碼來糾正解調(diào)過程中的可能錯(cuò)誤，通過計(jì)算機(jī)仿真表明對提高接收機(jī)的性能效果很好。
參見圖4和圖9，本發(fā)明中分集接收陣列數(shù)字信號的方法是采用10BaseT的以太網(wǎng)絡(luò)連接，上位機(jī)的以太網(wǎng)接口控制器41(型號為RTL8019AS)通過傳輸變壓器20F001N(43)連接到雙絞線以太網(wǎng)信道，用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)物理傳輸幀格式通信，管腳信號包括ETHD7～0-雙向數(shù)據(jù)信號，ETHA4～0-地址信號，8019_RST、8019_CE-復(fù)位和片選信號，8019_R、8019_W-8019讀寫信號，ETH_INT-接收數(shù)據(jù)中斷通知。CPLD40(型號為EPM7512AE)通過緩沖器對以太網(wǎng)控制器保存的輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行異步讀寫，讀寫信號的時(shí)序和地址(循環(huán)累加)由CPLD40內(nèi)部邏輯產(chǎn)生，CPLD40把以太網(wǎng)控制器內(nèi)部SRAM中的若干PPM幀數(shù)據(jù)讀取并保存到FIFO44(型號為IDT72V06)中，以太網(wǎng)控制器41接收另一信道數(shù)據(jù)，再由CPLD40讀取，如此循環(huán)。CPLD40把讀取的數(shù)據(jù)保存在FIFO44中，F(xiàn)IFO44與CPLD40相連接的管腳為FD8～0-FIFO的輸入數(shù)據(jù)信號，F(xiàn)Q8～0-FIFO44的輸出數(shù)據(jù)信號，HF-FIFO半滿信號，F(xiàn)F-FIFO滿信號，EF-FIFO44空信號，F(xiàn)IFOR，F(xiàn)IFOW-FIFO44異步讀寫信號，RT-FIFO44讀指針復(fù)位信號，RST-FIFO44復(fù)位信號。CPLD40每次從以太網(wǎng)控制器讀取一個(gè)8位數(shù)據(jù)，并立即以異步方式用FIFOW信號，從FD7～0數(shù)據(jù)總線把數(shù)據(jù)寫入FIFO44中，F(xiàn)IFO44內(nèi)部存儲狀態(tài)由三個(gè)狀態(tài)信號EF、FF、HF反饋給CPLD40。在以太網(wǎng)收發(fā)數(shù)據(jù)過程中，接收數(shù)據(jù)是按Gimbal接收機(jī)序號循環(huán)排列的，因此分集信道數(shù)據(jù)在FIFO44中也是按8信道順序有序排列的，用于分集均衡處理的DSP46一次從FIFO44中8信道的若干PPM幀長度數(shù)字序列作為輸入數(shù)據(jù)，CPLD40根據(jù)FIFO44的存儲狀態(tài)信息，向第三DSP46發(fā)送FIFO_INT中斷通知，CPLD40的異步存取時(shí)序由外部50MHz的振蕩器驅(qū)動(dòng)，振蕩器的輸出接GCLK1腳，另外，為了對CPLD40的調(diào)試方便，給CPLD40加上了JTAG接口。
參見圖10，本發(fā)明中第三DSP46負(fù)責(zé)運(yùn)行信道分集空間均衡算法，目的是使多信道陣列接收信號的能量集中到有效時(shí)隙內(nèi)，提高通信解調(diào)的正確性，盡量減小通信的誤碼率。選用的第三DSP46芯片也是德州儀器的產(chǎn)品，型號為TMS320VC5509A，運(yùn)行在200MHz。第三DSP46經(jīng)過CPLD40讀取FIFO44中的數(shù)據(jù)，與CPLD40相連的管腳包括DSPD15～0-DSP外部數(shù)據(jù)信號，DSPA13～0-DSP外部地址信號，F(xiàn)IFO_INT-FIFO44讀取中斷通知信號，DSP_WR-DSP異步寫入信號，DSP_RD-第三DSP46異步讀取信號，CE1-RS解碼器FIFO49選信號，CE2-輸入FIFO44選擇信號，8019_CS-GPIO管腳設(shè)置的8019片選信號，8019_RST-GPIO設(shè)置8019復(fù)位信號，ETH_INT-以太網(wǎng)控制器初始化信號。第三DSP46運(yùn)行空間均衡算法，由FIFO44提供輸入數(shù)據(jù)，DSP采用DMA方式從數(shù)據(jù)總線和地址總線，以異步方式用DSP_RD信號從FIFO44中讀取通信數(shù)據(jù)，讀取過程由FIFO_INT中斷事件觸發(fā)，第三DSP46上運(yùn)行的空間聯(lián)合均衡算法是把8路信道數(shù)據(jù)作為一個(gè)整體輸入均衡器，均衡器采用自適應(yīng)MMSE優(yōu)化準(zhǔn)則或RLS優(yōu)化準(zhǔn)則，通過調(diào)整數(shù)字濾波器各抽頭的參數(shù)，使濾波器自動(dòng)匹配于當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)氐墓庑诺罓顟B(tài)，以此來消除不良的空間信道效應(yīng)影響。計(jì)算機(jī)仿真表明，在高斯白噪聲信道，信道存在ISI干擾的情況下，使用空間分集均衡算法，只需要增加接收信道的數(shù)量，就能夠有效的降低通信系統(tǒng)的無碼率。另外第三DSP46還負(fù)責(zé)對以太網(wǎng)控制器的初始化工作，由DSP46的GPIO引腳與CPLD40相連，設(shè)置ETH_INI信號，第三DSP46的另外兩個(gè)GPIO管腳分別作為以太網(wǎng)控制器41的復(fù)位和片選信號與8019相連，ETH_INI為高電平，第三DSP46的數(shù)據(jù)、地址總線和異步讀取信號被CPLD40映射給以太網(wǎng)控制器41，由第三DSP46完成對控制器的配置。之后ETH_INI取電平，DSP46的片選信號CE1、數(shù)據(jù)、地址總線被CPLD40映射給FIFO44，第三DSP46進(jìn)行常規(guī)的通信數(shù)據(jù)讀取，同時(shí)CPLD40內(nèi)部邏輯完成以太網(wǎng)控制器的數(shù)據(jù)讀出和保存。此時(shí)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中斷通知ETH_INT由CPLD40處理。在第三DSP46完成一段PPM符號的處理和解調(diào)后，按RS編碼幀的格式送入下級電路進(jìn)行RS解碼，在RS解碼器之前，采用FIFO49作為數(shù)據(jù)緩存接口。第三DSP46的片選信號CE1選通FIFO49，使用DMA方式從數(shù)據(jù)總線把一RS數(shù)據(jù)幀異步寫FIFO49中。CPLD(40)與FIFO49相連的信號為FD2.8～0-FIFO49數(shù)據(jù)總線，F(xiàn)IFO49W、FIFO49R-FIFO49異步讀寫信號，HF2、EF2、FF2-FIFO49的存儲狀態(tài)信號，RS2、RT2-FIFO49的復(fù)位和讀指針復(fù)位信號。第三DSP46的核心電路與下位機(jī)通信DSP電路類似，包括與SDRAM45(型號為MT48LC4M16A)和EPI EPROM47(型號為CAT25C256)的連接，為仿真調(diào)試方便，加入了JTAG接口，這些電路都是常規(guī)電路，本文不再贅述。
參見圖10，為了進(jìn)一步降低本發(fā)明系統(tǒng)的通信誤碼率，在本文的空間光通信體系中引入了著名的Reed-Solomon糾錯(cuò)編碼，有很強(qiáng)的信號糾錯(cuò)能力。光PPM信號經(jīng)過前面兩塊DSP器件的濾波、去噪和空間均衡處理后，已經(jīng)達(dá)到了物理信號處理手段所能提升通信質(zhì)量的極限，在本文的方案中，以Shannon的信息論為基礎(chǔ)，適當(dāng)?shù)脑黾有畔⒌娜哂喑潭葹榇鷥r(jià)，從系統(tǒng)的整體信息傳輸方面入手，采用RS糾錯(cuò)編碼為信息符號加入適當(dāng)?shù)募m錯(cuò)符號，來實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)在最嚴(yán)酷通信環(huán)境下達(dá)到盡可能好的通信質(zhì)量。RS解碼器位于DSP46之后，其輸入數(shù)據(jù)通過讀取第三DSP46緩存在FIFO49中的RS幀格式符號得到，RS解碼器本身規(guī)模較大，在本文中，采用Altera公司的大規(guī)模FPGA器件構(gòu)建，F(xiàn)PGA48的型號為Cyclone EPlC12Q，包含了12,060個(gè)Les，大約有20萬門，足以應(yīng)付最復(fù)雜的RS解碼器設(shè)計(jì)需要，與FPGA48相連接的信號包括FQ2.7～0-FIFO49的輸出數(shù)據(jù)信號，F(xiàn)IFO49_RD-FIFO49異步讀取信號，F(xiàn)IFO49_INT-FIFO49接收數(shù)據(jù)中斷通知，RS_CS-RS解碼器的選通信號，ARMD7～0-ARM外部數(shù)據(jù)信號，ARMA3～0-ARM的地址總線信號，GCS3-ARM的第3存儲空間段選通信號，RS_RST-FPGA的內(nèi)部RAM讀指針復(fù)位信號，ARM_OE-ARM異步讀取FPGA48內(nèi)部RAM信號，RS_DONE-RS譯碼完畢中斷通知信號。在FPGA48進(jìn)行RS解碼之前，首先從FIFO49(49)中讀取一RS幀大小的PPM符號數(shù)據(jù)，當(dāng)FIFO49_INT緩存數(shù)據(jù)準(zhǔn)備完畢中斷消息到來時(shí)，啟動(dòng)由累加器控制的RS解碼讀數(shù)進(jìn)程，累加器既作為計(jì)數(shù)器，又作為內(nèi)部RAM1地址的發(fā)生器，以讀滿一RS幀為準(zhǔn)，之后復(fù)位累加器，讀取進(jìn)程休眠，直到新的讀取通知到來。同時(shí)，RS解碼進(jìn)程啟動(dòng)，將RAM1中保存的編碼數(shù)據(jù)解碼，具體算法為Berlekamp-Massey算法，該算法進(jìn)程實(shí)現(xiàn)RS解碼。RS解碼包括以下幾個(gè)相接單元模塊校正子的計(jì)算；BM迭代過程的實(shí)現(xiàn)；Chien搜索電路等。在RS解碼過程中采用了狀態(tài)機(jī)和流水線等技術(shù)，提高了解碼器的運(yùn)行效率。在RS解碼進(jìn)程完成解碼后，把結(jié)果保存在RAM2中，并向ARM51讀取進(jìn)程向ARM51開放接口。RS_DONE中斷信號通知ARM51本次RS幀解碼已經(jīng)完成，ARM51接到中斷信號后，首先用RS_RST信號復(fù)位RAM2的讀指針，再用異步讀信號ARM_OE驅(qū)動(dòng)FPGA48內(nèi)部的讀取進(jìn)程，把RAM2的數(shù)據(jù)放置到ARM51的數(shù)據(jù)總線上ARMD7～0上，F(xiàn)PGA48讀取進(jìn)程的讀取使能由ARM51的GCS3存儲空間選擇信號選通，在沒有被選中時(shí)，讀取進(jìn)程不啟動(dòng)，ARMD7～0總線為高阻。FPGA48的上電初始化由ARM51的RS_CS信號控制，當(dāng)RS_CS觸發(fā)后，F(xiàn)PGA48自動(dòng)開始配置，配置芯片為EPCS4，采用同步串行被動(dòng)(PS)方式進(jìn)行。另外，本發(fā)明在硬件設(shè)計(jì)中加入了JTAG接口，以方便FPGA48的調(diào)試，由于這是常規(guī)電路，本文不再贅述。FPGA48的時(shí)鐘采用外接50MHz振蕩器提供，并由內(nèi)部PLL倍頻后作為全局時(shí)鐘信號使用。
參見圖11，在本發(fā)明中，使用32位的ARM處理器51作為整個(gè)系統(tǒng)的核心控制器，具體型號為韓國三星公司的S3C44BOX(內(nèi)含ARM7TDMI內(nèi)核)，最高時(shí)鐘頻率為66MHz，主要功能為控制整個(gè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)(通過CAN現(xiàn)場總線傳遞命令信號)，通過LCD顯示屏57以字符或圖像的形式把當(dāng)前通信內(nèi)容顯示出來，用RS232串口54和USB接口55與PC機(jī)互連通信，在本接收系統(tǒng)和PC之間傳遞數(shù)據(jù)命令和狀態(tài)信息。通過行列式4*4鍵盤58輸入實(shí)現(xiàn)對接收系統(tǒng)工作狀態(tài)的手動(dòng)設(shè)置和調(diào)整。ARM控制器51上電后，復(fù)位各個(gè)功能模塊，ARM51的GPIO端口輸出SYS_RST系統(tǒng)復(fù)位信號脈沖，CPLD40分別產(chǎn)生RS_RST-RS解碼器FPGA48復(fù)位信號，DSP_RST-DSP重新復(fù)位引導(dǎo)信號，D12_RST-USB控制器復(fù)位信號。ARM51與LCD控制器的接口信號為VD7～0-三態(tài)圖像數(shù)據(jù)總線，VFRAME-LCD圖像幀同步信號，VLINE-LCD的圖像行同步信號，VCLK-LCD的圖像像素輸出時(shí)鐘信號，VM-LCD變極性信號，用于轉(zhuǎn)變行列電壓的極性，實(shí)現(xiàn)像素的亮滅開關(guān)，此時(shí)LCD顯示器以掃描方式工作。ARM51在接收到通信數(shù)據(jù)后，通過LCD57接口把信息顯示出來，同時(shí)也可以顯示當(dāng)前系統(tǒng)的工作模式和通信狀態(tài)，指導(dǎo)用戶使用鍵盤控制系統(tǒng)的運(yùn)行。ARM控制器51與USB控制器55(型號為PDIUSBD12)相連接的信號為ARMD7～0-ARM51數(shù)據(jù)總線信號，A0-數(shù)據(jù)/命令選擇信號，D12_RST-USB控制器復(fù)位信號，ARM_RD-ARM異步讀取信號，ARM_WR-ARM51異步寫入信號，D12 CS-USB控制器55片選信號。USB控制器55的最高速率可達(dá)2Mb/s，USB接口電路將從ARM51數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成USB的PID數(shù)據(jù)包，以差分信號的形式有D+、D-數(shù)據(jù)線發(fā)送到USB信道上，PC機(jī)也可以通過USB信道給通信系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)包，由USB控制器D12接收，通過D12_INT中斷通知ARM控制器51。CAN總線控制器56(型號為SJA1000)與ARM51相連的信號為ARMD7～0-ARM51雙向數(shù)據(jù)總線信號，CAN_CS-CAN控制器56片選信號，ALE-地址鎖存信號，RD-異步讀取信號，WR-異步寫入信號，CAN_INT-數(shù)據(jù)接收中斷信號。ARM51將向下位機(jī)的控制信號通過CAN控制器56的TxD+、TxD-以差分信號的形式，經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)發(fā)送變壓器59發(fā)送到10BaseT的以太網(wǎng)信道。下位機(jī)的狀態(tài)信號也在10BaseT的以太網(wǎng)信道上傳輸，經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)接收變壓器被CAN控制器56的RxD+、RxD-管腳接收。
本發(fā)明全數(shù)字化空間光通信陣列信號分集接收系統(tǒng)，經(jīng)分析和初步實(shí)驗(yàn)有望在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)、任何條件下，實(shí)現(xiàn)兩通信節(jié)點(diǎn)間的高速數(shù)據(jù)鏈路級通信連接。
權(quán)利要求
1.一種全數(shù)字化空間光通信陣列信號分集接收系統(tǒng)，其特征在于包括一個(gè)上位接收機(jī)和多臺安裝在各自的萬向軸旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上的下位通信接收機(jī)，每臺下位通信接收機(jī)具有下位機(jī)跟瞄模塊(1)和下位機(jī)通信接收模塊(2)，上位接收機(jī)具有上位機(jī)信號處理模塊(3)所述的下位機(jī)跟瞄模塊(1)的構(gòu)成為視頻模數(shù)變換器(12)與電荷耦合器件探測器(9)相連，通過第一復(fù)雜可編程邏輯(11)連接第一靜態(tài)隨機(jī)存儲器(14)和第二靜態(tài)隨機(jī)存儲器(15)，第一數(shù)字信號處理器(10)通過所述的復(fù)雜可編程邏輯器(11)連接到第一靜態(tài)隨機(jī)存儲器(14)和第二靜態(tài)隨機(jī)存儲器(15)，微控制器(13)與第一數(shù)字信號處理器(10)相連，該微控制器(13)分別連接第一控制器局域網(wǎng)絡(luò)控制器(18)和下位通信接收機(jī)安裝的萬向軸軸旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器(19)，第一數(shù)字信號處理器(10)與同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲器(16)和閃存(17)相連；所述的下位機(jī)通信模塊(2)的構(gòu)成是雪崩光電二極管(34)與模數(shù)變換器(31)相連，該模數(shù)變換器(31)通過第二復(fù)雜可編程邏輯(30)與第一先入先出緩存(32)相連，第二數(shù)字信號處理器(37)通過第二復(fù)雜可編程邏輯(30)連接到以太網(wǎng)控制器(33)，第二數(shù)字信號處理器(37)和第一先入先出緩存(32)相連，第二數(shù)字信號處理器(37)與同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲器(38)和串行可擦除只讀存儲器(39)相連；上位機(jī)信號處理模塊(3)的構(gòu)成為第三數(shù)字信號處理器(46)通過第三復(fù)雜可編程邏輯(40)分別連接到以太網(wǎng)控制器(41)、第二先入先出緩存器(44)和第三先入先出緩存器(49)，第三先入先出緩存器(49)與現(xiàn)場可編程門陣列(48)相連，現(xiàn)場可編程門陣列(48)與先進(jìn)精簡指令集處理器(51)相連，該先進(jìn)精簡指令集處理器(51)分別連接第二控制器局域網(wǎng)絡(luò)控制器(56)、液晶顯示器(57)和通用串行總線控制器(55)，第三數(shù)字信號處理器(46)與同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲器(45)和串行可擦除只讀存儲器(47)相連；所述的下位機(jī)跟瞄模塊(1)通過控制器局域網(wǎng)絡(luò)總線與上位機(jī)信號處理模塊(3)的第二控制器局域網(wǎng)絡(luò)控制器(56)相連，下位機(jī)的通信模塊(2)的以太網(wǎng)控制器(33)通過以太網(wǎng)與上位機(jī)信號處理模塊(3)的以太網(wǎng)控制器(41)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全數(shù)字化空間光通信陣列信號分集接收系統(tǒng)，其特征在于所述的上位機(jī)信號處理模塊(3)還設(shè)有通用串行接口，該接口可通過通用串行總線與其它計(jì)算機(jī)相連。
全文摘要
一種全數(shù)字化空間光通信陣列信號分集接收系統(tǒng)，其特點(diǎn)是包括一個(gè)上位接收機(jī)和多臺安裝在各自的萬向軸旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上的下位通信接收機(jī)，每臺下位通信接收機(jī)具有下位機(jī)跟瞄模塊和下位機(jī)通信接收模塊，上位接收機(jī)具有上位機(jī)信號處理模塊，每臺下位通信接收機(jī)獨(dú)立地在全空間角對信號源掃描和跟蹤，并與之通信。本發(fā)明采用多接收機(jī)組成接收陣列方案，能夠應(yīng)用在條件嚴(yán)酷的空間激光信道中，包括衛(wèi)星的大氣海洋信道，水下目標(biāo)的海水信道。能以數(shù)字信號形式，綜合傳輸文字、圖像和語音信號，用于民用或軍事目的高可靠性激光通信。
文檔編號H04B10/158GK1988432SQ20061014807
公開日2007年6月27日 申請日期2006年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月27日
發(fā)明者梁波, 陳衛(wèi)標(biāo) 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所