專利名稱：一種基于soc及rfic的微型變速率通信模塊及通信方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于SOC及RFIC的微型變速率通信模塊及通信方法，屬于航天 應(yīng)用領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
小衛(wèi)星編隊飛行是目前國內(nèi)外研究的一塊嶄新的領(lǐng)域，多顆小衛(wèi)星編隊飛行， 共同執(zhí)行空間任務(wù)，來完成單顆大衛(wèi)星完成的任務(wù)，可以大大地提高系統(tǒng)的抗干擾性能 和抗摧毀能力。在編隊飛行過程中，為了有效地利用每一個小衛(wèi)星以完成復(fù)雜的航天任 務(wù)，各個微小衛(wèi)星間必須建立可靠的通信，通過星間鏈路使多顆衛(wèi)星形成可靠的空間通 信網(wǎng)絡(luò)。目前，為了保證通信的可靠性和有效性，在星間距離較近時有效性高，距離較 遠時又能可靠通信，可采用變速率通信方案當(dāng)星間距離較遠時，采用低通信速率進行 通信，星間僅交互狀態(tài)等少量信息，保證通信的可靠性；當(dāng)星間距離較近時，需進行編 隊飛行，星間信息交互量較大，則進行高碼速率通信，保證通信的有效性。對于變速率 通信，目前僅有SURREY大學(xué)研制的衛(wèi)星中，根據(jù)仰角改變通信幀的長度進行通信的方 案；由于星間的相對運動導(dǎo)致了多普勒效應(yīng)從而造成了接收的誤碼，而目前國內(nèi)外多采 用發(fā)送和接收載波利用鎖相環(huán)鎖相的方式來抑制多普勒效應(yīng)，設(shè)備復(fù)雜并且造價昂貴， 不適合應(yīng)用于微小衛(wèi)星。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是為了解決現(xiàn)有編隊飛行的衛(wèi)星間通信無法保證可靠性和有效性問 題，提供了一種基于SOC及RFIC的微型變速率通信模塊及通信方法。
本發(fā)明所述一種基于SOC及RFIC的微型變速率通信模塊，它包括低噪聲放大 器及功放模塊、射頻集成電路和SOC處理器，SOC處理器的數(shù)據(jù)總線與系統(tǒng)總線連接， SOC處理器的射頻通信端口與射頻集成電路的數(shù)據(jù)通信端相連，射頻集成電路的信號接 收和發(fā)射端與低噪聲放大器及功放模塊和天線相連。
基于上述模塊的通信方法作為發(fā)射端的通信模塊的工作模式為直接模式，并 且對發(fā)送數(shù)據(jù)按曼徹斯特碼進行編碼，作為接收端的工作模塊為直接模式，
發(fā)送端的數(shù)據(jù)發(fā)射過程為
根據(jù)通信所需碼速率及最高碼速率計算出每一位的重復(fù)次數(shù)Ntl，將每一位調(diào)制 并發(fā)送Ntl次后，再發(fā)送下一位，直至整幀數(shù)據(jù)發(fā)送完成；
接收端的數(shù)據(jù)接收過程為
步驟一、對接收的數(shù)據(jù)進行解調(diào)；
步驟二、對解調(diào)后的數(shù)據(jù)進行預(yù)處理；
步驟三、對預(yù)處理后的數(shù)據(jù)進行位同步處理，完成對接收數(shù)據(jù)的編碼，得到與 發(fā)送端相同的數(shù)據(jù)。
本發(fā)明的優(yōu)點設(shè)計出信道編碼的方案來改變通信的碼速率，通過將波形展4寬來降低接收的誤碼率，同時，接收端多次取平均的方案接收數(shù)據(jù)，保證了接收的信噪 比，同時采用一種新型數(shù)字鎖相環(huán)使接收數(shù)據(jù)和時鐘鎖定在發(fā)送端上，可以有效改善多 普勒效應(yīng)及頻率漂移造成的誤碼。
發(fā)送端數(shù)據(jù)按曼徹斯特碼進行編碼，由于碼間的漢明距離增大了導(dǎo)致了冗余的 增加，從而進一步提高了通信的可靠性。


圖1是本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)示意圖2是發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)編碼圖3是接收端過程原理框圖4是預(yù)處理過程原理框圖5是時鐘再生原理框圖6是數(shù)據(jù)再生原理框圖7是發(fā)送長0時的錯誤編碼圖。
具體實施方式
具體實施方式
一下面結(jié)合圖1說明本實施方式，本實施方式所述一種基于 SOC及RFIC的微型變速率通信模塊，它包括低噪聲放大器及功放模塊1、射頻集成電路 2和SOC處理器3，SOC處理器3的射頻通信端口與射頻集成電路2的數(shù)據(jù)通信端相連， 射頻集成電路2的信號接收和發(fā)射端與低噪聲放大器及功放模塊1和天線相連。
射頻集成電路2(RFIC)由發(fā)射模塊和接收模塊集成，發(fā)射模塊和接收模塊的核 心器件均采用nRFMOl射頻芯片。
SOC處理器3的可擴展對外接口包括CAN總線接口、485總線接口、A/D轉(zhuǎn)換接口、D/A轉(zhuǎn)換接口、OC接口及射頻通信接口。
本實施方式所述模塊應(yīng)用于星載計算機時，模塊中的SOC處理器3的數(shù)據(jù)總線 與系統(tǒng)總線連接。
具體實施方式
二下面結(jié)合圖2至圖7說明本實施方式，基于實施方式一所述的 一種基于SOC及RFIC的微型變速率通信模塊的通信方法，實施方式一提供的基于SOC 及RFIC的微型變速率通信模塊是航天器微型通信平臺，具有重量小，體積小，高功能密 度，能夠適應(yīng)編隊飛行環(huán)境的特性，本實施方式提供的方法是利用SOC及RFIC技術(shù)，可 根據(jù)不同的通信距離選擇不同的通信速率；可對多普勒效應(yīng)及干擾造成的碼速率漂移及 錯誤進行一定的糾正，大大增加通信的可靠性；并具有標準化的通信接口，可快速靈活 地適配不同小衛(wèi)星，實現(xiàn)面向飛行任務(wù)的柔性化集成；具有批量化生產(chǎn)的優(yōu)勢，可以實 現(xiàn)微型航天器研制的低成本和短周期；具有高效的星間通信功能，可以靈活地實現(xiàn)分布 式空間應(yīng)用，極大地減小了星間通信設(shè)備的體積，增強了傳統(tǒng)星間通信設(shè)備的通信有效 性和可靠性。
作為發(fā)射端的通信模塊的工作模式為直接模式，并且對發(fā)送數(shù)據(jù)按曼徹斯特碼 進行編碼，作為接收端的工作模塊為直接模式，
發(fā)送端的數(shù)據(jù)發(fā)射過程為
根據(jù)通信所需碼速率及最高碼速率計算出每一位的重復(fù)次數(shù)Ntl，將每一位調(diào)制 并發(fā)送Ntl次后，再發(fā)送下一位，直至整幀數(shù)據(jù)發(fā)送完成；
接收端的數(shù)據(jù)接收過程為
步驟一、對接收的數(shù)據(jù)進行解調(diào)；
步驟二、對解調(diào)后的數(shù)據(jù)進行預(yù)處理；
步驟三、對預(yù)處理后的數(shù)據(jù)進行位同步處理，完成對接收數(shù)據(jù)的編碼，得到與 發(fā)送端相同的數(shù)據(jù)。
在直接模式下通過信道編解碼的方式來改變通信的碼速率，通過將波形展寬來 降低接收的誤碼率。
在接收端，需對編碼后的數(shù)據(jù)進行解調(diào)、預(yù)處理及位同步，得到與發(fā)送端相同 的數(shù)據(jù)。其中，射頻信號的解調(diào)由nRFMOl芯片自動完成，預(yù)處理過程和位同步過程 用于解調(diào)后的重復(fù)碼形式的基帶數(shù)據(jù)的解碼及同步，位同步過程包括時鐘再生和數(shù)據(jù)再 生。接收端原理框圖如圖3所示。
步驟二對解調(diào)后的數(shù)據(jù)進行預(yù)處理的過程為
步驟21、按照周期T對解調(diào)后的數(shù)據(jù)進行采樣，1 μ GT^lms ；
步驟22、對采樣獲取的數(shù)據(jù)平均分為2 5個區(qū)；
步驟23、將每個區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)取平均值；
步驟Μ、將每個區(qū)的平均值數(shù)據(jù)存儲起來，完成預(yù)處理過程。
上述預(yù)處理過程的原理框圖如圖4所示，需將解調(diào)后的數(shù)據(jù)按照一定的周期進 行采樣，并將采樣后的數(shù)據(jù)按照通信碼速率進行分塊，將每一比特的時間內(nèi)采到的數(shù)據(jù) 均分為三個數(shù)據(jù)區(qū)后將每區(qū)數(shù)據(jù)取平均，將取平均后的3個二進制數(shù)移位存入8位移位寄 存器中待后續(xù)處理。
步驟三的位同步處理包括時鐘再生和數(shù)據(jù)再生兩個過程，時鐘再生過程產(chǎn)生的 時鐘信號用于數(shù)據(jù)再生的采樣時鐘脈沖，
時鐘再生過程為
步驟31、對預(yù)處理后的數(shù)據(jù)進行數(shù)字濾波處理；
步驟32、對濾波后的數(shù)據(jù)進行邊沿檢測；
步驟33、對檢測后的數(shù)據(jù)進行超前/滯后鑒相處理；
步驟34、步驟33鑒相處理后同時輸出給加/減沿式低通濾波處理，然后經(jīng)過壓 控振蕩器后反饋用于超前/滯后鑒相處理的輸入信號；同時，鑒相處理后形成的時鐘脈 沖用于數(shù)據(jù)再生的采樣時鐘脈沖；
時鐘再生模塊使接收端本地時鐘鎖定在輸入時鐘上，使收發(fā)頻率有偏差或有多 普勒頻移時接收機仍可保持與發(fā)射機同步。時鐘再生模塊由數(shù)字低通濾波器、邊沿檢測 模塊及數(shù)字鎖相環(huán)組成，原理框圖如圖5所示。
步驟31中數(shù)字濾波處理采用3位的平滑濾波器完成。對預(yù)處理后8位寄存器中 的數(shù)據(jù)進行濾波，并對濾波后的數(shù)據(jù)進行邊沿檢測，得到數(shù)據(jù)的跳變點，用跳變點來調(diào) 整本地時鐘。
超前/滯后鑒相、加/減沿式低通濾波和壓控振蕩共同組成了數(shù)字鎖相環(huán)，超前 /滯后鑒相采用鑒相器完成，加/減沿式低通濾波采用低通濾波器完成，壓控振蕩采用壓6控振蕩器(DCO)完成；
數(shù)字鎖相環(huán)完成時鐘同步的工作過程為鑒相器判斷數(shù)據(jù)跳變點與本地時鐘的 相位差是否大于η，若大于，則經(jīng)過低通濾波器后輸出控制信號使壓控振蕩器時鐘超前 2 π/3，否則控制壓控振蕩器時鐘滯后2 π/3，使本地壓控振蕩器時鎖定在輸入信號相位 上，完成時鐘的同步。
數(shù)據(jù)再生過程為
按照時鐘再生生成的采樣時鐘脈沖對預(yù)處理后的數(shù)據(jù)進行采樣，采樣的原則 為對預(yù)處理后8位寄存器中間三位數(shù)據(jù)取平均值，作為再生后的數(shù)據(jù)。如圖6所示。
對于0-1跳變的信號來說，糾正效果最好，參見圖7，當(dāng)數(shù)據(jù)中存在長0和長1 的時候，產(chǎn)生頻率漂移時會產(chǎn)生錯誤，見圖8，當(dāng)發(fā)送15個0時，接收到的數(shù)據(jù)始終為 00000000,所以會判決為0，移動3位，會判決成20個0，這樣就會發(fā)生錯誤。
為了避免發(fā)送的數(shù)據(jù)中出現(xiàn)長0和長1，我們采用編碼的方法將數(shù)據(jù)編為曼徹斯 特碼，即0編為01，1編為10，這樣每一比特信號自身就會產(chǎn)生跳變，避免了發(fā)送長0和 長1的情況，不但可以解決上述問題，而且由于碼間的漢明距離增大了導(dǎo)致了冗余的增 加，從而進一步提高了通信的可靠性。
權(quán)利要求
1.一種基于SOC及RFIC的微型變速率通信模塊，其特征在于，它包括低噪聲放大器 及功放模塊⑴、射頻集成電路⑵和SOC處理器⑶，SOC處理器⑶的射頻通信端口 與射頻集成電路(2)的數(shù)據(jù)通信端相連，射頻集成電路(2)的信號接收和發(fā)射端與低噪聲 放大器及功放模塊(1)和天線相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于SOC及RFIC的微型變速率通信模塊，其特征在 于，SOC處理器(3)采用C8051F040型號單片機。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于SOC及RFIC的微型變速率通信模塊，其特征在 于，射頻集成電路(2)由發(fā)射模塊和接收模塊集成，發(fā)射模塊和接收模塊的核心器件均 采用nRF2401射頻芯片。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于SOC及RFIC的微型變速率通信模塊，其特征在 于，SOC處理器(3)的可擴展對外接口包括CAN總線接口、485總線接口、A/D轉(zhuǎn)換接 口、D/A轉(zhuǎn)換接口、OC接口及射頻通信接口。
5.基于權(quán)利要求1所述的一種基于SOC及RFIC的微型變速率通信模塊的通信方法， 其特征在于，作為發(fā)射端的通信模塊的工作模式為直接模式，并且對發(fā)送數(shù)據(jù)按曼徹斯 特碼進行編碼，作為接收端的工作模塊為直接模式，發(fā)送端的數(shù)據(jù)發(fā)射過程為根據(jù)通信所需碼速率及最高碼速率計算出每一位的重復(fù)次數(shù)Ntl，將每一位調(diào)制并發(fā) 送Ntl次后，再發(fā)送下一位，直至整幀數(shù)據(jù)發(fā)送完成； 接收端的數(shù)據(jù)接收過程為 步驟一、對接收的數(shù)據(jù)進行解調(diào)； 步驟二、對解調(diào)后的數(shù)據(jù)進行預(yù)處理；步驟三、對預(yù)處理后的數(shù)據(jù)進行位同步處理，完成對接收數(shù)據(jù)的編碼，得到與發(fā)送 端相同的數(shù)據(jù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于SOC及RFIC的微型變速率通信方法，其特征在 于，步驟二對解調(diào)后的數(shù)據(jù)進行預(yù)處理的過程為步驟21、按照周期T對解調(diào)后的數(shù)據(jù)進行采樣，1 μ KT^lms; 步驟22、對采樣獲取的數(shù)據(jù)平均分為2 5個區(qū)； 步驟23、將每個區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)取平均值； 步驟24、將每個區(qū)的平均值數(shù)據(jù)存儲起來，完成預(yù)處理過程。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于SOC及RFIC的微型變速率通信方法，其特征在 于，步驟三的位同步處理包括時鐘再生和數(shù)據(jù)再生兩個過程，時鐘再過程產(chǎn)生的時鐘信 號用于數(shù)據(jù)再生的采樣時鐘脈沖，時鐘再生過程為步驟31、對預(yù)處理后的數(shù)據(jù)進行數(shù)字濾波處理；步驟32、對濾波后的數(shù)據(jù)進行邊沿檢測；步驟33、對檢測后的數(shù)據(jù)進行超前/滯后鑒相處理；步驟34、步驟33鑒相處理后同時輸出給加/減沿式低通濾波處理，然后經(jīng)過壓控振 蕩器后反饋用于超前/滯后鑒相處理的輸入信號；同時，鑒相處理后形成的時鐘脈沖用 于數(shù)據(jù)再生的采樣時鐘脈沖；數(shù)據(jù)再生過程為按照時鐘再生生成的采樣時鐘脈沖對預(yù)處理后的數(shù)據(jù)進行采樣，采樣的原則為對 預(yù)處理后8位寄存器中間三位數(shù)據(jù)取平均值，作為再生后的數(shù)據(jù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種基于SOC及RFIC的微型變速率通信方法，其特征在 于，步驟31中數(shù)字濾波處理采用3位的平滑濾波器完成。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種基于SOC及RFIC的微型變速率通信方法，其特征在 于，超前/滯后鑒相、加/減沿式低通濾波和壓控振蕩共同組成了數(shù)字鎖相環(huán)，超前/滯 后鑒相采用鑒相器完成，加/減沿式低通濾波采用低通濾波器完成，壓控振蕩采用壓控 振蕩器完成；數(shù)字鎖相環(huán)完成時鐘同步的工作過程為鑒相器判斷數(shù)據(jù)跳變點與本地時鐘的相 位差是否大于n，若大于，則經(jīng)過低通濾波器后輸出控制信號使壓控振蕩器時鐘超前 2 π/3，否則控制壓控振蕩器時鐘滯后2 π/3，使本地壓控振蕩器時鎖定在輸入信號相位 上，完成時鐘的同步。
全文摘要
一種基于SOC及RFIC的微型變速率通信模塊及通信方法，屬于航天應(yīng)用領(lǐng)域，本發(fā)明為解決現(xiàn)有編隊飛行的衛(wèi)星間通信無法保證可靠性和有效性問題。本發(fā)明所述變速率通信模塊包括低噪聲放大器及功放模塊、射頻集成電路和SOC處理器?；谏鲜瞿K的通信方法作為發(fā)射端的通信模塊的工作模式為直接模式，并且對發(fā)送數(shù)據(jù)按曼徹斯特碼進行編碼，作為接收端的工作模塊為直接模式，發(fā)送端的數(shù)據(jù)發(fā)射過程為根據(jù)通信所需碼速率及最高碼速率計算出每一位的重復(fù)次數(shù)N0，將每一位調(diào)制并發(fā)送N0次后，再發(fā)送下一位，直至整幀數(shù)據(jù)發(fā)送完成；接收端的數(shù)據(jù)接收過程為解調(diào)；預(yù)處理；位同步，得到與發(fā)送端相同的數(shù)據(jù)。
文檔編號H04L1/00GK102025452SQ20101059119
公開日2011年4月20日 申請日期2010年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月16日
發(fā)明者徐國棟, 施梨, 曹星慧, 李化義, 董立珉 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)