定向通信系统中的高动态接收控制实现方法与流程

1.本发明涉及定向通信系统技术领域，特别是一种定向通信系统中的高动态接收控制实现方法。


背景技术：

2.微波频段的宽带数据传输设备常采用相控阵天线设计，以获得收发定向天线增益，达到远距离高速数据传输的目的。但是在多个节点的组网应用中，由于收发节点所处的距离远近不一样，多阵元的相控阵天线的等效辐射功率(eirp)较大，远、近距离接收的信号电平差异较大，对于高阶线性调制系统，存在高动态线性接收问题。
3.针对无线通信系统中存在的远近距离产生的高动态信号接收问题，对于采用连续波的通信设备，常采用模拟和数字增益控制方法。模拟自动增益控制方法采用模拟信号强度检测电压来自动控制射频放大增益；数字自动增益控制方法采用数字信号处理技术检测信号强度自动控制射频放大增益。模拟信号强度检测不能识别信号，易受强干扰影响触发错误的增益控制而导致通信异常；数字信号强度检测方式的自动增益控制较可靠，但是数字信号识别、强度检测需要处理时间，一般在几微秒至几十微秒，对于某些收发业务时隙较短的时分多址接入(tdma)的组网应用，若采用数字自动增益控制，将影响数据传输效率，降低网络容量。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种定向通信系统中的高动态接收控制实现方法，解决tdma高速数据组网定向业务通信存在的高动态问题，同时提高tdma组网系统的高速数据传输效率以及网络容量。
5.实现本发明目的的技术解决方案为：一种定向通信系统中的高动态接收控制实现方法，包括以下步骤：
6.步骤1、在微波暗室校准相控阵天线近距离定向发射至接收天线口面的信号强度，按照自由空间传输损耗理论推算在设定的典型通信距离下满功率发射至接收天线口面的信号强度；
7.步骤2、在微波暗室通过衰减器调整发端天线eirp，来模拟各典型通信距离下满功率发射至接收端的信号强度；
8.步骤3、调整接收射频前端增益控制参数，使得在由近至远的几种典型通信距离下接收信号均落在接收动态范围内，从而生成通信距离和接收增益控制参数的二维查找表；
9.步骤4、定向通信系统基于网络位置信息解算通信距离，采用查表预置法实现高动态接收。
10.进一步地，所述步骤1，具体如下：
11.(1.1)在微波暗室，发端天线为定向通信系统的相控阵天线，收端使用喇叭标准定向天线，距离10m，收发天线法向对准，喇叭标准天线输出射频接频谱分析仪，发端天线eirp
满功率发射单音信号，测定喇叭标准天线口面接收的单音信号强度；
12.(1.2)根据自由空间传播损耗理论原理，距离每增加1倍，链路衰减增加6db，当距离在40m时，链路衰减应增加12db；在160m时，链路衰减应增加24db；在640m时，链路衰减应增加36db；在2.56km时，链路衰减应增加48db。
13.进一步地，所述步骤2，具体如下：
14.(2.1)在定向通信系统相控阵天线的射频激励和tr组件之间插入最大50db可调的步进衰减器，调整可调衰减器的衰减值，使用频谱分析仪测量标准天线接收的单音信号强度电平；
15.(2.2)在微波暗室10m距离上，分别模拟距离为40m、160m、640m、2.56km到达标准天线口面测算的信号强度时的衰减值，记录和距离对应的衰减器调节的衰减值。
16.进一步地，所述步骤3，调整接收射频前端增益控制参数，使得在由近至远的10m、40m、160m、640m、2.56km几种典型通信距离下接收信号均落在接收动态范围内，从而生成通信距离和接收增益控制参数的二维查找表，具体如下：
17.(3.1)在微波暗室，发端天线为定向通信系统的相控阵天线，收端天线由喇叭标准天线改为定向通信系统的相控阵天线，收发天线法向对准，距离10m，满功率发射调制数据信号，衰减器置为不衰减，接收中频信号接频谱分析仪，通过终端的串行控制接口调整接收增益，接收射频至中频两级衰减可控，可控增益范围为60db，先增加射频衰减，再增加中频衰减，观察频谱分析仪测得的收中频信号强度电平和终端显示的qpsk调制解调器的星座图，使得收中频信号电平在线性接收范围-30dbm～-10dbm内，星座图处于收敛状态；
18.(3.2)在微波暗室，发端天线为定向通信系统的相控阵天线，收端天线为定向通信系统的相控阵天线，收发天线法向对准，发端置步骤(1.2)中40m对应的衰减值，模拟距离40m的发射情况，先增加射频衰减，再增加中频衰减，调整接收增益，观察收中频信号电平和星座图，使得收中频信号电平在线性接收范围-30dbm～-10dbm内，星座图处于收敛状态；
19.(3.3)在微波暗室，发端天线为定向通信系统的相控阵天线，收端天线为定向通信系统的相控阵天线，收发天线法向对准，发端置步骤(1.2)中160m对应的衰减值，模拟距离160m的发射情况，先增加射频衰减，再增加中频衰减，调整接收增益，观察收中频信号电平和星座图，使得收中频信号电平在线性接收范围-30dbm～-10dbm内，星座图处于收敛状态；
20.(3.4)在微波暗室，发端天线为定向通信系统的相控阵天线，收端天线为定向通信系统的相控阵天线，收发天线法向对准，发端置步骤(1.2)中640m对应的衰减值，模拟距离640m的发射情况，增加射频衰减，调整接收增益，观察收中频信号电平和星座图，使得收中频信号电平在线性接收范围-30dbm～-10dbm内，星座图处于收敛状态；
21.(3.5)在微波暗室，发端天线为定向通信系统的相控阵天线，收端天线为定向通信系统的相控阵天线，收发天线法向对准，发端置步骤(1.2)中2.56km对应的衰减值，模拟距离2.56km的发射情况，增加射频衰减，调整接收增益，观察收中频信号电平和星座图，使得收中频信号电平在线性接收范围-30dbm～-10dbm内，星座图处于收敛状态；
22.(3.6)根据距离10m和模拟40m、160m、640m、2.56km的4种距离情况下测得的接收增益控制参数，生成通信距离和接收增益控制参数的二维查找表。
23.进一步地，所述步骤4，具体如下：
24.入网节点主动上报位置信息，网络节点根据位置信息解算通信距离，在接收时隙
开始前，根据通信距离和接收增益控制参数的二维查找表获得接收增益控制参数，在接收时隙开始时，通过一个时钟上升沿设置接收增益控制参数，实现接收增益控制。
25.进一步地，所述基于网络位置信息解算通信距离，具体如下：
26.(4.1)定向通信系统外接惯导设备，通过arinc429总线接收经度、纬度、高度数据信息；
27.(4.2)定向通信系统启动入网，在入网时隙，主动上报包括经度、纬度、高度的位置信息，并在全网广播；
28.(4.3)定向通信系统网控协议模块根据广播的位置信息，结合地球半径，按照距离公式解算两点距离。
29.本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)通过采用查表预置法，可实现快速的接收增益控制，既解决了tdma高速数据组网定向业务通信存在的高动态问题，同时又提高了tdma组网系统的高速数据传输效率，提高了网络容量；(2)能够应用于某型图传设备项目的ku频段相控阵天线研制，已经过通信试验验证，性能可靠。
附图说明
30.图1是基于位置信息的距离解算流程示意图。
31.图2是微波暗室测试示意图。
32.图3是通信距离和接收增益控制参数查找表生成实施步骤示意图。
具体实施方式
33.为有效解决定向通信系统中时分多址组网时存在的接收动态问题，定向通信设备采用查表预置法可实现高动态接收，达到最快速的接收增益控制。入网节点主动上报位置信息，网络节点根据位置信息解算通信距离，在接收时隙开始前，查表获得接收增益控制参数，在接收时隙开始时，通过一个时钟上升沿快速设置接收增益控制参数，可在1us内实现接收增益控制，保证强信号输入情况下，依然落在接收动态范围内，能够正确接收。
34.定向通信系统中的高动态接收控制采用的查表预置法的关键是查找表的生成。本发明针对的是基于相控阵天线的定向通信系统，是通过在微波暗室校准相控阵天线近距离定向发射至接收天线口面的信号强度，按照自由空间传输损耗理论推算在其他距离下满功率发射至接收天线口面的信号强度，并在微波暗室通过衰减器调整发端eirp来模拟该距离下满功率发射至接收端的信号强度，然后调整接收射频前端增益控制参数，使得在由近至远的几种典型通信距离下接收信号均落在接收动态范围内，从而生成几种典型距离与该距离下的接收增益控制参数查找表。
35.结合图1～图3，本发明一种定向通信系统中的高动态接收控制实现方法，包括以下步骤：
36.步骤1、在微波暗室校准相控阵天线近距离定向发射至接收天线口面的信号强度，按照自由空间传输损耗理论推算在设定的典型通信距离下满功率发射至接收天线口面的信号强度；
37.步骤2、在微波暗室通过衰减器调整发端天线eirp(equivalent isotropically radiated power，等效辐射功率)，来模拟各典型通信距离下满功率发射至接收端的信号强
度；
38.步骤3、调整接收射频前端增益控制参数，使得在由近至远的几种典型通信距离下接收信号均落在接收动态范围内，从而生成通信距离和接收增益控制参数的二维查找表；
39.步骤4、定向通信系统基于网络位置信息解算通信距离，采用查表预置法实现高动态接收。
40.作为一种具体实施例，所述步骤1，具体如下：
41.(1.1)在微波暗室，发端天线为定向通信系统的相控阵天线，收端使用喇叭标准定向天线，距离10m，收发天线法向对准，喇叭标准天线输出射频接频谱分析仪，发端天线eirp满功率发射单音信号，测定喇叭标准天线口面接收的单音信号强度；
42.(1.2)根据自由空间传播损耗理论原理，距离每增加1倍，链路衰减增加6db，当距离在40m时，链路衰减应增加12db；在160m时，链路衰减应增加24db；在640m时，链路衰减应增加36db；在2.56km时，链路衰减应增加48db。
43.作为一种具体实施例，所述步骤2，具体如下：
44.(2.1)在定向通信系统相控阵天线的射频激励和tr组件之间插入最大50db可调的步进衰减器，调整可调衰减器的衰减值，使用频谱分析仪测量标准天线接收的单音信号强度电平；
45.(2.2)在微波暗室10m距离上，分别模拟距离为40m、160m、640m、2.56km到达标准天线口面测算的信号强度时的衰减值，记录和距离对应的衰减器调节的衰减值。
46.作为一种具体实施例，所述步骤3，调整接收射频前端增益控制参数，使得在由近至远的10m、40m、160m、640m、2.56km几种典型通信距离下接收信号均落在接收动态范围内，从而生成通信距离和接收增益控制参数的二维查找表，具体如下：
47.(3.1)在微波暗室，发端天线为定向通信系统的相控阵天线，收端天线由喇叭标准天线改为定向通信系统的相控阵天线，收发天线法向对准，距离10m，满功率发射调制数据信号，衰减器置为不衰减，接收中频信号接频谱分析仪，通过终端的串行控制接口调整接收增益，接收射频至中频两级衰减可控，可控增益范围为60db，先增加射频衰减，再增加中频衰减，观察频谱分析仪测得的收中频信号强度电平和终端显示的qpsk调制解调器的星座图，使得收中频信号电平在线性接收范围-30dbm～-10dbm内，星座图处于收敛状态；
48.(3.2)在微波暗室，发端天线为定向通信系统的相控阵天线，收端天线为定向通信系统的相控阵天线，收发天线法向对准，发端置步骤(1.2)中40m对应的衰减值，模拟距离40m的发射情况，先增加射频衰减，再增加中频衰减，调整接收增益，观察收中频信号电平和星座图，使得收中频信号电平在线性接收范围-30dbm～-10dbm内，星座图处于收敛状态；
49.(3.3)在微波暗室，发端天线为定向通信系统的相控阵天线，收端天线为定向通信系统的相控阵天线，收发天线法向对准，发端置步骤(1.2)中160m对应的衰减值，模拟距离160m的发射情况，先增加射频衰减，再增加中频衰减，调整接收增益，观察收中频信号电平和星座图，使得收中频信号电平在线性接收范围-30dbm～-10dbm内，星座图处于收敛状态；
50.(3.4)在微波暗室，发端天线为定向通信系统的相控阵天线，收端天线为定向通信系统的相控阵天线，收发天线法向对准，发端置步骤(1.2)中640m对应的衰减值，模拟距离640m的发射情况，增加射频衰减，调整接收增益，观察收中频信号电平和星座图，使得收中频信号电平在线性接收范围-30dbm～-10dbm内，星座图处于收敛状态；
51.(3.5)在微波暗室，发端天线为定向通信系统的相控阵天线，收端天线为定向通信系统的相控阵天线，收发天线法向对准，发端置步骤(1.2)中2.56km对应的衰减值，模拟距离2.56km的发射情况，增加射频衰减，调整接收增益，观察收中频信号电平和星座图，使得收中频信号电平在线性接收范围-30dbm～-10dbm内，星座图处于收敛状态；
52.(3.6)根据距离10m和模拟40m、160m、640m、2.56km的4种距离情况下测得的接收增益控制参数，生成通信距离和接收增益控制参数的二维查找表。
53.作为一种具体实施例，所述步骤4，具体如下：
54.入网节点主动上报位置信息，网络节点根据位置信息解算通信距离，在接收时隙开始前，根据通信距离和接收增益控制参数的二维查找表获得接收增益控制参数，在接收时隙开始时，通过一个时钟上升沿设置接收增益控制参数，实现接收增益控制。
55.作为一种具体实施例，所述基于网络位置信息解算通信距离，具体如下：
56.(4.1)定向通信系统外接惯导设备，通过arinc429总线接收经度、纬度、高度数据信息；
57.(4.2)定向通信系统启动入网，在入网时隙，主动上报包括经度、纬度、高度的位置信息，并在全网广播；
58.(4.3)定向通信系统网控协议模块根据广播的位置信息，结合地球半径，按照距离公式解算两点距离。
59.下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明。
60.实施例
61.定向通信系统中的高动态接收控制的实现需要基于网络位置信息的距离解算以及距离和接收控制参数查找表的生成。
62.本实施例基于网络位置信息的距离解算实施方法，具体如下：
63.①
定向通信设备外接高精度惯导设备，通过arinc429总线接收经度、纬度、高度数据信息；
64.②
定向通信设备启动入网，在入网时隙，主动上报位置信息(经度、纬度、高度)，并在全网广播；
65.③
定向通信设备网控协议模块根据广播的位置信息，结合地球半径，按照距离公式解算两点距离。
66.本实施例距离与接收控制参数查找表生成实施方法，具体如下：
67.①
在微波暗室，发端天线为定向通信系统的相控阵天线，收端使用喇叭标准定向天线，距离10m，收发天线法向对准，喇叭标准天线输出射频接频谱分析仪，发端天线eirp满功率发射单音信号，测定喇叭标准天线口面接收的单音信号强度；
68.②
根据自由空间传播损耗理论原理，距离每增加1倍，链路衰减增加6db，当距离在40m时，链路衰减应增加12db；在160m时，链路衰减应增加24db；在640m时，链路衰减应增加36db；在2.56km时，链路衰减应增加48db。在定向通信系统相控阵天线的射频激励和tr组件之间插入最大50db可调的步进衰减器，调整可调衰减器的衰减值，使用频谱分析仪测量标准天线接收的单音信号强度电平。在微波暗室10m距离上，分别模拟距离为40m、160m、640m、2.56km到达标准天线口面测算的信号强度时的衰减值，记录和距离对应的衰减器调节的衰减值；
69.③
在微波暗室，发端天线为定向通信系统的相控阵天线，收端天线由喇叭标准天线改为定向通信系统的相控阵天线，收发天线法向对准，距离10m，满功率发射调制数据信号，衰减器置为不衰减，接收中频信号接频谱分析仪，通过终端的串行控制接口调整接收增益(接收射频至中频两级衰减可控，可控增益范围为60db)，先增加射频衰减，再增加中频衰减，观察频谱分析仪测得的收中频信号强度电平和终端显示的qpsk调制解调器的星座图，使得收中频信号电平在线性接收范围(约为-30dbm～-10dbm)内，星座图处于收敛状态；
70.④
在微波暗室，发端天线为定向通信系统的相控阵天线，收端天线为定向通信系统的相控阵天线，收发天线法向对准，发端置步骤
②
中40m对应的衰减值，模拟距离40m的发射情况，先增加射频衰减，再增加中频衰减，调整接收增益，观察收中频信号电平和星座图，使得收中频信号电平在线性接收范围(约为-30dbm～-10dbm)内，星座图处于收敛状态；
71.⑤
在微波暗室，发端天线为定向通信系统的相控阵天线，收端天线为定向通信系统的相控阵天线，收发天线法向对准，发端置步骤
②
中160m对应的衰减值，模拟距离160m的发射情况，先增加射频衰减，再增加中频衰减，调整接收增益，观察收中频信号电平和星座图，使得收中频信号电平在线性接收范围(约为-30dbm～-10dbm)内，星座图处于收敛状态；
72.⑥
在微波暗室，发端天线为定向通信系统的相控阵天线，收端天线为定向通信系统的相控阵天线，收发天线法向对准，发端置步骤
②
中640m对应的衰减值，模拟距离640m的发射情况，增加射频衰减，调整接收增益，观察收中频信号电平和星座图，使得收中频信号电平在线性接收范围(约为-30dbm～-10dbm)内，星座图处于收敛状态；
73.⑦
在微波暗室，发端天线为定向通信系统的相控阵天线，收端天线为定向通信系统的相控阵天线，收发天线法向对准，发端置步骤
②
中2.56km对应的衰减值，模拟距离2.56km的发射情况，增加射频衰减，调整接收增益，观察收中频信号电平和星座图，使得收中频信号电平在线性接收范围(约为-30dbm～-10dbm)内，星座图处于收敛状态；
74.⑧
根据距离10m和模拟40m、160m、640m、2.56km的4种距离情况下的测得的接收射频增益控制参数值，生成通信距离和接收增益控制参数的二维查找表。
75.本发明主要解决了基于相控阵天线的定向通信系统时分多址组网中碰到的高动态接收问题，通过采用查表预置法，可实现快速的接收增益控制，既解决了tdma高速数据组网定向业务通信存在的高动态问题，同时又提高了tdma组网系统的高速数据传输效率，提高了网络容量。此外，本发明已经应用于某型图传设备项目的ku频段相控阵天线研制，已经过通信试验验证，性能可靠。