本發(fā)明屬于通信設(shè)備研發(fā)領(lǐng)域，涉及了一種通信端機(jī)的設(shè)計與實現(xiàn)方案。

背景技術(shù)：

在移動通信系統(tǒng)中，增大帶寬、提高系統(tǒng)頻譜利用率以及釆用強(qiáng)糾錯編碼技術(shù)一直是提高系統(tǒng)傳輸速率和可靠性的主要解決方案。OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)技術(shù)因其具有高的頻譜利用率、強(qiáng)的抗多徑干擾能力和靈活的可分配頻譜帶寬等優(yōu)點，使其在無線通信領(lǐng)域中越來越受重視。

QPSK(Quadrature Phase Shift Keying)作為數(shù)字通信中的一種調(diào)制解調(diào)方式，憑借其抗干擾性強(qiáng)、頻譜利用率高、適合高速傳輸?shù)葍?yōu)點，成為最常用的調(diào)制解調(diào)方式之一。它具有一系列獨(dú)特的優(yōu)點，如抗干擾性能強(qiáng)、誤碼性能好、相對窄的功率譜、頻譜利用率高、對放大設(shè)備沒有線性要求等，已成為現(xiàn)代數(shù)字通信中一種十分重要的調(diào)制解調(diào)方式。

Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)目的是在惡劣的環(huán)境下，不依基礎(chǔ)設(shè)施能夠快速部署的通信網(wǎng)絡(luò)。Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)具有系統(tǒng)自組織和組建靈活的特性，網(wǎng)絡(luò)的抗毀性比普通的抗毀性強(qiáng)。國外的Nokia公司研究出可以利用自組織網(wǎng)絡(luò)的無線移動路由器設(shè)備，并對其產(chǎn)品已經(jīng)上市，而且還提供了無線接入系統(tǒng)的解決方案。另外，NEC公司研究出的基于PHS系統(tǒng)的移動無線計算網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)有很好的適用性。美國研發(fā)公司Mesh Networks也已經(jīng)研究出應(yīng)用于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品的無線通信系統(tǒng)的解決方案以及應(yīng)用于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的各種移動終端和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，為提供下一代移動通信系統(tǒng)終端奠定了良好的基礎(chǔ)。

但是由于這些技術(shù)長期為國外公司所掌握，在國內(nèi)這些技術(shù)尚未實現(xiàn)集成化和工程化的端機(jī)產(chǎn)品，如何將這些先進(jìn)的通信集成為一體，研發(fā)出一種基于QPSK和OFDM技術(shù)，并結(jié)合全自組織的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的通信端機(jī)，而且該端機(jī)還能夠經(jīng)過過程化研發(fā)和驗證，成為國內(nèi)多家公司競相研究的目標(biāo)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種能夠靈活組網(wǎng)，實時通信，自由路由的通信系統(tǒng)，不僅客服了傳統(tǒng)的OFDM網(wǎng)絡(luò)的衰落效應(yīng)，而且實現(xiàn)了多路子載波的相干解調(diào)方式，具有更好的穩(wěn)健性。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：接收信號經(jīng)限幅器、帶通濾波器和低噪放后，送給電調(diào)濾波器，電調(diào)濾波器的輸出信號經(jīng)正交解調(diào)器與頻率合成器的350MHz信號進(jìn)行下變頻混頻，轉(zhuǎn)換為模擬基帶I/Q信號，經(jīng)ADC采樣后，將數(shù)字基帶I/Q信號輸出到FPGA，F(xiàn)PGA對數(shù)字基帶I/Q信號進(jìn)行FFT變換、QPSK解調(diào)、3×3解交織和Turbo2/3碼解碼，還原為每個長度為2kb的子包數(shù)據(jù)，將子包數(shù)據(jù)按照順序號進(jìn)行拼包處理，再進(jìn)行數(shù)據(jù)包拼包，還原得到文件；FPGA將待發(fā)送的文件拆分為數(shù)據(jù)包，再拆分為每個長度為2kb的子包數(shù)據(jù)，對每個子包數(shù)據(jù)行Turbo碼2/3編碼、3×3矩陣交織、QPSK調(diào)制和IFFT變換，生成數(shù)字基帶I/Q信號，由DAC轉(zhuǎn)換為模擬基帶I/Q信號，經(jīng)正交調(diào)制器與頻率合成器的350MHz信號進(jìn)行上變頻混頻，轉(zhuǎn)換為UHF頻段內(nèi)頻點的模擬信號，再經(jīng)發(fā)送路徑輸出，發(fā)送路徑包括濾波器、功放、頻率綜合器。

本發(fā)明的有益效果是：采用了先進(jìn)的OFDM、QPSK和Ad Hoc等技術(shù)，實現(xiàn)了一個非常靈活和高效的基于UHF頻段的通信系統(tǒng)。該通信系統(tǒng)通過簡單的配置就可以應(yīng)用于一片特定的通信區(qū)域內(nèi)(約為10km²)，實現(xiàn)實時、自動、高速和靈活的無線通信。由于該端機(jī)對應(yīng)用層開發(fā)了基于TCP/IP的網(wǎng)絡(luò)接口，可以方便的接駁PC電腦，實現(xiàn)了有線Ethernet的無線化高達(dá)5Mbps的通信，以較低的成本搭建了靈活且高效的無線網(wǎng)絡(luò)。

附圖說明

圖1是典型的OFDM系統(tǒng)示意圖；

圖2是基于UHF頻段無線通信系統(tǒng)組成示意圖；

圖3是基于UHF頻段端機(jī)組成示意圖；

圖4是基于UHF頻段端機(jī)通信流程圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明，本發(fā)明包括但不僅限于下述實施例。

本發(fā)明采用了當(dāng)前先進(jìn)的QPSK和OFDM技術(shù)，結(jié)合了全自組織的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，能夠在較小范圍內(nèi)實現(xiàn)高效和靈活的無線寬帶通信。

本發(fā)明實現(xiàn)的主要功能如下：

1.實現(xiàn)一種基于OFDM正交頻分復(fù)用的高速率數(shù)據(jù)傳輸方法；

2.實現(xiàn)一種基于QPSK正交相移鍵控的數(shù)字調(diào)制和解調(diào)方式；

3.實現(xiàn)多個端機(jī)之間靈活的Ad Hoc自組織組網(wǎng)；

4，實現(xiàn)多個端機(jī)之間網(wǎng)絡(luò)Qos的實時動態(tài)管理和監(jiān)控；

5.實現(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)高達(dá)5Mbps的信息通信速率；

本發(fā)明包括一塊網(wǎng)絡(luò)處理模塊和一塊射頻處理模塊。網(wǎng)絡(luò)處理模塊主要負(fù)責(zé)鏈路層以上，包括網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的數(shù)據(jù)包處理，采用Ad Hoc自組網(wǎng)技術(shù)，將每個節(jié)點都能夠納入到網(wǎng)絡(luò)中，實現(xiàn)無中心節(jié)點、自組織、靈活切換的自組織網(wǎng)絡(luò)。射頻處理模塊是實現(xiàn)對射頻信號的收發(fā)處理功能，主要包括發(fā)射時采用編碼、交織、調(diào)制等功能；接收時采用高速A/D對UHF頻段的射頻信號進(jìn)行采樣，解調(diào)、解交織、解碼、數(shù)字相關(guān)等技術(shù)，實現(xiàn)一種小型化的通信端機(jī)收發(fā)技術(shù)。

本發(fā)明為局域內(nèi)無線通信提供了一條實時、高速率、靈活組網(wǎng)和小型化的端機(jī)技術(shù)。該端機(jī)技術(shù)是基于OFDM、QPSK和Ad Hoc等先進(jìn)的通信技術(shù)研發(fā)而成，重點定制了高速速率發(fā)射和接收、自組織網(wǎng)絡(luò)、小型化和低功耗設(shè)計等功能，達(dá)到了不必通過網(wǎng)關(guān)或中繼站實現(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)的寬帶無線通信功能。

由圖1可以看出，典型OFDM系統(tǒng)收發(fā)機(jī)的結(jié)構(gòu)框圖中，在發(fā)送端將被傳輸?shù)男畔⑼ㄟ^QPSK基帶調(diào)制方式映射到子載波幅度和相位上，然后通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行離散傅利葉反變換等一系列的變換，將數(shù)據(jù)被變換到時域空間。由于IFFT具有更快的執(zhí)行效率，通常為了提高計算的效率，減少計算的時間等，常常要將實際的系統(tǒng)中常用IFFT來代替IDFT。在接收端，利用與發(fā)射端相反的操作，將接收到的射頻信號進(jìn)行一系列的處理并解調(diào)成數(shù)字信號。由于IFFT和FFT互為反變換，所以FFT操作類似于IFFT，因此發(fā)射機(jī)和接收機(jī)可以使用同一硬件設(shè)備。

由圖2可以看出，典型的基于UHF頻段無線通信系統(tǒng)主要由端機(jī)、天線、無線信道組成。其主要的網(wǎng)絡(luò)工作模式有：

全網(wǎng)模式：即所有的端機(jī)通過無線信道和路由的功能，組成一個無線局域網(wǎng)，網(wǎng)內(nèi)所有的成員都能夠?qū)崿F(xiàn)互聯(lián)和互通，可以實現(xiàn)點對點和廣播的消息模式。

子網(wǎng)模式：即根據(jù)Ad Hoc自組織網(wǎng)絡(luò)的定義，形成多個通信子網(wǎng)或簇，每個子網(wǎng)或簇內(nèi)可以自由通信，子網(wǎng)或簇間的通信需要借助簇頭來轉(zhuǎn)發(fā)或路由實現(xiàn)。每個子網(wǎng)或簇內(nèi)由改進(jìn)的LEACH算法每隔12秒選舉產(chǎn)生。

以上兩種網(wǎng)絡(luò)工作模式可以進(jìn)行人工配置和轉(zhuǎn)換，當(dāng)網(wǎng)內(nèi)端機(jī)數(shù)小于16時，網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換時間小于5秒。

由圖3可以看出，端機(jī)的接收機(jī)和發(fā)射機(jī)均采用小型化、低功耗設(shè)計方案。接收信號經(jīng)限幅器、帶通濾波器和低噪放后，送給電調(diào)濾波器，電調(diào)濾波器帶寬不小于10MHz，電調(diào)濾波器的輸出信號，經(jīng)正交解調(diào)器轉(zhuǎn)換為模擬基帶I/Q信號，經(jīng)ADC采樣，將數(shù)字基帶I/Q信號輸出到FPGA，接收算法由FPGA完成。端機(jī)發(fā)送的數(shù)字基帶I/Q信號在FPGA內(nèi)生成，由DAC轉(zhuǎn)換為模擬基帶I/Q信號，經(jīng)正交調(diào)制器轉(zhuǎn)換為UHF頻段內(nèi)頻點的模擬信號，再經(jīng)發(fā)送路徑輸出，發(fā)送路徑輸出包括濾波器、功放、頻率綜合器。FPGA片內(nèi)集成雙核ARM處理器和豐富的可編程邏輯資源，用于實現(xiàn)基帶處理和對外接口，對外接口可采用千兆網(wǎng)口或RS232、RS422等接口。

由圖4可以看出，本發(fā)明的具體工作步驟如下：

1.設(shè)備上電和初始化；

本發(fā)明的端機(jī)既包括硬件電路也包括軟件功能，所以端機(jī)上電后首先進(jìn)行硬件初始化工作，這些硬件主要包括處理器、FPGA、頻率綜合器、A/D和D/A等電子元器件或者電路。硬件初始化的同時，F(xiàn)lash中存儲的軟件也被加載到RAM中進(jìn)行軟件初始化運(yùn)行，軟件的初始化內(nèi)容主要包括RAM清零、雙口清零、全局變量初始化賦值、外部接口如網(wǎng)口、RS232或RS422等接口的初始化。

2.上報自檢結(jié)果；

端機(jī)在上電后分別完成硬件和軟件的初始化工作后，將會生成自檢結(jié)果列表，其中包括之前所有的硬件、軟件和接口的自檢結(jié)果，CPU經(jīng)過收集后，打包成自檢結(jié)果報文，發(fā)送給應(yīng)用軟件。

3.進(jìn)入工作流程；

端機(jī)經(jīng)過初始化和自檢結(jié)果上報后，如果結(jié)果沒有異常，則開始進(jìn)入正常的工作流程中。工作流程主要包括發(fā)射流程和接收流程。由于端機(jī)使用的是Ad Hoc自組網(wǎng)協(xié)議，所以端機(jī)的發(fā)射和接收控制是由鏈路層軟件根據(jù)通信需求來進(jìn)行交替控制的。每臺端機(jī)進(jìn)入正常工作流程后，都將在時域中替換輪轉(zhuǎn)進(jìn)行發(fā)射流程或者接收流程，一直持續(xù)下去直至關(guān)電。

發(fā)射的主要流程如下：

a)當(dāng)應(yīng)用層產(chǎn)生了若干長度數(shù)據(jù)的通信需求，首先應(yīng)用層軟件將按照通信接口協(xié)議將若干長度數(shù)據(jù)打包分解成擁有一定包長度的若干包通信數(shù)據(jù)，比如應(yīng)用層需要將一個3.5Mb的文件通過端機(jī)發(fā)送，首先要按照接口協(xié)議(每通信包固定長度為20kb)將該文件拆分為175個數(shù)據(jù)包，并且對其分別進(jìn)行流水化編號，逐一順序發(fā)送至FPGA接口。

b)FPGA內(nèi)部將每個20kb的數(shù)據(jù)包再進(jìn)行拆分為10個2kb的子包，對每個子包數(shù)據(jù)按照Turbo碼進(jìn)行2/3編碼，信息帶寬為9MHz，并增加同步頭同步尾生成12MHz數(shù)據(jù)流，然后進(jìn)行3×3矩陣交織，并進(jìn)行QPSK調(diào)制，然后進(jìn)行4IFFT變換，生成帶寬為4個1.5M的子載波的OFDM信號。

c)對中頻信號與頻率源350MHz進(jìn)行上變頻混頻，實現(xiàn)420MHz的載波帶寬為6M的射頻信號，該射頻信號電平為0dBm。

d)將該射頻信號進(jìn)行放大處理，經(jīng)過由3個1W的功放芯片并聯(lián)的放大電路，將射頻信號放大到3W，從天線口進(jìn)行發(fā)射。

接收流程與發(fā)射流程剛好完全相反，主要過程如下：

a)將天線接收到的420MHz射頻信號首先通過限幅器進(jìn)行電平不大于-10dBm保護(hù)限制，防止后端接收機(jī)燒毀，然后再將射頻信號通過10dB的低噪放和3dB帶寬為8Mhz的電調(diào)濾波器處理。

b)將處理后射頻信號與頻率合成器350MHz信號進(jìn)行下變頻混頻至中頻70MHz信號，信號電平范圍為0～-50dBm；

c)將中頻信號再送入A/D進(jìn)行模數(shù)變換，F(xiàn)FT變換，再進(jìn)行QPSK解調(diào)、3×3解交織和Turbo2/3碼解碼，還原為每個長度為2kb的子包數(shù)據(jù)。

d)將收到的連續(xù)2kb子包按照順序號進(jìn)行拼包處理，先還原為20kb的數(shù)據(jù)包，再進(jìn)行數(shù)據(jù)包拼包，最終還原為3.5Mb的文件。

本發(fā)明可以應(yīng)用到局域網(wǎng)的無線通信環(huán)境中，可以最大限度的實現(xiàn)實時、高速率、靈活組網(wǎng)通信的功能，同時本端機(jī)技術(shù)還采用了高集成、小型化和低功耗的設(shè)計理念，能夠以最小的通信代價，滿足無線局域網(wǎng)的通信需求。

以上所述的一種實施例并不構(gòu)成對本發(fā)明保護(hù)范圍的限定。任何在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的修改等同替換和改進(jìn)等，均包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。