一种无人机数据链波形和频谱监测方法

技术领域

本发明涉及无人机数据链通信技术领域和软件无线电领域，特别涉及一种无人机数据链波形和频谱监测方法。

背景技术

在无人机数据链通信系统研制、使用过程中，为了判断接收机接收的信号是否符合预期、是否受到外部干扰、是否有频率偏移等，除了信噪比等通信指标，还需要观测信号波形和频谱，通常的手段是使用频谱仪、示波器等测量仪器来测量信号，测量的内容包括时域波形、星座图、频谱分析等，使用仪器进行测量虽然能够做到精确的测量，但是在工程上，也有一些缺点：

测量过程比较繁琐。使用这些精密仪器进行测试时，如果要进行通信过程中的信号测量，必须通过射频线、分路器、衰减器等进行分路连接，对测试人员要求较高，如果接线错误，还可能损坏接收机或仪器；

室外测量不方便。通信设备的研制需要大量的室外试验，精密仪器一般体积和重量较大，在室外使用时，如果搬运和使用过程中没有做好防护措施，同样会造成仪器的损坏。

测量基带信号需要拆卸设备。接收机的信号处理工程师需要了解基带信号的状态，对于接收机来说，通常由射频部分和基带部分组成，基带信号属于接收机的内部信号，使用仪器测量基带信号必须拆卸设备，通过引线等方式连接仪器，操作复杂并且效率较低。

综上，测量过程简单、使用便捷、操作简单且效率高的基带信号监测方法，有着重要的实际应用意义。

发明内容

本发明所要解决的问题是：提供一种无人机数据链波形和频谱监测方法，用于快速、简便的观测接收机基带信号。

本发明采用如下技术方案：一种无人机数据链波形和频谱监测方法，包括如下步骤：

步骤S1、发射机开机，接收机开机，在上位机运行波形和频谱监测软件；

所述接收机内包括射频前端、中频处理、FPGA基带信号处理单元及嵌入式MCU；所述波形和频谱监测软件包括数据处理模块和界面显示模块；

步骤S2、需要监测频谱信号时，上位机波形和频谱监测软件向接收机的嵌入式MCU发出请求信号，请求获取发射机时域波形数据；

步骤S3、接收机实时接收发射机发出的射频信号，转换为发射机时域波形数据并缓存，嵌入式MCU收到请求信号后，向FPGA基带信号处理单元发送请求信号，请求获取时域波形数据数据；

步骤S4、接收机内FPGA基带信号处理单元收到请求信号后，将缓存的时域波形数据发送到嵌入式MCU；

步骤S5、嵌入式MCU收到时域波形数据后，将数据通过网络发送至波形和频谱监测软件的数据处理模块；

步骤S6、波形和频谱监测软件内，数据处理模块将时域波形数据以及经FFT变换得到的频谱数据发送到界面显示模块；

步骤S7、界面显示模块将时域波形数据和频谱数据进行可视化呈现。

具体的，发射机，用于对接无人机信源，通过编码、调制、放大流程，实现信息的发送；

接收机，为无人机数据链接收机，用于接收发射机发出的无线信号，通过射频和基带处理信号，将处理得到的发射机波形信息发送到信宿。

接收机，采用二级变频技术将射频信号变为基带信号，在射频前端完成射频到中频的下变频，在中频处理完成中频到基带的下变频；所述中频处理包括：滤波、放大、下变频及ADC处理。

接收机中FPGA基带信号处理单元用于基带信号处理，将恢复的波形信息数据发送到嵌入式MCU，还用于将缓存的波形数据传送到嵌入式MCU，进而传送到波形和频谱监测软件；嵌入式MCU用于链路控制和业务处理，通过外部接口将业务数据传送到信宿。

上位机，用于用户对无人机实施频谱监测，波形和频谱监测软件运行于上位机中，用于从接收机获取波形信息，进行数据处理后，在显示界面显示波形和频谱。

波形和频谱监测软件中，界面显示模块和数据处理模块通过内部API进行交互；需要获取波形数据时，在界面显示模块触发获取流程，数据处理模块通过UDP协议向接收机的嵌入式MCU发起获取数据请求；嵌入式MCU向FPGA基带信号处理单元获取缓存的波形数据后，通过UDP协议发送到监测软件的数据处理模块；数据处理模块解析UDP包得到时域波形数据，并进行FFT变化得到信号频谱，将得到的时域波形数据和信号频谱数据发送到界面显示模块，以波形、星座图和频谱的形式呈现。

进一步的，嵌入式MCU和FPGA基带信号处理单元集成在一片SOC芯片内，嵌入式MCU通过GPIO连接发送获取数据的请求信号，FPGA通过BRAM内部存储传输波形数据到嵌入式MCU，嵌入式MCU和波形和频谱监测软件之间使用的TCP/IP协议栈进行UDP通信。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明无人机数据链波形和频谱监测方法，可替代测量仪器，通过将接收机获取的波形数据传输到上位机，使用波形和频谱监测软件来处理并可视化波形和频谱数据，可以快速、简便的观测接收机基带信号，节约成本、提高效率。

附图说明

图1是本发明无人机数据链波形和频谱监测的系统框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对申请的技术方案做进一步地详尽阐述，所描述的实施例，也只是本发明所涉及实施例的一部分。本领域其他研究人员在该实施例上的所有非创新型实施例，都属于本发明的保护范围。同时对于本发明实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。

本发明的目的在于提供一种波形和频谱监测方法，通过将接收机获取的波形数据传输到上位机(如笔记本电脑)，使用波形和频谱监测软件来处理并可视化波形和频谱数据，就可以快速、简便的观测接收机基带信号，通过这种方法可替代测量仪器，节约成本、提高效率。

如图1所示，本发明无人机数据链波形和频谱监测方法，涉及发射机12、接收机6以及上位机波形和频谱监测软件1。

发射机12，用于对接无人机信源，通过编码、调制、放大流程，通过天线11实现信息的发送。

接收机6，为无人机数据链接收机，通过天线10接收发射机12发出的无线信号，包括射频前端7、中频处理8、FPGA基带信号处理单元5及嵌入式MCU4，通过射频和基带处理接收的信号，并将处理得到的发射机波形信息发送到上位机波形和频谱监测软件1。

上位机波形和频谱监测软件1，用于用户对无人机实施频谱监测，从接收机6获取波形信息，在数据处理模块3进行数据处理后，在显示界面模块2显示波形和频谱。

在本发明的一个实施例中，对发射机12进行了简化，接收机6采用二级变频技术将射频信号变为基带信号，即射频到中频的下变频(在射频前端7中完成)，中频到基带的下变频(在中频处理8中完成)。

其中，中频处理包括：滤波、放大、下变频及ADC，本发明主要关注的是经ADC之后的采样信号。

对于其他实施例，还可以采用射频直接下变频到基带信号。

对无人机数据链接收机6来说，主要的业务流程为：FPGA 5负责基带信号处理，将恢复的信息数据发送到嵌入式MCU 4，嵌入式MCU 4负责链路控制和业务处理，通过外部接口将业务数据传送到信宿。

本实施例中，除了主要的业务流程，FPGA 5还会将缓存的波形数据传送到嵌入式MCU4，进而传送到波形和频谱监测软件1。

波形和频谱监测软件1分为界面显示模块2和数据处理模块3，两个模块通过内部API进行交互，需要获取波形数据时，在界面显示模块2中按监测按钮，触发获取流程，数据处理模块3通过UDP协议向接收机的嵌入式MCU 4发起获取数据请求，MCU 4进而向FPGA 5获取数据，FPGA 5将缓存的数据传送到嵌入式MCU 4后，由嵌入式MCU 4通过UDP协议发送到监测软件的数据处理模块，数据处理模块3解析UDP包来得到波形数据，并进行FFT变化得到信号频谱，最后数据处理模块3将数据发送到界面显示模块来呈现。

本实例中，嵌入式MCU4和FPGA5集成在一片SOC内，嵌入式MCU4通过AXI_GPIO发送获取数据的请求信号，FPGA5通过BRAM内部存储来传输波形数据到嵌入式MCU4；嵌入式MCU4和监测软件1之间使用的TCP/IP协议栈进行UDP通信。

优选的，本实施例中，MCU4和FPGA5集成在一片Zynq 7000系列的SOC芯片内。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于相关技术领域的工程技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进和也应视为在本发明的保护范围内。