无人机高速数据传输技术研究与实现

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本文从介绍无人机当前的发展情况引入,指出无人机与地面站间的高速实时通信成为当下无人机领域研究的热点,其中无人机通信链路则成为了实现高速实时通信的关键环节。进一步的,针对高速通信的要求,引出了多载波技术中的代表——OFDM技术,该技术中的抗频率选择性衰落和抗多径效应的能力使其能够适应无人机与地面站间的较强多径干扰和多普勒频移显著的信道环境。另一方面,针对无人机信息传输的抗干扰性能要求,引出了一种有效的抗干扰技术——跳频技术,该技术能够显著提高通信系统的抗干扰能力并起到较强的保密效果。鉴于无人机通信链路对数据传输速率和抗干扰性能的双重要求,本文考虑把OFDM技术与跳频技术有效地结合起来,既能实现高速的数据传输,又能提高抗干扰能力,这样就形成了两者合二为一的跳频OFDM通信链路。本文从跳频OFDM所涉及的相关技术原理入手,分别详细介绍了跳频通信系统和OFDM通信系统各自的技术思想、基本原理和应用优势。随后引入了两类主要的跳频OFDM系统,即子载波跳频OFDM和射频跳频OFDM,并分析其各自技术特点和优劣所在,最终选择了更适应本设计具体情况的射频跳频OFDM作为设计方案。接下来我们引入了本设计所涉及到的各类无人机信道场景,对无人机信通信的各种信道下的三个重要指标:莱斯因子、多普勒扩展、时延扩展进行了针对性的分析,并最终得出在不同场景下,无人机通信信道的特性总结,为后续OFDM基带链路物理层的设计做出铺垫。自第四章开始,进入到本文的核心工作部分,该部分针对前文提出的射频跳频OFDM方案,对AD9361如何实现快速跳频进行了研究,在此过程中引入了Microblaze(SOPC)与AD9361相结合的软件无线电(SDR)射频收发系统架构,基于该架构,不仅验证了射频芯片AD9361可以用于跳频,还得出了AD9361用于快速跳频的性能参数。通过这些参数,构建了跳频OFDM的初步模型。在随后的章节中,依据第三章得出的无人机信道参数和第四章的跳频OFDM初步方案,提出了OFDM基带链路的设计方案以及在OFDM链路中实现跳频的方案,并针对方案面临的实际问题和困难,进行了具体而富有成效的调试和实现,最终完成了整个无人机跳频OFDM链路的功能与性能测试。本文的创新点在于把本来不是用于跳频的射频芯片AD9361通过基于SOPC的软件无线电架构巧妙的实现了快速跳频,并同样基于该架构,把射频跳频与OFDM基带链路很好的结合了起来,完整的构成了一个无人机跳频OFDM链路,整个设计具有一定的市场应用前景。
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