DSFH扩频测控信号的一种同步方案分析

第49卷第6期 2009年6月 国歌．技寡 TelecommunicationEngineering V01．49No．6 Jun．2009 文章编号：1001—893X(2009)06—0005—05 DS／FH扩频测控信号的一种同步方案 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 + 杨文革，孟生云，王金宝 (装备指挥技术学院，北京101416) 摘要：针对航天测控信号的高动态特点，提出了直扩／跳频混合扩频(DS／FH)测控信号的一种快 速同步方案。阐述了采用频率快速扫描和基于F兀’算法的三维快捕方法。通过对码多普勒及多普 勒频移跳变现象的分析，得到了利用跳频图案和多普勒频移的跟踪结果来实时补偿最大为8．2kHz 的多普勒跳变量的方法。在比较了几种载波跟踪方法的基础上，给出了采用算法嵌入式环路跟踪测 控信号的建议。 关键词：航天测控；直扩／跳频；三维捕获跟踪；多普勒频移；同步 中图分类号：TN914．4文献标识码：A doi：10．3969／j．issn．1001—893x．2009．06．002 AnalysisofaSynchronizationSchemeforDS／FHTT&CSignals YANGWen—ge，MENGSheng—yun，WANGfin—bao (TheAcademyofEquipmentCommand&Technology，Beijing101416，China) Abstract：AccordingthehighdynamiccharacteristicofTI'&Csignals，afastsynchronizationschemefor DS／FHhybridspreadspectrumsignalsisproposed．Three—dimensionalrapidacquisitionmethodsarein- troducedinwhichfrequencyfastscanningstrategyandFFTr—basedalgorithmsareused．Throughanalyzing phenomenaofcodeDopplerandDopplerfrequencyhoping，themethodusingtrackingresultsoffrequency —hoppingpattemandDopplerfrequencytocompensatethehoppingaslargeas8．2kHzisfound．Based oncomparingseveralcartiertrackingmethods，algorithms—embeddedloopsaresuggestedtotrackthesig— nals． Keywords：．aerospaceTr&c；DS／FH；three—dimensionalacquisitionandtracking；Dopplerfrequency； synchronization l弓l言 为适应未来信息化电子干扰等作战的需要，未 来的测控系统必须具备很强的“三抗”能力，即抗干 扰、抗截获及抗摧毁能力。目前，我国在建的直扩测 控体制已经具备一定“三抗”能力，但还不能满足现 代电子战和复杂电磁环境的需求。直扩／跳频混合 扩频系统综合了直扩和跳频的优点，是国内外公认 的最富有生命力的抗干扰系统，因而采用混合扩频 测控体制将能进一步提高测控装备在战场电磁对抗 环境下的性能、生存能力和可靠性。 直扩／跳频混合扩频通信系统在近十几年来受 到广泛关注，并得到实际应用，如美军联合战术信息 分发系统(JTIDS)，也出现了将跳频和直扩分别用 于上下行链路的测控系统的报道⋯，却少见论述有 关将DS／FH扩频信号用于测控的文献。文献[2] 从模糊函数的角度，论证了DS／FH扩频信号具有优 良的潜在测距和测速性能，为混合扩频测控体制的 ％收稿日期：2009—03—30；修回日期：2009—04—23 基金项目：武器装备预研基金资助项目(9140A24090608KG02) ·5· 万方数据 第49卷第6期 2009年6月 国讥技求 TelecommunicationEngineering V01．49No．6 Jun．2009 研究提供了理论依据。 相对于通信系统，测控系统对测距测速的要求 是苛刻的，也即要求精确提取收发信号的相对时延 以及多普勒频移信息，所以，实现DS／FH混合扩频 测控系统稳定测控工作的前提是DS／FH扩频测控 信号的准确同步。受传输过程中随机因素的影响， DS／FH扩频信号存在跳频图案、直扩伪码相位和载 波频率等三方面的不确定，因此该信号的同步是指 跳频图案、直扩伪码相位和载波频率的三维同步。 另外，测控目标与测控站通常具有较大相对动态性。 使得测控信号具有较大多普勒频率和多普勒变化 率。显然，在这种动态较高的情况下，为正确捕获跳 频图案和载波频率，直扩伪码相位和载波频率的二 维捕获要快，而且需要在一个跳频间隙内完成。所 以，为了快速而准确地提取距离和速度信息以及实 现信息的良好传输，混合扩频测控系统需要采用信 号的三维快速捕获和高精度跟踪。 文献[3]提出了DS／FH混合扩频系统双级同 步技术，因跳频与直扩的同步分开进行，降低了同步 系统的抗干扰能力；文献[4]提出一种利用导频信 道传输同步伪码的方法，造成一定程度的资源浪费， 而且捕获时间慢，不适合高动态环境。文献[5]提 出一种采用快速频率识别，实现混合系统的快速同 步方案，却只考虑了跳频图案和伪码相位的二维同 步。本文在文献[5]的方案基础上，提出了DS／FH 扩频测控信号的一种快速准确的三维同步方案。在 对方案中捕获与跟踪过程分析基础上，指出了一些 影响跟踪精度的问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ，并给出了初步的解决方法。 2同步方案原理 在跳频图案的快速捕获中考虑到实现的复杂 性，不宜采用需要多个频率合成器的并行或串并结 合搜索方式，而采用只需一个频率合成器的串行快 速扫描搜索方式。DS／FH测控信号同步方案原理 如图l所示。 本地频率合成器首先工作在同步频率的快速扫 描状态，直到完成跳频频率的识别，进入跟踪阶 段"1，其中，直扩捕获应为伪码相位和载波的二维 捕获。之后，频率合成器工作在等待搜索状态，重复 直扩二维捕获和验证过程，启动跟踪电路，频率修正 单元对由载频跳变带来的多普勒频移跳变进行补偿 修正，并利用载波辅助技术∞1消除多普勒频移对码 ·6· 延迟漂移的影响，实现码相位和多普勒频移的精确 跟踪；同时，根据解调出的同步信息完成跳频图案的 跟踪。失步判决模块对同步状态进行监测，若判断 失锁，则重新进行捕获。 图l 混合扩频测控信号快速同步方案的原理图 3 三维捕获 在DS／FH测控信号捕获过程中，需要对跳频图 案、伪码相位及载波多普勒进行三维搜索。若信号 参数设置为：跳频点数为u、载波多普勒单元为y、 直扩伪码相位单元为形、每跳中有Q个伪码周期， 那么捕获过程遍历一次三维搜索空间需要的搜索次 数为D×V×W×Q，使得捕获时间较长。在航天测 控中，不论是初始同步还是失锁后的再同步都需要 快捕，这可以通过减少单元的搜索时间或减少搜索 单元来实现。 对于跳频图案，上文采用快速频率扫描以减少 跳频单元的搜索时间，实现跳频图案的快捕。为了 正确捕获跳频图案，相关检测器的峰值应出现在当 前的跳频频率间隙内，而不是以后的某个跳频间隙 内，也就是直扩二维捕获应在一个本地跳频频率间 隙内完成。对于直扩二维快捕，国内外做了很多工 作，其中研究的热点主要集中在基于F盯的时域并 行算法和基于FFr的匹配滤波算法，并加以改进以 追求在捕获性能、资源占用和复杂度等方面取得良 好折衷。据此，可将基于FFvr的捕获算法应用于三 维捕获。 3．1 FFT实现循环相关的三维捕获 利用FFI'实现循环相关的三维捕获原理框图如图 2示，跳频图案捕获采用快速扫描搜索方式，二维捕获 采用基于FFTr的伪码并行及载波串行搜索方式。7】。 万方数据 第49卷第6期 2009年6月 也抛技求 TelecommunicationEngineering V01．49No．6 Jun．2009 图2基于F兀'实现循环相关的三维捕获原理框图 在伪码相位及载波多普勒二维捕获中，根据时 域循环相关与频域相乘的变换关系，利用FFr实现 本地信号与接收信号的循环相关运算。其中，多普 勒频率的分辨率为1／T，最大多普勒频移容限为 ±1／T，都取决于分析信号的长度¨】。 该方法将直扩伪码、载波多普勒的二维搜索降 为载波多普勒的一维搜索，在一个驻留时间内，将伪 码全部相位搜了一遍，遍历三维搜索空间需要U×V ×Q次搜索，进而降低了直扩的捕获时间，同时可以 增加本地跳频扫描速率，降低三维捕获时间。与用 时域实现循环相关运算的捕获算法相比，虽然最大 多普勒频移容限是相同的，但其运算量却大大降 低哺1。因而，可采用多路载波结构，实现多普勒频 偏的串并混合搜索，进一步缩短直扩二维的捕获时 间。其中，多普勒频移步进的选择需要折衷考虑。 频率步进量选得小，多普勒频移的估计误差较小，对 弱信号的捕获性能较好，但会增加捕获时间；频率步 进量选得大，多普勒频偏的估计误差增大，不易捕获 到弱信号。 3．2 PMF—FFT结构的三维捕获 文献[9]给出了匹配滤波与FFT的4种组合的 直扩捕获结构，下面将采用其中的一种结构，即部分 匹配滤波PMF—F丌。基于该结构的捕获原理框图 如图3所示。跳频图案捕获采用快速扫描搜索方 式，二维捕获采用具有大多普勒频移容限的伪码并 行搜索方式¨0I。 图3基于F丌及匹配滤波三维捕获原理框图 F盯运算实际上是对各部分匹配滤波器的输出 信号分别进行移相后相干累加的过程。与直接对各 部分相关器的输出进行相干累加相比，移相运算可 以部分地消除由多普勒频移使各部分相关器的输出 端产生的相位差，减弱了相关检测量对多普勒的敏 感性，从而使该方法能够适应较大的多普勒频率和 多普勒频率变化率。其中，多普勒频移的分辨率为 1／T，取决于分析信号的长度；最大多普勒频移容限 为±Ⅳ／丁，取决于部分匹配滤波器的长度¨0l。 该方法在伪码并行搜索的基础上，通过增加多 普勒频移容限，减少了多普勒频率搜索单元。显然， 遍历一次搜索空间需要U×V×Q／N搜索，降低了 直扩二维捕获时间。经过直扩二维搜索的提速，可 以适当增加本地跳频扫描速率，实现三维的快捕。 其中，部分匹配滤波器长度和F兀'运算尺度选择要 折衷考虑。大的多普勒频移容限要求短的部分匹配 滤波器长度，而快的F丌运算需要长的部分滤波器 长度以取得少的FFT点数。另外，需要考虑提高 FFT对多普勒频移估计精度的方法¨0I。 4 三维跟踪 跳频图案、直扩伪码相位和载波的三维跟踪决 定了测控系统对测控目标的测量精度，因此DS／FH 扩频测控信号的三维精密跟踪十分重要。通过对码 多普勒和多普勒频移跳变的分析，得到相应的补偿 修正方法。 4．1跳频跟踪 跳频跟踪主要是利用解调出的同步信息实现 的，比如可在发端基带信号中的某一特定位置设置 一固定长度的巴克码作为跳频同步信息，当接收端 通过频率识别得到信号频率，并经过直扩捕获、跟踪 和解调得到基带信息后，根据巴克码的最后一位到 基带信息的最后一位之间的相位差来确定本地跳频 图案中下一个频点的起跳时刻，并根据每个频点所 获得的跳频同步信息对本地参考频率的起跳时刻进 行实时修正，从而实现跳频跟踪。这种情况下，跳频 跟踪的精度取决于直扩二维跟踪精度。 4．2直扩伪码相位跟踪 直扩伪码相位跟踪可分为相干和非相干两种模 式，相干模式需要载波跟踪环必须先建立起来，而非 相干模式则没这要求，所以DS／FH信号的直扩伪码 相位跟踪采用非相干数字延迟锁定跟踪环(DDLL) 来实现。对DDLL环的分析不是本文讨论的内容。 这里主要讨论在动态情况下，伪码跟踪需要考虑的 ·7· 万方数据 第49卷第6期 2009年6月 国缸．技求 Telecommunic‘ationEngineering 问题。 载波多普勒频偏会导致伪码码片的伸展或收 缩，也即所谓的伪码多普勒。在有载波多普勒频移 的情况下，直扩伪码速率为 R=(1+以缓)尺。 (1) 式中Z、凡分别为载波频率和无多普勒时的伪码码 速率。当多普勒频移不大时，直扩伪码码速率的增 量厶‰／￡。对跟踪的影响可以忽略不计，而在高动态 环境下，该增量对跟踪的影响足以使测距精度降低 到指标以下。为了保证伪码的良好跟踪，可采用载 波辅助技术将多普勒频移在伪码环路更新间隔丁 内引起的伪码延时偏移量反馈给伪码NCO，进而补 偿伪码多普勒带来的影响MJ，如图l中所示。由式 (1)可得到在伪码环路更新间隔内，由多普勒频移 导致的伪码延时频移量为 Ar=矾／f, (2) 因而可由载波跟踪模块获得厶，然后按照式(2)计 算出Ar，并馈人伪码NCO补偿伪码多普勒的影响。 当然，也可探讨其它的伪码多普勒的补偿方法。 4．3载波跟踪 显然，DS／FH信号的载波多普勒频移因射频载 波的跳变而发生相应的跳变，设收发端的径向相对 运动速率为秽，频率合成器及其它非运动因素对频 率偏移的影响因子为u，则总的多普勒频移为厶= (v／c+M)正，于是发射载频跳变引起的多普勒频率 跳变最大值为 △，≥=(口。／c+Ⅱ)蛳。 (3) 式中秽m、蛳。分别为秽的最大值和发射载频最大跳 变量。在如下的参数设置下：载频中心频率为 2．2GHz、载频带宽为100MHz、最大多普勒频率为 180kHz，可得到多普勒频率跳变范围为±8．2kHz， 若选择更高的工作频率，该跳变范围将更大。如此 大的多普勒频移跳变势必会导致载波跟踪在频点切 换时发生失锁。为此，载波跟踪模块中需要根据跳 频图案的跟踪结果进行频率补偿修正，以减弱多普 勒频偏跳变对载波跟踪的影响，如图l中所示。 由多普勒表达式容易得到，第i个跳频间隙里 的多普勒频移与第i—1个跳频间隙里的多普勒频 移的关系为胁∥)_毒糍㈠小㈠)(4) 在载频跳变点处附近，收发端的相对运动速率 秽可认为保持恒定，所以得到频率跳变前后的多普 -8· V01．49No．6 Jun．2009 勒频移的关系为 厶(i)=I|}以(i—1)(5) 式中ki=以须H。 因而只需根据跳频图案的跟踪结果，计算出相 邻跳频间隙的载频比ki作为载波跟踪在跳频点处 的修正因子，减弱多普勒频移的跳变量，实现载波的 可靠跟踪。 在跳频间隙内的载波跟踪中，动态性能和跟踪 精度性能对一般的载波跟踪环路的要求是矛盾的。 为保证良好的动态跟踪性能，载波跟踪环路需要增 加环路的带宽，而为减少环路热噪声，确保一定的跟 踪精度，需要减小环路跟踪带宽。纵观前人的研究 工作，可知解决这一矛盾的思路是用开环来实现频 率的精确估计，或者在传统环路中嵌入算法也即不 同算法的组合或改进以提高环路对动态性的容忍能 力。 美国喷气推进实验室(JPL)于20世纪80年代 末率先研究了一系列高动态载波跟踪算法¨1。。研 究结果表明，在加加速度为100s／s的高动态环境 下，属于开环算法的最大似然估计(MLE)和扩展卡 尔曼滤波(EKF)具有最好频率估计精度，在载噪比 为24dB—Hz时，两种方法的频率估计误差仅有几 赫，但复杂程度最高；传统的闭环频率跟踪如自动频 率跟踪(AFC)、锁相环(PLL)虽复杂度最低，但有最 差的跟踪性能，其中PLL具有最差的载噪比门限、 适中的频率估计误差，AFC具有最差的频率估计误 差、适中的门限；而在AFC中嵌入EKF算法和利用 DFI"改进的算法，都较原来的传统闭环在跟踪性能 上有很大提高，且复杂度适中。对于这样的算法嵌 入式跟踪环路，文献[12]研究了在PLL中嵌人 EKF、小波去噪和自适应带宽等3种算法在高动态 下的跟踪性能，得出结论：前两种算法可以在低信噪 比、高动态下提高PLL跟踪性能；后一种算法在高 SNR、稍低动态下，具有良好跟踪性能。另一种算法 组合的方式是由锁频环和锁相环结合而成的复合 环¨3|，因结合了锁频环和锁相环的优点且实现简单 而得到广泛应用，不过受FLL和PLL的限制，类似 于自适应带宽PLL算法，该复合环只适用于稍低动 态环境。 测控对实时性和精度要求较高，鉴于开环和传 统闭环中嵌入算法构成的载波频率跟踪器优良的动 态跟踪性能，建议在前人研究的基础上，开展适合 DS／FH测控信号在高动态、低信噪比下，载波频率 万方数据 第49卷第6期 2009年6月 国讥技求 TelecommunicationEngineering V01．49No．6 Jun．2009 的开环精确实时估计和算法嵌入式环路的精确跟踪 研究。 5结束语 航天测控系统可靠工作的前提是快速建立收发 端测控信号的准确同步。针对测控及DS／FH扩频 信号的特点，提出了该信号基于快速频率识别的快 速准确的同步方案，对方案中三维捕获与跟踪的过 程进行了阐述。通过对在动态情况下码多普勒和载 波多普勒频移在跳频切换点处发生跳变现象的分 析，得到了对应的补偿修正的初步方法。在总结前 人研究的基础上，建议开展基于开环或算法嵌入式 环的研究以提高系统在动态环境下的载波跟踪性 能。 本文对DS／FH测控信号的同步问题做了初步、 概要的研究，为DS／FH混合扩频信号用于航天测控 提供了一个可行的实现方案，为混合扩频测控体制 的研究奠定基础。下一步将围绕文中提出的同步方 案做大量的深入研究工作：定量分析同步方案捕获 性能并给出系统参数的设置建议；研究分析多普勒 跳变和伪码多普勒的补偿修正方案及补偿效果；研 究开环和部分算法嵌入式环对于DS／FH测控信号 载波的动态跟踪性能。 参考文献： [1]SimoneL，SalernoN，MaffeiM．Frequency—Hopping TechniquesforSecureSatelliteTr&C：System Analysis&Trade—Offs[C]／／AleatelAleniaSpace—Ita． 1y．IEEE，2006． [2]杨文革，文贻军，孟生云，等．一种直扩／跳频混和扩频 信号测量性能分析[J]．电讯技术，2009，49(1)：13— 17． [3]李超，徐友云，罗汉文，等．DS／FH混合扩频通信系统 双级同步技术研究[J]．移动通信，2004(增)：50—53． [4]刘继承，李暑坚，邵定蓉．基于编码扩频的DSIFH混合 扩频通信系统同步与数据解调技术的研究[J]．遥测 遥控，2002，23(5)：29—34． [5]张波，邵定蓉，李署坚．DSIFH混合系统快速同步的研 究[J]．北京航空航天大学学报，2005(11)：1226— 1231． [6]李小民，刘晖，郑利龙，等．一种高动态环境GPS信号 的跟踪方法及实现[J]．遥测遥控，1999(3)：9一15． [7]王伟，徐定杰．基于F丌的伪码快速捕获[J]．哈尔滨 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,及在伪码相位误差、多普勒频移和高斯白噪声条件下的检测概率和虚警概率表达式.仿真分析了在采用时域匹配滤波、频域多通道的直扩捕获方式下,信 号和捕获系统参数对三维捕获性能的影响.理论推导与数值仿真结果表明了同步方案的有效性,并为信号 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 及捕获系统参数选择提供了理论依据和实际 参考. 2.期刊论文 路伟涛.杨文革.孟生云.LU Wei-tao.YANG Wen-ge.MENG Sheng-yun 多音干扰下DS/FH混合扩频测控信 号检测性能分析 -电讯技术2010,50(8) 分析DS/FH(直扩/跳频)混合扩频测控信号在干扰环境下的性能对该新测控体制的研究具有重要的意义.推导了多音干扰环境下DS/FH测控信号的检测 概率和虚警概率表达式,仿真分析了不同直扩增益、跳频增益组合情况在不同多音干扰条件下的检测性能,得到了一些有意义的结论.为进一步研究提供了 参考. 3.期刊论文 杨文革.路伟涛.孟生云.刘佳.YANG Wen-ge.LU Wei-tao.MENG Sheng-yun.LIU Jia DS/FH测控信号伪码 跟踪精度分析 -现代防御技术2010,38(4) 针对基于直扩/跳频(DS/FH)混合扩频信号的航天测控系统存在高动态性和多普勒捷变的特点,推导了在一定前端带宽和动态环境下超前滞后伪码跟踪 环的精度表达式,仿真和分析了前端带宽、环路带宽、载噪比以及多普勒捷变量等参数对跟踪精度的影响.结果表明了在跟踪环路中引入载波辅助和多普 勒捷变补偿修正的必要性,并为跟踪精度的提高、跟踪环路设计等后续工作提供了有益参考. 本文链接：http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_dianxjs200906002.aspx 授权使用：重庆大学(cqdx)，授权号：23ed27de-95aa-4957-8d22-9ead015c5748 下载 课程表模板下载资产负债表下载英语单词下载学习机资料下载励志文章下载 时间：2011年3月21日