連線干涉測量寬帶信號處理方法改進與驗證

摘 要： 為了提高連線干涉測量中兩測站接收同一信號的時延差估計精度，提出一種利用寬帶數傳信號進行處理的新思路。用FX型相關處理算法求兩路寬帶數傳信號互功率譜得到的群時延，解載波相位延遲的整周相位模糊，通過載波的相位延遲求出更精確的時延。針對BPSK調制的寬帶數傳信號，對信號進行平方變換后分別估計兩路信號的載波的頻率和相位并求出載波相位延遲。蒙特卡洛仿真驗證，該方法在一定信噪比條件下可以提高信號到達兩測站時延差估計精度。

關鍵詞： 連線干涉測量； 載波提?。?頻率相位估計； 相位延遲； 解模糊

中圖分類號： TN911?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）14?0140?03

Improvement and validation of broadband signal processing method in

connecting?line interferometry

HU Kai， HONG Jia?cai， XUE Jun?shi

（The Academy of Equipment， Beijing 101416， China）

Abstract： To improve the estimated accuracy of time?delay difference when two measurement stationsin connecting?line interferometry receives a same signal， a new processing idea to utilize broadband transmission signal is proposed. FX correlation processing algorithm is used to derive the group delay recieved by cross power spectrum of two channel broadband transmission signals to solve the phase period ambiguity of carrier’s phase delay， and then calculate the more accurate time?delay by carrier phase delay. For broadband transmission signal modulated by BPSK， two channel signals’ carrier frequency and phase are estimated respectively after a square transformation of the signal， then carrier phase delay is obtained. Monte Carlo simulation result proves validity and effectiveness of the method. Under the condition of certain signal to noise ratio， the method can improve the estimation accuracy of time delay difference which signal reaches to two stations.

Keywords： Connecting?line Interferometry； carrier extraction； frequency and phase estimation； phase delay； ambiguity resolution

0 引 言

連線干涉測量技術是一種高精度的測角技術，兩個測站同時接收同一信號源發出的信號，利用信號到2個測站的時延差完成目標的角度測量，在兩個測站基線長度一定的條件下，提高時延的估計精度可以獲得更高精度的角度測量[1]。

寬帶信號用于航天器與地面站之間的數據傳輸，利用兩個測站接收的寬帶數傳信號可以進行干涉測量。對于寬帶信號經過相關處理，可以得到不同測站的互功率譜，進而得到群時延等信息。目前主要有FX型和XF型兩種相關處理方法，本文在FX型相關處理算法的基礎上，提出了利用群時延解載波相位模糊，利用載波的相位延遲求得更精確的信號時延，經仿真驗證了改進的有效性。

1 FX型相關處理算法

FX型相關處理對處理寬帶連續信號非常實用，其一般處理流程是在一定時延預測模型基礎上，在數據讀取過程中進行整數比特延遲的補償，然后做條紋反轉和小數比特時延補償，求取互功率譜，通過對功率譜相位擬合得到時延的估計值。信號處理流程如圖1所示。

2 載波信號提取及頻率相位估計

本文所研究的寬帶數傳信號采取BPSK調制，屬于載波抑制信號，可以對信號進行某種非線性變換后，就可以直接從中提取載波分量。平方變換法就是其中一種方法，提取載波成分的原理框圖如圖2所示。

圖1 FX相關算法流程圖

圖2 平方法提取載波原理框圖

設調制信號中無直流分量，在接收端已調信號為，該信號經過平方器后輸出為，

（1）

式（1）中第二項包含有頻率的分量，進過中心頻率為的窄帶濾波器，再進行二分頻，即可獲得所需的載波。以BPSK信號為例，調制信號，BPSK信號經過平方器后，再經過二分頻器就可以得到的頻率成分，這就是所提取出的同步載波。信號通過二分頻電路會引起信號倒相，提取出的載波存在的相位模糊問題。這會導致兩路載波信號可能會有的時延差模糊度，可以由它和群時延的差值來判斷并修正。

對載波的頻率相位估計采用FFT相位差法頻率估計，對連續時域信號分前后兩段做傅里葉變換，利用其對應離散譜線的相位差校正出譜峰處的準確頻率和相位。

3 寬帶解模糊

表1中給出相位延遲與群時延的特點對比，可以看出相位延遲精度主要取決于信號載波頻率，而群時延精度主要取決于帶通信號上下限頻率差即信號的帶寬，所以相位延遲的精度要遠高于群時延精度。而群時延模糊度高，可以更好地解模糊。

表1 相位延遲與群時延的特點對比

寬帶數傳信號中，兩路寬帶信號的時延差等于其載波信號的時延差，FX型相關處理算法得到的是寬帶信號的群時延，可以由寬帶信號處理得到的粗時延對載波信號相位延遲解模糊。利用寬帶信號做干涉測量的解模糊處理流程如圖3所示。

圖3 寬帶數傳信號解模糊處理流程圖

由寬帶信號得到的群時延為，載波估計頻率，提取的相位延遲為，若真實相位為，則有：

（2）

式（2）中，[ ]表示取整；為載波差分相位模糊度。

由（2）式可知，寬帶數傳信號獲取的群時延精度，對相位延遲模糊度有著重要影響。由于信號傳播與接收過程中受到信道噪音和系統噪音的影響。將寬帶數傳信號得到的群時延看作為標準的正態分布，則根據概率論的知識，絕對值大于的誤差僅有0.3%，即。當3倍的時延均方差小于信號周期時，整周相位模糊度幾乎不受到噪音的影響。同時，考慮到群時延用于判斷平方法中載波存在的相位模糊問題，需要3倍的時延均方差小于半個信號周期即，本文以此作為求群時延的精度標準。

4 仿真分析

對圖3所示的算法流程進行實驗驗證，本文所處理的信號是經航天器發射后到達2個不同測站的信號，分別仿真生成兩路碼元速率為10 Mb/s的BPSK調制信號，其中載波頻率載波初相，信號長度，兩路信號時延差設置為，兩路信號均加入高斯白噪聲，采樣率。用FX型相關算法求群時延時，采用Bartlett法求互功率譜，將信號分為256段，每段1 024個點做FFT，擬合帶寬為54～74 MHz。按照本文介紹的方法估計兩路信號的時延差，并做100次蒙特卡洛仿真。

如圖4，圖5所示，在時，FX型相關處理時延均值97.631 6 ns，標準差s，提取載波計算時延均值97.656 6 ns，標準差s；在時，FX型相關處理時延均值97.653 9 ns，標準差s，提取載波計算時延均值97.660 2 ns，標準差s。由仿真結果可以看出，本文中利用載波相位延遲求時延的算法比傳統的FX型相關處理算法時延精度有明顯提高，在時可提高一個量級的時延精度，在時，處理精度有所下降但仍高于傳統FX型相關算法。

圖4 仿真結果（一）

5 結 語

本文在分析連線干涉測量中FX型相關處理算法的基礎上，提出一種寬帶信號群時延解模糊，提取載波頻率和相位估計兩路信號時延差的算法。仿真結果證明該方法和傳統的FX型相關處理算法相比提高了信號時延差的估計精度，為連線干涉測量中時延差的估計提供了一定的參考。

圖5 仿真結果（二）

參考文獻

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