一種脈沖超寬帶測(cè)控信號(hào)及其性能分析

廉　昕, 王元?dú)J, 侯孝民, 孟祥利

(裝備學(xué)院光電裝備系, 北京 101416)

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一種脈沖超寬帶測(cè)控信號(hào)及其性能分析

廉昕, 王元?dú)J, 侯孝民, 孟祥利

(裝備學(xué)院光電裝備系, 北京 101416)

將脈沖超寬帶技術(shù)應(yīng)用于航天測(cè)控系統(tǒng),可大大提高測(cè)控信號(hào)的安全性。對(duì)測(cè)控信號(hào)形式的選擇是脈沖超寬帶測(cè)控系統(tǒng)中首先要考慮的問(wèn)題。將目前常用的兩種脈沖超寬帶信號(hào)形式相結(jié)合,提出了一種同時(shí)對(duì)脈沖進(jìn)行幅度調(diào)制和位置調(diào)制的混合調(diào)制脈沖超寬帶測(cè)控信號(hào)。利用對(duì)數(shù)正態(tài)陰影衰落模型分析了信號(hào)的傳輸性能,利用模糊函數(shù)分析了信號(hào)的測(cè)量性能,同時(shí)針對(duì)阻塞式噪聲干擾,分析了信號(hào)的抗干擾性能。仿真結(jié)果表明,混合調(diào)制脈沖超寬帶測(cè)控信號(hào)具有良好的傳輸性能、測(cè)量性能和抗干擾性能,是一種較理想的脈沖超寬帶測(cè)控信號(hào)形式。

脈沖超寬帶; 測(cè)控信號(hào); 傳輸性能; 測(cè)量性能; 抗干擾性能

0　引　言

脈沖超寬帶技術(shù)(impulse radio-ultra wideband, IR-UWB)是一種具有革命性意義的無(wú)線通信技術(shù)。它利用時(shí)域極窄的脈沖信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,具有抗干擾能力強(qiáng)、隱蔽性強(qiáng)、測(cè)距定位精度高等諸多優(yōu)點(diǎn),在無(wú)線通信、定位、雷達(dá)成像等領(lǐng)域得到廣泛關(guān)注[1-2]。

考慮到當(dāng)前航天測(cè)控系統(tǒng)信號(hào)安全性的不足,可將脈沖超寬帶技術(shù)引入到測(cè)控系統(tǒng)中,構(gòu)建脈沖超寬帶測(cè)控新體制。其中,測(cè)控信號(hào)形式的選擇是首先需要考慮的問(wèn)題。目前,常用的脈沖超寬帶信號(hào)調(diào)制方式主要有直擴(kuò)-脈沖幅度調(diào)制(direct spread-pulse amplitude modulation, DS-PAM)和跳時(shí)-脈沖位置調(diào)制(time hopping-pulse position modulation, TH-PPM)兩種,二者分別將數(shù)據(jù)信息調(diào)制到脈沖的幅度和脈沖的位置上[3]。前者的抗噪聲性能更好,但實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度更高;而后者更利于多進(jìn)制信息調(diào)制,但對(duì)時(shí)間精度的要求較高[4]。

文獻(xiàn)[5-6]提出了數(shù)字脈沖間隔調(diào)制方式(digital pulse interval modulation, DPIM),又稱(chēng)差分脈沖位置調(diào)制。它去掉了冗余的時(shí)間槽,從而提高了數(shù)據(jù)傳輸能力。文獻(xiàn)[7-8]將PAM和PPM相結(jié)合,提出了一種新的脈沖位置幅度調(diào)制方式,實(shí)現(xiàn)了信號(hào)性能和復(fù)雜度的折中,同時(shí)可以增大數(shù)據(jù)傳輸效率。本文將DS-PAM與TH-PPM相結(jié)合,利用同一個(gè)偽碼對(duì)脈沖的幅度和位置同時(shí)進(jìn)行調(diào)制,得到一種新的脈沖超寬帶測(cè)控信號(hào)形式,并對(duì)該信號(hào)的性能進(jìn)行分析。仿真結(jié)果表明,該混合調(diào)制信號(hào)具有良好的傳輸性能、很強(qiáng)的測(cè)距測(cè)速能力和抗干擾能力,是一種較理想的脈沖超寬帶測(cè)控信號(hào)形式。

1　脈沖超寬帶測(cè)控信號(hào)模型

目前,最常用的脈沖超寬帶測(cè)控信號(hào)形式為載波調(diào)制DS-PAM信號(hào)和載波調(diào)制TH-PPM信號(hào)。

載波調(diào)制DS-PAM信號(hào)是采用直接序列擴(kuò)頻方式的二進(jìn)制PAM調(diào)制UWB信號(hào)。它利用信源輸出的信號(hào)與偽隨機(jī)碼進(jìn)行模二加得到的二進(jìn)制信息來(lái)控制發(fā)射脈沖的極性[9-10]。而載波調(diào)制TH-PPM信號(hào)是采用跳時(shí)多址方式的PPM調(diào)制UWB信號(hào)。該信號(hào)通過(guò)將偽隨機(jī)跳時(shí)碼序列和數(shù)據(jù)信息承載于脈沖的位置上進(jìn)行傳輸。二者最后均需經(jīng)過(guò)載波調(diào)制,將中心頻率搬移至適合遠(yuǎn)距離傳輸?shù)念l段。

將以上兩種信號(hào)相結(jié)合,即可得到一種新的混合調(diào)制UWB信號(hào)。該信號(hào)將數(shù)據(jù)信息既調(diào)制在脈沖的幅度上,又調(diào)制在脈沖的位置上，其產(chǎn)生過(guò)程如圖1所示。

圖1　混合調(diào)制UWB信號(hào)的產(chǎn)生Fig.1　Generation of the hybrid modulation UWB signal

偽碼產(chǎn)生器產(chǎn)生的偽碼與數(shù)據(jù)信息相乘(模二加),進(jìn)行二進(jìn)制PAM調(diào)制,二者共同控制脈沖的極性;同時(shí)偽碼產(chǎn)生器又生成多進(jìn)制偽隨機(jī)跳時(shí)碼,與數(shù)據(jù)信息共同進(jìn)行TH-PPM調(diào)制以控制脈沖的位置。最后再對(duì)已調(diào)制的脈沖信號(hào)進(jìn)行載波調(diào)制,即可得到混合調(diào)制脈沖超寬帶測(cè)控信號(hào)。其中,信源產(chǎn)生的二進(jìn)制數(shù)據(jù)信息既進(jìn)行PAM調(diào)制,又進(jìn)行PPM調(diào)制。而偽碼產(chǎn)生器產(chǎn)生的偽碼既進(jìn)行DS-PAM調(diào)制,還負(fù)責(zé)生成跳時(shí)碼來(lái)進(jìn)行TH調(diào)制。該混合調(diào)制UWB信號(hào)的表達(dá)式為

(1)

適當(dāng)選取信號(hào)參數(shù),對(duì)該信號(hào)的時(shí)域波形和功率譜進(jìn)行仿真,如圖2所示。其中,直擴(kuò)偽碼序列采用碼長(zhǎng)為1 023的m序列,碼速率Rc=102.3 Mbps。偽隨機(jī)跳時(shí)碼采用4進(jìn)制碼序列,由上述m序列產(chǎn)生器的第6級(jí)、第7級(jí)移位寄存器輸出，經(jīng)線性運(yùn)算得到。信息速率Rb=1 Mbps,單脈沖采用簡(jiǎn)單的矩形脈沖,脈沖寬度Tp=1.955 ns,脈沖幀周期T=9.775 ns,載波頻率fc=8 GHz。

圖2　混合調(diào)制UWB信號(hào)仿真波形Fig.2　Simulation waveform of the hybrid modulation UWB signal

由圖2可知,該混合調(diào)制信號(hào)的時(shí)域波形由若干窄脈沖包絡(luò)構(gòu)成,各脈沖的位置由偽隨機(jī)跳時(shí)碼和數(shù)據(jù)信息共同確定。脈內(nèi)為正弦載波信號(hào),這里的二進(jìn)制PAM調(diào)制轉(zhuǎn)化為對(duì)載波的二進(jìn)制相移鍵控(binary phase shift keying,BPSK)調(diào)制。而信號(hào)功率譜為sinc函數(shù)包絡(luò),其第一零點(diǎn)距離峰值點(diǎn)的距離為碼速率與脈沖占空比倒數(shù)的乘積,即RbT/Tp。在后續(xù)章節(jié)將對(duì)該信號(hào)的各項(xiàng)性能進(jìn)行分析。

2　傳輸性能分析

將該混合調(diào)制UWB信號(hào)用于遠(yuǎn)距離傳輸?shù)臏y(cè)控系統(tǒng),首先需要考慮信號(hào)的傳輸性能。這里利用對(duì)數(shù)正態(tài)陰影效應(yīng)模型[11],對(duì)信號(hào)的傳輸性能進(jìn)行分析。

在該模型中,發(fā)射信號(hào)功率可表示為

(2)

式中,Am為發(fā)射信號(hào)功率譜密度的峰值(上限);|P(f)|為信號(hào)歸一化功率譜密度函數(shù)。

則在對(duì)數(shù)正態(tài)陰影衰落的影響下,接收信號(hào)功率[11]為

(3)

式中,α為陰影衰落因子,可認(rèn)為服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布;Gt和Gr分別為發(fā)射天線和接收天線的增益;c為光速;d為傳輸距離;fH和fL為信號(hào)-10 dB帶寬對(duì)應(yīng)的最高頻率和最低頻率。

經(jīng)進(jìn)一步的推導(dǎo)可得,在給定誤比特率條件下,信號(hào)傳播距離與數(shù)據(jù)傳輸速率的關(guān)系為

(4)

式中,(Eb/N0)t為信號(hào)每比特能量與噪聲譜密度之比;Rb為數(shù)據(jù)傳輸速率;k為玻爾茲曼常數(shù);T0為室溫(300 K);F為熱噪聲系數(shù);M為鏈路余量。

這里對(duì)DS-PAM信號(hào)、TH-PPM信號(hào)和混合調(diào)制信號(hào)的傳輸性能進(jìn)行仿真對(duì)比。仿真中,各信號(hào)對(duì)應(yīng)參數(shù)均相同。偽碼采用m序列,而跳時(shí)碼采用4進(jìn)制偽隨機(jī)碼。偽碼碼長(zhǎng)N=31,載波頻率fs=8 GHz。對(duì)式(4)中的其他參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)選取:Am=4×10-8W/Hz,Gt=Gr=1,α=0 dB,F=6 dB,M=5 dB。在以上參數(shù)條件下,得到3種UWB信號(hào)的信息速率與傳輸距離之間的關(guān)系，如圖3所示。

圖3　各UWB信號(hào)的傳輸性能Fig.3　Transmission performance of each UWB signal

由圖3可知,3種信號(hào)的傳輸距離均隨信息速率的增大而減小。在相同條件下,當(dāng)信息速率相同時(shí),DS-PAM信號(hào)由于功率譜更集中,其傳輸距離最遠(yuǎn)。TH-PPM信號(hào)功率譜相對(duì)分散,其傳輸距離最近。而本文提出的混合調(diào)制信號(hào)由于結(jié)合了DS-PAM調(diào)制,其功率譜比TH-PPM調(diào)制信號(hào)更加集中,因此其傳輸距離介于二者之間,說(shuō)明該信號(hào)具備相對(duì)良好的傳輸性能。

3　測(cè)量性能分析

將UWB信號(hào)用于測(cè)控系統(tǒng),其最重要的性能就是測(cè)量性能。這里利用信號(hào)的模糊函數(shù)作為工具,對(duì)信號(hào)的測(cè)量性能進(jìn)行分析。

模糊函數(shù)是對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析和研究的有效數(shù)學(xué)工具,可以描述信號(hào)的分辨力和模糊特性,進(jìn)而對(duì)信號(hào)的測(cè)量性能進(jìn)行分析[12]。模糊函數(shù)展示了當(dāng)信號(hào)時(shí)延和多普勒偏移發(fā)生變化時(shí)的信號(hào)分辨特性[13],其表達(dá)式為

(5)

式中,x(t)為信號(hào);τ為時(shí)間延遲;fd為多普勒頻率偏移。

將式(1)代入式(5),即可得到混合調(diào)制UWB信號(hào)的模糊函數(shù)。這里直接利用Matlab對(duì)信號(hào)的模糊函數(shù)進(jìn)行仿真分析,主要參數(shù)設(shè)置如下:偽碼碼長(zhǎng)N=31,仍采用m序列,碼速率Rc=310 Mbps;跳時(shí)碼仍采用4進(jìn)制;脈沖幀周期T=1/310 μs,占空比為1/4,載波頻率fs=2.17 GHz。信號(hào)的三維模糊圖如圖4所示。

圖4　混合調(diào)制UWB信號(hào)的三維模糊圖Fig.4　The three-dimensional ambiguity figure of the hybrid modulation UWB signal

可知,混合調(diào)制UWB信號(hào)的模糊圖為較理想的圖釘型,其主峰很尖銳,但在偽碼時(shí)間周期和2倍載波頻率處有較大的旁瓣尖峰。

分別令fd=0和τ=0,可得到其距離模糊圖和速度模糊圖,如圖5所示。

圖5　混合調(diào)制UWB信號(hào)的二維模糊圖Fig.5　The two-dimensional ambiguity figure of the hybrid modulation UWB signal

由圖5可知,混合調(diào)制UWB信號(hào)的距離模糊函數(shù)的主峰較尖銳,但在偽碼周期處存在較大的旁瓣尖峰,使得測(cè)距出現(xiàn)模糊。而其速度模糊函數(shù)的主峰也很尖銳,僅在±2fc處存在較大的旁瓣尖峰。而載波頻率fc很高,極易分辨。因此,該信號(hào)不存在測(cè)速模糊。

而在相同條件下,信號(hào)對(duì)應(yīng)參數(shù)均相同的DS-PAM信號(hào)和TH-PPM信號(hào)的二維模糊圖分別如圖6和圖7所示。

圖6　DS-PAM信號(hào)的二維模糊圖Fig.6　The two-dimensional ambiguity figure of DS-PAM signal

圖7　TH-PPM信號(hào)的二維模糊圖Fig.7　The two-dimensional ambiguity figure of TH-PPM signal

通過(guò)對(duì)比圖5、圖6和圖7可知,DS-PAM信號(hào)的測(cè)距性能較好,但測(cè)速性能不佳,其速度模糊函數(shù)的主瓣寬度較寬。TH-PPM信號(hào)的測(cè)速性能較好,但測(cè)距性能不佳,其距離模糊函數(shù)的旁瓣干擾較大。而混合調(diào)制UWB信號(hào)結(jié)合了二者的優(yōu)點(diǎn),具有良好的測(cè)距和測(cè)速性能。其模糊函數(shù)的主峰較尖銳,測(cè)量精度較高,無(wú)模糊測(cè)量距離，與偽碼周期成正比,不存在測(cè)速模糊。

4　抗干擾性能分析

UWB信號(hào)的一大特點(diǎn)即是很強(qiáng)的抗干擾能力,將UWB信號(hào)用于測(cè)控系統(tǒng)旨在提高測(cè)控信號(hào)的抗干擾能力。因此，這里分析UWB測(cè)控信號(hào)的抗干擾性能。由于信號(hào)帶寬極寬,UWB測(cè)控信號(hào)會(huì)面臨很多類(lèi)型的干擾[14],這里僅對(duì)阻塞式噪聲干擾進(jìn)行分析。

假設(shè)系統(tǒng)僅有單用戶(hù)且在接收通帶Bss內(nèi)有一阻塞式噪聲(也可認(rèn)為是高斯白噪聲)nN(t),其均值為0,方差為δ2,則其雙邊功率譜為

(6)

設(shè)相關(guān)接收機(jī)的本地模板信號(hào)為st(t),其傅里葉變換為St(ω),則經(jīng)過(guò)相關(guān)接收機(jī)解調(diào)后輸出的干擾信號(hào)功率[15]為

(7)

而UWB信號(hào)經(jīng)相關(guān)接收機(jī)解調(diào)的輸出功率為

(8)

因此,UWB信號(hào)的解調(diào)輸出信干比(signal to interference ratio, SIR)為

(9)

系統(tǒng)的誤碼率為

(10)

現(xiàn)利用Matlab對(duì)3種UWB信號(hào)的抗干擾性能進(jìn)行仿真對(duì)比。參數(shù)設(shè)置如下:信息速率Rb=1 Mbps,偽碼碼長(zhǎng)N=31,偽碼速率Rc=31 Mbps,脈沖占空比為1/5,載波頻率fc=4 GHz。接收信號(hào)r(t)包括經(jīng)延遲的輸入信號(hào)和阻塞式噪聲干擾,即r(t)=sUWB(t)+n(t)。采用相關(guān)接收處理,本地產(chǎn)生無(wú)數(shù)據(jù)調(diào)制的一個(gè)偽碼周期的UWB信號(hào)L(t),對(duì)相關(guān)結(jié)果的判決條件為

(11)

則當(dāng)SIR變化時(shí),3種信號(hào)的誤碼率曲線如圖8所示。

圖8　3種UWB信號(hào)的誤碼率曲線Fig.8　The bit error rate curves of the three UWB signals

通過(guò)圖8的對(duì)比可知,DS-PAM信號(hào)的抗干擾性能明顯要優(yōu)于TH-PPM信號(hào),而本文提出的混合調(diào)制UWB信號(hào)由于包含了DS-PAM調(diào)制,其抗干擾性能與DS-PAM信號(hào)基本相同,在信噪比為-32 dB時(shí)的誤碼率已接近10-4,具備較好的抗干擾性能。

5　結(jié)　論

本文在現(xiàn)有常用的DS-PAM信號(hào)和TH-PPM信號(hào)的基礎(chǔ)上,將二者結(jié)合,提出了混合調(diào)制UWB測(cè)控信號(hào),并對(duì)其傳輸性能、測(cè)量性能和抗干擾性能進(jìn)行了分析。仿真結(jié)果表明,本文提出的混合調(diào)制UWB信號(hào)兼具DS-PAM信號(hào)和TH-PPM信號(hào)的優(yōu)點(diǎn)。在相同條件下,其傳輸性能介于DS-PAM信號(hào)和TH-PPM信號(hào)之間;其測(cè)量精度較高,測(cè)距測(cè)速性能良好;而其抗干擾性能與DS-PAM信號(hào)基本相同,具備較強(qiáng)的抗干擾能力。綜上,該混合調(diào)制UWB信號(hào)是一種較理想的測(cè)控信號(hào)形式,可有效提高測(cè)控信號(hào)的整體性能。

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Analysis of an IR-UWB TT&C signal and its performance

LIAN Xin, WANG Yuan-qin, HOU Xiao-min, MENG Xiang-li

(DepartmentofOpticalandElectronicEquipment,EquipmentAcademy,Beijing101416,China)

Using the impulse radio-ultra wideband(IR-UWB) technology into the tracking, telemetry and command (TT&C) system can greatly improve the security performance of the TT&C signal. And the problem that should be firstly considered is the selection of the TT&C signal scheme. Combining the two IR-UWB signal schemes commonly used currently, a new kind of hybrid modulation IR-UWB TT&C signal scheme is proposed, conducting amplitude modulation and position modulation to the pulse at the same time. Its transmission performance is analyzed by using the lognormal shadowing path loss model, its measuring performance is analyzed by using ambiguity function, and its anti-interference performance is analyzed in terms of blocking noise interference. Simulation results show that the hybrid modulation IR-UWB TT&C signal scheme has quite good transmission performance, measuring performance and anti-interference performance. It is an ideal IR-UWB TT&C signal scheme.

impulse radio-ultra wideband (IR-UWB); tracking, telemetry and command (TT&C) signal; transmission performance; measuring performance; anti-interference performance

2015-09-23；

2016-06-12；網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版日期：2016-07-07。

TN 911.3

A

10.3969/j.issn.1001-506X.2016.09.30

廉昕(1987-),男,博士研究生,主要研究方向?yàn)楹教鞙y(cè)控、脈沖超寬帶技術(shù)。

E-mail:lianxin20032002@aliyun.com

王元?dú)J(1963-),男,教授,博士,主要研究方向?yàn)楹教鞙y(cè)控系統(tǒng)。

E-mail:wangyqzzy@163.com

侯孝民(1968-),男,教授,博士,主要研究方向?yàn)楹教鞙y(cè)控系統(tǒng)。

E-mail:13801244993@139.com

孟祥利(1991-),男,碩士研究生,主要研究方向?yàn)楹教鞙y(cè)控、脈沖超寬帶技術(shù)。

E-mail:10211193@bjtu.edu.cn

網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/11.2422.TN.20160707.1739.004.html