融合調頻遙測和偽碼測距的寄生調制技術

張金榮,吳　嶺,游莎莎

(北京跟蹤與通信技術研究所,北京 100094)

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融合調頻遙測和偽碼測距的寄生調制技術

張金榮,吳嶺,游莎莎

(北京跟蹤與通信技術研究所,北京 100094)

針對飛行器測控系統將高碼率遙測數據和偽碼測距信號分流傳輸的不足,提出一種全新遙外測體制,將測距偽碼(pseudo-noise,PN)寄生在調頻(frequency modulation,FM)遙測信號中,生成一種融合調頻遙測和偽碼測距的寄生調制信號,實現高碼率遙測數據和測距信號的單流傳輸。研究FM+PN體制的調制、解調原理,從理論上分析信號頻譜及遙外測性能,并通過仿真得到不同參數下的頻譜特性、遙測解調誤碼率和測距精度,給出了調制參數選擇建議。仿真結果表明,將FM+PN體制應用到飛行器測控系統中,可將所需帶寬降低為現有測控體制的40%,大大提高帶寬利用率,而遙測誤碼率性能損失很小。

遙測; 測距; 調頻; 偽碼; 寄生調制; 帶寬效率

0　引　言

在飛行器測控系統中,對于存在較明顯火焰干擾或相位干擾的飛行目標,調頻(frequency modulation,FM)體制是常用的遙測體制[1-2],基于偽碼(pseudo-noise,PN)測距的擴頻體制是常用的外測體制[3]。若飛行器測控系統同時存在遙測和外測任務需求,目前的解決方式是采用兩個信號流分別傳輸FM遙測信號和擴頻外測信號。這種分流傳輸的機制存在以下不足:首先,遙測信號和外測信號通過兩個不同點頻的信號流獨立傳輸,需占用較大的帶寬;其次,需配置兩套發射機和兩套接收機,設備結構復雜,研制經費高。隨著遙測碼速率不斷增加,測控目標數不斷增多,有限的帶寬資源顯得日益緊張,對于帶寬利用率高的新遙外測體制的需求日益迫切。

為提高帶寬利用率,美國國家航天航空局(national aeronautics and space administration,NASA)提出了基于高斯最小頻移鍵控(Gaussian minimum-shift keying,GMSK)和PN測距的GMSK+PN技術[4],支持高碼率載荷遙測數據和測距信號的同時傳輸,可滿足空間頻率協調組(space frequency coordination group,SFCG)對空間頻譜的約束要求[5]。GMSK+PN技術具有頻譜效率高的優勢,成為近幾年的空間數據系統咨詢委員會(consultative committee for space data systems,CCSDS)研討會上的討論熱點[6-10],CCSDS射頻調制組正在制定相關技術標準[11]。國內學者也對該技術進行了跟蹤研究[12-13]。然而,GMSK+PN技術的應用方向是衛星測控系統,而某類飛行器測控系統主要采用抗多徑、抗相位干擾能力強的FM體制完成遙測數據的傳輸。目前,FM遙測與測距合并設計的相關研究工作尚未見諸報端。

本文將FM遙測和PN測距進行一體化設計,提出一種全新遙外測體制,記為FM+PN體制,將遙測數據和偽碼測距信號調制在同一載波上,僅傳輸一個信號流即可完成高碼率遙測和測距任務。FM+PN體制的新穎之處在于,其將測距偽碼疊加到FM遙測信號的相位上,生成新的相位既含測距信息又含遙測信息。通過設置合適的測距信號加權因子,可對遙測數據和測距信號進行功率分配,相對于高碼率遙測數據來說,PN測距信號僅需較小功率,所以新的相位可看成是受到測距偽碼擾動的FM遙測信號相位,從這個角度來看,FM+PN信號可以看作是寄生PN測距信號的FM信號。從信號形式來看,FM+PN信號在同一載波上實現了遙測數據的調頻和測距信號的調相。

PN測距信號與FM遙測信號相位的疊加方式有兩種,一種是直接相加,另一種是將PN測距信號調制在副載波上后再與FM遙測信號相位相加。GMSK+PN技術的研究成果[6,13]表明,采用副載波調制后,不僅沒有獲得遙測性能的明顯提升,反而導致了信號帶寬的增大。因此,本文提出的FM+PN體制采用無副載波方式,即PN測距信號與FM遙測信號相位直接相加。現有文獻[6-8,13]主要通過仿真獲得GMSK+PN技術的性能,本文則從理論上分析了FM+PN信號的頻譜特性、遙測數據解調誤碼率和測距精度,并進行了仿真驗證,得到了測控系統關注的帶寬、誤碼率曲線和測距隨機差等性能。

與現有測控系統將FM遙測信號和擴頻測距信號分流傳輸相比,采用FM+PN體制,一方面,可大大提高帶寬利用率,增加可用頻段內的測控目標數,解決未來帶寬資源緊張問題;另一方面,可簡化設備結構,提高系統可靠性,降低設備研制經費,特別是對體積和重量要求較高的飛行器載設備顯得尤為重要。

1　調制原理

基于FM+PN 體制的遙測和偽碼測距技術的調制過程如下:遙測數據符號經成形濾波后,送入積分器,得到遙測數據的FM相位φTM(t);PN序列經過測距成形濾波后乘以加權因子h得到PN信號相位φRG(t);φTM(t)與φRG(t)相加后,生成新的相位既含遙測信息又含測距信息,對載波進行相位調制,生成FM+PN調制信號,如圖1所示。

圖1　FM+PN調制原理框圖Fig.1　Structure of FM+PN modulator

FM+PN調制的基帶信號可用式(1)表示:

(1)

(2)

式中,mTM為FM信號的調制指數;ak為遙測數據符號;Tb為數據符號周期;q(t)為相位響應函數,是脈沖成形函數g(t)關于時間t的積分,FM信號的成形脈沖為矩形脈沖,即

(3)

(4)

式中，φRG(t)為PN信號相位,傳輸測距信息,可表示為

(5)

(6)

式中,cn為偽碼符號;Tc為偽碼符號周期;hsq/sin(t)為測距成形脈沖,可選擇矩形脈沖hsq(t)和正弦脈沖hsin(t),表示為

(7)

當h=0時,圖1退化為FM調制器,僅傳輸遙測信息;當h≠0時,同時傳輸遙測信息和偽碼測距信息,二者間會產生干擾。由于h取較小值,所以φRG(t)相對于φTM(t)是較小值,因此,式(1)所示的FM+PN信號主要取決于遙測數據,可看作是寄生了PN測距信號的FM信號。從調制形式來看,遙測數據對載波進行調頻,測距信號對載波進行調相,所以FM+PN調制融合了調頻和調相兩種調制方式。

2　解調原理

接收信號可表示為

(8)

式中,n(t)為信道噪聲。

由于h值較小,所以φRG(t)可看作是φTM(t)的干擾信號,故接收信號可看作是受到測距信號干擾的FM信號,近似為

(9)

因此,可把測距信號看作噪聲,將接收信號送入FM解調器,解調出遙測數據。而測距信號φRG(t)在FM+PN信號中所占的功率比很低,不能直接進行解調,需先去除接收信號中的遙測信息,重建得到PN測距信號,再對其進行解調,得到偽距。FM+PN信號的解調原理框圖如圖2所示,包括FM解調、PN測距信號重建和PN測距信號解調3個部分。

圖2　FM+PN解調原理框圖Fig.2　Structure of FM+PN demodulator

FM信號的解調可采用多符號檢測(multi-symbol detection,MSD)算法[14]。由于FM信號是一種有記憶的連續相位調制信號,某時刻的信號波形不僅與當前符號有關,還受之前符號的影響,因此,觀測若干個符號進行聯合檢測,可實現FM信號的最佳解調。MSD算法的基本原理是在相位網格圖上搜索與接收信號的歐式距離最小的路徑,即最大似然路徑。具體實現方法是:接收機每接收到一個符號,不立即進行判決,而是要持續觀察后續3～5個符號,計算所有可能符號序列波形與接收信號的歐式距離,通過比較找到歐式距離最小的符號序列,實現當前符號的判決,從而減少符號判決錯誤,提高解調性能。

(10)

由于φRG(t)的值較小,所以有sin(φRG(t))≈φRG(t),由式(10)可得到

(11)

由式(5)、式(11)可知,重建得到的是受到噪聲干擾的測距信號。

對重建的測距信號z(t)進行偽碼捕獲和偽碼跟蹤,實現本地偽碼與接收信號的同步,并與上行偽碼相位進行比較,提取偽距。偽碼捕獲可由L個相關器(L為偽碼周期)和1個比較器完成。z(t)經同相積分、符號判別后解調出偽碼序列,與L個不同相位的本地偽碼求相關。當本地偽碼與z(t)的相位基本同步(相位差小于1個碼片)時,將出現相關峰;否則,相關值很小。通過比較L個相關值,搜索最大值來判定z(t)的相位,完成偽碼捕獲,轉入偽碼跟蹤階段。偽碼跟蹤可采用偽碼跟蹤環(chip tracking loop,CTL)實現[15]。當相鄰兩個偽碼碼片存在0/1轉換時,z(t)經中相積分后輸出偽碼碼片的定時偏差,累積后送給環路濾波器,控制本地偽碼時鐘,消除相位誤差。

3　性能分析

3.1信號頻譜

由式(1)可知,FM+PN信號復包絡為

(12)

(13)

(14)

當測距成形脈沖為hsq(t)時,測距信號及其頻譜可表示為

(15)

(16)

(17)

(18)

式中,Jl(mRG)為 l階貝塞爾函數。

當mRG較小時,有Jl(mRG)≈0,l>1,所以式(18)保留J0(mRG)和J1(mRG)兩項即可,其功率譜為

(19)

(20)

3.2遙測誤碼率

采用MSD算法對FM信號進行解調,誤碼率Pe可表示為

(21)

由于FM+PN信號的功率在遙測數據和測距信號之間分配(分配占比由測距信號加權因子h決定),所以與只傳輸遙測數據(即h=0)相比,FM+PN信號的遙測誤碼率性能存在損失。由式(17)、式(20)可知,損失的功率為

(22)

FM+PN信號中遙測數據的信噪比為

(23)

式中,Rb為遙測碼速率。

3.3測距精度

熱噪聲引入的測距隨機誤差[15]為

(24)

式中,c為光速，c=3×108m/s;Rc為偽碼速率;PRG/ N0為PN信號信噪比;BL為偽碼環路帶寬。

由式(17)、式(20)可知,FM+PN信號中PN信號功率為

(25)

將式(25)代入式(24),得到FM+PN信號的測距隨機誤差為

(26)

由式(26)可知,當FM+PN信號信噪比、偽碼速率、測距調制度、偽碼環路帶寬相同的情況下,采用正弦脈沖hsin(t)時的測距精度比采用矩形脈沖hsq(t)時的測距精度高,二者的比值為

(27)

4　仿真校驗

在Matlab Simulink環境下,對FM+PN體制進行仿真,通過設置不同的調制參數,仿真得到FM+PN信號的頻譜特性、遙測數據解調誤碼率和測距精度。

本文主要考慮兩種情形。當Rc=Rb時,取仿真參數:遙測碼速率Rb=10 Mbit/s,偽碼速率Rc=10 Mchip/s,偽碼序列為Gold碼,偽碼環路帶寬BL=20 Hz,測距成形脈沖為矩形脈沖hsq(t)或正弦脈沖hsin(t),測距信號加權因子h取值為0、0.1或0.2。當Rc≠Rb時,取仿真參數:Rb=5 Mbit/s,偽碼序列為Gold碼,BL=20 Hz,h=0.1,測距成形脈沖為正弦脈沖hsin(t),Rc=2.5 Mchip/s、5 Mchip/s或10 Mchip/s。

4.1頻譜特性

當Rc=Rb時,FM+PN信號頻譜如圖3(a)所示，橫軸為對Rb歸一化頻率。可見,隨著h值增大,頻譜展寬,旁瓣增大;h值越小,頻譜能量越集中,帶寬越窄;當h=0時,退化為FM信號頻譜;測距成形脈沖為正弦脈沖hsin(t)時的信號頻譜比矩形脈沖hsq(t)時的信號頻譜的旁瓣低。當Rc≠Rb時,FM+PN信號頻譜如圖3(b)所示。可見,Rc/Rb越小,頻譜越窄;當Rc/Rb=2時,偽碼對信號頻譜的影響較明顯,頻譜展寬,旁瓣增大。

圖3　FM+PN信號頻譜Fig.3　Spectrum of FM+PN signal

FM+PN信號的99%能量帶寬(對Rb歸一化)如表1所示。若無測距信號(即h=0),FM信號頻譜的99%能量帶寬為1.84Rb。由表1可以看出,當h=0.1、Rc/Rb≤1時,FM+PN信號帶寬比FM信號帶寬略大。當Rc/Rb=2時,FM+PN信號帶寬明顯變大,尤其是當h=0.2,FM+PN信號帶寬增大為FM信號帶寬的2倍左右。因此,從帶寬效率角度,h和Rc/Rb均應取較小值。

表1　FM+PN信號99%能量帶寬

當遙測碼速率為10 Mbit/s、偽碼速率為10 Mchip/s時,現有測控系統采用FM體制和擴頻體制分流傳輸遙測數據和測距信號,所需帶寬約為48 MHz(包括流間保護間隔)。若采用FM+PN體制,當選擇h=0.1、正弦測距成形脈沖hsin(t)時,所需帶寬為1.95Rb=19.5 MHz,僅為現有系統所需帶寬的40%。

4.2遙測解調誤碼率

當Rc=Rb時,FM+PN信號的遙測數據解調誤碼率曲線如圖4(a)所示。可見,h值越大,測距信號對遙測信號的影響越大,遙測數據解調誤碼率越高。若h=0.1,當解調誤碼率大于10-4時,測距信號引起的信噪比PT/N0/Rb惡化小于0.3 dB;當解調誤碼率為0.01時,測距信號引起的信噪比惡化小于0.1 dB,若對解調后的遙測數據進行Turbo乘積碼(Turbo product code,TPC)譯碼[16-17],可將誤碼率降低至10-5以下,滿足遙測系統誤碼率要求。選擇不同測距成形脈沖時的遙測誤碼率差不多。當Rc≠Rb時,誤碼率曲線如圖4(b)所示。可見,與Rc/Rb=1相比,Rc/Rb=1/2時的誤碼率性能略差,Rc/Rb=2時的誤碼率性能略好,Rc/Rb的值對遙測誤碼率影響不大。

圖4　FM+PN信號遙測數據解調誤碼率Fig.4　Bit error rate of telemetry data for FM+PN signal

4.3測距精度

當Rc=Rb時,FM+PN信號的測距精度如圖5(a)所示。可見,h值越大,測距信號能量越強,測距精度越高;測距成形脈沖為正弦脈沖hsin(t)時的測距精度比矩形脈沖hsq(t)時的測距精度高。當Rc≠Rb時,測距精度如圖5(b)所示。在相同信噪比下,Rc/Rb越大,測距精度越高;Rc/Rb=1/2時的測距精度大于Rc/Rb=1時的測距精度的2倍;Rc/Rb=2時的測距精度約為Rc/Rb=1時的測距精度的1/2。由式(26)可知,理論上測距精度與Rb無關,與Rc成反比(信噪比相同時)。可見,Rc/Rb=1/2時,FM+PN信號的測距精度存在損失。

圖5　FM+PN信號的測距隨機誤差Fig.5　Standard deviation of range for FM+PN signal

由第4.2節可知,當PT/N0/Rb大于4 dB,采用TPC譯碼,可使誤碼率滿足遙測系統要求。由第3.3節可知,若Rb=5 Mbit/s，h=0.1,則重建的PN信號信噪比PRG/N0約為54.9 dBHz,高于傳統擴頻體制的測距門限,所以獲得的測距精度可滿足系統要求。當Rb和h增大時,重建的PN信號信噪比更高,可獲得更高的測距精度。

5　參數選擇

通過對FM+PN技術的遙測及測距性能的理論分析和仿真校驗可知,選用合適的調制參數,可大大提高帶寬利用率,而遙測誤碼率性能損失很小。

(1)測距成形脈沖對99%能量帶寬和遙測誤碼率的影響不明顯;但測距成形脈沖為正弦脈沖hsin(t)的信號頻譜旁瓣更低、測距精度更高。因此,測距成形脈沖建議采用正弦脈沖hsin(t)。

(2)測距信號加權因子h越大,測距精度越高,但遙測誤碼率和信號帶寬越大。綜合考慮測距精度、遙測誤碼率和信號帶寬,若遙測碼速率較高(Rb≥5 Mbit/s),當信號信噪比滿足遙測誤碼率要求時,重建的PN信號信噪比也較高,建議h=0.1,不僅可滿足測距精度要求,還可獲得較小的信號帶寬;若Rb較小,建議h=0.2,以滿足測距精度要求。

(3)Rc/Rb的值越小,信號頻譜越窄;Rc越大,測距精度越高;Rc/Rb<1時的遙測誤碼率性能和測距性能均存在損失。綜合考慮測距精度、遙測誤碼率和信號帶寬,若遙測碼率較高(Rb≥5 Mbit/s),建議Rc/Rb≈1,可獲得較小的信號帶寬,且重建的PN信號信噪比較高,可滿足測距精度要求;若Rb很高(Rb>10 Mbit/s),Rc/Rb可取值1/2～1,以減小信號帶寬;若Rb較小,建議Rc/Rb取1～2,以滿足測距精度要求。

6　結　論

本文研究了一種全新的遙外測體制,將FM遙測和PN測距進行一體化設計,提出基于FM+PN體制的遙測和偽碼測距技術。通過理論分析和仿真實驗獲得了不同調制參數、不同信噪比下的信號頻譜、99%能量帶寬、遙測數據解調誤碼率和測距精度等性能。綜合考慮信號帶寬、解調誤碼率和測距精度要求,給出了不同應用條件下的調制參數建議,對于FM+PN技術在測控系統的應用具有重要的參考價值。與現有測控系統的FM遙測和擴頻外測分流傳輸體制相比,FM+PN體制具有帶寬利用率高、設備結構簡單的優勢,且遙測誤碼率性能損失很小,測距精度可滿足要求。

[1] Liu Y C,Fang H R.Telemetry and telecommand system[M].Beijing:National Defence Industry Press,2000:148-154.(劉蘊才,房鴻瑞.遙測遙控系統[M].北京:國防工業出版社,2000:148-154.)

[2] IRIG Standard 106-13.Telemetry standards[S].New Mexico:Secretariat,Range Commanders Council,White Sands Missile Range,2013.

[3] CCSDS Recommended standard 414.1-B-2.Pseudo-noise (PN)ranging systems[S].Washington D.C.:Consultative Committee for Space Data System,2014.

[4] Orr R S,Divsalar D.Combined GMSK modulation and PN ranging for communications and navigation[C]//Proc.of the IEEE Aerospace Conference,2008:1-18.

[5] CCSDS recommendation SFCG 21-2R2.Efficient spectrum utilisation for space science services on space-to-earth links;category A[S].Washington D.C.:Consultative Committee for Space Data System,2014.

[6] Vassallo E,Visintin M.Analysis of GMSK for simultaneous transmission of ranging and telemetry[C]//Proc.of the CCSDS Fall Technical Meeting,2009:SLS-RFM_09-08.

[7] Dennis L.Simulations of GMSK-PN and UQPSK[C]//Proc.of the CCSDS Spring Technical Meeting,2011:SLS-RFM_11-04.

[8] Sessler G,Vassallo E,Visintin M.Performance of GMSK for telemetry and PN ranging under realistic conditions[C]//Proc.of the 6th ESA International Workshop on Tracking,Telemetry,and Command Systems for Space Applications,2013:1-8.

[9] Visintin M,Vassallo E.Synchronization analysis for GMSK+PN modulation[C]//Proc.of the CCSDS Fall Technical Meeting,2013:SLS-RFM_13-12.

[10] Sessler G,Vassallo E,Calzolari G P,et al.GMSK/PN for high rate telemetry and high accuracy ranging of lagrange and mars missions[C]//Proc.of the AIAA International Conference on Space Operations,2014:1-14.

[11] CCSDS draft informational report 41x.0-G-0.Simultaneous transmission of GMSK telemetry and PN ranging[S].Washington D.C.:Consultative Committee for Space Data System,2014.

[12] Shi L G,Wang Z G,Xiong W M.SNR estimation algorithm for GMSK+PN signal[J].Systems Engineering and Electronics,2016,38(1):25-29.(石立國,王竹剛,熊蔚明.GMSK+PN信號信噪比估計[J].系統工程與電子技術,2016,38(1):25-29.)

[13] Li Q K,Guo S L.The telemetry and ranging using the GMSK modulation[J].Science Technology and Engineering,2014,14(6):175-183.(李慶坤,郭肅麗.利用高斯最小頻移鍵控(GMSK)調制的遙測和測距技術[J].科學技術與工程,2014,14(6):175-183.)

[14] Wang X B,Wu L,Xu S Y.Apply MSD and TPC in the PCM-FM telemetry system[J].Journal of Telemetry,Tracking and Command,2007,28(S1):49-53.(王曉波,吳嶺,徐松艷.MSD與TPC技術在PCM-FM遙測系統中的應用研究[J].遙測遙控,2007,28(S1):49-53.)

[15] CCSDS recommended standard 414.0-G-2.Pseudo-noise (PN)ranging systems[S].Washington D.C.:Consultative Committee for Space Data System,2014.

[16] Zhou L,Liu H,Zhang B.Flexible and high-efficiency turbo product code decoder design[J].IEICE Electronics Express,2012,9(12):1044-1050.

[17] Leroux C,Jego C,Adde D,et al.Turbo product code decoder without interleaving resource:from parallelism exploration to high efficiency architecture[J].Journal of Signal Processing Systems,2011,64(1):17-29.

Parasitical modulation technique of combining FM telemetry and PN ranging

ZHANG Jin-rong,WU Ling,YOU Sha-sha

(Beijing Institute of Tracking and Telecommunication Technology,Beijing 100094,China)

Considering that there exist some disadvantages in the current telemetry and ranging system where high rate telemetry data and ranging signals are transmitted on two different frequency bands,a new technique based on frequency modulation+pseudo-noise (FM+PN)is proposed to achieve simultaneous transmission for high rate telemetry data and ranging signals on one frequency band.The novelty lies in the fact that the PN ranging code is parasitic upon the FM telemetry signal so as to generate a parasitical modulated signal.The modulation and demodulation algorithms are first presented,and the signal spectrum and bit error rate performance of telemetry data and ranging precision are then analyzed in theory.The performance of the new FM+PN technique is acquired by simulation and appropriate parameters are recommended by comparing these results.The simulation results demonstrate that the proposed FM+PN technique can improve band efficiency obviously with just a little cost of bit error rate performance of telemetry data.

telemetry; ranging; frequency modulation (FM); pseudo-noise (PN); parasitical modulation; bandwidth efficiency

2016-04-28；

2016-06-13；網絡優先出版日期：2016-07-07。

V 556.1

ADOI:10.3969/j.issn.1001-506X.2016.11.06

張金榮(1984-),女,助理研究員,碩士,主要研究方向為無線電測控技術。

E-mail:janmyzh@163.com

吳嶺(1972-),男,高級工程師,博士,主要研究方向為無線電測控技術。

E-mail:wlmsh2000@sohu.com

游莎莎(1983-),女,助理研究員,碩士,主要研究方向為無線電測控技術。

E-mail:sha_zi021@sohu.com

網絡優先出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/11.2422.TN.20160707.1739.006.html