一種窄波束信號(hào)的快速捕獲方法

張 波

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十研究所，四川 成都 610036）

0 引言

隨著現(xiàn)代空間技術(shù)的發(fā)展，飛行器的作用距離越來(lái)越遠(yuǎn)，此時(shí)需要保證到達(dá)地球的信號(hào)強(qiáng)度在一定的水平才能完成可靠通信。從理論上講，當(dāng)天地系統(tǒng)的天線口徑、系統(tǒng)噪聲溫度和發(fā)射功率都不變時(shí)，頻率提高N倍，則地面接收電平將提高20lgN，因此將工作頻段提高到 Ka頻段是解決超遠(yuǎn)距離通信的有效手段[1-3]。Ka頻段在提供增益的同時(shí)帶來(lái)了一些新的問題，首先是天線波束更窄，這要求天線指向更精確，而在實(shí)際中單純通過軌道預(yù)報(bào)信息不能保證天線能夠完全對(duì)準(zhǔn)空間目標(biāo)，因此需要在軌道預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步進(jìn)行目標(biāo)搜索以完成天線對(duì)目標(biāo)的精確指向，伺服系統(tǒng)在此基礎(chǔ)上進(jìn)行目標(biāo)的跟蹤；另一個(gè)問題是工作頻段提高后在相同的運(yùn)動(dòng)速度下目標(biāo)將會(huì)具有更大的動(dòng)態(tài)，這要求接收機(jī)能夠在很短的時(shí)間內(nèi)完成信號(hào)的捕獲[4-5]。文中針對(duì)上述兩個(gè)問題，設(shè)計(jì)出了連續(xù)相位調(diào)制信號(hào)的快速空間搜索和頻率捕獲方法。文中對(duì)其相關(guān)理論進(jìn)行了分析說(shuō)明，并給出了相應(yīng)的仿真結(jié)果。從仿真結(jié)果可以看出，采用該方法可以完成Eb/N0=0 dB下連續(xù)相位調(diào)制信號(hào)的快速空間搜索和頻率捕獲。

1 信號(hào)模型

連續(xù)相位調(diào)制信號(hào)由于相位連續(xù)提供了較高的頻帶和功率利用率，且具有恒包絡(luò)特點(diǎn)，可以在非線性信道中完成信號(hào)的傳輸。

連續(xù)相位調(diào)制信號(hào)的表達(dá)式為：

式中，sE為傳輸符號(hào)能量，T為符號(hào)持續(xù)時(shí)間，cf

為載波頻率，(,)tαθ為載波相位：

此處{αi}取值為±1，h=0.7，為調(diào)制指數(shù)。波形q(t)是任意形狀脈沖 g (t)的積分，即：

積分結(jié)果滿足：

這里2L=，g(t)選擇為升余弦波形。

2 空間搜索方法

對(duì)于空間目標(biāo)的搜索首先需要使天線主波束能夠?qū)?zhǔn)搜索目標(biāo)，轉(zhuǎn)動(dòng)天線可以采用機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)或波束形成的方式來(lái)完成。由于目標(biāo)移動(dòng)速度快，需要在很短時(shí)間內(nèi)完成信號(hào)的捕獲，采用機(jī)械方式難以滿足時(shí)間要求，而波束形成可以多個(gè)方向同時(shí)搜索，并且方向圖改變迅速，因此采用基于天線陣的波束形成方式來(lái)進(jìn)行空間目標(biāo)搜索。

多個(gè)陣元接收到的下行信號(hào)在完成AD采樣后分別進(jìn)行下變頻，得到各個(gè)陣元對(duì)應(yīng)的基帶信號(hào)，根據(jù)采樣定理對(duì)信號(hào)進(jìn)行抽取以減少采樣點(diǎn)，降低后續(xù)處理過程計(jì)算量。抽取后的各路信號(hào)分別進(jìn)行存儲(chǔ)。根據(jù)陣元數(shù)量以及可以達(dá)到的空間分辨率把需要搜索的空間分割成若干個(gè)子空間，通過把各個(gè)陣元對(duì)應(yīng)的基帶信號(hào)進(jìn)行復(fù)數(shù)加權(quán)合成，每個(gè)波束形成的結(jié)果對(duì)應(yīng)一個(gè)子空間，這樣所有波束形成的結(jié)果就可以覆蓋整個(gè)所需搜索空間。圖1給出了波束合成的實(shí)現(xiàn)過程，其中用于合成各個(gè)方向波束的加權(quán)系數(shù)提前計(jì)算完成，存儲(chǔ)在 ROM 中，各個(gè)方向的加權(quán)系數(shù)可根據(jù)地址從ROM中獲得。

圖1 波束形成框

在通過波束合成得到各個(gè)方向的信號(hào)后，采用譜估計(jì)方法來(lái)對(duì)不同方向的信號(hào)進(jìn)行估計(jì)和比較。目前成熟的功率譜估計(jì)方法很多[6-7]，此處只需要對(duì)信號(hào)譜位置進(jìn)行估計(jì)，對(duì)分辨率沒有過多要求，為了簡(jiǎn)單采用改進(jìn)的直接法[8-10]來(lái)來(lái)完成信號(hào)譜估計(jì)。直接法又稱周期圖法，是把隨機(jī)信號(hào) x(n)的N點(diǎn)觀察數(shù)據(jù) xN(n)視為一能量有限信號(hào)，直接取 xN(n)的傅里葉變換，得()，然后再取其幅值的平方，并除以N，作為對(duì) x(n)真實(shí)的功率譜 P()的估計(jì)。以()表示用周期圖法估計(jì)出的功率譜，則：

式中，d1(n)是長(zhǎng)度 為M的矩形窗口。分別計(jì)算每一段的功率譜(ω)，即：

在上面的處理中，方差性能的改善是以犧牲分辨率為代價(jià)的，此處只需完成信號(hào)功率大小的估計(jì)，對(duì)分辨率的要求不高，因此可以完成不同方向的信號(hào)功率譜估計(jì)。

3 信號(hào)捕獲方法

這里要完成Eb/N0=0dB條件下信號(hào)載波多普勒和幀頭的捕獲，在如此低的信噪比下不能直接進(jìn)行捕獲，為了獲得足夠的積分增益，可以利用信號(hào)中用于幀同步的幀頭來(lái)進(jìn)行多普勒頻率的估計(jì)。此時(shí)幀頭長(zhǎng)度決定了最終的捕獲靈敏度，此處假設(shè)幀頭長(zhǎng)度為32 bit。接收時(shí)，可以在本地產(chǎn)生幀頭對(duì)應(yīng)的信號(hào)基帶波形，該波形的數(shù)據(jù)作為相關(guān)器的系數(shù)，當(dāng)接收信號(hào)中的幀頭出現(xiàn)時(shí)相關(guān)器會(huì)出現(xiàn)明顯的峰值，把此峰值與門限進(jìn)行比較，如果超過門限，就認(rèn)為捕獲到了幀頭，從而轉(zhuǎn)入后續(xù)跟蹤和解調(diào)過程。由于目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度非?？?，因此多普勒范圍會(huì)很大，這時(shí)可以進(jìn)行頻率分槽，從各個(gè)頻率槽的積分結(jié)果中選擇最大的相關(guān)結(jié)果作為最終的正確捕獲結(jié)果，其所對(duì)應(yīng)的頻率槽即為當(dāng)前的多普勒。由于連續(xù)相位調(diào)制信號(hào)本身對(duì)多普勒不敏感，因此只要找出一個(gè)比較粗略的頻率范圍即可，不會(huì)對(duì)后續(xù)的解調(diào)過程造成明顯影響。

在進(jìn)行信號(hào)頻率捕獲時(shí)可以采取串行或并行兩種不同的方式。并行搜索處理速度快，但會(huì)占用大量資源。串行搜索所需搜索時(shí)間長(zhǎng)，但占用資源要少得多。實(shí)際中要根據(jù)所能允許的最大捕獲時(shí)間來(lái)進(jìn)行選擇，并行搜索結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 捕獲過程

假設(shè)幀頭長(zhǎng)度為M比特，則積分結(jié)果為：

此時(shí)相關(guān)器的積分增益為10lgM，當(dāng)M為32時(shí)，積分增益為15.05 dB。

4 仿真結(jié)果

4.1 空間信號(hào)搜索仿真結(jié)果

仿真時(shí)每段數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)選擇為256點(diǎn)，數(shù)據(jù)總共有256段。由于Ka頻段天線波束很窄，因此在所形成的100個(gè)波束中最多只有幾個(gè)波束可以覆蓋搜索目標(biāo)，接收到的信噪比會(huì)明顯高于其他波束，通過對(duì)各個(gè)波束對(duì)應(yīng)信號(hào)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較選擇信號(hào)與噪聲能量比值最大的支路作為最終的搜索結(jié)果。由圖 3、圖 4、圖 5中的仿真結(jié)果可以看出，在Eb/N0=0 dB、-10 dB和10 dB時(shí)信號(hào)功率譜有非常明顯的差異，完全可以根據(jù)此差異完成信號(hào)的搜索。

圖3 信號(hào)功率譜,Eb/N0=-10 dB

4.2 載波多普勒捕獲仿真結(jié)果

對(duì)幀頭長(zhǎng)度為32 bit，Eb/N0=0 dB，多普勒頻偏為200 kHz時(shí)的信號(hào)進(jìn)行了仿真。從仿真結(jié)果圖6可以看出，在多普勒頻偏為200 kHz時(shí)幀頭的相關(guān)結(jié)果仍然會(huì)出現(xiàn)明顯的峰值，這說(shuō)明幀頭相關(guān)檢測(cè)方法本身具有較強(qiáng)的抗頻偏能力，而當(dāng)多普勒超過其檢測(cè)范圍時(shí)通過分槽可以完成多普勒頻率的粗略捕獲，引導(dǎo)后續(xù)的跟蹤解調(diào)過程。

圖4 信號(hào)功率譜,Eb/N0=0 dB

圖5 信號(hào)功率譜,Eb/N0=10 dB

圖6 捕獲相關(guān)峰,Eb/N0=0 dB

5 結(jié)語(yǔ)

隨著飛行器通信距離越來(lái)越遠(yuǎn)，提高通信頻段已成為必然選擇，此時(shí)天線對(duì)空間目標(biāo)搜索和捕獲需要解決低信噪比和大動(dòng)態(tài)的問題[9-10]。傳統(tǒng)的目標(biāo)跟蹤和載波捕獲方法在如此低的信噪比下難以應(yīng)用。針對(duì)這個(gè)問題，提出了一種基于波束合成的能量估計(jì)方法，該方法通過不同的加權(quán)系數(shù)來(lái)合成空間中不同方向的信號(hào)，再對(duì)各個(gè)來(lái)向的信號(hào)進(jìn)行功率譜估計(jì)來(lái)確定最佳的信號(hào)方向。在此基礎(chǔ)上通過頻率分槽和匹配相關(guān)來(lái)估計(jì)載波多普勒頻率。該方法對(duì)硬件要求低，計(jì)算量小，具有較強(qiáng)的工程應(yīng)用價(jià)值。

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