一種脈沖超寬帶測控信號及其性能分析

廉　昕, 王元欽, 侯孝民, 孟祥利

(裝備學(xué)院光電裝備系, 北京 101416)

?

一種脈沖超寬帶測控信號及其性能分析

廉昕, 王元欽, 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)用于航天測控系統(tǒng),可大大提高測控信號的安全性。對測控信號形式的選擇是脈沖超寬帶測控系統(tǒng)中首先要考慮的問題。將目前常用的兩種脈沖超寬帶信號形式相結(jié)合,提出了一種同時對脈沖進行幅度調(diào)制和位置調(diào)制的混合調(diào)制脈沖超寬帶測控信號。利用對數(shù)正態(tài)陰影衰落模型分析了信號的傳輸性能,利用模糊函數(shù)分析了信號的測量性能,同時針對阻塞式噪聲干擾,分析了信號的抗干擾性能。仿真結(jié)果表明,混合調(diào)制脈沖超寬帶測控信號具有良好的傳輸性能、測量性能和抗干擾性能,是一種較理想的脈沖超寬帶測控信號形式。

脈沖超寬帶; 測控信號; 傳輸性能; 測量性能; 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線通信技術(shù)。它利用時域極窄的脈沖信號進行數(shù)據(jù)傳輸,具有抗干擾能力強、隱蔽性強、測距定位精度高等諸多優(yōu)點,在無線通信、定位、雷達成像等領(lǐng)域得到廣泛關(guān)注[1-2]。

考慮到當(dāng)前航天測控系統(tǒng)信號安全性的不足,可將脈沖超寬帶技術(shù)引入到測控系統(tǒng)中,構(gòu)建脈沖超寬帶測控新體制。其中,測控信號形式的選擇是首先需要考慮的問題。目前,常用的脈沖超寬帶信號調(diào)制方式主要有直擴-脈沖幅度調(diào)制(direct spread-pulse amplitude modulation, DS-PAM)和跳時-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,但實現(xiàn)復(fù)雜度更高;而后者更利于多進制信息調(diào)制,但對時間精度的要求較高[4]。

文獻[5-6]提出了數(shù)字脈沖間隔調(diào)制方式(digital pulse interval modulation, DPIM),又稱差分脈沖位置調(diào)制。它去掉了冗余的時間槽,從而提高了數(shù)據(jù)傳輸能力。文獻[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,實現(xiàn)了信號性能和復(fù)雜度的折中,同時可以增大數(shù)據(jù)傳輸效率。本文將DS-PAM與TH-PPM相結(jié)合,利用同一個偽碼對脈沖的幅度和位置同時進行調(diào)制,得到一種新的脈沖超寬帶測控信號形式,并對該信號的性能進行分析。仿真結(jié)果表明,該混合調(diào)制信號具有良好的傳輸性能、很強的測距測速能力和抗干擾能力,是一種較理想的脈沖超寬帶測控信號形式。

1　脈沖超寬帶測控信號模型

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

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

將以上兩種信號相結(jié)合,即可得到一種新的混合調(diào)制UWB信號。該信號將數(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)生過程如圖1所示。

圖1　混合調(diào)制UWB信號的產(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),進行二進制PAM調(diào)制,二者共同控制脈沖的極性;同時偽碼產(chǎn)生器又生成多進制偽隨機跳時碼,與數(shù)據(jù)信息共同進行TH-PPM調(diào)制以控制脈沖的位置。最后再對已調(diào)制的脈沖信號進行載波調(diào)制,即可得到混合調(diào)制脈沖超寬帶測控信號。其中,信源產(chǎn)生的二進制數(shù)據(jù)信息既進行PAM調(diào)制,又進行PPM調(diào)制。而偽碼產(chǎn)生器產(chǎn)生的偽碼既進行DS-PAM調(diào)制,還負責(zé)生成跳時碼來進行TH調(diào)制。該混合調(diào)制UWB信號的表達式為

(1)

適當(dāng)選取信號參數(shù),對該信號的時域波形和功率譜進行仿真,如圖2所示。其中,直擴偽碼序列采用碼長為1 023的m序列,碼速率Rc=102.3 Mbps。偽隨機跳時碼采用4進制碼序列,由上述m序列產(chǎn)生器的第6級、第7級移位寄存器輸出，經(jīng)線性運算得到。信息速率Rb=1 Mbps,單脈沖采用簡單的矩形脈沖,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)制信號的時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跳時碼和數(shù)據(jù)信息共同確定。脈內(nèi)為正弦載波信號,這里的二進制PAM調(diào)制轉(zhuǎn)化為對載波的二進制相移鍵控(binary phase shift keying,BPSK)調(diào)制。而信號功率譜為sinc函數(shù)包絡(luò),其第一零點距離峰值點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)將對該信號的各項性能進行分析。

2　傳輸性能分析

將該混合調(diào)制UWB信號用于遠距離傳輸?shù)臏y控系統(tǒng),首先需要考慮信號的傳輸性能。這里利用對數(shù)正態(tài)陰影效應(yīng)模型[11],對信號的傳輸性能進行分析。

在該模型中,發(fā)射信號功率可表示為

(2)

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

則在對數(shù)正態(tài)陰影衰落的影響下,接收信號功率[11]為

(3)

式中,α為陰影衰落因子,可認為服從對數(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-10 dB帶寬對應(yīng)的最高頻率和最低頻率。

經(jīng)進一步的推導(dǎo)可得,在給定誤比特率條件下,信號傳播距離與數(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DS-PAM信號、TH-PPM信號和混合調(diào)制信號的傳輸性能進行仿真對比。仿真中,各信號對應(yīng)參數(shù)均相同。偽碼采用m序列,而跳時碼采用4進制偽隨機碼。偽碼碼長N=31,載波頻率fs=8 GHz。對式(4)中的其他參數(shù)進行適當(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信號的傳輸性能Fig.3　Transmission performance of each UWB signal

由圖3可知,3種信號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,DS-PAM信號由于功率譜更集中,其傳輸距離最遠。TH-PPM信號功率譜相對分散,其傳輸距離最近。而本文提出的混合調(diào)制信號由于結(jié)合了DS-PAM調(diào)制,其功率譜比TH-PPM調(diào)制信號更加集中,因此其傳輸距離介于二者之間,說明該信號具備相對良好的傳輸性能。

3　測量性能分析

將UWB信號用于測控系統(tǒng),其最重要的性能就是測量性能。這里利用信號的模糊函數(shù)作為工具,對信號的測量性能進行分析。

模糊函數(shù)是對信號進行分析和研究的有效數(shù)學(xué)工具,可以描述信號的分辨力和模糊特性,進而對信號的測量性能進行分析[12]。模糊函數(shù)展示了當(dāng)信號時延和多普勒偏移發(fā)生變化時的信號分辨特性[13],其表達式為

(5)

式中,x(t)為信號;τ為時間延遲;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信號的模糊函數(shù)。這里直接利用Matlab對信號的模糊函數(shù)進行仿真分析,主要參數(shù)設(shè)置如下:偽碼碼長N=31,仍采用m序列,碼速率Rc=310 Mbps;跳時碼仍采用4進制;脈沖幀周期T=1/310 μs,占空比為1/4,載波頻率fs=2.17 GHz。信號的三維模糊圖如圖4所示。

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

可知,混合調(diào)制UWB信號的模糊圖為較理想的圖釘型,其主峰很尖銳,但在偽碼時間周期和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,該信號不存在測速模糊。

而在相同條件下,信號對應(yīng)參數(shù)均相同的DS-PAM信號和TH-PPM信號的二維模糊圖分別如圖6和圖7所示。

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

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

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

4　抗干擾性能分析

UWB信號的一大特點即是很強的抗干擾能力,將UWB信號用于測控系統(tǒng)旨在提高測控信號的抗干擾能力。因此，這里分析UWB測控信號的抗干擾性能。由于信號帶寬極寬,UWB測控信號會面臨很多類型的干擾[14],這里僅對阻塞式噪聲干擾進行分析。

假設(shè)系統(tǒng)僅有單用戶且在接收通帶Bss內(nèi)有一阻塞式噪聲(也可認為是高斯白噪聲)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)接收機的本地模板信號為st(t),其傅里葉變換為St(ω),則經(jīng)過相關(guān)接收機解調(diào)后輸出的干擾信號功率[15]為

(7)

而UWB信號經(jīng)相關(guān)接收機解調(diào)的輸出功率為

(8)

因此,UWB信號的解調(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3種UWB信號的抗干擾性能進行仿真對比。參數(shù)設(shè)置如下:信息速率Rb=1 Mbps,偽碼碼長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r(t)包括經(jīng)延遲的輸入信號和阻塞式噪聲干擾,即r(t)=sUWB(t)+n(t)。采用相關(guān)接收處理,本地產(chǎn)生無數(shù)據(jù)調(diào)制的一個偽碼周期的UWB信號L(t),對相關(guān)結(jié)果的判決條件為

(11)

則當(dāng)SIR變化時,3種信號的誤碼率曲線如圖8所示。

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

通過圖8的對比可知,DS-PAM信號的抗干擾性能明顯要優(yōu)于TH-PPM信號,而本文提出的混合調(diào)制UWB信號由于包含了DS-PAM調(diào)制,其抗干擾性能與DS-PAM信號基本相同,在信噪比為-32 dB時的誤碼率已接近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信號和TH-PPM信號的基礎(chǔ)上,將二者結(jié)合,提出了混合調(diào)制UWB測控信號,并對其傳輸性能、測量性能和抗干擾性能進行了分析。仿真結(jié)果表明,本文提出的混合調(diào)制UWB信號兼具DS-PAM信號和TH-PPM信號的優(yōu)點。在相同條件下,其傳輸性能介于DS-PAM信號和TH-PPM信號之間;其測量精度較高,測距測速性能良好;而其抗干擾性能與DS-PAM信號基本相同,具備較強的抗干擾能力。綜上,該混合調(diào)制UWB信號是一種較理想的測控信號形式,可有效提高測控信號的整體性能。

[1] Yang F, Hu J H, Li S Q. Bandpass sampling and reconstruction method for UWB signals[J].SystemsEngineeringandElectronics, 2010,32(4):686-690.(楊峰,胡劍浩,李少謙.超寬帶信號的一種帶通采樣與重建方法[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù),2010,32(4):686-690.)

[2] Yue G R, Ge L J. System performance research of ultra-wide bandwidth radio in jamming environment[J].JournalofElectronics&InformationTechnology, 2002, 24(11): 1544-1550. (岳光榮, 葛利嘉. 超寬帶無線電抗干擾性能研究[J].電子與信息學(xué)報, 2002, 24(11): 1544-1550.)

[3] Conroy J T, LoCicero J L, Ucci D R. Communication techniques using monopulse waveforms[C]∥Proc.oftheIEEEMilitaryCommunicationsConference, 1999: 1181-1185.

[4] Zhang H, Li W, Gulliver T A. Biorthogonal pulse position modulation for time-hopping UWB systems[C]∥Proc.ofthe3rdAnnualCommunicationNetworksandServicesResearchConference, 2005: 209-213.

[5] Wilson B, Ghassemlooy Z F, Kaluarachchi E D. Digital pulse interval modulation for fiber transmission[C]∥Proc.oftheInternationalSocietyforOpticsandPhotonics, 1995: 53-59.

[6] Ghassemlooy Z, Hayes A R, Seed N L, et al. Digital pulse interval modulation for optical communications[J].IEEECommunicationsMagazine, 1998, 36(12): 95-99.

[7] Zhang H, Li W, Gulliver T A. Pulse position amplitude modulation for time-hopping multiple-access UWB communications[J].IEEETrans.onCommunications, 2005, 53(8): 1269-1273.

[8] Li W, Gulliver T A, Zhang H. Performance and capacity of ultra-wideband transmission with pulse position amplitude modulation over multipath fading channels[C]∥Proc.oftheIEEEGlobalTelecommunicationsConference, 2005: 3664-3669.

[9] Sum C S, Rahman M A, Sasaki S, et al. Impact of timing jitter on rake reception of DS-UWB signal over AWGN and multipath environment[C]∥Proc.oftheInternationalConferenceonWirelessNetworks,CommunicationsandMobileComputing,2005:1225-1230.

[10] Wang Y, Luo S, Hu Y, et al. Sinusoidal modulation Gaussian pulse used in UWB SATCOM[C]∥Proc.ofthe7thInternationalConferenceonWirelessCommunications,NetworkingandMobileComputing, 2011: 1-3.

[11] Nascimento J, Nikookar H. On the range-data rate performance of outdoor UWB communication[C]∥Proc.ofthe2ndInternationalConferenceonWirelessBroadbandandUltraWidebandCommunications, 2007: 72.

[12] Hao X H, Bai Y P, Cui Z Z. Analysis of range resolution for a new combined modulation waveform[J].TransactionsofBeijingInstituteofTechnology,2008,28(4):297-301.(郝新紅,白鈺鵬,崔占忠.一種復(fù)合調(diào)制波形的測距性能分析[J].北京理工大學(xué)學(xué)報,2008,28(4):297-301.)

[13] Fellows M, Baylis C, Cohen L, et al. Calculation of the radar ambiguity function from time-domain measurement data for real-time, amplifier-in-the-loop waveform optimization[C]∥Proc.ofthe82ndMicrowaveMeasurementConference, 2013: 1-5.

[14] Hamalainen M, Iinatti J. Analysis of jamming on DS-UWB system[C]∥Proc.oftheMilitaryCommunicationsConference, 2005: 468-473.

[15] Yue G R. Researches on interference cancellation and coexistence for ultra wideband wireless communication systems[D]. Chengdu: University of Electronic Science and Technology of China, 2006. (岳光榮. 超寬帶無線通信抗干擾與共存性研究[D]. 成都:電子科技大學(xué), 2006.)

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,主要研究方向為航天測控、脈沖超寬帶技術(shù)。

E-mail:lianxin20032002@aliyun.com

王元欽(1963-),男,教授,博士,主要研究方向為航天測控系統(tǒng)。

E-mail:wangyqzzy@163.com

侯孝民(1968-),男,教授,博士,主要研究方向為航天測控系統(tǒng)。

E-mail:13801244993@139.com

孟祥利(1991-),男,碩士研究生,主要研究方向為航天測控、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