融合调频遥测和伪码测距的寄生调制技术

张金荣,吴　岭,游莎莎

(北京跟踪与通信技术研究所,北京 100094)



融合调频遥测和伪码测距的寄生调制技术

张金荣,吴岭,游莎莎

(北京跟踪与通信技术研究所,北京 100094)

针对飞行器测控系统将高码率遥测数据和伪码测距信号分流传输的不足,提出一种全新遥外测体制,将测距伪码(pseudo-noise,PN)寄生在调频(frequency modulation,FM)遥测信号中,生成一种融合调频遥测和伪码测距的寄生调制信号,实现高码率遥测数据和测距信号的单流传输。研究FM+PN体制的调制、解调原理,从理论上分析信号频谱及遥外测性能,并通过仿真得到不同参数下的频谱特性、遥测解调误码率和测距精度,给出了调制参数选择建议。仿真结果表明,将FM+PN体制应用到飞行器测控系统中,可将所需带宽降低为现有测控体制的40%,大大提高带宽利用率,而遥测误码率性能损失很小。

遥测; 测距; 调频; 伪码; 寄生调制; 带宽效率

0　引　言

在飞行器测控系统中,对于存在较明显火焰干扰或相位干扰的飞行目标,调频(frequency modulation,FM)体制是常用的遥测体制[1-2],基于伪码(pseudo-noise,PN)测距的扩频体制是常用的外测体制[3]。若飞行器测控系统同时存在遥测和外测任务需求,目前的解决方式是采用两个信号流分别传输FM遥测信号和扩频外测信号。这种分流传输的机制存在以下不足:首先,遥测信号和外测信号通过两个不同点频的信号流独立传输,需占用较大的带宽;其次,需配置两套发射机和两套接收机,设备结构复杂,研制经费高。随着遥测码速率不断增加,测控目标数不断增多,有限的带宽资源显得日益紧张,对于带宽利用率高的新遥外测体制的需求日益迫切。

为提高带宽利用率,美国国家航天航空局(national aeronautics and space administration,NASA)提出了基于高斯最小频移键控(Gaussian minimum-shift keying,GMSK)和PN测距的GMSK+PN技术[4],支持高码率载荷遥测数据和测距信号的同时传输,可满足空间频率协调组(space frequency coordination group,SFCG)对空间频谱的约束要求[5]。GMSK+PN技术具有频谱效率高的优势,成为近几年的空间数据系统咨询委员会(consultative committee for space data systems,CCSDS)研讨会上的讨论热点[6-10],CCSDS射频调制组正在制定相关技术标准[11]。国内学者也对该技术进行了跟踪研究[12-13]。然而,GMSK+PN技术的应用方向是卫星测控系统,而某类飞行器测控系统主要采用抗多径、抗相位干扰能力强的FM体制完成遥测数据的传输。目前,FM遥测与测距合并设计的相关研究工作尚未见诸报端。

本文将FM遥测和PN测距进行一体化设计,提出一种全新遥外测体制,记为FM+PN体制,将遥测数据和伪码测距信号调制在同一载波上,仅传输一个信号流即可完成高码率遥测和测距任务。FM+PN体制的新颖之处在于,其将测距伪码叠加到FM遥测信号的相位上,生成新的相位既含测距信息又含遥测信息。通过设置合适的测距信号加权因子,可对遥测数据和测距信号进行功率分配,相对于高码率遥测数据来说,PN测距信号仅需较小功率,所以新的相位可看成是受到测距伪码扰动的FM遥测信号相位,从这个角度来看,FM+PN信号可以看作是寄生PN测距信号的FM信号。从信号形式来看,FM+PN信号在同一载波上实现了遥测数据的调频和测距信号的调相。

PN测距信号与FM遥测信号相位的叠加方式有两种,一种是直接相加,另一种是将PN测距信号调制在副载波上后再与FM遥测信号相位相加。GMSK+PN技术的研究成果[6,13]表明,采用副载波调制后,不仅没有获得遥测性能的明显提升,反而导致了信号带宽的增大。因此,本文提出的FM+PN体制采用无副载波方式,即PN测距信号与FM遥测信号相位直接相加。现有文献[6-8,13]主要通过仿真获得GMSK+PN技术的性能,本文则从理论上分析了FM+PN信号的频谱特性、遥测数据解调误码率和测距精度,并进行了仿真验证,得到了测控系统关注的带宽、误码率曲线和测距随机差等性能。

与现有测控系统将FM遥测信号和扩频测距信号分流传输相比,采用FM+PN体制,一方面,可大大提高带宽利用率,增加可用频段内的测控目标数,解决未来带宽资源紧张问题;另一方面,可简化设备结构,提高系统可靠性,降低设备研制经费,特别是对体积和重量要求较高的飞行器载设备显得尤为重要。

1　调制原理

基于FM+PN 体制的遥测和伪码测距技术的调制过程如下:遥测数据符号经成形滤波后,送入积分器,得到遥测数据的FM相位φTM(t);PN序列经过测距成形滤波后乘以加权因子h得到PN信号相位φRG(t);φTM(t)与φRG(t)相加后,生成新的相位既含遥测信息又含测距信息,对载波进行相位调制,生成FM+PN调制信号,如图1所示。

图1　FM+PN调制原理框图Fig.1　Structure of FM+PN modulator

FM+PN调制的基带信号可用式(1)表示:

(1)

(2)

式中,mTM为FM信号的调制指数;ak为遥测数据符号;Tb为数据符号周期;q(t)为相位响应函数,是脉冲成形函数g(t)关于时间t的积分,FM信号的成形脉冲为矩形脉冲,即

(3)

(4)

式中，φRG(t)为PN信号相位,传输测距信息,可表示为

(5)

(6)

式中,cn为伪码符号;Tc为伪码符号周期;hsq/sin(t)为测距成形脉冲,可选择矩形脉冲hsq(t)和正弦脉冲hsin(t),表示为

(7)

当h=0时,图1退化为FM调制器,仅传输遥测信息;当h≠0时,同时传输遥测信息和伪码测距信息,二者间会产生干扰。由于h取较小值,所以φRG(t)相对于φTM(t)是较小值,因此,式(1)所示的FM+PN信号主要取决于遥测数据,可看作是寄生了PN测距信号的FM信号。从调制形式来看,遥测数据对载波进行调频,测距信号对载波进行调相,所以FM+PN调制融合了调频和调相两种调制方式。

2　解调原理

接收信号可表示为

(8)

式中,n(t)为信道噪声。

由于h值较小,所以φRG(t)可看作是φTM(t)的干扰信号,故接收信号可看作是受到测距信号干扰的FM信号,近似为

(9)

因此,可把测距信号看作噪声,将接收信号送入FM解调器,解调出遥测数据。而测距信号φRG(t)在FM+PN信号中所占的功率比很低,不能直接进行解调,需先去除接收信号中的遥测信息,重建得到PN测距信号,再对其进行解调,得到伪距。FM+PN信号的解调原理框图如图2所示,包括FM解调、PN测距信号重建和PN测距信号解调3个部分。

图2　FM+PN解调原理框图Fig.2　Structure of FM+PN demodulator

FM信号的解调可采用多符号检测(multi-symbol detection,MSD)算法[14]。由于FM信号是一种有记忆的连续相位调制信号,某时刻的信号波形不仅与当前符号有关,还受之前符号的影响,因此,观测若干个符号进行联合检测,可实现FM信号的最佳解调。MSD算法的基本原理是在相位网格图上搜索与接收信号的欧式距离最小的路径,即最大似然路径。具体实现方法是:接收机每接收到一个符号,不立即进行判决,而是要持续观察后续3～5个符号,计算所有可能符号序列波形与接收信号的欧式距离,通过比较找到欧式距离最小的符号序列,实现当前符号的判决,从而减少符号判决错误,提高解调性能。

(10)

由于φRG(t)的值较小,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声干扰的测距信号。

对重建的测距信号z(t)进行伪码捕获和伪码跟踪,实现本地伪码与接收信号的同步,并与上行伪码相位进行比较,提取伪距。伪码捕获可由L个相关器(L为伪码周期)和1个比较器完成。z(t)经同相积分、符号判别后解调出伪码序列,与L个不同相位的本地伪码求相关。当本地伪码与z(t)的相位基本同步(相位差小于1个码片)时,将出现相关峰;否则,相关值很小。通过比较L个相关值,搜索最大值来判定z(t)的相位,完成伪码捕获,转入伪码跟踪阶段。伪码跟踪可采用伪码跟踪环(chip tracking loop,CTL)实现[15]。当相邻两个伪码码片存在0/1转换时,z(t)经中相积分后输出伪码码片的定时偏差,累积后送给环路滤波器,控制本地伪码时钟,消除相位误差。

3　性能分析

3.1信号频谱

由式(1)可知,FM+PN信号复包络为

(12)

(13)

(14)

当测距成形脉冲为hsq(t)时,测距信号及其频谱可表示为

(15)

(16)

(17)

(18)

式中,Jl(mRG)为 l阶贝塞尔函数。

当mRG较小时,有Jl(mRG)≈0,l>1,所以式(18)保留J0(mRG)和J1(mRG)两项即可,其功率谱为

(19)

(20)

3.2遥测误码率

采用MSD算法对FM信号进行解调,误码率Pe可表示为

(21)

由于FM+PN信号的功率在遥测数据和测距信号之间分配(分配占比由测距信号加权因子h决定),所以与只传输遥测数据(即h=0)相比,FM+PN信号的遥测误码率性能存在损失。由式(17)、式(20)可知,损失的功率为

(22)

FM+PN信号中遥测数据的信噪比为

(23)

式中,Rb为遥测码速率。

3.3测距精度

热噪声引入的测距随机误差[15]为

(24)

式中,c为光速，c=3×108m/s;Rc为伪码速率;PRG/ N0为PN信号信噪比;BL为伪码环路带宽。

由式(17)、式(20)可知,FM+PN信号中PN信号功率为

(25)

将式(25)代入式(24),得到FM+PN信号的测距随机误差为

(26)

由式(26)可知,当FM+PN信号信噪比、伪码速率、测距调制度、伪码环路带宽相同的情况下,采用正弦脉冲hsin(t)时的测距精度比采用矩形脉冲hsq(t)时的测距精度高,二者的比值为

(27)

4　仿真校验

在Matlab Simulink环境下,对FM+PN体制进行仿真,通过设置不同的调制参数,仿真得到FM+PN信号的频谱特性、遥测数据解调误码率和测距精度。

本文主要考虑两种情形。当Rc=Rb时,取仿真参数:遥测码速率Rb=10 Mbit/s,伪码速率Rc=10 Mchip/s,伪码序列为Gold码,伪码环路带宽BL=20 Hz,测距成形脉冲为矩形脉冲hsq(t)或正弦脉冲hsin(t),测距信号加权因子h取值为0、0.1或0.2。当Rc≠Rb时,取仿真参数:Rb=5 Mbit/s,伪码序列为Gold码,BL=20 Hz,h=0.1,测距成形脉冲为正弦脉冲hsin(t),Rc=2.5 Mchip/s、5 Mchip/s或10 Mchip/s。

4.1频谱特性

当Rc=Rb时,FM+PN信号频谱如图3(a)所示，横轴为对Rb归一化频率。可见,随着h值增大,频谱展宽,旁瓣增大;h值越小,频谱能量越集中,带宽越窄;当h=0时,退化为FM信号频谱;测距成形脉冲为正弦脉冲hsin(t)时的信号频谱比矩形脉冲hsq(t)时的信号频谱的旁瓣低。当Rc≠Rb时,FM+PN信号频谱如图3(b)所示。可见,Rc/Rb越小,频谱越窄;当Rc/Rb=2时,伪码对信号频谱的影响较明显,频谱展宽,旁瓣增大。

图3　FM+PN信号频谱Fig.3　Spectrum of FM+PN signal

FM+PN信号的99%能量带宽(对Rb归一化)如表1所示。若无测距信号(即h=0),FM信号频谱的99%能量带宽为1.84Rb。由表1可以看出,当h=0.1、Rc/Rb≤1时,FM+PN信号带宽比FM信号带宽略大。当Rc/Rb=2时,FM+PN信号带宽明显变大,尤其是当h=0.2,FM+PN信号带宽增大为FM信号带宽的2倍左右。因此,从带宽效率角度,h和Rc/Rb均应取较小值。

表1　FM+PN信号99%能量带宽

当遥测码速率为10 Mbit/s、伪码速率为10 Mchip/s时,现有测控系统采用FM体制和扩频体制分流传输遥测数据和测距信号,所需带宽约为48 MHz(包括流间保护间隔)。若采用FM+PN体制,当选择h=0.1、正弦测距成形脉冲hsin(t)时,所需带宽为1.95Rb=19.5 MHz,仅为现有系统所需带宽的40%。

4.2遥测解调误码率

当Rc=Rb时,FM+PN信号的遥测数据解调误码率曲线如图4(a)所示。可见,h值越大,测距信号对遥测信号的影响越大,遥测数据解调误码率越高。若h=0.1,当解调误码率大于10-4时,测距信号引起的信噪比PT/N0/Rb恶化小于0.3 dB;当解调误码率为0.01时,测距信号引起的信噪比恶化小于0.1 dB,若对解调后的遥测数据进行Turbo乘积码(Turbo product code,TPC)译码[16-17],可将误码率降低至10-5以下,满足遥测系统误码率要求。选择不同测距成形脉冲时的遥测误码率差不多。当Rc≠Rb时,误码率曲线如图4(b)所示。可见,与Rc/Rb=1相比,Rc/Rb=1/2时的误码率性能略差,Rc/Rb=2时的误码率性能略好,Rc/Rb的值对遥测误码率影响不大。

图4　FM+PN信号遥测数据解调误码率Fig.4　Bit error rate of telemetry data for FM+PN signal

4.3测距精度

当Rc=Rb时,FM+PN信号的测距精度如图5(a)所示。可见,h值越大,测距信号能量越强,测距精度越高;测距成形脉冲为正弦脉冲hsin(t)时的测距精度比矩形脉冲hsq(t)时的测距精度高。当Rc≠Rb时,测距精度如图5(b)所示。在相同信噪比下,Rc/Rb越大,测距精度越高;Rc/Rb=1/2时的测距精度大于Rc/Rb=1时的测距精度的2倍;Rc/Rb=2时的测距精度约为Rc/Rb=1时的测距精度的1/2。由式(26)可知,理论上测距精度与Rb无关,与Rc成反比(信噪比相同时)。可见,Rc/Rb=1/2时,FM+PN信号的测距精度存在损失。

图5　FM+PN信号的测距随机误差Fig.5　Standard deviation of range for FM+PN signal

由第4.2节可知,当PT/N0/Rb大于4 dB,采用TPC译码,可使误码率满足遥测系统要求。由第3.3节可知,若Rb=5 Mbit/s，h=0.1,则重建的PN信号信噪比PRG/N0约为54.9 dBHz,高于传统扩频体制的测距门限,所以获得的测距精度可满足系统要求。当Rb和h增大时,重建的PN信号信噪比更高,可获得更高的测距精度。

5　参数选择

通过对FM+PN技术的遥测及测距性能的理论分析和仿真校验可知,选用合适的调制参数,可大大提高带宽利用率,而遥测误码率性能损失很小。

(1)测距成形脉冲对99%能量带宽和遥测误码率的影响不明显;但测距成形脉冲为正弦脉冲hsin(t)的信号频谱旁瓣更低、测距精度更高。因此,测距成形脉冲建议采用正弦脉冲hsin(t)。

(2)测距信号加权因子h越大,测距精度越高,但遥测误码率和信号带宽越大。综合考虑测距精度、遥测误码率和信号带宽,若遥测码速率较高(Rb≥5 Mbit/s),当信号信噪比满足遥测误码率要求时,重建的PN信号信噪比也较高,建议h=0.1,不仅可满足测距精度要求,还可获得较小的信号带宽;若Rb较小,建议h=0.2,以满足测距精度要求。

(3)Rc/Rb的值越小,信号频谱越窄;Rc越大,测距精度越高;Rc/Rb<1时的遥测误码率性能和测距性能均存在损失。综合考虑测距精度、遥测误码率和信号带宽,若遥测码率较高(Rb≥5 Mbit/s),建议Rc/Rb≈1,可获得较小的信号带宽,且重建的PN信号信噪比较高,可满足测距精度要求;若Rb很高(Rb>10 Mbit/s),Rc/Rb可取值1/2～1,以减小信号带宽;若Rb较小,建议Rc/Rb取1～2,以满足测距精度要求。

6　结　论

本文研究了一种全新的遥外测体制,将FM遥测和PN测距进行一体化设计,提出基于FM+PN体制的遥测和伪码测距技术。通过理论分析和仿真实验获得了不同调制参数、不同信噪比下的信号频谱、99%能量带宽、遥测数据解调误码率和测距精度等性能。综合考虑信号带宽、解调误码率和测距精度要求,给出了不同应用条件下的调制参数建议,对于FM+PN技术在测控系统的应用具有重要的参考价值。与现有测控系统的FM遥测和扩频外测分流传输体制相比,FM+PN体制具有带宽利用率高、设备结构简单的优势,且遥测误码率性能损失很小,测距精度可满足要求。

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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；网络优先出版日期：2016-07-07。

V 556.1

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

张金荣(1984-),女,助理研究员,硕士,主要研究方向为无线电测控技术。

E-mail:janmyzh@163.com

吴岭(1972-),男,高级工程师,博士,主要研究方向为无线电测控技术。

E-mail:wlmsh2000@sohu.com

游莎莎(1983-),女,助理研究员,硕士,主要研究方向为无线电测控技术。

E-mail:sha_zi021@sohu.com

网络优先出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/11.2422.TN.20160707.1739.006.html