无人集群突发脉冲信号频谱优化

刘飞 万佳君 杨卓凯

1.中国电子科技集团公司第二十研究所陕西西安710068

由于无人机集群[1-3]作战使用灵活、效费比高,在战场上的应用越来越广泛.在现代战场电磁环境中,无人机集群平台电子任务系统,可能受到两方面的电磁干扰,一是受到外部的人为干扰;二是受到本平台其他分系统的干扰[4].由于无人机集群平台受狭小空间限制,各种电子载荷的天线之间耦合更强,平台上各电子分系统间的相互干扰量级较大,尤其是在多个分系统同时工作时,将会导致严重的电磁兼容问题[5-6],直接影响各分系统的工作性能.

对于无人机集群平台数据链系统而言,为了确保其发射时不影响其他分系统正常工作,必须保证无人机数据链装备采用最大功率发射条件下,辐射到其他分系统天线端口的宽带噪声功率谱密度要小于-174 dBm/Hz.无人机集群平台各个分系统间天线的隔离度大约只有20 dB,这就要求无人机载数据链装备采用最大功率发射时辐射的带外宽带噪声功率谱密度要小于-154 dBm/Hz.此时,仅仅依靠模拟滤波器组对带内频点进行滤波难以满足指标,因为该方法有诸多弊端和难点[7-9]:1)使用模拟滤波器组需要增加设备的体积; 2)模拟滤波器组中心频率不能任意更换,当设备中心频率改变时需重新设计模拟滤波器组,给设备使用带来了限制,在跳频通信中,一般需要使用多个模拟滤波器组,进一步增加了设备的体积; 3)无人平台对带外抑制和宽带噪声指标要求较为苛刻,为达到指标要求,模拟滤波器组的设计将不可避免地带来更大的带内插损,此时,为保证系统发射功率指标,又需要增大后续的功放增益进行弥补,这大大增加了系统的功耗.针对上述问题,通常在基带数字调制后,采用基带脉冲信号边沿加窗的方法[10-11],使时域脉冲边沿的信号幅度具有滚降特性,消除信号的阶跃和锐变,从而降低脉冲信号的带外杂散和宽带噪声.该方法与基带数字调制相适应,对脉冲信号主体部分没有影响,实现简单,还可以极大降低功率放大电路后的滤波器指标要求,减少设备的设计复杂度,满足无人集群平台小型化加装要求.典型的窗函数有:汉宁窗(Hanning Window)、布莱克曼窗(Blackman Window)、高斯窗(Gaussian Window)、凯撒窗(Kaiser Window)等[12-15],均具有良好的滚降特性,可以极大改善突发脉冲信号的频谱特性.

此外,无人集群突发脉冲信号频谱特性还受功率放大器的影响.为获得最大发射信号强度,无人集群数据链设备一般采用近饱和区域内的大功率进行发射,此时多级功率放大器的最后一级工作在非线性区域[16],信号包络的波动将带来交调失真与频谱扩展.为了解决该问题,常采用基带信号预失真方法[17]对信号进行补偿处理.基带信号预失真方法对源信号和反馈信号进行对比处理,需引入信号反馈环路,增加了硬件的复杂度.当前,无人集群突发脉冲信号一般采用数字调制方式,常用多进制相移键控(Multiple Phase Shift Keying,MPSK)、多电平正交幅度调制(Multi-level Quadrature Amplitude Modulation,M-QAM)等线性调制方式,以及连续相位调制(Continuous Phase Modulation,CPM)等非线性调制方式.其中,CPM 包括高阶CPM 和最小频移键控(Minimum Shift Keying,MSK)、高斯滤波最小频移键控(Gaussian Filtered Minimum Shift Keying,GMSK)[18].M-QAM 信号和带限处理后的MPSK 信号均非恒包络信号;而高阶CPM 信号和MSK/GMSK 信号均为恒包络信号.CPM 信号由于具有包络恒定、接收动态范围大、频谱效率高等特点,在数据链系统中获得了广泛的应用.对于CPM 数据链通信设备而言,无论是高阶CPM 信号,还是简单的CPM 信号—MSK/GMSK 信号,功放的非线性对强度恒定的信号脉冲主体部分影响不大,但对加窗脉冲边沿部分有严重影响,使其幅度滚降特性发生变化,进而影响射频脉冲整体的频谱特性,导致带外杂散和宽带噪声增加.因此,可以根据最后一级功放在近饱和区域的非线性特征,对基带脉冲边沿加窗方法进行匹配性修正,使最后发射脉冲的边沿仍然具有良好的滚降特性,从而优化CPM 突发脉冲频谱,并避免了信号反馈环路的引入.

本文使用数字调制产生GMSK 基带脉冲信号,根据最后一级功率放大器的功放特性,对典型窗进行匹配性修正后再对基带脉冲信号边沿进行加窗处理,以优化射频突发脉冲频的谱特性,并进行仿真与设备实际测试验证.

1 突发脉冲产生模型

基于加窗的MSK/GMSK 脉冲信号的产生模型如图1所示.数据经过差分编码后在首尾增加脉冲成型数据,该部分数据不参与解调与解码,仅作为脉冲平滑滚降使用.数据经MSK/GMSK 数字调制后,分别在上升和下降边沿加窗,进行幅度滚降特性控制,然后经上变频和逐级功率放大后形成射频脉冲,最后进行天线发射.其中,为减小调制电路集成复杂度,消除相位积累误差,GMSK 数字调制通常采用基于波形存储的相位路径调制方式[18].

图1 基于加窗的MSK/GMSK 脉冲信号的产生模型

以采用相位路径调制的基带GMSK 信号为例,调制信号为:

其中t为时间,A为信号幅度,φ(t)为包络的相位路径函数,ωc为载波角频率.其基带信号包络为:

短时突发脉冲的基带GMSK 调制信号(GMSK矩形脉冲)在时域上可以看成矩形信号与GMSK 信号相乘,频域上是GMSK 信号频谱和矩形窗频谱的卷积.由于受矩形窗频谱的影响,GMSK 矩形脉冲信号的带外杂散和宽带噪声指标与理想GMSK 调制信号频谱相比显著恶化.GMSK 矩形脉冲与理想GMSK 信号频谱对比如图2所示,带外杂散和宽带噪声指标恶化60 dB 以上,其中f为符号速率,GMSK的时间带宽乘积BT 取值为0.3.GMSK 矩形脉冲信号的带外杂散和宽带噪声主要来自于脉冲边沿幅度的阶跃和锐变,为改善其频谱特性,通常在脉冲边沿加平滑窗进行滚降过渡,从而减小带外杂散和宽带噪声的功率.

图2 GMSK 矩形脉冲与理想GMSK 信号频谱对比

假设脉冲总长度为Ts,前后成型部分的长度均为Te,以汉宁窗为例,窗函数如下:

汉宁窗具有较好的时域滚降特性.此外,滚降特性良好的典型窗还包括布莱克曼窗、高斯窗、凯撒窗等,其时域曲线如图3所示.

图3 典型窗的时域曲线

基带脉冲信号边沿加窗过程为信号包络的前后脉冲成型部分与窗函数的前后半部分分别相乘,信号包络的其他部分不变,如下:

布莱克曼窗、汉宁窗、高斯窗、凯撒窗等典型均具有较好的脉冲频谱优化性能,其中布莱克曼窗和汉宁窗的优化效果最佳,本文以汉宁窗为理想窗函数.典型窗的对脉冲信号的频谱优化特性如图4所示.

2 匹配功放的脉冲基带加窗方法

2.1 功放在近饱和区的非线性

对于使用MSK/GMSK 信号的数据链通信设备而言,一般采用近饱和区的大功率进行发射,以获得最大发射功率.此时,最后一级功率放大器的功放特性是非线性的,且不同跳频频点的功放特性曲线有所不同.例如,某典型功率放大器在不同频点的功放特性曲线如图5所示.图中,以1 200 MHz频点为例,线性区的增益为18 dB,输出功率小于34 dBm,非线性区的增益为18 dB ～13 dB,输出功率为34 dBm ～53 dBm.

图4 不同窗函数对脉冲信号的频谱优化性能

设备功放工作在非线性区域时,常规的基带加窗脉冲信号经上变频和功率放大后,脉冲边沿的信号幅度滚降特性发生畸变,从而导致带外抑制和宽带噪声的增加,使射频脉冲频谱特性恶化.如果采用频率为1 200 MHz 的频点,使输出功率为53 dBm,以加窗类型为汉宁窗为例,脉冲成型长度为4 个符号,加窗后的归一化脉冲幅度上升沿与经功放畸变后的归一化脉冲幅度上升沿对比情况如图5所示,功放的非线性使射频脉冲上升沿变凸.

此时,为加窗后的GMSK 脉冲归一化频谱与经功放畸变后的脉冲归一化频谱(其中f为符号速率)如图7所示,功放的非线性使边沿加窗脉冲频谱恶化,在2f外的杂散增大达10 dB ～20 dB.

2.2 匹配功放特性的修正窗函数

根据设备最大功放区间内各频点的非线性特性,对不同频点的基带脉冲信号加窗函数进行修正,使最后经过功放后发射的射频脉冲具有良好的频谱特性.

假设最后一级功放在某频点的功放特性函数为g(x),定义如下:

其中,G为增益,Pout为放大后的功率.若输入信号某时刻的瞬时功率为Pin,则有:

图5 典型功率放大器在不同频点的功放特性曲线

图6 加窗后的归一化脉冲幅度上升沿与经功放畸变后的归一化脉冲幅度上升

图7 加窗后的GMSK 脉冲归一化频谱与经功放畸变后的脉冲归一化频谱

由于MSK/GMSK 信号为恒包络信号,信号脉冲的非边沿时刻获得最大瞬时功率,非边沿信号经功率放大后,输出达到最大工作功率,记为ˆPout,假设基带信号在非边沿时刻的包络幅值为1 mv.则在最大工作功率时最后一级功放的增益为:

前级功放增益为:

对于幅度为Ab(t)的基带信号脉冲边沿而言,其功率为:

假设变频过程中增益为0,由于前级功放为线性功放,经前级放大后,脉冲边沿功率为:

经最后一级功放后,脉冲边沿功率为Pout(t),根据式(5),可得:

假设经最后一级功放后,脉冲边沿幅度为Aout(t),则:

若使经多级放大器后的射频脉冲边沿具有理想加窗函数的频谱特性,设脉冲边沿归一化理想窗函数为W(t)(最大值为1 mv),则需要保证:

综合式(11)～式(13)可得:

则基带信号边沿的幅度应为:

因此,修正后的基带窗函数为:

在桩基础施工过程中最为关键的施工工序就是放线定位，通过定位之后需要对钻机基本特点进行分析，然后选取最佳施工位置。在不影响成孔质量前提下进行拴桩，拴桩中需要合理应用十字交叉法进行质量检查，然后根据实际情况进行补桩和复测[1]。

2.3 修正加窗的实现步骤

在实际应用中,并没有连续的功放特性曲线,仅有功放特性曲线的离散样值.在加窗过程中,由于使用频点不同,以及最大工作功率的切换和控制,发射端应动态计算出修正窗.为实现简单,可依据离散样值对功放特性曲线进行拟合,进而获得修正的窗函数.假设某频点的功放特性全部M个离散样值如下:

线性拟合方法具体步骤如下:

1)计算理想窗函数20 lg[W(n)]并保存.

理想窗函数在脉冲边沿时间范围内,采样值为记为W(n),假设采样速率为fs,则n=0,1,···,2Tefs.计算获得20 lg[W(n)]值,并保存备用.

从m=0 到M-2 遍历Pout(m),找到ˆPout所在区间,如下:

3)获得工作区间内理想窗函数的增益.

4)根据式(16)计算出修正后的基带窗函数W′(n).

5)根据修正后的基带窗函数W′(n),对基带脉冲信号进行加窗.

3 频谱性能仿真与实测

3.1 频谱性能仿真

以BT=0.3 的GMSK 信号为例,同时考虑到具体实现过程中的有限精度效应,取修正窗与信号的数据位宽为15 bit,脉冲成型长度为4 个符号,以汉宁窗作为理想窗,计算获得修正窗,并使用修正窗对基带GMSK 脉冲信号进行加窗处理,然后进行频谱性能仿真.使用频率为1 200 MHz 频点,预设输出功率为53 dBm,使此时功率放大器工作在非线性区域,修正窗函数上升沿与理想窗上升沿对比如图8所示.

图8 修正窗函数上升沿与理想窗上升沿对比

图9 经功放畸变后的加修正窗GMSK 脉冲信号归一化频谱

此时,经功放畸变后的加修正窗的GMSK 脉冲信号归一化频谱如图9所示.图中可见,经功放畸变后,相比加非修正窗,加修正窗脉冲信号具有更好的频谱特性,宽带噪声与带外抑制在2f外优化10 dB左右.

3.2 频谱性能实测

分别采用加普通窗与加修正窗方法,在同一台无人集群通信设备中进行验证.使设备在功率放大时工作在近饱和非线性区域,测试加修正窗射频脉冲频谱,并与加普通窗的射频脉冲频谱进行对比,如图10所示.

同时,测试加修正窗与加普通窗的射频脉冲宽带噪声,并进行对比,如图11所示.

图10 加修正窗与加普通窗的射频脉冲频谱对比图

图11 加修正窗与加普通窗的射频脉冲宽带噪声对比图

测试结果表明,相比于普通窗,采用加修正窗处理后脉冲信号的近端杂散抑制增强了10 dB 左右,宽带噪声抑制增强了10 dB 左右.采用基带加修正窗的处理方法可以进一步改善脉冲信号的频谱性能.

4 结论

根据功放特性对窗函数进行修正,通过基带加修正窗,可进一步改善CPM 短时突发脉冲的带内杂散和宽带噪声指标,相对于加普通窗,近端杂散抑制和宽带噪声抑制增强10 dB 左右,可改善小型无人平台数据链系统的电磁兼容特性.在实现过程中,通过线性拟合对功放特性进行匹配,可根据不同频点、不同最大工作功率动态计算出修正的窗函数,增加了修正窗的适用能力,实现方法具有通用性和可实现性,对采用短时突发脉冲的数据链设备改善频谱和电磁兼容有实用价值.