CN101592725A - 一种扩跳体制无线电导航系统信号发生器及信号发生方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种扩跳体制无线电导航系统信号发生器及信号发生方法。由编码器、直扩调制器、直扩伪码发生器、时钟、跳频调制器、频率合成器和跳频序列发生器组成。信息信号经过编码器的采样、量化和编码变为数字的信息序列进入直扩调制器，直扩伪码发生器在时钟信号的驱动下产生直扩伪码给直扩调制器，直扩伪码在直扩调制器中调制信息序列，输出直扩信号给跳频调制器，跳频序列发生器在在时钟信号的驱动下输出跳频序列，跳频序列控制频率合成器产生跳变载波输出给跳频调制器，跳变载波在跳频调制器中调制直扩信号，输出扩跳频信号。该信号发生器专门适用于扩跳体制无线电导航系统。

Description

一种扩跳体制无线电导航系统信号发生器及信号发生方法

(一)技术领域

本发明涉及的是一种无线电导航装置，具体地说是一种应用于扩跳体制无线电导航系统中的信号发生器。本发明也涉及一种基于扩跳体制无线电导航系统中的信号发生器的信号发生方法。

(二)背景技术

无线电导航系统在航空和航海中具有重要作用，可以为用户提供快速可靠的导航定位信息。无线电导航系统分为脉冲相位体制和直扩体制两种。脉冲相位体制无线电导航系统定位精度低，保密性差，很容易被外界干扰。直扩体制无线电导航系统抗干扰能力大大增强，但直扩系统远近效应严重，抗窄带干扰的能力差，抗干扰和抗截获的能力需要进一步增强。

扩跳技术综合了直扩技术和跳频技术的优点，是国内外公认最富有生命力的抗干扰技术，可以大大提高无线电导航系统的抗干扰和抗截获能力。通过选取不同的跳频频率可以成倍地增加系统的带宽，进而显著地提高系统的处理增益，还能有效地克服“远近效应”，因此采用扩跳体制是无线电导航系统发展的必然趋势。

信号发生器的设计是扩跳体制无线电导航系统的关键技术，主要在于跳频图案的选取。专利申请号为97104829.0，名称为“本地信号发生器”的专利申请文件提出了一种产生发送端和接收端本地信号的方法。专利申请号为200710110936.X，名称为“跳频载波产生器”的专利申请文件提出了一种跳频系统载波的方法。对于无线电导航系统，由于海平面对短波吸收较为强烈，可选带宽是非常有限的，而其直扩码速率又比较高，因此系统的直扩码速率与跳频点数是一对矛盾。频率点选择的原则是系统3个台站所发射的信号在某一时隙内的频谱重叠要最小，即相互干扰要最小，且对于某一个台站而言频率自相关性要好，即在一个跳频周期内每次频率切换后要使相对应频点的平均频差最大，这样可提高系统的捕获性能。常规的扩跳体制无线电导航系统采用伪随机码控制载波跳变进行跳频调制，一般频带比较宽，频点较多，自身多径和相互多址的频点之间发生重复碰撞的机率比较大，不适用于扩跳体制的无线电导航系统。因此，基于新的跳频图案的信号发生器是研制扩跳体制无线电导航系统要解决的首要问题。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种这样隐蔽性好，抗干扰性强，可以获得较好的频率自相关性的一种扩跳体制无线电导航系统信号发生器。本发明的目的还在于提供一种基于本发明的扩跳体制无线电导航系统信号发生器的信号发生方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明的扩跳体制无线电导航系统信号发生器由编码器1、直扩调制器2、直扩伪码发生器3、时钟f_c4、跳频调制器5、频率合成器6和跳频序列发生器7组成；编码器1的输出端连接直扩调制器2的输入端，时钟f_c4的输出端分别连接直扩伪码发生器3和跳频序列发生器7的输入端，直扩伪码发生器3的输出端连接直扩调制器2的输入端，直扩调制器2的输出端连接跳频调制器5的输入端，跳频序列发生器7的输出端连接频率合成器6的输入端，频率合成器6的输出端连接跳频调制器5的输入端。

基于本发明的扩跳体制无线电导航系统信号发生器的信号发生方法是：模拟的信息信号经过编码器1的采样、量化和编码变为数字的信息序列，进入直扩调制器2，时钟f_c4输出时钟信号给直扩伪码发生器3和跳频序列发生器7，直扩伪码发生器3在时钟f_c4的时钟信号的驱动下产生直扩伪码给直扩调制器2，直扩伪码在直扩调制器2中调制信息序列，输出直扩信号给跳频调制器5，跳频序列发生器7在在时钟f_c4的时钟信号的驱动下输出跳频序列，跳频序列控制频率合成器6产生跳变载波输出给跳频调制器5，跳变载波在跳频调制器5中调制直扩信号，输出扩跳频信号。

在扩跳体制无线电导航系统信号发生器的设计中，频谱混淆是首先要考虑的关键问题。未经调制前的信息是窄带信号，其频谱是非常窄的；信息经过直扩调制后，频谱被大大扩展，为直扩伪码的带宽，变为宽带信号；跳变载波的频谱为随时间搬移的一条谱线；扩跳频信号的频谱为随时间搬移的直扩信号频谱。在设计扩跳体制无线电导航系统信号发生器时，要保证相邻频道间频谱不混淆。

扩跳体制无线电导航系统信号发生器专门适用于多台站的无线电导航系统的发射系统，该信号发生器可使系统在每个跳频时隙内3个台站(1个主台和2个副台)所发射的信号几乎可以覆盖整个系统可用频带，并且每个跳频中心频率之间的频率间隔相等且最大，这样既提高了系统的隐蔽性，又最大限度地降低了台站之间的相互干扰，还可以获得较好的频率自相关性。该信号发生器为研制扩跳体制的无线电导航系统创造了前提条件。

该信号发生器解决了现有的扩跳频信号发生器占用频带宽，自身多径和相互多址的频点之间发生重复碰撞的机率比较大的缺点，专门适用于扩跳体制无线电导航系统。

(四)附图说明

图1是扩跳体制无线电导航系统信号发生器结构原理图；

图2是扩跳频调制中的各种信号频谱示意图；

图3是直扩伪码产生器结构原理图；

图4是DDS+PLL方式频率合成器结构原理图；

图5是跳频序列发生器结构原理图；

图6是“全覆盖式”跳频图案实现方案图；

图7是DDS结构原理图。

(五)具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

具体实施方式一：结合图1和图2说明本实施方式。扩跳体制无线电导航系统信号发生器由编码器1、直扩调制器2、直扩伪码发生器3、时钟f_c4、跳频调制器5、频率合成器6和跳频序列发生器7组成。编码器1的输出端连接直扩调制器2的输入端，时钟f_c4的输出端分别连接直扩伪码发生器3和跳频序列发生器7的输入端，直扩伪码发生器3的输出端连接直扩调制器2的输入端，直扩调制器2的输出端连接跳频调制器5的输入端，跳频序列发生器7的输出端连接频率合成器6的输入端，频率合成器6的输出端连接跳频调制器5的输入端。

在扩跳体制无线电导航系统信号发生器的设计中，频谱混淆是首先要考虑的关键问题。未经调制前的信息是窄带信号，其频谱是非常窄的；信息经过直扩调制后，频谱被大大扩展，为直扩伪码的带宽，变为宽带信号；跳变载波的频谱为随时间搬移的一条谱线；扩跳频信号的频谱为随时间搬移的直扩信号频谱。在设计扩跳体制无线电导航系统信号发生器时，要保证相邻频道间频谱不混淆。

具体实施方式二：结合图1、2、3、4、5和6说明本实施方式。本实施方式与实施方式一的不同点是：直扩伪码采用周期为8191的m序列，直扩伪码发生器3采用13级线性反馈移位寄存器构成，采用1、3、4和13抽头，初相位为非零的任意值，可取1FFF。13级非退化的线性反馈移位寄存器其反馈逻辑可用二元域GF(2)上的13次多项式来表示

f(x)＝1+x+x³+x⁴+c₁₃x¹³       (1)

式(1)称为线性移位寄存器的特征多项式。

对于动态线性移位寄存器，其反馈逻辑也可以用线性移位寄存器的递归关系式来表示

a₀＝c₁a₁+c₃a₃+c₄a₄+c₁₃a₁₃    (2)

跳频序列发生器7由计数器7-1、跳频序列存储器7-2和寄存器7-3组成。计数器7-1的输出端连接跳频序列存储器7-2的输入端，跳频序列存储器7-2的输出端连接寄存器7-3的输入端，寄存器7-3的输出端连接频率合成器6。

计数器7-1的周期是跳频点数12，在计数时钟f_c的作用下进行计数。计数器7-1的输出作为寻址地址给跳频序列存储器7-2，查找到跳频序列存储器7-2对应的地址空间中的数据，作为跳频序列值输出给寄存器7-3，经过寄存器7-3输出给频率合成器6。

跳频序列存储器7-2采用FLASH或EPROM，其中的数据可以通过计算机软件实现后固化到跳频序列存储器7-2。这里提出一种“对称矩阵式”跳频调制规律来生成跳频序列存储器7-2中的数据，该方法可使系统在每个跳频时隙内3个台站所发射的信号几乎覆盖整个系统可用频带，并且每个跳频中心频率之间的频率间隔相等且最大，这样既提高了系统的隐蔽性，又最大程度地降低了台站之间的相互干扰，还可获得较好的频率自相关性。

其具体方法为：设系统的台站数为n，则选取的频率点数为nq(q为一正整数)，相邻频率点之间的频率间隔相等，并设所有的频率点按由低频到高频排序为：f₁、f₂……f_nq，将该nq个频率点分成q组，分别为n₁、n₂……n_q，其中q₁组包含的频率点为：f₁、f_1+q、f_1+2q……f_1+(n-1)q；q2组包含的频率点为：f₂、f_2+q、f_2+2q……f_2+(n-1)q；q_n组包含的频率点为：f_q、f_q+q、f_q+2q……f_q+(n-1)q。对于每个q_i(i＝1……n)组，以不同的台站为行，以不同的跳频时隙为列，可组成一个在主对角线或副对角线上的n*n阶对称矩阵，将这些对称矩阵组合起来即可形成一个完整的跳频方案。现将以上方法举例说明如下：设台站数为3，选取跳频点数为12，从低频到高频分别为：f₁、f₂、f₃……f₁₂，将其分为4组，第一组为f₁，f₅，f₉；第二组为f₂，f₆，f₁₀；第三组为f₃，f₇，f₁₁；第四组为f₄，f₈，f₁₂。这些频率点组成了4个3乘3的“对称矩阵”。在每个跳频时隙上，三个台站所发射的频率的频率差都较大，事实上已经达到最大值。例如系统可用带宽约为600kHz，采用12频点，则每个频点中心频率差为50kHz，如此小的频率差如果在一个时隙内出现会使台站与台站间的多址干扰极为强烈，而采用该跳频方案后，每个时隙不同台站之间的最小频差均为200kHz，已达到最大值，如果直扩伪码速率为100kHz，直扩信号带宽为200kHz，多址之间无干扰。

同时也可以看到，互换某一“对称矩阵”的两行即可得到一新的跳频方案，这样可以有很多种跳频方案满足每一时隙最少相差200kHz的条件，如何做进一步选择就要看跳频序列的自相关性了。选择的目的是使某一跳频序列的所有相位的两两对应频点的平均频差的最小值最大，以提高系统的捕获性能。

频率合成器6由DDS 6-1、混频器6-2、带通滤波器6-3、混频器6-4、带通滤波器6-5、分频器6-6、鉴相器6-7、环路滤波器6-8、压控振荡器6-9组成。DDS 6-1的输出端连接混频器6-2的输入端，混频器6-2的输出端连接带通滤波器6-3的输入端，带通滤波器6-3的输出端连接混频器6-4的输入端，混频器6-4的输出端连接带通滤波器6-5的输入端，带通滤波器6-5的输出端连接分频器6-6的输入端，分频器6-6的输出端连接鉴相器6-7的输入端，鉴相器6-7的输出端连接环路滤波器6-8的输入端，环路滤波器6-8的输出端连接压控振荡器6-9的输入端，压控振荡器6-9的输出端反馈给混频器6-4的输入端，同时其输出端输出跳变载波。

跳变频率合成器是跳频系统的核心部件。在跳频系统中需要频率源精度和分辨率高，频谱纯，跳频范围宽，频率跳变速度快，控制容易，结构简单，性能稳定。基于DDS/PLL组合频率合成法，采用锁相环内插DDS的设计方法。该方法整个频率合成器的频率分辨率由DDS来保证，能够充分发挥DDS高频率分辨率的优点。当锁相环路锁定时，其输出频率为

f_o＝M·f_c1+f_L+f_DDS    (3)

其中，f_DDS为DDS 6-1的输出频率；

f_L为混频器6-2的输入频率；

f_c1为鉴相器6-7的输入频率；

M为跳频序列值；

f_o为频率合成器输出频率。

在该方案中，频率合成器的输出相位噪声性能主要由PLL及DDS的输出信号相位噪声决定。DDS的输出不经过PLL倍频，相位噪声和杂散不会进一步恶化，所以该方案具有较低的相位噪声和杂散。

具体实施方式三：结合图6和图7说明本实施方式。本实施方式与实施方式二的不同点是：DDS 6-1由频率控制字模块6-1-1、相位累加器6-1-2、正余弦信号存储器6-1-3、D/A转换器6-1-4和低通滤波器6-1-5组成。频率控制字模块6-1-1的输出端连接相位累加器6-1-2的输入端，相位累加器6-1-2的输出端连接正余弦信号存储器6-1-3的输入端，正余弦信号存储器6-1-3的输出端连接D/A转换器6-1-4的输入端，D/A转换器6-1-4的输出端连接低通滤波器6-1-5的输入端。

时钟f_c4是一个稳定的晶体振荡器，用它来同步整个频率合成器6-1的各个组成部分。频率控制字K由累加器累加以得到相应的相位数据，此相位值在每个时钟周期中应用于正弦查找表中。正弦查找表将相位信息转化为相应的正弦幅度值。数字正弦波经D/A转换器转化为模拟波形，经过低通滤波器进一步平滑并滤掉带外散杂，得到所需信号波形。在相位累加器字长一定的情况下，改变频率控制字K或参考时钟f_c，可以改变输出频率，它们之间的关系为：

f₀＝K×f_r/2N    (4)

而当频率控制字K＝1时，可得DDS的最低输出频率为：

f_min＝f_r/2N     (5)。

Claims (6)

1、一种扩跳体制无线电导航系统信号发生器，其特征是：由编码器(1)、直扩调制器(2)、直扩伪码发生器(3)、时钟f_c(4)、跳频调制器(5)、频率合成器(6)和跳频序列发生器(7)组成；编码器(1)的输出端连接直扩调制器(2)的输入端，时钟f_c(4)的输出端分别连接直扩伪码发生器(3)和跳频序列发生器(7)的输入端，直扩伪码发生器(3)的输出端连接直扩调制器(2)的输入端，直扩调制器(2)的输出端连接跳频调制器(5)的输入端，跳频序列发生器(7)的输出端连接频率合成器(6)的输入端，频率合成器(6)的输出端连接跳频调制器(5)的输入端。

2、根据权利要求1所述的一种扩跳体制无线电导航系统信号发生器，其特征是：直扩伪码发生器(3)采用13级线性反馈移位寄存器构成，采用1、3、4和13抽头，初相位为非零的任意值。

3、根据权利要求2所述的一种扩跳体制无线电导航系统信号发生器，其特征是：跳频序列发生器(7)由计数器(7-1)、跳频序列存储器(7-2)和寄存器(7-3)组成；计数器(7-1)的输出端连接跳频序列存储器(7-2)的输入端，跳频序列存储器(7-2)的输出端连接寄存器(7-3)的输入端，寄存器(7-3)的输出端连接频率合成器(6)；计数器(7-1)的周期是跳频点数12，在计数时钟f_c的作用下进行计数，计数器(7-1)的输出作为寻址地址给跳频序列存储器(7-2)，查找到跳频序列存储器(7-2)对应的地址空间中的数据，作为跳频序列值输出给寄存器(7-3)，经过寄存器(7-3)输出给频率合成器(6)。

4、根据权利要求3所述的一种扩跳体制无线电导航系统信号发生器，其特征是：频率合成器(6)由DDS(6-1)、混频器(6-2)、带通滤波器(6-3)、混频器(6-4)、带通滤波器(6-5)、分频器(6-6)、鉴相器(6-7)、环路滤波器(6-8)、压控振荡器(6-9)组成，DDS(6-1)的输出端连接混频器(6-2)的输入端，混频器(6-2)的输出端连接带通滤波器(6-3)的输入端，带通滤波器(6-3)的输出端连接混频器(6-4)的输入端，混频器(6-4)的输出端连接带通滤波器(6-5)的输入端，带通滤波器(6-5)的输出端连接分频器(6-6)的输入端，分频器(6-6)的输出端连接鉴相器(6-7)的输入端，鉴相器(6-7)的输出端连接环路滤波器(6-8)的输入端，环路滤波器(6-8)的输出端连接压控振荡器(6-9)的输入端，压控振荡器(6-9)的输出端反馈给混频器(6-4)的输入端，同时其输出端输出跳变载波。

5、根据权利要求4所述的一种扩跳体制无线电导航系统信号发生器，其特征是：DDS(6-1)由频率控制字模块(6-1-1)、相位累加器(6-1-2)、正余弦信号存储器(6-1-3)、D/A转换器(6-1-4)和低通滤波器(6-1-5)组成，频率控制字模块(6-1-1)的输出端连接相位累加器(6-1-2)的输入端，相位累加器(6-1-2)的输出端连接正余弦信号存储器(6-1-3)的输入端，正余弦信号存储器(6-1-3)的输出端连接D/A转换器(6-1-4)的输入端，D/A转换器(6-1-4)的输出端连接低通滤波器(6-1-5)的输入端。

6、一种基于扩跳体制无线电导航系统信号发生器的信号发生方法，其特征是：模拟的信息信号经过编码器(1的采样、量化和编码变为数字的信息序列，进入直扩调制器(2)，时钟f_c4输出时钟信号给直扩伪码发生器(3)和跳频序列发生器(7)，直扩伪码发生器(3)在时钟f_c(4)的时钟信号的驱动下产生直扩伪码给直扩调制器(2)，直扩伪码在直扩调制器(2)中调制信息序列，输出直扩信号给跳频调制器(5)，跳频序列发生器(7)在在时钟f_c(4)的时钟信号的驱动下输出跳频序列，跳频序列控制频率合成器(6)产生跳变载波输出给跳频调制器(5)，跳变载波在跳频调制器(5)中调制直扩信号，输出扩跳频信号。

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