CN106941386B - 基于高动态pcm/fm信号模型的信号传输方法及信号模型模拟方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于高动态PCM/FM信号模型的信号传输方法及信号模型模拟方法，具体过程为：首先，根据高动态PCM/FM信号模型，生成高动态PCM/FM信号S(t)；
Figure DDA0001241751540000011
其中，A为信号幅度，fr为发射频率，Kf为调制常数，m′(t)为基带信号，v(t)为信号源相对接收机的径向运动速度，c为光速；其次，输出所述高动态PCM/FM信号，实现信号的传输。该方法所基于的PCM/FM信号模型，考虑PCM/FM基带数据信号的动态所引起的载波相位变化，提高了信号模拟精度，适用于高动态环境下信号的传输。

Description

基于高动态PCM/FM信号模型的信号传输方法及信号模型模拟 方法
技术领域
本发明涉及一种基于高动态PCM/FM信号模型的信号传输方法及信号模型模拟方法，属于航天测控通信、遥控遥测、卫星通信技术领域。
背景技术
PCM/FM信号体制具有很强的抗噪声、抗多径衰落、抗相位干扰等能力；此外还具有发射效率高、格式灵活多变、易于在收发端进行数据加工和处理等优点，并且与数字技术及大规模集成技术的飞速发展相适应，还能直接与计算机终端连接进行数据处理和管理控制，因此PCM/FM信号体制被广泛应用。无论是航天测控通信、遥控遥测还是卫星通信领域，PCM/FM接收机均工作在高动态环境下。为了测试和验证接收机对多普勒效应的处理能力，研制可以为其提供高动态仿真环境的PCM/FM信号模拟器具有十分重要的意义。
当前研究主要集中在对PCM/FM信号调制方法的研究，对高动态环境下PCM/FM信号的模拟较少。在需要模拟高动态PCM/FM信号时，均是直接给出信号模型，没有考虑基带数据信号动态对PCM/FM信号动态模拟的影响，致使信号模拟精度不高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于高动态PCM/FM信号模型的信号传输方法及信号模型模拟方法，该方法所基于的PCM/FM信号模型，考虑PCM/FM基带数据信号的动态所引起的载波相位变化，提高了信号模拟精度，适用于高动态环境下信号的传输。
实现本发明的技术方案如下：
一种基于高动态PCM/FM信号模型的信号传输方法，具体过程为：
首先，根据高动态PCM/FM信号模型，生成高动态PCM/FM信号S(t)；
Figure BDA0001241751520000021
其中，A为信号幅度，fr为发射频率，Kf为调制常数，m′(t)为基带信号，v(t)为信号源相对接收机的径向运动速度，c为光速；
其次，输出所述高动态PCM/FM信号，实现信号的传输。
一种高动态PCM/FM信号模型的模拟方法，具体过程为：
(一)分别计算调频相位pFM和载波相位pc；
所述调频相位pFM的计算过程为：
(1)根据数据速率Rb和数据多普勒速率Rb_d(t)，计算得到数据相位pb；
Figure BDA0001241751520000022
(2)利用数据相位pb对已存储的数据或指令序列d[n]进行关系映射，使所述序列d[n]按照数据相位pb寻址输出；
(3)将输出的序列d[n]进行滤波得到基带信号m′(t)；
(4)将基带信号m′(t)乘上调频常数Kf，再加上调频多普勒频率fFM_d(t)，然后进行积分得到调频相位pFM；
Figure BDA0001241751520000023
所述载波相位pc的计算过程为：
根据载波频率fc和载波多普勒频率fc_d(t)，计算载波相位pc；
Figure BDA0001241751520000024
(二)将调频相位pFM和载波相位pc相加，然后经过余弦映射得到PCM/FM信号；
S(t)＝Acos[2π(pc+pFM)]。
有益效果
第一，本发明考虑了由基带数据信号动态引起的载波相位变化，给出了高精度高动态PCM/FM信号模型，利用该模型生成PCM/FM信号作为载波，实现了高精度的信号传输。
第二，本发明提出高动态PCM/FM信号模型的模拟方法，利用该方法相对于常规模拟方法，提高了信号模拟精度，为高动态环境下PCM/FM接收机性能的精确验证提供了基础。
附图说明
图1为信号源与接收机之间的运动示意图；
图2为PCM/FM信号模型流程示意图；
图3为数据相位与数据或指令序列关系映射示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明。
高动态PCM/FM信号的推导过程：
设PCM/FM信号表示为：
Figure BDA0001241751520000031
其中，A为幅度，fr为发射频率，Kf为调制常数，m(t)为基带信号。
如图1所示为信号源与接收机相对运动示意图。设径向运动速度为v(t)，距离为d(t)，接收机任意前后两次采样时刻分别为t1与t2，t1＜t2。接收机采样时刻对应距离分别为d(t1)与d(t2)、瞬时相对运动速度分别为v(t1)与v(t2)；采样时刻对应信号源信号发射时刻为t1-d(t1)/c与t2-d(t2)/c，其中c为光速。
则发射端在t1-d(t1)/c～t2-d(t2)/c期间的相位差
Figure BDA0001241751520000048
为：
Figure BDA0001241751520000041
由于信号传输过程中相位差保持不变，因此接收机在t1～t2时间内接收到信号的相位差也为
Figure BDA0001241751520000042
因此接收机接收到信号的平均频率
Figure BDA0001241751520000043
为：
Figure BDA0001241751520000044
令时间t2趋近于t1，则接收机在t1时刻接收到信号的瞬时频率f(t1)为：
Figure BDA0001241751520000045
由于时间t1的任意性，可以用t来代替，所以接收机在任意时刻接收到信号的瞬时频率f(t)为：
Figure BDA0001241751520000046
其中，基带信号m(t)可以表示为：
Figure BDA0001241751520000047
其中，d[n]∈{-1,1},n∈Z为数据序列，数据长度为Ts＝1/Rb，Rb为数据速率，h(t)为平方根升余弦滚降成型滤波结构的冲击响应，T0为采样周期，δ(t)为单位冲击信号。
发射端基带信号m(t)是数据相位ψ(t)的函数：
m(t)＝m[ψ(t)] (7)
其中ψ(t)＝Rbt。设接收端基带信号m′(t)，对应的数据相位为ψ′，则有：
Figure BDA0001241751520000051
其中，R′b(t)是相位ψ′(t)的数据速率，所以：
Figure BDA0001241751520000052
因此可以得到以下结论：
(1)接收机接收到PCM/FM信号的瞬时频率为：
Figure BDA0001241751520000053
(2)接收机接收到的基带数据信号m′(t)的瞬时频率为：
Figure BDA0001241751520000054
若已知载波多普勒频率的变化规律，利用公式(10)和公式(11)就可得到高动态PCM/FM信号模型，其信号格式为：
Figure BDA0001241751520000055
其中，fc_d(t)为载波多普勒频率，fFM_d(t)为调频多普勒频率，pc为载波相位、pFM为调频相位，可表示为：
Figure BDA0001241751520000056
Figure BDA0001241751520000061
Figure BDA0001241751520000062
Figure BDA0001241751520000063
对于基带数据信号m′(t)的相位pb为：
Figure BDA0001241751520000064
其中，Rb_d(t)数据多普勒频率，可表示为
Figure BDA0001241751520000065
本发明所述高动态是指卫星相对地面站高速运行所导致的。
基于以上理论推导，本发明提供一种高动态PCM/FM信号模型的模拟方法，如图2所示，具体处理流程为：
(一)分别计算调频相位pFM和载波相位pc；
调频相位pFM的计算过程为：
(1)数据速率Rb和数据多普勒速率Rb_d(t)输入数据相位生成模块，按照公式(17)处理，得到数据相位pb；
Figure BDA0001241751520000066
(2)利用数据相位pb对已存储的数据或指令序列d[n]进行关系映射，使所述序列d[n]按照数据相位pb寻址输出；该步骤可以通过将数据序列存储在ROM、RAM等器件中实现。
例如需要传输遥控指令，则将遥控指令序列存储在ROM或RAM，然后进行关系映射后输出；例如需要传输遥测数据，则将遥测数据存储在ROM或RAM，然后进行关系映射后输出。
(3)将输出的序列d[n]经成型滤波得到滤波后的基带数据信号m′(t)；
(4)将滤波后的基带数据信号m′(t)乘上调频常数Kf，加上调频多普勒频率fFM_d(t)，最后经过积分器得到调频相位pFM，如式(16)所示；
Figure BDA0001241751520000071
载波相位pc的计算过程为：将载波频率fc和载波多普勒频率fc_d(t)输入载波相位生成模块，按照公式(15)处理，得到载波相位pc；
Figure BDA0001241751520000072
(二)将调频相位pFM和载波相位pc相加，然后经过余弦映射得到PCM/FM信号。
S(t)＝Acos[2π(pc+pFM)]。
该步骤可以通过将正弦值存储在ROM或RAM等器件中实现。
本发明还提供一种基于高动态PCM/FM信号模型的信号传输方法，具体过程为：
首先，根据高动态PCM/FM信号模型，生成PCM/FM信号；
Figure BDA0001241751520000073
其中，A为信号幅度，fr为发射频率，Kf为调制常数，m′(t)为基带信号，v(t)为信号源相对接收机的径向运动速度，c为光速，τ与t的定义域相同；
其次，输出所述高动态PCM/FM信号，实现信号的传输。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于高动态PCM/FM信号模型的信号传输方法，其特征在于，具体过程为：
首先，根据高动态PCM/FM信号模型，生成高动态PCM/FM信号S(t)；
Figure FDA0001241751510000011
其中，A为信号幅度，fr为发射频率，Kf为调制常数，m′(t)为基带信号，v(t)为信号源相对接收机的径向运动速度，c为光速；
其次，输出所述高动态PCM/FM信号，实现信号的传输。
2.一种高动态PCM/FM信号模型的模拟方法，其特征在于，具体过程为：
(一)分别计算调频相位pFM和载波相位pc；
所述调频相位pFM的计算过程为：
(1)根据数据速率Rb和数据多普勒速率Rb_d(t)，计算得到数据相位pb；
Figure FDA0001241751510000012
(2)利用数据相位pb对已存储的数据或指令序列d[n]进行关系映射，使所述序列d[n]按照数据相位pb寻址输出；
(3)将输出的序列d[n]进行滤波得到基带信号m'(t)；
(4)将基带信号m'(t)乘上调频常数Kf，再加上调频多普勒频率fFM_d(t)，然后进行积分得到调频相位pFM；
Figure FDA0001241751510000013
所述载波相位pc的计算过程为：
根据载波频率fc和载波多普勒频率fc_d(t)，计算载波相位pc；
Figure FDA0001241751510000014
(二)将调频相位pFM和载波相位pc相加，然后经过余弦映射得到PCM/FM信号；
S(t)＝Acos[2π(pc+pFM)]。
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