CN107359956A - 一种动态等离子体鞘套信道探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于测控通信技术领域，公开了一种动态等离子体鞘套信道探测方法，基于恒包络零自相关CAZAC序列，在发送端根据信道时变特性生成CAZAC序列的帧格式并发送；经过等离子体鞘套，在接收端对发送的CAZAC序列进行接收，得到接收信号；将接收信号与本地CAZAC信号进行周期循环移位相关操作，得到信道的衰落实时变化；根据提取出来的信道冲击响应实现对信道参数的提取。本发明适用于信道损耗大、快速时变、乘性干扰复杂的动态等离子体鞘套环境下的信道探测；与传统测量方法不同之处在于可以实现对信道的多普勒功率谱的探测；操作简单，便于工程实现，对实验装置配置没有过高的要求。

Description

一种动态等离子体鞘套信道探测方法

技术领域

本发明属于测控通信技术领域，尤其涉及一种动态等离子体鞘套信道探测 方法。

背景技术

高超声速飞行器在临近空间高速飞行过程中，其周围将包覆一层高温热致 等离子体(等离子体鞘套)，鞘套内部以自由电子为主的带电粒子将会吸收、反射 和散射电磁波，使得天线辐射特性畸变、电磁信号发生严重衰减，这些效应严 重时导致通信信号中断，产生黑障现象，严重制约了飞行器的可靠信息传输。 为了给抗黑障通信方法研究提供更多的理论指导和数据支撑，对动态等离子体 鞘套信道进行探测研究是非常有必要的。研究表明：等离子体鞘套是一种高电 子密度、准电中性、非均匀、强扰动的复杂传输电磁介质，其介质的时变程度 与内部流体的扰动、烧蚀材料剥落、温度和压力的脉动直接相关，其时变速率 可达200kHz。动态时变介质对传输信号的幅度和相位产生双重的寄生调制效应， 且信道具有强烈的时变特征。深刻认识这种信道是提出适应性通信解决方案的 前提。

目前对于等离子体鞘套传输信道的研究停留在理论研究阶段，文献L.Shi,Y.Liu,S.Fang,X.Li,B.Yao,L.Zhao,et al.,"Adaptive Multistate Markov ChannelModeling Method for Reentry Dynamic Plasma Sheaths,"IEEE Transactions onPlasma Science,vol.44,pp.1083-1093,2016.和文献G.He,Y.Zhan,N.Ge,Y.Pei, B.Wu,and Y.Zhao,"Channel characterization and finite-state markov channel modelingfor time-varying plasma sheath surrounding hypersonic vehicles,"Progress InElectromagnetics Research,vol.145,pp.299-308,2014.等论文提出了动态等离 子体鞘套信道建模方法，缺乏实际的测试数据支撑。目前移动通信领域各种信 道探测方法尚无法直接利用，存在以下问题：(1)脉冲测量法需要专用的脉冲 发生器，实际飞行器上无法安装。理想脉冲信号难以实现，也不利于发射端数 字化处理；该方法需要发送持续时间尽可能短的脉冲信号，这样的信号将具有 非常高的峰均比，对放人器以及各射频部件的要求都非常的高，性价比不高； 且这种测量方法会将接收到的时域信号直接看作是无线信道的冲激响应，在低 信噪比下信道探测性能较低，对干扰特别敏感。(2)目前成熟的伪随机序列滑动相关测量法主要是进行室内探测或者短距离探测，无法直接对动态等离子体 鞘套信道进行探测，且多针对的是时延扩展的探测，对于多普勒扩展的探测能 力较低。上述第一类信道探测方法不适用于动态等离子体鞘套信道深度衰落的 探测，第二类信道探测方法在动态等离子鞘套信道时变性的探测上无法满足 200kHz等离子体变化频率的探测能力，需要对现有信道探测方法进行改进，以 适应高等离子体鞘套这种深度衰落且具有高速时变信道的探测。

综上所述，现有技术存在的问题是：目前信道探测方法存在理想脉冲信号 难以实现，不利于发射端数字化处理，性价比不高，在低信噪比下信道探测性 能较低，对干扰特别敏感，对于多普勒扩展的探测能力较低，无法满足200kHz 等离子体变化频率的探测能力。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种动态等离子体鞘套信道探测 方法。

本发明是这样实现的，一种动态等离子体鞘套信道探测方法，所述动态等 离子体鞘套信道探测方法基于恒包络零自相关CAZAC序列，在发送端根据信道 时变特性生成CAZAC序列的帧格式并发送；经过等离子体鞘套，在接收端对发 送的CAZAC序列进行接收，得到接收信号；将接收信号与本地CAZAC信号进 行周期循环移位相关操作，得到信道的衰落实时变化；根据提取出来的信道冲 击响应实现对信道参数的提取。

进一步，所述动态等离子体鞘套信道探测方法包括以下步骤：

步骤一，在发送端，根据动态等离子体鞘套信道的信道特性和CAZAC序列 构造公式，生成适用于动态等离子体鞘套信道衰落测量的CAZAC探测序列；

步骤二，将发送天线发出的CAZAC探测信号通过动态等离子体鞘套模拟信 道，等离子体变化频率为200KHz；

步骤三，在接收端，经过GPS同步后得到接收经过信道衰落之后的信号r(t)；

步骤四，对r(t)进行处理之后，得到本地采样的接收序列r(i)；

步骤五，将接收端最终信号序列r(i)与本地发送端生成CAZAC序列进行周 期循环相关处理，得到信道的实时衰落变化，实时的信道冲激响应；

步骤六，进一步根据提取的动态等离子体鞘套信道的信道冲激响应，对信道 的幅度和相位实时变化、信道的时延功率谱和信道的多普勒功率谱进行提取。

进一步，所述步骤一具体包括：

第一步，根据动态等离子体鞘套的信道特性，等离子变化频率df＝200KHz， 带宽选择为B＝200MHz，则通过L＝B/df/10计算得到序列长度L＝100，通过射频 矢量信号发生器产生带宽为200MHz、序列长度为100的CAZAC序列，则 CAZAC序列的构造公式为：

其中K任意一个与100互质的数，这里选取为K＝L-1＝99，n＝1,2,...100；

第二步，以产生的长度为100的CAZAC序列帧为基础帧，进行周期连续组 帧，形成长帧；

第三步，将形成的长帧序列进行滤波成型、数模转换、功率放大后和上变频 后经射频天线发出作为信道探测信号；

发送过程中CAZAC长序列帧形成时域连续信号c(t)：

其中T_s为信号持续时间，K＝L-1＝99，R_b＝200MHz。

进一步，所述步骤四具体包括：

(1)对经过信道传输的信号通过高速示波器进行接收，进行低噪放大、带 通滤波、下变频和模数转换，得到基带信号r₀(k)；

其中模数转换中的采样环节选取过采样，采样频率f_s＝800MHz，用过采样的 方法来降低噪声；

(2)对相邻的N个接收信号数据进行平均去噪处理，降低信号噪声，得到 接收端最终信号r(i)，N的选取为：

进一步，所述步骤六具体包括：

1)对提取出来的信道冲激响应直接取幅度和相位，得到信道实时幅度和相 位变化；

2)对信道的时延功率谱进行提取，时延功率谱表示为信道冲激响应的二阶 矩；对存储的信道冲激响应进行平方处理，得到瞬时信道功率；在时间T内对 平方后的数据进行平均处理，得到信道功率在时延方向上的分布；对于平均后的 数据进行归一化处理，并转化成dB形式，得到信道的时延功率谱；

3)对信道的多普勒谱进行提取，多普勒谱是信道冲激响应的功率谱，对于 多普勒谱的估计，采用求取信道冲激响应的自相关函数并对函数进行傅里叶变 换。

本发明的优点及积极效果为：与现有技术相比较，本发明适用于信道损耗 大、快速时变、乘性干扰复杂的动态等离子体鞘套环境下的信道探测，可以实 现对等离子体变化频率为200KHz的动态等离子体鞘套信道进行准确探测；与传 统测量方法不同之处在于可以实现深度衰落下的高速时变信道多普勒功率谱的 探测提取；操作简单，便于工程实现，对实验装置配置没有过高的要求。

附图说明

图1是本发明实施例提供的动态等离子体鞘套信道探测方法流程图。

图2是本发明实施例提供的动态等离子体鞘套信道探测及参数提取方法整 体流程图。

图3是本发明实施例提供的发送端处理操作流程图。

图4是本发明实施例提供的接收端处理操作流程图。

图5是本发明实施例提供的接收端平均去噪示意图。

图6是本发明实施例提供的周期循环滑动相关示意图。

图7是本发明实施例提供的等离子体变化频率df＝200KHz时信道时延功率 谱探测结果示意图。

图8是本发明实施例提供的等离子体变化频率df＝200KHz时信道多普勒频 谱探测结果示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例， 对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以 解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的动态等离子体鞘套信道探测方法包括以 下步骤：

S101：在发送端，根据动态等离子体鞘套信道的信道特性和CAZAC序列构 造公式，生成适用于动态等离子体鞘套信道衰落测量的CAZAC探测序列；

S102：将发送天线发出的CAZAC探测信号通过动态等离子体鞘套模拟信 道，等离子体变化频率为200KHz；

S103：在接收端，经过GPS同步后得到接收经过信道衰落之后的信号r(t)；

S104：对r(t)进行处理之后，得到本地采样的接收序列r(i)；

S105：将接收端最终信号序列r(i)与本地发送端生成CAZAC序列进行周期 循环相关处理，得到信道的实时衰落变化；

S106：进一步提取的动态等离子体鞘套信道的信道冲激响应，对信道的幅 度和相位实时变化、信道的时延功率谱和信道的多普勒功率谱进行提取。

下面结合附图对本发明的应用原理作进一步的描述.

本发明实施例提供的动态等离子体鞘套信道探测方法根据动态等离子体鞘 套信道特性，动态等离子体鞘套信道参数选取为：等离子变化频率为200KHz， 具体信道探测实施方法如下：

S1在发送端，根据动态等离子体鞘套信道的信道特性和CAZAC序列构造 公式，生成适用于动态等离子体鞘套信道衰落测量的CAZAC探测序列；具体步 骤包括：

S1.1根据动态等离子体鞘套的信道特性，等离子变化频率df＝200KHz，带 宽选择为B＝200MHz，则通过L＝B/df/10计算得到序列长度L＝100，通过射频矢 量信号发生器产生带宽为200MHz、序列长度为100的CAZAC序列，则CAZAC 序列的构造公式为：

其中K任意一个与100互质的数，这里选取为K＝L-1＝99，n＝1,2,...100。

S1.2以产生的长度为100的CAZAC序列帧为基础帧，进行周期连续组帧， 形成长帧；

S1.3将S1.2形成的长帧序列进行滤波成型、数模转换、功率放大后和上变 频后经射频天线发出作为信道探测信号。

发送过程中CAZAC长序列帧形成时域连续信号c(t)：

其中T_s为信号持续时间，K＝L-1＝99，R_b＝200MHz。发送端具体操作流程如 图3。

S2将发送天线发出的CAZAC探测信号通过动态等离子体鞘套模拟信道， 等离子体变化频率为200KHz。

S3在接收端，经过GPS同步后得到接收经过信道衰落之后的信号r(t)。

S4对r(t)进行处理之后，得到本地采样的接收序列r(i)；具体步骤包括：

S4.1对经过信道传输的信号通过高速示波器进行接收，进一步进行低噪放 大、带通滤波、下变频和模数转换，得到基带信号r₀(k)；

其中模数转换中的采样环节选取过采样，采样频率f_s＝800MHz，用过采样的 方法来降低噪声。

S4.2在S4.1的基础上对相邻的N个接收信号数据进行平均去噪处理(等价 于低通滤波)，降低信号噪声，得到接收端最终信号r(i)。接收端具体操作流程 图如图4，平均去噪示意图如图5，这里N的选取为：

S5将接收端最终信号序列r(i)与本地发送端生成CAZAC序列进行周期循 环相关处理，得到信道的实时衰落变化，即实时的信道冲激响应，其中周期循环 移位相关示意图如图6。

S6进一步根据S5提取的动态等离子体鞘套信道的信道冲激响应，对信道的 幅度和相位实时变化、信道的时延功率谱和信道的多普勒功率谱进行提取；具体 步骤包括：

S6.1对提取出来的信道冲激响应直接取幅度和相位，即可得到信道实时幅 度和相位变化；

S6.2对信道的时延功率谱进行提取，时延功率谱可以表示为信道冲激响应 的二阶矩。首先对存储的信道冲激响应进行平方处理，得到瞬时信道功率；其次 在时间T内对平方后的数据进行平均处理，得到信道功率在时延方向上的分布； 最后对于平均后的数据进行归一化处理，并转化成dB形式，即可得到信道的时 延功率谱，信道的时延功率谱提取流程图如图7。

S6.3对信道的多普勒谱进行提取，多普勒谱是信道冲激响应的功率谱。对 于多普勒谱的估计，采用求取信道冲激响应的自相关函数并对该函数进行傅里叶 变换。本发明采用最大熵谱估计算法对多普勒谱进行提取。

本发明对动态等离子体鞘套信道进行了测量，其中参数设置为：等离子体 变化频率为df＝200KHz，测量结果如图8所示。该测量方法可以实现对动态等离 子体鞘套信道的探测及信道参数提取，测量结果可以实现与设置参数很好的吻 合，满足动态等离子体鞘套环境的信道探测的要求。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发 明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明 的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种动态等离子体鞘套信道探测方法，其特征在于，所述动态等离子体鞘套信道探测方法基于恒包络零自相关CAZAC序列，在发送端根据信道时变特性生成CAZAC序列的帧格式并发送；经过等离子体鞘套，在接收端对发送的CAZAC序列进行接收，得到接收信号；将接收信号与本地CAZAC信号进行周期循环移位相关操作，得到信道的衰落实时变化；根据提取出来的信道冲击响应实现对信道参数的提取。

2.如权利要求1所述的动态等离子体鞘套信道探测方法，其特征在于，所述动态等离子体鞘套信道探测方法包括以下步骤：

步骤一，在发送端，根据动态等离子体鞘套信道的信道特性和CAZAC序列构造公式，生成适用于动态等离子体鞘套信道衰落测量的CAZAC探测序列；

步骤二，将发送天线发出的CAZAC探测信号通过动态等离子体鞘套模拟信道，等离子体变化频率为200KHz；

步骤三，在接收端，经过GPS同步后得到接收经过信道衰落之后的信号r(t)；

步骤四，对r(t)进行处理之后，得到本地采样的接收序列r(i)；

<mrow> <mi>N</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <msub> <mi>f</mi> <mi>s</mi> </msub> <mi>B</mi> </mfrac> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mn>800</mn> <mi>M</mi> <mi>H</mi> <mi>z</mi> </mrow> <mrow> <mn>200</mn> <mi>M</mi> <mi>H</mi> <mi>z</mi> </mrow> </mfrac> <mo>=</mo> <mn>4</mn> <mo>;</mo> </mrow>

步骤五，将接收端最终信号序列r(i)与本地发送端生成CAZAC序列进行周期循环相关处理，得到信道的实时衰落变化，实时的信道冲激响应；

步骤六，进一步根据提取的动态等离子体鞘套信道的信道冲激响应，对信道的幅度和相位实时变化、信道的时延功率谱和信道的多普勒功率谱进行提取。

3.如权利要求2所述的动态等离子体鞘套信道探测方法，其特征在于，所述步骤一具体包括：

第一步，根据动态等离子体鞘套的信道特性，等离子变化频率df＝200KHz，带宽选择为B＝200MHz，则通过L＝B/df/10计算得到序列长度L＝100，通过射频矢量信号发生器产生带宽为200MHz、序列长度为100的CAZAC序列，则CAZAC序列的构造公式为：

<mrow> <mi>c</mi> <mo>&amp;lsqb;</mo> <mi>n</mi> <mo>&amp;rsqb;</mo> <mo>=</mo> <mi>exp</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mrow> <mi>j</mi> <mn>2</mn> <mi>&amp;pi;</mi> <mi>K</mi> </mrow> <mn>100</mn> </mfrac> <mo>(</mo> <mrow> <mi>n</mi> <mo>+</mo> <mfrac> <msup> <mi>n</mi> <mn>2</mn> </msup> <mn>2</mn> </mfrac> </mrow> <mo>)</mo> <mo>)</mo> </mrow> <mo>;</mo> </mrow>

其中K为任意一个与100互质的数，这里选取为K＝L-1＝99，n＝1,2,...100；

第二步，以产生的长度为100的CAZAC序列帧为基础帧，进行周期连续组帧，形成长帧；

第三步，将形成的长帧序列进行滤波成型、数模转换、功率放大后和上变频后经射频天线发出作为信道探测信号；

发送过程中CAZAC长序列帧形成时域连续信号c(t)：

<mrow> <mi>c</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mi>exp</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mrow> <mi>j</mi> <mn>2</mn> <mi>&amp;pi;</mi> <mi>K</mi> </mrow> <msub> <mi>T</mi> <mi>s</mi> </msub> </mfrac> <mo>(</mo> <mrow> <mi>t</mi> <mo>+</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>R</mi> <mi>b</mi> </msub> <mo>&amp;times;</mo> <msup> <mi>t</mi> <mn>2</mn> </msup> </mrow> <mn>2</mn> </mfrac> </mrow> <mo>)</mo> <mo>)</mo> </mrow> <mo>;</mo> </mrow>

其中T_s为信号持续时间，K＝L-1＝99，R_b＝200MHz。

4.如权利要求2所述的动态等离子体鞘套信道探测方法，其特征在于，所述步骤四具体包括：

(1)对经过信道传输的信号通过高速示波器进行接收，进行低噪放大、带通滤波、下变频和模数转换，得到基带信号r₀(k)；

其中模数转换中的采样环节选取过采样，采样频率f_s＝800MHz，用过采样的方法来降低噪声；

(2)对相邻的N个接收信号数据进行平均去噪处理，降低信号噪声，得到接收端最终信号r(i)，N的选取为：

<mrow> <mi>N</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <msub> <mi>f</mi> <mi>s</mi> </msub> <mi>B</mi> </mfrac> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mn>800</mn> <mi>M</mi> <mi>H</mi> <mi>z</mi> </mrow> <mrow> <mn>200</mn> <mi>M</mi> <mi>H</mi> <mi>z</mi> </mrow> </mfrac> <mo>=</mo> <mn>4.</mn> </mrow>

5.如权利要求2所述的动态等离子体鞘套信道探测方法，其特征在于，所述步骤六具体包括：

1)对提取出来的信道冲激响应直接取幅度和相位，得到信道实时幅度和相位变化；

2)对信道的时延功率谱进行提取，时延功率谱表示为信道冲激响应的二阶矩；对存储的信道冲激响应进行平方处理，得到瞬时信道功率；在时间T内对平方后的数据进行平均处理，得到信道功率在时延方向上的分布；对于平均后的数据进行归一化处理，并转化成dB形式，得到信道的时延功率谱；

3)对信道的多普勒谱进行提取，多普勒谱是信道冲激响应的功率谱，对于多普勒谱的估计，采用求取信道冲激响应的自相关函数并对函数进行傅里叶变换。