CN107800505A - 一种高效导频的通信系统及其波形产生和跟踪方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高效导频的通信系统及其波形产生和跟踪方法。系统包括波形产生系统和波形跟踪系统，波形产生时，需要生成不同速率、相同周期的PN序列和二进制正交副载波，PN序列和副载波相乘并相加，其中一个PN序列用来传输数据，其余PN序列看作导频信息。接收信号时，接收端采用多估计器分别计算出各PN序列的码跟踪误差和副载波跟踪误差，由组合器将各PN序列和副载波的跟踪误差融合，计算出更精确的跟踪误差。本发明通过多个序列合成的等效码速率与高频时钟一致，在码跟踪精度上可以达到和速率为高频时钟的扩频序列相同的量级，而且波形产生方式灵活可变，信号占用带宽更小。

Description

一种高效导频的通信系统及其波形产生和跟踪方法
技术领域
本发明属于无线通信领域，更为具体地讲，是一种高效导频的通信系统及其波形产生和跟踪方法。
背景技术
随着地面和空中自主无人系统的快速发展，对信息网络的需求越来越综合化，特别是通信和导航定位的一体化设计成为未来信息网络领域的热点问题。
通信与导航一体化的研究，涉及到空基通信领域和卫星导航领域，就需要研究空基通信的信号处理系统与卫星导航信号处理系统的关系。然而，在过去这么长时间以来，对于传统的空基通信和导航测量系统的研究和处理，几乎都是通过两个独立的系统来实现。它们不共用硬件模块、具有不同的信号波形并且占用不同的频率和带宽。
但是，从通信和导航的各个方面来看，二者存在着相似之处，具有融合设计的基础。比如二者都基于无线电波实现，在工作原理和硬件结构上，通信与导航信号的形成原理、信号的发送和接收方法、所使用的硬件设备和硬件结构等等方面都具有相似性。
目前，通信系统通常采用前导序列和数据构成帧结构来传递通信信息，导航信号通常由直接序列扩频(DSSS)的波形来传递导航信息。当导航信号存在测距需求时，码跟踪环路的跟踪精度对导航信号的测量精度有着决定性的作用。相对于通信波形，导航波形对波形的码跟踪精度要求高于通信波形。因此，在通信导航一体化的波形设计的目标是使其具有高定时精度。当环境中存在多径干扰时，多径信号分量会使相关函数产生畸变，使得鉴别函数的过零点出现偏移，导致码跟踪环产生额外的跟踪误差。所以，通信导航一体化波形设计的另一个目标是使其具有良好的抗多径性能。
本发明设计出一种波形，通过周期相同、码率不同的多个PN序列构造新的复合PN序列，采用多估计器，将多个鉴相器的输出进行融合，计算出最终的码鉴相结果，经由数控振荡器，分别反馈给各序列产生器。
发明内容
本发明的目的是针对通信和导航的需求，提出一种高效导频的通信系统及其波形产生和跟踪方法。
本发明的高效导频的通信系统包括高效导频的波形产生系统和高效导频的波形跟踪系统，所述的波形产生系统包括一个高频时钟、若干个分频器、与分频器数量相同的若干序列产生器、与分频器数量相同的若干调制器和一个组合器；
高频时钟信号输入到若干分频器中，每个分频器连接一个序列产生器，每个序列产生器连接一个调制器，每个调制器调制后的各支路信号输入到组合器中；
所述的波形跟踪系统包括若干个相关器、与相关器数量相同的若干鉴相器、一个估计器、一个数控振荡器、与相关器数量相同的若干分频器和与相关器数量相同的若干序列产生器，其中，每个相关器的输出与一个鉴相器的输入相连，所有的鉴相器的输出与估计器的输入相连，估计器的输出与数控振荡器的输入相连，数控振荡器的输出分别连接所有分频器的输入，每个分频器的输出连接一个序列产生器的输入，每个序列产生器的输出连接一个相关器的输入，由此构成闭环；
所述的波形产生系统中的分频器的数量与波形跟踪系统中的相关器的数量相等。
优选的，所述的波形产生系统中分频器数量可变，数量为PN序列数量与副载波数量之和。
优选的，所述波形产生系统中的序列产生器可以产生PN序列或副载波，在波形产生系统中，产生的副载波数量不大于产生的PN序列的数量。
优选的，所述波形跟踪系统中的序列产生器可以产生PN序列或副载波，产生的PN序列和副载波的数量与波形产生系统中相等。
所述的高效导频的通信系统的波形产生方法包括如下步骤：
(1)确定波形采用的PN序列数M、副载波数N以及相应的PN序列码速率和副载波码速率，根据高频时钟速率、PN序列码速率和副载波码速率得到分频倍数，将高频时钟送入分频模块；
(2)将分频后的多个时钟信号分别输入序列产生器中，序列产生器输出M个不同速率并且周期相同的PN码和N个正交二进制副载波；
(3)将产生的PN序列、正交二进制副载波和待发送的数据输入调制器，其中，数据调制在一路PN序列上用来传输数据，剩余PN序列用作导频信号，再将PN序列与正交二进制副载波相乘，产生若干路已调信号；
(4)将若干路已调信号送入组合器，相加输出发送波形。
所述高效导频的通信系统的波形跟踪方法包括如下步骤：
(1)基带信号与各序列产生器产生的序列经过对应的相关器输出多个积分和，若第n个PN序列未调制二进制正交副载波，则只对PN序列进行跟踪，可采用传统DLL跟踪算法；若第n个PN序列调制了二进制正交副载波，则分别对PN序列和副载波进行跟踪。每个估计器中，信号首先与复现的不同时延的PN序列和副载波的共轭相乘并在积分周期内进行积分；
鉴相器根据积分和鉴别出跟踪误差，即复现的PN序列、副载波与接收信号的偏差大小和方向；本发明的鉴相器的鉴别方法可以为非相干超前减滞后幅值法、非相干超前减滞后功率法、似相干点积功率法或相干点积功率法等。
(2)将各序列跟踪误差τ1,τ2,…,τn和各副载波跟踪误差送入组合器，其中n＝1,2,…,M，采用最小二乘法或卡尔曼滤波方法估计出更精确的跟踪误差；
(3)将估计的跟踪误差送入数控振荡器，调整高频时钟做必要的增加或减小，调整后的高频时钟输入分频器输出对应于PN序列和副载波序列的多个低频时钟(M+N个)；
(4)各低频时钟分别输入序列产生器，复现M个PN序列和N个副载波。
本发明利用高频时钟分频产生多个低倍速率时钟，低倍时钟产生M个PN序列和N个二进制正交副载波，其合成的等效扩频序列，不仅在码跟踪精度上可以达到和高频时钟的扩频序列相同的量级，而且在产生结构上具有灵活可变的优势，同时，在抗多径性能上较单序列扩频波形有提升。
附图说明
图1波形产生系统的示意框图；
图2是波形产生具体结构图；
图3是波形跟踪系统的示意框图；
图4是跟踪流程具体结构图；
图5是实施例跟踪流程具体结构图；
图6是码跟踪误差图；
图7是多径误差包络图。
具体实施方式
本发明设计了一种波形以及其跟踪方法。波形由多个不同速率、周期相同的扩频波形组合而成。波形结构灵活可变，具体表现在：扩频序列数量、速率可变，可调制或不调制副载波，副载波频率可变。合成序列的等效速率等于高频时钟，其码跟踪精度可以达到和速率为高频时钟的扩频序列相同的量级。
波形的产生包括如下步骤：
(1)确定波形采用的扩频序列数、调制副载波数以及相应的扩频码速率和副载波频率，根据高频时钟速率、扩频码速率和副载波频率计算出分频倍数，将高频时钟送入分频模块；
(2)将分频后的多个时钟信号分别输入序列产生器，产生器产生M个不同速率但是周期相同的PN序列，和N个二进制正交副载波；若要实现更高精度的跟踪，各序列除以基本时钟的倍数应该互为素数；
(3)将PN序列、副载波和数据送入调制器，相应的PN序列、副载波和数据相乘；
(4)将M个调制了副载波或数据的信号送入组合器，相加输出发送波形。
如图1所示，所述的波形产生系统包括一个高频时钟101、若干个分频器102、与分频器数量相同的若干序列产生器103、与分频器数量相同的若干调制器104和一个组合器105；高频时钟101信号输入到若干分频器102中，每个分频器102连接一个序列产生器103，每个序列产生器103连接一个调制器104，每个调制器104调制后的各支路信号输入到组合器105中；
波形产生各个模块具体电路如图2所示。
跟踪方法包括如下步骤：
(1)输入基带信号分别进入M个估计器中，若第n个PN序列未调制二进制正交副载波，则只对PN序列进行跟踪，可采用传统DLL跟踪算法；若第n个PN序列调制了二进制正交副载波，则分别对PN序列和副载波进行跟踪。
(2)跟踪采用早迟门方法，其中，PN序列跟踪时，输入信号首先与P路副载波的共轭相乘从而剥离副载波，再分别与E路和P路的PN序列相乘，在积分时间内进行积分。副载波跟踪时，输入信号首先与P路PN序列相乘，再分别与E路和L路的副载波的共轭相乘，在积分时间内进行积分。其中，第n个同相信号的E路、P路和L路相干积分结果如下：
其中y(t)，cI,n，PNP,n分别表示接收的基带信号、第n个I路复现载波以及第n个PN序列的p路复现码，fn表示残余频偏，和Δτn分别表示初始载波相位、初始码相位、当前载波相位与初始载波相位的差以及当前码相位与初始码相位的差，Rn表示第n个PN序列的自相关函数；
(3)所有PN序列和副载波的积分结果同时送入鉴相器，鉴相器根据相应鉴相算法输出PN序列鉴相结果τ1,τ2,…,τn以及副载波鉴相结果若鉴相器采用归一化相干超前减滞后幅值法，则第n个PN序列或副载波鉴相器的公式如下：
其中，En表示第n个序列的超前支路幅值：
Ln表示第n个序列的表示滞后支路幅值：
(4)将M个估计器的结果输入组合器，可采用最小二乘法、卡尔曼滤波器等方法，估计出最终的码跟踪偏差；
(5)将估计器的输出输入数控振荡器，调整高频时钟做必要的增加或减小；
(6)将数控振荡器输出的高频时钟输入序列产生器复现M个扩频序列和N个副载波。
如图3所示，所述的波形跟踪系统包括若干个相关器201、与相关器201数量相同的若干鉴相器202、一个估计器203、一个数控振荡器204、与相关器201数量相同的若干分频器205和与相关器201数量相同的若干序列产生器206，其中，每个相关器的输出与一个鉴相器的输入相连，所有的鉴相器的输出与估计器203的输入相连，估计器203的输出与数控振荡器204的输入相连，数控振荡器204的输出分别连接所有分频器205的输入，每个分频器205的输出连接一个序列产生器206的输入，每个序列产生器206的输出连接一个相关器201的输入，由此构成闭环。
跟踪器各个模块具体结构如图4所示。
实施例
以两个扩频序列为例，高频时钟6.138MHz，分频器倍数分别为5和4，即扩频码速率分别为1.228MHz和1.534MHz，两个扩频码的周期均为1ms。此例中PN序列直接相加输出。
一种结构可变的波形产生方法包括如下步骤：
(1)6.138MHZ的高频时钟101经分频器102后产生2个低频时钟，分别为R1＝1.228MHz和R2＝1.534MHz；
(2)分频后的时钟信号输入序列产生器，这里采用长度为2047的gold序列。为保证扩频序列周期相同，对两个序列进行截短，使其长度分别为1228和1534。
(3)将数据、gold序列的截短码相乘，得到已调信号。此例中副载波为0，即不调制副载波。
(4)将已调的两路信号送入组合器，相加输出发送信号。
一种结构可变的波形跟踪方法具体流程图见图5，包括如下步骤：
(1)输入基带信号分别进入M个估计器中，每个估计器中均采用传统DLL跟踪算法；两个序列产生器分别产生超前支路码(E)、即时支路码(P)和滞后支路码(L)，积分时间T为1个扩频码周期，即1ms。第n个同相信号的E路、P路和L路相干积分结果如下：
其中y(t)，cI,n，PNP,n分别表示接收的基带信号、第n个I路复现载波以及第n个扩频码的p路复现码，fn表示残余频偏，和Δτn分别表示初始载波相位、初始码相位、当前载波相位与初始载波相位的差以及当前码相位与初始码相位的差，Rn表示第n个扩频序列的自相关函数；
(2)鉴相器采用归一化相干超前减滞后幅值法，第n个扩频码鉴相器的公式如下：
其中，En表示第n个扩频码的超前支路幅值：
Ln表示第n个扩频码的表示滞后支路幅值：
(3)将2个码鉴相结果输入二阶环路滤波器，码环的环路噪声带宽均为26.5Hz。
(4)将码环滤波器输出τ1,τ2输入估计器，此例采用最小二乘法。其中，观测量Y为累计码相位，包括整数码片数c1,c2和小数码片数τ1,τ2。公式如下：
观测方程H公式如下：
估计量表示累计码相位，公式如下：
(6)将估计器输出的码相位误差输入数控振荡器，调整高频时钟的频率做必要的增大或减小；根据输出的高频时钟进行4倍分频和5倍分频得到两路低频时钟；
(7)将低频时钟送入扩频码产生器，复现本地参考码。
图6表示在不同载噪比下，本例的波形、PN1、PN2以及最小二乘计算的码跟踪误差，单位为米。其中，low-rate pn是调制了速率为1.228MHz序列的扩频波形，high-rate pn是调制了速率为1.534MHz序列的扩频波形，multi pn为本例的波形，theoretical value为码速率为高频时钟的序列。
图7表示在不同多径时延下，本例的波形、PN1、PN2的多径误差包络，单位为米。仿真中设置了一条主径和一条反射径，多径直达比(MDR)为-10dB。
图中可以看出，多速率PN序列的合成序列具有与速率为高频时钟的序列相同量级的码跟踪误差。同时，多速率的合成序列的抗多径性能优于传统扩频波形。

Claims (6)

1.一种高效导频的通信系统,其特征在于包括高效导频的波形产生系统和高效导频的波形跟踪系统，所述的波形产生系统包括一个高频时钟(101)、若干个分频器(102)、与分频器数量相同的若干序列产生器(103)、与分频器数量相同的若干调制器(104)和一个组合器(105)；高频时钟(101)信号输入到若干分频器(102)中，每个分频器(102)连接一个序列产生器(103)，每个序列产生器(103)连接一个调制器(104)，每个调制器(104)调制后的各支路信号输入到组合器(105)中；
所述的波形跟踪系统包括若干个相关器(201)、与相关器(201)数量相同的若干鉴相器(202)、一个估计器(203)、一个数控振荡器(204)、与相关器(201)数量相同的若干分频器(205)和与相关器(201)数量相同的若干序列产生器(206)，其中，每个相关器的输出与一个鉴相器的输入相连，所有的鉴相器的输出与估计器(203)的输入相连，估计器(203)的输出与数控振荡器(204)的输入相连，数控振荡器(204)的输出分别连接所有分频器(205)的输入，每个分频器(205)的输出连接一个序列产生器(206)的输入，每个序列产生器(206)的输出连接一个相关器(201)的输入，由此构成闭环；
所述的波形产生系统中的分频器(102)的数量与波形跟踪系统中的相关器(201)的数量相等。
2.根据权利要求1所述的高效导频的通信系统，其特征在于所述的波形产生系统中分频器(102)数量可变，数量为PN序列数量与副载波数量之和。
3.根据权利要求1所述的高效导频的通信系统，其特征在于所述波形产生系统中的序列产生器(103)可以产生PN序列或副载波，在波形产生系统中，产生的副载波数量不大于产生的PN序列的数量。
4.根据权利要求1所述的高效导频的通信系统，其特征在于所述波形跟踪系统中的序列产生器(206)可以产生PN序列或副载波，产生的PN序列和副载波的数量与波形产生系统中相等。
5.一种如权利要求1所述的高效导频的通信系统的波形产生方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)确定波形采用的PN序列数、副载波数以及相应的PN序列码速率和副载波码速率，根据高频时钟速率、PN序列码速率和副载波码速率得到分频倍数，将高频时钟送入分频模块；
(2)将分频后的多个时钟信号分别输入序列产生器中，序列产生器输出多个不同速率并且周期相同的PN码和相应的正交二进制副载波；
(3)将产生的PN序列、正交二进制副载波和待发送的数据输入调制器，其中，数据调制在一路PN序列上用来传输数据，剩余PN序列用作导频信号，再将PN序列与正交二进制副载波相乘，产生若干路已调信号；
(4)将若干路已调信号送入组合器，相加输出发送波形。
6.一种如权利要求1所述高效导频的通信系统的波形跟踪方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)基带信号与各序列产生器产生的序列经过对应的相关器输出多个积分和，鉴相器根据积分和鉴别出跟踪误差，即复现的PN序列、副载波与接收信号的偏差大小和方向；
(2)将各序列跟踪误差τ1,τ2,…,τn和各副载波跟踪误差送入组合器，其中n＝1,2,…,M，采用最小二乘法或卡尔曼滤波方法估计出更精确的跟踪误差；
(3)将估计的跟踪误差送入数控振荡器，调整高频时钟做必要的增加或减小，调整后的高频时钟输入分频器输出对应于PN序列和副载波序列的多个低频时钟；
(4)各低频时钟分别输入序列产生器，复现多个PN序列和相应的副载波。
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