CN109660279A - 基于扩频通信系统的弹载通信系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种基于扩频通信系统的弹载通信系统，包括炮弹数传电台端和地面数传接收端，炮弹数传电台端用于对弹载计算机传输的定位数据进行编码、载波调制以及数模转换后将数据发送给地面数传接收端，地面数传接收端包括模数转换模块、捕获支路和跟踪支路，模数转换模块用于将接收的模拟信号数字转换为数字信号数据，捕获支路用于从数字信号数据捕获粗多普勒频偏以及接收信号的码元初相，跟踪支路用于根据粗多普勒频偏对数字信号数据进行频偏补偿，并利用码元初相位完成码元恢复。本发明具有高动态捕获能力，在20dB的信噪比下，能够捕获±5KHz/s的高动态多普勒频移加速度。

Description

基于扩频通信系统的弹载通信系统
技术领域
本发明属于扩频通信领域，具体为一种基于扩频通信系统的弹载通信系统。
背景技术
在物体高速移动以及运动轨道的快速变化的情况下，会出现高动态多普勒偏移，此时对于频偏的捕获与跟踪具有很高的难度，因此需要一种能够快速跟踪的高动态跟踪环路。现有的跟踪环路通常具有高精度跟踪能力，但对于高动态频偏的跟踪，效果往往不理想。
文献1(于一丁,王永川,王长龙.混沌扩频通信在无人机数据链中的应用研究[J].飞航导弹,2016(9):62-64.)提出了扩频通信于无人机中的应用，在捕获跟踪多普勒脉冲时，采用了基于FFT的循环相关捕获技术，其运算量大，调整周期较长，对于高动态的多普勒频偏跟踪能力有限。
文献2(冯浚涛,杨新民,王胜红.应用于校射弹的扩频接收机设计方法[J].电子测量技术,2018(20).)提出了扩频通信于炮弹中的应用，为了保证跟踪精度，其采用了二阶环辅助三阶环的方法，跟踪精度高，频偏误差估计小于10Hz，但在高动态时，仅能满足±500Hz/s的多普勒频移加速度。
发明内容
本发明的目的在于提出了一种基于扩频通信系统的弹载通信系统。
实现本发明的技术解决方案为：一种基于扩频通信系统的弹载通信系统，包括炮弹数传电台端和地面数传接收端，所述炮弹数传电台端用于对弹载计算机传输的定位数据进行编码、载波调制以及数模转换后将数据发送给地面数传接收端，所述地面数传接收端包括模数转换模块、捕获支路和跟踪支路，所述模数转换模块用于将接收的模拟信号数字转换为数字信号数据，所述捕获支路用于从数字信号数据捕获粗多普勒频偏以及接收信号的码元初相，所述跟踪支路用于根据粗多普勒频偏对数字信号数据进行频偏补偿，并利用码元初相位完成码元恢复。
优选地，所述捕获支路包括第一数字下变频模块、高动态捕获模块以及码元捕获模块，所述高动态频偏捕获模块用于进行频扫并以码元捕获模块输出的峰值最大时的频率偏移量Δfi作为捕获到的粗多普勒频偏，所述第一数字下变频模块用于以粗捕获到的多普勒频偏进行频率粗补偿，所述码元捕获模块用于捕获码元初相位。
优选地，所述跟踪支路包括第二数字下变频模块、高动态载波恢复模块以及定时恢复模块，所述第二数字下变频模块用于对数字信号进行频偏补偿，所述高动态载波恢复模块用于根据捕获支路捕获的码元初相对频偏补偿后的数字信号进行解算获得细频偏量并完成码元恢复，所述定时恢复模块用于协同高动态载波恢复模块输出恢复码元。
优选地，所述第二数字下变频模块初始时以捕获支路中粗捕获到的多普勒频偏进行频偏补偿，之后以高动态载波恢复模块解算的细频偏量进行频偏补偿。
优选地，所述高动态载波恢复模块包括前路P路累加清零器、相位误差检测器、环路滤波器以及码元恢复模块，所述P路累加清零器根据码元初相位使得频偏补偿后的数字信号与本地解扩码同相并对频偏补偿后的数字信号解扩运算输出最大峰值，所述相位误差检测器用于得到最大峰值的相位差数据，所述环路滤波器对相位差数据进行滤波得到细频偏量，所述码元恢复模块用于对P路累加清零器的同相I路数据进行判决检测恢复码元信息，所述定时恢复模块包括迟路累加清零器、早路累加清零器和调节模块，接收信号分别进入迟路累加清零器和早路累加清零器进行解扩运算，迟路累加清零器的本地序列为推迟1个扩频码元的本地解扩序列，早路累加清零器的本地序列为提前1个扩频码元的本地解扩序列，所述调节模块根据迟路累加清零器和早路累加清零器的输出数据差值同时调整P、L、E三路累加清零器的清零周期。
优选地，炮弹数传电台端和地面数传接收端采用连续通信方式，炮弹数传电台端在接收到北斗接收机传输的定位数据时发送定位数据给地面数传接收端，空闲时间发送训练序列给地面数传接收端。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：本发明采用理想二阶环路设计，具有高动态捕获能力，在20dB的信噪比下，能够捕获±5KHz/s的高动态多普勒频移加速度。
下面结合附图对本发明做进一步详细的描述。
附图说明
图1是基于扩频通信系统的弹载通信系统示意图。
图2是数传电台端信号处理流程图。
图3是实施例中(2，1，2)卷积编码实现示意图。
图4是实施例中扩频Gold码实现示意图。
图5是实施例中127位Gold码自相关特性示意图。
图6是信息码完成编码、扩频、成形滤波后的结果示意图。
图7是地面接收端信号处理流程图。
图8是实施例中127位Gold码匹配捕获结果示意图。
图9是高动态载波恢复模块中环路滤波器的设计框图。
图10是实施例中信噪比20dB情况下，5KHz/s的多普勒频偏变化下的环路滤波器跟踪情况示意图。
图11是通信系统实测Costas环路捕获IQ两路累加清零器输出结果示意图。
图12是迟早门定时恢复算法实现示意图。
图13是解码后数据传输至软件接收数据示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种基于扩频通信系统的弹载通信系统，炮弹数传电台端设置在炮弹上，与弹载计算机连接。弹载计算机按照协议规定传输数据，数据包括炮弹的转速、经纬高、速度信息等。
所述炮弹数传电台端用于对弹载计算机传输的定位数据进行编码、载波调制以及数模转换后将数据发送给地面数传接收端，炮弹数传电台端主要包括：卷积编码模块、差分编码模块、扩频调制模块、成形滤波模块以及载波调制模块；数传电台端中的信道编码通过卷积编码模块进行卷积编码，差分编码模块完成对卷积编码后信息码元的差分编码。在某些实施例中，差分编码模块采用如表1的编码方案，An表示输入码元，Bn表示当前输出码元，Bn+1表示下一个输出码元；
表1
扩频调制模块用于完成Gold码的产生以及对差分编码后的信息码元的调制；在某些实施例中，Gold码由一对m序列优选对相加产生；
成形滤波模块对扩频以后的基带信号进行成形滤波，以限制系统的通信带宽；
载波调制模块采用基带处理芯片完成对成形后信号的载波调制以及数模(DA)转换；
模拟信号经过传输，到达地面数传接收端，所述地面数传接收端包括模数转换模块、捕获支路和跟踪支路，所述模数转换模块用于将接收的模拟信号数字转换为数字信号数据，捕获支路用于从数字信号数据捕获粗多普勒频偏以及接收信号的码元初相，同时，跟踪支路用于根据粗多普勒频偏对数字信号数据进行频偏补偿，并利用码元初相位完成码元恢复。
捕获支路包括第一数字下变频模块、高动态捕获模块以及码元捕获模块，数字信号首先进入第一数字下变频模块，完成频偏补偿，在初始状态时，频偏补偿为0。
随后完成补偿后的数据分别进入高动态频偏捕获模块与码元捕获模块，两个模块协同工作，完成频偏以及相位的捕获。
在高动态频偏捕获模块中，以频率步进量Δf对±fd频偏范围内进行频扫，选取码元捕获模块输出的峰值最大时的频率偏移量Δfi，作为捕获到的粗多普勒频偏。以此频率偏移量Δfi对数字下变频模块(I)完成频率粗补偿。
码元捕获模块采用有限长单位冲击响应滤波器完成，数据通过滤波器，当出现峰值时，说明该位置处对应接收码元初相位。粗多普勒频偏补偿后，码元捕获模块的峰值对应的位置，即为接收码元的初相位。
至此，跟踪支路完成粗频偏的捕获以及接收信号码元初相位的捕获。
跟踪支路包括第二数字下变频模块、高动态载波恢复模块以及定时恢复模块，在确认捕获支路中存在峰值后，数字信号进入第二数字下变频模块，完成频偏补偿，在初始状态时，频偏补偿为捕获支路中捕获到的粗频偏。补偿之后，数据进入高动态载波恢复模块中，高动态载波恢复模块根据捕获支路捕获的码元初相对频偏补偿后的数字信号进行解算获得细频偏量并完成码元恢复，与此同时定时恢复模块工作，协同载波恢复模块输出恢复码元。
进一步的实施例中，高动态载波跟踪同步模块中高动态载波恢复模块包括前路P路累加清零器、相位误差检测器、环路滤波器以及码元恢复模块。数据依次进入P路累加清零器、相位误差检测器以及环路滤波器。
码元初相位已知，调节P路累加清零器的相位与码元初相位相同，保证P路累加清零器的同相、正交两路(I、Q两路)接收信号与本地解扩码同相，从而解扩运算输出最大峰值。所述本地解扩码即扩频调制模块产生的Gold码。
输出最大峰值进入相位误差检测器得到I、Q两路信号相位差信息数据，随后相位差数据进入环路滤波器完成滤波，得到细频偏量，细频偏量进入第二数字下变频模块，完成细频偏分量的跟踪。
码元恢复模块对P路累加清零器的同相I路数据进行判决检测，恢复码元信息。
第二数字下变频模块输出数据进入定时恢复模块。
定时恢复模块采用迟早门算法，用以辅助高动态载波恢复模块输出最佳采样点，具体包括迟路(L路)和早路(E路)两路累加清零器以及调节模块。与P路相同，接收信号与本地解扩序列进行解扩运算，但本地序列分别为推迟或提前1个扩频码元的本地解扩序列。
调节模块根据L、E两路累加清零器的输出数据差值(用L-E表示)，同时调整P、L、E三路累加清零器的清零周期，从而使P路累加清零器恢复数据最佳，当输出数据差值大于设定阈值，清零周期加1，相反则减1。
差分解码策略为：当前码元与之前码元异或运算完成差分解码。维特比译码使对差分解码后的数据进行译码操作。
码元恢复模块恢复传输码元之后，将恢复出的码元传输给后端显示软件。
进一步的实施例中，炮弹数传电台端和地面数传接收端采用连续通信方式，炮弹数传电台端在接收到北斗接收机传输的定位数据时发送定位数据给地面数传接收端，空闲时间发送训练序列给地面数传接收端。
实施例
如图2所示，数据进入弹载端数传电台进行卷积编码、差分编码、扩频以及成形滤波等信号处理流程。如图3所示，数据首先完成(2,1,2)对完成卷积编码后的数据进行差分编码，将绝对相位转化为相对相位。随后数据进行扩频处理，如图4、图5所示，扩频码采用127位的Gold码，Gold码有一对m序列优选对异或运算后得到。每个信息码与一组Gold码相乘即可得到。如图6所示，扩频后的数据通过成形滤波器，完成带宽限制，成形后波形如图中所示。最终数据进入数模转换器，完成载波调制，发送至自由空间。
地面接收端接收到自由空间中的扩频传输信号，首先进行模数转换，进入FPGA的信号处理流程，信号处理流程主要包括捕获支路和跟踪支路。如图7所示，捕获支路包括数字下变频模块(I)、高动态频偏捕获模块和码元捕获模块。采样到的IQ两路数据首先进入捕获支路，进行数字下变频完成频率补偿，初始状态频偏补偿为0，随后高动态捕获模块与码元捕获模块合作工作，高动态捕获模块采用频扫的方式，以频率步进量对±fd频偏范围内进行频扫，选取码元捕获模块输出的峰值最大时的频率偏移量作为捕获到的粗多普勒频偏。以此频率偏移量R对数字下变频模块(I)完成频率粗补偿。此时，码元捕获模块的峰值对应的位置，即为接收码元的初相位。如图8所示，在频偏完成补偿后，匹配捕获模块输出峰值为127，这与理论计算的峰值y(n)peak＝N＝127相同，取门限为50，峰值高于50，则判断此峰值点的位置为接收码元的初相位。
跟踪支路在捕获支路完成频偏捕获以及码元初相位捕获之后工作，跟踪支路包括数字下变频模块(II)、载波恢复模块以及码元恢复模块。数字信号进入数字下变频模块(II)，完成频偏补偿。在初始状态时，频偏补偿为捕获支路中捕获到的粗频偏。补偿之后，数据进入载波恢复模块中完成码元恢复，与此同时定时恢复模块工作，协同载波恢复模块输出恢复码元。高动态载波跟踪同步模块中包括当前路(P路)累加清零器、相位误差检测器以及环路滤波器。数据依次进入P路累加清零器、相位误差检测器以及环路滤波器。捕获支路中，码元初相位已知，以此调节P路累加清零器，保证P路累加清零器的同相、正交两路(I、Q两路)接收信号与本地解扩序列同相，从而解扩运算输出最大峰值。输出峰值进入相位误差检测器得到相位差信息数据，随后相位差数据进入环路滤波器完成滤波，得到细频偏量，细频偏量进入数字下变频模块(II)，完成细频偏分量的跟踪。如图9所示，设计理想二阶环路滤波器，传递函数为
式中，C1、C2为环路滤波器的系数。本实施例中环路滤波器系数设计如下：
C1＝0.625，C2＝0.046875
如图10所示，该高动态载波恢复环路具有高动态捕获能力，在信噪比为20dB的情况下，5KHz/s的多普勒频偏变化下的环路滤波器仍然能够完成很好的跟踪效果。
定时恢复模块采用迟早门算法，用以辅助高动态载波恢复模块输出最佳采样点，具体包括迟路(L路)和早路(E路)两路累加清零器以及调节模块。与P路相同，接收信号与本地解扩序列进行解扩运算，但本地序列分别为推迟或提前1个扩频码元的本地解扩序列。调节模块根据L、E两路累加清零器的输出数据差值(用L-E表示)，同时调整P、L、E三路累加清零器的清零周期，从而使P路累加清零器恢复数据最佳。如图12所示，满足(E)>10000时，当前清零周期由508增加到509；满足(L-E)<-10000时，当前清零周期由508减小到507。
码元恢复模块对P路累加清零器的同相I路数据进行判决检测，恢复码元信息。码元恢复模块将当前码元与之前码元异或运算完成差分解码，使用维特比译码使对差分解码后的数据进行译码操作。恢复传输码元之后，将恢复出的码元传输给后端显示软件。如图13所示，恢复码元传输给后端显示软件，完成最终信息的显示。

Claims (6)

1.一种基于扩频通信系统的弹载通信系统，其特征在于，包括炮弹数传电台端和地面数传接收端，所述炮弹数传电台端用于对弹载计算机传输的定位数据进行编码、载波调制以及数模转换后将数据发送给地面数传接收端，所述地面数传接收端包括模数转换模块、捕获支路和跟踪支路，所述模数转换模块用于将接收的模拟信号数字转换为数字信号数据，所述捕获支路用于从数字信号数据捕获粗多普勒频偏以及接收信号的码元初相，所述跟踪支路用于根据粗多普勒频偏对数字信号数据进行频偏补偿，并利用码元初相位完成码元恢复。
2.根据权利要求1所述的基于扩频通信系统的弹载通信系统，其特征在于，所述捕获支路包括第一数字下变频模块、高动态捕获模块以及码元捕获模块，所述高动态频偏捕获模块用于进行频扫并以码元捕获模块输出的峰值最大时的频率偏移量Δfi作为捕获到的粗多普勒频偏，所述第一数字下变频模块用于以粗捕获到的多普勒频偏进行频率粗补偿，所述码元捕获模块用于捕获码元初相位。
3.根据权利要求1所述的基于扩频通信系统的弹载通信系统，其特征在于，所述跟踪支路包括第二数字下变频模块、高动态载波恢复模块以及定时恢复模块，所述第二数字下变频模块用于对数字信号进行频偏补偿，所述高动态载波恢复模块用于根据捕获支路捕获的码元初相对频偏补偿后的数字信号进行解算获得细频偏量并完成码元恢复，所述定时恢复模块用于协同高动态载波恢复模块输出恢复码元。
4.根据权利要求3所述的基于扩频通信系统的弹载通信系统，其特征在于，所述第二数字下变频模块初始时以捕获支路中粗捕获到的多普勒频偏进行频偏补偿，之后以高动态载波恢复模块解算的细频偏量进行频偏补偿。
5.根据权利要求3所述的基于扩频通信系统的弹载通信系统，其特征在于，所述高动态载波恢复模块包括前路P路累加清零器、相位误差检测器、环路滤波器以及码元恢复模块，所述P路累加清零器根据码元初相位使得频偏补偿后的数字信号与本地解扩码同相并对频偏补偿后的数字信号解扩运算输出最大峰值，所述相位误差检测器用于得到最大峰值的相位差数据，所述环路滤波器对相位差数据进行滤波得到细频偏量，所述码元恢复模块用于对P路累加清零器的同相I路数据进行判决检测恢复码元信息，所述定时恢复模块包括迟路累加清零器、早路累加清零器和调节模块，接收信号分别进入迟路累加清零器和早路累加清零器进行解扩运算，迟路累加清零器的本地序列为推迟1个扩频码元的本地解扩序列，早路累加清零器的本地序列为提前1个扩频码元的本地解扩序列，所述调节模块根据迟路累加清零器和早路累加清零器的输出数据差值同时调整P、L、E三路累加清零器的清零周期。
6.根据权利要求1所述的基于扩频通信系统的弹载通信系统，其特征在于，炮弹数传电台端和地面数传接收端采用连续通信方式，炮弹数传电台端在接收到北斗接收机传输的定位数据时发送定位数据给地面数传接收端，空闲时间发送训练序列给地面数传接收端。
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