CN110166079A - 一种改进型跳时脉冲位置键控遥测方法 - Google Patents

一种改进型跳时脉冲位置键控遥测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种改进型跳时脉冲位置键控遥测方法，涉及无线测控通信技术领域。本发明通过改进跳时序列与PPK编码符号的结合方法，即将将跳时序列与PPK编码信号耦合在一起，即将跳时序列与PPK编码信号进行线性或非线性的数学运算，生成新的耦合信号，对于新生成的耦合信号，接收端通过并行匹配滤波的方法直接完成信息的接收解调，不再需要PPK解调这个步骤，降低了对时间同步精度的要求，便于硬件实现。

Description

一种改进型跳时脉冲位置键控遥测方法
技术领域
本发明涉及无线测控通信技术领域，更具体地说涉及一种改进型跳时脉冲位置键控遥测方法。
背景技术
PPK(Pulse Position Keying，脉冲位置键控)遥测体制由PPM(Pulse PositionModulation，脉冲位置调制)体制数字化而来，是我国遥测领域的一种重要体制，为我国遥测事业做出了重大贡献。为满足未来遥测事业发展的需求，公开号为CN102594400A，公开日为2012年7月18日的中国专利文献提出了一种跳时脉冲位置键控遥测方法。该方法将跳时技术与PPK遥测体制相结合，形成一种具备多址、抗干扰和抗截获能力的新型遥测体制。
该专利提出的方法具体是将每个用户的消息发送至一个缓存器，待缓存器中接收到设定比特的消息后，通过PPK编码器对这些消息完成PPK编码，然后为每个用户分配一个唯一的跳时序列，利用这个唯一的跳时序列，根据所传输的这段经过PPK编码的消息内容，产生传输这段消息的特有的一个脉冲串；接收端根据每个用户的跳时序列特性进行相关接收，从而分辨是哪个用户的消息，并根据相关峰恢复出所发送的消息信号。
PPK遥测体制通过脉冲位置来传输信息，PPK解调时需要通过确定所接收到的脉冲信号在时间上的位置来恢复所携带的信息，因此精确的时间同步是PPK遥测体制接收解调的关键。上述专利提出的跳时脉冲位置键控遥测方法在完成匹配滤波后需要通过传统的PPK解调完成信息的恢复，但是跳时脉冲位置键控方法发送的脉冲宽度极窄，解调需要极高的时间同步精度，对硬件实现是极大的挑战。
发明内容
为了克服上述现有技术中存在的缺陷和不足，本申请提供了一种改进型跳时脉冲位置键控遥测方法，本申请的发明目的在于降低对时间同步精度的要求，便于硬件实现。本申请提出的一种改进型跳时脉冲位置键控遥测方法，通过改进跳时序列与PPK编码符号的结合方法，设计了一种新的跳时脉冲位置键控波形，对应于这种新的信号波形，接收端通过并行匹配滤波的方法直接完成信息的接收解调，不再需要PPK解调这个步骤，降低了对时间同步精度的要求，便于硬件实现。
为了解决上述现有技术中存在的问题，本申请是通过下述技术方案实现的：
一种改进型跳时脉冲位置键控遥测方法，其特征在于：通过跳时扩频技术实现PPK遥测体制多址通信，将跳时序列与PPK编码信号耦合在一起，即将跳时序列与PPK编码信号进行线性或非线性的数学运算，生成新的耦合信号；对于新生成的耦合信号，接收端通过并行匹配滤波的方式直接完成信息的接收解调，即根据耦合后出现的PPK符号数量设置多路匹配滤波器并行处理接收到的信号；接收到一个跳时PPK符号对应的信号时，将其并行送入所有的匹配滤波器，每一路匹配滤波器固定与一个跳时PPK符号对应，将有相关峰输出的一路判决为对应的符号即可恢复出信息。
跳时序列与PPK编码信号耦合的耦合方式不唯一，只要通过运算得到的耦合信号仍然保持良好的相关性质即为好的耦合方式。
跳时序列与PPK编码信号耦合的耦合方式可以是，将跳时序列与PPK编码信号相乘，然后按PPK信号格式取模，具体可由下面的公式表示：
表示将跳时序列与PPK编码信号相互耦合，表示跳时序列，sppk表示PPK编码后的信号。
跳时序列与PPK编码信号耦合的耦合方式还可以是，将跳时序列与PPK编码信号的平方相乘，然后按PPK信号格式取模，具体可由下面的公式表示：
表示将跳时序列与PPK编码信号相互耦合，表示跳时序列，sppk表示PPK编码后的信号。
匹配滤波器的数量与PPK信号可分配的时隙数q一致，每一路匹配滤波器都拥有一个独立的滤波系统，其系数由所选的的跳时序列、PPK信号以及耦合方式确定，共有q个相互独立且具有良好相关性质的滤波系数。
与现有技术相比，本申请所带来的有益的技术效果表现在：
1、本申请中跳时PPK信号波形可表示为：
其中，p(t)表示脉冲波形，Tf表示脉冲重复周期，表示跳时序列，Tc表示跳时码片宽度，sppk表示PPK编码后的信号，表示将跳时序列与PPK编码信号相互耦合。
而公开号为CN102594400A，公开日为2012年7月18日的中国专利文献中提出的跳时PPK信号波形可表示为下面的公式：
由公式(1)和公式(2)对比可以看出，本申请提出的改进型跳时脉冲位置键控遥测方法中的跳时序列与PPK编码信号不再相互独立，而是相互耦合在了一起，通过合理的设计跳时序列与PPK编码信号的耦合方法，确保不同用户之间拥有良好的汉明相关性能，同时，同一用户不同符号之间也相互正交，接收端不再需要PPK解调步骤，通过并行匹配滤波直接完成接收解调工作。
2、公开号为CN102594400A，公开日为2012年7月18日的中国专利文献提出的跳时PPK信号结构由图1表示。假设信息速率为Rb，M进制跳时PPK，即一个完整的跳时PPK符号携带M比特信息。假设M个比特持续时间为Ts，共发射Ns个脉冲，则将Ts均匀分为Ns份，每份时长为Tf；假设跳时序列长度为Nh，则将Tf均匀分为Nh个跳时码片，每个码片宽度为Tc；根据跳时序列选择跳时码片发送PPK编码脉冲，每个码片被分为2M份，每份长度为ΔT；在选定的时隙中发射一个脉冲，脉冲宽度为Δt，有Δt≤ΔT。前述时间有如下关系式：
Tf＝Nh·Tc (4)
Tc＝2M·△T (5)
由(3)(4)(5)联立可得，最终发射的跳时PPK脉冲宽度Δt有如下关系式：
上述专利中PPK编码脉冲与跳时序列相互独立，而本改进型申请提案提出的跳时PPK信号中的PPK编码脉冲与跳时序列进行了耦合，其信号结构如图2所示。对比图1和图2，可以看出图2中的脉冲不再由PPK编码单独决定，而是由跳时序列和PPK脉冲编码耦合决定。
3、对于接收解调方法，公开号为CN102594400A，公开日为2012年7月18日的中国专利文献提出的方法是通过一路匹配滤波，再通过PPK解调完成信息的接收解调，而由式(6)可以看出，跳时PPK发射的脉冲信号宽度极窄，因而在进行PPK解调时需要极高的时间同步精度，对硬件要求较高，其系统框图如图3所示。本申请提案通过多路并行匹配滤波的方式，通过不同的匹配滤波器输出相关峰判决直接完成信息的接收解调，不再需要PPK解调的步骤，因而不需要极高的时间同步精度，便于硬件实现。其系统框图如图4所示。
4、相比于公开号为CN102594400A，公开日为2012年7月18日的中国专利文献中的跳时脉位键控信号波形设计方法，本提案的方法将跳时序列与PPK编码相耦合，使得同一用户不同符号之间也相互正交，接收解调除了需要知道跳时序列信息，还需要知道跳时序列与PPK编码的耦合方式，抗截获性能更优。
5、相比于公开号为CN102594400A，公开日为2012年7月18日的中国专利文献中提出的接收解调方法，本提案的方法采用并行匹配滤波，绕开了PPK解调步骤，在信号脉冲宽度极窄的情况下，不需要很高的时间同步精度即可完成接收解调，易于工程实现，有很好的实用价值。
附图说明
图1为背景技术中专利提出的跳时PPK信号结构图；
图2为本申请提出的改进型跳时PPK信号结构图；
图3为背景技术中专利提出的接收解调系统框图；
图4为本申请提出的并行匹配滤波接收解调系统框图；
图5为本申请提出的遥测方法的处理流程图例。
具体实施方式
下面结合说明书附图，对本发明的技术方案作出进一步详细的阐述。
实施例1
作为本申请一较佳实施例，参照说明书附图2和4，本实施例公开了：
一种改进型跳时脉冲位置键控遥测方法，其特征在于：通过跳时扩频技术实现PPK遥测体制多址通信，将跳时序列与PPK编码信号耦合在一起，即将跳时序列与PPK编码信号进行线性或非线性的数学运算，生成新的耦合信号；对于新生成的耦合信号，接收端通过并行匹配滤波的方式直接完成信息的接收解调，即根据耦合后出现的PPK符号数量设置多路匹配滤波器并行处理接收到的信号；接收到一个跳时PPK符号对应的信号时，将其并行送入所有的匹配滤波器，每一路匹配滤波器固定与一个跳时PPK符号对应，将有相关峰输出的一路判决为对应的符号即可恢复出信息。跳时序列与PPK编码信号耦合的耦合方式不唯一，只要通过运算得到的耦合信号仍然保持良好的相关性质即为好的耦合方式。
跳时序列与PPK编码信号耦合的耦合方式可以是，将跳时序列与PPK编码信号相乘，然后按PPK信号格式取模，具体可由下面的公式表示：
表示将跳时序列与PPK编码信号相互耦合，表示跳时序列，sppk表示PPK编码后的信号。
跳时序列与PPK编码信号耦合的耦合方式还可以是，将跳时序列与PPK编码信号的平方相乘，然后按PPK信号格式取模，具体可由下面的公式表示：
表示将跳时序列与PPK编码信号相互耦合，表示跳时序列，sppk表示PPK编码后的信号。
实施例2
作为本申请又一较佳实施例，参照说明书附图2和4，本实施例公开了：
一种改进型跳时脉冲位置键控遥测方法，其特征在于：通过跳时扩频技术实现PPK遥测体制多址通信，将跳时序列与PPK编码信号耦合在一起，即将跳时序列与PPK编码信号进行线性或非线性的数学运算，生成新的耦合信号；对于新生成的耦合信号，接收端通过并行匹配滤波的方式直接完成信息的接收解调，即根据耦合后出现的PPK符号数量设置多路匹配滤波器并行处理接收到的信号；接收到一个跳时PPK符号对应的信号时，将其并行送入所有的匹配滤波器，每一路匹配滤波器固定与一个跳时PPK符号对应，将有相关峰输出的一路判决为对应的符号即可恢复出信息。只有相对应的那一路匹配滤波器输出为幅度较大的相关峰，而其它的匹配滤波器因与信号正交，不会输出相关峰，将有相关峰输出的一路判决为对应的符号即可恢复出信息。匹配滤波器的数量与PPK信号可分配的时隙数q一致，每一路匹配滤波器都拥有一个独立的滤波系统，其系数由所选的的跳时序列、PPK信号以及耦合方式确定，共有q个相互独立且具有良好相关性质的滤波系数。
例如共有q路并行匹配滤波器，若收到的为代表“3”的跳时PPK信号，将其送入q路并行匹配滤波器后，只有与“3”对应的一路匹配滤波器会输出幅度较大的相关峰，而其余q-1路都不会输出相关峰，因此将信号判决为有相关峰输出的那一路代表的信号，即判决为“3”。
跳时序列与PPK编码信号耦合的耦合方式不唯一，只要通过运算得到的耦合信号仍然保持良好的相关性质即为好的耦合方式。合理的跳时序列与PPK编码的耦合方法首先要保证耦合后的信号仍然具有良好的相关性能，在此前提下可以根据实现的难易程度、保密性等不同应用情况灵活设计。例如需求实现简单的场景以及需求保密性好的场景可分别用下面两种不同的耦合方法。
上述两种方法都具有良好的相关性能，第一种耦合方法实现简单，第二种方法引入了较多的非线性运算，保密性能比第一种方法好。具体的应用场景有很多，耦合的方法也很多，只要能满足相关性能并适应应用场景的特殊性就都是合理的设计。
实施例3
如图5所示，是一个流程处理的实施图例，分为信源信号、跳时PPK信号、加高斯白噪声后的跳时PPK信号、对应符号“1”“2”“3”“4”的四路匹配滤波器以及判决输出8个部分。
图5中中第一部分信源信号；第二部分为将信源信号调制为跳时PPK信号，示例中Ns取10；第三部分为加高斯白噪声后的跳时PPK信号，信噪比设置为-10dB；第四至七部分分别为“1”“2”“3”“4”四个跳时PPK符号对应的匹配滤波器输出的相关峰；第八部分为判决输出的结果。图中信源依次发送了“2”“3”“4”三个数据，调制为跳时PPK信号并经过高斯信道后送入四路并行匹配滤波器，可以看出“2”“3”“4”路匹配滤波器依次输出了较高的相关峰，因此将结果依次判决为“2”“3”“4”，即得到了信源发送的数据，完成了接收解调。
实施例4
作为本申请又一较佳实施例，本实施例公开了：
本实施例提出的是一种改进的跳时脉冲位置键控遥测方法，通过改进跳时序列与PPK编码符号的结合方法，即将跳时序列与PPK编码信号进行耦合，设计了一种新的跳时脉冲位置键控波形，对应于这种新的信号波形，接收端通过并行匹配滤波的方法直接完成信息的接收解调，不再需要PPK解调这个步骤，降低了对时间同步精度的要求，便于硬件实现。
跳时序列与PPK编码信号耦合即将跳时序列与PPK编码信号进行线性或非线性的数学运算，生成新的耦合信号。其耦合方式不唯一，只要通过运算得到的耦合信号仍然保持良好的相关性质即为好的耦合方式。
例一：将跳时序列与PPK编码信号相乘，具体可由下面的公式表示
例二：将跳时序列与PPK编码信号的平方相乘，如下面的公式表示
上述两个例子在所有场景中适用，具体应用中选择何种耦合方式需要根据实现复杂度等因素选择，还可以设计更为复杂的耦合方式，只要耦合后的信号仍然保持良好的相关性质即可。
“并行匹配滤波的方法”具体是指根据耦合后可能出现的跳时PPK符号数量设置多路匹配滤波器并行处理接收到的信号，匹配滤波器的数量通常与PPK信号可分配的时隙数q一致，每一路匹配滤波器都拥有一个独立的滤波系数，其系数由所选定的跳时序列、PPK信号以及耦合方式确定，共有q个相互独立且具有良好相关性质的滤波系数。
以上述例一的耦合方式举例，其对应的滤波系数可由下面的公式生成
其中k取值为1到q，为第k路匹配滤波器对应的PPK信号，即共有q个独立的匹配滤波系数。将接收到的信号并行送入q路匹配滤波器，只有与当前跳时PPK符号对应的一路会输出相关峰从而恢复出收到的信息。
不同的匹配滤波器输出相关峰判决是指：接收到一个跳时PPK符号对应的信号时，将其并行送入所有的匹配滤波器，每一路匹配滤波器固定与一个跳时PPK符号对应，只有相对应的那一路匹配滤波器输出为幅度较大的相关峰，而其它的匹配滤波器因与信号正交，不会输出相关峰，将有相关峰输出的一路判决为对应的符号即可恢复出信息。例如共有q路并行匹配滤波器，若收到的为代表“3”的跳时PPK信号，将其送入q路并行匹配滤波器后，只有与“3”对应的一路匹配滤波器会输出幅度较大的相关峰，而其余q-1路都不会输出相关峰，因此将信号判决为有相关峰输出的那一路代表的信号，即判决为“3”。
本方案提出的跳时PPK信号波形可由下面的公式表示：
其中，p(t)表示脉冲波形，Tf表示脉冲重复周期，表示跳时序列，Tc表示跳时码片宽度，sppk表示PPK编码后的信号，表示将跳时序列与PPK编码信号相互耦合。而公开号为CN102594400A，公开日为2012年7月18日的中国专利文献中提出的跳时PPK信号波形可表示为下面的公式：
由公式(1)和公式(2)对比可以看出，本申请提案提出的改进型跳时PPK设计方法中的跳时序列与PPK编码信号不再相互独立，而是相互耦合在了一起，通过合理的设计跳时序列与PPK编码信号的耦合方法，确保不同用户之间拥有良好的汉明相关性能，同时，同一用户不同符号之间也相互正交，接收端不再需要PPK解调步骤，通过并行匹配滤波直接完成接收解调工作。
公开号为CN102594400A，公开日为2012年7月18日的中国专利文献提出的跳时PPK信号结构由图1表示。假设信息速率为Rb，M进制跳时PPK，即一个完整的跳时PPK符号携带M比特信息。假设M个比特持续时间为Ts，共发射Ns个脉冲，则将Ts均匀分为Ns份，每份时长为Tf；假设跳时序列长度为Nh，则将Tf均匀分为Nh个跳时码片，每个码片宽度为Tc；根据跳时序列选择跳时码片发送PPK编码脉冲，每个码片被分为2M份，每份长度为ΔT；在选定的时隙中发射一个脉冲，脉冲宽度为Δt，有Δt≤ΔT。前述时间有如下关系式：
Tf＝Nh·Tc (4)
Tc＝2M·△T (5)
由(3)(4)(5)联立可得，最终发射的跳时PPK脉冲宽度Δt有如下关系式：
上述专利中PPK编码脉冲与跳时序列相互独立，而本改进型申请提案提出的跳时PPK信号中的PPK编码脉冲与跳时序列进行了耦合，其信号结构如图2所示。对比图1和图2，可以看出图2中的脉冲不再由PPK编码单独决定，而是由跳时序列和PPK脉冲编码耦合决定。
对于接收解调方法，公开号为CN102594400A，公开日为2012年7月18日的中国专利文献提出的方法是通过一路匹配滤波，再通过PPK解调完成信息的接收解调，而由式(6)可以看出，跳时PPK发射的脉冲信号宽度极窄，因而在进行PPK解调时需要极高的时间同步精度，对硬件要求较高，其系统框图如图3所示。本申请提案通过多路并行匹配滤波的方式，通过不同的匹配滤波器输出相关峰判决直接完成信息的接收解调，不再需要PPK解调的步骤，因而不需要极高的时间同步精度，便于硬件实现。其系统框图如图4所示。

Claims (5)

1.一种改进型跳时脉冲位置键控遥测方法，其特征在于：通过跳时扩频技术实现PPK遥测体制多址通信，将跳时序列与PPK编码信号耦合在一起，即将跳时序列与PPK编码信号进行线性或非线性的数学运算，生成新的耦合信号；对于新生成的耦合信号，接收端通过并行匹配滤波的方式直接完成信息的接收解调，即根据耦合后出现的PPK符号数量设置多路匹配滤波器并行处理接收到的信号；接收到一个跳时PPK符号对应的信号时，将其并行送入所有的匹配滤波器，每一路匹配滤波器固定与一个跳时PPK符号对应，将有相关峰输出的一路判决为对应的符号即可恢复出信息。
2.如权利要求1所述的一种改进型跳时脉冲位置键控遥测方法，其特征在于：跳时序列与PPK编码信号耦合的耦合方式不唯一，只要通过运算得到的耦合信号仍然保持良好的相关性质即为好的耦合方式。
3.如权利要求1或2所述的一种改进型跳时脉冲位置键控遥测方法，其特征在于：跳时序列与PPK编码信号耦合的耦合方式是，将跳时序列与PPK编码信号相乘，具体可由下面的公式表示：
表示将跳时序列与PPK编码信号相互耦合，表示跳时序列，sppk表示PPK编码后的信号。
4.如权利要求1或2所述的一种改进型跳时脉冲位置键控遥测方法，其特征在于：跳时序列与PPK编码信号耦合的耦合方式是，将跳时序列与PPK编码信号的平方相乘，具体可由下面的公式表示：
表示将跳时序列与PPK编码信号相互耦合，表示跳时序列，sppk表示PPK编码后的信号。
5.如权利要求1所述的一种改进型跳时脉冲位置键控遥测方法，其特征在于：匹配滤波器的数量与PPK信号可分配的时隙数q一致，每一路匹配滤波器都拥有一个独立的滤波系统，其系数由所选的的跳时序列、PPK信号以及耦合方式确定，共有q个相互独立且具有良好相关性质的滤波系数。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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GR01 Patent grant
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