CN114024571A - 一种基于双频脉冲压缩的弹载无线通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线通信领域，具体涉及一种基于双频脉冲压缩的弹载无线通信方法，可广泛用于智能弹药的弹载控制系统中。本发明采用对多普勒不敏感的线性调频信号作为基本的传输波形，消除高速移动带来的影响，通过多重编码组合、脉冲压缩和频率分集提高信号检测能力和抗干扰能力。

Description

一种基于双频脉冲压缩的弹载无线通信方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域，具体涉及一种基于双频脉冲压缩的弹载无线通信方法，可广泛用于智能弹药的弹载控制系统中。

背景技术

为了适应信息化战争需要，弹药的智能化已成为武器装备信息化的重要组成部分。

智能弹药泛指采用精确制导系统，已弹体作为运载平台，通过高新技术的应用，能够实现态势感知、电子对抗、战场侦察、精确打击、高效毁伤和毁伤评估等功能的灵巧话、制导化、智能化、微型化弹药，具有模块结构、远程作战、智能控制、精确打击等突出特点，例如，制导炮弹、弹道修正弹、视频成像侦察弹等。在智能弹药领域，一般采用无线通信作为弹载控制系统与地面控制系统进行数据传输，对传输的稳定性与可靠性要求非常高。

弹载无线通信系统具有移动速度快的特点，例如，一般的弹道修正弹最快速度可到600m/s以上，而由于速度引起的多普勒频移，会对传统无线通信带来很大的损失。

中国发明专利《一种高速移动环境中实现信号收发的方法和直放站》(申请号：CN201010589636)、《雷达探测与微波通信功能一体化方法》(申请号：CN201010151692)、《高速移动场景下的无线收发方法及设备》(申请号：CN200810043830)、《移动体的通信方法》(申请号：CN200510064371)等给出的高速移动环境下的通信方法，其核心技术是采用了在接收端或发射端进行多普勒补偿，通过多通道或数据重发的方式，实现正确的数据传输。上述方法，一般需要对多普勒频移进行较精确估值，实现起来较为复杂，不适合微型化的弹载设备实现，另外，这些方法主要针对高速运行的汽车或其他列车，并不完全适用于速度高达2倍音速的弹载设备。

为此，本发明将针对高速移动的弹载系统提出一种新的无线通信方法。

发明内容

本发明提供一种基于双频脉冲压缩的弹载无线通信方法，解决高速移动弹载系统的无线通信问题。本发明采用对多普勒不敏感的线性调频信号作为基本的传输波形，消除高速移动带来的影响，通过多重编码组合、脉冲压缩和频率分集提高信号检测能力和抗干扰能力。

本发明的技术方案是：一种基于双频脉冲压缩的弹载无线通信方法，其特征在于：包括下述步骤：

步骤一、多重组合编码：多重组合编码在一个传输帧时间内将待传输信息按规则进行组合，一个整帧传输一组有效信息数据，每个整帧包含了多个含有重复信息的子帧组合，每个子帧由帧头、信息数据、整帧识别码、校验码，组合编号顺序为：

(0)整帧起始：

(1)第1子帧

子帧帧头(2字节)，二进制表示为：[10101100 11111000]

信息数据(8/16/32字节)

整帧识别码(2字节)

子帧校验(2字节)；

(2)第2子帧

.....

(n)第n子帧

(n+1)整帧帧尾；

本步骤中整帧识别码为单个字节，共四种编码，分别为[1111 1111]、[00000000]、[0101 0101]、[1010 1010]，每个整帧中所有子帧均为同一种编码，整帧之间按照顺序依次选用这四种编码；

本步骤中子帧校验码为两字节，采用双重校验形式，第1个字节为和校验，是信息数据与整帧识别码的累加和结果，第2字节为异或校验，是信息数据与整帧识别码，逐个异或的结果；

步骤二、0/1双频调制波形产生：完成第一步编码之后，产生了0/1码元，码元对应时间为T；对码元进行调试，不同码元采用不同的调试方式，产生频率间隔的双频线性调频的正交调制波形；

步骤三、0/1码元频道解析；

步骤四、脉冲压缩与码元检测

步骤五、多重组合解码：在‘1’串行码元、‘0’串行码元中，分别采用相位匹配方式，寻找帧头，确认数据起始位置；从起始位置开始每8个码元组成一个数值，完成‘1’串行码元、‘0’串行码元为并行数值后，获取信息数据、整帧识别码和子帧校验码；

将信息数据与整帧识别码的累加和结果与子帧校验码的第1个字节比对，将信息数据与整帧识别码逐个异或的结果与子帧校验码的第2字节比对，当两次比对均相同时，判定校验正确；整帧识别码为四个编码中的一个且与上一个识别码不同时，判定识别码正确且当前信息帧为新接收的信息帧；

当子帧校验正确以及整帧识别码正确，输出当前帧数据，同时终止对后续子帧的解码，每个整帧仅输出一组数据，作为各码元通道的解码数据，同时输出一个数据有效脉冲；

步骤七、双频融合输出。

本发明的有益效果是：采用对多普勒不敏感的线性调频信号作为基本的传输波形，消除高速移动带来的影响，多重组合编码、脉冲压缩和频率分集提高信号检测能力和抗干扰能力，提升传输的可靠性。

附图说明

图1匹配滤波对应的框图。

图2码元检测图。

图3发射端流程图。

图4接收端流程图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明进一步说明。

如图1至图4所示，本发明的一种基于双频脉冲压缩的弹载无线通信方法，包括下述步骤：

步骤一、多重组合编码

弹载设备在进行无线传输之前，采用有线传输连接，进行设备初始参数的装订，同时装订无线通信相关参数，约定通信信道、信息帧周期、无线传输起始时刻等。

多重组合编码在一个传输帧时间内将待传输信息按一定的规则进行组合，一个整帧传输一组有效信息数据，每个整帧包含了多个含有重复信息的子帧组合，每个子帧由帧头、信息数据、整帧识别码、校验码等组成。

组合编号顺序为：

(0)整帧起始：

(1)第1子帧

子帧帧头(2字节)，二进制表示为：[10101100 11111000]

信息数据(8/16/32字节)

整帧识别码(2字节)

子帧校验(2字节)。

(2)第2子帧

.....

(n)第n子帧

(n+1)整帧帧尾

整帧帧尾(4字节)，二进制[00000000 11111111 11111111 00000000]。

本发明中，一个整帧中第1子帧、第2子帧直到最后一个第N子帧内容相容，N的取值根据发射内容的重要性确认，如非常重要的内容，则可发送8至10次。

接收解析时，子帧校验正确以及整帧识别码正确，则输出当前帧数据，同时终止对后续子帧的解码，每个整帧仅输出一组数据，作为各码元通道的解码数据，同时输出一个数据有效脉冲。

整帧识别码为单个字节，共四种编码，分别为[1111 1111]、[00000000]、[01010101]、[1010 1010]，每个整帧中所有子帧均为同一种编码，整帧之间按照顺序依次选用这四种编码。整帧识别码用于区分两个整帧，确定子帧实际传输的是哪一组信息数据，只有当整帧识别码发生变化时，才判定其对应的子帧内数据内容为新的数据。

子帧校验码为两字节，采用双重校验形式，第1个字节为和校验，是信息数据与整帧识别码的累加和结果，第2字节为异或校验，是信息数据与整帧识别码，逐个异或的结果。

步骤二、0/1双频调制波形产生

完成第一步编码之后，产生了0/1码元，码元对应时间为T。对码元进行调试，不同码元采用不同的调试方式，产生有一定频率间隔的双频线性调频的正交调制波形。

‘0’码元对应的调制波形为：s₀＝exp(j·(2πf_c0·t+π·u·t²))。

‘1’码元对应的调制波形为：s₁＝exp(j·(2πf_c1·t+π·u·t²))。

其中f_c0、f_c1对应不同的中心频率，f_c0、f_c1优选全带宽内相隔最远的两个频率，在外部有源干扰或多径干扰的情况下，即使某一段频率被干扰，另外一个频率被干扰的可能性更小，u为调制斜率、t为时间，s₀,s₁为复数，j为虚数符号。

例如，当输出00101...时，依次产生波形s₀,s₀,s₁,s₀,s₁...

双频调制波形经过正交DA、上变频和放大之后，生产射频信号经过天线发射，如图3所示。

本发明采用的双频线性调频调制波形，利用不受多普勒频移影响的线性调频信号最为基础波形，无明显相位失真，可以保证解调信号获得足够的扩频得益。采用不同载频的0/1码元，可以在保证任意时刻均为最大输出功率的同时，利用频率分集特性，提高对多径干扰的抑制能力。

步骤三、0/1码元频道解析

可以覆盖载频带宽的宽带模拟接收通道，接收包含有双频信息的调制信号。

然后通过数字混频和数字下变频，分离处理各自的通道信号，通道1和通道2的基频信号。

步骤四、脉冲压缩与码元检测

如图1所示，对两个频率通道上信号分别采用进行FIR滤波器进行相参匹配滤波，滤波公式为：

式中，u为调频斜率，i为滤波系数编号，1、2、。。N，Ts为基带数据采样时间周期。

复数匹配滤波之后，进行取模值和取对数运算，即可完成脉冲压缩，将具有一定时宽的线性调频信号(信号s0/s1)压缩至信号幅度增强的窄脉冲信号x，信号滤波前时宽为T，滤波器后时宽为Ts。本发明中采用线性调频信号作为码元调试波形，在保证扩频得益的同时，也可以解决超高速移动产生的多普勒频移引起的信号失真，简化波形解调过程，同时，来自外部的单脉冲干扰信号，经过匹配滤波之后，将被转换为宽脉冲输出，结合后续过门限检测方案，将被有效抑制。

信号过门限检测在全数据段逐个进行，窄脉冲信号检测过程如图2所示，待检测信号为x(n)，首先对其左侧第3个至第3+m个，共m个数据取平均即为Ul(n),同时右侧对应位置的m个数据取平均为Ur(n),对左右两个信号做选大操作，做为待检数据x(n)的背景数据B(n)，待检数据x(n)减去背景数据B(n)之后，得到待检数据的相对强度数据xr(n),该数据进入判决器，与预置的判决门限Hold进行比较，当xr不小于Hold时，判定为‘1’，否则判定为’0’,并输出由‘0’/‘1’组成的过门限序列Xb，数据率为Ts，作为码元检测的输入。

对于高速移动弹药，调制波形的线性调频信号会因为弹药的高速移动，再产生一定的多普勒频率偏移，该信号经过脉冲压缩之后，但是相对于静止状态下的信号，整体形状和信噪比不会发生明显变化，但是在时间上会有一定的偏移，所以接收端相对于发生端码元结束时刻会有一定的差别，结合本例中3.5GHz的射频载频，对于1000m/s以内的移动弹药，时间偏差不会超过2个Ts时间。

在每个码元周期时间T的结束时刻前后2个Ts时间内，对Xb序列中连续的5个信号进行检测，在1码元通道中，当Xb中5个信号中有一个信号为‘1’时，则当前码元为‘1’，当Xb中5个信号全部为’0’时，则当前码元为’0’，产生‘1’串行码元序列；在0码元通道中，当Xb中5个信号中有一个信号为‘1’时，则当前码元为‘0’，当Xb中5个信号全部为’0’时，则当前码元为‘1’，产生‘0’串行码元序列。

本发明中的检测方法，在脉冲压缩后的窄脉冲信号中，只有具备一定幅度的单个窄脉冲信号，才会过门限，输出‘1’，并在指定的检测时刻输出对应的码元，该方法可以有效抑制来自外部的宽带噪声和单脉冲干扰。

步骤五、多重组合解码

(1)在‘1’串行码元、‘0’串行码元中，分别采用相位匹配方式，寻找帧头，确认数据起始位置；

(2)从起始位置开始每8个码元组成一个数值，完成‘1’串行码元、‘0’串行码元为并行数值后，获取信息数据、整帧识别码和子帧校验码；

(4)将信息数据与整帧识别码的累加和结果与子帧校验码的第1个字节比对，将信息数据与整帧识别码逐个异或的结果与子帧校验码的第2字节比对，当两次比对均相同时，判定校验正确。另外，整帧识别码为四个编码中的一个且与上一个识别码不同时，判定识别码正确且当前信息帧为新接收的信息帧。当子帧校验正确以及整帧识别码正确，输出当前帧数据，同时终止对后续子帧的解码，每个整帧仅输出一组数据，作为各码元通道的解码数据，同时输出一个数据有效脉冲。

步骤七、双频融合输出

双频通道之间采用先到先用的原则，在一个整帧时间片内，当检测到某个码元通道产生有效脉冲时，即将当前通道对应的数据作为最终的有效数据，同时关闭对另一个通道有效脉冲的检测。

本发明对于1000m/s以内的高速移动弹药，每帧信息16字节，传输时间间隔40ms时，采用10次子帧，码元时间80us，双通道频率间隔20MHz以上，在2km以内的超低空传输路径中，传输误码率低于万分之一。

Claims (7)

1.一种基于双频脉冲压缩的弹载无线通信方法，其特征在于：包括下述步骤：

步骤一、多重组合编码：多重组合编码在一个传输帧时间内将待传输信息按规则进行组合，一个整帧传输一组有效信息数据，每个整帧包含了多个含有重复信息的子帧组合，每个子帧由帧头、信息数据、整帧识别码、校验码，组合编号顺序为：

(0)整帧起始：

(1)第1子帧

子帧帧头(2字节)，二进制表示为：[10101100 11111000]

信息数据(8/16/32字节)

整帧识别码(2字节)

子帧校验(2字节)；

(2)第2子帧

.....

(n)第n子帧

(n+1)整帧帧尾；

本步骤中整帧识别码为单个字节，共四种编码，分别为[1111 1111]、[0000 0000]、[0101 0101]、[1010 1010]，每个整帧中所有子帧均为同一种编码，整帧之间按照顺序依次选用这四种编码；

本步骤中子帧校验码为两字节，采用双重校验形式，第1个字节为和校验，是信息数据与整帧识别码的累加和结果，第2字节为异或校验，是信息数据与整帧识别码，逐个异或的结果；

步骤二、0/1双频调制波形产生：完成第一步编码之后，产生了0/1码元，码元对应时间为T；对码元进行调试，不同码元采用不同的调试方式，产生频率间隔的双频线性调频的正交调制波形；

步骤三、0/1码元频道解析；

步骤四、脉冲压缩与码元检测

步骤五、多重组合解码：在‘1’串行码元、‘0’串行码元中，分别采用相位匹配方式，寻找帧头，确认数据起始位置；从起始位置开始每8个码元组成一个数值，完成‘1’串行码元、‘0’串行码元为并行数值后，获取信息数据、整帧识别码和子帧校验码；

将信息数据与整帧识别码的累加和结果与子帧校验码的第1个字节比对，将信息数据与整帧识别码逐个异或的结果与子帧校验码的第2字节比对，当两次比对均相同时，判定校验正确；整帧识别码为四个编码中的一个且与上一个识别码不同时，判定识别码正确且当前信息帧为新接收的信息帧；

当子帧校验正确以及整帧识别码正确，输出当前帧数据，同时终止对后续子帧的解码，每个整帧仅输出一组数据，作为各码元通道的解码数据，同时输出一个数据有效脉冲；

步骤七、双频融合输出。

2.根据权利要求1所述的一种基于双频脉冲压缩的弹载无线通信方法，其特征在于：弹载设备在进行无线传输之前，采用有线传输连接，进行设备初始参数的装订，装订无线通信相关参数，约定通信信道、信息帧周期、无线传输起始时刻。

3.根据权利要求1所述的一种基于双频脉冲压缩的弹载无线通信方法，其特征在于：每个整帧包含8至10个重复信息的子帧组合。

4.根据权利要求1所述的一种基于双频脉冲压缩的弹载无线通信方法，其特征在于：整帧帧尾为4字节，其二进制为00000000 11111111 11111111 00000000。

5.根据权利要求1所述的一种基于双频脉冲压缩的弹载无线通信方法，其特征在于：步骤二中，‘0’码元对应的调制波形为：s₀＝exp(j·(2πf_c0·t+π·u·t²))；‘1’码元对应的调制波形为：s₁＝exp(j·(2πf_c1·t+π·u·t²))；其中f_c0、f_c1对应不同的中心频率，u为调制斜率、t为时间。

6.根据权利要求1所述的一种基于双频脉冲压缩的弹载无线通信方法，其特征在于：脉冲压缩与码元检测的具体步骤为：对两个频率通道上信号分别采用进行FIR滤波器进行相参匹配滤波，滤波公式为：

式中，u为调频斜率，i为1、2……N，Ts为基带数据采样时间周期；复数匹配滤波之后，进行取模值和取对数运算；

对待检测信号x(n)其左侧第3个至第3+m个，共m个数据取平均即为Ul(n),同时右侧对应位置的m个数据取平均为Ur(n),对左右两个信号做选大操作，做为待检数据x(n)的背景数据B(n)，待检数据x(n)减去背景数据B(n)之后，得到待检数据的相对强度数据xr(n),该数据进入判决器，与预置的判决门限Hold进行比较，当xr不小于Hold时，判定为‘1’，否则判定为’0’,并输出由‘0’/‘1’组成的过门限序列Xb，数据率为Ts，作为码元检测的输入；

在每个码元周期时间T的结束时刻前后2个Ts时间内，对Xb序列中连续的5个信号进行检测，在1码元通道中，当Xb中5个信号中有一个信号为‘1’时，则当前码元为‘1’，当Xb中5个信号全部为’0’时，则当前码元为’0’，产生‘1’串行码元序列；在0码元通道中，当Xb中5个信号中有一个信号为‘1’时，则当前码元为‘0’，当Xb中5个信号全部为’0’时，则当前码元为‘1’，产生‘0’串行码元序列。

7.根据权利要求1所述的一种基于双频脉冲压缩的弹载无线通信方法，其特征在于：步骤七双频融合输出的具体过程为：双频通道之间采用先到先用的原则，在一个整帧时间片内，当检测到某个码元通道产生有效脉冲时，即将当前通道对应的数据作为最终的有效数据，同时关闭对另一个通道有效脉冲的检测。

Images