一種軟件定義的偽碼體制高度表信號(hào)收發(fā)處理機(jī)設(shè)計(jì)

楊蕓

（中國電子科技集團(tuán)公司第十研究所 四川省成都市 610000）

1 引言

無線電高度表可用于測量飛行器相對于地面的相對高程，是飛行器設(shè)備中的重要組成部分，廣泛應(yīng)用于航空、航天的各個(gè)領(lǐng)域。按照波形體制來區(qū)分，可分為偽碼體制、調(diào)頻連續(xù)波體制、脈沖體制三種。當(dāng)前無線電高度表研制工作對于復(fù)雜地形、飛機(jī)姿態(tài)變化下高程測量精度、連續(xù)性、可靠性和低截獲能力提出了很高的要求，為了應(yīng)對快速變化的工作環(huán)境及多變的功能性能需求，需要研制過程實(shí)現(xiàn)故障準(zhǔn)確定位、新能力快速驗(yàn)證和部署，而現(xiàn)有的無線電高度表研制流程不能滿足這一要求。

軟件無線電技術(shù)可極大的提高無線系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性、可重用性，可實(shí)現(xiàn)新技術(shù)的快速驗(yàn)證和部署，可滿足無線電高度表產(chǎn)品開發(fā)對靈活性、敏捷性的要求，在衛(wèi)星導(dǎo)航等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。軟件無線電由軟件定義的數(shù)字信號(hào)處理和軟件可配置的模擬射頻前端兩部分組成。在選定模擬射頻前端后，軟件定義的數(shù)字信號(hào)處理部分開發(fā)可分為兩個(gè)步驟：第一是在指定的采樣率、帶寬和環(huán)境下，個(gè)人電腦(PC)上開發(fā)、調(diào)試、優(yōu)化信號(hào)處理算法，使得程序調(diào)試、可視化更加容易實(shí)現(xiàn)，在這個(gè)階段，信號(hào)調(diào)制解調(diào)均在PC上進(jìn)行，為實(shí)驗(yàn)和測試新算法提供了巨大的靈活性。第二步是將上述高層級浮點(diǎn)算法在實(shí)際產(chǎn)品環(huán)境中進(jìn)行重新編程，需要考慮產(chǎn)品尺寸、重量、功耗和成本約束，當(dāng)板上硬件和嵌入式處理器被重新編程以實(shí)現(xiàn)專用通信和信號(hào)處理算法時(shí)，此時(shí)真正實(shí)現(xiàn)了軟件定義。論文將軟件無線電開發(fā)流程引入到無線電高度表開發(fā)過程中，論文主要關(guān)注軟件無線電開發(fā)的第一個(gè)步驟。

論文以偽碼體制高度表為例，提出了基于軟件無線電的高度表收發(fā)機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)波形仿真、回波模擬、高程測量，同時(shí)具備與軟件無線電平臺(tái)交互中頻信號(hào)的能力，在真實(shí)的射頻環(huán)境下對無線電高度表波形、測高算法的驗(yàn)證，從而實(shí)現(xiàn)無線電測高技術(shù)進(jìn)行快速迭代升級和驗(yàn)證。論文組織結(jié)構(gòu)如下：第一部分介紹了國內(nèi)外現(xiàn)狀和科學(xué)問題，第二節(jié)給出了軟件定義的偽碼體制高度表收發(fā)機(jī)的設(shè)計(jì)方案，第三節(jié)給出了無線電高度表回波模擬方法，第四節(jié)給出了信號(hào)處理和測高算法方案，第五節(jié)是仿真驗(yàn)證，第六節(jié)是結(jié)論。

2 收發(fā)處理機(jī)方案設(shè)計(jì)

基于軟件無線電的偽隨碼體制高度表收發(fā)機(jī)設(shè)計(jì)如圖1所示，信號(hào)收發(fā)機(jī)設(shè)計(jì)不必考慮天線處理和射頻收發(fā)器變頻過程，這是由于這部分一般由可配置的射頻前端硬件實(shí)現(xiàn)，仿真系統(tǒng)直接在中頻信號(hào)階段進(jìn)行波形仿真和數(shù)字處理，即完成軟件定義的收發(fā)信號(hào)處理機(jī)仿真，便于進(jìn)行波形體制研究和測高算法研發(fā)。除仿真外，軟件定義的信號(hào)收發(fā)處理機(jī)也具備與實(shí)際射頻前端硬件交互中頻信號(hào)的能力，具備在真實(shí)射頻環(huán)境下測試無線電高度表功能、性能的潛力。

圖1：軟件定義的偽碼體制高度表信號(hào)收發(fā)處理機(jī)

軟件定義無線電高度表收發(fā)處理機(jī)的處理流程如下：首先對偽隨碼體制高度表發(fā)射中頻信號(hào)進(jìn)行模擬，發(fā)射信號(hào)波形為偽隨機(jī)碼調(diào)制正弦載波；接著，根據(jù)信號(hào)發(fā)射功率、發(fā)射信號(hào)載波相位及偽碼相位、飛機(jī)高程數(shù)據(jù)、反射面特性等參數(shù)對接收中頻信號(hào)進(jìn)行仿真；在獲取中頻信號(hào)后，進(jìn)行信號(hào)捕獲處理，獲得載波頻率和偽隨碼相位的粗略估計(jì)，并用于初始化信號(hào)跟蹤環(huán)路，進(jìn)入信號(hào)跟蹤階段，完成對接收信號(hào)載波相位、頻率和偽碼相位的精細(xì)估計(jì)；隨后，根據(jù)收發(fā)信號(hào)的偽碼相位差，可獲得信號(hào)從發(fā)射到接收的時(shí)間延遲，經(jīng)過數(shù)學(xué)運(yùn)算后即可獲得對地高程。將高程測量功能給出的對地高程與預(yù)先設(shè)定的高程進(jìn)行比較，即可獲得測高誤差，用于對算法測量精度進(jìn)行評估。

3 回波信號(hào)仿真

3.1 發(fā)射波形模擬

偽碼體制高度表波形為偽隨機(jī)序列調(diào)制載波，其信號(hào)波形的數(shù)學(xué)表達(dá)式y(tǒng)(t)為：

其中，A代表信號(hào)幅度，x(·)代表頻率為f、碼長為L的偽隨機(jī)碼，f代表模擬中頻頻率，t代表時(shí)間，φ代表載波初相。其中，信號(hào)幅度A與發(fā)射功率P之間的關(guān)系為：

3.2 回波參數(shù)模擬

發(fā)射信號(hào)在經(jīng)過空間傳播、地面發(fā)射后，被高度表功能接收鏈路接收，信號(hào)幅度會(huì)發(fā)生衰減，信號(hào)中會(huì)額外引入噪聲項(xiàng)，載波相位和偽碼相位會(huì)發(fā)生延遲。綜合考慮以上幾方面因素，可得無線電高度表接收信號(hào)波形y(t)為：

其中，A代表接收信號(hào)幅度，τ代表信號(hào)傳輸延遲，n(·)代表接收機(jī)熱噪聲?；夭ㄐ盘?hào)模擬核心在于確定τ、A、n(t)的計(jì)算方法。假定t時(shí)刻對地高程為H(t)，光速為c，則信號(hào)傳輸延遲τ為：

回波信號(hào)衰減L的估算方法為：

其中，G代表天線增益，λ為載波波長，σ(0)代表反射面雷達(dá)截面積，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，工作在C波段無線電高度表的σ(0)推薦值為-20dB。接收信號(hào)功率P為：

則接收信號(hào)幅度為：

熱噪聲主要是由接收機(jī)背景噪聲引起，其功率P計(jì)算方法為：

其中，k為玻爾茲曼常數(shù)，取值為1.38×10J/K，T代表環(huán)境溫度，單位是開爾文，可選擇為290K，B為中頻濾波器帶寬。將熱噪聲建模為高斯白噪聲，根據(jù)噪聲功率P值即可完成對n(t)的模擬。

4 回波接收處理

4.1 信號(hào)捕獲

信號(hào)捕獲的主要目的是為了獲取接收信號(hào)的偽碼相位及載波多普勒的粗略估計(jì)值，手段是將本地信號(hào)與接收信號(hào)進(jìn)行基帶相關(guān)運(yùn)算，采用開環(huán)搜索的形式實(shí)現(xiàn)。論文擬采用并行碼相位信號(hào)捕獲方法，對載波頻率進(jìn)行順序搜索、偽碼頻率進(jìn)行并行搜索，其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，首先將接收中頻信號(hào)與本地同相(i)、正交載波(q)進(jìn)行混頻，得到信號(hào)的同相(I)、正交(Q)成分，二者組成復(fù)數(shù)正交信號(hào)并進(jìn)行傅里葉變換；然后本地偽碼發(fā)生器產(chǎn)生本地偽隨機(jī)碼序列，并對偽碼序列進(jìn)行傅里葉變換，對變換結(jié)果取復(fù)共軛；接著對上述兩個(gè)傅里葉變換結(jié)果進(jìn)行相乘，并求其傅里葉變換，傅里葉逆變換結(jié)果模值的平方即是基帶相關(guān)結(jié)果，將其與門限進(jìn)行比較即可判斷是否捕獲到信號(hào)。

圖2：并行碼相位捕獲方法原理圖

4.2 信號(hào)跟蹤

信號(hào)跟蹤的主要目的是為了獲取接收信號(hào)的偽碼相位及載波多普勒的精確估計(jì)值，手段是采用基于反饋控制系統(tǒng)的載波和碼跟蹤環(huán)路，載波環(huán)采用鎖頻環(huán)輔助鎖相位環(huán)（FLLassisted-PLL），偽碼環(huán)采用延遲鎖定環(huán)（DLL），二者具類似的結(jié)構(gòu)，差異在于鑒別器類型、環(huán)路參數(shù)不同。首先輸入中頻信號(hào)與本地i、q載波進(jìn)行混頻，得到基帶信號(hào)I、Q成分，然后I、Q信號(hào)分別于本地超前I、及時(shí)(P)、滯后碼(L)進(jìn)行基帶相關(guān)器運(yùn)算，E、P、L碼之間碼相位依次滯后d/2碼片，d為前后相關(guān)器間距，從而得到同相超前(I)、同相及時(shí)(I)、同相滯后(I)、正交超前(Q)、正交及時(shí)(Q)、正交滯后(Q)六路相關(guān)值。在FLL-assisted-PLL而言，載波鑒頻器和鑒相器根據(jù)I、Q可計(jì)算出本地載波和接收載波的相位和頻率誤差，送入載波環(huán)路濾波器，載波環(huán)濾波器據(jù)此計(jì)算本地載波頻率調(diào)整量，盡量消除載波跟蹤誤差，使接收載波和本地載波頻率和相位保持一致。同理，偽碼環(huán)利用相似的原理消除本地碼和接收碼頻率及相位差，實(shí)現(xiàn)對碼相位和頻率的跟蹤。當(dāng)信號(hào)跟蹤環(huán)路進(jìn)入鎖定狀態(tài)時(shí)，跟蹤誤差近似為0，此時(shí)本地生成的載波、偽碼參數(shù)可視作對接收載波、偽隨碼參數(shù)的估計(jì)值。

信號(hào)跟蹤環(huán)路結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3：信號(hào)跟蹤環(huán)路結(jié)構(gòu)圖

4.3 測高處理

其中，rem(z, z)代表取z÷z的余數(shù)。

5 仿真結(jié)果

5.1 仿真配置

仿真系統(tǒng)搭建完成后，對偽碼體制高度表收發(fā)處理過程進(jìn)行仿真，其信號(hào)參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1：信號(hào)仿真參數(shù)

對飛行高程進(jìn)行模擬，假設(shè)初始對地高程為8000m，并以5m/s的高程變化率連續(xù)運(yùn)行20s，研究在存在一定動(dòng)態(tài)的情況下偽碼體制高度表功能及性能。對地高程變化如圖4所示。

圖4：高程數(shù)據(jù)仿真

5.2 信號(hào)處理結(jié)果

對偽碼體制高度表接收鏈路的信號(hào)進(jìn)行捕獲和跟蹤處理，獲得載波多普勒、碼相位等信號(hào)參數(shù)。信號(hào)捕獲、跟蹤的參數(shù)配置如表2所示。

表2：信號(hào)處理參數(shù)配置

圖5展示了信號(hào)捕獲結(jié)果，多普勒頻率數(shù)軸和碼相位數(shù)軸構(gòu)成了不同信號(hào)參數(shù)組合，相關(guān)值數(shù)軸則代表不同參數(shù)的本地信號(hào)與接收信號(hào)進(jìn)行相關(guān)器處理后的結(jié)果，當(dāng)本地信號(hào)參數(shù)與接收信號(hào)參數(shù)對齊時(shí)出現(xiàn)了相關(guān)峰，相關(guān)峰對應(yīng)的本地信號(hào)參數(shù)即是對接受信號(hào)參數(shù)的粗略估計(jì)，并可用于后續(xù)初始化跟蹤環(huán)路。

圖5：信號(hào)捕獲結(jié)果

圖6展示了信號(hào)跟蹤的結(jié)果，包含載波環(huán)和碼環(huán)，其中環(huán)路更新周期為1ms，總共處理20s數(shù)據(jù)，因此共有20000個(gè)歷元。從基帶相關(guān)值、頻率控制字、跟蹤誤差變化可知，在獲取粗略的捕獲結(jié)果后，跟蹤環(huán)路通過調(diào)整本地信號(hào)頻率，使本地信號(hào)相位與接收信號(hào)相位對齊，使載波和碼跟蹤誤差均在0附近波動(dòng)，代表環(huán)路完成了對接收信號(hào)的跟蹤。

圖6：信號(hào)跟蹤結(jié)果

在完成信號(hào)跟蹤后，利用4.3節(jié)的算法計(jì)算對地高程，并將無線電高度表測量的高程和預(yù)設(shè)的高程進(jìn)行對比，即可獲得測高誤差。圖7展示了高程測量誤差結(jié)果，由圖可知，測高誤差在0附近波動(dòng)，波動(dòng)呈現(xiàn)噪聲特性，從而驗(yàn)證了偽碼體制高度表收發(fā)機(jī)信號(hào)處理及測高算法的正確性。若在測高算法中運(yùn)用濾波的手段進(jìn)行處理，則可進(jìn)一步提升測量精度。

圖7：高程測量誤差

6 結(jié)論

6.1 總結(jié)

論文研究工作總結(jié)如下：

（1）提出了軟件定義的偽碼體制無線電高度表收發(fā)機(jī)方案，將軟件無線電設(shè)計(jì)流程引入無線電高度表開發(fā)中，在PC上完成測高算法研制，既可以根據(jù)仿真參數(shù)完成完整的波形發(fā)生、回波模擬以及信號(hào)接收處理流程，也具備與實(shí)際軟件無線電平臺(tái)進(jìn)行交互的能力，具備在真實(shí)射頻環(huán)境下驗(yàn)證算法功能性能的潛力，同時(shí)保證了設(shè)計(jì)靈活性、敏捷性。

（2）給出了偽碼體制無線電高度表波形發(fā)生、回波模擬、信號(hào)捕獲和跟蹤處理方法，其中回波模擬的思路可推廣至其他體制的無線電高度表，通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了波形發(fā)生、回波模擬、信號(hào)處理三個(gè)環(huán)節(jié)的有效性。

論文研究工作可為無線電高度表研制工作提供有益的參考。

6.2 展望

未來將在以下幾方面開展工作：

（1）完善回波模擬方法，考慮到飛行姿態(tài)、天線方向圖、實(shí)際地形（如：多路徑、地面雜波、多反射點(diǎn)）等因素影響，模擬實(shí)際環(huán)境下無線電高度表回波信號(hào)；

（2）開展軟件定義調(diào)頻連續(xù)波、脈沖體制無線電高度表收發(fā)機(jī)設(shè)計(jì)工作，便于在各種場景下比較不同體制高度表性能差異，指導(dǎo)體制選擇、體制創(chuàng)新設(shè)計(jì)、測高算法創(chuàng)新設(shè)計(jì)；

（3）開展軟件定義偽碼體制無線電高度表收發(fā)機(jī)與實(shí)際軟件無線電平臺(tái)交互的工作，在真實(shí)射頻環(huán)境下測試各種體制高度表性能。