基于相控阵天基测控通信的新颖通道幅相校正算法

合集下载
相关主题
  1. 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
  2. 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
  3. 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。

基于相控阵天基测控通信的新颖通道幅相校正算法

赵奕 杨艳秋 王宗 重庆市公安局

摘要:针对相控阵天基测控通信卫星天线□径尺寸、转发器功率受限等特点,提出了一种基于PN 编码和无数据调制

BPSK 的校正算法。同时,结合多周期相干积累,在低信噪比下保证通道幅相校正精度。从仿真试验可以看出, 该方法具有低截获、抗阻塞干扰等特点。

关键词:相控阵技术天趣信校准艶删器BPSK 校正

引言

现代通信技术的快速发展,对警务工作提出了新的技

术要求,也是新时期警务通信接入业务的需求。因此,相控 阵测控技术逐渐成为警务、军事等通信系统中的一个研究热

点。目前在警用无人侦查机上已经得到广泛使用,相信在不

久的将来必将更广泛地应用到其他警务通信行业中。通道幅 相校正技术是相控阵天基测控通信的关键技术之一,其成功

与否将直接影响相控阵天线的波束形成质量和波束指向精

度,直接关系到中继卫星与航天飞行器之间通信链路的建 立。通常,雷达相控阵系统通过高信噪声比(约20dB~ 30dB)来保证通道幅相校正精度:幅度校正精度W0.8dB

(rms),相位校正精度w 3° (rms),但对于相控阵天基

测控通信系统既要求应信号具有低截获、抗阻塞干扰的特 点,又受到卫星天线口径尺寸、转发器功率受限的局限,使

得校正信号信噪比低(约-10dB ~-6dB ),因此点频连续

波校正技术不适合相控阵天基测控通信。

鉴于此,本文提出了一种基于PN 编码+无数据调制

BPSK 校正的算法,并结合多周期相干积累在-10dB~-6dB

信噪比下,保证通道幅相校正精度:幅度校正精度WO.2dB

(rms ),相位校正精度w 1.50 (rms ) o

_、系统模型

相控阵天基测控通信校正模型如下:

图1相控阵天基测控通信校正模型

前向/返向链路校正时,校正天线接收/发射校正信

号,校准数据处理器CDPE ( Calibration Data Process

Equiment )进行前向/返向链路各通道幅相差估计,并将估

波束控制单元进行前向/返向波束权系数修正。

前向/返向校正信号采用PN 码(m 序列)+无数据调制 BPSK 信号形式,即:

S 0(t)=A - c°(t) • COS[a>«+0o ]

其中&为校正信号幅度,0。为频综相差,c°(t)为PN 编码 序列,取值为诫者-1。

下面针对返向链路做具体数学分析。校正信号经校正

天线发射后到达相控阵(Mounted on TDRS )各阵列单元

的时间会有不同。假设到达第丘个天线单元时延为%第

匕个天线单元接收到的信号为:

Ek(t)=A 0 • Co"-%) • cos[a )(t-80J[)+e 0]+n t (0设两个相距最远单元之间的波程差为:

Oiff.wrMAX^-^, ij=0,1,…,30

2ns,

对于PN 码片宽度而言可忽略不计),对应造成的空间相差

札*是[02可内任意值,从而上式可改写为:

EQ=& - C 0(t-80J ) •

*

=1,…,30n(f )

噪声之和,两者皆为平稳的高斯随机过程。

校正信号被接收后经FDM 合成、放大、变频后由Ka 频 段天线传发回地面,地面变频后经FDM 分离还原为30路通 道信号送至CDPE O 在经过了如此长的链路传输后,信号

被附加了时延、幅度以及相位失真。CDPE 输入端第k 个通

道的校正信号为:

cos[a )ff i+60+<|>0ii +i|jJts/G7 - n'(t)

其中3”为接收中频频率,G/”屮*表示第k 个天线单元

32懂察覘3 2019年第5

引入的通道增益、时延以及相移。"'(『)是一个带限高斯白噪声,可表示为:

";(t)="uWcos(3M+屮 *)-"*,0(/)sin(3/+屮*)其中%和%冷)为功率相等且彼此独立的基带高斯白噪声。

从理论上讲,只要估计出通道增益G”、通道相偏屮”并根据G*和屮

*对波束形成权矢量作出修正,就能保证波束形颇量和波束指向。

当不同通道间&差比较大(如相当PN码片宽度”8以上)时,通道幅相校正前需进行通道时延估计和时延均衡,消除通道间时延不一致对幅相估计精度的影响。

二、通道幅度和相位检测算法

与常规通道幅相估计算法相比,本算法有两点显著优势:(1)幅相估计前先进行PN码捕获,捕获后再启动通道幅相估计;(2)通道幅相估计算法的处理对象是I、Q支路PN码相关峰值,不是接收信号本身。根据校正信号形式,本算法可以从两方面获得信噪比改善:(1)PN码相关得益;(2)由于无数据调制,对应接收端PN码相关峰无极性变化,这样通道幅相估计时可以利用多周期相干积累来改善信噪比。丘时刻随机过程的取值,加e和畑|0为高斯随机变量,且相互独立。

^,[>,a|6]=j/7Af-COS0=>»O-COS0

E\y ai\Q}=Js M-sinO=yO-sin0

D[y a\Q]=D\y et\Q]=MBn0=a

其中皿B

Y e)为一个二维随机变量,其联合概率密度为:

1

%,y/o)=•

■1

exp--------[%-%cose)2+(y es.-y0sme)2]

应用求随机变量函数分布的方法,直角坐标映射到极坐标,得到{A,的二维分布:

/如=(%%©)=□-力临(血"諒6)=

iZ~'

—-exp-------r-[a/tVo'^^cosCe-vO]

2ita2o一

偽M0,—7T<

(-)幅度检测值A的边缘分布伽)

匹配滤波器输出已获得扩频增益,再结合多周期相干积累,可以认为检测变量破①是在大信噪比条件下进行。

图2通道幅度和相位检测算法结构此时幅度值4的一维概率密度近似于高斯分布:

N2710

根据3口规则,随机变量取值区间为必±36误差为±3cj=±3血顾,归一化并取对数后得:

通道幅度和相位的检测变量分别为:

^Error{db^lOlOglQ

开+3

%

①(Q=arctan()

其中E及兀分别为I、Q路匹配滤波器输出的相关峰值。101o gl Jl±^^^l=101og IO

L伍M」

假盤l|脚输朋停鄴匕盘则上式可改写为:

在噪声的影响下必的及@的均为随机过程,为了评估

—定信噪比下幅相检测的误差范围,需要求出乂的及①的概率分布O

CDPE输入端第1个通道的校正信号记为:

式中$、3八0分别是载波功率、频率和相位差。乂)是PN码序列,T为信号时延。啲是单边功率谱密度为®的加性窄带高斯随机过程。匹配滤波器输出页t)和训均为窄带高斯随机过程,令%|弟滋6表示在给定0e(-“)条件下

厦盼>曲)=101Ogio

」2.SgM-

(二)相位检测值e的边缘分布/;@)

在大信噪比条件下,相位检测值近似于高斯分布:

其均值为e,方差为l/p2,p=-表示信号幅度与窄带

a

噪声标准离差之比,即匹配滤波器输出端信噪比。

Police Technology2019年第5期

33

相关文档
最新文档