脈沖超寬帶信號應用于測控領域的可行性研究

孟祥利，侯孝民，廉　昕

(中國人民解放軍裝備學院，北京　101416)

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脈沖超寬帶信號應用于測控領域的可行性研究

孟祥利，侯孝民，廉昕

(中國人民解放軍裝備學院，北京101416)

摘要：脈沖超寬帶通信是指利用脈寬為納秒級的脈沖作為載體的無線通信技術，將脈沖超寬帶信號應用于測控領域，能有效提高當前測控系統的隱蔽性、抗干擾性和抗截獲性。根據鏈路預算，脈沖超寬帶測控信號到達地面的功率譜密度非常低，不會對地面上的其他系統造成干擾。利用對數正態陰影衰落路徑損耗模型，求得脈沖超寬帶信號傳輸距離與信息速率的關系，證明在保證一定信息速率的前提下，脈沖超寬帶測控信號能夠實現遠距離傳輸。

關鍵詞：脈沖超寬帶；鏈路預算；陰影衰落；測控系統

本文引用格式：孟祥利，侯孝民，廉昕.脈沖超寬帶信號應用于測控領域的可行性研究[J].兵器裝備工程學報，2016(7):123-126.

Citationformat:MENGXiang-li，HOUXiao-min，LIANXin.FeasibilityStudyofImpulseRadio-UltraWidebandSignalonTT&CSystem[J].JournalofOrdnanceEquipmentEngineering,2016(7):123-126.

隨著信息化戰爭的不斷發展，測控系統設備的安全性日益重要。未來戰爭中，為了保證測控信息傳輸的安全可靠，取得攻防制信息權，必須采取各種有效措施來提高測控系統的隱蔽性、抗干擾性和抗截獲性[1]。脈沖超寬帶通信是指利用脈寬為納秒級的脈沖作為載體的無線通信技術[2]，具有數據傳輸速率高、隱蔽性好、抗干擾性和抗截獲性強等一系列特性[3]，如果將脈沖超寬帶信號應用于測控領域，能夠有效提高當前測控系統的安全性。

目前，對脈沖超寬帶信號的研究主要限于短距離高速數據傳輸、精確定位等方面，有關超寬帶通信系統的研究還沒有形成規模，美軍曾經做過60海里以上的超寬帶通信試驗，日本的KDDIR&DLABS提出過基于UWB衛星通信系統的鏈路模型[4]，其他的有關脈沖超寬帶信號進行遠距離傳輸的研究非常少。本文通過鏈路預算，以及在對數正態陰影衰落路徑損耗模型下，對脈沖超寬帶信號應用于測控領域的可行性進行了研究。

1脈沖超寬帶信號

根據美國聯邦通信委員會(federalcommunicationscommission，FCC)對超寬帶信號的定義，超寬帶信號是指“-10dB”功率點處的相對帶寬大于20%或射頻帶寬大于500MHz的信號[5-6]。相對帶寬η指

(1)

式中： fh、fl分別是信號頻譜中-10dB功率點處對應的上、下頻率點； (fh+fl)/2是信號的中心頻率。

目前，超寬帶信號主要分為脈沖與載波兩大陣營。一類是脈沖超寬帶信號(ImpulseRadio,IR-UWB)，以美國Freescale公司支持的DS-UWB為主。另外一類是載波UWB，它將整個UWB頻帶劃分為多頻帶，且采用OFDM調制方式，因此又被稱為多頻帶正交頻分復用(MB-OFDM)方案[7]。由于OFDM調制方式未采用偽碼調制方式，測量性能較差，且系統復雜度高，功耗較高，定位精度不高，芯片集成化難以實現，各個子信道的頻譜會相互覆蓋，頻率偏差也會導致子信道間的信號相互干擾。相比而言，脈沖超寬帶信號是較為傳統的超寬帶實現方式，結構相對簡單，實現成本低，既能夠進行測量，又可以進行信息傳輸，所以在測控系統中采用脈沖超寬帶信號進行研究。

DS-PAM-UWB是最常見的一種脈沖超寬帶信號體制，DS是指采用直擴的多址方式，用信息碼與偽碼序列進行模2加，得到新的發送序列，用此新的序列來控制脈沖的幅度，PAM調制是指將數據信息調制到超寬帶脈沖的幅度上，設調制信息為bk,k=0,1,2,…，則PAM調制的數學表達式為

(2)

式中：p(t)表示基本脈沖信號；Tf表示脈沖周期。DS-PAM調制的信號模型的表達式為[8]

(3)

式中：dn為信源輸出的二進制信息數據，下標n代表第n個數據比特；cj為偽隨機碼序列，周期為Ns；p(t)為單個UWB脈沖；Tf為1比特持續時間，即偽碼時間周期，偽碼速率為Ns/Tf；T為幀周期(脈沖重復周期)，T=Tf/Ns。

利用Matlab進行仿真，脈沖寬度Tp=2ns，偽碼速率Rs=102.3Msps，偽碼碼長Ns=1 023，DS-PAM調制信號的時域波形和功率譜如圖1所示。

圖1　DS-PAM調制信號波形

2鏈路預算

以Ka頻段作為可行的方案進行鏈路預算，上行信號中心頻率30GHz，下行信號中心頻率為27GHz，假設測控信號帶寬為500MHz，以同步軌道為例，其下行鏈路預算結果如表1所示。

表1　脈沖超寬帶測控下行鏈路預算

其中，以分貝為單位表示的路徑損耗為

(4)

到達地面的功率譜密度為

P=EIRP-路徑損耗-雨衰-鏈路余量=

70.3 dBm/MHz-212.2 dB-3 dB-5 dB=

-149.9 dBm/MHz

(5)

考慮地面兩個相距3m的UWB設備，工作頻段為3.1～10.6GHz，最大發射功率譜密度是-41.3dBm/MHz，路徑損耗約60dB，接收功率譜密度-41.3-60=-101.3dBm/MHz，根據鏈路預算表，脈沖超寬帶測控信號到達地面的功率譜密度更低一些，不會對地面上的其他系統造成干擾[4]。

3對數正態陰影衰落路徑損耗模型下的分析

測控目標在飛行過程中，特別是在近地軌道中，信號在傳播過程中遇到的障礙物會使信號發生隨機變化，從而造成接收端接收信號功率的隨機變化，此外，反射面和散射體也會造成接收信號功率的隨機變化。對數正態陰影模型是最常用的描述這些隨機變化的模型。

在該模型中，發射功率和接收功率的比值ψ 的分貝值服從均值為μ，標準差為σ的正態分布

(6)

發射信號功率可表示為[9-10]

(7)

則在對數正態陰影衰落的影響下，接收信號功率與傳輸距離的關系為

(8)

式中：α為陰影衰落因子，服從對數正態分布；Gt和Gr分別為發射天線和接收天線的增益；c為光速；d為傳輸距離；fH和fL為信號峰值頻率-10 dB的最高頻率和最低頻率。

設系統接收端的余量為LM，滿足判決閾值的最小信噪比為SNR，則最小接收功率為

Pr=SNR·Pn·LM

(9)

式中Pn表示接收端的熱噪聲功率。

設Tb為信息碼的寬度，Tc為擴頻碼的碼元寬度，則Tb=NsTc，設接收端單個脈沖的能量為EP，則單個比特的能量值為Eb=NsEp，接收端的平均功率為

P=NsEp/NsTf=Eb/Tb

(10)

接收端的平均信噪比為

(11)

式中B為等效噪聲帶寬。

綜合以上推導，在給定誤比特率條件下，信號傳播距離與數據傳輸速率的關系可表示為

(12)

式中：(Eb/N0)thr表示信號每比特能量與噪聲譜密度之比；Rb表示數據傳輸速率；k為玻爾茲曼常數；T0為室溫(300 K)；F為熱噪聲系數；LM為鏈路余量。

采用DS-PAM-UWB信號[11]，利用Matlab進行仿真，參數設置如下：偽碼采用m序列，偽碼周期N=1 023，Amax=4×10-8W/Hz，Gt=40dB,Gr=20dB，α=0dB，F=6dB，LM=5dB，得到DS-PAM-UWB測控信號的信息速率與傳播距離的關系如圖2所示。

圖2　脈沖超寬帶信號的傳輸性能

由圖2可知，在保證一定信息速率的前提下，脈沖超寬帶測控信號能夠實現遠距離傳輸。

4脈沖超寬帶測控系統方案

將脈沖超寬帶信號應用于航天測控領域的總體方案設計如圖3所示[5]。

圖3　脈沖超寬帶測控系統設計框架

脈沖超寬帶測控系統的發射部分包括脈沖超寬帶信號的產生、調制、上變頻、功率放大和寬帶濾波器以及發射天線；接收部分包括接收天線、寬帶濾波器、低噪放大器、下變頻和接收處理終端(完成信號的捕獲、跟蹤和解調功能)。其中，在發射端部分，脈沖超寬帶信號產生后，經信息調制，輸出超寬帶已調信號，然后經Ka頻段上變頻、功率放大和寬帶濾波后，被寬帶天線發射出去[12]。

選擇上調至Ka頻段的原因是[13]，原基帶信號含有較多的直流和低頻分量，不利于信號的輻射，而Ka頻段可用頻帶較寬，干擾較少，并能夠有效提高測量精度，適合脈沖超寬帶信號完成遠距離測控通信。

5結論

將脈沖超寬帶信號應用于測控領域，能有效提高當前測控系統的隱蔽性、抗干擾性和抗截獲性。對脈沖超寬帶信號進行了分析，然后通過鏈路預算，證明了脈沖超寬帶信號用于測控領域的可行性，并且不會對地面系統產生干擾，通過在對數正態陰影模型下的分析，證明了脈沖超寬帶信號在保證一定傳輸速率的條件下，能夠實現遠距離傳輸，建立了脈沖超寬帶測控系統設計方案。

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(責任編輯周江川)

收稿日期：2016-02-01；修回日期：2016-03-01

作者簡介：孟祥利(1991—)，男，碩士研究生，主要從事空間飛行器測控系統、脈沖超寬帶技術研究。

doi:10.11809/scbgxb2016.07.027

中圖分類號：V556.6；TN914.2

文獻標識碼：A

文章編號：2096-2304(2016)07-0123-04

FeasibilityStudyofImpulseRadio-UltraWidebandSignalonTT&CSystem

MENGXiang-li，HOUXiao-min，LIANXin

(EquipmentAcademyofPLA,Beijing101416,China)

Abstract:Impulse radio-ultra wideband refers to the wireless communication technology used pulse width for nanosecond pulse as the carrier.The application of impulse radio-ultra wideband signal on TT&C field can greatly improve the concealment performance, anti-interference performance and intercept resistance performance of the current TT&C system. According to the link budget, pulse power spectral density of IR-UWB TT&C signal to reach the ground is more lower, which will not cause interference to other systems on the ground. By using lognormal shadow fading path loss model, the relationship of UWB signal transmission distance and rate information was obtaind, and on the premise of guarantee information rate, IR-UWB TT&C signal can realize long distance transmission.

Key words:impulse radio-ultra wideband (IR-UWB); link budget; shadow fading; TT&C system

【信息科學與控制工程】