（通信与信息系统专业论文）通信测距复合系统中tdoa技术的研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 扩频技术由于具有很强的抗干扰能力 很低的被截获概率 很高的距离 鉴别力 良好的码分多址通信能力和很好的通信保密性等特性 在军事 民用 通信和遥测 定位领域得到了广泛的应用 然而以往完成扩频通信和定位任务是独立工作的系统 系统的复杂度 造价及系统问的电磁互扰不利于扩频技术广泛的推广 为此 本文提出一种 全新结构的系统一复合系统 该系统能够同时完成扩频通信和测距任务 并且 较好地解决了简单地把两个独立工作的子系统复合在一起带来的弊端 本文 提出了应用特殊结构序列一链接序列进行双精度 双量程测距 并同时应用软 扩频技术实现高速率扩频通信 在信号处理层面上 提出了应用循环谱分析 理论建立组合式t d o a 估计算法 提高了复合系统测距和通信的性能 初步设 想应用并 串结合方式进行序列相位的快速捕获 借以实现实时测距和高速率 扩频通信 本论文在前面章节理论分析和推导的基础上 应用m a t l a b 等仿真软件编 制时间流和数据流程序 对系统的技术性能进行仿真 结果证明复合系统能 够较好地完成系统设计指标 同时完成扩频通信和测距任务 实现高精度 大量程 实时地测距 实现恶劣信道环境下系统的正常工作 并在d s p 硬件 平台上实现了关键技术的开发 也为该技术的进一步推广奠定了坚实的基础 关键词 复合系统 链接序列 循环谱分析 t d o a 估计 d s p 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h es p r e a ds p e c t r u mt e c h n o l o g yh a sg o tw i d eu s a g eu p o nc o m m u n i c a t i o n s t e l e m e t r y a n do r i e n t a t i o nb e c a u s eo fi t ss t r o n ga n t i i n t e r f e r e n c ea b i l i t y l o w p r o b a b i l i t y o fb e i n gi n t e r c e p t e da n dc a p t u r e d s t r o n gd i s c r i m i n a t i o na b i l i t y o u t s t a n d i n gm u l t i a c c e s sc o m m u n i c a t i o na b i l i t y a n de x c e l l e n ts e c r e c y h o w e v e r p r e v i o u s l y t h es s s y s t e m w a s o n l y u s e d s e p a r a t e l y i n c o m m u n i c a t i o n so ro r i e n t a t i o n s y s t e m s t h e n t h e c o m p l e x i t y c o s t a n d i n t e r f e r e n c ea m o n g s td i f f e r e n ts y s t e m sw i l la f f e c tt h ea p p l i c a t i o no ft h es s t e c h n o l o g y t h e r e f o r e t h i sp a p e rp r o p o s e da n e ws y s t e m t h em u l t i p l e xs y s t e m w h i c hc a l lf i l l i s ht h ec o m m u n i c a t i o na n dt h et e l e m e t r ys i m u l t a n e o u s l y a n dc a n a l s oo v e r c o m et h ed i s a d v a n t a g e so fc o m b i n i n gt h et w os y s t e m sd i r e c t l y t h e p a p e ra l s ob f i l l go u tu s i n gas p e c i a ls t r u c t u r es e r i a l t h ec o n c a t e n a t es e r i a l t o m e a s u r ew i t l ld o u b l ep r e c i s i o nr a n g e a n da tt h es a m et i m er e a l i z i n gh i g hs p e e d s sc o m m u n i c a t i o nw i t ht a m e d s st e c h n o l o g y m o r e o v e r i tg i v e st h et d o a a r i t h m e t i co nt h eb a s eo fc i r c u l a t i o n s p e c t n n n w h i c hc a n e n h a n c et h e c o m m u n i c a t i o na n dt e l e m e t r ya b i l i t yo ft h es y s t e m b a s i c a l l yt h ep a p e r c o n f i g u r e dt ou s es e r i e s p a r a l l e lw a y st oa c c o m p l i s hq u i c kp h a s ec a p t u r e a n d t h e r e f o r er e a l i z et e l e m e t r ya n dc o m m u n i c a t i o na tt h es a n l et i m e t h el b a p e rg i v e st h es i m u l a t i o nw a y so fm a t l a ba n dd s p a n dt h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ec o m p l e xs y s t e mc a nr e a l i z et h et h e o r e t i c a lt a r g e t i n c l u d i n gc o m m u n i c a t i o na n dt e l e m e t r ys i m u l t a n e o u s l y f i n i s h i n g r e a l t i m e m e a s u r i n gw i t hh i g ha c c u r a c ya n dh u g er a n g e r e a l i z i n gs y s t e m f u n c t i o ni n u n r e a l i s t i cc i r c u m s t a n c e s k e yw o r d s m u l t i p l e xs y s t e m d s p l i n ks e q u e n c e e s t i m a t i o no ft d o a a n a l y s e o f c y c l es p e c t r u m 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明 本论文的所有工作 是在导师的 指导下 由作者本人独立完成的 有关观点 方法 数据和文献的引用已在文中指出 并与参考文献相对 应 除文中己注明引用的内容外 本论文不包含任何 其他个人或集体已经公开发表的作品成果 对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体 均已在文中以明确 方式标明 本人完全意识到本声明的法律结果由本人 承担 李 乒堋 一 儿 年 字 7 辫 者 肌 阼 日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 1 研究背景和意义 第1 章绪论 扩频通信技术早期仅应用于军事通信和导航 制导等军事技术领域 由 于扩频通信具有很强的抗干扰能力 很低的截获概率 很高的距离鉴别力 良好的码分多址通信能力和很好的通信保密性 尤其是软扩频技术 复合序 列技术在扩频通信系统中的成功应用 使扩频通信技术的理论和实践都得到 了迅速的发展 以至于未来第三代 第四代移动通信都要使用以扩频通信技 术为基础的c d 姒技术 由于扩频系统的上述优良特性 被广泛应用于码分多址通信和物体定位 导航 制导 等领域 但是以往这些基于扩频技术的系统都是单一功能 或通 信 或定位 但在一些特殊场合下 需要在进行扩频通信的同时 完成定位 测距 的任务 例如船舶在航行的过程中 与地面指挥塔通信的同时还需要 进行测距 实现导航定位 如果应用分离系统分别实现通信和测距 即浪费 成本 增加系统的复杂程度 又使两个系统之间产生电磁互扰 降低了系统 的技术性能 基于这样的实际应用需要 本论文设计了一种复合系统 在实 现扩频通信的同时实现距离的测量 这样便可以节省一套导航设备 降低通 信电磁环境的电磁密度和复杂度 这种复合系统也可以应用到其他领域 如 部队 公安 消防 机场 港口等专用数字集群通信系统和公共移动通信系 统 若同时具备通信与定位的功能 将会大大增加系统的功能和使用范围 1 2 课题研究的内容 扩频通信系统主要是通过测量多基站和待测物体之间到达角 a o a 或基 站与待测物体之间的距离来实现待测物体的定位 在应用扩频系统进行物体 定位时 距离的测量主要通过求解基站接收的扩频序列和基站本地序列的相 位差 t i t a n 达时间差t d o a 实现的 而目前t d o a 的求解主要是通过接收序列 l 哈尔滨工程大学硕士学位论文 和本地序列的相关运算完成的 即相关峰值出现的位置所对应的时间 但是 在基于到达时间差 t d o a 理论的扩频测距通信复合系统中 如果采用普通结 构的直接扩频系统结构 那么扩频通信任务和测距任务对直接扩频序列有着 矛盾的技术要求 本文构建一种特殊结构的直接扩频系统 采用内外码结构 软扩频技术 循环谱分析算法来解决复合系统一系列的问题 本文主要从以下几个方面对 该复合系统的关键技术进行研究 1 因为在复合系统中 通信和测距对扩频码序列的周期和码速率的技术 参数要求是相互矛盾的 如公式 卜1 和 卜2 所示 测距量程 通信速率 三 丝 2 正 心 专 1 1 1 2 式中c 3 x 1 0 8 m s 为光速 为扩频序列周期 为扩频序列的码速率 在扩频通信测距复合系统中 测距任务要求直接扩频序列的周期 足够 大 以增加测距量程 但是对于扩频通信任务 在扩频序列码速率 受限制 的情况下 要求扩频序列的周期 不要太大 便于在接收端完成序列的快速 相关运算 以适应高速率的数据传输 如果采用滑动相关法进行相关接收时 系统接收机必须使本地扩频序列在1 n 个码片的精确位置内完成与接收到 的扩频序列的同步 在需要复合系统能够实现快速 实时 定位时 长周期 高码速率的序列很难实现快速相关 因此在测距精度和测距量程之间存在矛 盾 本文提出了应用链接序列代替普通的直接序列作为扩频序列 这样可以 解决复合系统对扩频序列技术参数要求矛盾的问题 2 针对复合系统的通信效率低的特点 对系统进行软扩频通信 提高系 统的通信效率 但是在软扩频通信系统中 序列的相关特性对系统的性能有 较大影响 依据理论分析和实际仿真结果 选用具有良好相关特性的扩频序 列族 以减少序列之间的互扰 提高通信系统性能和t d o a 的求解精度 3 对基于普通互相关算法的t d o a 估计模型进行分析 寻求适合本系统 工作特性的t d o a 估计模型 推导适合于不同信道环境下估计t d o a 的算法 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 4 g c c 法只能在大信噪比的优良信道环境下 准确求解出t d o a 但g c c 法对一些类型的干扰抑制效果不好 并且在低信噪比信道 信噪比s n r 一2 0 d b 的恶劣信道环境下准确地对t d o a 进行估 计 对干扰也有较好的抑制作用 适合应用于本系统 本文结合复合系统的 特点 对基于循环谱分析理论的t d o a 估计模型进行分析和仿真 证明其对 t d o a 估计的有效性和优越性 1 3 论文主要内容和结构安排 本文主要介绍了扩频通信和测距复合系统的实现方法 对系统的若干关 键实现技术进行了阐述和分析 并对其进行了计算机软件仿真和硬件实现 以证明系统可行性 根据本课题研究的需要 下面对本论文的内容和结构进 行了安排 第l 章简要的介绍了本课题的研究背景和研究意义 以及课题研究内 容 最后介绍了本文的工作安排 第2 章简要的介绍了复合系统的系统实现原理和几个关键的实现技术 第3 章主要通过对m 序列和m w 序列的相关特性和抗干扰能力进行分析 比较 选择适用于复合系统的扩频序列m w 序列 第4 章主要提出了一种组合式t d o a 估计方法 在t d o a 估计中将循环谱 特性和平滑相干变换方法组合使用 这种组合式t d o a 估计方法对抑制噪声与 信号的相关一致性有较好的效果 同时也使通信测距复合系统具有较强的抗 干扰能力 第5 章主要在搭建的硬件平台上 对通信测距复合系统中关键技术进行 硬件实现并证明了其可行性 提供大量翔实的实验数据 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章通信测距复合系统基本原理 2 1 扩频通信的基本原理 扩频通信系统 是用高速码信号调制载波 把信号频谱扩展到更宽的频 带 使被传输的信号幅度低于噪声电平 这就大大提高了通信的隐蔽性和抗 干扰能力 扩频通信信号有以下的特征 1 扩频信号是不可预测的伪随机的宽带信号 2 扩频信号的带宽远大于欲传输数据 信息 的带宽 3 接收机中必须有与宽带载波同步的副本 根据所传输的信息 用不同的信号调制 以达到加宽和扩展发射信号频 谱的目的 就形成了几种扩频制式 一般有以下几种类型 1 直接序列扩频系统 直接序列扩频简称直扩 它是用伪随机码直接扩展信号频谱的系统 这 种系统在发送端用一组伪随机码序列直接去调制载波 进行扩展频谱 即其 载波被一个码速率远远高于信息带宽的数字序列调制 扩频调制可用振幅键 控 频移键控和相移键控 2 软扩频系统 软扩频技术实际上是直接序列扩频技术中的一类 是指信息采用多进制 表示 各个信息符号对应一组伪随机码中的一个 以实现扩展频谱和信息调 制 它的实质是一种 n k 编码 是用长为 的伪随机码去表示要传输的 k 位信息 与一般的直扩序列相比较 其扩频增益g n k 比较小 且可不 为整数 信息码不直接传输 而传输的是所要传输的信息码的代码 伪随 机码 k 位信息有2 个状态 因此需要用2 条伪随机码与k 位信息的2 个状 态相对应 在实际的应用中 要求这2 条长为 的伪随机码是正交的 因此 又称为正交扩频 3 跳频系统 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 所谓跳频 就是电台的载频按照一定规律进行变化的多频率频移键控 简单的频移键控只有两个频率 它分别代表传号与空号 而跳频系统是用伪 随机码来为选择载频的 跳频通信有几十个甚至上千个频率 由所传信息码 与伪随机码的组合码序列进行控制 按照码序列随机地自动地改变电台的工 作频率 虽然在每一瞬间跳频通信的频谱与窄带通信相同 但从一个较长的 观察时间来看 跳频通信的频谱占据了很宽的频带 所以通常认为跳频通信 也是扩频通信的一种形式 4 跳时系统 跳时系统也是一种扩展频谱技术 主要用于时分多址通信 跳时是用伪 码序列来启闭键控发射机 将一个信码的持续时间分成若干时隙 由伪随机 编码序列控制在每一个时隙中发射一个信码 因此 信息码是在短时隙中以 高的峰值功率突发式传输的 发射机的启闭同伪码序列一样 在时间上是伪 随机的 通常 跳时技术在扩频系统中不单独使用 而与其他扩频方式结合 组成混合式系统 5 混合扩频系统 常用的混合扩频调制方式有 1 同时进行跳频和直扩的混合调制 2 伺时进行跳时和跳频的混合调制 3 同时进行跳时和直扩的混合调制 其中 直扩和跳频是应用最广的两种基本扩频方式 一般说来 采用混 合方式看起来在技术上要复杂一些 实现起来也要困难一些 但是 不同方 式结合起来的优点是有时能得到只用其中一种方式得不到的特性 2 2 直扩系统测距的原理 2 2 1 系统实现扩频通信的基本原理 直接序列扩频系统是将要发送的信息用伪随机码扩展到一个很宽的频带 上去 在接收端 用与发端相同的伪随机码对接收到的扩频信号进行相关处 哈尔滨工程大学硕士学位论文 理 恢复出发送的信号 对干扰信号而言 与伪随机码不相关 在接收端被 扩展 使落入信号通频带内的干扰信号功率大大降低 从而提高了相关的输 出信噪比 达到了抗干扰的目的 直扩系统发射端和接收端的组成如图 2 1 a b 所示 a 直扩系统发射端框图 b 直扩系统接收端框图 图2 1 直扩通信系统 信号发生器发出的信号是码元持续时间为瓦的信息流 伪随机码产生器 产生伪随机码 每个伪随机码的码元宽度为 茎t o 将信息码与伪随机 码进行相乘或模二加 产生一个速率与伪随机码速率相同的扩频序列 这时 信息带宽己被展宽 然后对扩频序列调制载波 信号频谱被搬移到射频上 在接收端 接收到的信号经混频后 用与发射同步的伪随机码对中频信 号进行相关解扩 将信号的频带恢复为信息的频带 然后再进行解调 恢复 出所传送的信息 信道中的干扰包括 窄带干扰 多径干扰 多址干扰等 由于这些干扰与伪随机码不相关 接收机的相关解扩对它们相当于一次扩频 将干扰和噪声的频谱展宽 降低了功率谱密度 经滤波后就大大降低了进入 信号通频带内的干扰功率 使解调器的输入信噪比得到提高 从而提高了系 统的抗干扰能力 2 2 2 系统实现测足巨任务的基本原理 直接序列扩频系统利用接收端和接收到的到达信号的相位差 进行基站 和待测物体之间距离的测量 工作原理如图2 2 所示 6 甲由田由 切 田由田南 固回 哈尔滨工程大学硕士学位论文 待测物体 图2 2 直扩测距系统 直接序列扩频系统测距的原理是由基站的发射部分发射经过直接扩频和 载波调制的无线电波 待测物体接收该信号 进行变频转发 同时完成与基 站的扩频通信任务o 由待测物体转发的射频扩频信号在基站的接收机部分经过变频 相关解 扩处理后 根据不同的t d o a 估计算法求得发射信号和接收信号的相位差 并根据公式 2 1 求得到达时间差 t d o a 从而决定待测物体和基站之间的距 离 完成测距任务 待测物体与基站的距离工和相位差矗的关系如公式 2 2 所示 t d o a 0 瓦一t 2 1 三 伽 詈 0 c 一 一乃 詈 2 2 上二 式 2 一1 2 2 中 工为待测物体与基站的距离 o 嘣为到达时间差 为 接收端本地序列与接收序列相差的码元个数 z 为扩频序列的码元宽度 c 3 o x1 0 8m 厶为光速 z 为待测物体变频转发的处理时间 一般为常数 假设已知 r 为接收端求解t d o a 的处理时间 即相位捕获时间 一般为 有 关的时间函数 可以根据 和处理器的处理时间求得 假设已知 如果伪噪声随机序列的码周期做的很长 序列的相关特性可以十分优秀 拥有两值尖锐的相关曲线 采用相关检测的方法 可以使扩频通信的抗干 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 扰能力大大增强 同时测距量程也可以大大增加 因此采用伪噪声随机序列 的直接序列扩频系统可以在实现扩频通信的同时完成测距任务 基站的发射 部分将伪噪声随机序列对载波进行相位调制 然后经功率放大由天线发射出 去 并把待测物体变频转发回来的无线电波经基站的接收机处理 还原成中 频调制的伪噪声随机序列 与本地的伪噪声随机序列进行时域相关运算 并 进行相关峰值判决 当两序列相位相同时 相关器有最大输出 峰值输出 求解两序列的相位差f n 2 2 3 直扩系统实现复合任务存在的问题 虽然直扩系统可以同时实现扩频通信和测距任务 但是存在有一些弊端 在应用扩频系统进行定位时 距离的测量主要通过测量接收的扩频序列和本 地序列的相位差 即到达时间差t d o a 实现的 而目前t d o a 的求解主要是通 过接收序列和本地序列的互相关运算完成的 但是基于到达时间差 t d o a 理 论的扩频测距通信复合系统在采用普通的直扩技术时 对扩频码序列的周期 和码速率的技术参数要求是相互矛盾的 测距量程 工 丝 2 3 2 通信速率 局 告 2 4 式 2 3 2 4 中 c 为光速 为扩频序列周期 无为扩频序列的码速率 扩频测距通信复合系统要求序列的 周期足够长 以增大测距距离 但 是对于扩频通信 在扩频序列码速率厂c 受限制的情况下 要求扩频序列的 周期 不要太大 可以在接收机中快速完成信号的互相关运算 以适应高速 率的数据传输 在需要测距系统具有快速定位的特性时 长周期 高切普速 率的序列很难实现快速相关 从而是测距精度降低 在测距精度和测距量程 之间存在矛盾 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 因为直扩系统在扩频通信和测距任务对系统的技术参数有着矛盾的要 求 本文捷出应用基于链接序列技术和软扩频技术的复合系统 实现高效的 扩频通信的同时完成高精度 大量程的测距任务 2 3 复合系统的结构及其关键技术 根据对普通直扩系统的分析和改进 本文构造能够同时实现高速扩频通 信和大量程 高精度测距任务的复合系统 下面介绍一下复合系统的系统结 构和其关键实现技术 链接序列和软扩频技术 2 3 1 复合系统的结构 基站待铡物体 图2 3 复合系统工作流程图 复合系统工作流程如图2 3 所示 该系统采用主动定位方式 首先由基 站发射部分发射被调制到射频上的伪噪声随机序列 包含定位 距离信息 经过上行信道传输 被待测物体接收部分接收 待测物体接收部分完成对接 收信号的接收工作 解扩 解调 恢复通信信息 定位 距离信息 同时 对接收到的射频信号进行变频 由转发部分发射 经待测物体变频转发的信 号在下行信道中传输 被基站接收部分接收 并进行到达时间差t d o a 的估计 工作 为了进行高速扩频通信和大量程 高精度测距 该系统采用链接序列作 为伪随机序列 即采用一个内部序列内嵌至一个外部序列码元的特殊结构 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 并采用m a r y 系统进行高速扩频通信 即使用伪随机序列组作为内部序列进 行软扩频 采用具有良好相关特性的m w 序列作为内部序列 实现小量程 高 精度的测距和高速扩频通信 基站接收到经过待测物体变频转发的射频伪随机序列 通过对接收序列 进行t d o a 的估计 求解基站与待测物体之间的距离 从而进行物体定位 所 以基站的工作流程如图2 4 所示 内部序列 发生嚣 内部序列 发生嚣 内部序列 发生嚣 内部序列 发生嚣 2 3 2 链接序列技术简介 弭翩嚣 工 振荡嚣 图2 4 基站工作流程 复合系统中 用链接序列作为扩频序列实现高精度 大量程测距任务 链接序列有内部序列和外部序列组成 内部序列由 个互相关性良好 正交 的伪随机序列组成 实现肘进制软扩频通信 组成ma r y 系统 通信数据经 过串并转换后 变成膨进制并行数据 作为控制信号对 个内部序列进行 选择 经数据选择的内部序列串与外部序列进行复合生成链接序列 假设内部序列i s i i s 2 i s 3 i s 4 的码速率为以 周期为m 外部序 列的码速率为雌 m 周期为 通信数据以2 如 m 的码速率进行2 进制 软扩频通信 可以根据以下规则根据并行通信数据选择内部序列 生成链接 序列 表2 1 链接序列生成规则 通信数据 2 进制 i外部序列l内部序列 1 0 生鬻t1 科芏嚣磊蠊 哈尔滨工程大学硕士学位论文 d ld 2 1 一l 1 1i s l 一i s l 1 1 1 1 i s 2 i s 2 111 1i s 3 一i s 3 一l一1l li s 4 伊i s 4 在扩频通信和测距的复合系统中应用链接序列 可以调协系统对扩频序 列技术参数 序列周期和序列速率 矛盾的要求 测距的量程 z 警 2 5 通信速率 r 警 2 6 相关时间 t m f m n 2 7 测距精度 p 二 一 2 8 2 r c 式中 n 为外部序列周期 m 为内部序列周期 c 为光速 n 为ma r y 系统 实现软扩频的进制数 为不连续 离散 滑动相关的相关步进 链接序列实现了双精度测距和高效率通信的功能 到达序列通过与接收 端的内部序列相关器 匹配滤波器与积分器 进行相关运算 求解内部序列 的到达时间差 实现小量程高精度测距 并实现高效率的n 进制软扩频通信 任务 通信效率提高 倍 同时 生成的外部序列与接收端相关器进行相关 运算 求解外部序列到达时间差 从而实现大量程 低精度测距功能 应用链接序列 初步解决了测距量程 测距精度 通信效率 相关时间 之间的矛盾 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 3 3 软扩频技术简介 软扩频的实质是 k 的编码 是从信息空间向伪随机码空间的映射 信息空间的元素与伪随机码空间的元素是一一对应的 设传输的信息为 4 f a n g o t n t o n o 上式中 a 为信息码元 o 为门函数 o s f 乏时为l 将a q 分段 每k 位为一段 可得 d o a t i t 0 这里 k i a a t a t t i t 正为信息码元宽度 2 9 式 2 9 中 t k 乏为所用随机码的周期 t 为伪随机码的切普宽度 为伪随机码的切普长度 由式 2 1 0 可求得k 位信息码元的加权值 k 2 2 1 0 0 由于k 位信息有2 个状态 就需要2 条伪随机码与之相对应 设用于软 扩频的伪随机码为q 哟 m 0 1 2 1 因此 软扩频的映射就是 将詹位信息的2 个状态分别与这2 条伪随机码相对应 即使得歹 m 不同 的k 位信息码 可得不同的加权值 就可用不同的伪随机码 o l 2 一l 来对应这k 位信息 从而完成了信息的扩展 用这少条伪随机 码去对应k 位信息码的2 个状态 则要求这2 条伪随机码应是正交的 即应 有 c i r c j i t d t n 6 i 一 r 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 由此可得扩展后的基带信号 e a t 一 2 1 1 0 式 2 1 1 中c 的下标j 的选择由a a t i 乃对应的加权值 式 2 1 0 确定 将此扩展后的信号去调制载波 就可得发送的信号s f 为 s f c t i t c o s e o t 2 1 2 a 软扩频系统模型图 b 软扩频接收机框图 图2 5 软扩频系统模型图 软扩频系统的模型如图2 5 a 所示 接收机对收到的扩频信号进行相关 接收 如图2 5 b 所示 由于扩频是用了2 条伪随机码与后位信息码的2 个 状态相对应 因此 在接收端有2 条支路分别对这2 条伪随机码进行相关处 理 完成信号的解扩解调 恢复出传送的信息 本系统应用软扩频技术于内码中 主要是为了提高复合系统的扩频通信 效率 实现高效的扩频通信 2 4 本章小结 本章首先介绍了扩频通信系统的基本定义和工作原理 对直接扩频系统 实现扩频通信和测距任务进行了分析 发现该系统无法完成要求 进而提出 了复合系统的概念 并对实现复合系统的关键技术 软扩频技术和链接序 列技术进行了介绍 通过理论推导发现 复合系统可以完成高效扩频通信和 高性能的测距任务 本章为复合系统的进一步研究提供了理论依据 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第3 章复合系统扩频序列的选择 基于上章分析的结果 我们认为复合系统可以完成同时测距和扩频通信 的复合任务 但是 由于应用软扩频技术于链接序列的内码中 以实现高效 的扩频通信 同时也引入了不完全正交扩频序列引起的自扰 即软扩频系统 的扩频序列应具有理想的正交特性 本章我们就分析扩频序列的相关特性 寻找具有理想 近似理想 相关特性的序列族 3 1m 序列的研究 3 1 1m 序列的特性 扩频序列应该具有平衡特性 随机序列中0 和1 的个数接近相等 游程 特性 相关特性 随机序列的自相关函数具有类似于白噪声自相关函数的性 质 扩频序列中应用最广的是m 序列 本节主要对m 序列的性质进行讨论 作为p n 序列的一种常用序列 m 序列拥有良好的二值自相关特性 m 序列的自相关函数如公式 3 1 所示 r u 11 20 3 1 三 1 幺 p o p m 序列具有双值自相关函数特性 其自相关函数曲线如图3 1 所示 图3 1m 序列自相关函数曲线 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 式 3 一1 中 p 为i n 序列周期 p 2 7 一l 为生成1 1 1 序列所需移位寄存器的 个数 由图3 1 可见 当1 0 时 m 序列的自相关函数尺 出现峰值l 当f 偏 离 时 相关函数曲线很快下降 当l j p 一1 相关函数值为一1 v 本图 中p 3 1 5 当 p 时 又出现峰值 如此周而复始 当周期 很大时 m 序列的自相关函数与自噪声类似 相关检测就是利用这一特性 在 有 或 无 信号相关函数值的基础上来识别信号 检测自相关函数值为1 的码 序列 由于m 序列具有较好的相关特性 所以本文选择n l 序列作为链接序列的 个子序列 进行复合序列的生成 3 1 2m 序列的构造 m 序列是由多级移位寄存器或其他延迟元件通过线性反馈产生的最长的 码序列 在二迸制移位寄存器发生器中 若丹为级数 则所能产生的最大长 度的码序列为2 一l 位 图3 2 为一最简单的三级移位寄存器构成的m 序列发生器 其代表的本 原多项式即为 1 0 1 1 图3 23 阶m 序列发生器 移位寄存器的作用为在时钟脉冲驱动下 能将所暂存的 1 或 0 逐 级向右移 模二加法器的作用为产生运算 即1 1 0 0 1 1 1 o l 0 0 0 图中移位寄存器2 移位寄存器3 输出的模二和反馈为移位寄存器 l 的输入 在时钟脉冲驱动下 三级移位寄存器的暂存数据发生改变 移位 哈尔滨工程大学硕士学位论文 寄存器3 的变化即输出序列 如移位寄存器各级的初始状态为1 1 l 时 输出 序列为1 1 1 0 0 1 0 在输出周期为2 3 一l 7 的码序列后 移位寄存器1 移位 寄存器2 移位寄存器3 又回到1 1 l 状态 在时钟脉冲的驱动下 输出序列 作周期性的重复 因7 位为所能产生的最长的码序列 1 1 1 0 0 1 0 则为m 序列 这一简单的例子说明 m 序列的最大长度决定于移位寄存器的级数 而码的 结构决定于反馈抽头的位置和数量 不同的抽头组合可以产生不同长度和不 同结构的码序列 构造一个产生m 序列的线性移位寄存器 首先要确定本原 多项式 根据不可约多项式表查找本原多项式 根据它决定线性移位寄存器 的反馈连线 这样就可产生m 序列 3 2w a ls h 序列的研究 用符号日 表示h a d a m a r d 矩阵 则最简单的h a d a m a r d 矩阵可写为 e 1 盖盖 从l 阶到n 阶h a d a m a r d 矩阵可以利用矩阵的直积运算递推得到 如公式 3 2 所示 h nh n 巩 2 iz 一乏l 一z i l ii 其中8 阶h a d a m a r d 矩阵由公式 3 3 产生 皿 瞄 lllll1l 一1l 一1l ll i 1一l lll l 一1 一l lll 1 1l l1l l l l 一1 11 一l ll l1 l一1 一l l l1l l 一1l lll l 1 6 3 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 h a d a m a r d 矩阵的每一行对应1 个w a l s h 函数序列 以w a l k f 表示 如 第3 行的w a l s h 函数序列表示为w a l 3 r 3 3m w 序列的研究 3 3 1m w 序列的构造 在复合系统中 扩频通信的解扩和测距的t d o a 估计都是基于到达序列与 基站本地序列做相关峰值检测来完成的 同时复合系统的内码又采用了软扩 频技术 所以要求所选择的扩频序列具有如公式 3 4 3 5 所示的相关特 性 i 3 4 式 3 4 中 七为常数 归一化后七 1 f 为两序列相位差 尺一乃 艺躲黧等 伊s 式 3 5 中 r p 艄 r 为序列 f 和r p j f 的互相关函数 j 为常数 归一 化后k l 疋为内部序列的码元宽度 但是选择具有如公式 3 4 3 5 所示那样理想相关特性的扩频序列族 是工程不可实现的 在实用系统中 只能选用相关特性相对优良的扩频序列 组成内部扩频序列组 m w 序列是复合序列的一种特殊形式 是由不同码速率的m 序列和w a l s h 序列复合而成的 即由一周期的w a l s h 序列内嵌至一个m 序列的码片中形成 的 内嵌w a l s h 的极性由m 序列的当前码元极性决定 如图3 3 所示 1 11 1 11 il1 1 111 1l l 一1l1 一l l1 1l1 图3 3m w 序列生成示意图 1 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 3 2m w 序列的相关特性 由两个周期互素的子序列 周期分别为a 和见 经模2 加求和法复合 而成的复合序列 其自 互 相关函数相当于第一子序列的自 互 相关函 数波形沿时间轴扩展n 倍后 与第二子序列的自 互 相关函数的乘积 假设击序列周期为a 2 一l w a l s h 函数序列的周期为p 2 2 可以得 到m w 序列的自相关函数如公式 3 6 所示 i 墨 u r 一 曩 o 1 蛆 3 6 见 式 3 6 中 4 为序数为k 的m w 序列的自相关函数 r 是周期为p l 的m 序列的自相关函数 表示周期为凫 序数为k 的w a l s h 函数序列 的自相关函数 类似地 可以得到m w 序列互相关函数的解析式 如公式 3 7 所示 民岛 矿 r 一 曩恐 o l 2 3 7 易 n l 序列互相关函数曲线和m w 序列互相关函数曲线的比较如图3 4 所示 图3 4 a 为两个本原多项式不同的5 阶 周期为2 5 5 个码元 的i n 序列 的互相关函数曲线 可知最大互相关值为0 3 8 归一化 图3 4 b 为一个 5 阶m 序列和两个序数不同的8 阶w a l s h 函数生成的m w 序列的互相关函数曲 线 可见m w 序列的互相关特性较相同周期的n l 序列的互相关特性有较大的改 善 m w 序列的自相关函数曲线如图3 5 所示 图3 5 中 m 序列为5 阶 w 序列为8 阶 由图可知 m w 序列拥有类似1 1 1 序列的自相关特性 在周期 处有峰值 接着迅速下降 经过一个周期又出 现最大值 如此周而复始 所以m w 序列继承了m 序列良好的自相关特性 并 具有优良的互相关特性 适于扩频通信的相关解扩和t d o a 的求解 并能有效 地减小由于软扩频而产生的内部序列之间的互扰 可见 m w 序列适用于扩频 通信测距复合系统的内部序列 哈尔滨工程大学硕士学位论文 日m i a m 序列互相关函数曲线 b m w 序列互相关函数曲线 图3 4m 序列与m w 序列互相关性比较 图3 5m w 序列的自相关函数曲线 3 3 3m w 序列抗干扰特性 复合系统是基于m w 序列的复合系统 该复合系统在理想的信道环境下 具有较优异的通信 测距性能 但在实际工程中 信道中不可避免地存在各 种干扰和噪声 利用m a t l a b 搭建复合系统抑制干扰 噪声能力测试模型 并 1 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 进行仿真 图3 6 复合系统接收端工作原理图 信道中存在的干扰和噪声由高斯白噪声 多径干扰和多址干扰来模拟 为了定量衡量系统抑制干扰和噪声的能力 定义了反增益参量 p 幽 导i 3 8 其中 m a x 为在预先知道所传内码序列 对应相关器输出的相关值 在无干 扰 噪声时i n a x 应为各相关器输出的最大值 m a x 为其他相关器输出相关值 的最大值 可见 p 2 5 d b 时可以确保复合系统通信和测距任务的完成 图3 7m j 抑制高斯白噪声性能 设复合系统中的存在多径干扰m u l p a t h i 哈尔滨工程大学硕士学位论文 m u l p a t h o 4 u s e r i 一靠 3 9 k i 其中 4 为第k 路多径信号的幅度值 q 为第j j 路多径信号的传输延迟 n 为多径信道数量 图3 8 为复合系统抑制多径干扰的性能曲线 设定n 3 三条路径通 信信号的幅度衰落相同 即4 4 4 时延分别为q o r 2 丁 巧 2 t 其中r 为内部序列的码元宽度 3 4 本章小结 图3 8m w 抑制多径干扰性能 在本章中 主要研究了m 序列 w a l s h 序列和m w 的定义 相关特性并选 择了由n l 序列和不同序率的w a l s h 序列作为子序列构建m w 复合序列 从理论 公式的推导和软件仿真两方面证明m w 具有良好的相关特性和抗干扰特性 适 用于扩频通信测距复合系统中 作为链接序列的内码 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第4 章到达时间差 t d o a 的估计模型 在基于扩频技术的复合系统中 对距离的测定就是对到达序列和本地序 列的相位差的估计来完成的 扩频序列的相位差和时间差有固定的关系 同 时 在扩频通信系统的接收端 对扩频信号的恢复也要经过解扩 解调两过 程 即需要对接收到的扩频信号进行捕获和跟踪 在复合系统中 要完成扩频通信和测距任务 首先要对到达序列进行捕 获 序列识别 并在捕获的基础上进行相位差的估计和相位的跟踪 可见 建立可以在复杂电磁环境下对扩频信号迸行有效识别和相位估计的数学模型 和算法 是提高复合系统抗干扰性能的关键 对t d o a 进行估计的系统模型大致分为 基于g c c 法的t d o a 估计模型 基于循环谱分析法的t d o a 估计模型 4 1 基于g c c 算法的t d o a 估计模型 4 1 1 基于普通相关峰值检测算法的t d o a 估计模型 假设基站接收端的本地信号z r 如公式 4 一1 所示 善 f s o r e t 4 1 假设由基站反射经待测物体发射并被基站接收的到达序列y o 如公式 4 2 所示 y f s t r o n t 4 2 式 4 1 4 2 e o j f f o 为j r 经过待测物体变频反射的信号 脚 f n t 是传输信道的噪声 干扰 并假设信道噪声 干扰r e t 行o 之间及与信号s r 之间都是统计独立的 对本地序列和到达序列相关运算得两序列的相关函数 如公式 4 3 所示 哈尔滨工程大学硕士学位论文 p e y t r x o e s r r o 行o s 脚 e s t r r o s r 层 j o f t o r e t 4 3 e j o 托 f f e 胆o f 脚 f 根据随机信号理论可知 如果信号j f 和噪声 干扰 m t n t 统计 独立 即互不相关 可得 占 s f r t o m o o e i s f 栉o r l 0 e l n t f r e t 卜0 所以到达序列和本地序列的相关函数如公式 4 4 所示 胄可 f e y f f x p e 占 p f 一 j f r f 一吒 4 4 由于信号s p 和噪声 干扰 埘 f 珂o 互不相关 到达信号中的有用 信号成分s o 一 除了在信道中传输时受到了衰变外 是本地信号中有用信 号j f 的延迟序列 两者之间只存在一个相位差 o 可见 到达序列和本地 序列的互相关函数就是具有一定相位差的本地序列自相关函数 即 r f 疋 f t o 4 5 根据扩频序列相关函数的性质 当r 时 足0 一 有极大值 基站 接收端可以对到达序列和本地序列相关函数的相关峰值检测得到相关峰值对 应的相位差 这就是普通相关峰值检测算法的t d o a 的估计模型的理论基 础 图4 1 无噪声干扰情况下普通相关峰值检测算法t o o a 估计曲线 哈尔滨工程大学硕士学位论文 假设信道无噪声 扩频序列为m w 序列 周期为2 4 8 个码元 到达序列和 本地序列的相对延迟f o i o o t o 为码元宽度 相关峰值应出现在延迟1 0 0 码元处 由图4 1 可见 相关算法计算的两序列互相关曲线在延迟 1 0 0 码 元处有相关峰值出现 可以正确完成t d o a 的估计 此时信噪比为0 但是基于普通相关峰值检测算法的t d o a 估计模型的抗干扰能力较弱 在 强干扰信道环境下难于对t d o a 进行准确估计 如图4 2 所示 仿真的信噪比 为一2 5 拈 此时已经看不出峰值 估计无效 图4 2 相关法估计t d o a 失效的曲线 4 1 2g c c 算法研究 如果从信号系统处理的角度分析 到达时间差估计模型也可以看作信号 的系统识别问题 即把本地扩频序列x t 和到达扩频序列y 作为基站接收 端互相关系统的输入和输出 那么该系统的频率响应特性如公式 4 6 所示 啪一e x p 2 r f r o 篱 m 6 对系统频率响应函数日 力作傅立叶反变换 得系统的时域冲激响应 j l z r 如公式 4 7 所示 她 器侧2 蜊毋即训 阻7 其中 哈尔滨工程大学硕士学位论文 s i 足 f e x p 一d r f r d r 曲 巴 只 i 疋 f e x p 2 万 f d f m 在无信道噪声时 冲激函数w r r o 的位置就是所求的到达相位差 的 位置 复合系统的实际工作环境中 有噪声或人为干扰的存在 基站接收端 处理器的采样频率也受到器件性能的限制 有可能出现多峰值的情况 这是 由于噪声的影响而出现的误捕获 所以应该进行冲激函数的峰值检测 以确 保提取多个相关峰值的最大值 从丽提高系统的抗噪性能 所以基于g c c 法估计t d o a 的数学模型为 f o n l a x g f 4 8 f 式 4 8 中 巴 g r is 门 矿 力 e x p j 2 z r f r 矽 4 9 m 式 4 9 中 门为加权函数 主要作用是去除信道中噪声和干扰对t d o a 估计的影响 当矿 1 时 是普通相关峰值检测算法 当 d 1 时 就 是改进的g c c 法t d o a 估计模型 下面我们具体讨论适用于不同信道环境下 几种基于g c c 算法的t d o a 的估计模型 4 1 3 改进g c c 算法 根据加权函数形 d 的不同 产生了适用于不同实际信道环境下 基于 g c c 算法的t d o a 估计模型 1 r o t h 法 当加权函数 d 否 而1 时 t o a 估计模型如公式 4 1 所示 哈尔滨工程大学硕士学位论文 呼 砌 峄 j 器吲胁 f 们 在忽略噪声 干扰时 t d o a 估计模型如公式 4 1 1 所示 m a