基于偽碼測(cè)距的無(wú)線(xiàn)電高度表載波捕獲與跟蹤

1最大相對(duì)速度f(wàn)多普勒頻率位移與飛機(jī)的垂直速度有關(guān)。當(dāng)飛機(jī)與地面之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí),若無(wú)線(xiàn)電高度表發(fā)射信號(hào)的工作頻率為f式中,f根據(jù)要求,最大相對(duì)速度為90m/s。對(duì)于4300MHz的無(wú)線(xiàn)電高度表,計(jì)算得,f2fft算法的基本原理對(duì)于無(wú)線(xiàn)電高度表,在碼捕獲成功后進(jìn)入載波捕獲,估計(jì)載波多普勒頻移,迅速消除多普勒頻移的影響。載波捕獲對(duì)接收信號(hào)起頻率牽引的作用,為了迅速捕獲載波,采用FFT輔助科斯塔斯環(huán)捕獲的方法。FFT作為數(shù)字信號(hào)處理的一種算法,其優(yōu)點(diǎn)在于快速的計(jì)算和低信噪比閾值,很適合高動(dòng)態(tài)下弱信號(hào)的捕獲。首先分析一下FFT算法和科斯塔斯環(huán)。2.1快速算法設(shè)計(jì)FFT是離散傅里葉變換(DFT)的一種快速算法。DFT定義為:其中,W假設(shè)采樣率為10kHz,N=16,通過(guò)仿真可知,FFT頻譜分析同時(shí)搜索N個(gè)頻率區(qū)間。2.2傅氏算法的分辨率和動(dòng)態(tài)平衡FFT可以等效為N個(gè)濾波器組,所以,對(duì)于采樣率為f2.3fft財(cái)線(xiàn)和信號(hào)頻率對(duì)信噪比的影響對(duì)于信號(hào)頻率與FFT的譜線(xiàn)相對(duì)應(yīng)時(shí),經(jīng)過(guò)理論公式的推導(dǎo),頻域的信噪比為:其中的下標(biāo)t代表時(shí)域,f代表頻域,N為FFT點(diǎn)數(shù)。如果信號(hào)的頻率位于FFT譜線(xiàn)中間時(shí),有最小的頻域信噪比,為:其中的下標(biāo)t代表時(shí)域,f代表頻域,N為FFT點(diǎn)數(shù)。通過(guò)以上公式分析可知,信噪比增益隨FFT點(diǎn)數(shù)的增大而增大,如果信號(hào)頻率和譜線(xiàn)對(duì)應(yīng)時(shí)增益最大,隨著信號(hào)頻率遠(yuǎn)離譜線(xiàn),增益逐漸變小,當(dāng)信號(hào)頻率位于兩條譜線(xiàn)正中間時(shí),增益最小。對(duì)于1024點(diǎn)的FFT計(jì)算,最大信噪比增益為30dB,最小的信噪比增益為26dB。2.4信噪比對(duì)fft計(jì)算的影響利用MATLAB對(duì)FFT算法進(jìn)行仿真,假設(shè)多普勒頻移為3kHz,采樣率為10kHz,進(jìn)行1024點(diǎn)的FFT,信號(hào)時(shí)域信噪比分別為0dB和-12dB。經(jīng)過(guò)FFT計(jì)算后的頻譜如圖1。從圖1可知,在信噪比大于閾值時(shí),信噪比對(duì)FFT計(jì)算的頻率值不產(chǎn)生影響。-12dB可以計(jì)算出頻率值,對(duì)于無(wú)線(xiàn)電高度表系統(tǒng),信噪比遠(yuǎn)高于-12dB,所以FFT頻譜估計(jì)可以捕獲弱信號(hào)的載波。2.5同頻共振輔助捕獲載荷科斯塔斯環(huán)廣泛應(yīng)用于BPSK調(diào)制信號(hào)的解調(diào)電路中,對(duì)于BPSK調(diào)制的無(wú)線(xiàn)電高度表,選擇科斯塔斯環(huán)是一種比較好的選擇。如果載波多普勒頻率落在COSTAS環(huán)的捕獲帶內(nèi),環(huán)路就能進(jìn)入鎖定和跟蹤,但是如果落在COSTAS環(huán)的牽引頻率范圍之外,需要借助輔助方法進(jìn)行載波頻率的捕獲,無(wú)線(xiàn)電高度表系統(tǒng)采用FFT頻率引導(dǎo)方法,FFT頻率引導(dǎo)只需要一次頻率引導(dǎo)就可以捕獲比較大的多普勒頻率并且速度快、有較好的噪聲性能。本系統(tǒng)的采樣頻率為70MHz,經(jīng)過(guò)7000倍的抽取后采樣頻率降為10kHz,此時(shí)的FFT精度約為10Hz,因此一次FFT計(jì)算就可以使得載波頻差減小到10Hz以?xún)?nèi),FFT的動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)到±5kHz。具體算法為統(tǒng)計(jì)1024個(gè)連續(xù)相位差值,采用1024點(diǎn)FFT獲得其對(duì)應(yīng)頻偏,下傳頻偏控制字到載波NCO,調(diào)整本振同相正交信號(hào)的相位,構(gòu)成一個(gè)載波捕獲環(huán),使其最終達(dá)到載波的同步,完成對(duì)載波的捕獲。載波捕獲成功后,進(jìn)入到載波跟蹤。3科斯塔斯環(huán)濾波器載波跟蹤環(huán)對(duì)接收信號(hào)的頻率起到精確定位的作用,使系統(tǒng)中碼捕獲、跟蹤更快更精確。載波跟蹤環(huán)的一般方框圖如圖3所示,載波跟蹤環(huán)的預(yù)檢測(cè)積分(積分和清零)、載波環(huán)鑒別器和載波環(huán)濾波器的設(shè)計(jì)確定了載波跟蹤環(huán)的性質(zhì),確定了載波環(huán)的性能,即熱噪聲誤差和動(dòng)態(tài)應(yīng)力門(mén)限。綜合考慮動(dòng)態(tài)應(yīng)力和噪聲影響,無(wú)線(xiàn)電高度表的載波跟蹤環(huán)的鑒別器采用科斯塔斯環(huán),科斯塔斯環(huán)是PLL型的鑒別器,環(huán)路濾波器采用二階PLL的數(shù)字環(huán)路濾波器。設(shè)計(jì)中采用目前通用的科斯塔斯環(huán)路計(jì)算載波的相位偏差,進(jìn)行載波的跟蹤,主要功能包括:載波剝離、積分清洗器、載波鑒別器、環(huán)路濾波器及載波NCO等。無(wú)線(xiàn)電高度表中使用COSTAS環(huán)鑒別器見(jiàn)表1,可以看出ATANCOSTAS鑒別器在輸入誤差范圍內(nèi)的一半(±90°)區(qū)間上保持線(xiàn)性的鑒別器。實(shí)現(xiàn)的一般過(guò)程為:經(jīng)載波剝離后輸出I和Q兩支路信號(hào)到相關(guān)器和積分清洗器后得即時(shí)支路的兩路模值,分別為:其中,A′為解擴(kuò)和低通濾波后的幅度參數(shù),k為變量,通過(guò)軟件算法完成Δ準(zhǔn)的鑒別,調(diào)整本振信號(hào)的相位,使最終達(dá)到Δ準(zhǔn)=0,完成載波跟蹤。載波的相位跟蹤算法采用反正切相位鑒別算法,構(gòu)成科斯塔斯環(huán),算法表達(dá)式為:其中,φ(k)=θ無(wú)線(xiàn)電高度表的載波環(huán)鑒別器輸出的誤差信號(hào)通過(guò)環(huán)路濾波器,使得誤差信號(hào)估計(jì)更為精確,環(huán)路濾波器可以降低噪聲,它的的階數(shù)和噪聲帶寬決定了環(huán)路濾波器對(duì)信號(hào)動(dòng)態(tài)的響應(yīng)。折中考慮,載波環(huán)路濾波器采用2階PLL環(huán)路濾波器。COSTAS環(huán)熱噪聲誤差和動(dòng)態(tài)應(yīng)力誤差分別由(9)和(10)式確定:根據(jù)工程計(jì)算,噪聲帶寬設(shè)計(jì)為10Hz可以滿(mǎn)足要求。4波捕獲和跟蹤技術(shù)載波捕獲跟蹤有大量的算法,目前基于偽碼測(cè)距的無(wú)線(xiàn)電高度表的在載波捕獲時(shí)采用FFT輔助科斯塔斯環(huán)載波捕獲,一次頻率引導(dǎo)就可以捕獲比較大的多普勒頻率,根據(jù)計(jì)算一次頻率引導(dǎo)