脉冲超宽带信号应用于测控领域的可行性研究

孟祥利，侯孝民，廉　昕

(中国人民解放军装备学院，北京　101416)



脉冲超宽带信号应用于测控领域的可行性研究

孟祥利，侯孝民，廉昕

(中国人民解放军装备学院，北京101416)

摘要：脉冲超宽带通信是指利用脉宽为纳秒级的脉冲作为载体的无线通信技术，将脉冲超宽带信号应用于测控领域，能有效提高当前测控系统的隐蔽性、抗干扰性和抗截获性。根据链路预算，脉冲超宽带测控信号到达地面的功率谱密度非常低，不会对地面上的其他系统造成干扰。利用对数正态阴影衰落路径损耗模型，求得脉冲超宽带信号传输距离与信息速率的关系，证明在保证一定信息速率的前提下，脉冲超宽带测控信号能够实现远距离传输。

关键词：脉冲超宽带；链路预算；阴影衰落；测控系统

本文引用格式：孟祥利，侯孝民，廉昕.脉冲超宽带信号应用于测控领域的可行性研究[J].兵器装备工程学报，2016(7):123-126.

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

随着信息化战争的不断发展，测控系统设备的安全性日益重要。未来战争中，为了保证测控信息传输的安全可靠，取得攻防制信息权，必须采取各种有效措施来提高测控系统的隐蔽性、抗干扰性和抗截获性[1]。脉冲超宽带通信是指利用脉宽为纳秒级的脉冲作为载体的无线通信技术[2]，具有数据传输速率高、隐蔽性好、抗干扰性和抗截获性强等一系列特性[3]，如果将脉冲超宽带信号应用于测控领域，能够有效提高当前测控系统的安全性。

目前，对脉冲超宽带信号的研究主要限于短距离高速数据传输、精确定位等方面，有关超宽带通信系统的研究还没有形成规模，美军曾经做过60海里以上的超宽带通信试验，日本的KDDIR&DLABS提出过基于UWB卫星通信系统的链路模型[4]，其他的有关脉冲超宽带信号进行远距离传输的研究非常少。本文通过链路预算，以及在对数正态阴影衰落路径损耗模型下，对脉冲超宽带信号应用于测控领域的可行性进行了研究。

1脉冲超宽带信号

根据美国联邦通信委员会(federalcommunicationscommission，FCC)对超宽带信号的定义，超宽带信号是指“-10dB”功率点处的相对带宽大于20%或射频带宽大于500MHz的信号[5-6]。相对带宽η指

(1)

式中： fh、fl分别是信号频谱中-10dB功率点处对应的上、下频率点； (fh+fl)/2是信号的中心频率。

目前，超宽带信号主要分为脉冲与载波两大阵营。一类是脉冲超宽带信号(ImpulseRadio,IR-UWB)，以美国Freescale公司支持的DS-UWB为主。另外一类是载波UWB，它将整个UWB频带划分为多频带，且采用OFDM调制方式，因此又被称为多频带正交频分复用(MB-OFDM)方案[7]。由于OFDM调制方式未采用伪码调制方式，测量性能较差，且系统复杂度高，功耗较高，定位精度不高，芯片集成化难以实现，各个子信道的频谱会相互覆盖，频率偏差也会导致子信道间的信号相互干扰。相比而言，脉冲超宽带信号是较为传统的超宽带实现方式，结构相对简单，实现成本低，既能够进行测量，又可以进行信息传输，所以在测控系统中采用脉冲超宽带信号进行研究。

DS-PAM-UWB是最常见的一种脉冲超宽带信号体制，DS是指采用直扩的多址方式，用信息码与伪码序列进行模2加，得到新的发送序列，用此新的序列来控制脉冲的幅度，PAM调制是指将数据信息调制到超宽带脉冲的幅度上，设调制信息为bk,k=0,1,2,…，则PAM调制的数学表达式为

(2)

式中：p(t)表示基本脉冲信号；Tf表示脉冲周期。DS-PAM调制的信号模型的表达式为[8]

(3)

式中：dn为信源输出的二进制信息数据，下标n代表第n个数据比特；cj为伪随机码序列，周期为Ns；p(t)为单个UWB脉冲；Tf为1比特持续时间，即伪码时间周期，伪码速率为Ns/Tf；T为帧周期(脉冲重复周期)，T=Tf/Ns。

利用Matlab进行仿真，脉冲宽度Tp=2ns，伪码速率Rs=102.3Msps，伪码码长Ns=1 023，DS-PAM调制信号的时域波形和功率谱如图1所示。

图1　DS-PAM调制信号波形

2链路预算

以Ka频段作为可行的方案进行链路预算，上行信号中心频率30GHz，下行信号中心频率为27GHz，假设测控信号带宽为500MHz，以同步轨道为例，其下行链路预算结果如表1所示。

表1　脉冲超宽带测控下行链路预算

其中，以分贝为单位表示的路径损耗为

(4)

到达地面的功率谱密度为

P=EIRP-路径损耗-雨衰-链路余量=

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

-149.9 dBm/MHz

(5)

考虑地面两个相距3m的UWB设备，工作频段为3.1～10.6GHz，最大发射功率谱密度是-41.3dBm/MHz，路径损耗约60dB，接收功率谱密度-41.3-60=-101.3dBm/MHz，根据链路预算表，脉冲超宽带测控信号到达地面的功率谱密度更低一些，不会对地面上的其他系统造成干扰[4]。

3对数正态阴影衰落路径损耗模型下的分析

测控目标在飞行过程中，特别是在近地轨道中，信号在传播过程中遇到的障碍物会使信号发生随机变化，从而造成接收端接收信号功率的随机变化，此外，反射面和散射体也会造成接收信号功率的随机变化。对数正态阴影模型是最常用的描述这些随机变化的模型。

在该模型中，发射功率和接收功率的比值ψ 的分贝值服从均值为μ，标准差为σ的正态分布

(6)

发射信号功率可表示为[9-10]

(7)

则在对数正态阴影衰落的影响下，接收信号功率与传输距离的关系为

(8)

式中：α为阴影衰落因子，服从对数正态分布；Gt和Gr分别为发射天线和接收天线的增益；c为光速；d为传输距离；fH和fL为信号峰值频率-10 dB的最高频率和最低频率。

设系统接收端的余量为LM，满足判决阈值的最小信噪比为SNR，则最小接收功率为

Pr=SNR·Pn·LM

(9)

式中Pn表示接收端的热噪声功率。

设Tb为信息码的宽度，Tc为扩频码的码元宽度，则Tb=NsTc，设接收端单个脉冲的能量为EP，则单个比特的能量值为Eb=NsEp，接收端的平均功率为

P=NsEp/NsTf=Eb/Tb

(10)

接收端的平均信噪比为

(11)

式中B为等效噪声带宽。

综合以上推导，在给定误比特率条件下，信号传播距离与数据传输速率的关系可表示为

(12)

式中：(Eb/N0)thr表示信号每比特能量与噪声谱密度之比；Rb表示数据传输速率；k为玻尔兹曼常数；T0为室温(300 K)；F为热噪声系数；LM为链路余量。

采用DS-PAM-UWB信号[11]，利用Matlab进行仿真，参数设置如下：伪码采用m序列，伪码周期N=1 023，Amax=4×10-8W/Hz，Gt=40dB,Gr=20dB，α=0dB，F=6dB，LM=5dB，得到DS-PAM-UWB测控信号的信息速率与传播距离的关系如图2所示。

图2　脉冲超宽带信号的传输性能

由图2可知，在保证一定信息速率的前提下，脉冲超宽带测控信号能够实现远距离传输。

4脉冲超宽带测控系统方案

将脉冲超宽带信号应用于航天测控领域的总体方案设计如图3所示[5]。

图3　脉冲超宽带测控系统设计框架

脉冲超宽带测控系统的发射部分包括脉冲超宽带信号的产生、调制、上变频、功率放大和宽带滤波器以及发射天线；接收部分包括接收天线、宽带滤波器、低噪放大器、下变频和接收处理终端(完成信号的捕获、跟踪和解调功能)。其中，在发射端部分，脉冲超宽带信号产生后，经信息调制，输出超宽带已调信号，然后经Ka频段上变频、功率放大和宽带滤波后，被宽带天线发射出去[12]。

选择上调至Ka频段的原因是[13]，原基带信号含有较多的直流和低频分量，不利于信号的辐射，而Ka频段可用频带较宽，干扰较少，并能够有效提高测量精度，适合脉冲超宽带信号完成远距离测控通信。

5结论

将脉冲超宽带信号应用于测控领域，能有效提高当前测控系统的隐蔽性、抗干扰性和抗截获性。对脉冲超宽带信号进行了分析，然后通过链路预算，证明了脉冲超宽带信号用于测控领域的可行性，并且不会对地面系统产生干扰，通过在对数正态阴影模型下的分析，证明了脉冲超宽带信号在保证一定传输速率的条件下，能够实现远距离传输，建立了脉冲超宽带测控系统设计方案。

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(责任编辑周江川)

收稿日期：2016-02-01；修回日期：2016-03-01

作者简介：孟祥利(1991—)，男，硕士研究生，主要从事空间飞行器测控系统、脉冲超宽带技术研究。

doi:10.11809/scbgxb2016.07.027

中图分类号：V556.6；TN914.2

文献标识码：A

文章编号：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

【信息科学与控制工程】