基于偽碼測距的無線電高度表載波捕獲與跟蹤

基于偽碼測距的無線電高度表載波捕獲與跟蹤

1最大相對速度f多普勒頻率位移與飛機的垂直速度有關(guān)。當飛機與地面之間存在相對運動時,若無線電高度表發(fā)射信號的工作頻率為f式中,f根據(jù)要求,最大相對速度為90m/s。對于4300MHz的無線電高度表,計算得,f2fft算法的基本原理對于無線電高度表,在碼捕獲成功后進入載波捕獲,估計載波多普勒頻移,迅速消除多普勒頻移的影響。載波捕獲對接收信號起頻率牽引的作用,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)字信號處理的一種算法,其優(yōu)點在于快速的計算和低信噪比閾值,很適合高動態(tài)下弱信號的捕獲。首先分析一下FFT算法和科斯塔斯環(huán)。2.1快速算法設計FFT是離散傅里葉變換(DFT)的一種快速算法。DFT定義為:其中,W假設采樣率為10kHz,N=16,通過仿真可知,FFT頻譜分析同時搜索N個頻率區(qū)間。2.2傅氏算法的分辨率和動態(tài)平衡FFT可以等效為N個濾波器組,所以,對于采樣率為f2.3fft財線和信號頻率對信噪比的影響對于信號頻率與FFT的譜線相對應時,經(jīng)過理論公式的推導,頻域的信噪比為:其中的下標t代表時域,f代表頻域,N為FFT點數(shù)。如果信號的頻率位于FFT譜線中間時,有最小的頻域信噪比,為:其中的下標t代表時域,f代表頻域,N為FFT點數(shù)。通過以上公式分析可知,信噪比增益隨FFT點數(shù)的增大而增大,如果信號頻率和譜線對應時增益最大,隨著信號頻率遠離譜線,增益逐漸變小,當信號頻率位于兩條譜線正中間時,增益最小。對于1024點的FFT計算,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fft計算的影響利用MATLAB對FFT算法進行仿真,假設多普勒頻移為3kHz,采樣率為10kHz,進行1024點的FFT,信號時域信噪比分別為0dB和-12dB。經(jīng)過FFT計算后的頻譜如圖1。從圖1可知,在信噪比大于閾值時,信噪比對FFT計算的頻率值不產(chǎn)生影響。-12dB可以計算出頻率值,對于無線電高度表系統(tǒng),信噪比遠高于-12dB,所以FFT頻譜估計可以捕獲弱信號的載波。2.5同頻共振輔助捕獲載荷科斯塔斯環(huán)廣泛應用于BPSK調(diào)制信號的解調(diào)電路中,對于BPSK調(diào)制的無線電高度表,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行載波頻率的捕獲,無線電高度表系統(tǒng)采用FFT頻率引導方法,FFT頻率引導只需要一次頻率引導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7000倍的抽取后采樣頻率降為10kHz,此時的FFT精度約為10Hz,因此一次FFT計算就可以使得載波頻差減小到10Hz以內(nèi),FFT的動態(tài)范圍可達到±5kHz。具體算法為統(tǒng)計1024個連續(xù)相位差值,采用1024點FFT獲得其對應頻偏,下傳頻偏控制字到載波NCO,調(diào)整本振同相正交信號的相位,構(gòu)成一個載波捕獲環(huán),使其最終達到載波的同步,完成對載波的捕獲。載波捕獲成功后,進入到載波跟蹤。3科斯塔斯環(huán)濾波器載波跟蹤環(huán)對接收信號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)的預檢測積分(積分和清零)、載波環(huán)鑒別器和載波環(huán)濾波器的設計確定了載波跟蹤環(huán)的性質(zhì),確定了載波環(huán)的性能,即熱噪聲誤差和動態(tài)應力門限。綜合考慮動態(tài)應力和噪聲影響,無線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。設計中采用目前通用的科斯塔斯環(huán)路計算載波的相位偏差,進行載波的跟蹤,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。無線電高度表中使用COSTAS環(huán)鑒別器見表1,可以看出ATANCOSTAS鑒別器在輸入誤差范圍內(nèi)的一半(±90°)區(qū)間上保持線性的鑒別器。實現(xiàn)的一般過程為:經(jīng)載波剝離后輸出I和Q兩支路信號到相關(guān)器和積分清洗器后得即時支路的兩路模值,分別為:其中,A′為解擴和低通濾波后的幅度參數(shù),k為變量,通過軟件算法完成Δ準的鑒別,調(diào)整本振信號的相位,使最終達到Δ準=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),算法表達式為:其中,φ(k)=θ無線電高度表的載波環(huán)鑒別器輸出的誤差信號通過環(huán)路濾波器,使得誤差信號估計更為精確,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)路濾波器對信號動態(tài)的響應。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)熱噪聲誤差和動態(tài)應力誤差分別由(9)和(10)式確定:根據(jù)工程計算,噪聲帶寬設計為10Hz可以滿足要求。4波捕獲和跟蹤技術(shù)載波捕獲跟蹤有大量的算法,目前基于偽碼測距的無線電高度表的在載波捕獲時采用FFT輔助科斯塔斯環(huán)載波捕獲,一次頻率引導就可以捕獲比較大的多普勒頻率,根據(jù)計算一次頻率引導