一种软件定义的伪码体制高度表信号收发处理机设计

杨芸

（中国电子科技集团公司第十研究所 四川省成都市 610000）

1 引言

无线电高度表可用于测量飞行器相对于地面的相对高程，是飞行器设备中的重要组成部分，广泛应用于航空、航天的各个领域。按照波形体制来区分，可分为伪码体制、调频连续波体制、脉冲体制三种。当前无线电高度表研制工作对于复杂地形、飞机姿态变化下高程测量精度、连续性、可靠性和低截获能力提出了很高的要求，为了应对快速变化的工作环境及多变的功能性能需求，需要研制过程实现故障准确定位、新能力快速验证和部署，而现有的无线电高度表研制流程不能满足这一要求。

软件无线电技术可极大的提高无线系统设计的灵活性、可重用性，可实现新技术的快速验证和部署，可满足无线电高度表产品开发对灵活性、敏捷性的要求，在卫星导航等领域获得广泛应用。软件无线电由软件定义的数字信号处理和软件可配置的模拟射频前端两部分组成。在选定模拟射频前端后，软件定义的数字信号处理部分开发可分为两个步骤：第一是在指定的采样率、带宽和环境下，个人电脑(PC)上开发、调试、优化信号处理算法，使得程序调试、可视化更加容易实现，在这个阶段，信号调制解调均在PC上进行，为实验和测试新算法提供了巨大的灵活性。第二步是将上述高层级浮点算法在实际产品环境中进行重新编程，需要考虑产品尺寸、重量、功耗和成本约束，当板上硬件和嵌入式处理器被重新编程以实现专用通信和信号处理算法时，此时真正实现了软件定义。论文将软件无线电开发流程引入到无线电高度表开发过程中，论文主要关注软件无线电开发的第一个步骤。

论文以伪码体制高度表为例，提出了基于软件无线电的高度表收发机设计技术，可实现波形仿真、回波模拟、高程测量，同时具备与软件无线电平台交互中频信号的能力，在真实的射频环境下对无线电高度表波形、测高算法的验证，从而实现无线电测高技术进行快速迭代升级和验证。论文组织结构如下：第一部分介绍了国内外现状和科学问题，第二节给出了软件定义的伪码体制高度表收发机的设计方案，第三节给出了无线电高度表回波模拟方法，第四节给出了信号处理和测高算法方案，第五节是仿真验证，第六节是结论。

2 收发处理机方案设计

基于软件无线电的伪随码体制高度表收发机设计如图1所示，信号收发机设计不必考虑天线处理和射频收发器变频过程，这是由于这部分一般由可配置的射频前端硬件实现，仿真系统直接在中频信号阶段进行波形仿真和数字处理，即完成软件定义的收发信号处理机仿真，便于进行波形体制研究和测高算法研发。除仿真外，软件定义的信号收发处理机也具备与实际射频前端硬件交互中频信号的能力，具备在真实射频环境下测试无线电高度表功能、性能的潜力。

图1：软件定义的伪码体制高度表信号收发处理机

软件定义无线电高度表收发处理机的处理流程如下：首先对伪随码体制高度表发射中频信号进行模拟，发射信号波形为伪随机码调制正弦载波；接着，根据信号发射功率、发射信号载波相位及伪码相位、飞机高程数据、反射面特性等参数对接收中频信号进行仿真；在获取中频信号后，进行信号捕获处理，获得载波频率和伪随码相位的粗略估计，并用于初始化信号跟踪环路，进入信号跟踪阶段，完成对接收信号载波相位、频率和伪码相位的精细估计；随后，根据收发信号的伪码相位差，可获得信号从发射到接收的时间延迟，经过数学运算后即可获得对地高程。将高程测量功能给出的对地高程与预先设定的高程进行比较，即可获得测高误差，用于对算法测量精度进行评估。

3 回波信号仿真

3.1 发射波形模拟

伪码体制高度表波形为伪随机序列调制载波，其信号波形的数学表达式y(t)为：

其中，A代表信号幅度，x(·)代表频率为f、码长为L的伪随机码，f代表模拟中频频率，t代表时间，φ代表载波初相。其中，信号幅度A与发射功率P之间的关系为：

3.2 回波参数模拟

发射信号在经过空间传播、地面发射后，被高度表功能接收链路接收，信号幅度会发生衰减，信号中会额外引入噪声项，载波相位和伪码相位会发生延迟。综合考虑以上几方面因素，可得无线电高度表接收信号波形y(t)为：

其中，A代表接收信号幅度，τ代表信号传输延迟，n(·)代表接收机热噪声。回波信号模拟核心在于确定τ、A、n(t)的计算方法。假定t时刻对地高程为H(t)，光速为c，则信号传输延迟τ为：

回波信号衰减L的估算方法为：

其中，G代表天线增益，λ为载波波长，σ(0)代表反射面雷达截面积，根据经验，工作在C波段无线电高度表的σ(0)推荐值为-20dB。接收信号功率P为：

则接收信号幅度为：

热噪声主要是由接收机背景噪声引起，其功率P计算方法为：

其中，k为玻尔兹曼常数，取值为1.38×10J/K，T代表环境温度，单位是开尔文，可选择为290K，B为中频滤波器带宽。将热噪声建模为高斯白噪声，根据噪声功率P值即可完成对n(t)的模拟。

4 回波接收处理

4.1 信号捕获

信号捕获的主要目的是为了获取接收信号的伪码相位及载波多普勒的粗略估计值，手段是将本地信号与接收信号进行基带相关运算，采用开环搜索的形式实现。论文拟采用并行码相位信号捕获方法，对载波频率进行顺序搜索、伪码频率进行并行搜索，其结构图如图2所示，首先将接收中频信号与本地同相(i)、正交载波(q)进行混频，得到信号的同相(I)、正交(Q)成分，二者组成复数正交信号并进行傅里叶变换；然后本地伪码发生器产生本地伪随机码序列，并对伪码序列进行傅里叶变换，对变换结果取复共轭；接着对上述两个傅里叶变换结果进行相乘，并求其傅里叶变换，傅里叶逆变换结果模值的平方即是基带相关结果，将其与门限进行比较即可判断是否捕获到信号。

图2：并行码相位捕获方法原理图

4.2 信号跟踪

信号跟踪的主要目的是为了获取接收信号的伪码相位及载波多普勒的精确估计值，手段是采用基于反馈控制系统的载波和码跟踪环路，载波环采用锁频环辅助锁相位环（FLLassisted-PLL），伪码环采用延迟锁定环（DLL），二者具类似的结构，差异在于鉴别器类型、环路参数不同。首先输入中频信号与本地i、q载波进行混频，得到基带信号I、Q成分，然后I、Q信号分别于本地超前I、及时(P)、滞后码(L)进行基带相关器运算，E、P、L码之间码相位依次滞后d/2码片，d为前后相关器间距，从而得到同相超前(I)、同相及时(I)、同相滞后(I)、正交超前(Q)、正交及时(Q)、正交滞后(Q)六路相关值。在FLL-assisted-PLL而言，载波鉴频器和鉴相器根据I、Q可计算出本地载波和接收载波的相位和频率误差，送入载波环路滤波器，载波环滤波器据此计算本地载波频率调整量，尽量消除载波跟踪误差，使接收载波和本地载波频率和相位保持一致。同理，伪码环利用相似的原理消除本地码和接收码频率及相位差，实现对码相位和频率的跟踪。当信号跟踪环路进入锁定状态时，跟踪误差近似为0，此时本地生成的载波、伪码参数可视作对接收载波、伪随码参数的估计值。

信号跟踪环路结构图如图3所示。

图3：信号跟踪环路结构图

4.3 测高处理

其中，rem(z, z)代表取z÷z的余数。

5 仿真结果

5.1 仿真配置

仿真系统搭建完成后，对伪码体制高度表收发处理过程进行仿真，其信号参数设置如表1所示。

表1：信号仿真参数

对飞行高程进行模拟，假设初始对地高程为8000m，并以5m/s的高程变化率连续运行20s，研究在存在一定动态的情况下伪码体制高度表功能及性能。对地高程变化如图4所示。

图4：高程数据仿真

5.2 信号处理结果

对伪码体制高度表接收链路的信号进行捕获和跟踪处理，获得载波多普勒、码相位等信号参数。信号捕获、跟踪的参数配置如表2所示。

表2：信号处理参数配置

图5展示了信号捕获结果，多普勒频率数轴和码相位数轴构成了不同信号参数组合，相关值数轴则代表不同参数的本地信号与接收信号进行相关器处理后的结果，当本地信号参数与接收信号参数对齐时出现了相关峰，相关峰对应的本地信号参数即是对接受信号参数的粗略估计，并可用于后续初始化跟踪环路。

图5：信号捕获结果

图6展示了信号跟踪的结果，包含载波环和码环，其中环路更新周期为1ms，总共处理20s数据，因此共有20000个历元。从基带相关值、频率控制字、跟踪误差变化可知，在获取粗略的捕获结果后，跟踪环路通过调整本地信号频率，使本地信号相位与接收信号相位对齐，使载波和码跟踪误差均在0附近波动，代表环路完成了对接收信号的跟踪。

图6：信号跟踪结果

在完成信号跟踪后，利用4.3节的算法计算对地高程，并将无线电高度表测量的高程和预设的高程进行对比，即可获得测高误差。图7展示了高程测量误差结果，由图可知，测高误差在0附近波动，波动呈现噪声特性，从而验证了伪码体制高度表收发机信号处理及测高算法的正确性。若在测高算法中运用滤波的手段进行处理，则可进一步提升测量精度。

图7：高程测量误差

6 结论

6.1 总结

论文研究工作总结如下：

（1）提出了软件定义的伪码体制无线电高度表收发机方案，将软件无线电设计流程引入无线电高度表开发中，在PC上完成测高算法研制，既可以根据仿真参数完成完整的波形发生、回波模拟以及信号接收处理流程，也具备与实际软件无线电平台进行交互的能力，具备在真实射频环境下验证算法功能性能的潜力，同时保证了设计灵活性、敏捷性。

（2）给出了伪码体制无线电高度表波形发生、回波模拟、信号捕获和跟踪处理方法，其中回波模拟的思路可推广至其他体制的无线电高度表，通过仿真实验验证了波形发生、回波模拟、信号处理三个环节的有效性。

论文研究工作可为无线电高度表研制工作提供有益的参考。

6.2 展望

未来将在以下几方面开展工作：

（1）完善回波模拟方法，考虑到飞行姿态、天线方向图、实际地形（如：多路径、地面杂波、多反射点）等因素影响，模拟实际环境下无线电高度表回波信号；

（2）开展软件定义调频连续波、脉冲体制无线电高度表收发机设计工作，便于在各种场景下比较不同体制高度表性能差异，指导体制选择、体制创新设计、测高算法创新设计；

（3）开展软件定义伪码体制无线电高度表收发机与实际软件无线电平台交互的工作，在真实射频环境下测试各种体制高度表性能。