專利名稱：基于直接序列擴頻的單脈沖跟蹤系統及其方法
技術領域：
本發明涉及一種通信技術領域，特別是涉及一種基于直接序列擴頻的單脈沖跟蹤系統及其方法。
背景技術：
單脈沖雷達屬于波瓣法測角，這種雷達只需要比較各波束接收的同一個回波脈沖，就可以獲得目標位置的全部信息，這也就是“單脈沖”這一術語的來源。當然這里并不是指只發射一個脈沖，而是發射一串脈沖，誤差信息只需要一個回波脈沖就能提取。單脈沖雷達的跟蹤原理是用幾個獨立的接收機來同時接收目標的回波信號，然后將這些信號的參數加以比較，從中獲取角誤差信息。因而，單脈沖雷達實現跟蹤的時間短，測量精度高，抗干擾能力強。
直接序列擴頻(Direct Sequence Spread Spectrum,簡稱DS)是擴頻通信中的一種技術，就是直接用具有高碼率的擴頻碼序列在發送端去擴展信號的頻譜，而在接收端用相同的擴頻碼序列去進行解擴，把展寬的擴頻信號還原成原始的信息。DS具有很多優點，t匕如抗干擾、抗噪音、抗多徑衰落、保密性好、功率譜密度低、隱蔽性和低截獲概率。基于直接擴頻序列的單脈沖跟蹤系統既有DS系統的優點，又兼具單脈沖跟蹤系統的特點。行業內沒有基于直接擴頻序列的單脈沖跟蹤系統，沒有設計FPGA (Field —Programmable Gate Array,即現場可編程門陣列)程序及核心代碼,不能根據開發需要進行自主編譯和修改。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種基于直接序列擴頻的單脈沖跟蹤系統及其方法，其實現基于直接擴頻序列的單脈沖跟蹤，可修改、升級和移植。本發明是通過下述技術方案來解決上述技術問題的一種基于直接序列擴頻的單脈沖跟蹤系統，其特征在于，其包括發射端和接收端，發射端與接收端連接，接收端包括接收天線、第一伺服系統、第二伺服系統、第一數模轉換模塊、第二數模轉換模塊、第三數模轉換模塊、第一解調模塊、第一解擴模塊、第二解調模塊、第二解擴模塊、單脈沖跟蹤模塊，接收天線與第一伺服系統、第二伺服系統連接，第一伺服系統與第一數模轉換模塊、第二數模轉換模塊連接，第一數模轉換模塊與第一解調模塊連接，第一解調模塊與第一解擴模塊連接，第二數模轉換模塊與第二解調模塊連接，第一解擴模塊、第二解擴模塊、第三數模轉換模塊都與單脈沖跟蹤模塊連接，第三數模轉換模塊還與第二伺服系統連接，發射端包括直接序列擴頻模塊、BPSK調制模塊和發射天線，直接序列擴頻模塊與BPSK調制模塊連接，BPSK調制模塊還與發射天線連接。優選地，所述第一解調模塊、第一解擴模塊、第二解調模塊、第二解擴模塊、單脈沖跟蹤模塊都位于一個FPGA芯片內。優選地，所述第一解擴模塊、第二解擴模塊都包括依次順序連接的捕獲模塊、跟蹤模塊、鎖定判決模塊和恢復模塊。本發明還提供一種基于直接序列擴頻的單脈沖跟蹤系統的跟蹤方法，其特征在于，該方法采用如上述的基于直接序列擴頻的單脈沖跟蹤系統，該方法包括以下步驟SI、數據鏈路中經過編碼組幀后的輸入數據信息通過直接序列擴頻模塊產生IQ兩路擴頻同步信號，經過BPSK調制模塊的內插、濾波、混頻將IQ兩路擴頻信號混成一路信號，最終由上變頻后的發射天線發送到空間無線鏈路；S2、接收天線在一個角平面內有兩個極子并接收發射天線發出的一路信號產生兩個部分重疊的波束，第一伺服系統將這兩個波束同時接收到的信號進行和、差處理得到和路 目號及差路 目號；
S3、和路信號及差路信號經第一解調模塊和第二解調模塊解調后得到基帶和路相位信號及基帶差路相位信號；S4、基帶和路相位信號、基帶差路相位信號經第一解擴模塊、第二解擴模塊的解擴后，完成擴頻同步碼的解擴；S5、基帶和路相位信號的兩路相位信號在解擴后得到相位信息分別為第一和相位信息、第二和相位信息；同樣的，基帶差路相位信號的兩路相位信號在解擴后得到分別得到為第一差相位信息、第二差相位信息，單脈沖跟蹤模塊根據第一和相位信息、第二和相位信息、第一差相位息、第二差相位息分別計算出和路幅度和差路幅度、和路相位和差路相位，再根據和路幅度和差路幅度、和路相位和差路相位計算出第二伺服方位上的控制指令和第二伺服俯仰上的控制指令；S6、第三數模轉換模塊將方位上的控制指令和俯仰上的控制指令轉換成誤差控制電壓并發送給第二伺服系統，控制接收天線的方位和俯仰的轉動方向。本發明的積極進步效果在于本發明的單脈沖跟蹤模塊實現了解擴以后目標的方位、俯仰跟蹤；采用半個碼片半個碼片的捕獲，增加了捕獲的有效性；鎖定后仍然判定是否失鎖，失鎖后便重新按照條件捕獲；捕獲門限和跟蹤門限隨輸入信號的幅度變化而變化，簡化了自適應門限技術；本發明支持的最高碼速率可以達到20MHz，系統支持的最高速率根據硬件條件的提高而增大；對于不同速率不同資源應用環境，可以針對不同的系統要求進行自行配置。FPGA芯片編寫的程序代碼采用線性可執行文件格式(LE)存儲，資源占用低。擴頻序列、擴頻碼及擴頻速率可以自行修改，保持了較高的易配置性，可修改和編譯，可根據需要配置進行升級，也可以移植到其他系列的FPGA芯片中。
圖I為本發明基于直接序列擴頻的單脈沖跟蹤系統的原理框圖。圖2為本發明中發射端的原理框圖。圖3為本發明中解調解擴模塊的原理框圖。圖4為本發明中天線軸向波束的示意圖。圖5為本發明中天線軸向的和波束的示意圖。圖6為本發明中天線軸向的差波束的示意圖。圖7為本發明中匹配濾波結構的原理框圖。圖8為本發明中跟蹤模塊的原理框圖。
具體實施例方式下面結合附圖給出本發明較佳實施例，以詳細說明本發明的技術方案。如圖I和圖2所示，本發明基于直接序列擴頻的單脈沖跟蹤系統包括發射端和接收端，發射端與接收端連接，接收端包括接收天線、第一伺服系統、第二伺服系統、第一數模轉換模塊、第二數模轉換模塊、第三數模轉換模塊、第一解調模塊、第一解擴模塊、第二解調模塊、第二解擴模塊、單脈沖跟蹤模塊，接收天線與第一伺服系統、第二伺服系統連接，第一伺服系統與第一數模轉換模塊、第二數模轉換模塊連接，第一數模轉換模塊與第一解調模塊連接，第一解調模塊與第一解擴模塊連接，第二數模轉換模塊與第二解調模塊連接，第一解擴模塊、第二解擴模塊、第三數模轉換模塊都與單脈沖跟蹤模塊連接，第三數模轉換模塊還與第二伺服系統連接，發射端包括直接序列擴頻模塊、BPSK (Binary Phase ShiftKeying, 二進制移相鍵控)調制模塊和發射天線，直接序列擴頻模塊與BPSK調制模塊連接，BPSK調制模塊還與發射天線連接。第一解調模塊、第一解擴模塊、第二解調模塊、第二解擴模塊、單脈沖跟蹤模塊都位于一個FPGA (Field — Programmable Gate Array,即現場可編 程門陣列)芯片內。接收天線和發射天線都可以是單脈沖雷達天線。本發明根據發射端擴頻的序列信息，在接收端用接收天線接收，對接收到的信息在FPGA芯片內進行解算，得到目標的方位和俯仰控制信息，通過第二伺服系統控制接收天線，從而達到跟蹤目標的目的。本發明主要在FPGA芯片內完成解調、解擴、單脈沖跟蹤，最后完成對方位和俯仰信息的解析。本發明基于直接序列擴頻的單脈沖跟蹤系統的跟蹤方法包括以下步驟SI、數據鏈路中經過編碼組幀后的輸入數據信息data_in通過直接序列擴頻模塊產生IQ兩路擴頻同步信號，即I路發送擴頻同步信號和Q路發送擴頻同步信號，I路、Q路兩路發送擴頻同步信號的起始位置相同，經過BPSK調制模塊的內插、濾波、混頻將IQ兩路擴頻信號混成一路信號，最終由上變頻后的發射天線發送到空間無線鏈路。S2、接收天線在一個角平面內有兩個極子并接收發射天線發出的一路信號產生兩個部分重疊的波束，如圖4所示。第一伺服系統將這兩個波束同時接收到的信號進行和、差處理，圖5和圖6所示為天線軸向的和、差波束，分別對應和信號、差信號，經過下變頻處理得到中頻的和路信號及差路信號。如圖4所示，若目標位于天線軸線方向，即目標的誤差角￡=0，則兩個波束各自接受到的回波信號振幅相同，兩者的差信號振幅為O。如果目標有一個誤差角￡，例如偏在波束I方向，則波束I接收到的信號振幅大于波束2的信號振幅，且差信號的振幅與誤差角￡成正比。如果目標偏離在天線軸線的另外一側，則兩波束接收信號振幅差值的符號將會改變，即差信號的相位將改變。所以差信號的振幅表示目標誤差角￡的大小，而差信號的相位，則與兩波束接收信號之和(和信號)同相或反相，從而表示了目標在該平面內偏離天線軸線的方向。圖6中“+”表示該方向上的差信號與和信號同相，
表示該方向上的差信號與和信號反相。S3、和路信號及差路信號經第一解調模塊和第二解調模塊解調后得到基帶和路相位信號及基帶差路相位信號，基帶和路相位信號包括Idata、Qdata兩路相位信號。S4、基帶和路相位信號、基帶差路相位信號經第一解擴模塊、第二解擴模塊的解擴后，完成擴頻同步碼的解擴。如圖3所示，第一解擴模塊、第二解擴模塊都包括依次順序連接的捕獲模塊、跟蹤模塊、鎖定判決模塊和恢復模塊。下面詳細對S3的解擴進行詳細介紹(以基帶和路相位信號的Idata、Qdata兩路相位信號為例)，具體包括以下步驟S41、Idata、Qdata兩路相位信號選取其有效信息，送給捕獲模塊作相關處理，采用匹配濾波結構進行相關，見圖7，捕獲模塊采用雙值相關，一個發送擴頻序列碼元在接收端用兩個相同的本地擴頻序列碼片進行相關求和，取Idata與Qdata兩路相位信號的3位有效數據分別通過匹配濾波結構，IQ兩路信號各得到2M個相關和，然后將產生的兩個幅度值相加，即為捕獲模塊的相關值。因為發射端的擴頻同步碼具有周期，因而接收端相關峰出現也具有周期性，捕獲的相關值同選定的判決門限Pl比較，大于門限的為相關峰值，在下一個周期的同樣位置還出現相關峰值大于門限，通過駐留式捕獲得到捕獲電平信號DKS42、在捕獲電平信號Dl有效的情況下，本地采用相同的擴頻序 列,通過恢復出來的擴頻碼時鐘Clk_code使接收到的信號相位延遲，得到一個超前相位、一個滯后相位和一個同步相位D2，見圖8。采用相同的匹配濾波結構，跟蹤模塊將Idata與Qdata兩路相位信號的10位的IQ相位有效信息，超前半個碼片、滯后半個碼片分別通過匹配濾波得到各自的相關值(即瞬時相位)，改變鑒相器，利用接收信號和本地參考信號兩個不同相位(超前和滯后)之間的相關值，將兩個瞬時相位做，通過LF (低通濾波器)，濾除高頻，消除噪聲，提高環路穩定性，濾波結果作為控制字送給NCO (數控振蕩器)，NCO根據控制字的數值恢復出擴頻碼的擴頻碼時鐘Clk_Code，得到輸入信息的超前、滯后、同步相位，從而完成碼環。產生的同步相位D2，即恢復出的擴頻序列相位，其值由I到2M循環，給鎖定判別模塊。同步相位與輸入進來Idata與Qdata兩路相位信號的10位的IQ相位有效信息分別通過匹配濾波，求和得到同步相關值D3，送給鎖定判別模塊，用于判斷是否鎖定。S43、兩個門限值分高中低三級輸入給鎖定判別模塊，分別為P2，P3，P2為鎖定判決門限，P3為失鎖判決門限，使鎖定不因為突發錯誤而丟失，失鎖判決門限P3值比鎖定判決門限P2值小。根據同步相關值D3大于鎖定判決門限P2，并且在同步相位D2的固定位置上出現，該位置如果一直大于鎖定判決門限P2，則產生鎖定信號Lock。反之，若出現小于鎖定判決門限P2的情況，則與失鎖判決門限P3比較，如果小于鎖定判決門限P2且大于失鎖判決門限P3超過16次，則產生失鎖信號L0st_sig。失鎖信號L0st_sig送給捕獲模塊，使其重新捕獲。鎖定信號Lock送給恢復模塊。另外，為了完成環路的完整性，判決捕獲電平信號Dl如果在80ms內沒有捕獲上，則產生一個全局復位reset_all分別送給捕獲、跟蹤和鎖定判別模塊，用以保障系統能恢復。S44、恢復模塊根據鎖定后的同步相位D2和恢復出來的擴頻碼時鐘Clk_code，對輸入Idata和Qdata兩路相位信號的12位相位有效信息進行同步相關求和運算，比較獲得相關結果，根據相關峰值最大者確定該數值就是發送端發送的數據值，恢復出數據信息。S5、單脈沖跟蹤模塊實現單脈沖跟蹤。基帶和路相位信號的兩路相位信號Idata、Qdata在解擴后得到相位信息分別為第一和相位信息I_he、第二和相位信息Q_he ;同樣的，基帶差路相位信號的兩路相位信號在解擴后得到分別得到為第一差相位信息I_cha、第二差相位 目息Q_cha。單脈沖跟蹤模塊根據第一和相位信息I_he、第二和相位信息Q_he、第一差相位信息I_cha、第二差相位信息Q_cha分別計算出和路幅度Fl和差路幅度F2、和路相位Φ I和差路相位Φ2。根據公式(1)，經濾波處理后，得到方位(左右方向)上的方位上的控制指令Λ方。
Λ 方=F2*cos(01_0 2)/Fl................................................式(I)同樣道理，對俯仰和路信號、俯仰差路信號進行分析，得到的俯仰(上下方向)上的控制指令△俯。方位的控制指令和俯仰上的控制指令都是給第二伺服系統的。S6、第三數模轉換模塊將方位上的控制指令和俯仰上的控制指令轉換成誤差控制電壓并發送給第二伺服系統，控制接收天線的方位和俯仰的轉動方向，方位上的控制指令轉換成的誤差控制電壓為方位誤差控制電壓，方位誤差控制電壓送給第二伺服系統的方位電機，控制接收天線的方位的轉動方向。方位誤差控制電壓為正值，則沿方位順時針轉動，方位誤差控制電壓為負值，則沿著逆時針轉動；數值越大，轉動的越劇烈。同理，對于俯仰誤差控制電壓做同樣的處理，即控制接收天線的俯仰的轉動方向。方位與俯仰通過分時來完成對接收天線的控制，從而達到跟蹤目標的目的。本領域的技術人員可以對本發明進行各種改型和改變。因此，本發明覆蓋了落入 所附的權利要求書及其等同物的范圍內的各種改型和改變。
權利要求
1.一種基于直接序列擴頻的單脈沖跟蹤系統，其特征在于，其包括發射端和接收端，發射端與接收端連接，接收端包括接收天線、第一伺服系統、第二伺服系統、第一數模轉換模塊、第二數模轉換模塊、第三數模轉換模塊、第一解調模塊、第一解擴模塊、第二解調模塊、第二解擴模塊、單脈沖跟蹤模塊，接收天線與第一伺服系統、第二伺服系統連接，第一伺服系統與第一數模轉換模塊、第二數模轉換模塊連接，第一數模轉換模塊與第一解調模塊連接，第一解調模塊與第一解擴模塊連接，第二數模轉換模塊與第二解調模塊連接，第一解擴模塊、第二解擴模塊、第三數模轉換模塊都與單脈沖跟蹤模塊連接，第三數模轉換模塊還與第二伺服系統連接，發射端包括直接序列擴頻模塊、BPSK調制模塊和發射天線，直接序列擴頻模塊與BPSK調制模塊連接，BPSK調制模塊還與發射天線連接。
2.如權利要求I所述的基于直接序列擴頻的單脈沖跟蹤系統，其特征在于，所述第一解調模塊、第一解擴模塊、第二解調模塊、第二解擴模塊、單脈沖跟蹤模塊都位于一個FPGA芯片內。
3.如權利要求2所述的基于直接序列擴頻的單脈沖跟蹤系統，其特征在于，所述第一解擴模塊、第二解擴模塊都包括依次順序連接的捕獲模塊、跟蹤模塊、鎖定判決模塊和恢復模塊。
4.一種基于直接序列擴頻的單脈沖跟蹤系統的跟蹤方法，其特征在于，該方法采用如權利要求3所述的基于直接序列擴頻的單脈沖跟蹤系統，該方法包括以下步驟 .51、數據鏈路中經過編碼組幀后的輸入數據信息通過直接序列擴頻模塊產生IQ兩路擴頻同步信號，經過BPSK調制模塊的內插、濾波、混頻將IQ兩路擴頻信號混成一路信號，最終由上變頻后的發射天線發送到空間無線鏈路； . 52、接收天線在一個角平面內有兩個極子并接收發射天線發出的一路信號產生兩個部分重疊的波束，第一伺服系統將這兩個波束同時接收到的信號進行和、差處理得到和路信號及差路/[目號； .53、和路信號及差路信號經第一解調模塊和第二解調模塊解調后得到基帶和路相位信號及基帶差路相位信號； .54、基帶和路相位信號、基帶差路相位信號經第一解擴模塊、第二解擴模塊的解擴后，完成擴頻同步碼的解擴； .55、基帶和路相位信號的兩路相位信號在解擴后得到相位信息分別為第一和相位信息、第二和相位信息；同樣的，基帶差路相位信號的兩路相位信號在解擴后得到分別得到為第一差相位信息、第二差相位信息，單脈沖跟蹤模塊根據第一和相位信息、第二和相位信息、第一差相位息、第二差相位息分別計算出和路幅度和差路幅度、和路相位和差路相位，再根據和路幅度和差路幅度、和路相位和差路相位計算出方位上的控制指令和俯仰上的控制指令； .56、第三數模轉換模塊將方位上的控制指令和俯仰上的控制指令轉換成誤差控制電壓并發送給第二伺服系統，控制接收天線的方位和俯仰的轉動方向。
全文摘要
本發明公開了一種基于直接序列擴頻的單脈沖跟蹤系統及其方法，該系統包括發射端和接收端，發射端與接收端連接，接收端包括接收天線、第一伺服系統、第二伺服系統、第一數模轉換模塊、第二數模轉換模塊、第三數模轉換模塊、第一解調模塊等元件，接收天線與第一伺服系統、第二伺服系統連接，第一伺服系統與第一數模轉換模塊、第二數模轉換模塊連接，第一數模轉換模塊與第一解調模塊連接，第一解調模塊與第一解擴模塊連接，第二數模轉換模塊與第二解調模塊連接，第一解擴模塊、第二解擴模塊、第三數模轉換模塊都與單脈沖跟蹤模塊連接，第三數模轉換模塊還與第二伺服系統連接。本發明實現基于直接擴頻序列的單脈沖跟蹤，可修改、升級和移植。
文檔編號H04B1/7073GK102882548SQ201210358489
公開日2013年1月16日 申請日期2012年9月21日 優先權日2012年9月21日
發明者李佳, 石吉利, 王洋, 張展宇, 王脂丹, 郭星明 申請人:中國航空無線電電子研究所