基于高動態(tài)PCM/FM信號模型的信號傳輸方法及信號模型模擬方法與流程

本發(fā)明涉及一種基于高動態(tài)pcm/fm信號模型的信號傳輸方法及信號模型模擬方法，屬于航天測控通信、遙控遙測、衛(wèi)星通信技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

pcm/fm信號體制具有很強(qiáng)的抗噪聲、抗多徑衰落、抗相位干擾等能力；此外還具有發(fā)射效率高、格式靈活多變、易于在收發(fā)端進(jìn)行數(shù)據(jù)加工和處理等優(yōu)點(diǎn)，并且與數(shù)字技術(shù)及大規(guī)模集成技術(shù)的飛速發(fā)展相適應(yīng)，還能直接與計(jì)算機(jī)終端連接進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和管理控制，因此pcm/fm信號體制被廣泛應(yīng)用。無論是航天測控通信、遙控遙測還是衛(wèi)星通信領(lǐng)域，pcm/fm接收機(jī)均工作在高動態(tài)環(huán)境下。為了測試和驗(yàn)證接收機(jī)對多普勒效應(yīng)的處理能力，研制可以為其提供高動態(tài)仿真環(huán)境的pcm/fm信號模擬器具有十分重要的意義。

當(dāng)前研究主要集中在對pcm/fm信號調(diào)制方法的研究，對高動態(tài)環(huán)境下pcm/fm信號的模擬較少。在需要模擬高動態(tài)pcm/fm信號時，均是直接給出信號模型，沒有考慮基帶數(shù)據(jù)信號動態(tài)對pcm/fm信號動態(tài)模擬的影響，致使信號模擬精度不高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于高動態(tài)pcm/fm信號模型的信號傳輸方法及信號模型模擬方法，該方法所基于的pcm/fm信號模型，考慮pcm/fm基帶數(shù)據(jù)信號的動態(tài)所引起的載波相位變化，提高了信號模擬精度，適用于高動態(tài)環(huán)境下信號的傳輸。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種基于高動態(tài)pcm/fm信號模型的信號傳輸方法，具體過程為：

首先，根據(jù)高動態(tài)pcm/fm信號模型，生成高動態(tài)pcm/fm信號s(t)；

其中，a為信號幅度，fr為發(fā)射頻率，kf為調(diào)制常數(shù)，m′(t)為基帶信號，v(t)為信號源相對接收機(jī)的徑向運(yùn)動速度，c為光速；

其次，輸出所述高動態(tài)pcm/fm信號，實(shí)現(xiàn)信號的傳輸。

一種高動態(tài)pcm/fm信號模型的模擬方法，具體過程為：

(一)分別計(jì)算調(diào)頻相位pfm和載波相位pc；

所述調(diào)頻相位pfm的計(jì)算過程為：

(1)根據(jù)數(shù)據(jù)速率rb和數(shù)據(jù)多普勒速率rb_d(t)，計(jì)算得到數(shù)據(jù)相位pb；

(2)利用數(shù)據(jù)相位pb對已存儲的數(shù)據(jù)或指令序列d[n]進(jìn)行關(guān)系映射，使所述序列d[n]按照數(shù)據(jù)相位pb尋址輸出；

(3)將輸出的序列d[n]進(jìn)行濾波得到基帶信號m′(t)；

(4)將基帶信號m′(t)乘上調(diào)頻常數(shù)kf，再加上調(diào)頻多普勒頻率ffm_d(t)，然后進(jìn)行積分得到調(diào)頻相位pfm；

所述載波相位pc的計(jì)算過程為：

根據(jù)載波頻率fc和載波多普勒頻率fc_d(t)，計(jì)算載波相位pc；

(二)將調(diào)頻相位pfm和載波相位pc相加，然后經(jīng)過余弦映射得到pcm/fm信號；

s(t)＝acos[2π(pc+pfm)]。

有益效果

第一，本發(fā)明考慮了由基帶數(shù)據(jù)信號動態(tài)引起的載波相位變化，給出了高精度高動態(tài)pcm/fm信號模型，利用該模型生成pcm/fm信號作為載波，實(shí)現(xiàn)了高精度的信號傳輸。

第二，本發(fā)明提出高動態(tài)pcm/fm信號模型的模擬方法，利用該方法相對于常規(guī)模擬方法，提高了信號模擬精度，為高動態(tài)環(huán)境下pcm/fm接收機(jī)性能的精確驗(yàn)證提供了基礎(chǔ)。

附圖說明

圖1為信號源與接收機(jī)之間的運(yùn)動示意圖；

圖2為pcm/fm信號模型流程示意圖；

圖3為數(shù)據(jù)相位與數(shù)據(jù)或指令序列關(guān)系映射示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。

高動態(tài)pcm/fm信號的推導(dǎo)過程：

設(shè)pcm/fm信號表示為：

其中，a為幅度，fr為發(fā)射頻率，kf為調(diào)制常數(shù)，m(t)為基帶信號。

如圖1所示為信號源與接收機(jī)相對運(yùn)動示意圖。設(shè)徑向運(yùn)動速度為v(t)，距離為d(t)，接收機(jī)任意前后兩次采樣時刻分別為t1與t2，t1＜t2。接收機(jī)采樣時刻對應(yīng)距離分別為d(t1)與d(t2)、瞬時相對運(yùn)動速度分別為v(t1)與v(t2)；采樣時刻對應(yīng)信號源信號發(fā)射時刻為t1-d(t1)/c與t2-d(t2)/c，其中c為光速。

則發(fā)射端在t1-d(t1)/c～t2-d(t2)/c期間的相位差為：

由于信號傳輸過程中相位差保持不變，因此接收機(jī)在t1～t2時間內(nèi)接收到信號的相位差也為因此接收機(jī)接收到信號的平均頻率為：

令時間t2趨近于t1，則接收機(jī)在t1時刻接收到信號的瞬時頻率f(t1)為：

由于時間t1的任意性，可以用t來代替，所以接收機(jī)在任意時刻接收到信號的瞬時頻率f(t)為：

其中，基帶信號m(t)可以表示為：

其中，d[n]∈{-1,1},n∈z為數(shù)據(jù)序列，數(shù)據(jù)長度為ts＝1/rb，rb為數(shù)據(jù)速率，h(t)為平方根升余弦滾降成型濾波結(jié)構(gòu)的沖擊響應(yīng)，t0為采樣周期，δ(t)為單位沖擊信號。

發(fā)射端基帶信號m(t)是數(shù)據(jù)相位ψ(t)的函數(shù)：

m(t)＝m[ψ(t)](7)

其中ψ(t)＝rbt。設(shè)接收端基帶信號m′(t)，對應(yīng)的數(shù)據(jù)相位為ψ′，則有：

其中，r′b(t)是相位ψ′(t)的數(shù)據(jù)速率，所以：

因此可以得到以下結(jié)論：

(1)接收機(jī)接收到pcm/fm信號的瞬時頻率為：

(2)接收機(jī)接收到的基帶數(shù)據(jù)信號m′(t)的瞬時頻率為：

若已知載波多普勒頻率的變化規(guī)律，利用公式(10)和公式(11)就可得到高動態(tài)pcm/fm信號模型，其信號格式為：

其中，fc_d(t)為載波多普勒頻率，ffm_d(t)為調(diào)頻多普勒頻率，pc為載波相位、pfm為調(diào)頻相位，可表示為：

對于基帶數(shù)據(jù)信號m′(t)的相位pb為：

其中，rb_d(t)數(shù)據(jù)多普勒頻率，可表示為

本發(fā)明所述高動態(tài)是指衛(wèi)星相對地面站高速運(yùn)行所導(dǎo)致的。

基于以上理論推導(dǎo)，本發(fā)明提供一種高動態(tài)pcm/fm信號模型的模擬方法，如圖2所示，具體處理流程為：

(一)分別計(jì)算調(diào)頻相位pfm和載波相位pc；

調(diào)頻相位pfm的計(jì)算過程為：

(1)數(shù)據(jù)速率rb和數(shù)據(jù)多普勒速率rb_d(t)輸入數(shù)據(jù)相位生成模塊，按照公式(17)處理，得到數(shù)據(jù)相位pb；

(2)利用數(shù)據(jù)相位pb對已存儲的數(shù)據(jù)或指令序列d[n]進(jìn)行關(guān)系映射，使所述序列d[n]按照數(shù)據(jù)相位pb尋址輸出；該步驟可以通過將數(shù)據(jù)序列存儲在rom、ram等器件中實(shí)現(xiàn)。

例如需要傳輸遙控指令，則將遙控指令序列存儲在rom或ram，然后進(jìn)行關(guān)系映射后輸出；例如需要傳輸遙測數(shù)據(jù)，則將遙測數(shù)據(jù)存儲在rom或ram，然后進(jìn)行關(guān)系映射后輸出。

(3)將輸出的序列d[n]經(jīng)成型濾波得到濾波后的基帶數(shù)據(jù)信號m′(t)；

(4)將濾波后的基帶數(shù)據(jù)信號m′(t)乘上調(diào)頻常數(shù)kf，加上調(diào)頻多普勒頻率ffm_d(t)，最后經(jīng)過積分器得到調(diào)頻相位pfm，如式(16)所示；

載波相位pc的計(jì)算過程為：將載波頻率fc和載波多普勒頻率fc_d(t)輸入載波相位生成模塊，按照公式(15)處理，得到載波相位pc；

(二)將調(diào)頻相位pfm和載波相位pc相加，然后經(jīng)過余弦映射得到pcm/fm信號。

s(t)＝acos[2π(pc+pfm)]。

該步驟可以通過將正弦值存儲在rom或ram等器件中實(shí)現(xiàn)。

本發(fā)明還提供一種基于高動態(tài)pcm/fm信號模型的信號傳輸方法，具體過程為：

首先，根據(jù)高動態(tài)pcm/fm信號模型，生成pcm/fm信號；

其中，a為信號幅度，fr為發(fā)射頻率，kf為調(diào)制常數(shù)，m′(t)為基帶信號，v(t)為信號源相對接收機(jī)的徑向運(yùn)動速度，c為光速，τ與t的定義域相同；

其次，輸出所述高動態(tài)pcm/fm信號，實(shí)現(xiàn)信號的傳輸。

綜上所述，以上僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。