类噪声chirp扩频通信系统研究与fpga实现

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1、类噪声Chirp扩频通信系统研究与FPGA实现第一章绪论1.1研究的目的与意义长期以来，航天测控系统主要由地面测控站和海上远洋测量船两部分组成，用以测定和控制航天器的运动以及航天器上各种装置的正常工作，接收航天器的信息，并与载人航天器的航天员通信联络等。比如我国自行研制的神州系列飞船的成功发射和回收，都需要通过航天测控系统来完成，但是地基和海基测控站能够对航天器实施测控的范围非常有限，通常情况下10个地基或者海基测控站只能覆盖飞船飞行全程约13%左右的区域。与地基、海基测控相比，跟踪与数字中继卫星系统（TrackingandDi

2、gitalRelaySatelliteSystem,TDRSS）是天基测控的一大突破，其主要优势在于测控区域大，通信实时性强以及具有良好的经济性[1]。它利用两颗地球同步轨道中继卫星和一个本土地面站能够对中、低轨道飞行器实现85%的覆盖率[2]。因此，TDRSS是航天测控系统接下来发展的一个主要趋势。为了提供高速率的链路数据传输，美国第三代TDRSS已经将通信频段提高至Ka频段[3]，我国已掌握S频段天基遥测技术，目前的主要工作是完成具有更高信息传输速率的Ka频段遥测技术的研究[4]。其中，中继卫星针对运载火箭、中低轨道飞行器如

3、何快速建立通信是一项重要的关键技术。主要技术难点包括：①中继卫星与飞行器双向扫描的时间短。以运载火箭天线捕获中继星为例，利用窄波束采用螺旋线方式扫描中继星的不确定区域，中继星落入波束内的信号接收时间只有几秒钟[5]。②接收信号信噪比低。由于传输距离远，接收信号载噪比将低至38dB-Hz[6]，通过多次逗留法提高信号积累增益将会大大增加信号的捕获时间。③多普勒频偏大。当飞行器以第一宇宙速度飞行时，Ka频段的信号将产生高达800kHz的载波多普勒频偏。即使有飞行轨道信息辅助做多普勒补偿，但由于轨道误差，接收机仍然需要在一个较大的置信

4、度范围内做伪码相位多普勒二维搜索，目前的伪码捕获方法消耗的时间会长达数秒，低信噪比情况下甚至会达到二十秒[6]。④多普勒动态范围大。飞行器在轨飞行时，会产生50g的相对加速度，相当于接收机载波跟踪环路将承受约50kHz/s的多普勒动态应力。因此，综合以上4个方面的因素，如何在大频偏、高动态、低信噪比环境下快速实现信号的捕获、跟踪是TDRSS测控领域一个至关重要的研究方向。.1.2国内外研究现状为了满足天线辐射功率谱密度的限制以及测控保密性的需要，测控通信信号大多采用直接序列扩频的方式，因此国内外围绕此类低信噪比高动态环境下快速捕

5、获、跟踪技术的研究也集中在DSSS体制上。DSSS技术[7]主要是通过提高扩频增益来降低发送信号的功率谱密度，非合作方不易通过能量检测的方式发现信号，从而获得良好的低检测性能同时受信道中的其他窄带信号干扰的影响较小。当飞行器以第一宇宙速度飞行时，Ka频段的信号将产生高达800kHz的载波多普勒频偏。由于伪码信号的多普勒容限仅为相关时间倒数的1/2，其捕获过程需要进行多普勒-码相位的二维搜索，因此捕获时间将大大增加，甚至达到秒级[6]。CSS技术很好地解决了这个问题，利用Chirp信号的时频耦合特性可以将多普勒频偏转移到时域消除，

6、对多普勒频偏不敏感，同时可以通过增大时宽带宽积得到更大的扩频增益，实现良好的低检测性能。DSSS通过本地生成伪随机序列（Pseudo-RandomSequence，PN）调制信息，不同的PN序列之间具有较好的正交性，不容易被非合作方截获，而CSS的基带波形为Chirp信号，主要由信号带宽和持续时间确定信号波形，在时域和频域都具有较明显的特征，截获方容易根据信号的时频特征分析出信号波形，并通过本地信号库中的信号对检测信号进行匹配获得信号参数，截获信息。本文提出采用类噪声Chirp信号[8]作为通信载波，通过叠加随机相位和幅度，消除

7、Chirp信号的时频特征，获得良好的LPI性能，同时保留一定的多普勒容限[9]。第二章类噪声Chirp扩频通信系统的基本原理2.1系统模型本文所提出的类噪声Chirp扩频通信系统总体框图如图2.1所示。其中，发送信号由参考信号和数据符号通过IQ正交调制叠加而成，并上变频到射频通过天线发送出去。数据符号作为正交调制的同向支路（I路），主要用于系统的信息传输，在保证不会对参考信号造成干扰的前提下，数据符号可以根据信道环境和信息传输速率要求采用任意波形和任意调制方式携带信息。参考信号则作为正交调制的正交支路（Q路），不携带信息，主要用

8、于系统的同步捕获以及多普勒频偏估计。因此，参考信号应该选择多普勒频偏较大的信号作为基带波形，同时出于系统安全性的考虑，数据符号和参考信号都应当具有良好的LPD/LPI性能。在接收端，接收机首先将天线接收的射频信号下变频到基带，然后利用参考信号实现信号的捕获，将基