专利名称：载有方位和仰角信息的单脉冲天线时空调制方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种无线电系统中发射信号的调制方法，尤其涉及一种具有测向和信息传输功能的微波信号空间调制与接收解调方法。
背景技术：
发射信号设计一直是雷达探测、微波通信、微波遥感、无线电导航的关键问题。但多数系统的设计重点在于发射波形的最佳化，在发射信号中兼有测向功能的方法并不多，多数测向是不依赖于发射信号形式的接收机多天线处理测向，接收机的多天线信号处理算法复杂，也不易接收机微型化。
发射信号中载有方向信息调制的方法，只用于无线电导航，如甚高频全向信标、飞机仪表着陆信标、塔康系统等。但导航中的空间调制都是一维的，测角精度很差，并且通信体制是模拟的，都是低频正弦振荡副载波比相方法，测角精度很差，通信体制也十分落后。
多天线发射是实现微波信号空间调制的一种有效方法，但天线技术从主要追求的方向图、自适应相控阵、智能天线，到现在的多天线收发空时编码，目的还是提高功率利用率、频率利用率和系统可靠性。天线设计希望的是在波束内信号是一致性，尽量减小波束内功率或相位的变化。方向的探测主要靠方向图扫描来实现。在信号调制方面，无线电调制技术尽管发展很快，从单载波调制到正交频分复用调制，从单天线发射的时域调制到多天线收发的空时编码调制，主要追求的都是发射功率的效率和频带的利用率，发展的热点都在通信领域，针对导航定位、雷达探测来研究调制技术还相当少见。特别是把通信与导航、通信与雷达、通信与探测有机结合起来的调制技术，还未检索到相关资料。
同时，虽然针对光波的二维空间信息调制方法已经广泛应用，但由于对光波的透明电极，对微波却不透明，使得光波空间调制方法不能用于微波，微波空间调制仍然是技术难点。
发明内容
1、发明目的本发明的目的是提供一种向不同的方向发射不同的载有方位和仰角信息的微波已调制信号，单天线接收机通过解调信号就可以测定来波方向。
2、技术方案为了达到上述的发明目的，本发明包括下列步骤(1)设计多天线发射激励信号用N个偏焦激励源对单脉冲天线的反射面发射，形成N个同中心的偏轴波束，波束方向图为F1(α，β)、F2(α，β)、F3(α，β)、F4(α，β)，......简写为Fi，i＝1，2，3，4，......，其中，α、β是相对于面天线中心轴的方位角和仰角。所得的波束方向图的选择与单脉冲雷达一样，应具有较好的和差特性，不同的是本发明中的N个天线全部用于发射。
每个天线波束的激励信号为si(t)＝ci1(m)cosωt+ci2(m)sinωt，ω为发射信号载波角频率，cij(m)∈[-1，0，1]为编码后的信息，则单天线接收机接收的远区场强信号为r(t)=F1F2F3F4Ccosωtsinωt---(1)]]>(2)对所述信号进行二维空间调制设计为了使接收机既能通信又能像单脉冲雷达一样测向，C可取如下矩阵，C=10100101,10011001,-100-1-100-1,-10-100101,-10-100-10-1,-100-1-100-1,100-1100-1,10100-10-1]]>，假定天线方向图在主瓣内相位滞后量近似不变，仅有相对幅度的变化。则两个初始状态矢量与X轴的夹角ψ0＝atan2(F1+F2，F3+F4)、ψ1＝atan2(F1+F4，F2+F3)，atan2是MATLAB中的双值反正切函数。由ψ0和ψ1决定的八个信号矢量的相位值为ψ0、ψ1、π-ψ1、π-ψ0、π+ψ0、π+ψ1、-ψ1、-ψ0，通过适当的选择或设计单脉冲天线四个波束的相互位置，可以使ψ0在四天线中心线附近一定区域，只是仰角β的单调函数，与方位角α变化近似无关。同理ψ1在四天线中心线附近一定区域，只是方位角α的单调函数，与仰角β变化近似无关。因此可以时分交替地测方位角和仰角。通过上述设计，图3中的信号空间子集不仅能传送数字调制信息，而且还含有接收机相对于发射机的方位角和仰角信息，是一种包含有二维空间信息的时域空域调制信号。但是，直接用这个信号空间来传送数字信息，信号空间距离与方向有关，不利于数字信息通信与接收，必须进行编码。
(3)对待传送信息进行编码设系统输入信息序列为bm，bm是0、1、2、3...2N-1的2N进制序列，m表示第m个比特间隔，ψ0、ψ1为信号矢量的两个初始状态，然后用ψ(α，β，m)＝-ψ(α，β，m-2)+kbmπ (2)进行差分编码形成相位序列。如果k＝1，bm是0或1的二进制信息，则得八相差分编码调制；如果k＝1/2，bm是0、1、2、3的四进制序列，则得16相差分编码调制；一般地，如果k＝1/N，bm是0、1、2、3、...、2N-1的2N进制序列，则得8N相差分编码调制；(4)信号调制发射由信息序列bm和初始状态ψ0、ψ1，用两波特间隔差分编码公式ψ(α，β，m)＝-ψ(α，β，m-2)+kbmπ，得第m个波特的信号相位状态；根据矩阵C设计矩阵参数值，用si(t)＝ci1(m)cosωt+ci2(m)sinωt进行时域调制，得出激励信号；然后用si(t)分别激励天线发射出多路信号；利用单天线接收机接收步骤(4)的输出信号，对其中进行信号的载波提取与接收，其中载波提取原理如下设接收机接收到的信号振幅为A，信号表达式为r(t)＝Acos[ωt+ψ(α，β，m)+φ] (3)单天线接收机本地压控振荡器输出为rT(t)＝2cos(ωt+φT)，设跟踪相位误差为φe＝φT-φ，它表示本振初相φT与接收信号初相φ的跟踪误差。相关接收后的同相分量为x和正交分量为y。相邻2Tb时刻x和y的信号为x(t)、x(t-2Tb)、y(t)、y(t-2Tb)，则x(t)＝Acos[φe-ψ(α，β，m)] (4)x(t-2Tb)＝Acos[φe-ψ(α，β，m-2)] (5)y(t)＝Asin[φe-ψ(α，β，m)] (6)y(t-2Tb)＝Asin[φe-ψ(α，β，m-2)] (7)u1(t)＝x(t)y(t-2Tb)+x(t-2Tb)y(t)
＝A2sin[2φe-ψ(α，β，m)-ψ(α，β，m-2)](8)u2(t)＝x(t)x(t-2Tb)-y(t)y(t-2Tb)＝A2cos[2φe-ψ(α，β，m)-ψ(α，β，m)-2)] (9)利用上述16相时空调制的差分编码关系可得误差相位鉴相函数e(t)＝u1u2(u1+u2)(u1-u2)＝0.5A8sin[8φe](10)写成数字鉴相器形式e(t)＝sign(u1)sign(u2)sign(u1+u2)sign(u1-u2) (11)当然，若输入的仅仅是8相时空调制，利用差分编码的关系可得简化的误差相关鉴相函数e(t)＝u1u2＝0.5A4sin[4φe] (12)e(t)＝sign(u1)sign(u2)(13)另外，由于发射天线组合的交换，接收信号振幅在相邻Tb时间是不一致，必然导致载波提取环的鉴相增益不同，对相位跟踪误差略有影响。当然，如果是采用软件实现PLL的环路滤波，则可以按Tb时间的奇偶序列分两路滤波，以提高跟踪性能。
在发射机中，待传送的数字信息bm与编码器相连，经编码后通过多路并行输出给时域调制器，时域调制器的另两个输入是由频率合成器形成的正弦和余弦载波。时域调制器输出四路已调信号，经射频放大后激励天线，由反射面天线实现空间调制，形成与方位角和仰角有关的时空调制信号。
在接收机中，电波信号首先由单天线接收后，送射频(RF)前端进行放大混频到中频。中频信号分两路与本地压控振荡器输出的正弦和余弦载波分量相乘，再通过低通滤波器滤出积的低频成份后实现正交解调。正交解调的两个正交分量输出记为x和y。x和y信号同时送三个功能模块，其一是方位与仰角估计器，计算接收机所在的方位角 和仰角 其二是判决译决单元，解调通信信息 其三是载波相位跟踪误差估计器，以实现相干载波的恢复。载波相位误差估计器输出信号经过环路滤波器后，控制压控振荡器，形成本地相干载波，压控振荡器输出一路直接送乘法器，另一路相移90°后送第二个乘法器。
误差相位估计器中，两路正交分量信号x和y，分别送延迟2个波特时间间隔的延迟器，输出两个延迟信号x(t-2Tb)、y(t-2Tb)，然后将x和y分别与两个延迟信号相乘输出四个积信号。中间的两个乘法器输出信号相加后得u1，送判决器，输出一路数字信号；外面的两个乘法器输出信号相减后得u2，送判决器，输出另一路数字信号，将两路数字信号异或后得相位误差估计器输出e(t)。3、有益效果利用本发明的方法容易产生载有方位和仰角信息的时空调制信号，它不但具有PSK或QPSK的数字通信能力，还可以像单脉冲雷达一样高精度测向，是一种双基或多基雷达的新体制，实现了通信雷达综合、导航与通信综合，对微波制导、微波成像都有潜在的应用前景。
四
图1是发射机和接收机框图；图2是四天线方向图的几何关系示意图；图3是时空调制信号状态空间示意图；图4是8相差分编码时空调制的误差相位估计器框图；图5是16相差分编码时空调制的误差相位估计器框图；图6奇Tb时间内接收信号空间示意图；图7是偶Tb时间内接收信号空间示意图；图8是误比特率曲线示意图；图9是测角误差与接收功率的关系示意图。
五具体实施例方式
实施例一如图1所示，本实施例的发射信号载有方位和仰角信息的单脉冲天线时空调制方法采用幅度单脉冲天线来发射信号。
(1)设计多天线发射激励信号在四个偏焦激励源作用下，形成四个同中心的偏轴波束，波束方向图为F1(α，β)、F2(α，β)、F3(α，β)、F4(α，β)，简写为Fi，i＝1，2，3，4，相互的几何关系如图2所示，α、β是相对于面天线中心轴的方位角和仰角。四个波束方向图的选择与单脉冲雷达一样，应具有较好的和差特性，不同的是本实施例中四天线全部用于发射。
设每个天线波束的激励信号为si(t)＝ci1(m)cosωt+ci2(m)sinωt，ω为发射信号载波角频率，cij(m)∈[-1，0，1]为编码后的信息，则单天线接收机接收的远区场强信号为r(t)=F1F2F3F4Ccosωtsinωt]]>(2)对上述信号进行二维空间调制设计为了使接收机既能通信又能像单脉冲雷达一样测向，C可取如下矩阵，C=10100101,10011001,-100-1-100-1,-10-100101,-10-100-10-1,-100-1-100-1,100-1100-1,10100-10-1]]>，假定天线方向图在主瓣内相位滞后量近似不变，仅有相对幅度的变化。如图3所示，两个初始状态矢量与X轴的夹角ψ0＝atan2(F1+F2，F3+F4)、ψ1＝atan2(F1+F4，F2+F3)，atan2是MATLAB中的双值反正切函数。由ψ0和ψ1决定的八个信号矢量的相位值为ψ0、ψ1、π-ψ1、π-ψ0、π+ψ0、π+ψ1、-ψ1、-ψ0，通过适当的选择或设计单脉冲天线四个波束的相互位置，可以使ψ0在四天线中心线附近一定区域，只是仰角β的单调函数，与方位角α变化近似无关。同理ψ1在四天线中心线附近一定区域，只是方位角α的单调函数，与仰角β变化近似无关。因此可以时分交替地测方位角和仰角。通过上述设计，图3中的信号空间子集不仅能传送数字调制信息，而且还含有接收机相对于发射机的方位角和仰角信息，是一种包含有二维空间信息的时域空域调制信号。
(3)对待传送信息进行8相两比特间隔差分编码将接收信号写成r(t)＝A(α，β)cos[ωt+ψ(α，β，m)+φ]式中A(α，β)为接收信号振幅，ψ(α，β，m)是调制信号相位，φ为初相。ψ(α，β，m)如图2所示的八个状态，m表示第m比特间隔时间内的接收信号。差分编码方案是已调信号相位的马尔科夫过程取下式
ψ(α，β，m)＝-ψ(α，β，m-2)+bmπ式中，bm为待传送的0或1码信息，ψ(α，β，1)＝ψ0，ψ(α，β，2)＝ψ1，因此当m为奇数时，信号状态在图3中的
子集中变化，可以测仰角；当m为偶数时，信号状态在[1，2，5，6]子集中变化，可以测方位角，对应的调制可称为8相时空调制。不难分析，此种8相时空调制的通信容量与
二相PSK一样，编码后的信号空间距离与方位无关。仿真结果表明已调信号功率谱与PSK一致。
(4)信号调制发射由信息序列bm和初始状态ψ0、ψ1，用两波特间隔差分编码公式ψ(α，β，m)＝-ψ(α，β，m-2)+kbmπ，得第m个波特的信号相位状态；根据矩阵C设计矩阵参数值，用si(t)＝ci1(m)cosωt+ci2(m)sinωt进行时域调制，得出激励信号；然后用si(t)分别激励天线发射出四路信号；利用单天线接收机接收步骤(4)的输出信号，对其中进行信号的载波提取与接收，其中载波提取原理如下设接收机接收到的信号振幅为A，信号表达式为r(t)＝Acos[ωt+ψ(α，β，m)+φ]，接收机本地压控振荡器输出为rT(t)＝2cos(ωt+φT)，设跟踪相位误差为φe＝φT-φ，它表示本振初相φT与接收信号初相φ的跟踪误差。相关接收后的同相分量为x和正交分量为y。相邻2Tb时刻x和y的信号为x(t)、x(t-2Tb)、y(t)、y(t-2Tb)，则x(t)＝Acos[φe-ψ(α，β，m)]x(t-2Tb)＝Acos[φe-ψ(α，β，m-2)]y(t)＝Asin[φe-ψ(α，β，m)]y(t-2Tb)＝Asin[φe-ψ(α，β，m-2)]u1(t)＝x(t)y(t-2Tb)+x(t-2Tb)y(t)＝A2sin[2φe-ψ(α，β，m)-ψ(α，β，m-2)]u2(t)＝x(t)x(t-2Tb)-y(t)y(t-2Tb)
＝A2cos[2φe-ψ(α，β，m)-ψ(α，β，m-2)]利用差分编码的关系可得简化的误差相关鉴相函数e(t)＝u1u2＝0.5A4sin[4φe]e(t)＝sign(u1)sign(u2)如图6、图7所示，本实施例的相干解调的性能估计如下图中坐标做相应旋转后，所得都是简单的PSK信号。并且坐标旋转属线性变换，对信噪比没有影响，容易导出其误比特率与PSK相同，误比特率为pe=Q(EbN0BnTb),]]>式中使用Q函数，Eb＝0.5A2Tb为接收到的比特能量，No为接收机的高斯噪声功率谱密度。Bn为接收机的等效噪声带宽，当BnTb＝1，误码率曲线如图8所示。同理，对16相时空调制，也可以分成四个不同旋转坐标的QPSK信号子空间，误比特性能还与上式相同。
测向性能与单脉冲天线的波束特性密切相关。考虑到多数天线的主瓣特性，假定四副天线的主瓣特性可以用二维正态函数简单表示，Fi(α,β)=exp{-(α-αi)22αm2-(β-βi)22βm2}]]>四个波束的(αi，βi)分别取(0.65αm，0.65βm)，(-0.65αm，0.65βm)，(-0.65αm，-0.65βm)，(0.65αm，-0.65βm)。令 和 为归一化方位角和仰角，归一化测角误差均方差仿真结果如图9所示。仿真中假定载波提取环已经锁定，跟踪误差可忽略，则两个方向角的估计算法如下1)由正交解调输出的x(t)、y(t)，用ψ(α，β)＝atan2(x(t)，y(t))计算ψ0和ψ1
2)ψ0＝atan2(F1+F2，F3+F4)、ψ1＝atan2(F1+F4，F2+F3)的反函数表估计α、β。
3)估计角度时采用1000次测量累积平均，接收机所处方向ααm=0.5,]]>ββm=0.3,]]>与普通的单脉冲雷达测角类似，不同的方位测角精度是不一样的，在中心轴上时测量精度最高，偏离中心轴越远，精度越差。
实施例二如果实施例一中步骤(3)中对待传送信息进行16相两比特间隔差分编码，则差分编码方案取ψ(α，β，m)＝-ψ(α，β，m-2)+0.5bmπbm为0、1、2、3的四进制信息，m＝1，2的初始状态与八相相同，仍然实现奇偶交替测方位和仰角，对应调制可称为16相时空调制。16相时空调制的通信容量与正交四相QPSK一样，编码后的信号空间距离也与方位无关。仿真结果表明已调信号功率谱分别与QPSK一致。
实施例三如图1所示，在发射机中，待传送的数字信息bm与编码器相连，经编码后通过多路并行输出给时域调制器，时域调制器的另两个输入是由频率合成器形成的正弦和余弦载波。时域调制器输出四路已调信号，经射频放大后激励天线，由反射面天线实现空间调制，形成与方位角和仰角有关的时空调制信号。
在接收机中，电波信号首先由单天线接收后，送射频(RF)前端进行放大混频到中频。中频信号分两路与本地压控振荡器输出的正弦和余弦载波分量相乘，再通过低通滤波器滤出积的低频成份后实现正交解调。正交解调的两个正交分量输出记为x和y。x和y信号同时送三个功能模块，其一是方位与仰角估计器，计算接收机所在的方位角 和仰角 其二是判决译决单元，解调通信信息 其三是载波相位跟踪误差估计器，以实现相干载波的恢复。载波相位误差估计器输出信号经过环路滤波器后，控制压控振荡器，形成本地相干载波，压控振荡器输出一路直接送乘法器，另一路相移90°后送第二个乘法器。
如图4所示，在接收机中，该8相差分编码信号设计的载波提取环路误差相位估计器中，两路正交分量信号x和y，分别送延迟2个波特时间间隔的延迟器，输出两个延迟信号x(t-2Tb)、y(t-2Tb)，然后将x和y分别与两个延迟信号相乘输出四个积信号。中间的两个乘法器输出信号相加后得u1，送判决器，输出第一路数字信号；外面的两个乘法器输出信号相减后得u2，送判决器，输出第二路数字信号，将两路数字信号异或后得相位误差估计器输出e(t)。
实施例四如图5所示，该16相差分编码信号设计的载波提取环路误差相位估计器中，两路正交分量信号x和y，分别送延迟2个波特时间间隔的延迟器，输出两个延迟信号x(t-2Tb)、y(t-2Tb)，然后将x和y分别与两个延迟信号相乘输出四个积信号。中间的两个乘法器输出信号相加得u1，外面的两个乘法器输出信号相减得u2，将u1u2通过加法器形成u1+u2，通过减法器形成u1-u2，把u1、u2、u1+u2、u1-u2四个信号分别送判决器，判出四路数字信号，最后用三个异或门输出四路数字信号的异或值，得相位误差估计器输出e(t)。
权利要求
1.一种载有方位和仰角信息的单脉冲天线时空调制方法，其特征在于它包括下列步骤(1)设计多天线发射激励信号在N个偏焦激励源作用下，形成N个同中心的偏轴波束，波束方向图为F1(α，β)、F2(α，β)、F3(α，β)、F4(α，β)，……简写为Fi，i＝1，2，3，4，……，其中，α、β是相对于面天线中心轴的方位角和仰角。每个天线波束的激励信号为si(t)＝ci1(m)cosωt+ci2(m)sinωt，ω为发射信号载波角频率，cij(m)∈[-1，0，1]为编码后的信息，则单天线接收机接收的远区场强信号为r(t)=F1F2F3F4Ccosωtsinωt]]>(2)对所述信号进行二维空间调制设计为了使接收机既能通信又能像单脉冲雷达一样测向，C可取如下矩阵，C=10100101,10011001,-100-1-100-1,-10-100101,-10-100-10-1,-100-1-100-1,100-1100-1,10100-10-1]]>对应的八个信号矢量的相位值为ψ0、ψ1、π-ψ1、π-ψ0、π+ψ0、π+ψ1、-ψ1、-ψ0，π为圆周率，ψ0＝αtan2(F1+F2，F3+F4)、ψ1＝αtan2(F1+F4，F2+F3)，αtan2是MATLAB中的双值反正切函数；(3)对待传送信息进行编码设系统输入信息序列为bm，bm是0、1、2、3…2N-1的2N进制序列，m表示第m个比特间隔，ψ0、ψ1为信号矢量的两个初始状态，然后用ψ(α，β，m)＝-ψ(α，β，m-2)+kbmπ进行差分编码形成相位序列；(4)信号调制发射由信息序列bm和初始状态ψ0、ψ1，用两波特间隔差分编码公式ψ(α，β，m)＝-ψ(α，β，m-2)+kbmπ，得第m个波特的信号相位状态；根据矩阵C设计矩阵参数值，用si(t)＝ci1(m)cosωt+ci2(m)sinωt进行时域调制，得出激励信号；然后用si(t)分别激励天线发射出多路信号；
2.如权利要求1所述的载有方位和仰角信息的单脉冲天线时空调制方法的装置，其特征在于它包括发射机和接收机，其中，在发射机中，待传送的数字信息bm与编码器相连，经编码后通过多路并行输出给时域调制器，时域调制器的另两个输入是由频率合成器形成的正弦和余弦载波，时域调制器输出四路已调信号，经射频放大后激励天线，由反射面天线实现空间调制，形成与方位角和仰角有关的时空调制信号；在接收机中，电波信号首先由单天线接收后，送射频(RF)前端进行放大混频到中频，中频信号分两路与本地压控振荡器输出的正弦和余弦载波分量相乘，再通过低通滤波器滤出积的低频成份后实现正交解调，正交解调的两个正交分量输出记为x和y，x和y信号同时送三个功能模块，其一是方位与仰角估计器，计算接收机所在的方位角 和仰角 其二是判决译决单元，解调通信信息 其三是载波相位跟踪误差估计器，以实现相干载波的恢复，载波相位误差估计器输出信号经过环路滤波器后，控制压控振荡器，形成本地相干载波，压控振荡器输出一路直接送乘法器，另一路相移90°后送第二个乘法器。
3.如权利要求2所述的载有方位和仰角信息的单脉冲天线时空调制方法的装置，其特征在于，在接收机的误差估计器中，两路正交分量信号x和y，分别送延迟2个波特时间间隔的延迟器，输出两个延迟信号x(t-2Tb)、y(t-2Tb)，然后将x和y分别与两个延迟信号相乘输出四个积信号，中间的两个乘法器输出信号相加后得u1，送判决器，输出一路数字信号；外面的两个乘法器输出信号相减后得u2，送判决器，输出另一路数字信号，将两路数字信号异或后得相位误差估计器输出e(t)。
全文摘要
本发明公开了一种载有方位和仰角信息的单脉冲天线时空调制方法及装置，其方法包括下列步骤(1)设计多天线发射激励信号；(2)对所述信号进行二维空间调制设计；(3)对待传送信息进行编码；(4)信号调制发射；(5)对接收的信号进行载波提取和相干解调。利用本发明的方法容易产生载有方位和仰角信息的时空调制信号，它不但具有PSK或QPSK的数字通信能力，还可以像单脉冲雷达一样高精度测向，是一种双基或多基雷达的新体制，实现了通信雷达综合、导航与通信综合。其装置采用多天线发射信号，在接收机设有误差相位估计器，以实现相干载波的恢复。
文档编号H04L27/227GK1835490SQ20061003956
公开日2006年9月20日 申请日期2006年4月14日 优先权日2006年4月14日
发明者宋茂忠, 洪涛, 杨宇晓 申请人:南京航空航天大学