低频时码系统附加扩频授时研究

论文摘要

本论文的主要目的是利用低频载波资源，提高和改进低频时码授时能力。现有低频时码授时系统由于受到通信体制的限制而没能得到广泛应用。论文提出在幅度调制基础上附加扩频调制信息，论文以此为轴线，提出了具体的组合调制方案，并就信号体制的设计、接收端的伪码同步、抗干扰能力、发射机控制方法、以及多台共频等方面的内容展开了深入研究和讨论。研究结果表明，在低频载波上附加扩频调相，是一种切实可行的授时技术，该方法可提高定时信号的准确度和抗干扰能力，从而提升整个系统的性能以及可利用度和接受程度。作者所做的工作及主要成果如下：通过分析现有低频时码信号的结构，提出在空闲载波上附加扩频调相信息。该项技术是对低频时码授时技术的进一步扩展和补充。通过对附加扩频技术的讨论和性能分析，表明该方法对原有脉宽调幅方式未造成影响，在AWGN信道下得到的误码率是理想的，满足应用要求。同时通过实验研究，证明这种附加调相方法是可行的。这些研究结果为本论文开展其他方面和层次的研究奠定了基础。研究了低频时码附加扩频技术的伪随机码的设计及优选、数据编码格式和帧结构。讨论了各种可能的数据信息的结构，给出了信息帧比特安排、时码格式、及详细的帧结构。发播内容的选择与期望的系统功能和具体实现技术有关。根据通信规约和信号结构的时间关系研究了帧同步方法，并分析了该方法的可靠性。针对低频信道的特性，提出了相应的纠错算法，仿真结果表明，采用RS纠错算法，低频时码附加扩频授时系统的误码性能得到改善。研究了低频时码附加扩频授时系统的伪码信号捕获和跟踪方法，根据典型的捕获和跟踪电路，分析了伪码的捕获和跟踪性能，并通过跟踪误差算法，对低频伪码同步进行了计算机仿真。仿真结果表明低频时码授时系统采用附加扩频调相技术可大大提高用户的定时精度。根据低频时码系统存在的噪声和抗干扰性能指标，分析了在部分带宽干扰、单音干扰、宽带干扰、多径干扰和脉冲干扰条件下的误码性能，并仿真了系统在不同干扰条件下的误码率。通过仿真和分析可知，附加扩频调相后的低频时码系统不仅能够在较低的信噪比下进行工作，而且具有较强的抵抗各种干扰的能力。因此，该系统能够被应用在各种复杂的环境条件下，具有广泛的应用范围。结合低频时码信号的特点，对低频时码授时系统的发射机控制电路进行了讨论和分析，提出了低频附加扩频调制的发射机调相控制方法。并设计出一种基于FPGA的控制系统，通过实验验证，表明该控制方法是切实可行的。鉴于单个低频台覆盖范围的局限性，提出了多台共频方案。分析了多台方案对脉宽调幅信号的影响因素，研究了多台共频的附加扩频技术的低频时码授时方法，并根据各种可能的情况，进行了计算机仿真。研究结果表明，多台共频的低频授时系统是可行的，多台低频授时系统的伪码跟踪精度比单台授时的伪码跟踪精度略有降低，但大大好于原有脉宽调幅体制的授时精度。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景、目的和意义
• 1.2 低频时码授时的国内外主要研究动向
• 1.3 本论文的主要研究成果和内容安排
• 1.3.1 本论文主要研究成果
• 1.3.2 本论文的内容安排
• 第二章 低频时码附加扩频授时原理及性能分析
• 2.1 低频时码附加扩频授时的背景分析
• 2.1.1 低频时码授时系统
• 2.1.2 脉宽调幅技术性能分析
• 2.1.3 附加扩频调制的意义
• 2.2 低频时码附加扩频授时的条件和格式
• 2.2.1 附加扩频授时的基本规约
• 2.2.2 组合调制的调制结构
• 2.2.3 调相角度分析
• 2.3 低频时码附加扩频授时原理
• 2.3.1 扩频授时原理
• 2.3.2 调相数学模型及推导
• 2.4 低频扩频授时性能分析
• 2.4.1 伪随机码传输速率
• 2.4.2 低频扩频授时的误码性能
• 2.5 低频附加扩频调相原理实验
• 2.5.1 实验原理
• 2.5.2 结果分析
• 2.6 本章小节
• 第三章 低频附加扩频授时的信号体制
• 3.1 伪随机码的设计及优选
• 3.1.1 伪随机码的选择与产生
• 3.1.2 m 序列发生器的设计
• 3.1.3 伪随机码的优选
• 3.2 数据编码格式
• 3.2.1 时间编码应考虑的内容及比特分配
• 3.2.2 电文格式设计
• 3.3 调相编码的帧同步方法
• 3.3.1 帧同步方法的选择
• 3.3.2 帧同步的算法
• 3.3.3 性能分析
• 3.4 RS 纠错算法
• 3.4.1 选择RS 纠错的原则
• 3.4.2 RS 编译码的实现
• 3.4.3 计算机仿真
• 3.5 本章小节
• 第四章 低频扩频授时系统的码同步研究
• 4.1 引言
• 4.2 码同步方法的选择
• 4.3 低频伪码捕获方法
• 4.3.1 捕获结构模型及数学分析
• 4.3.2 扩频码的捕获算法
• 4.3.3 性能分析
• 4.3.4 仿真分析
• 4.4 低频扩频信号的码跟踪
• 4.4.1 延迟锁定环原理
• 4.4.2 跟踪系统性能分析
• 4.4.3 仿真分析
• 4.5 本章小节
• 第五章 低频附加扩频授时的抗干扰性能研究
• 5.1 引言
• 5.2 低频扩频授时抗干扰性能指标
• 5.2.1 扩频增益
• 5.2.2 抗干扰容限
• 5.3 低频扩频授时的抗干扰性能分析
• 5.3.1 抗部分带宽干扰的分析
• 5.3.2 抗单音干扰的分析
• 5.3.2 抗宽带干扰的分析
• 5.3.4 抗多径干扰的分析
• 5.3.5 抗脉冲干扰的分析
• 5.4 计算机仿真与性能分析
• 5.4.1 Monte Carlo 仿真模型
• 5.4.2 仿真结果及分析
• 5.5 本章小节
• 第六章 低频附加扩频授时的发射系统控制方法
• 6.1 低频时码脉宽调幅发射原理
• 6.1.1 低频时码信息发射系统工作原理
• 6.1.2 发射功率合成电路分析
• 6.2 扩频调相控制方法
• 6.2.1 附加扩频调相的控制方法
• 6.2.2 发射端的同步问题
• 6.2.3 相位调制控制时序
• 6.3 调相系统时序设计及验证
• 6.3.1 扩频调相实验系统
• 6.3.2 调相时序表
• 6.3.3 FPGA 时序波形
• 6.4 本章小节
• 第七章 多台共频低频时码授时系统研究
• 7.1 单一低频时码授时台的局限性分析
• 7.2 多台共频低频时码授时方案
• 7.2.1 双台低频时码授时台方案
• 7.2.2 四台低频时码授时台方案
• 7.3 多台共频对调幅键控的影响
• 7.4 多台共频附加扩频授时性能分析
• 7.4.1 两台共频方案性能分析
• 7.4.2 四台共频方案性能分析
• 7.5 本章小节
• 结论
• 参考文献
• 发表论文和参加的科研工作
• 致谢