DS-FFH/MSK混合扩频测控系统测速的研究

论文摘要

混合扩频测控系统具有低信噪比、大多普勒频移（S频段载波多普勒频率达±150KHz以上）的特点,与普通混合扩频通信系统相比,测控系统需要承担测速与测距的任务。深空测速任务中,信号微弱、空间传输时延长,若进行相干测速,就需要中继卫星能够进行相干转发,这无疑会增加中继卫星转发器的设计难度,在这种形势下,研究非相干高精度多普勒测速的方法显得日益重要。本文主要针对低信噪比、大多普勒频移下DS-FFH/MSK混合扩频测控系统的多普勒频率高精度测速问题进行研究和仿真。首先,在研究和分析了多普勒频率测速基本原理的基础上,分析了DS-FFH/MSK混合扩频测控系统高精度测速面临的低信噪比、大多普勒频移的问题；搭建了SystemVue软件下的仿真平台,对直扩（DS）、跳频（FFH）模块、MSK调制解调模块进行了分析与仿真,结果表明所设计的模块能正常工作,满足要求。其次,详细分析了跳频（FFH）时刻相位畸变导致信噪比下降的原因,推导出相应的表达式,给出了不同参数下频率合成器的相位畸变情况。在这个基础上,给出了解跳后的信号因为相位抖动的存在而造成的信噪比的损失,给出了仿真结果,并对结果进行了详细分析,给出了抑制跳频相位畸变对测速性能影响的方法,在不增加系统额外开销的情况能有效抑制跳频相位畸变对测速性能的影响。最后,分析了存在大多普勒频移和不存在大多普勒频移情况下,对FFT分析性能的影响；分析了目前基于FFT多普勒频移估计的直扩（DS）二维搜索算法,指出了二维搜索算法的局限性：在频域受符号跳变的影响造成的幅度衰减以及频点偏移。设计了基于FFT的多普勒频移测速的方法：通过加大I,Q两路信号的运算量,构造不受符号跳变影响的信号,对该信号作FFT,通过峰值所在点数求出多普勒频率估计值,完成速度测量；对多普勒频移测量过程中几个关键的问题,码相位跳变、信号长度、FFT谱的损失等进行了详细分析并给出了改善方法,对仿真结果和能够达到的测量精度进行了详细说明。仿真结果表明,这种方法能有效解决低信噪比、大多普勒频移条件下DS-FFH/MSK混合扩频测控信号的多普勒频率测量问题,测速精度为Δv=0.17m/s。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 课题的研究意义及背景
• 1.3 国内夕卜研究现状
• 1.4 论文的主要工作
• 1.5 论文的结构安排
• 第2章 多普勒频移估计的基本原理
• 2.1 引言
• 2.2 多普勒测速基本原理
• 2.3 多普勒频移估计的基本理论
• 2.4 低信噪比情况下的多普勒频移估计分析
• 2.5 大多普勒频移情况下的多普勒频移估计分析
• 2.6 本章小结
• 第3章 DS-FFH/MSK测控系统模型的仿真实现
• 3.1 引言
• 3.2 系统的建模与仿真
• 3.2.1 直接序列扩频（DS）模块设计
• 3.2.2 跳频序列扩频（FFH）模块设计
• 3.3 MSK调制解调的建模与仿真
• 3.4 本章小结
• 第4章 跳频（FFH）引入的相位角对测速性能的影响分析及其仿真
• 4.1 引言
• 4.2 跳频时刻的相位抖动
• 4.3 直接数字频率合成器DDS相位噪声分析
• 4.4 DDS/PLL频率合成器相位噪声分析
• 4.5 联合分析
• 4.5.1 不存在相位噪声情况下
• 4.5.2 存在相位噪声情况下
• 4.6 仿真分析
• 4.6.1 跳频时刻无保护时间
• 4.6.2 跳频时刻有保护时间
• 4.7 本章小结
• 第5章 基于FFT的多普勒频移测速分析及其仿真
• 5.1 引言
• 5.2 FFT分析性能
• 5.2.1 无多普勒频移时
• 5.2.2 有多普勒频移时
• 5.3 基于FTT的多普勒频移估计算法设计与仿真
• 5.3.1 二维搜索（2-D SEARCH）算法
• 5.3.2 基于FFT的多普勒频移估计算法原理
• 5.3.3 码相位跳变对FFT谱的影响
• 5.3.4 信号长度对FFT谱的影响
• 5.3.5 算法中FFT谱的损失及其改善
• 5.4 仿真结果和分析
• 5.5 本章小结
• 工作结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表的论文及研究成果