基于高动态PCM/FM信号模型的信号传输方法及信号模型模拟方法与流程

本发明涉及一种基于高动态pcm/fm信号模型的信号传输方法及信号模型模拟方法，属于航天测控通信、遥控遥测、卫星通信技术领域。

背景技术：

pcm/fm信号体制具有很强的抗噪声、抗多径衰落、抗相位干扰等能力；此外还具有发射效率高、格式灵活多变、易于在收发端进行数据加工和处理等优点，并且与数字技术及大规模集成技术的飞速发展相适应，还能直接与计算机终端连接进行数据处理和管理控制，因此pcm/fm信号体制被广泛应用。无论是航天测控通信、遥控遥测还是卫星通信领域，pcm/fm接收机均工作在高动态环境下。为了测试和验证接收机对多普勒效应的处理能力，研制可以为其提供高动态仿真环境的pcm/fm信号模拟器具有十分重要的意义。

当前研究主要集中在对pcm/fm信号调制方法的研究，对高动态环境下pcm/fm信号的模拟较少。在需要模拟高动态pcm/fm信号时，均是直接给出信号模型，没有考虑基带数据信号动态对pcm/fm信号动态模拟的影响，致使信号模拟精度不高。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于高动态pcm/fm信号模型的信号传输方法及信号模型模拟方法，该方法所基于的pcm/fm信号模型，考虑pcm/fm基带数据信号的动态所引起的载波相位变化，提高了信号模拟精度，适用于高动态环境下信号的传输。

实现本发明的技术方案如下：

一种基于高动态pcm/fm信号模型的信号传输方法，具体过程为：

首先，根据高动态pcm/fm信号模型，生成高动态pcm/fm信号s(t)；

其中，a为信号幅度，fr为发射频率，kf为调制常数，m′(t)为基带信号，v(t)为信号源相对接收机的径向运动速度，c为光速；

其次，输出所述高动态pcm/fm信号，实现信号的传输。

一种高动态pcm/fm信号模型的模拟方法，具体过程为：

(一)分别计算调频相位pfm和载波相位pc；

所述调频相位pfm的计算过程为：

(1)根据数据速率rb和数据多普勒速率rb_d(t)，计算得到数据相位pb；

(2)利用数据相位pb对已存储的数据或指令序列d[n]进行关系映射，使所述序列d[n]按照数据相位pb寻址输出；

(3)将输出的序列d[n]进行滤波得到基带信号m′(t)；

(4)将基带信号m′(t)乘上调频常数kf，再加上调频多普勒频率ffm_d(t)，然后进行积分得到调频相位pfm；

所述载波相位pc的计算过程为：

根据载波频率fc和载波多普勒频率fc_d(t)，计算载波相位pc；

(二)将调频相位pfm和载波相位pc相加，然后经过余弦映射得到pcm/fm信号；

s(t)＝acos[2π(pc+pfm)]。

有益效果

第一，本发明考虑了由基带数据信号动态引起的载波相位变化，给出了高精度高动态pcm/fm信号模型，利用该模型生成pcm/fm信号作为载波，实现了高精度的信号传输。

第二，本发明提出高动态pcm/fm信号模型的模拟方法，利用该方法相对于常规模拟方法，提高了信号模拟精度，为高动态环境下pcm/fm接收机性能的精确验证提供了基础。

附图说明

图1为信号源与接收机之间的运动示意图；

图2为pcm/fm信号模型流程示意图；

图3为数据相位与数据或指令序列关系映射示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

高动态pcm/fm信号的推导过程：

设pcm/fm信号表示为：

其中，a为幅度，fr为发射频率，kf为调制常数，m(t)为基带信号。

如图1所示为信号源与接收机相对运动示意图。设径向运动速度为v(t)，距离为d(t)，接收机任意前后两次采样时刻分别为t1与t2，t1＜t2。接收机采样时刻对应距离分别为d(t1)与d(t2)、瞬时相对运动速度分别为v(t1)与v(t2)；采样时刻对应信号源信号发射时刻为t1-d(t1)/c与t2-d(t2)/c，其中c为光速。

则发射端在t1-d(t1)/c～t2-d(t2)/c期间的相位差为：

由于信号传输过程中相位差保持不变，因此接收机在t1～t2时间内接收到信号的相位差也为因此接收机接收到信号的平均频率为：

令时间t2趋近于t1，则接收机在t1时刻接收到信号的瞬时频率f(t1)为：

由于时间t1的任意性，可以用t来代替，所以接收机在任意时刻接收到信号的瞬时频率f(t)为：

其中，基带信号m(t)可以表示为：

其中，d[n]∈{-1,1},n∈z为数据序列，数据长度为ts＝1/rb，rb为数据速率，h(t)为平方根升余弦滚降成型滤波结构的冲击响应，t0为采样周期，δ(t)为单位冲击信号。

发射端基带信号m(t)是数据相位ψ(t)的函数：

m(t)＝m[ψ(t)](7)

其中ψ(t)＝rbt。设接收端基带信号m′(t)，对应的数据相位为ψ′，则有：

其中，r′b(t)是相位ψ′(t)的数据速率，所以：

因此可以得到以下结论：

(1)接收机接收到pcm/fm信号的瞬时频率为：

(2)接收机接收到的基带数据信号m′(t)的瞬时频率为：

若已知载波多普勒频率的变化规律，利用公式(10)和公式(11)就可得到高动态pcm/fm信号模型，其信号格式为：

其中，fc_d(t)为载波多普勒频率，ffm_d(t)为调频多普勒频率，pc为载波相位、pfm为调频相位，可表示为：

对于基带数据信号m′(t)的相位pb为：

其中，rb_d(t)数据多普勒频率，可表示为

本发明所述高动态是指卫星相对地面站高速运行所导致的。

基于以上理论推导，本发明提供一种高动态pcm/fm信号模型的模拟方法，如图2所示，具体处理流程为：

(一)分别计算调频相位pfm和载波相位pc；

调频相位pfm的计算过程为：

(1)数据速率rb和数据多普勒速率rb_d(t)输入数据相位生成模块，按照公式(17)处理，得到数据相位pb；

(2)利用数据相位pb对已存储的数据或指令序列d[n]进行关系映射，使所述序列d[n]按照数据相位pb寻址输出；该步骤可以通过将数据序列存储在rom、ram等器件中实现。

例如需要传输遥控指令，则将遥控指令序列存储在rom或ram，然后进行关系映射后输出；例如需要传输遥测数据，则将遥测数据存储在rom或ram，然后进行关系映射后输出。

(3)将输出的序列d[n]经成型滤波得到滤波后的基带数据信号m′(t)；

(4)将滤波后的基带数据信号m′(t)乘上调频常数kf，加上调频多普勒频率ffm_d(t)，最后经过积分器得到调频相位pfm，如式(16)所示；

载波相位pc的计算过程为：将载波频率fc和载波多普勒频率fc_d(t)输入载波相位生成模块，按照公式(15)处理，得到载波相位pc；

(二)将调频相位pfm和载波相位pc相加，然后经过余弦映射得到pcm/fm信号。

s(t)＝acos[2π(pc+pfm)]。

该步骤可以通过将正弦值存储在rom或ram等器件中实现。

本发明还提供一种基于高动态pcm/fm信号模型的信号传输方法，具体过程为：

首先，根据高动态pcm/fm信号模型，生成pcm/fm信号；

其中，a为信号幅度，fr为发射频率，kf为调制常数，m′(t)为基带信号，v(t)为信号源相对接收机的径向运动速度，c为光速，τ与t的定义域相同；

其次，输出所述高动态pcm/fm信号，实现信号的传输。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。