文摘

超宽频脉冲信号(UWB)具有极窄脉冲宽度和宽的频率带宽,与操作频带重叠的全球定位系统(GPS)接收器,他们的表现构成了潜在的威胁。针对这个问题,通过数学分析和软件仿真,超宽频脉冲信号的影响下time-hopping-pulse位置调制(TH-PPM) GPS接收器的性能进行了研究。首先,表达和波形的超宽频脉冲信号在时频域分析,并得出结论,脉冲重复频率(脉冲)主要影响超宽频信号的离散谱和代码段主要影响连续光谱。在此基础上,仿真GPS信号的功率谱密度(PSD)和超宽频信号在不同脉冲参数代表,从中可以得出结论,脉冲重复频率的主要因素影响PSD的GPS信号。此外,本文分析了GPS接收器的退化等效载波噪声比(C/N₀)和C / A码解调比特误码率(BER)在超宽频干扰,是GPS信号质量的重要评价指标。最后,我们从理论上计算了超宽频干扰信号的最低干扰GPS接收器,提供一个理论参考减少超宽频脉冲信号的干扰效应对GPS接收机的性能。

1。介绍

在1960年代,超宽带无线电频率的问题解决了(射频)超宽频信号生成与许多研究者的大量努力1];随着电子通信技术的快速发展,超宽频系统正逐渐广泛应用于各种武器装备等领域,导航和雷达成像(2,3]。超宽频系统是一个主要的革命传统的通信方法,有别于传统的基于正弦载波调制的通信方法。超宽频使用nanosecond-level极窄脉冲作为信息载体,在信息传输速率高,高处理增益,和强大的渗透,进入商业应用的正式接受了美国联邦通信委员会(FCC)在2002年。考虑到超宽频的广泛应用在无线通信中,这是一个严重的问题,以避免频谱冲突超宽频系统和其他窄带系统和抑制超宽频脉冲信号干扰。因此,FCC严格管制的光谱范围和超宽频系统的传输功率。然而,现有的研究表明,超宽频脉冲信号的超宽频谱特性仍将导致现有frequency-using系统的功能退化,尤其是对GPS信号的功率远低于噪声地板,因此非常容易受到射频干扰(4- - - - - -7]。

GPS卫星导航系统是由美国国防部提供准确定位,准确的测量速度和高精度的标准时间。准确的,连续的,和高质量的GPS信号是有效的定位和导航的关键。然而,GPS卫星位于一个圆形轨道距地球表面20200公里。卫星信号后通过空间传播,信号强度已经很弱,当他们到达地球的表面。的干扰机干扰的力量1 W对GPS接收器执行噪声干扰,从而使GPS接收机在22公里范围内失去正常的工作能力,表明GPS信号有一个固有的脆弱性。超宽频信号有一个非常广泛和覆盖率,其频谱能量很容易落入GPS接收器和导致干扰设备的正常运行。因此,研究超宽频系统干扰GPS具有重要的现实意义。文献[8]导出精确的封闭接收机输出的解析表达式和postcorrelation载波噪声的GPS信号,提供理论基础,分析了脉冲干扰的影响。通过数值计算和实验研究,文献[9)获得,当超宽频脉冲重复频率落在导航接收机的工作带宽,脉冲幅度和重复频率成反比,当相同的干涉效应,和他们的产品是一个常数。基于PSD的分析超宽频干扰信号和BDS信号,仿真的文献[10)表明,八进制PAM超宽频信号约13分贝高于超宽频雷达信号干扰功率相同的参数。此外,研究分析了影响超宽频信号的中频接收机的输出在不同的系统和不同的权力。

针对GPS信号超宽频脉冲信号干扰问题,本文建立了一个超宽频信号模型在典型TH-PPM调制。从信号特征,分析不同脉冲重复频率的影响和TH代码时期PSD的超宽频信号。在此基础上,结合脉冲重复频率之间的关系和GPS扩频系统的带宽,相当于C/N₀和接收机的误码率恶化派生超宽频信号功率的增加,与此同时计算超宽频信号时的最低干扰导致跟踪丢失的GPS接收器。最后,提出了有效的措施提供一个参考的干扰抑制和GPS信号超宽频脉冲信号。

2。TH-PPM超宽频系统的模型

2.1。理论分析

联邦通信委员会定义了超宽频信号与一个绝对带宽大于500 MHz或相对带宽(信号频谱带宽的比值,其中心频率)大于或等于25%,他们的信号频率范围是3.1 - -10.6 GHz,有效各向同性发射功率不应高于−41.3 dBm / MHz (11]。

常见的方式来生成超宽频信号脉冲无线电(IR),传送脉冲信号在很短的时间内,和由此产生的脉冲窄脉冲宽度和稳定的波形的特点。本文采用TH - PPM超宽频信号,可有效避免在多用户通信中断和数据重复传输情况。脉冲在时域表达式可以写成 在哪里代表了发射脉冲波形。考虑到实际工程应用,波形通常采用高斯脉冲的二阶导函数,可以写成

T_f前平均脉冲重复周期调制;T_c的额外的每个脉冲的时移time-hopping代码;C_j是time-hopping代码序列;α_j是二进制信息序列;和α_jε是脉冲位移引起的PPM调制。

一个典型的TH-PPM超宽频脉冲信号的时域波形图所示1。的脉冲位置调制超宽频信号是由TH码伪随机序列,翻译在芯片内随机,随机超宽频信号在很大程度上倾向于白噪声谱特征。

从方程(1),它可以当的0和1的概率α_j出现,TH-PPM超宽频信号的功率谱密度可以表示为

和N_p伪随机序列(TH码)的TH-PPM超宽频信号。它显示了从方程(3)的PSD TH-PPM超宽频信号由一个连续和离散谱线频率的脉冲重复频率的整数倍。 连续光谱的一部分,其包络服从和一段时间的1 / cos信封吗δ。 这是离散谱的部分。不难推断出脉冲重复频率和代码段Np有重大影响的PSD超宽频信号。

2.2。模拟超宽频PSD

接下来,我们使用软件来模拟不同脉冲重复频率下TH-PPM超宽频信号的光谱特性Np。图2显示了PSD的超宽频信号相同Np不同的脉冲重复频率,和图3显示了超宽频信号PSD在相同的脉冲重复频率和不同Np。

在图2,结果表明,脉冲重复频率主要影响的稀疏和脉冲幅度离散谱线超宽频PSD的一部分。与脉冲重复频率增加,离散谱线间隔增加和强烈的峰值谱线的数量减少,导致减少超宽频干扰信号的平均功率在一定频段,最终削弱了干扰效果;同时,力量最强的谱线在2 GHz的峰值频率约106−dBm,它不会改变随着重复频率的增加。

在图3的变化Np几乎不影响强峰的位置和幅度离散的谱线,而主要影响连续谱线的信封。随着时间的增加,连续光谱的峰值减少,和信封的数量减少,往往是平的,导致干涉效应的减弱;增加到一定值后,谱线变化减缓的程度。它可以预测,持续增加Np超宽频脉冲位置和离散谱线间隔也往往是随机的,所以连续谱线部分的功率谱密度的超宽频信号限带白噪声的特点。在频域的性能可以近似为宽带高斯白噪声。

3所示。分析超宽频脉冲信号干扰GPS信号

3.1。GPS信号结构

GPS卫星信号结构包括三个信号级别:导航信息,伪码和载波。首先,伪代码用于扩频调制的导航信息,代码率从50个基点扩大到1.023兆赫,然后合并后的代码是BPSK调制的载波形式最终广播的卫星导航信号(12]。在L1载波调制的C /代码作为一个例子,信号接收的j- - - - - -^thGPS卫星可以写成 在哪里一个导航信号的振幅;D(t)是导航数据代码;C(t)是C / A的代码;f₁L1载波的中心频率;f_d卫星信号的多普勒频移;τ是信号传输延迟从发射机到接收机;和φ收到航空公司的初始阶段。code-carrying导航信息的功率谱线被调制后的C /代码如图4。

如图4的C / A码GPS信号是一个离散的谱线,符合罪c函数的信封。此外,着陆的GPS信号很弱,这是很容易受到周围电磁环境的干扰。一旦receiver-related处理器泄漏的强脉冲超宽频信号和GPS信号,它必然会对接收机的性能构成巨大威胁。

3.2。关键参数的影响TH-PPM超宽频脉冲信号PSD的GPS信号

为了研究TH-PPM超宽频系统如何影响GPS信号,采用下列参数仿真分析:超宽频脉冲信号宽度是0.5 ns,二阶高斯脉冲的振幅是1 V, PPM是0.5 ns,介绍的时移Np是10。我们选择三个不同组的脉冲重复频率:PRF1 = 10 MHz, PRF2 = 15.75 MHz, PRF3 = 20 MHz, GPS L1载波中心频率f₀= 1575.42 MHz。20 MHz带宽内的L1载波中心频率、频域关系的三个超宽频信号在不同脉冲重复频率谱线拟合,如图5。

它从图以图形方式显示5,当脉冲重复频率= 15.75 MHz,其整数倍恰巧落在GPS载波中心频率,还有一个明显的光谱能量飙升伴随着GPS L1主要叶,这是容易混到采集和跟踪过程中通过接收机前端滤波器,有效地降低了卫星信号C/N₀;当PRF1 = 10 MHz,离散的振幅谱线通常是低的。虽然有一个脉冲峰值在中心频率附近,信号功率很低,和干扰卫星信号较弱;当PRF3 = 20 MHz,光谱的峰值能量大于10米重复频率,但峰值的位置有一个很大的偏离中心频率。

它可以预测,当脉冲重复频率的整倍数不落在GPS工作带宽和没有单脉冲强振幅在中心频率附近,超宽频干扰效应较弱;当脉冲重复频率的整倍数只是落在GPS信号的中心频率,干扰效果是最明显的,它对GPS信号有最大的影响。工作带宽内的GPS接收器,超宽频信号的脉冲重复频率越小,信号的平均功率越小,GPS信号的干扰程度越低。

为了进一步探索超宽频信号的影响时,脉冲重复频率整数倍的工作带宽下降GPS信号,同时保持其他参数不变,模拟超宽频脉冲重复频率为7.875 MHz, 15.75 MHz, 31.5兆赫和78.75 MHz。超宽频信号的PSD GPS操作频带如图6。

在图6,四种不同的脉冲重复频率整数倍的GPS载波中心频率下降,构成一个大干扰的主要峰值卫星信号。与超宽频脉冲重复频率的增加,单脉冲宽度在GPS中心频率的增加。干扰信号能量更集中,干扰效果增强。

考虑TH代码段的影响,选择重复频率为15.75 MHz, PSD的超宽频脉冲信号的中心频率L1在三个不同的载体Np的10、30、50可以通过模拟,如图7。

从图可以看出7超宽频信号的力量在三个不同周期下的L1中频−138.6 dBm,−139.2 dBm,分别−140.3 dBm。虽然干扰信号的力量逐渐随的增加而减小Np变化不明显,变化对GPS信号的干扰影响。

4所示。GPS接收器上的超宽频脉冲信号的影响性能

代码的GPS接收器使用一系列相关操作计算伪距、载波相位、多普勒频移和其他卫星导航卫星信号的测量。相当于C/N₀和C / A码解调的误码率是两个重要方面来衡量它的性能和定位精度。

4.1。等效C/N₀

在缺乏外部干扰,卫星信号由射频前端降频转换器和信号C/N₀进入相关器可以写成 在哪里N₀=kT系统热噪声的功率谱密度,l_菲的损失是GPS接收机射频前端,然后呢P_RGPS信号功率。采取T= 290 K,P_R=−160瓦分贝,l_菲= 4 dB和替换到方程(5),最初的C/N₀最低下的GPS接收功率条件约40 dB赫兹。GPS卫星信号时遭受外部射频干扰和C/N₀的跟踪阈值低于接收机,接收机无法捕获和跟踪卫星信号,从而失去正常的导航和定位功能。不考虑环境噪声和其他电磁干扰,只有超宽频信号干扰,相当于C/N₀是 其中,J/年代干扰信号功率比有用信号功率,

问是抗干扰品质因数,它描述了GPS系统的能力抵抗不同类型的干扰,然后呢R是C / A码的编码速率(1.023兆赫)。超宽频干扰信号功率越大,越小C/N₀比GPS接收器,和更多的能量干扰信号进入接收机的相关器,使接收者失去卫星信号的符号和载体。根据文献[13),卫星跟踪阈值的某种类型的导航接收机是32 dB赫兹。通过这种接收机为研究对象,等价的C/N₀超宽频干扰下的GPS接收器可以得到如图8。

当(C/N₀]_情商高于阈值跟踪,实时C/N₀非线性变化的力量干扰信号和下降缓慢;当它低于跟踪阈值,接收机采集和跟踪已经完全失去了,不能获得准确的卫星信息。此时,等价的C/N₀和超宽频干扰信号功率近似线性分布。当接收者到达跟踪阈值下的GPS L1载体,干扰信号的比例J/年代从方程(30 dB7)。超宽频干扰信号的功率比卫星信号J/年代=Js−P_R,在那里P_R是权力(−160瓦分贝)的GPS接收信号,和最低的干扰水平Js= 1×10⁻¹³W(−130瓦分贝)可以计算。当超宽频脉冲的干扰信号进入接收机功率高于−130瓦分贝,它会干扰循环跟踪过程在很大程度上,造成损失的定位。

4.2。解调的误码率

在GPS数据代码后信号调制的扩频伪随机序列,频带大大扩大,信号系统的特点提出了扩频系统。在超宽频信号干扰下,泄漏的有用信号的射频滤波器接收机混入一些干扰信号,这可能会导致C /代码的二进制位倒在BPSK解调,从而降低解调精度。

下面将讨论基于超宽频信号的脉冲重复频率之间的关系和扩频系统带宽B_d,k=脉冲重复频率/B_d之间的比率,它是超宽频脉冲重复频率和GPS系统的带宽。

当脉冲重复频率大于B_d(k> 1),本质上是没有离散谱干扰信号的功率谱由GPS接收器输出。超宽频干扰信号可以近似白噪声的高斯模型,相当于增加了噪音的GPS接收器。然后,接收机的解调的误码率

当脉冲重复频率小于B_d(k< 1),将有至少一个离散谱线的超宽频信号下降在GPS信号带宽。在这个时候,干扰主要来自离散部分,相当于脉冲干扰。然后,接收机的解调的误码率

在上面的公式中,E_b是GPS信号的能量,N₀是白噪声的单边PSD,P_uPSD的超宽频干扰信号。相当于C/N₀是 ,结合方程(6),(8)和(9)。它可以显示超宽频干扰信号的PSD GPS频带工作将极大地影响等效C/N₀接收器,将导致系统误码率的增加。解调性能下降,最终影响测距精度的GPS接收器。图9显示了GPS解调的误码率的性能曲线J/年代高斯白噪声干扰下的变化。当J/年代小于−20 dB,系统的误码率在不干扰状态,类似于误码率和干涉效应较弱;的不断增加J/年代,数量逐渐增加,当0.5和误码率的方法J/年代在大约30分贝。此时,系统性能严重退化,无法正确解调和导航信息数据,这部分的结果是一致的3.1。此外,增加的E_b/N₀,全球定位系统(GPS)的解调误差性能越来越好。

5。结论

本文研究的干扰机制TH-PPM超宽频脉冲信号的GPS接收器。通过理论分析、功率计算和软件仿真,可以得出以下结论:(1)TH-PPM超宽频脉冲信号的脉冲重复频率主要影响离散的谱密度谱线。重复频率越大,谱线间距越大,脉冲幅度越小,然而,峰值频率影响不大;TH代码段主要影响连续谱线,周期越大,平滑信封;与此同时,干扰效果降低。(2)从超宽频脉冲信号和GPS信号系统,超宽频脉冲信号功率谱之间的关系在不同脉冲重复频率是着重探索:当脉冲重复频率的整数倍数恰好落在GPS L1载波中心频率,对GPS信号干扰的影响达到最大。脉冲重复频率越大,越多的能量干扰信号进入GPS接收器,和干扰效果越明显。这个时候,TH代码段少对信号的影响。(3)我们分析了等效C/N₀,超宽频信号干扰下的GPS接收器解调误码率和建立系统参数模型在不同refrequency超宽频信号。可以看出,超宽频干扰信号功率越大,参数退化越严重,GPS接收器的某些对测距精度的影响。(4)基于GPS接收器的分析等价的C/N₀在超宽频信号干扰下,理论上计算最低干扰水平的超宽频信号−130瓦分贝当GPS接收机性能的退化。同时,等价的C/N₀是32 dB赫兹,jamming-to-signal比率J/年代大约是30 dB。(5)为了抑制超宽频脉冲信号的干扰GPS接收器,超宽频脉冲重复频率和TH代码段可以适当调整,应严格控制和传输信号的能量最小化干扰信号落入GPS的工作频带。

数据可用性

没有数据被用来支持本研究。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作得到了13日五年计划装备预研项目(41409010501)。