| 标题 | 强干扰下非线性放大器对伪码测距性能的影响研究 |
| 范文 | 刘涛,蒙艳松,张立新 摘 ?要： 高功率放大器（HPA）作为高精度伪码测距系统中发射链路的重要组成部分，会将非线性失真引入到信号中，影响导航信号的测距精度。在干扰信号存在的条件下，放大器引入的幅频失真和相频失真也更加复杂。通过理论推导和仿真分析，研究干扰条件下的非线性特性对伪码测距的影响，给出了放大器工作在不同工作点下的伪码测距误差结果。研究结果对实际工程有一定的参考价值。 关键词： 高功率放大器； 非线性失真； 伪码测距； 干扰 中图分类号： TN967?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文献标识码： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章编号： 1004?373X（2014）23?0091?03 Effect of nonlinear amplifier on pseudo?code ranging performance under strong interference LIU Tao， MENG Yan?song， ZHANG Li?xin （Xian Institute of Space Radio Technology， Xian 710071， China） Abstract： As an important part of the high?precision pseudo?code ranging system， the high?power amplifier （HPA） affects the ranging accuracy of navigation signal due to the introduction of nonlinear distortion to the signal. Under the condition of existence of the interference signal， the amplitude?frequency distortion and phase?frequency distortion introduced by amplifier become more complicated. Through theoretical derivation and simulation analysis methods， the influence of non?linear feature on pseudo?code ranging accuracy under the condition of interference is studied in this paper. The pseudo?code ranging errors of the amplifier working in different OBO are offered. The important suggestion for the project is provided in this paper. Keywords： high?power amplifier； nonlinear distortion； pseudo?code ranging； interference 0 ?引 ?言 在高精度伪码测距系统中，高功率放大器（HPA）是信号发射链路的重要组成部分。一个理想的放大器，其输入/输出响应呈线性关系，即其幅频响应和相频响应均为常数。实际的放大器则偏离了此线性特征，HPA会将非线性失真引入到信号中，而导航信号的非线性失真导致扩频码自相关函数发生性变，从而恶化系统的伪码测距性能，从而引起较大的伪码测距误差。对于放大器对伪码测距的影响，主要集中在放大器的工作点选择对测距误差的影响，但多都是基于恒包络信号进行的分析。在实际情况下，噪声和干扰的引入，使得信号包络发生变化，这使得放大器的非线性失真更加明显。基于此考量，本文给出了在噪声和干扰条件下导航信号的伪码测距的理论分析和仿真验证。 1 ?信号失真模型 导航系统信号发射的原理框图如图1所示。对导航信号进行伪码调制和载波调制，由于传播信道中引入的干扰，信号成分变得复杂；在接收端经过滤波和放大处理之后，再对信号做载波相关和伪码相关处理。这里，假定对信号的载波实现完美跟踪。 <；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼17t1.tif>； 图1 导航信号经放大器非线性失真等效模型 1.1 ?导航信号模型 直扩导航信号记为[st：] [st=m=-∞+∞j=1Ndmtcjtpt-mT-j-1Tc] （1） 式中：[dmt]表示导航信息；[cjt]是伪码，取值为1或-1；[pt]为信号的调制波形，本次仿真采用的是BPSK调制；[Tc]是单个码片长度；[T]是单个导航比特的长度，这里[T=NTc。] 记干扰信号为[it]，则接收信号记为： [xt=st+it] （2） 1.2 ?放大器模型 HPA的放大特性一般为非线性无记忆模型。该模型由两个非线性函数作为表征，即AM?AM特性和AM?PM特性，表现为给定条件下的输入信号幅度，放大器的输出会有幅度和相位上的非线性转换特性。本文采用的放大器模型是Saleh模型，其AM?AM特性和AM?PM特性表达为： [FAA=α1A1+β1A2，FPA=α2A1+β2A2] ? ?（3） 式中：[A]是输入信号幅度；[FA，][FP]分别表示输出信号幅度和相位的特性函数，本次仿真模型系数为：[α1]= 2.401 1，[β1]=1.466 3，[α2]=1.158 3，[β2]=0.409 4。基于此，得到了带干扰信号经过放大器之后的输入/输出： [xampt=FAxtexpjFPxt+nt] ? （4） 考虑到干信比很大，放大器的输出主要受干扰信号的影响，因此，式（4）可以写作： [xampt=α1st1+β1it2expjα2it1+β2it2+α1it1+β1it2expjα2it1+β2it2+nt] （5） 2 ?非线性放大条件下伪码跟踪误差理论分析 在载波实现完美跟踪的条件下，载波成分被剥离出来，DLL对接收信号做伪码相关处理： [Sε=Rε-Δ-Rε+Δ] （6） 其中： [Rτ=1T0Txamptst+τdt] （7） 假如干扰信号包络在积分时间内起伏不明显，则： [Rτ=α11+β1it2expjα2it1+β2it21T0Tstst+τdt+1T0Tα1it1+β1it2expjα2it1+β2it2+ntst+τdt] （8） 而根据文献[3]中提出来的环路分析理论，DLL的跟踪误差与鉴相曲线[Sε]在[Sε]为0时的一阶导数有关。当积分时间足够长，且干扰在积分时间内包络起伏比较稳定的条件下，干扰信号与导航信号无关的时候，可以得到： [S0=Eα11+β1it2expjα2it1+β2it2? ? ? ? ? ? ? ddτ1T0Tstst+τdtτ=0] ? （9） 而文献[4]中给出的鉴相曲线在零点的导数为： [d1T0Tstst+τdtdττ=-βr2βr24πfGsfsinπfΔdf] （10） 式中：[Gsf]表示的是信号[st]的功率谱密度函数。基于此，可以得到，强干扰条件下的经过放大器非线性失真之后的码环鉴别器在零点的导数发生了变化。在不存在干扰的条件下，码环鉴别器增益为式（10）的后半部分，而引入干扰之后，鉴别器增益为： [S0=Eα11+β1it2expjα2it1+β2it2?-βr2βr24πfGsfsinπfΔdf] （11） 而根据线性环路理论，鉴别器的输出在测距误差不大的情况下表现为线性特性，当信干比和信噪比不变的的情况下，干扰的存在必然会影响伪码测距的精度。 3 ?非线性放大失真对伪码测距误差的仿真分析 第2节的理论分析表明，伪码跟踪环路的鉴相[S]曲线形状决定伪码测距误差的系能。放大器输入端信号幅度的变化会使放大器之后的输出呈现出非线性，而经过失真的信号使得码环输出的鉴相曲线形状发生变化，这必然会影响到伪码测距误差。 本次仿真的导航信号采用恒包络的BPSK调制，引入的干扰为包络起伏宽带干扰。基于两种考虑，首先，导航信号对宽带扫频式干扰的抗干扰性不明显；包络不恒定时，放大器非线性失真更加明显。仿真结果如图2～图4所示。这里采用的干信比为30 dB，其形式为： [it=a-bcosω1tcosf0t2+f1t+φ] （12） 图3中的干扰中[ab=43，]则其峰值?平均功率比为2.39；图4中[ab=1，]峰值?平均功率为1.333。仿真结果表明，无干扰时，信号包络恒定，放大器不会引入非线性失真，经过放大器和未经过放大器的信号，其相关曲线和鉴相曲线几乎重合；经过放大器和未经过放大器的信号，其相关曲线和鉴相曲线几乎重合；而当引入干扰之后，经过放大器前后的信号做伪码相关时，其相关曲线已经发生变化，而在非线性区域两条鉴相曲线差异尤为明显且恶化严重，在本地码环未锁定在线性区域内的情况下，伪码跟踪情况不理想，而且通过图3和图4对比发现，同样工作在IBO=0 dB的情况下，峰值?平均功率小的情况下，信号的非线性失真稍小一些。 <；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼17t2.tif>； 图2 无干扰条件下经过放大器和未经过放大器的 伪码相关曲线和鉴相曲线 <；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼17t3.tif>； 图3 强干扰条件下经过放大器和未经过放大器的 伪码相关曲线和鉴相曲线 同时也得到了干扰条件下放大器工作在不同工作点上的测距误差，如表1所示。 <；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼17t4.tif>； 图4 有干扰和无干扰条件下，经过放大器之后的 伪码相关曲线和鉴相曲线 表1 放大器工作在不同工作点上测距误差 [IBO /dB＼&；0＼&；2＼&；4＼&；6＼&；8＼&；10＼&；伪码测距 误差 /Tc＼&；0.006 61＼&；0.006 33＼&；0.006 06＼&；0.005 81＼&；0.005 63＼&；0.005 43＼&；] 4 ?结 ?语 强干扰的加入使得信号经过放大器之后的非线性失真更加复杂，当强干扰包络保持恒定或者峰值?平均功率比接近1时，信号的非线性失真不太明显；当强干扰包络不恒定或者峰值?平均功率较高时，信号的非线性失真较为明显，测距性能恶化。此时应该在功放效率和伪码测距性能之间折中选取，即在峰值?平均功率较小时，放大器工作点选择靠近功率饱和点；当峰值?平均功率较大时，放大器工作点尽量工作在线性区域。 参考文献 [1] VAN DIERENDONCK A J. GPS receivers， in global positioning system： theory and applications [J]. AIAA， 1997， 1： 329?408. [2] BETZ J W， KOLODZIEJSK K R. Generalized theory of code tracking with an early?late discriminator， Part I： Lower bound and coherent processing [J]. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems， 2009， 45（4）： 1538?1550. [3] BETZ J W， KOLODZIEJSK K R， Generalized theory of code tracking with an early?late discriminator， Part Ⅱ： Noncohernet processing and numerical results [J]. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems， 2009， 45（4）： 1551?1564. [4] 李星，耿淑敏，欧钢，等.非线性放大器对伪码测距误差的影响分析[J].国防科技大学学报，2008，30（5）：49?55. [5] 谢钢.GPS原理与接收机设计[M].北京：电子工业出版社，2009. [6] KAPLA E D. GPS原理与应用[M].寇艳红，译.北京：电子工业出版社，2006. [7] SALEH A A M. Frequency?independent and frequency?dependent nonlinear models of TWT amplifiers [J]. IEEE Transactions on Communications， 1981， 29（11）： 1715?1720. [8] THAYAPARAN S， NG T S， WANG J Z. Half?sine and triangular dispreading chip wave forms for coherent delay?locked tracking in DS/SS systems [J]. IEEE Transactions on Communications， 2000， 48（8）： 1384?1391. [9] WARD P W. GPS receiver RF interference monitoring， mitigation， and analysis techniques [J]. Journal of The Institute of Navigation， 1994， 41（4）： 367?391. [10] 田日才.扩频通信[M].北京：清华大学出版社，2007. 参考文献 [1] VAN DIERENDONCK A J. GPS receivers， in global positioning system： theory and applications [J]. AIAA， 1997， 1： 329?408. [2] BETZ J W， KOLODZIEJSK K R. Generalized theory of code tracking with an early?late discriminator， Part I： Lower bound and coherent processing [J]. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems， 2009， 45（4）： 1538?1550. [3] BETZ J W， KOLODZIEJSK K R， Generalized theory of code tracking with an early?late discriminator， Part Ⅱ： Noncohernet processing and numerical results [J]. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems， 2009， 45（4）： 1551?1564. 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Journal of The Institute of Navigation， 1994， 41（4）： 367?391. [10] 田日才.扩频通信[M].北京：清华大学出版社，2007. |
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