Research on Carrier Tracking in Hybrid DS/FH Spread Spectrum TTamp;C System
Abstract
Because of the effect of carrier frequency hopping, the input IF signal of carrier tracking loop in DS/FHSS (Direct Sequence/Frequency Hopping Spread Spectrum) TTamp;C (Telemetry, Tracking amp; Command) System is characterized by the Doppler frequency agile. The tracking loop will shift to the frequency step response state ceaselessly and the measurement resolution severely decline, even the loop is likely to be unlocked. This paper presents a carrier tracking loop aided by frequency hopping pattern. In order to keep the stability of the tracking loop, the Doppler frequency agility in the next frequency hopping dwell is estimated and timely compensated to the frequency adjustment of carrier NCO according to the preset frequency hopping pattern and current spacecraft velocity. Simulation results show that this method effectively eliminates the instability due to carrier frequency hopping, and the resolution of loop meets the requirement of TTamp;C system.
Keywords：carrier tracking；DS/FHSS；frequency agility；aided；TTamp;C
I．INTRODUCTION
The main function of TTamp;C (Telemetry, Tracking and Command) system is ranging and velocity measurement. Presently, the most common used TTamp;C systems are unit carrier system and unit spread spectrum system. For the unit carrier TTamp;C system, ranging is realized by measuring the phase difference between transmitted and received tones, and for the unit spread spectrum TTamp;C system, according to the autocorrelation properties of PN code, ranging is realized by measuring the phase delay between the received and local pseudonoise (PN) code. Velocity measurement in both of TTamp;C systems depends on extracting the frequency difference resulting from the Doppler phenomena between the transmitted and received carrier. While all the processes mentioned above are finished on the ground of high resolution carrier tracking, and the phase lock loop is the common used method to implement it in TTamp;C system. As the space electromagnetism environment become more and more complicated, the capability of anti-jamming is required by the future TTamp;C system [1]. So we consider using the hybrid DS/FHSS (Direct Sequence/Frequency Hopping Spread Spectrum) technology to build a more robust TTamp;C system.
For many ordinary hybrid DS/FHSS communication systems, the most important function is demodulating data but not measuring, so it is not necessary to measure the carrier frequency precisely. However, in hybrid DS/FHSS TTamp;C system, measuring and tracking the carrier precisely is the foundation of system, so some special problem needs to be solved. In the hybrid DS/FHSS TTamp;C system, even the received signal has been dehopped by the pattern synchronization module, due to the Doppler Effect and carrier frequency hopping, the input frequency of tracking loop contains frequency agility severely. As a result, the loop is likely to shift to the frequency step responses state again and again, and it seems to be impossible for frequency measurement and carrier tracking. The paper is organized as follows. In section I, the frequency hopping pattern synchronization module in the DS/FHSS TTamp;C system is introduced. In section II, we analyze how the carrier frequency hopping influences the performance of the carrier tracking loop. In section III, a carrier tracking loop aided by frequency hopping pattern and current spacecraft velocity is proposed. In section IV, a simulation mode on the ground of actual requirement of TTamp;C system is built and the results of simulation show that this method is very simple and effective for DS/FHSS TTamp;C system. Finally, some conclusions are drawn in section V.
II．INPUT SIGNAL OF CARRIER TRACKING LOOP
As the traditional TTamp;C and communication system, the input signal of carrier tracking loop must be a monotonous intermediate frequency signal, so the received RF signal should be dehopped by the frequency hopping patternsynchronization module. In FH communication system, the signal during a hop dwell time is a narrowband signal and the general power detector is commonly used to detect the frequency hopping signal [2]. But in the hybrid DS/FHSS TTamp;C system, the signal is submerged in the noise, it is impossible to acquire signal directly by power detector such as FH communication system. However, the signal during a hop dwell time in the system just is a direct sequence spread spectrum signal, so we can acquire it based on the acquisition of direct sequence spread spectrum signal. The acquisition methods, such as serial-search acquisition, parallel acquisition and rapid acquisition based on FFT have been discussed in a lot of papers [3-5], so we wonrsquo;t discuss the problem detailedly in this paper. In our system, since one hop dwell time is very short, the rapid acquisition based on FFT which can extract the phase delay and carrier frequency at one time will be the best way for acquisition. The scheme of the frequency hopping patters acquisition, i.e., coarse synchronization, could be shown as Fig 1.
The synchronization of frequency hopping pattern is realized by the local frequency synthesizer rapid searching and the two dimension rapid acquisition of Direct Sequence PN code phase and carrier frequency. At the beginning, the link switch is on the location 1, and the output signal of local frequency synthesizer with higher hop speed than the received one is mixed with the received signal. Then, via the band pass filter, the output signal of mixer is fed into the acquisition module of PN code and carrier. If the output of correlator in acquisition module is less than the preset threshold, the direct sequence spread spectrum signal is not acquired during this hop dwell time and the local frequency synthesizer steps the next frequency. By cont
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对载波跟踪混合DS /跳频扩频测控系统的研究
摘要
由于载波频率调频的影响，DS/FHSS（直接序列/跳频扩频）TTamp;C（测控）系统的载波跟踪回路的输入信号具有多普勒频移灵活的特征。跟踪环路将转移到频率不断阶跃响应状态并且测量分辨率严重衰退, 即使循环可能是开启的。本文提出一种跟踪环路藉由承运人跳频模式。为了保持这个跟踪环路的稳定性，在下一跳频住的多普勒频移敏捷性事估算的并且根据预设跳频模式和通用航天器速度及时补偿载体的数控振荡器的频率调整器。仿真结果表明该方法有效地清除了由于载波跳频引起的不稳定性，这种回路方法满足测控系统的使用要求。
关键字：载体跟踪；DS / FHSS；频率敏捷；辅助；测控
1．对载波跟踪混合DS /跳频扩频测控系统介绍
测控（跟踪，遥测和系统的指令)系统的主要功能是排列和速度测量。目前，最常用的测控系统是单位载波系统和单位扩频系统。对于单位载波系统，排列是通过测量被发送和接收的音调之间的相位差来实现的；对于单位扩频系统，根据自相关性质的伪码, 排列是通过测量这接收和当地pseudonoise(伪)代码之间的相位延迟来实现的。两个测控系统之间的速度测量依赖于提取发送和接收的载体之间的多普勒现象所产生的多普勒频差。而上述所有的程序是根据高分辨率的载体跟踪来完成的, 而且锁相环是程序进行测控系统最常见的方法。由于电磁环境的空间变得越来越复杂,对于将来的测控系统具有较好的抗干扰能力是有必要[1]。所以我们考虑用这种混合DS/跳频扩频技术来建造一种更强健的测控系统。
对于许多普通的混合DS / FHSS通信系统,最重要的功能是解调数据而不测量，所以是没有必要测量出的载波频率。但是，在这个混合DS / FHSS系统里精确地测量和跟踪载体是系统的基础，所以一些特殊的问题是需要解决的。在复合DS / FHSS测控系统, 甚至收到的信号同步模式dehopped模块,由于多普勒效应和载波调频技术，跟踪回路的输入频率严重地含有频率捷变。结果，这个回路可能反复地移动它的频率阶跃响应状态，对于频率测量载波跟踪这似乎是不可能的。
摘要组织如下：在第一段,跳频模式同步模块在DS / FHSS测控系统作了简要介绍。在第二段，我们将分析载体调频技术如何影响载体跟踪回路。在第一段，载体跟踪环路藉由跳频模式并且通用航天器速度是提议的；因为测控系统的实际要求，其仿真模式被建造并且仿真结果表明，对于测控系统这种方法是非常简单又有效的。最后在第一段引入了一些结论。
2．载体跟踪环路的输入信号
像传统的测控和通信系统, 载波跟踪回路的输入信号一定是个单调的中频信号, 所以收到的射频信号应该被跳频模式同步模块dehopped。在FH通信系统里，在跳跃时间内信号是窄带信号并且一般得功率检测器通常被用于检测跳频信号[2]。但是在复合DS / FHSS测控系统内，这信号是潜伏在噪声中，这就不可能通过功率检波器如跳频通信系统直接获取信号。然而,在这系统内信号在跳的停留时间期间只是直接序列扩频信号, 所以我们可以获得基于获得直接序列扩频信号的信号。这种获取方法，例如连续-搜索获取，并行获取和快速获取在傅立叶变换的基础上,讨论了大量的文献[3 - 5],这样我们就不对这一问题进行详细的讨论。在我们的系统中,因为一个跳跃停留的时间很短,但基于傅里叶变换的快速捕获,可以提取相位延迟和载波频率，在一段时间内对于捕获这将会成为最好方法。跳频的方案,也就是粗同步。
跳频模式的同步是由同步跳频模式是由局部频率合成器快速搜索和二维快速获取直接序列伪码相位和载波频率实现的。开始，链接开关在位置1,局部频率合成器的输出信号，比接收信号更高得跳跃速度，与接收信号相混合。然后，通过带通滤波器，混合器的输出信号输入了采集模块的伪码和载波。如果在采集模块中相关器的输出数据低于预设阈值, 在这跳跃停留的时间和局部频率合成器设置的下个频率下，直接序列扩频信号是不能获得的。相比之下，如果发现采集模块变量超过预设阈值,它的意思是,跳频信号以获取并且混合器输出了一个稳定的区域扩频信号。之后，开关在位置2，局部频率合成器根据跳频模式及时改变输出频率。如粗同步所提到的,已经被dehopped的DS / FHSS信号被提供给伪码跟踪环并且在收到的伪码和局部伪码的精准是由一个代码跟踪环路实现的即delay-locked循环。最后，代码跟踪环路的输出信号,即收到的伪码的副本,混合着被粗同步dehopped的中频直接序列扩频信号，用于载体跟踪环路的单调的中频窄带信号获取到了。
3. DS / FHSS载波跟踪环路的特征
在普通的通信系统中与载波跟踪环路相比, 由于航天器的极高的动态,特别是在着陆时,加减速,混合DS / FHSS测控系统的载波跟踪环路受多普勒效应(达100KHz)的影响会更严重的。除了那些,多普勒频率捷变还由载波频率跳频没有消除跳频载体被dehopping造成的,这是影响DS / FHSS系统载波跟踪环路性能的主要因素。
DS / FHSS测控系统下行信号的频率可以描述为:
i是载波频率的序列号，是电流载波频率，在电流跳跃停留时间的期间是多普勒频率偏移和是航天船当前的速度。我们可以假定同步跳频模式已经完成,局部频率合成器的输出频率为：,是接收到的和局部频率的频差，也就是，载波跟踪环路输入信号的中频。通过中频带通滤波器，这个中频信号，就是，就这样获取了。
根据速度的关系，载波频率和多普勒频移，这个载波跟踪环路的输入频率如下所示：
在ith频率和(i i)th频率的间隔之间,产生了多普勒频率捷变，可以表示为：
一般来说，我们假设在两个相邻频率的航天器速率不变，即，所以，这个解释了频率捷变在两个相邻跳跃的中频的功能，还有航天器当前的速度。
载波跟踪环路的输入信号可以表示为：
P是载波频率，是已调置数据，是中频，和是初始频偏和初始相位偏移，如果否则.T是跳跃停留时间，O是定时误差，n(t) 附加性双边带N/2高斯白噪声的功率谱密度,c是光速。
跟踪器的分辨率是这个环路性能基本的描述，我们可以通过误差传递函数获得，如下：
F(s)是环路滤波器的传递函数，K是开环增益，我们可以应用极限原理，如
从而获得稳态跟踪误差。不幸的是，这个推导中的拉普拉斯转移是不可能的，所以我们准确的计算测量误差，仅仅通过仿真来分析。
对于第二个顺序环路，其采集时间乐意表示为：
是初始频偏，和分别是固有频率和阻尼系数，对于复合DS / FHSS测控系统只是频率捷变的对于跳频模块的时间函数，从而有三种讨论情况：
情况1：Tplt;Tc,即跳跃停留时间大于环路采集时间，载波跟踪环路是能获得并跟踪DS / FHSS测控信号,而当下个频率信号进入到环路时立即转移解锁状态。环路设置了闭合,开放,再闭合,再开放状态，多普勒偏移不能准确提取。
情况2：Tpgt;Tc,即跳跃停留时间小于环路采集时间，在采集循环状态，输入信号的频率可能突然提高,然后环路再一次进入采集循环状态。对这些情况,追踪环路一遍又一遍地进入采集状态。
情况3：对于non-ideal 2ed和高度顺序环路，采集带宽是限制的，跳频捷变影响环路的性能，当lt;，分析结论如上所述，当gt;，这个载波环路永远不会到达闭合状态。
这个2ed顺序跟踪环路的仿真结果通常如图2所示，虚线表示多普勒捷变，实线表示时间响应。
a图表示没有多普勒频偏捷变时的性能；当Tplt;Tc响应如图b,这个环路地状态有闭合和开启两个状态；图c是表示永远采集信号状态，因为在进入闭合状态之前频率是变化的，环路不能获取任何信号，图d是当gt;，这环路的跟踪能力是无效的。
4．跳跃模式载波跟踪环路的方案
跳跃频率模式载波跟踪环路的结构如图3。一般来说,我们可以假定在两个相邻的频率之间速度之间的间隔时间保持定值, 那么在接下来的频率间隔多普勒频率偏移量与载波频率相结合可以计算出太空船的流速。当下个频率信号进入到环路时，及时增加载波NCO的调节系数值。所以NCO的输出频率改变同步，如同输入信号的频率改变的和循环保持稳定。应该提到,在环路走到稳定状态时,在计划中的宇宙飞船速度被用于采集模块。之后,被锁状态,然后流速应该从循环本身中直接提取。通过这种方法,循环能够保持稳定甚至高动态条件。
除了热噪声的抖动,载体跟踪环路的主要误差受到跳频形态频率合成器频率的跳动和由于频率模式同步化的时序错误。前者取决于频率合成器的分辨率和其他的通信，我们只讨论后者。简单地说,对于接收信号当局部频率合成器的局部频率改变是提前或延迟, 在错误的时间里每位模块将会提供一个频率偏移给载波NCO，循环将一步步走向开启状态,即频率阶跃响应。幸运的是,当输入信号的频率变得确定,循环将会迅速回到稳态。但是随着同步错误的增加,它也有可能变得太严重而不能满足该测控系统的需求。
5．仿真
该混合DS / FHSS系统的载波跟踪环路模型显示在图3,这是建立在Matlab下进行的。这跟踪环路是标准的科斯塔斯环路，通常用于测控领域,就是能消除推理起因极性变化的调制的数据[9]。适应由于飞船运动而产生多普勒频移变化,循环设计为第二个顺序环路,循环过滤器为第一个顺序的过滤器。仿真参数设置根据实际测控任务如下:
载波频率：2.2GHz ~ 2.3GHz；
频率总合：128 ；
跳频模式:基于m-sequence；
获取后的初始频率偏移:300Hz；
载波跟踪环路的中频:4.8MHz；
采样频率: 16.3Mbps；
环路的噪声带宽:10Hz；
A．匀速运动和匀加速运动的时间响应
我们认为宇宙飞船速度7.9km / s,多普勒频率之间的关系,载波频率和速度、回路的输入信号的频率偏移获得如图4(a)。最大的频率捷变是2.3KHz。没有辅助的时间响应显示在图4(b)和一个在跳跃模式下有辅助的时间响应显示在图4(c)。结果表明,没有辅助的环路完全被释放,而有辅助的环路可以准确追踪载波。当宇宙飞船在加速运动(初始速度7.9km / s、加速度30g),时间响应如图5。获得了如pre-paragraph同样的结论。
B．不同跳跃速度下跟踪器分辨率
在仿真里，,通过计算方差得到了载波跟踪环路的分辨率。跟踪器分辨率与跳跃速度之间的关系如图6，在不同的输入的信噪比和在测控系统确保解调正确的最小值是13分贝。仿真结果证实对于跳跃速度这个分辨率是不敏感的,对于不同的跳跃速度这个方案具有较好的健壮性。
C．频率模式同步化下不同的定时误差的跟踪器分辨率
对载波跟踪环路受到跳频模式,基于上述讨论可知影响环路稳定性的主要因素是模式同步化定时误差。图7显示在不同的输入信噪比和不同的模式同步化定时误差的stead-state跟踪精度。测量误差随着定时误差的增加而增加,信噪比造成的测量误差甚至可以被忽略，当定时误差是由一些指定的值。因此,我们可以推断跟踪器准确性不会满足测控系统的所需,以后这些问题需要进一步研究。
6. 结论
在复合DS / FHSS测控系统中,基本多普勒频率捷变导致载波跟踪环路不断地持有频率阶跃响应, 所以为了测量距离和速度而精确地提取多普勒频率偏移是很困难的。通过分析频率捷变对跟踪器的影响的性能,跳频模式跟踪器和当前的宇宙飞船速度模型是当前的。一个补偿的频率是添加跟踪环路，作为载波跳频, 该方法的准确性，通过仿真已经验证了。
参考文献
[1]L.Simone, N.Salerno,and M. Maffei, “Frequency-Hopping Techniques for Secure Satellite TTamp;C: System Analysis amp; Trade- Offs”, Satellite and Space Communications, 2006 International Workshop on , Sept.2006, pp.13-17, dio:10.1109/WSSC.2006.255980.
[2]Don.Torrieri,Frequency-Hopping Communication Systems,Amy research laboratory, Mar.2003.
[3]M.K.Simon,J.K.Omura,Robert A.Scholtz and Barry K.Levitt,Spread Spectrum Communication Handbook. Boston: McGraw-Hill, 2003.
[4]D.Akopian,“Fast FFT ba
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