專利名稱：：一種用多模喇叭天線發(fā)射的微波空間調(diào)制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及無線電通信雷達與跟蹤系統(tǒng)的體制和發(fā)射源設(shè)計問題，尤其涉及如何把方向信息調(diào)制到微波信號中，使不同方向能發(fā)射不同調(diào)制信號的基本方法。二、
背景技術(shù)：
發(fā)射信號設(shè)計一直是雷達探測、微波通信與跟蹤、微波遙感、無線電導(dǎo)航的重要問題。但多數(shù)系統(tǒng)的設(shè)計側(cè)重于時域發(fā)射波形或天線方向圖特性的最佳化上。除特殊的導(dǎo)航系統(tǒng)外，其它系統(tǒng)的發(fā)射信號在天線波束內(nèi)是一致的，不含有方向信息。欲在波束內(nèi)的不同方向發(fā)射不同信號，涉及到空間信息或方向信息對信號的調(diào)制概念，即空間調(diào)制?？臻g調(diào)制是利用空間信息或空間特性對信號進行控制。光信號的空間調(diào)制已經(jīng)廣泛應(yīng)用，如用光柵、液晶、透鏡等都可以容易實現(xiàn)空間調(diào)制。由于波長的關(guān)系，光波空間調(diào)制技術(shù)還不能簡單移植到微波頻段，微波空間調(diào)制還是研究極少。無線電導(dǎo)航中的甚高頻全向信標(biāo)、塔康系統(tǒng)是最原始的模擬空間調(diào)制技術(shù)，它把方位信息調(diào)制到信號參數(shù)中。雖然現(xiàn)代通信中的空時編碼調(diào)制也有空間調(diào)制意思，但指的是多天線對數(shù)字信息的空間編碼，沒有直接把空間信息調(diào)制到信號中。雖然，在發(fā)明專利(公開號CN1835490A)提出了把方位角和仰角信息調(diào)制到微波信號中的一種方法，但采用的是同相位中心的四饋源激勵單脈沖天線，天線方向圖參數(shù)調(diào)制的是發(fā)射信號載波相位，利用載波相位的變化量來實現(xiàn)方向調(diào)制。但沒有解決異相位中心多天線發(fā)射的空間調(diào)制問題。三、
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種新型無錢電通信與跟蹤探測系統(tǒng)的發(fā)射源，它采用體積緊湊的矩形孔徑多模喇叭天線，用異相位中心多天線發(fā)射的微波空間調(diào)制方法，在不同方向發(fā)射不同調(diào)制的微波信號，單天線接收就可以實現(xiàn)碼信息的傳輸，還可同時測向跟蹤或目標(biāo)探測。為了達到上述的k明目的，本發(fā)明包括下列步驟(1)選擇多模喇叭天線三個通道的激勵模，計算三個通道的方向圖函數(shù)；選用矩形孔徑多模方式喇叭天線，三通道，是指和通道S、H面差通道AH及E面差通道A￡，三個通道發(fā)射模式為和通道s，發(fā)射模7E,。，ra3Q，？，￡l2/rM12,方向圖函數(shù)《為F,/^，-)__^^j^+^"sin(加)c。s("_sin(孤)c。s(;rv)(1)11l-(fc30/3)孤12"2-(孤)21—4v2孤9-4v2其中a是方位角，yff是仰角，參量w="^cos/3,v=^"Sinarsin>5,矩形孔徑長邊a-2.i;i，;t義寬邊6=1.9;1，；i為波長，相對增益^。-0.4expC/！),相對增益^=0.85exp(-_/^)，計算636結(jié)果表明《是復(fù)數(shù)，《-l《lexpC^),存在一個隨方位角和仰角變化的相位滯后量e;h面差通道a//，發(fā)射模式r五M,r￡22/rM22,方向圖函數(shù)《為尸2=0.38[si—)+"l一4w;r-(;rw)1-4v其中相對增益&2=0.67，計算結(jié)果表明《是實數(shù)；e面差通道m(xù);，發(fā)射模式7^/:rMu和ri^/:ri^,方向圖函數(shù)《為l一4w29-4m1-4v2其中相對增益^=0.5，計算結(jié)果表明《也是實數(shù)；(2)(3)式(2)和式(3)中的Q,-,W、V的含義與式(l)中的Ct、yff、w、v的含義相同；(2)設(shè)計微波空間調(diào)制的信號星座與空間調(diào)制關(guān)系，禾U用上述的和通道2，h面差通道a//，e面差通道ae同時發(fā)射，在空間干涉后形成的微波信號為r((H義cosW+ysin奴，義和y為等效基帶信號的兩個正交分量，寫成基帶復(fù)信號為z-x+yy。設(shè)發(fā)射信號一幀一幀地發(fā)射，一幀內(nèi)分三個時隙，第w幀的三個時隙六個等效基帶正交分量構(gòu)成的信號矢量為5(")=^(1,")印,")義(；")y&")X(3，")F(3,"f，天線方向圖函數(shù)構(gòu)成的矢量為/Z-^ilcos0l巧lsin0F2《]"，所設(shè)計的調(diào)制矩陣為爿(")，信號矢量的關(guān)系滿足<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>其中j(l)為初始矩陣，5為信號矢量旋轉(zhuǎn)i的變換矩陣,a"為待傳送的通信信息，"=0，1，2，3;r(0的信號相位一,w)差分變化關(guān)系為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage0</formula>若令第w幀的第/時隙發(fā)射的等效基帶復(fù)信號為Z(/，")=X(/,")+，則由(4)和(5)式可導(dǎo)出天線方向圖參數(shù)的空間調(diào)制關(guān)系為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage0</formula>即第"幀內(nèi)第一時隙與第三時隙的信號矢量差與方向圖函數(shù)《成正比；第"幀內(nèi)第三時隙與第二時隙的信號矢量差與方向圖函數(shù)^成正比；第w幀內(nèi)第一時隙與第二時隙的信號矢量和與方向圖函數(shù)絕對值WI成正比;所以是一種利用發(fā)射信號矢量和或矢量差來調(diào)制空間信息的空間調(diào)制；另外，由公式(4)和(5)描述的信號矢量共有12種狀態(tài)，第w幀內(nèi)發(fā)射三個不等振幅不同初相的信號矢量Z(1,")，Z(2,")，Z(3,"),第w+l幀根據(jù)fl"+,的大小將第w幀三水信號矢量旋轉(zhuǎn)|"+1角后得新的三個信號矢量，所以12種狀態(tài)可看成由三個正方形的QPSK星座組成，一幀中三個時隙每個時隙發(fā)送其中一個QPSK信號矢量。(3)形成每個通道的激勵信號，通過多模喇叭天線發(fā)射，利用上述的初始矩陣X(l),對待傳送的信息碼""，形成調(diào)制矩陣為^("),再利用(11)式A關(guān)系決定c^(/,")，則和通道S，H面差通道A/f，E面差通道A5三個通道中第y通道第"幀第/時隙的激勵信號為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage0</formula>其中"/，h"均是正整數(shù)。利用(10)式不同的時域調(diào)制信號，對矩形孔徑多模喇叭天線的和通道2，H面差通道A//，E面差通道Ai:三通道同時激勵發(fā)射，就可以將方位角和仰角信息調(diào)制到微波信號中，實現(xiàn)在雄)=(11)波束內(nèi)不同方向能發(fā)射不同調(diào)制信號功能。常規(guī)的調(diào)制是將待傳送信息去控制發(fā)射載波的振幅、相位或頻率，控制的都是一個發(fā)射信號矢量的參數(shù)。本發(fā)明用待傳送的三個通道方向圖函數(shù)(S通道《，A/f差通道《，A^差通道尸3)，去控制一幀中三個時隙發(fā)射信號差矢量或和矢量的大小，使兩組差矢量的模值分別正比于//的差通道方向圖函數(shù)^和￡的差通道方向圖函數(shù)《。另一組發(fā)射信號的和矢量大小正比于和通道s的方向圖函數(shù)絕對值l巧l。這是有別于常規(guī)調(diào)制方法的一個重要特征。同時,這種調(diào)制方法也解決了天線方向圖函數(shù)中和通道S與兩個差通道A/f、A5存在相位差異情況下的空間調(diào)制問題。其次，本發(fā)明的信號采用三個不等幅不同初相的QPSK12點星座，通過時隙分集傳送一路四進制碼信息，實現(xiàn)碼信息傳輸。一幀中三個時隙選用圖示的12點星座，可分解成三個不等幅不同初相的QPSK信號星座，通過時隙分集傳送一路四進制碼信息。任一幀中都有兩組差矢量直接含有載波相位信息，便于接收機進行載波相位估計。有益效果本發(fā)明提供的空間調(diào)制方法，只需采用常用的矩陣孔徑多模喇叭天線，就可以在不同方向發(fā)射不同的調(diào)制信號，實現(xiàn)碼信息傳輸，并同時測定接收機相對于發(fā)射機的方向。這種發(fā)射源如用于微波和毫米波頻段的通信與跟蹤、雷達探測、導(dǎo)航制導(dǎo)、微波成像系統(tǒng)，將會帶來系統(tǒng)體制上的變革。四圖1矩形孔徑喇叭天線與坐標(biāo)軸的幾何關(guān)系圖。圖中"是方位角，"是仰角，"是矩形孔徑的長邊長度，6是寬邊長度。圖2比值《/|巧|與仰角的關(guān)系圖。圖3比值《/gl與方位角的關(guān)系。圖4微波空間調(diào)制發(fā)射單元組成框圖。圖由編碼器、時域調(diào)制器、振蕩器和多模喇叭天線四部分組成，圖中輸入""是待傳輸?shù)乃倪M制碼序列。圖5天線方向圖函數(shù)(《，《，F(xiàn)》被調(diào)制到信號空間的示意圖。圖中第w幀三個時隙發(fā)射信號矢量為Z(l，")，Z(2,m)，Z(3,n)，星座點0、1、2、3構(gòu)成第一路QPSK信號，星座點4、5、6、7構(gòu)成第二路QPSK信號，星座點8、9、10、ll構(gòu)成第三路QPSK信號。圖6碼信息的誤比特率曲線。曲線A表示當(dāng)接收機處于a-10。，々=100°方向時的誤比特率曲線。曲線B表示當(dāng)接收機處于cr=0°，；9=90°的軸線方向時的誤比特率曲線。曲線C表示當(dāng)接收機處于a=15°，-=115°方向時的誤比特率曲線。圖7仰角向的測角均方誤差曲線。圖8方位向的測角均方誤差曲線五具體實施方式(1)選擇發(fā)射天線激勵模由天線收發(fā)的互易性，發(fā)射模式選擇可以與接收模式一樣，矩形孔徑喇叭天線三個通道模式為和通道2，選取發(fā)射模為7^。，7五3。，7五12/7^12，口面場五"0^)為五zs(少,z)=cos!+*30cos3"cos^"Cos(12)aaa6差通道m(xù)z,即h平面差模，發(fā)射模式為r五2。，r￡22/rM22，口面場五^(y，"為￡zff(y，-)=sin^^"(1+A22cos(13)差通道A^，即￡平面差通道，發(fā)射模式為7^,/rMu,r￡13/7M13,口面場i^0;,^為五化(y,z)=(sin"^"+先i3eos^^")cos!(14)其中激勵場強的方向以圖l所示的坐標(biāo)軸為參考。參量為《=2.1義，6=1.9/1，、o=0.4exp(y^)，=0.85exp(—_/^)，Ar22=0.67，&3=0.5。636(2)方位角和仰角調(diào)制關(guān)系的設(shè)計在圖l的坐標(biāo)下，可導(dǎo)出三個通道的歸一化方向圖函數(shù)F,、巧和巧，這三個方向圖函數(shù)有如下特性*尸2和《是實數(shù)，而^是復(fù)數(shù)，令F,l^exp(川)，存在一個變化的相位滯后量P。*數(shù)值計算可得方位角與比值iyl巧l成比較好的調(diào)制關(guān)系，而仰角與比值巧/l《l也成比較好的調(diào)制關(guān)系，三維曲面如圖2和圖3所示。因此，在下面的調(diào)制信號空間設(shè)計時，將力求用比值《/l《l和《/l《l去控制信號參數(shù)。(3)微波空間調(diào)制的信號星座圖與空間調(diào)制關(guān)系設(shè)計由于巧存在相位滯后，給信號設(shè)計帶來了困難，同時也顯現(xiàn)下面的信號調(diào)制設(shè)計更新穎。設(shè)每個通道的激勵信號為A(O&(0=c,.!cosffl^+c,.2sitifflT(15)這里的《為發(fā)射載波角頻率，第w時隙碼信息為^.e[-l，0，1]。則接收信號K0可寫成<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>為了將天線方向圖i^，巧和尸3調(diào)制到信號空間中，像空時編碼一樣，把通信信息分三時隙分集編碼發(fā)射，每個時隙的接收信號空間為一個QPSK信號，三個時隙矢量的和或者差矢量大小直接與函數(shù)巧，尸2和^成正比。如圖4所示。現(xiàn)設(shè)第n幀的三個時隙六個等效基帶正交分量構(gòu)成的信號矢量為s(")-[義a")iuw)z(3，《)，天線方向圖函數(shù)矢量為/Z-lAlcoseiF」sin^F2F3f，待設(shè)計的調(diào)制矩陣為j(")，信號矢量的關(guān)系滿足(19)差分變換關(guān)系為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>式中""為待傳送的通信信息，fl=0,1,2,3;接收到的QPSK信號相位y(!',")變化關(guān)系為W(/，w)=W，"+0.5加，f=1,2,3;(21)若令第^1幀的第1'時隙接收等效基帶復(fù)信號為2"")=義"^0+^^,w),則天線參數(shù)的空間調(diào)制關(guān)系為Z(l，")-Z(3，")=2iy(22)Z(3，")-Z(2,")-2《(23)|Z(l，")+Z(2，")|=|2Fj(24)因此，圖5所示的信號是一種可以將天線方向圖函數(shù)(尸pF2，F(xiàn)3)，或方位角和仰角方向信息調(diào)制到信號中的微波空間調(diào)制，并且還可以傳送數(shù)字信息。從圖5中也可以直觀測出2《、2尸3和|2《|的大小。當(dāng)然，對于接收機來說，由于信號傳播有功率衰減，2《、2《和|2《|還要除以一個公共的衰減因子。但若方向不變，比值《/lF」和《/l《l是恒定的。所以能實現(xiàn)空間調(diào)制。(4)形成每個通道的激勵信號，通過矩形孔徑多模喇叭發(fā)射如圖4所示，調(diào)制發(fā)射裝置由編碼器、時域調(diào)制器、振蕩器及多模喇叭發(fā)射天線組成。其中編碼器的第一方框是利用上面設(shè)計的矩陣B，對待傳送的信息碼fl",形成信息矩陣5""。編碼器的第二個方框由j(l)和萬""形成調(diào)制矩陣^(w)，并用(26)式的關(guān)系分多路輸出。t(/,w)。時域調(diào)制器用碼c,(/,w)序列對多路同初相的正余弦載波進行調(diào)制，最后送多模激勵器產(chǎn)生與方向圖函數(shù)《、《和《對應(yīng)的各次模，并發(fā)射形成空間調(diào)制信號。三個通道中第_/通道第w幀第/時隙的激勵信號為。.W)=c"(/，")cosc^+。2(;，")sinM(25)由^(")生成。力'，M)的關(guān)系如(15)式。'Cu(l,")c12(l，")c12(l，")〃、Cu(2,")c12(2，w)c12(2，")-Cu(2,")Cu(3,")c12(3，")_c12(3,w)-c(3，")下面列舉兩個具體實例實施例一利用本發(fā)明的調(diào)制信號來傳送碼信息現(xiàn)設(shè)第w幀的三個時隙六個等效基帶正交分量構(gòu)成的信號矢量為c21(l，w)c31(l,w)c22(l，")c32(l，")c21(2,w)c31(2，w)c22(2，")c32(2，")c21(3，")c31(3，")c22(3，")c32(3，")(26)S(w)=[Zaw)U")義ftn)y(2>")義&")y(J")r,天線方向圖函數(shù)矢量為/Z-l^lcos0l巧lsin0《《f，待設(shè)計的調(diào)制矩陣為J(w)，信號矢量的關(guān)系滿足S(""v4(w)W(27)差分變換關(guān)系為^(")=5。"(28)乖:01100100001001—100000100一l000100丑=0一l1000—10000110000001100一l0000一l0式中"為待傳送的通信信息，=0,1，2，3;接收到的QPSK信號相位^',")變化關(guān)系為y(f，w)=^(/,"-1)+0.5孤，/=1,2,3;(29)若令第"幀接收到的等效基帶信號是發(fā)射信號Z(/,")旋轉(zhuǎn)一個相位-后并引入振幅衰減因子/的信號F(/，")=yoexp(力V)Z(/，")(30)(31)振幅衰減和相位旋轉(zhuǎn)變換不影響差分關(guān)系，那么K(/，")=expO'0.5mUra"—1)由(31)式可導(dǎo)出通信信息的似然估計,*(1，w—1)+F(2,(2，w—1)+F(3,,(3,w—1)=exp{/0.5;rfl"}=叩,m—l)r*(1，w—1)+r(2，w—IF*(2，w-1)+F(3，w—l)r*(3,w-1)(32)式中K表示矢量F的復(fù)共軛。將"(O送普通的QPSK判決器，得碼信息"。當(dāng)然，在接收機的時隙同步還沒有建立起來時，差分解調(diào)只能用延遲器和相關(guān)累加器實現(xiàn)，并借助于群同步碼獲得。圖6是碼信息接收的誤比特率曲線。仿真中假設(shè)誤差僅僅由高斯白噪聲引入，估計量的累積長度為64個幀周期。由于激勵源的方向圖特性，接收機在上述仿真區(qū)域的接收功率是不一致的，中心方向最大。首先在波束中心方向，設(shè)接收機的噪聲功率一定，通過改變發(fā)射功率，使接收信噪比達KdB時，仿真中心方向誤比特率，保證發(fā)射功率和噪聲功率不變時，僅改變方向，得另兩個方向的誤比特率。然后再調(diào)節(jié)第二個信噪比點重復(fù)上述過程，得三條曲線。對比三條曲線，發(fā)現(xiàn)在波束中心誤碼率是最低的，與一般的差分編碼誤碼性能類似。但方向略偏一點，誤碼性能就有所惡化。實施例二利用本發(fā)明的調(diào)制信號來測向跟蹤若以本發(fā)明的發(fā)射源來傳送碼信息，合作目標(biāo)用單天線接收，將測得方向信息通過逆向鏈路下傳回來，就可以實現(xiàn)對動目標(biāo)的跟蹤。如果目標(biāo)為無源反射器，則反射電波信號中包含有目標(biāo)相對于發(fā)射機的方向信息，接收機通過分辨目標(biāo)信號與干擾信號，從反射信號中就可直接估計出目標(biāo)方向，實現(xiàn)目標(biāo)探測。因此，下面只列舉說明如何從接收信號中估計方位角和仰角。由于采用了本發(fā)明中的特殊信號空間，接收信號載波相位滯后量-滿足^=")—F(3,")}—0.5;r(33)或者-=fl"g{r(3，")—F(2，")}(34)其中a"gU表示求復(fù)數(shù)的幅角運算，但(33)(34)式求出的-與信號真實相位滯后量存在O，0.5;r，；r,1.5;r的相位模糊，解模糊和方向估計算法如下1.由式(22)-(24)直接估計接收信號中的《，《和《絕對值，這三個值與發(fā)射機附近信號中的F,，《和^存在一個公共的衰減因子。2.設(shè)與rO'，w)對應(yīng)的六個正交分量構(gòu)成的信號矢量為&(")，對&(")做-及上述四種可能相位模糊的旋轉(zhuǎn)運算，令旋轉(zhuǎn)矩陣為T(-)。3.用已經(jīng)解調(diào)出的信息碼序列生成矩陣J(")，由下式估計H。H=[J7"("風(fēng)")r1f(「(")(35)4.由H求出巧，尸2和尸3的估計，并選擇使其絕對值與由第l步中求出的巧，尸2和尸3有最小均方誤差的旋轉(zhuǎn)變換T^),同時也獲得了載波相位的估計，確定了i^和《的正負號。5.求解兩個比值《/^l和F3/1《1，參考三個方向圖函數(shù)構(gòu)建兩個非線性方程，用數(shù)值計算方法求出方位角和仰角的解。圖7和圖8是方位角和仰角的估計誤差仿真結(jié)果。仿真中假設(shè)誤差僅僅由高斯白噪聲引入，估計量的累積長度為64個幀周期。由于激勵源的方向圖特性，接收機在上述仿真區(qū)域的接收功率是不一致的，中心方向最大。若中心方向接收信號功率與噪聲功率之比為20dB。然后，以此為基準(zhǔn)，在維持發(fā)射功率不變、接收噪聲功率不變的條件下，仿真其它方向的測向精度，得圖7和圖8的結(jié)果。從曲線可以看出這種發(fā)射方向信息的調(diào)制和接收算法是成功的，在較寬的波束范圍內(nèi)都能測向，一致性也挺好。另外，由于測向精度與波束寬度密切相關(guān)，僅用喇叭天線測向的精度肯定不高，如果用拋物面反射后，測向精度將大大提高。權(quán)利要求1、一種用多模喇叭天線發(fā)射的微波空間調(diào)制方法，其特征在于它包括下列步驟(1)選擇多模喇叭天線三個通道的激勵模，計算三個通道的方向圖函數(shù)；選用矩形孔徑多模方式喇叭天線，三通道，是指和通道∑、H面差通道ΔH及E面差通道ΔE，三個通道發(fā)射模式為和通道∑，發(fā)射模TE10，TE30，TE12/TM12，方向圖函數(shù)F1為2、如權(quán)利要求l所述的用多模喇叭天線發(fā)射的微波空間調(diào)制方法，其特征在于，采用矩形孔徑多模喇叭天線的和通道S,H面差通道A//，E面差通道Af三個通道，利用不同的時域調(diào)制信號，同時激勵發(fā)射，將方位角和仰角信息調(diào)制到微波信號中，實現(xiàn)在波束內(nèi)不同方向能發(fā)射不同調(diào)制信號的空間調(diào)制功能。3、如權(quán)利要求1所述的用多模喇叭天線發(fā)射的微波空間調(diào)制方法，其特征在于，用所述和通道S，H面差通道A//，E面差通道M三個通道方向圖函數(shù)Fp巧和《去控制一幀中三個時隙發(fā)射信號矢量差或矢量和的大小，使一組差矢量的模正比于H面差通道Ai/的方向圖函數(shù)F2，一組差矢量的模正比于E面差通道M的方向圖函數(shù),3，一組和矢量的模正比于和通道s的方向圖函數(shù)絕對值l巧l，并且這種空間調(diào)制特性不受和通道s的方向圖函數(shù)《是否存在相位滯后量^的影響。4、如權(quán)利要求l所述的用多模喇叭天線發(fā)射的微波空間調(diào)制方法，其特征在于，所述采用三個不等幅不同初相的QPSK12點星座，通過時隙分集傳送一路四進制碼信息，實現(xiàn)碼信息傳輸。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>全文摘要一種用多模喇叭天線發(fā)射的微波空間調(diào)制方法，屬微波空間調(diào)制方法。這種調(diào)制方法在一幀內(nèi)發(fā)射三個時隙信號，利用三個時隙的信號矢量和或矢量差來調(diào)制天線方向圖參數(shù)(F₁，F(xiàn)₂，F(xiàn)₃)，實現(xiàn)方位角和仰角信息的空間調(diào)制，達到在不同方向發(fā)射不同調(diào)制信號的目的。利用該方法能實現(xiàn)QPSK通信信息傳輸，也能測定相對發(fā)射機的信號方向，是一種通信跟蹤、導(dǎo)航制導(dǎo)和雷達探測的新型發(fā)射源。文檔編號H04L27/20GK101247374SQ20071019100公開日2008年8月20日申請日期2007年12月3日優(yōu)先權(quán)日2007年12月3日發(fā)明者洋周,宋茂忠,濤洪申請人:南京航空航天大學(xué)