当前位置：文档之家 › Costas环在无线扩频定位系统中的应用技术研究(1)

Costas环在无线扩频定位系统中的应用技术研究(1)

  • 格式：pdf
  • 大小：295.92 KB
  • 文档页数：5

第14卷第2期 中国惯性技术学报 2006年4月 Vol.14

No.2 Journal of Chinese Inertial Technology Apr. 2006

文章编号：1005-6734(2006)02-0056-04

Costas环在无线扩频定位系统中的应用技术研究

宋建材，赵小明，杨兴文，赵素文，吴俊杰，张 鹏

（天津航海仪器研究所，天津300130）

摘要：分析了扩频定位系统中载波恢复和数据解调数学模型，设计了环路中应用的Butterworth

低通滤波器和产生正交两路信号的Hilbert变换滤波器，在Simulink中建立了Costas环仿真

模型。结果表明：该Costas环能够准确地实现扩频定位系统的载波恢复和发送端数据解调输

出，理论仿真和实际工程实验基本一致。

关 键 词：科斯特斯环；载波恢复；扩频；无线电定位

中图分类号：U666.1 文献标识码：A

Application of Costas loop in wireless spread spectrum positioning system

SONG Jian-cai, ZHAO Xiao-ming, YANG Xing-wen, ZHAO Su-Wen, WU Jun-Jie, ZHANG Peng

（Tianjin Navigation Instrument Research Institute, TianJin 300130, China）

Abstract: The mathematical models of Costas Loop for carrier recovery and data demodulation are

analyzed. Then the Butterworth low-pass filter and Hilbert transform filter for generating two channel

quadratic signal are designed, and a Costas simulation model in Simulink is developed. The

simulation results show that the carrier recovery and data demodulation can be accurately realized,

and are consisted with practical engineering experiments.

Key words: Costas loop; carrier recovery; spread spectrum; wireless position

0 引 言

无线扩频定位系统采用直接序列扩频技术，抑制载波平衡调制为BPSK方式，设载波为

0cosAtω

，

伪码信号为()

ct

，平衡调制信号为：

()()()()()

()

0000cos1cosct

ftAtcttAttωπϕωϕ

=⎡+×+⎤=−⎡+⎤

⎣⎦⎣⎦ (1)

式中，

0ω

为载频，A为载波振幅，

0()tϕ

为载波初相，()

ct

为伪随机码序列。为简便起见，设1A=

，

0()0tϕ

=

，则有：

()

()0

0cos=0

()

cos=1tct

ft

tctω

ω⎧

⎪

=

⎨

−

⎪

⎩ (2)

我们采用平衡Gold码序列对中频载波信号进行扩频，相当于进行BPSK调制，扩频信号的频谱如图

基金项目：国防科技应用基础研究项目

收稿日期：2006-02-21

作者简介：宋建材（1979—）男，天津航海仪器研究所硕士研究生，从事导航、制导与控制（扩频导航定位技术研究）。

电子邮箱：songjiancai_tj@163.com 第2期 宋建材等：Costas环在无线扩频定位系统中的应用技术研究 57

1所示。由图1可知，它不含有载波频率分量，用普通的锁相环路无法提取，需设计特殊的锁相环路—抑

制载波环对接收信号进行非线性处理后，可以重新

产生载波分量，实现载波的跟踪与同步。

Riter[1]

已经证明，跟踪低信噪比的抑制载波信号

的最佳装置是科斯特斯环（Costas Loop）及平方环

（Square Loop），J.K.Homes[2]

曾证明这两种环路是等

效的，但其实现方法完全不同。由于平方环可能有“理

想平方器”的问题，而且在本系统的中频频率上，Costas环在电路实现上比较方便，故而选用Costas环。

1 Costas环数学模型

Costas环又称为“IQ−”环，是用来解调抑制载波信号，也是二相或四相移相键控信号解调的专用

环路，其工作频率是载波频率。Costas环是将输入信号平方，形成离散的谱线，然后通过这些离散的谱

线跟踪输入信号。图2是“线性”形式的科斯特斯环。

压控振荡器(VCO)也用来产生载波参考信号，它与输入信号同相相乘及相移90°再相乘，乘法器再

经低通滤波器输出，其中的关键在于增加了第三个乘法器，而两路低通滤波器的输出都加到第三个乘法

器上，再用第三个乘法器的输出经环路滤波后去控制环路的压控振荡器（VCO）。

在考虑抑制载波信号加噪声的跟踪问题时，我们假设Costas环接收到的信号为：

()()()

ytstnt=+

（3）

其中，有用信号：

()

st

为

0()()cos()

sstActtωϕ

=+ （4）

加性窄带噪声()

nt

为：

00()()cos()()sin()

csssntnttnttωϕωϕ

=+++

(5)

在()

yt

的作用下，乘法器I

的输出为

IZ

经低通滤波后为

IU；乘法器Q的输出为

QZ，经低通滤波

后输出的

QU。

IU

与

QU在第三个乘法器相乘输出为()

det

。乘法器I的作用相当于鉴相器，其输出为：

[]

I0()()()cos()

rZtstnttωϕ

=++

(6)

经低通滤波器后成为： []

I11

()()()cos()()sin()

22csrssrUtActntntϕϕϕϕ

=+−+−

(7)

同理 []

Q0()()()sin()

rZtstnttωϕ

=++

[]

Q11

()()()sin()()cos()

22csrssrUtActntntϕϕϕϕ

=−+−+−

(9)

第三个乘法器输出为：

[][]2

2111

()()()sin2()()()()cos2()()sin2()

848dcsrscsrssretActntntActntntϕϕϕϕϕϕ

=−+−++−+−

(10) 式(10)右边第一项为环路误差控制电压，其它项为相位抖动，这正是Costas环的随机微分方程（SDE）。

2 Costas环的锁定检测器

Costas环的锁定检测器不止一种，图3是比较通用的相干锁定检测器，又称为对称锁定检测器。 图1 BPSK调制扩频信号的频谱图 600

400

200

0800

幅度

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5

频率

×104

(8)低通滤波

低通滤波VCO

90o()

ytI解调输出数据

相干载波()

Fs

Q

图2 “线性”形式Costas环基本结构图58 中国惯性技术学报 2006年4月

假定相差：

0

srφϕϕ

=−=

(11)

同时Costas环路接收到的信号

如式(3)所示。将式(11)代入公

式(7)和(9)可得经过滤波器后

的信号：

()()()

I1

2cUtActnt=⎡+⎤

⎣⎦ (12)

()()

Q1

2sUtnt=

(13)

因此锁定检测器产生的结果为：

()()()

222222

IQ1

2

4scsztUtUtAcAcnnn⎡⎤

=−=++−

⎣⎦ (14)

3 计算机仿真及结果分析

由以上分析可知，在Costas环中每个乘法器输出都包含有高频分量，必须加入低通滤波器将其滤除。

本系统采用二阶Butterworth模拟低通滤波器的设计方法，通过采用双线性Z变换得到IIR数字低通滤波

器。设计指标是：通带衰减1 dB，阻带衰减40 dB，截止频率是采样频率的0.1倍，图4是二阶Butterworth

数字低通滤波器的幅频特性曲线和相频特性曲线。由图4可以看出幅频特性曲线满足技术要求，有很好

的带通和带阻特性。

Costas环中同相—正交两路信号

采用Hilbert变换滤波器来实现，理论

上Hilbert变换在不改变输入信号幅度

的前提下可以将其相位移动π/2−，

Hilbert变换的传递函数为：

()() 0

sgn

0Hj

Hj

jω

ωω

ω−>

⎧

=−=

⎨

<

⎩

(15)

具有传递函数()

sgnjω

−

的滤波器称为希尔伯特滤波器。希尔波特变换有多种实现方法，这里采用

一个30阶的滤波器来实现，滤波器的抽头系数由MATLAB函数remez产生[5]

：

% 得到将输入信号中频率为()

0.1-0.9

sf×的分量移项

% 90度所用的Hilbert滤波器的系数

Hilb = remez(30, [.1 .9], [1 1], 'Hilbert')；

% 得到输入信号延迟15个单

%元所用离散数字滤波器系数

Delay = [zeros(1, N/2), 1]；

Hilbert滤波器的结构及其仿真

结果如图5所示。

由图5可知，输入信号经过离

低通滤波低通滤波VCO

90o()

ytI

Q恢复载波()

Fs

低通滤波门限检测

−+

图3 带相干锁定检测器的Costas环框图

图4 Butterworth低通滤波器幅频特性曲线和相频特性曲线 幅频响应(dB)

相位响应

幅度/dB

相位/degree

归一化频率/归一化频率/

Delay(Z)

1

Hilb(Z)

1 Delay N/2

-90 dgg phase shift121

Delayed input

Hilbert TF of inputinput

时间/s 幅度

图5 Hilbert变换滤波器结构及仿真输出

合集下载

UWB超宽带无线定位系统研究与设计

UWB超宽带无线定位系统研究与设计

移动信息应用电子技术

2020年第08期86UWB超宽带无线定位系统研究与设计陶　凯华北电力大学，北京 102206摘要：文章以高精度定位需求为出发点，结合泛在电力物联网建设思想，采用 DecaWave 公司的 DW1000作为UWB（ Ultra-Wide Band，超宽带） 无线收发器，ST 公司的 STM32单片机作为定位系统的核心控制器，设计了UWB定位系统基站标签一体化的硬件平台。该平台可应用于电厂连续堆取料的斗轮机等高效装卸机械作业中，实现电厂堆取料作业的自动化。在软件算法实现上，采用双向测距的机制准确估计基站（anchor）与标签（tag）之间的距离，通过下位机的硬件模块将测距信息发送给上位机进行处理。上位机软件根据飞行时间（TOA-Time of Flight）定位算法计算标签与基站的距离，利用多个距离数据可计算出目标标签在三维空间中的坐标值。此外，在坐标运算过程中采用改进的泰勒算法进行误差消除，从而完成高精度室内定位系统的设计与实现。关键词：无线定位；UWB；飞行时间；定位系统；双向测距中图分类号：TN925.930 引言在巨大的市场需求的驱动作用下，建立室内实时定位系统（Real Time Location Systems，RTLS）［1］成为目前研究的焦点。在定位系统的研究与设计中，UWB（Ultra-wideband，超宽带）技术已经在无线通信领域应用得极为广泛［2］。相比于其他的传统无线信号，超宽带技术信号拥有更大的带宽，其频率范围在3.1 GHz~10.6 GHz［3］。同时，超宽带技术信号具有非常低的功率谱密度、高的时间分辨率［4］和良好的抗多径能力［5］。因此，采用 UWB 技术的室内定位系统具有很高的实用价值。在UWB定位系统中，无线收发数据的芯片主要使用的是来自著名公司DecaWave的产品——DW1000（超宽带无线收发芯片），该芯片根据基站与标签之间无线信号在空气中传播的时间（即飞行时间）来计算出该组物体之间的间隔距离，使用的测距算法为双边双向测距算法（dual-Sided Two-wayrange，DS-TWR）。同时，在根据距离计算标签坐标的上位机软件设计中，采用泰勒级数展开算法进行误差控制，最终实现高精度的室内定位系统的设计。1 系统整体架构及定位原理1.1 系统整体架构在超宽带室内定位系统中，主要由定位基站、定位标签和上位机软件三部分组成。工作状态中的标签节点会接收到同处于工作状态中的基站节点的数据帧，在数据帧的定义格式中读取基站节点的时间戳以及该基站的唯一ID，并发送给单片机封装的上位机，得到标签节点相应的坐标值。1.2 定位方法本次研究使用了TOF（Time of Flight）——一种基于测量信号飞行时间的定位算法。该定位算法要求标签节点与附近各基站进行双向的通信。信号的往返延迟，可以通过固定时间数据信息帧的交换来测量，以获得信号的单向飞行时间，利用光速乘以单向的飞行时间便可得到两者之间的距离。在三维的空间中，以基站所在位置为球心，以基站到目标标签的距离为半径，建立球体模型，标签必定位于该球体的球面位置上，在三维空间中计算球面的交点，至少四个non-coplanar基站就可计算得到。基于测量信号飞行时间定位原理如图1所示。

无参考点Link16信号定位方法研究

无参考点Link16信号定位方法研究

无参考点Link16信号定位方法研究

蒋春山;邵国峰

【摘 要】JTIDS系统的Link16信号工作在正交跳频状态,单个侦察站根据接收到的脉冲信号相互间的时间差,就可以描绘出网内用户的相对航迹.如果网内有一个点的位置已知,即参考点,其它所有点的位置都可以确定,这种有参考点的Link16信号单站定位方法,在不同作战环境中其可用性与能否找到参考点直接相关.研究提出一种测量相对时差和相对电平相联合的无参考点单站定位新方法,可以在不同的作战环境中实现对Link 16信号的单站定位,以满足实战需求.

【期刊名称】《中国电子科学研究院学报》

【年(卷),期】2015(010)004

【总页数】5页(P367-371)

【关键词】参考点;相对时间;相对电平;单站定位

【作 者】蒋春山;邵国峰

【作者单位】中国电子科技集团公司第36研究所,嘉兴314000;中国电子科技集团公司第36研究所,嘉兴314000

【正文语种】中 文

【中图分类】TN911.7

联合战术信息分发系统（JTIDS）是为适应美军联合作战，而由美三军统一研制的综合通信、导航、识别系统，是一种大容量、保密、抗干扰、时分多址的信息分发系统。这个系统在时、频域上有显著的特点[1-2]。 时域上，JTIDS采用时分多址（TDMA）工作方式，一个时隙为1/128 s或7.8125 ms。如图1所示，每个时隙发射一组（258个或者444个）脉冲信号，脉冲宽度为6.4μs，脉冲周期为13μs。在每个时元中给每个JTIDS系统的成员分配一定数量的时隙，每个系统成员均备有准确的时钟，而且与时间基准成员的时钟同步，形成统一的时间系统。

频域上，JTIDS采用了跳频技术，如图2所示，跳频在各脉冲之间进行，跳频点以3 MHz间隔均匀分布，共51个频点，跳频周期为13微秒。载频从969～1 008

MHz（13个跳频点）、1 053～1 065 MHz（5个跳频点）和1 113～1 206

啁啾扩频超宽带技术的测距定位研究

啁啾扩频超宽带技术的测距定位研究

Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ计算机工程与应用　

啁啾扩频超宽带技术的测距定位研究　

张　岩，魏书田，张守祥　

ＺＨＡＮＧ　Ｙａｎ，ＷＥＩ　Ｓｈｕｔｉａｎ，ＺＨＡＮＧ　Ｓｈｏｕｘｉａｎｇ　

山东工商学院信息与电子工程学院，山东烟台２６４００５　

Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｂｕｓｉｎｅｓｓ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｙａｎｔａｉ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ　

２６４００５，Ｃｈｉｎａ　

ＺＨＡＮＧ　Ｙａｎ，ＷＥＩ　Ｓｈｕｔｉａｎ，ＺＨＡＮＧ　Ｓｈｏｕｘｉａｎｇ．Ｒａｎｇｉｎｇ　ａｎｄ　ｌｏｃａｔｉｏｎ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｃｈｉｒｐ　ｓｐｒｅａｄ　ｓｐｅｃｔｒｕｍ　ｕｌ－　

ｔｒａ－ｗｉｄｅｂａｎｄ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｎｄ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，２０１２，４８（２８）：１３０－１３４．　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｃｈｉｒｐ　ｓｐｒｅａｄ　ｓｐｅｃｔｒｕｍ　ｕｌｔｒａ—ｗｉｄｅｂａｎｄ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｓｙｓｔｅｍ　ａｄｏｐｔｓ　Ｓｙｍｍｅｔｒｉｃ　Ｄｏｕｂｌｅ－Ｓｉｄｅｄ　

Ｔｗｏ　Ｗａｙ　Ｒａｎｇｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ（ＳＤＳ—ＴＷＲ　ｆ０ｒ　ｓｈｏｒｔ）ｔｏ　ｒｅｄｕｃｅ　ｎｏｉｓｅ，ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ　ａｎｄ　ｍｕｌｔｉ－ｐａｔｈ　ｉｎｆｅｒｅｎｃｅ　ａｎｄ　ｉｍ—　

ｐｒｏｖｅ　ａｃｃｕｒａｃｙ　ｏｆ　ｒａｎｇｉｎｇ　ａｎｄ　ｌｏｃａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ　ｌｏｃａｔｉｏｎ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｉｓ　ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ．Ｔｈｅ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｏｆ　ｂｅｙｏｎｄ　ｖｉｓｕａｌ　ｒａｎｇｅ　

ｃａｕｓｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｂｅｎｄｉｎｇ　ｉｎ　ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ　ａｎｄ　ｖｅｒｔｉｃａｌ　ｆｉｅｌｄ　ｉｓ　ｓｏｌｖｅｄ　ｉｎ　ｍｉｎｉｎｇ　ｆａｃｅ．Ｓｙｓｔｅｍ　ｈａｓ　ａｎｔｉ－ｊａｍ—　

数字通信系统的载波同步技术研究与实现

数字通信系统的载波同步技术研究与实现

数字通信系统的载波同步技术研究与实现

摘要：随着信息技术的飞速发展，数字通信系统已成为现代通信领域的核心，其中载波同步技术作为数字通信中的关键技术之一，在提高数据传输的准确性和可靠性方面起到了至关重要的作用，对我国通信行业的发展具有重要意义。目前，我们处于数字化时代，通信行业在日益白热化的市场中迎来了新的发展机遇与挑战，如何提高载波同步技术水平，完善数字通信系统，推动通信行业发展，是目前亟待解决的问题。基于此，本文对数字通信系统的载波同步技术研究与实现进行探讨，旨在为高动态环境的载波同步技术的算法和具体实现提供参考。

关键词：数字通信系统、载波同步技术；高动态

信息传递是人类从古至今必不可少的活动，在推动社会发展发面具有不可替代的作用。随着社会的不断发展，信息传递的形式与内容都发生了变化，目前通信方式最广泛的是基于数字信号进行通信。在数字通信系统中，载波同步是实现正确解调和数据恢复的关键环节，由于通信环境中的多径效应、噪声干扰和频率偏移等因素，载波同步技术面临着诸多挑战。加上信息时代的高速发展，人们对通信的需求不断增大，高速数据传输出现，在星地融合通信系统可用性基础上，对高动态环境下载波同步技术的研究与实现具有重要意义。

1载波同步技术概述

载波同步是指接收端在接收数字信号时，能够准确地恢复出发送端调制的载波频率和相位，确保数据解调正确，载波同步技术是实现数字通信系统稳定运行的关键，其性能直接影响到数据传输的质量和效率。通信系统同步技术主要包括采样定时同步技术、载波同步技术、传统帧同步技术、同步训练序列的选择，其中载波同步技术主要包括插入导频法、直接法和间接法[1]。其中插入导频法通过在发送信号中插入已知频率的导频信号来实现同步；直接法利用接收信号的某些特性直接估计载波参数；间接法则是通过估计发送信号的某些参数来间接得到载波参数。

目前，载波同步算法主要包括载波同步、平方环、同相-正交环(科斯塔斯环Costas)、判决反馈环、锁相环（PLL）算法，这些算法通过不同的机制实现对载波频率和相位的准确跟踪和估计。其中锁相环算法是一种常见的载波同步算法，其基本原理是利用反馈控制原理，通过不断调整本地产生的载波信号的相位和频率，使其与接收信号保持同步。PLL算法通常由鉴相器、环路滤波器和数控振荡器三部分组成[2]。在实际中开发有效的载波同行同步算法，能够优化通信系统新能，有效提高通信系统的鲁棒性。