基于幀格式的調頻遙測信號檢測方法分析

吳海洲，王志國，王鵬毅

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北石家莊 050081)

0 引言

調頻遙測信號［1］作為當前航天測控標準體制的一種，是目前航天器遙測系統中廣泛應用的一種編碼調制方式［2］。在飛行器測控中首先要完成對目標的快速捕獲，而低信噪比信號檢測是其關鍵。由于調頻遙測體制的廣泛應用，而且從國內外發展趨勢看，在今后一段較長時間內仍是戰略武器和運載火箭遙測的主要手段。因此對調頻遙測信號的檢測是航天器目標快速捕獲的關鍵技術。對一定帶寬信號(如遙測信號)的檢測常采用能量檢測的方法，但該方法在低信噪比下性能惡化(檢測概率降低)。為了解決遙測信號低信噪比下檢測難題，通過分析遙測信號幀格式，提出采用匹配濾波器檢測法可實現調頻遙測信號的低信噪比高概率檢測。

1 調頻遙測信號解調方法

常用的遙測信號為調頻調制，但與普通的頻移鍵控(FSK)不同，它是一種連續相位的 FSK(CPFSK)，其信號形式為:

式中，A為調頻信號的振幅;m(τ)為調制信號;ωc為載頻;kf為頻偏常數。

用數字形式表示為:

經典的相干解調流程分為鑒相、差分解調和相位修正等步驟［3］，實現較復雜，且性能取決于鑒相靈敏度。可以采用正交矢量瞬時測頻的方法進行解調，這種方法實現簡單，只需要2個乘法器即可實現解調，其理論推導如下。

設接收信號s(t)經下變頻得正交分量為:

數字采樣得:

而遙測信號解調為:

由式(5)得到:

若I2+Q2=A2=1，則式(7)可寫為:

代入式(6)得解調結果為:

因此可利用式(9)進行遙測信號解調，可見僅需要2次乘法再做差分即完成解調。

2 調頻遙測信號檢測方法

對于調頻遙測等具有一定帶寬信號的檢測，常采用能量檢測的方法［4］。這種方法實現簡單，但僅適用于一定信噪比下的信號檢測。由于不能有效匯聚帶寬內信號能量，能量檢測法在低信噪比下性能惡化(檢測概率下降)，甚至不能檢測信號。而航天測控中遙測信號均滿足一定的信號幀格式標準。根據這些已知信號特征，采用匹配濾波器檢測的方法可以對遙測信號進行高概率檢測。

2.1 調頻遙測信號幀格式

根據相關標準［5，6］，遙測幀格式規定如下:遙測幀分為子幀和長幀，若干子幀組合為1長幀。而子幀由若干個遙測字組成，每個遙測字用8 bit表示。遙測幀結構如圖1所示。

圖1 遙測幀結構

該遙測幀特點如下:

① 子幀長度為N:N≤8192 bit，即N≤1024個遙測字，推薦使用子幀長為32、64等遙測字;

② 子幀同步碼(幀頭)X:16 bit≤X≤48 bit，優選 16 bit、24 bit、32 bit圖樣;

③副幀長度Z:Z≤256幀;

④全幀長度:N×Z;

⑤幀同步碼組使用規定如下:

幀長≤128字，使用16 bit碼組;

幀長＞128字，使用24 bit碼組;

⑥子幀同步碼:

16 bit碼組:EB90;

24 bit碼組:FAF320。

以副幀長度為32幀、子幀長度為32字為例。每遙測字8 bit，1子幀共32字，分別記為:w0、w1、w2…w31;全幀共 32子幀，分別記為:F0、F1、F2…F31;幀頭為16 bit同步字EB90，占據2個遙測字，即w0為EB，w1為90。其各項指標可確定如下:子幀長256 bit，全幀長 8192 bit。如果比特率為2 Mbps，則子幀周期為0.128 ms，全幀周期4.1 ms。

2.2 調頻遙測信號匹配濾波檢測

由于調頻遙測信號具有以上特征，而測控目標為合作方式，因此可利用遙測信號特征進行匹配濾波檢測。匹配濾波器檢測法是一種使輸出信噪比最佳的信號檢測方法，具有相關信號的處理過程，其處理增益與時寬帶寬積成正比，需要指出的是這里時寬應是所積累幀的2/N(16 bit同步碼)或3/N(24 bit同步碼)。采用匹配濾波方法檢測調頻遙測信號步驟如下:

①對接收的遙測信號采用式(9)進行正交矢量解調;

②采用確定幀頭的本地碼與解調后的遙測幀做相關;

③在低信噪比的情況下，多幀積累進行檢測。

3 仿真結果分析

根據以上分析，采用32×32的遙測幀(即副幀長度32幀且子幀長度32字)進行仿真。調制前的信號如圖2所示，無噪聲情況下的解調信號如圖3所示，與原信號的波形基本相同，驗證了所提方法的正確性。信噪比為－5 dB條件下的解調信號如圖4所示，可見在低信噪比下信號已不能正確解調。

圖2 調制信號波形

圖3 無噪聲時解調信號

圖4 信噪比－5 dB時解調信號

采用匹配濾波器方法進行信號的相關檢測，信噪比為－5 dB時檢測結果(積累30幀)如圖5所示，由圖可見有明顯峰值。

圖5 遙測信號匹配濾波檢測

經過蒙特卡羅仿真，得到檢測概率與輸入信噪比及積累時間的關系曲線如圖6和圖7所示。其中圖6為不同輸入信噪比下檢測概率(積累30幀)，而圖7為不同積累時間(或幀數)下的檢測概率(輸入信噪比－5 dB)，由圖可見積累45幀以上，檢測概率大于98%。因此選取合適的積累時間，即可實現低信噪比下遙測信號的高概率檢測。

圖6 檢測概率與輸入信噪比關系曲線

圖7 檢測概率與積累幀數關系曲線

4 結束語

航天器測控首先要完成對目標信號的快速檢測，因此調頻遙測信號的低信噪比檢測技術是航天測控系統關鍵技術之一。基于幀格式的調頻遙測信號檢測法是一種匹配濾波器檢測法，通過仿真顯示:采用該方法進行低信噪比下調頻遙測信號的檢測，其檢測概率隨積累幀數增加而增大。只要選擇合適的積累時間，即可實現低信噪比下目標信號的高概率快速捕獲。如果目標具有高動態特性，則高動態特性對檢測性能的影響及解決方法將是以后研究的重點。 ■

［1］張 輝，曹麗娜.現代通信原理與技術［M］.西安:西安電子科技大學出版社，2008:189－216.

［2］李鳳祥，王憲平.航天無線電測控系統建設與發展［J］.無線電通信技術，2002，28(3):13 －15.

［3］王 鍇.基于能量檢測的認知無線電協作檢測算法研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工業大學，2010:12－15.

［4］海 川.高速率遙測信號調制解調技術研究［D］.西安:西安電子科技大學碩士學位論文，2008:34－50.

［5］GJB 21.2A －92.遙測標準:多路信號格式［S］，1992.

［6］GJB1198.2A－2004.航天器測控和數據處理(第2部分):PCM 遙測［S］，2004.