基于參數(shù)估計(jì)的BPSK/PM遙測(cè)異常信號(hào)識(shí)別方法研究

賈振華 許曉冬 張閣，2 吳志強(qiáng)，2 朱曉輝，2

(1 中國空間技術(shù)研究院通信衛(wèi)星事業(yè)部，北京 100094)(2 北京市衛(wèi)星移動(dòng)寬帶通信工程技術(shù)研究中心，北京 100094)

基于參數(shù)估計(jì)的BPSK/PM遙測(cè)異常信號(hào)識(shí)別方法研究

賈振華1許曉冬1張閣1，2吳志強(qiáng)1，2朱曉輝1，2

(1 中國空間技術(shù)研究院通信衛(wèi)星事業(yè)部，北京 100094)(2 北京市衛(wèi)星移動(dòng)寬帶通信工程技術(shù)研究中心，北京 100094)

為了對(duì)衛(wèi)星地面測(cè)試和在軌運(yùn)行期間可能發(fā)生導(dǎo)致遙測(cè)信號(hào)異常的偶發(fā)故障進(jìn)行排查，快速精確地定位問題，文章進(jìn)行了異常遙測(cè)信號(hào)識(shí)別方法研究。針對(duì)二進(jìn)制相移鍵控/相位調(diào)制(BPSK/PM)遙測(cè)信號(hào)，通過分析信號(hào)的特征，總結(jié)了遙測(cè)接收過程中異常信號(hào)可能發(fā)生的三種情況及其原因，提出一種基于參數(shù)估計(jì)的異常遙測(cè)信號(hào)識(shí)別方法，并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。該方法的應(yīng)用可以宏觀區(qū)分遙測(cè)調(diào)制信號(hào)異常與數(shù)據(jù)異常，并作為異常信號(hào)存儲(chǔ)和再處理的基礎(chǔ)，從而為故障判定提供數(shù)據(jù)支撐。

二進(jìn)制相移鍵控/相位調(diào)制；異常遙測(cè)信號(hào)；識(shí)別；參數(shù)估計(jì)

1 引言

衛(wèi)星遙測(cè)是地面測(cè)試和在軌監(jiān)測(cè)中了解衛(wèi)星狀態(tài)最重要的手段，如果遙測(cè)信號(hào)異常就可能無法正常接收和解調(diào)，進(jìn)而丟失寶貴的遙測(cè)數(shù)據(jù)，尤其是對(duì)那些不可復(fù)現(xiàn)的突發(fā)性狀態(tài)，以及需要盡快找到異常原因的情況，尋求一種遙測(cè)異常信號(hào)識(shí)別的方法，是快速宏觀區(qū)分究竟是調(diào)制信號(hào)異常還是數(shù)據(jù)本身異常，并從海量接收信號(hào)中有針對(duì)性地選擇存儲(chǔ)處理，這是首先要解決的課題。

目前衛(wèi)星較多采用的測(cè)控系統(tǒng)有統(tǒng)一C頻段(UCB)測(cè)控系統(tǒng)或統(tǒng)一S頻段(USB)測(cè)控系統(tǒng)。在統(tǒng)一載波測(cè)控系統(tǒng)中，采用副載波-載波的調(diào)制順序，信息先經(jīng)過副載波調(diào)制后再通過頻率調(diào)制(FM)或者相位調(diào)制(PM)調(diào)制到載波上[1]。信息的一部分保留在主載波分量中，其余的則分散到主頻率的兩邊，頻譜上表現(xiàn)為載波的邊帶[2]。在衛(wèi)星統(tǒng)一遙測(cè)跟蹤和遙控(TT&C)體制中，主載波主要采用FM或PM調(diào)制，副載波可以采用二進(jìn)制相移鍵控(BPSK)、差分相移鍵控(DPSK)、頻移鍵控(FSK)等[3]。

在衛(wèi)星測(cè)試過程中，對(duì)于偶發(fā)遙測(cè)接收異常的排查，往往需要反復(fù)試驗(yàn)來復(fù)現(xiàn)異常發(fā)生時(shí)刻的測(cè)試環(huán)境和衛(wèi)星運(yùn)行狀態(tài)，從而定位問題的原因，這無疑要耗費(fèi)大量人力和物力成本，而且有時(shí)異常狀態(tài)是難以復(fù)現(xiàn)的。當(dāng)衛(wèi)星在軌飛行時(shí)，對(duì)偶發(fā)遙測(cè)信號(hào)接收異常的問題排查，顯然會(huì)更加困難。如果能對(duì)接收的中頻遙測(cè)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄，通過回放可以重現(xiàn)問題發(fā)生時(shí)的真實(shí)狀態(tài)，則可為問題定位創(chuàng)造良好的條件，但由于需要記錄與處理的信號(hào)量非常巨大而導(dǎo)致實(shí)現(xiàn)困難，且實(shí)時(shí)性差。如果能自動(dòng)從信號(hào)流中識(shí)別出異常信號(hào)，就能夠首先快速宏觀區(qū)分出是調(diào)制信號(hào)異常還是數(shù)據(jù)本身異常，然后有針對(duì)性地選擇做存儲(chǔ)與處理，這無疑是十分有效的。

本文針對(duì)識(shí)別異常遙測(cè)信號(hào)的需求開展研究，以BPSK/PM遙測(cè)信號(hào)為例，分析了該遙測(cè)信號(hào)的特征及其異常的可能原因，通過對(duì)遙測(cè)信號(hào)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行估計(jì)，給出了異常信號(hào)的檢測(cè)方法，并通過仿真驗(yàn)證了該方法估計(jì)的準(zhǔn)確性。

2 BPSK/PM信號(hào)的特征及異常原因分析

BPSK/PM信號(hào)是將原信息依次經(jīng)過PCM編碼、BPSK調(diào)制和PM調(diào)制所形成的信號(hào)。BPSK調(diào)制通過相位的變化攜帶信息[4-5]，通常兩個(gè)碼元分別表示相位0°和180°。BPSK信號(hào)時(shí)域表達(dá)式為

(1)

式中：g(t)為基帶信號(hào)單個(gè)矩形脈沖，n為矩形脈沖個(gè)數(shù)，Cs為碼周期，ωc為載波頻率。φi是兩種取值中第i個(gè)碼元所對(duì)應(yīng)的相位，定義為

(2)

PM信號(hào)時(shí)域表達(dá)式為

(3)

式中：A為振幅，對(duì)于角度調(diào)制信號(hào)，A為恒定常數(shù)。fc為載波中心頻率，Kp為調(diào)制指數(shù)。當(dāng)式(3)中的m(t)為BPSK信號(hào)時(shí)，就可以得到以BPSK為副載波調(diào)制方式、以PM為主載波調(diào)制方式的BPSK/PM信號(hào)。調(diào)制指數(shù)為0.75rad的BPSK/PM信號(hào)Matlab軟件仿真頻譜如圖1所示。

圖1 BPSK/PM調(diào)制信號(hào)頻譜圖
Fig.1 BPSK/PM-modulated signal frequency picture

若考慮可能存在頻率偏移以及信號(hào)在傳輸過程中引入的噪聲干擾，PM信號(hào)可以表示為

(4)

式中：fd為頻偏，β為頻偏變化率，N′(t)為噪聲。由式(4)可知，信號(hào)幅度A、頻偏fd、頻偏變化率β以及噪聲N(t)的存在將直接影響到接收信號(hào)的質(zhì)量[6]，信噪比可以表征信號(hào)幅度A和噪聲N(t)之間的關(guān)系。頻偏fd、頻偏變化率β均會(huì)造成頻率偏移。由此可見，導(dǎo)致遙測(cè)信號(hào)失鎖及數(shù)據(jù)誤碼等異常問題發(fā)生的原因可歸納為兩大類：一是信噪比顯著下降，二是頻率偏移。

衛(wèi)星遙測(cè)信號(hào)通過星地鏈路下傳給地面接收端，極易受到自然及人為的干擾[7]，使得遙測(cè)信號(hào)在傳輸過程中異常；此外，星上設(shè)備異常可能導(dǎo)致遙測(cè)信號(hào)的頻率或功率穩(wěn)定度不符合指標(biāo)要求。因此，遙測(cè)信號(hào)異常可以分為以下三類：①星上設(shè)備異常導(dǎo)致的遙測(cè)信號(hào)異常; ②信號(hào)傳輸過程中引入的噪聲干擾以及多普勒效應(yīng)導(dǎo)致的遙測(cè)信號(hào)異常; ③接收端由于接收設(shè)備異常導(dǎo)致的異常。

衛(wèi)星測(cè)試及在軌運(yùn)行期間測(cè)控分系統(tǒng)可能出現(xiàn)功率變化、雜波輸出增加、頻率變化、帶內(nèi)波動(dòng)變差等故障，根據(jù)測(cè)試經(jīng)驗(yàn)分析，造成輸出功率變化的可能原因有超高頻倍頻電路變化、發(fā)射微波倍頻變化、發(fā)射晶振電路變化和隔離放大電路變化等；造成雜波輸出增加的可能原因有超高頻倍頻電路變化或發(fā)射微波倍頻變化等；造成頻率變化的可能原因有發(fā)射晶振電路的變化；造成帶內(nèi)波動(dòng)變差的可能原因有內(nèi)導(dǎo)體氧化或內(nèi)導(dǎo)體螺釘松動(dòng)、同軸連接器失配、腔體調(diào)諧螺釘松動(dòng)或頻偏不正確等。輸出功率變化和雜波輸出增加都會(huì)造成信噪比下降，頻率變化及衛(wèi)星轉(zhuǎn)移軌道時(shí)的多普勒效應(yīng)均會(huì)使接收機(jī)接收信號(hào)的載波存在較大頻偏。而頻偏不正確可能導(dǎo)致帶內(nèi)波動(dòng)變差等。

通過對(duì)載波頻偏以及信噪比的估計(jì)，判斷是否將接收到的信號(hào)作為異常信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)。如果載波頻偏超過預(yù)置值或信噪比小于預(yù)置值，則認(rèn)為接收到的信號(hào)異常，在異常信號(hào)識(shí)別后可將其進(jìn)行存儲(chǔ)及處理，便于進(jìn)一步分析。

3 異常信號(hào)檢測(cè)

3.1 載波頻偏估計(jì)算法

頻偏的存在使得下變頻以后的信號(hào)頻譜發(fā)生搬移，嚴(yán)重影響通信系統(tǒng)解調(diào)性能，導(dǎo)致誤碼率的增大，甚至無法正確完成信號(hào)解調(diào)[8-9]。因此，在異常信號(hào)識(shí)別過程中，對(duì)載波頻偏進(jìn)行估計(jì)是十分必要的。

經(jīng)過前端射頻模塊下變頻處理得到模擬中頻調(diào)制信號(hào)，對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行AD帶通采樣后得到數(shù)字中頻信號(hào)(忽略噪聲)為

S(n)=Acos[2πfcnTs+2πfdnTs+

(5)

式中： Ts為采樣時(shí)間間隔。使用本地接收機(jī)數(shù)控振蕩器(NCO)產(chǎn)生正交載波與數(shù)字中頻信號(hào)進(jìn)行數(shù)字下變頻，將帶通信號(hào)變?yōu)榛鶐盘?hào)，分別用同相支路I和正交支路Q表示，并通過低通濾波去除二倍頻分量，即為頻偏信息。低通濾波后的I、Q支路表達(dá)式為

I(n)=S(n)cos(2πfcnTs)=0.5A·

(6)

Q(n)=S(n)sin(2πfcnTs)=0.5A·

(7)

當(dāng)載波頻譜越靠近快速傅里葉變換(FFT)理論譜線時(shí)，其信號(hào)能量越大，所得到的頻偏估計(jì)值與真實(shí)值越接近。利用這一點(diǎn)，通過對(duì)基帶信號(hào)頻譜搬移，使得主載波逼近FFT譜線，以提高信號(hào)能量、降低頻率估計(jì)誤差，達(dá)到提高精度的目的。并行FFT估計(jì)[10]的基本原理是在傳統(tǒng)FFT估計(jì)[11]基礎(chǔ)上的改進(jìn)，通過對(duì)多通道頻譜搬移后的基帶信號(hào)進(jìn)行并行FFT譜分析，搜索其中峰值譜線，從而獲得最接近真實(shí)頻率的載波頻譜。根據(jù)衛(wèi)星技術(shù)指標(biāo)，分別設(shè)置譜峰估計(jì)門限和載波頻偏估計(jì)門限，對(duì)異常信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。如圖2所示，給出了通過并行FFT載波估計(jì)法檢測(cè)異常信號(hào)的原理框圖。其中MUX、DMUX分別為復(fù)用器和解復(fù)用器，M為正交下變頻組數(shù)，F(xiàn)FT點(diǎn)數(shù)為N。

圖2 并行FFT估計(jì)檢測(cè)異常信號(hào)原理框圖Fig.2 Parallel FFT estimation detecting abnormal signal functional block diagram

積分清零后，對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行正交下變頻，達(dá)到頻譜搬移的目的。其原理如下：

(8)

(9)

將式(6)和式(7)代入式(8)和式(9)可得

(10)

(11)

式中：fi(i=1,2，…，M)∈(-Δf/2,Δf/2)是正交下變頻載波組,Ts′為降采樣時(shí)間間隔。對(duì)Ii′(n)和Qi′(n)進(jìn)行N點(diǎn)FFT運(yùn)算，設(shè)(fd-fi)Ts′=(l+σi)/N，可得主載波頻譜為

(12)

(13)

式中：lMAX表示峰值所在FFT譜線位置，fiMAX取峰值所用的正交下變頻載波頻率。相應(yīng)的頻率估計(jì)精度為Δf/M，顯然，M取值越大，頻率估計(jì)精度越高。

頻偏變化率估計(jì)的基本原理是：當(dāng)存在較大頻偏變化率，每次搜索峰值譜線會(huì)產(chǎn)生偏移，進(jìn)行多次搜索得到不同時(shí)間下的載波頻偏，載波頻偏偏移量與搜索時(shí)間間隔的比值即為頻偏變化率。并行FFT估計(jì)技術(shù)單次搜索即可獲得高精度頻率估計(jì)，進(jìn)行二次搜索即得到頻偏變化率估計(jì)為

(14)

(15)

完成頻偏變化率估計(jì)后，可得當(dāng)前時(shí)刻載波頻偏為

(16)

3.2 信噪比估計(jì)算法

通過選擇合適的信噪比(SNR)估計(jì)方法，根據(jù)衛(wèi)星技術(shù)指標(biāo)要求及接收機(jī)解調(diào)性能設(shè)置相應(yīng)的門限，從而判斷信號(hào)是否異常。信噪比估計(jì)方法有很多，鑒于FFT的算法已經(jīng)相當(dāng)成熟，在計(jì)算機(jī)仿真中易于實(shí)現(xiàn)，本文選用頻域估計(jì)法進(jìn)行仿真。傳統(tǒng)的頻域方法[11-12]在高斯白噪聲(AWGN)信道下具有較好的估計(jì)性能，該方法利用白噪聲頻譜平坦的特性來估計(jì)噪聲方差(功率)。它的主要思想是將接收信號(hào)離散傅里葉變換(DFT)的最小幅值平方，作為白噪聲DFT的幅值平方，從而得到噪聲功率方差估計(jì)值(即噪聲功率估計(jì)值)。本文用同樣的思想但換個(gè)角度計(jì)算噪聲功率，仿真結(jié)果證明改進(jìn)后的方法估計(jì)性能優(yōu)于傳統(tǒng)的頻域算法。

假設(shè)接收信號(hào)為x(n)=s(n)+v(n)，s(n)為發(fā)送信號(hào)，v(n)是均值為零、方差為σv2的加性高斯白噪聲。噪聲功率估計(jì)步驟如下：

(1)計(jì)算接收信號(hào)x(n)的DFT，并計(jì)算其幅值平方|X(k)|2。

(2)將信道帶寬平均分成M′段，M′盡可能大。每一段的平均幅值為

(17)

式中：ti表示第i段，L為每一段長度。

(3)將平均幅值平方最大的m′段認(rèn)為是信號(hào)所在頻段，計(jì)算剩下M′-m′段的均值為

(18)

式中：i取最大的m′段以外的M′-m′段。m′根據(jù)信號(hào)所占信道的頻帶寬度和信號(hào)能量在頻域的分布情況確定。

(4)計(jì)算的噪聲功率為

(19)

式中：N0為數(shù)據(jù)長度。

4 算法仿真及分析

4.1 載波頻偏估計(jì)仿真

為驗(yàn)證算法的有效性，通過Matlab軟件對(duì)頻偏估計(jì)算法進(jìn)行仿真，仿真參數(shù)為：初始頻率偏移為-150kHz,頻偏變化率為5000Hz/s，每個(gè)載噪比載波頻偏估計(jì)次數(shù)為200次，F(xiàn)FT采樣率為4MHz，F(xiàn)FT點(diǎn)數(shù)為2048，非相干次數(shù)為8次。如圖3所示，給出了不同調(diào)制度下并行FFT估計(jì)在不同載噪比下的正確估計(jì)概率仿真曲線。

由圖3可知，正確估計(jì)概率與載噪比成正比，調(diào)制度小于1rad的正確檢測(cè)概率大于82%，且載噪比為26dB·Hz時(shí)，正確估計(jì)概率達(dá)到95%。忽略處理時(shí)延，總的估計(jì)時(shí)間計(jì)算公式為

(20)

式中：V表示估計(jì)驗(yàn)證次數(shù)，U表示非相干累加次數(shù)，F(xiàn)s′為數(shù)據(jù)速率，將仿真參數(shù)代入，可得總的估計(jì)時(shí)間為：Tacq=5×8×2048/4000=20.48 ms。

存在較大頻偏變化率時(shí)，頻率估計(jì)誤差增大，由頻偏速率和頻率分辨誤差造成的系統(tǒng)誤差可表示為

(21)

式中：Δf表示FFT頻率分辨率。

如圖4所示，給出了并行FFT估計(jì)在信噪比為26dB時(shí)頻偏誤差曲線。

由此可見，在高斯噪聲信道環(huán)境下，載噪比較低時(shí)仍可以精確地估計(jì)出載波頻偏。因此，根據(jù)衛(wèi)星指標(biāo)要求及接收機(jī)捕獲性能，分別設(shè)置頻偏檢測(cè)門限和頻偏變化率檢測(cè)門限，通過門限判決來判斷信號(hào)是否異常。如果頻偏估計(jì)超出門限范圍或頻偏變化率估計(jì)超出門限范圍，則判定信號(hào)異常。

圖4 并行FFT估計(jì)誤差曲線Fig.4 Parallel FFT estimation error curve

4.2 信噪比估計(jì)仿真

為了驗(yàn)證算法的正確性和有效性，采用MonteCarlo[13]方法，對(duì)改進(jìn)后的頻域算法進(jìn)行高斯白噪聲信道下的仿真。以標(biāo)準(zhǔn)UCB體制下的BPSK/PM信號(hào)為例，帶寬約為500kHz，采樣率4MHz，輸入信號(hào)的SNR范圍設(shè)為[-20，20]dB，不同的SNR值分別進(jìn)行500次獨(dú)立仿真(見圖5)。

圖5 信噪比估計(jì)仿真結(jié)果
Fig.5 SNR estimation simulation result

由圖5(a)和圖5(b)可知，改進(jìn)的頻域算法的SNR估計(jì)誤差很小。當(dāng)SNR大于-18dB時(shí)，估計(jì)誤差小于0.1dB，其歸一化均方誤差幾乎為0。圖5(c)是SNR為10dB時(shí)，500次估計(jì)的誤差直方圖，由圖5(c)可知，500次估計(jì)的結(jié)果呈正態(tài)分布，且誤差在0.1dB范圍內(nèi)的次數(shù)高達(dá)400次。由此可見，通過選擇合理的參數(shù)，該方法可以精確地估計(jì)出信噪比。因此，可以根據(jù)衛(wèi)星指標(biāo)要求及接收機(jī)解調(diào)性能，設(shè)置相應(yīng)的信噪比檢測(cè)門限來判斷信號(hào)是否異常。

5 結(jié)束語

本文采用并行FFT估計(jì)法和改進(jìn)的頻域信噪比估計(jì)法對(duì)BPSK/PM信號(hào)進(jìn)行參數(shù)估計(jì)，通過頻偏和信噪比的估計(jì)，對(duì)遙測(cè)異常信號(hào)進(jìn)行識(shí)別，仿真結(jié)果表明該算法的估計(jì)準(zhǔn)確率較高，可以達(dá)到很好的識(shí)別效果。

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(編輯：李多)

Research of Recognition Method of BPSK/PM Abnormal Telemetry Signal Based on Parameter Estimation

JIAZhenhua1XUXiaodong1ZHANGGe1，2WUZhiqiang1，2ZHUXiaohui1，2

(1InstituteofTelecommunicationSatellite,ChinaAcademyofSpaceTechnology,Beijing100094，China)(2BeijingSatelliteMobileBroadbandCommunicationEngineeringTechnologyResearchCenter，Beijing100094，China)

Thepaperresearchesabnormaltelemetrysignalsrecognitionmethodtocheckthepossiblerandomfailurewhichcouldresultintelemetrysignalsabnormityduringgroundtestingandin-orbitoperationofsatelliteandtofindouttheproblemsquicklyandaccurately.ThepapersummarizesthreeabnormalsituationsintelemetryreceivingprocessbyanalyzingthecharactersofBPSK/PMsignals,putsforwardarecognitionmethodbasedonparameterestimationandfinishesemulationproof.Theapplicationofthemethodestablishesfoundationforstorageanddisposalofabnormalsignalsafterwardandprovidesdatasupportfortroubledeterminant.

BPSK/PM；abnormaltelemetrysignal；recognition；parameterestimation

2016-08-08；

2016-10-08

賈振華，女，碩士研究生，從事航天器電子與信息系統(tǒng)工作。Email：jiazh0415@163.com。

TN

ADOI：10.3969/j.issn.1673-8748.2016.06.012