極低信噪比下應(yīng)答機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)研究

郝占炯，李春萍，秦 奮，何 舟

(上海航天電子技術(shù)研究所，上海 201109)

極低信噪比下應(yīng)答機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)研究

郝占炯，李春萍，秦 奮，何 舟

(上海航天電子技術(shù)研究所，上海 201109)

針對(duì)火星探測(cè)任務(wù)X頻段深空應(yīng)答機(jī)的高靈敏度接收處理要求，提出了掃頻+頻域校正、時(shí)分復(fù)用的方法解決極低信噪比下載波捕獲技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種數(shù)字載波環(huán)路方法解決高靈敏度跟蹤技術(shù)。在信號(hào)強(qiáng)度為-155 dBm條件下，進(jìn)行了捕獲算法和跟蹤算法的仿真，并對(duì)算法改善前后的仿真結(jié)果進(jìn)行了比較分析。仿真結(jié)果表明，采用掃頻+頻域校正、時(shí)分復(fù)用的捕獲方法能夠較好地改善FFT輸出信噪比和減少捕獲時(shí)間；在弱信號(hào)條件下，采用FLL+PLL結(jié)合的數(shù)字載波環(huán)路跟蹤技術(shù)，可以大大縮短跟蹤時(shí)間。

深空應(yīng)答機(jī)；載波捕獲；鎖頻環(huán)；鎖相環(huán)

0 引言

到目前為止，人類(lèi)對(duì)火星的探測(cè)有40次左右，成功率1/3多，認(rèn)識(shí)還很不全面。但是人類(lèi)對(duì)火星寄予了深切的希望，仍在堅(jiān)持不懈地對(duì)火星進(jìn)行科學(xué)探測(cè)[1]。

X頻段深空應(yīng)答機(jī)是火星環(huán)繞器測(cè)控與通信系統(tǒng)的關(guān)鍵組成，是構(gòu)成整個(gè)通信鏈路的樞紐之一[2]。由于深空探測(cè)的特殊性，除要求深空應(yīng)答機(jī)體積小、質(zhì)量輕、功耗低且長(zhǎng)壽命以外，還應(yīng)具有特別寬的動(dòng)態(tài)范圍，可適應(yīng)航天器從地面準(zhǔn)備階段、近地軌道階段和深空軌道階段的大范圍變化[3]；具有極高的接收解調(diào)靈敏度，可在信噪比非常低的條件下，準(zhǔn)確、及時(shí)、有效地解調(diào)出地面的上行遙控指令，并準(zhǔn)確、及時(shí)、有效地測(cè)量出航天器的運(yùn)行軌跡、位置和運(yùn)行速度[4]；具有各種調(diào)制方法的能力，能夠進(jìn)行模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制，能夠勝任和完成測(cè)控、數(shù)傳對(duì)下行調(diào)制的要求；具有同地面深空測(cè)控網(wǎng)協(xié)同工作能力；具有與地面甚長(zhǎng)基線(xiàn)干涉儀協(xié)同完成高精度測(cè)角工作的能力[5]。因此，X頻段深空應(yīng)答機(jī)與現(xiàn)有近地軌道飛行器應(yīng)答機(jī)相比有極大的不同，有許多需要先行解決的關(guān)鍵技術(shù)，如極低信噪比下載波捕獲技術(shù)和高靈敏度跟蹤技術(shù)都是深空應(yīng)答機(jī)極具重要的技術(shù)[6]。

本文分別采用掃頻+頻域校正、時(shí)分復(fù)用的方法解決極低信噪比下載波捕獲技術(shù)和設(shè)計(jì)數(shù)字載波環(huán)路的方法解決X頻段深空應(yīng)答機(jī)高靈敏度跟蹤技術(shù)，并通過(guò)仿真數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證本文所采用的方法正確性。

1 載波捕獲技術(shù)

在模擬遙測(cè)接收機(jī)中，采用頻率掃描以適應(yīng)多普勒效應(yīng)，同時(shí)采用相位調(diào)制負(fù)反饋技術(shù)抑制副載波，以完成全頻段內(nèi)對(duì)主載波的識(shí)別與捕獲。其環(huán)路結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，且掃描速度較慢[7-9]。在X頻段深空應(yīng)答機(jī)設(shè)計(jì)方案中，采用數(shù)字裝配處理模塊進(jìn)行載波捕獲和跟蹤，全頻段運(yùn)用FFT技術(shù)進(jìn)行主載波的識(shí)別與捕獲。

根據(jù)要求，信號(hào)的多普勒效應(yīng)不超過(guò)250 kHz，故對(duì)前端應(yīng)保證相應(yīng)的信號(hào)帶寬。在采用FFT對(duì)頻譜進(jìn)行分析前，需要根據(jù)載波的信號(hào)強(qiáng)度設(shè)定頻譜的分辨率，并根據(jù)FFT的分辨范圍對(duì)整個(gè)頻譜范圍進(jìn)行分段搜索。為保證檢測(cè)的可靠性，常規(guī)載噪比下(優(yōu)于-130 dBm)每個(gè)頻率點(diǎn)的檢測(cè)信噪比要盡可能高，若考慮4 096點(diǎn)FFT，則初步的頻譜分析方案如表1所示。根據(jù)表1，F(xiàn)FT輸出仿真結(jié)果如圖1、圖2、圖3和圖4所示。

表1 載波捕獲設(shè)計(jì)分析表

仿真結(jié)果表明，采用掃頻+頻域校正、時(shí)分復(fù)用的方法不僅可以改善FFT輸出信噪比，而且大大降低了硬件復(fù)雜度，減少了捕獲時(shí)間。

圖1 載波強(qiáng)度為-100 dBm時(shí)的FFT輸出

圖2 載波強(qiáng)度為-130 dBm時(shí)的FFT輸出

圖3 校正前載波強(qiáng)度為-155 dBm時(shí)的FFT輸出

圖4 校正后載波強(qiáng)度為-155 dBm時(shí)的FFT輸出

2 高靈敏度跟蹤技術(shù)

極限載噪比下，由于傳統(tǒng)PLL在跟蹤性能和噪聲容限上的局限，對(duì)-155 dBm的信號(hào)跟蹤較難實(shí)現(xiàn)。但由于被跟蹤的對(duì)象是單載波，在信號(hào)初步檢測(cè)成功后，仍可以采用頻譜分析+信號(hào)處理的方法進(jìn)行跟蹤，具體流程如圖5所示。

圖5 高靈敏度跟蹤

跟蹤環(huán)路設(shè)計(jì)包括載波跟蹤環(huán)路和碼跟蹤環(huán)路兩大部分，其中載波跟蹤分為FLL和PLL[10-12]。潛在的難點(diǎn)問(wèn)題是失鎖判定準(zhǔn)則魯棒性、定點(diǎn)環(huán)路的系數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、FLL對(duì)PLL的輔助、載波環(huán)輔助碼環(huán)以及同步、捕獲復(fù)位準(zhǔn)則等[13-14]。FLL和PLL分別采用二階和三階環(huán)路濾波。

2.1 FLL設(shè)計(jì)

FLL相對(duì)于PLL，對(duì)動(dòng)態(tài)的應(yīng)力較好。為應(yīng)對(duì)同樣的動(dòng)態(tài)，F(xiàn)LL的階數(shù)可以比PLL的階數(shù)低一階[15]。所以載波跟蹤FLL采用二階環(huán)路，一階濾波器實(shí)現(xiàn)。

一階最優(yōu)環(huán)路濾波器為：

(1)

式中，Kd=1，為最小二乘頻率鑒別器的增益，為NCO的增益；K=KdKv為環(huán)路濾波器的增益；wn為環(huán)路的自然頻率[16]。

相應(yīng)的載波環(huán)的濾波器為：

(2)

圖6 二階FLL的環(huán)路濾波器數(shù)字實(shí)現(xiàn)

二階載波環(huán)路濾波器的離散傳遞函數(shù)為：

(3)

其實(shí)域?qū)?yīng)表達(dá)式為：

y(k) -2y(k-1)+y(k-2)=

(4)

式中，T為濾波器輸入采樣時(shí)間間隔；ωn為環(huán)路的自然頻率，ωn=1.89BLF；BLF為環(huán)路的帶寬。

2.2 PLL設(shè)計(jì)

環(huán)路濾波器的選擇要考慮2個(gè)參數(shù)：濾波器階數(shù)和噪聲帶寬。這2個(gè)參數(shù)的選擇直接決定著環(huán)路對(duì)輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)[17]。一階跟蹤環(huán)路(環(huán)路濾波器F(s)=1)可以跟蹤相位階躍輸入，而且沒(méi)有穩(wěn)態(tài)相位誤差，但在跟蹤頻率階躍輸入時(shí)，就會(huì)有穩(wěn)態(tài)相位誤差；理想二階跟蹤環(huán)路(環(huán)路濾波器為一階)，可以跟蹤相位階躍和頻率階躍信號(hào)，且無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差，但在跟蹤頻率斜升信號(hào)輸入時(shí)，就會(huì)有穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差；三階跟蹤環(huán)路(環(huán)路濾波器為二階)可以正確跟蹤相位階躍、頻率階躍和頻率斜升信號(hào)，且無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差。

采用二階環(huán)路濾波器，即三階跟蹤環(huán)路，其最優(yōu)環(huán)路濾波器為：

(5)

對(duì)應(yīng)二階FLL的環(huán)路濾波器數(shù)字實(shí)現(xiàn)圖，K=KdKv為環(huán)路增益。環(huán)路濾波器數(shù)字實(shí)現(xiàn)框圖如圖7所示。

圖7 三階PLL跟蹤環(huán)的環(huán)路濾波器數(shù)字實(shí)現(xiàn)

環(huán)路濾波器的離散傳遞函數(shù)為：

(6)

其時(shí)域?qū)?yīng)表達(dá)式為：

(7)

式中，ωnP=1.2BLF，BLF為跟蹤環(huán)路帶寬；T為環(huán)路濾波器采樣時(shí)間間隔(等于環(huán)路更新時(shí)間)。

2.3 仿真分析

這里重點(diǎn)仿真低信噪比下載波跟蹤情況，根據(jù)上面的載波跟蹤算法設(shè)計(jì)，設(shè)載波強(qiáng)度為-155 dBm，頻偏5 Hz時(shí)，NCO輸出情況如圖8和圖9所示。

圖8 傳統(tǒng)PLL跟蹤算法NCO輸出結(jié)果

圖9 FLL+PLL結(jié)合的跟蹤算法NCO輸出結(jié)果

仿真結(jié)果表明，采用FLL+PLL結(jié)合的數(shù)字載波環(huán)跟蹤技術(shù)，相比傳統(tǒng)的PLL跟蹤算法，NCO輸出能夠較快較穩(wěn)地收斂，并大大減少了弱信號(hào)條件下的跟蹤時(shí)間。

3 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)火星探測(cè)任務(wù)X頻段深空應(yīng)答機(jī)的高靈敏度接收處理要求，對(duì)應(yīng)答機(jī)極低信噪比下的關(guān)鍵技術(shù)——載波捕獲技術(shù)和高靈敏度跟蹤技術(shù)進(jìn)行了研究。首先，突破傳統(tǒng)的單一的全頻段頻率掃描技術(shù)，提出了掃頻+頻域校正、時(shí)分復(fù)用的方法解決極低信噪比下載波捕獲技術(shù)，并進(jìn)行了仿真分析。其次，相比傳統(tǒng)的PLL跟蹤算法，設(shè)計(jì)了一種FLL+PLL結(jié)合的數(shù)字載波環(huán)路方法，并對(duì)2種方法進(jìn)行了仿真比較分析。從仿真結(jié)果可以看出，本文提出的掃頻+頻域校正、時(shí)分復(fù)用的方法能夠很好地解決極低信噪比下載波捕獲技術(shù)，設(shè)計(jì)的FLL+PLL結(jié)合數(shù)字載波環(huán)跟蹤技術(shù)可以大大減少深空應(yīng)答機(jī)高靈敏度跟蹤時(shí)間，對(duì)深空應(yīng)答機(jī)的工程實(shí)現(xiàn)具有一定指導(dǎo)意義。

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StudyonKeyTechnologiesofTransponderinExtremelyLowSNREnvironments

HAO Zhanjiong,LI Chunping,QIN Fen,HE Zhou

(ShanghaiAerospaceElectronicTechnologyInstitute,Shanghai201109,China)

Considering the high sensitivity receiving and processing requirements of X-band deep space transponder for Mars mission,the paper proposes a method of frequency sweep+frequency domain correction and time division multiplexing to realize carrier acquisition in extremely low SNR environments,and designs a digital carrier loop method to realize high sensitivity tracking.Under a signal intensity of -155 dBm,the acquisition algorithm and tracking algorithm are simulated,and the simulation results before and after algorithm improvement are compared and analyzed.The results show that the method improves the output SNR of FFT and reduces the acquisition time；under the condition of weak signal,using the FLL+PLL combined digital carrier loop tracking technology can greatly shorten the time of tracking.

deep space transponder；carrier acquisition；frequency-locked loop；phase-locked loop

2017-09-19

國(guó)家重大專(zhuān)項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(MARS-1-H)

10.3969/j.issn.1003-3106.2018.01.15

郝占炯,李春萍,秦奮,等.極低信噪比下應(yīng)答機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)研究[J].無(wú)線(xiàn)電工程,2018,48(1):68-71.[HAO Zhanjiong,LI Chunping,QIN Fen,et al.Study on Key Technologies of Transponder in Extremely Low SNR Environments[J].Radio Engineering,2018,48(1):68-71.]

V443+.1

A

1003-3106(2018)01-0068-04

郝占炯男，(1982—)，畢業(yè)于中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所，碩士，高級(jí)工程師。主要研究方向：測(cè)控通信技術(shù)。

李春萍女，(1987—)，碩士，工程師。主要研究方向：測(cè)控通信技術(shù)。

秦奮男，(1984—)，碩士，高級(jí)工程師。主要研究方向：測(cè)控通信技術(shù)。

何舟男，(1989—)，碩士，工程師。主要研究方向：測(cè)控通信技術(shù)。