基于幀格式的調(diào)頻遙測(cè)信號(hào)檢測(cè)方法分析

吳海洲，王志國，王鵬毅

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北石家莊 050081)

0 引言

調(diào)頻遙測(cè)信號(hào)［1］作為當(dāng)前航天測(cè)控標(biāo)準(zhǔn)體制的一種，是目前航天器遙測(cè)系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的一種編碼調(diào)制方式［2］。在飛行器測(cè)控中首先要完成對(duì)目標(biāo)的快速捕獲，而低信噪比信號(hào)檢測(cè)是其關(guān)鍵。由于調(diào)頻遙測(cè)體制的廣泛應(yīng)用，而且從國內(nèi)外發(fā)展趨勢(shì)看，在今后一段較長時(shí)間內(nèi)仍是戰(zhàn)略武器和運(yùn)載火箭遙測(cè)的主要手段。因此對(duì)調(diào)頻遙測(cè)信號(hào)的檢測(cè)是航天器目標(biāo)快速捕獲的關(guān)鍵技術(shù)。對(duì)一定帶寬信號(hào)(如遙測(cè)信號(hào))的檢測(cè)常采用能量檢測(cè)的方法，但該方法在低信噪比下性能惡化(檢測(cè)概率降低)。為了解決遙測(cè)信號(hào)低信噪比下檢測(cè)難題，通過分析遙測(cè)信號(hào)幀格式，提出采用匹配濾波器檢測(cè)法可實(shí)現(xiàn)調(diào)頻遙測(cè)信號(hào)的低信噪比高概率檢測(cè)。

1 調(diào)頻遙測(cè)信號(hào)解調(diào)方法

常用的遙測(cè)信號(hào)為調(diào)頻調(diào)制，但與普通的頻移鍵控(FSK)不同，它是一種連續(xù)相位的 FSK(CPFSK)，其信號(hào)形式為:

式中，A為調(diào)頻信號(hào)的振幅;m(τ)為調(diào)制信號(hào);ωc為載頻;kf為頻偏常數(shù)。

用數(shù)字形式表示為:

經(jīng)典的相干解調(diào)流程分為鑒相、差分解調(diào)和相位修正等步驟［3］，實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜，且性能取決于鑒相靈敏度。可以采用正交矢量瞬時(shí)測(cè)頻的方法進(jìn)行解調(diào)，這種方法實(shí)現(xiàn)簡單，只需要2個(gè)乘法器即可實(shí)現(xiàn)解調(diào)，其理論推導(dǎo)如下。

設(shè)接收信號(hào)s(t)經(jīng)下變頻得正交分量為:

數(shù)字采樣得:

而遙測(cè)信號(hào)解調(diào)為:

由式(5)得到:

若I2+Q2=A2=1，則式(7)可寫為:

代入式(6)得解調(diào)結(jié)果為:

因此可利用式(9)進(jìn)行遙測(cè)信號(hào)解調(diào)，可見僅需要2次乘法再做差分即完成解調(diào)。

2 調(diào)頻遙測(cè)信號(hào)檢測(cè)方法

對(duì)于調(diào)頻遙測(cè)等具有一定帶寬信號(hào)的檢測(cè)，常采用能量檢測(cè)的方法［4］。這種方法實(shí)現(xiàn)簡單，但僅適用于一定信噪比下的信號(hào)檢測(cè)。由于不能有效匯聚帶寬內(nèi)信號(hào)能量，能量檢測(cè)法在低信噪比下性能惡化(檢測(cè)概率下降)，甚至不能檢測(cè)信號(hào)。而航天測(cè)控中遙測(cè)信號(hào)均滿足一定的信號(hào)幀格式標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)這些已知信號(hào)特征，采用匹配濾波器檢測(cè)的方法可以對(duì)遙測(cè)信號(hào)進(jìn)行高概率檢測(cè)。

2.1 調(diào)頻遙測(cè)信號(hào)幀格式

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)［5，6］，遙測(cè)幀格式規(guī)定如下:遙測(cè)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(gè)遙測(cè)字組成，每個(gè)遙測(cè)字用8 bit表示。遙測(cè)幀結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 遙測(cè)幀結(jié)構(gòu)

該遙測(cè)幀特點(diǎn)如下:

① 子幀長度為N:N≤8192 bit，即N≤1024個(gè)遙測(cè)字，推薦使用子幀長為32、64等遙測(cè)字;

② 子幀同步碼(幀頭)X:16 bit≤X≤48 bit，優(yōu)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(guī)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(cè)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(jù)2個(gè)遙測(cè)字，即w0為EB，w1為90。其各項(xiàng)指標(biāo)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(diào)頻遙測(cè)信號(hào)匹配濾波檢測(cè)

由于調(diào)頻遙測(cè)信號(hào)具有以上特征，而測(cè)控目標(biāo)為合作方式，因此可利用遙測(cè)信號(hào)特征進(jìn)行匹配濾波檢測(cè)。匹配濾波器檢測(cè)法是一種使輸出信噪比最佳的信號(hào)檢測(cè)方法，具有相關(guān)信號(hào)的處理過程，其處理增益與時(shí)寬帶寬積成正比，需要指出的是這里時(shí)寬應(yīng)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(cè)調(diào)頻遙測(cè)信號(hào)步驟如下:

①對(duì)接收的遙測(cè)信號(hào)采用式(9)進(jìn)行正交矢量解調(diào);

②采用確定幀頭的本地碼與解調(diào)后的遙測(cè)幀做相關(guān);

③在低信噪比的情況下，多幀積累進(jìn)行檢測(cè)。

3 仿真結(jié)果分析

根據(jù)以上分析，采用32×32的遙測(cè)幀(即副幀長度32幀且子幀長度32字)進(jìn)行仿真。調(diào)制前的信號(hào)如圖2所示，無噪聲情況下的解調(diào)信號(hào)如圖3所示，與原信號(hào)的波形基本相同，驗(yàn)證了所提方法的正確性。信噪比為－5 dB條件下的解調(diào)信號(hào)如圖4所示，可見在低信噪比下信號(hào)已不能正確解調(diào)。

圖2 調(diào)制信號(hào)波形

圖3 無噪聲時(shí)解調(diào)信號(hào)

圖4 信噪比－5 dB時(shí)解調(diào)信號(hào)

采用匹配濾波器方法進(jìn)行信號(hào)的相關(guān)檢測(cè)，信噪比為－5 dB時(shí)檢測(cè)結(jié)果(積累30幀)如圖5所示，由圖可見有明顯峰值。

圖5 遙測(cè)信號(hào)匹配濾波檢測(cè)

經(jīng)過蒙特卡羅仿真，得到檢測(cè)概率與輸入信噪比及積累時(shí)間的關(guān)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(cè)概率(積累30幀)，而圖7為不同積累時(shí)間(或幀數(shù))下的檢測(cè)概率(輸入信噪比－5 dB)，由圖可見積累45幀以上，檢測(cè)概率大于98%。因此選取合適的積累時(shí)間，即可實(shí)現(xiàn)低信噪比下遙測(cè)信號(hào)的高概率檢測(cè)。

圖6 檢測(cè)概率與輸入信噪比關(guān)系曲線

圖7 檢測(cè)概率與積累幀數(shù)關(guān)系曲線

4 結(jié)束語

航天器測(cè)控首先要完成對(duì)目標(biāo)信號(hào)的快速檢測(cè)，因此調(diào)頻遙測(cè)信號(hào)的低信噪比檢測(cè)技術(shù)是航天測(cè)控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)之一?；趲袷降恼{(diào)頻遙測(cè)信號(hào)檢測(cè)法是一種匹配濾波器檢測(cè)法，通過仿真顯示:采用該方法進(jìn)行低信噪比下調(diào)頻遙測(cè)信號(hào)的檢測(cè)，其檢測(cè)概率隨積累幀數(shù)增加而增大。只要選擇合適的積累時(shí)間，即可實(shí)現(xiàn)低信噪比下目標(biāo)信號(hào)的高概率快速捕獲。如果目標(biāo)具有高動(dòng)態(tài)特性，則高動(dòng)態(tài)特性對(duì)檢測(cè)性能的影響及解決方法將是以后研究的重點(diǎn)。 ■

［1］張 輝，曹麗娜.現(xiàn)代通信原理與技術(shù)［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2008:189－216.

［2］李鳳祥，王憲平.航天無線電測(cè)控系統(tǒng)建設(shè)與發(fā)展［J］.無線電通信技術(shù)，2002，28(3):13 －15.

［3］王 鍇.基于能量檢測(cè)的認(rèn)知無線電協(xié)作檢測(cè)算法研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2010:12－15.

［4］海 川.高速率遙測(cè)信號(hào)調(diào)制解調(diào)技術(shù)研究［D］.西安:西安電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文，2008:34－50.

［5］GJB 21.2A －92.遙測(cè)標(biāo)準(zhǔn):多路信號(hào)格式［S］，1992.

［6］GJB1198.2A－2004.航天器測(cè)控和數(shù)據(jù)處理(第2部分):PCM 遙測(cè)［S］，2004.