極低信噪比下應(yīng)答機的關(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)

針對火星探測任務(wù)X頻段深空應(yīng)答機的高靈敏度接收處理要求，提出了掃頻+頻域校正、時分復(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)。在信號強度為-155 dBm條件下，進行了捕獲算法和跟蹤算法的仿真，并對算法改善前后的仿真結(jié)果進行了比較分析。仿真結(jié)果表明，采用掃頻+頻域校正、時分復(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間；在弱信號條件下，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間。

深空應(yīng)答機；載波捕獲；鎖頻環(huán)；鎖相環(huán)

0 引言

到目前為止，人類對火星的探測有40次左右，成功率1/3多，認識還很不全面。但是人類對火星寄予了深切的希望，仍在堅持不懈地對火星進行科學(xué)探測[1]。

X頻段深空應(yīng)答機是火星環(huán)繞器測控與通信系統(tǒng)的關(guān)鍵組成，是構(gòu)成整個通信鏈路的樞紐之一[2]。由于深空探測的特殊性，除要求深空應(yīng)答機體積小、質(zhì)量輕、功耗低且長壽命以外，還應(yīng)具有特別寬的動態(tài)范圍，可適應(yīng)航天器從地面準備階段、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，準確、及時、有效地解調(diào)出地面的上行遙控指令，并準確、及時、有效地測量出航天器的運行軌跡、位置和運行速度[4]；具有各種調(diào)制方法的能力，能夠進行模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制，能夠勝任和完成測控、數(shù)傳對下行調(diào)制的要求；具有同地面深空測控網(wǎng)協(xié)同工作能力；具有與地面甚長基線干涉儀協(xié)同完成高精度測角工作的能力[5]。因此，X頻段深空應(yīng)答機與現(xiàn)有近地軌道飛行器應(yīng)答機相比有極大的不同，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)答機極具重要的技術(shù)[6]。

本文分別采用掃頻+頻域校正、時分復(fù)用的方法解決極低信噪比下載波捕獲技術(shù)和設(shè)計數(shù)字載波環(huán)路的方法解決X頻段深空應(yīng)答機高靈敏度跟蹤技術(shù)，并通過仿真數(shù)據(jù)來驗證本文所采用的方法正確性。

1 載波捕獲技術(shù)

在模擬遙測接收機中，采用頻率掃描以適應(yīng)多普勒效應(yīng)，同時采用相位調(diào)制負反饋技術(shù)抑制副載波，以完成全頻段內(nèi)對主載波的識別與捕獲。其環(huán)路結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，且掃描速度較慢[7-9]。在X頻段深空應(yīng)答機設(shè)計方案中，采用數(shù)字裝配處理模塊進行載波捕獲和跟蹤，全頻段運用FFT技術(shù)進行主載波的識別與捕獲。

根據(jù)要求，信號的多普勒效應(yīng)不超過250 kHz，故對前端應(yīng)保證相應(yīng)的信號帶寬。在采用FFT對頻譜進行分析前，需要根據(jù)載波的信號強度設(shè)定頻譜的分辨率，并根據(jù)FFT的分辨范圍對整個頻譜范圍進行分段搜索。為保證檢測的可靠性，常規(guī)載噪比下(優(yōu)于-130 dBm)每個頻率點的檢測信噪比要盡可能高，若考慮4 096點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)計分析表

仿真結(jié)果表明，采用掃頻+頻域校正、時分復(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，減少了捕獲時間。

圖1 載波強度為-100 dBm時的FFT輸出

圖2 載波強度為-130 dBm時的FFT輸出

圖3 校正前載波強度為-155 dBm時的FFT輸出

圖4 校正后載波強度為-155 dBm時的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-155 dBm的信號跟蹤較難實現(xiàn)。但由于被跟蹤的對象是單載波，在信號初步檢測成功后，仍可以采用頻譜分析+信號處理的方法進行跟蹤，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]。潛在的難點問題是失鎖判定準則魯棒性、定點環(huán)路的系數(shù)優(yōu)化設(shè)計與實現(xiàn)、FLL對PLL的輔助、載波環(huán)輔助碼環(huán)以及同步、捕獲復(fù)位準則等[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

FLL相對于PLL，對動態(tài)的應(yīng)力較好。為應(yīng)對同樣的動態(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)字實現(xiàn)

二階載波環(huán)路濾波器的離散傳遞函數(shù)為：

(3)

其實域?qū)?yīng)表達式為：

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

(4)

式中，T為濾波器輸入采樣時間間隔；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

環(huán)路濾波器的選擇要考慮2個參數(shù)：濾波器階數(shù)和噪聲帶寬。這2個參數(shù)的選擇直接決定著環(huán)路對輸入信號的動態(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，而且沒有穩(wěn)態(tài)相位誤差，但在跟蹤頻率階躍輸入時，就會有穩(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，且無穩(wěn)態(tài)誤差，但在跟蹤頻率斜升信號輸入時，就會有穩(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，且無穩(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)

對應(yīng)二階FLL的環(huán)路濾波器數(shù)字實現(xiàn)圖，K=KdKv為環(huán)路增益。環(huán)路濾波器數(shù)字實現(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)字實現(xiàn)

環(huán)路濾波器的離散傳遞函數(shù)為：

(6)

其時域?qū)?yīng)表達式為：

(7)

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

2.3 仿真分析

這里重點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，設(shè)載波強度為-155 dBm，頻偏5 Hz時，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條件下的跟蹤時間。

3 結(jié)束語

針對火星探測任務(wù)X頻段深空應(yīng)答機的高靈敏度接收處理要求，對應(yīng)答機極低信噪比下的關(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、時分復(fù)用的方法解決極低信噪比下載波捕獲技術(shù)，并進行了仿真分析。其次，相比傳統(tǒng)的PLL跟蹤算法，設(shè)計了一種FLL+PLL結(jié)合的數(shù)字載波環(huán)路方法，并對2種方法進行了仿真比較分析。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)答機高靈敏度跟蹤時間，對深空應(yīng)答機的工程實現(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

國家重大專項基金資助項目(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)答機的關(guān)鍵技術(shù)研究[J].無線電工程,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)于中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所，碩士，高級工程師。主要研究方向：測控通信技術(shù)。

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

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

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