一種適用于封閉場(chǎng)景下的遙測(cè)信號(hào)接收方法

翟萬濤，丁興文

（北京遙測(cè)技術(shù)研究所 北京 100076）

引 言

遙測(cè)是獲取試驗(yàn)數(shù)據(jù)、確保試驗(yàn)安全的重要手段，在航空航天、軍工試驗(yàn)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。常規(guī)的遙測(cè)應(yīng)用多是在開闊場(chǎng)景使用，主要采用拋物面自跟蹤天線，全程跟蹤目標(biāo)起飛、航行到降落的全過程。在常規(guī)應(yīng)用中，天線波束窄，大部分時(shí)間信號(hào)是視距傳輸，除了起飛和降落時(shí)存在短暫的低仰角條件外，其遙測(cè)信道近似于高斯白噪聲信道。隨著科技的發(fā)展和應(yīng)用需求的推動(dòng)，遙測(cè)應(yīng)用場(chǎng)景得以日益擴(kuò)展，某些特定的封閉場(chǎng)景下的遙測(cè)需求逐步被提出來，而針對(duì)特殊場(chǎng)景下的遙測(cè)應(yīng)用研究很少。本文重點(diǎn)針對(duì)封閉場(chǎng)景常規(guī)遙測(cè)方法存在的問題進(jìn)行分析，并提出了一種可行的遙測(cè)方案。

1 現(xiàn)有方案及問題

常規(guī)的PCM-FM（Pulse Code Modulation-Frequency Modulation）遙測(cè)方案，簡化模型如圖1所示，主要采用窄波束自跟蹤天線接收遙測(cè)信號(hào)，下變頻后將左旋和右旋的兩路極化信號(hào)送給遙測(cè)接收機(jī)；接收機(jī)首先進(jìn)行極化分集，然后對(duì)合成后的信號(hào)進(jìn)行FM解調(diào)，輸出PCM碼流信號(hào)。由于左右兩個(gè)旋向信號(hào)受信衰落情況不同，通過極化分集解決了單路遙測(cè)信號(hào)衰落問題，通過左右旋互補(bǔ)保證數(shù)據(jù)的連續(xù)性。極化分集合成主要由共模環(huán)和差模環(huán)兩大關(guān)鍵部分組成，其中，共模環(huán)部分用于跟蹤輸入信號(hào)的公共頻率和相位變化，差模環(huán)部分用于跟蹤兩路輸入信號(hào)之間的頻率和相位變化，并對(duì)稱控制兩路輸入信號(hào)對(duì)應(yīng)的本振頻率和相位，保證跟蹤的連續(xù)性，避免信號(hào)深衰落造成的數(shù)據(jù)丟失。

某封閉場(chǎng)景下的遙測(cè)需求如圖2所示，待測(cè)目標(biāo)可能位于封閉空間的上部、中部或者底部等不同位置，目標(biāo)可能靜止或者處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；接收天線只能安裝在封閉體的某一側(cè)。在這種場(chǎng)景下，常規(guī)遙測(cè)方案應(yīng)用受到了很大限制。

首先，由于空間受限，天線安裝位置距離被測(cè)目標(biāo)距離過近，無法采用單一天線全過程覆蓋；另外，在封閉空間內(nèi)，信道條件發(fā)生了極大變化，除了射頻信號(hào)直接傳輸外，還存在多種反射和折射路徑，形成典型的多徑效應(yīng)[1,2]，導(dǎo)致各分量場(chǎng)到達(dá)接收端時(shí)間不同，按各自相位疊加而造成干擾，使得原有信號(hào)失真或者產(chǎn)生錯(cuò)誤。圖3為在密閉空間內(nèi)PCM-FM信號(hào)的實(shí)測(cè)典型頻譜圖，可見信號(hào)在頻譜中心位置發(fā)生了很深的衰落。這種多徑信道下的左右旋信號(hào)之間存在相位突變，采用極化分集的接收方法，共模環(huán)無法有效收斂，導(dǎo)致分集接收失敗。而采用單旋向工作模式，無法針對(duì)深衰落進(jìn)行補(bǔ)償，也會(huì)導(dǎo)致丟幀，在高碼率遙測(cè)時(shí)甚至?xí)?dǎo)致遙測(cè)鏈路頻繁中斷。

圖1 常規(guī)遙測(cè)接收方案Fig.1 A conventional telemetry receiver

圖2 某封閉場(chǎng)景示意圖Fig.2 Schematic diagram of an enclosed scenario

2 遙測(cè)接收方案

針對(duì)特定封閉場(chǎng)景，本文提出了一種可行的遙測(cè)方案。天線布局方面，在封閉體的中下部和中上部分別布置兩個(gè)寬波束天線，其波束覆蓋示意圖如圖4所示。當(dāng)目標(biāo)在底部或者頂部極端位置，主要用單側(cè)的天線接收；而目標(biāo)大部分位置，可以實(shí)現(xiàn)雙天線同時(shí)接收，從而實(shí)現(xiàn)空間接力和空間分集，保證信號(hào)的全程覆蓋。

接收機(jī)的選擇上，設(shè)計(jì)了一種多通道空間分集接收機(jī)，如圖5所示。該接收機(jī)采用了小型化設(shè)計(jì)，并將接收通道擴(kuò)展了一倍，同時(shí)可以支持四路單旋信號(hào)輸入。接收算法方案的選擇上，沒有采用常規(guī)的極化分集方案，采用了“單路盲均衡＋多路合成”的方案。

圖3 封閉空間實(shí)測(cè)典型頻譜圖Fig.3 Typical spectrum in enclosed scenario

2.1 單路盲均衡

均衡技術(shù)是對(duì)抗多徑信道的有效手段之一，線性調(diào)制領(lǐng)域的均衡技術(shù)研究得較早，如在QPSK、16QAM等調(diào)制中該技術(shù)的應(yīng)用已非常成熟，而由于遙測(cè)體制的特殊性，在遙測(cè)領(lǐng)域的均衡研究近幾年才開始。目前，國外對(duì)遙測(cè)均衡算法的研究[3]主要分為兩類：盲均衡算法和非盲均衡算法；盲均衡算法主要為CMA[4]算法，非盲均衡算法包括ZF算法、MMSE算法等。

盲均衡技術(shù)不需要發(fā)送訓(xùn)練序列和同步信息，僅利用接收序列本身的先驗(yàn)信息就能夠正確恢復(fù)發(fā)送序列，均衡器可以完全插入到接收端，不需要對(duì)原有接收機(jī)做大的改動(dòng)，是一種理想的解決方案。

圖4 本文提出的遙測(cè)方案Fig.4 The telemetry scheme proposed in this paper

方案采用的CMA均衡算法[5,6]原理如圖6所示，主要實(shí)現(xiàn)思路如下：用均衡器的濾波器系數(shù)向量對(duì)接收信號(hào)x(k)進(jìn)行濾波處理，即可得到均衡后的遙測(cè)信號(hào)y(k)。濾波器系數(shù)依據(jù)代價(jià)函數(shù)最小化原則進(jìn)行自適應(yīng)更新。

圖5 多通道空間分集接收機(jī)Fig.5 Multichannel spatial diversity receiver

該算法尋求最大限度地減小由常模量準(zhǔn)則定義的代價(jià)函數(shù)。常模算法的代價(jià)函數(shù)為

式中，R2是一個(gè)常數(shù)，由輸入符號(hào)x(k)決定，可以表示為

均衡器的輸出y(k)表示為

圖6 盲均衡器原理Fig.6 Block diagram of blind equalizer

2.2 多路合成

多路合成主要對(duì)各路解調(diào)后的信號(hào)進(jìn)行最優(yōu)選擇，主要由同步模塊和信號(hào)優(yōu)選模塊組成，如圖7所示。

各路信號(hào)由于傳輸距離不同，解調(diào)后的PCM碼流無法對(duì)齊，另外，盲均衡算法本身也會(huì)引入時(shí)延，因此，首先要進(jìn)行同步。同步模塊采用基于幀的同步方法，將PCM碼流進(jìn)行幀同步，根據(jù)同步標(biāo)識(shí)將數(shù)據(jù)對(duì)齊到同樣的位置，并統(tǒng)一讀取。

圖7 多路合成框圖Fig.7 Block diagram of multiplex synthesis

當(dāng)四路信號(hào)在碼元級(jí)進(jìn)行同步后，進(jìn)入信號(hào)優(yōu)選模塊，這里可采用不同的合成策略，一般可選的有最大比合并、等增益合并和選擇合并等。最大比合并是根據(jù)下式計(jì)算合并系數(shù)：

其中，cp表示計(jì)算出的第p個(gè)PCM碼流的合成系數(shù)，Hi表示估計(jì)得到的第i個(gè)PCM碼流的信號(hào)質(zhì)量標(biāo)識(shí)。

等增益合并每路系數(shù)完全一致，但只對(duì)幀鎖定的PCM進(jìn)行處理；選擇合并，選擇質(zhì)量系數(shù)最高的一路進(jìn)行輸出。

3 測(cè)試驗(yàn)證

構(gòu)建驗(yàn)證平臺(tái)，對(duì)本方案提出的遙測(cè)接收方法進(jìn)行了實(shí)測(cè)驗(yàn)證，從被測(cè)目標(biāo)靜止和運(yùn)動(dòng)兩種場(chǎng)景進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試條件：發(fā)射天線為線極化天線，接收天線左右旋獨(dú)立接收，天線左右旋抑制比大于14dB，工作點(diǎn)頻設(shè)置為2250MHz，工作體制PCM-FM，碼率10Mbps，校驗(yàn)?zāi)M源設(shè)置為偽隨機(jī)碼，校驗(yàn)信號(hào)輸出電平設(shè)置為0 dBm。

3.1 靜態(tài)場(chǎng)景

在靜態(tài)場(chǎng)景下，多徑條件固定，采用誤碼率和鏈路成功率來作為指標(biāo)對(duì)比。鏈路成功率是指在測(cè)試時(shí)間內(nèi)，鎖定幀數(shù)除以發(fā)送的總幀數(shù)，采用幀鎖定指示來作為鏈路通斷的判斷條件，其中幀同步碼1ACFFC1D，幀同步搜索、校核、鎖定容錯(cuò)位數(shù)分別設(shè)置為2、2、3。

圖8左上、右上、下面三組頻譜圖依次為被測(cè)目標(biāo)位于低部、中部和下部等不同位置的靜態(tài)測(cè)試頻譜圖，可以看出，接收信號(hào)的畸變情況與天線旋向沒有明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系，信號(hào)質(zhì)量主要受多徑的影響，而被測(cè)目標(biāo)處于不同位置，總有1～2路信號(hào)受到多徑的影響較小，可以實(shí)現(xiàn)接收。

圖8 靜止不同位置的頻譜圖Fig.8 Spectrums at different positions

圖9 運(yùn)行中不同時(shí)刻的頻譜圖Fig.9 Spectrums at different times

表1為被測(cè)目標(biāo)處于固定位置的接收情況統(tǒng)計(jì)，可以看出，盲均衡對(duì)單路信號(hào)的誤碼性能得以提升，而通過四分集，可以實(shí)現(xiàn)鏈路百分百連通。

3.2 運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景

圖5為被測(cè)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)情況下的頻譜圖，左上、右上、下面三組頻譜圖依次為T，T+1s，T+2s時(shí)刻?？梢钥闯鲞\(yùn)動(dòng)過程中，頻譜畸變更嚴(yán)重。經(jīng)過測(cè)試，在動(dòng)態(tài)場(chǎng)景下，多徑信道實(shí)時(shí)變化，且存在條件極其惡劣的情況，此時(shí)鏈路會(huì)有閃斷，無法有效地進(jìn)行誤碼測(cè)試。因此，這里用鏈路連通率作為指標(biāo)對(duì)比。

表1 靜態(tài)測(cè)試結(jié)果Table 1 Test results in static scenarios

表2為在采用了盲均衡和四分集的鏈路連通率提升情況。單路情況下，均衡對(duì)動(dòng)態(tài)場(chǎng)景也有提升效果，結(jié)合四分集方式，高速碼率鏈路成功率也提升到98%以上。

表2 運(yùn)動(dòng)情況測(cè)試結(jié)果Table 2 Test results in dynamic scenarios

4 結(jié)束語

本文提出了一種適用于封閉場(chǎng)景的遙測(cè)信號(hào)接收方法，針對(duì)封閉空間的波束覆蓋問題和強(qiáng)多徑問題，在布局上通過雙天線配置，對(duì)空間進(jìn)行了全覆蓋；通過接收機(jī)獨(dú)特設(shè)計(jì)，采用均衡技術(shù)和四分集合成技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了遙測(cè)鏈路的不中斷傳輸，并在實(shí)際測(cè)試中得到了驗(yàn)證。