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        基于幀格式的調(diào)頻遙測信號檢測方法分析

        2012-10-18 09:39:16吳海洲王志國王鵬毅
        無線電工程 2012年5期
        關(guān)鍵詞:子幀遙測檢測法

        吳海洲,王志國,王鵬毅

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

        0 引言

        調(diào)頻遙測信號[1]作為當(dāng)前航天測控標準體制的一種,是目前航天器遙測系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的一種編碼調(diào)制方式[2]。在飛行器測控中首先要完成對目標的快速捕獲,而低信噪比信號檢測是其關(guān)鍵。由于調(diào)頻遙測體制的廣泛應(yīng)用,而且從國內(nèi)外發(fā)展趨勢看,在今后一段較長時間內(nèi)仍是戰(zhàn)略武器和運載火箭遙測的主要手段。因此對調(diào)頻遙測信號的檢測是航天器目標快速捕獲的關(guān)鍵技術(shù)。對一定帶寬信號(如遙測信號)的檢測常采用能量檢測的方法,但該方法在低信噪比下性能惡化(檢測概率降低)。為了解決遙測信號低信噪比下檢測難題,通過分析遙測信號幀格式,提出采用匹配濾波器檢測法可實現(xiàn)調(diào)頻遙測信號的低信噪比高概率檢測。

        1 調(diào)頻遙測信號解調(diào)方法

        常用的遙測信號為調(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),其信號形式為:

        式中,A為調(diào)頻信號的振幅;m(τ)為調(diào)制信號;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],實現(xiàn)較復(fù)雜,且性能取決于鑒相靈敏度??梢圆捎谜皇噶克矔r測頻的方法進行解調(diào),這種方法實現(xiàn)簡單,只需要2個乘法器即可實現(xiàn)解調(diào),其理論推導(dǎo)如下。

        設(shè)接收信號s(t)經(jīng)下變頻得正交分量為:

        數(shù)字采樣得:

        而遙測信號解調(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)進行遙測信號解調(diào),可見僅需要2次乘法再做差分即完成解調(diào)。

        2 調(diào)頻遙測信號檢測方法

        對于調(diào)頻遙測等具有一定帶寬信號的檢測,常采用能量檢測的方法[4]。這種方法實現(xiàn)簡單,但僅適用于一定信噪比下的信號檢測。由于不能有效匯聚帶寬內(nèi)信號能量,能量檢測法在低信噪比下性能惡化(檢測概率下降),甚至不能檢測信號。而航天測控中遙測信號均滿足一定的信號幀格式標準。根據(jù)這些已知信號特征,采用匹配濾波器檢測的方法可以對遙測信號進行高概率檢測。

        2.1 調(diào)頻遙測信號幀格式

        根據(jù)相關(guān)標準[5,6],遙測幀格式規(guī)定如下:遙測幀分為子幀和長幀,若干子幀組合為1長幀。而子幀由若干個遙測字組成,每個遙測字用8 bit表示。遙測幀結(jié)構(gòu)如圖1所示。

        圖1 遙測幀結(jié)構(gòu)

        該遙測幀特點如下:

        ① 子幀長度為N:N≤8192 bit,即N≤1024個遙測字,推薦使用子幀長為32、64等遙測字;

        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個遙測字,即w0為EB,w1為90。其各項指標可確定如下: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)頻遙測信號匹配濾波檢測

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

        ①對接收的遙測信號采用式(9)進行正交矢量解調(diào);

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

        ③在低信噪比的情況下,多幀積累進行檢測。

        3 仿真結(jié)果分析

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

        圖2 調(diào)制信號波形

        圖3 無噪聲時解調(diào)信號

        圖4 信噪比-5 dB時解調(diào)信號

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

        圖5 遙測信號匹配濾波檢測

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

        圖6 檢測概率與輸入信噪比關(guān)系曲線

        圖7 檢測概率與積累幀數(shù)關(guān)系曲線

        4 結(jié)束語

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

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

        [4]海 川.高速率遙測信號調(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.遙測標準:多路信號格式[S],1992.

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

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