一種適用于低軌星載通信偵察系統(tǒng)的解調(diào)方法?

巢捷頻，李 晟

（中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，成都610036）

一種適用于低軌星載通信偵察系統(tǒng)的解調(diào)方法?

巢捷頻，李 晟

（中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，成都610036）

介紹了低軌星載通信偵察的特點(diǎn)，針對(duì)偵察中多普勒變化率相對(duì)信號(hào)帶寬較大時(shí)傳統(tǒng)技術(shù)無法跟蹤和解調(diào)PSK信號(hào)的問題，提出一種基于改進(jìn)的三階鎖相環(huán)的解調(diào)方法和實(shí)現(xiàn)途徑，并使用該方法研制了解調(diào)軟件，在實(shí)際工程中進(jìn)行了成功應(yīng)用，滿足了低軌衛(wèi)星偵察系統(tǒng)對(duì)該類信號(hào)解調(diào)的需求。

低軌衛(wèi)星；偵察系統(tǒng)；BPSK；QPSK；解調(diào)

1 引言

低軌通信偵察衛(wèi)星運(yùn)行在距地面數(shù)百公里高的軌道上，需要對(duì)一定頻段內(nèi)的通信信號(hào)進(jìn)行偵察，具體包括確定信號(hào)的調(diào)制形式、調(diào)制參數(shù)、對(duì)信號(hào)進(jìn)行測(cè)向定位以及解調(diào)。目前解調(diào)常用的方式是在衛(wèi)星平臺(tái)上進(jìn)行采樣，數(shù)據(jù)傳回地面后使用解調(diào)軟件進(jìn)行信號(hào)解調(diào)處理。

低軌星載通信偵察中的解調(diào)，與普通的通信信號(hào)解調(diào)相比，主要的技術(shù)特點(diǎn)有：偵察需要進(jìn)行非合作解調(diào)，相對(duì)合作解調(diào)更加困難；多普勒頻移及其變化率較大，解調(diào)困難。通常，解調(diào)可以分為相干解調(diào)和非相干解調(diào)兩大類。在低軌通信電子偵察衛(wèi)星應(yīng)用中，偵收信號(hào)信噪比普遍較低，需選用相干解調(diào)。現(xiàn)有相干解調(diào)技術(shù)中應(yīng)用最為廣泛的二階環(huán)跟蹤環(huán)路結(jié)構(gòu)，但如果信號(hào)多普勒頻率變化快，二階鎖相環(huán)的載波捕獲時(shí)間較慢，頻率捕獲能力很有限。三級(jí)環(huán)路在載波跟蹤方面表現(xiàn)比二階環(huán)優(yōu)越，傳統(tǒng)的三階環(huán)路可以滿足本應(yīng)用中帶寬在千赫量級(jí)以上的解調(diào)，但對(duì)于碼速率更低的信號(hào)也無能為力［1］。

為解決上述問題，我們基于傳統(tǒng)的三階鎖相環(huán)路，提出了一種改進(jìn)的解調(diào)方法，并進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證。

2 基于三階鎖相環(huán)的改進(jìn)解調(diào)方法

改進(jìn)的解調(diào)方法功能框圖如圖1所示。

本方法與傳統(tǒng)的解調(diào)方法相比，主要特點(diǎn)有：

（1）把傳統(tǒng)鎖相環(huán)按最佳采樣點(diǎn)進(jìn)行反饋的機(jī)制改為按每個(gè)采樣時(shí)刻進(jìn)行反饋，這樣大大提高了環(huán)路反饋頻率，可以更有效地跟蹤載波；

（2）采用了自動(dòng)頻率跟蹤環(huán)來解決載波頻率跟蹤問題，適合于偵察中的非合作解調(diào)。圖1中頻差檢測(cè)、積分反饋構(gòu)成自動(dòng)頻率跟蹤環(huán)路，此方法可以解決初始頻差可能會(huì)超過鎖相環(huán)的捕獲帶寬的問題，將頻差控制在鎖相環(huán)路的捕獲帶寬內(nèi)，這部分用在相位同步環(huán)路鎖定之前，當(dāng)鎖定指示顯示環(huán)路鎖定后就立即關(guān)閉此環(huán)路，以免影響三階環(huán)路的穩(wěn)定性。

3 具體實(shí)現(xiàn)途徑

本方法可以使用計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)，具體實(shí)現(xiàn)流程如圖2所示。各具體步驟下面分別敘述。

（1）測(cè)量信號(hào)初始頻率

數(shù)據(jù)輸入時(shí)，取一定量的起始數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)頻計(jì)算。對(duì)BPSK／QPSK信號(hào)可以利用對(duì)其平方譜和四次方譜進(jìn)行頻率測(cè)量，得到初始頻率f0［2］。

（2）數(shù)字下變頻、FIR濾波抽取

將中頻采樣信號(hào)與混頻頻率信號(hào)進(jìn)行混頻，將中頻信號(hào)下變頻到基帶，其中下變頻混頻頻率為信號(hào)初始頻率（f0）與環(huán)路反饋相位產(chǎn)生的頻率（fΔ）之和。

與傳統(tǒng)的解調(diào)方法不一樣的是，此處的下變頻頻率不是根據(jù)每個(gè)符號(hào)最佳采樣時(shí)刻的插值序列進(jìn)行，而是根據(jù)每個(gè)采樣點(diǎn)實(shí)時(shí)的反饋信息進(jìn)行。濾波器選擇FIR低通抽取濾波器，抽取倍數(shù)根據(jù)信號(hào)的碼速率、采樣率決定。設(shè)計(jì)時(shí)抽取濾波后采樣率根據(jù)碼速率分為兩種情況：碼速率大于400 bit／s時(shí)采樣率約為20倍碼速率；碼速率小于400 bit／s時(shí)采樣率約為60倍碼速率，可以取得比較好的效果。

（3）基帶信號(hào)匹配濾波

非協(xié)作解調(diào)中信號(hào)發(fā)送方的濾波形式及系數(shù)不能確定，一般可選擇根升余弦0.6系數(shù)為匹配濾波器系數(shù)，經(jīng)仿真此系數(shù)的不同設(shè)置對(duì)解調(diào)性能的適應(yīng)性較強(qiáng)，當(dāng)然也可以人工選擇匹配濾波器類型和系數(shù)。

（4）濾波后信號(hào)非線性變換

根據(jù)BPSK、QPSK調(diào)制方式的不同需要進(jìn)行不同的處理，BPSK需要進(jìn)行二次方非線性變換，QPSK需要進(jìn)行四次方非線性變換，主要目的是為了消除調(diào)制，為后面相差估計(jì)提供條件［3］。

（5）位同步

位同步采用閉環(huán)反饋結(jié)構(gòu)，關(guān)鍵的時(shí)間誤差檢測(cè)算法采用Gardner的DD算法，定時(shí)誤差采用2倍符號(hào)率采樣，其中一個(gè)采樣點(diǎn)為符號(hào)最佳采樣，另一個(gè)為兩個(gè)最佳采樣點(diǎn)之間的采樣點(diǎn)［4］。

（6）自動(dòng)增益控制（AGC）

將下變頻濾波抽取后的非線性變換信號(hào)進(jìn)行歸一化處理，消除信號(hào)幅度變換帶來的影響。

（7）相差估計(jì)

鑒相器根據(jù)I、Q兩路基帶信號(hào)進(jìn)行相位估計(jì)，此信號(hào)就是載波相位同步時(shí)的相位差，相位差作為三階環(huán)濾波器的輸入。

（8）三階環(huán)濾波器

采用兩個(gè)二階環(huán)級(jí)聯(lián)成三階環(huán)，第一級(jí)的二階環(huán)路輸出作為第二級(jí)二階環(huán)的輸入，第二級(jí)環(huán)路的輸出作為整個(gè)三節(jié)環(huán)路的輸出，二階環(huán)數(shù)字鎖相環(huán)采用并聯(lián)形式。

理想二階環(huán)的環(huán)路濾波器S域傳遞函數(shù)如式（1），τ1和τ2分別為典型二階環(huán)路的增益控制系數(shù)，s為頻率的表征，可構(gòu)造三階環(huán)的環(huán)路濾波器如式（2），三階環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)如式（3）。根據(jù)環(huán)路穩(wěn)定性條件和環(huán)路噪聲帶寬不能為無窮大，則必須滿足捕獲帶寬是環(huán)路必然進(jìn)入鎖定的最大固有頻差［5］。

下面將設(shè)計(jì)的三階鎖相環(huán)轉(zhuǎn)化為數(shù)字形式，鎖相環(huán)設(shè)計(jì)中，只需轉(zhuǎn)換環(huán)路濾波器，見式（2），將其進(jìn)行拉普拉斯反變換，然后進(jìn)行Z變換即可得該設(shè)計(jì)的關(guān)鍵系數(shù)，其中T為碼元周期，具體如公式（4）～（7）：

（9）頻差估計(jì)

考慮到實(shí)際情況，初始頻差可能會(huì)超過鎖相環(huán)的捕獲帶寬，或是由于頻差變化速率大導(dǎo)致鎖相環(huán)失鎖。因此，在系統(tǒng)還需要使用自動(dòng)頻率控制（AFC），通常自動(dòng)頻率控制技術(shù)是用在相位同步環(huán)路鎖定之前，將頻差控制在鎖相環(huán)路的捕獲帶寬內(nèi)。此處采用了非輔助判決前饋式載波頻差估計(jì)的方法，實(shí)時(shí)地估計(jì)出載波頻率，并對(duì)載波頻率進(jìn)行修正，使頻差進(jìn)入到鎖相環(huán)的捕獲帶寬內(nèi)。頻差估計(jì)應(yīng)用了符號(hào)自相關(guān)頻差估計(jì)算法，是基于符號(hào)最佳采樣點(diǎn)時(shí)刻數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算的。

在接收端，假設(shè)獲得的符號(hào)定時(shí)且無符號(hào)間干擾，基帶信號(hào)表達(dá)形式為

式中，｛ak｝為獨(dú)立同分布的等概數(shù)據(jù)，1／T為符號(hào)速率，fd是未知載波頻偏，θ0是未知載波相位，v（kT）是實(shí)部與虛部統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的復(fù)值高斯白噪聲。針對(duì)2π／M旋轉(zhuǎn)對(duì)稱星座，載頻偏差估計(jì)表達(dá)式為式（10），其中L為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，一般取大于20的整數(shù)，N為觀察長(zhǎng)度，Z（KT）=rM（KT），R（m）為序列Z（KT）自相關(guān)的估計(jì)值見式（9），頻差fd的計(jì)算如式（10）：

（10）相位積分

將頻差估計(jì)值換算為相位和三階環(huán)路濾波器輸出值進(jìn)行累加，為整個(gè)環(huán)路的反饋輸出改變混頻頻率，引導(dǎo)下變頻濾波。

（11）鎖定指示

鎖定指示根據(jù)最佳采樣點(diǎn)的I、Q數(shù)據(jù)進(jìn)行閾值判斷，閾值取較低信噪比情況下的經(jīng)驗(yàn)值。

（12）判決、解調(diào)輸出

對(duì)位同步中最佳采樣時(shí)刻的信號(hào)進(jìn)行判決輸出0、1碼流序列，解調(diào)軟件將解調(diào)結(jié)果按二進(jìn)制數(shù)據(jù)順序進(jìn)行存儲(chǔ)，以便查詢及后續(xù)處理。

4 性能分析與實(shí)際應(yīng)用

我們以本方法為基礎(chǔ)，研制了衛(wèi)星通信偵察信號(hào)解調(diào)軟件，根據(jù)應(yīng)用需求，針對(duì)表1所示不同的頻率和碼速率的信號(hào)進(jìn)行了大量的測(cè)試。在地面系統(tǒng)測(cè)試中，利用掃頻源模擬多普勒變化的情況來進(jìn)行驗(yàn)證；衛(wèi)星發(fā)射后，在軌測(cè)試階段利用地面標(biāo)校信進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果均達(dá)到指標(biāo)要求（誤碼率小于1×10-4）。

圖3為多普勒頻移變化情況下對(duì)QPSK信號(hào)進(jìn)行解調(diào)時(shí)，軟件顯示的星座圖。

對(duì)大于85 ksample／s的信號(hào)，我們使用MATLAB進(jìn)行仿真，仿真條件主要針對(duì)碼速率在100 kbit／s以上調(diào)制信號(hào)，采樣率均高于20倍碼速率，Eb／N0=10 dB，發(fā)射信號(hào)滾降因子變化范圍為0.2～1，接收采用的是滾降因子為0.4的匹配濾波器。仿真結(jié)果如下：

（1）信號(hào)滾降因子變化對(duì)系統(tǒng)性能的影響不大；

（2）信噪比為10時(shí)，BPSK、QPSK均可達(dá)到10× 10-4的誤碼率要求；

（3）在同等信噪比及測(cè)頻誤差情況下，碼速率越高可跟蹤多普勒變化率極限值越高；

（4）在采樣率足夠高情況下，對(duì)500 kbit／s調(diào)制信號(hào)仿真時(shí)，可跟蹤多普勒變化率可達(dá)到100 kHz／s。

圖4為仿真平臺(tái)下碼速率為100 kbit／s的BPSK信號(hào)在多普勒變化率為20 kHz／s情況下的相位估計(jì)誤差曲線及鎖定指示曲線。

圖4中θe為環(huán)路反饋相位與實(shí)際信號(hào)相位的差值，Z為鎖定指示值，鎖定指示值大于閾值（Threshold，圖中值為0.2的直線）時(shí)就表示環(huán)路已經(jīng)鎖定。從圖中可以看出，本方法對(duì)較大寬帶的信號(hào)也具備良好的跟蹤性能。

5 結(jié)論

上述基于傳統(tǒng)的三階鎖相環(huán)路進(jìn)行改進(jìn)的PSK信號(hào)解調(diào)方法，結(jié)合了自動(dòng)頻率跟蹤環(huán)路的功能，同時(shí)加快了環(huán)路反饋速度，使得其非常適合于通信偵察中對(duì)大多普勒變化率信號(hào)的解調(diào)。根據(jù)這種方法研制的解調(diào)軟件，在衛(wèi)星的地面測(cè)試和在軌運(yùn)行中表現(xiàn)良好，證明了本方法的有效性。目前本方法主要應(yīng)用在軟件解調(diào)上，解調(diào)實(shí)時(shí)性受到限制，但其也具備根據(jù)需要移植到硬件中進(jìn)行實(shí)時(shí)解調(diào)的潛力。

［1］劉有虞.鎖相技術(shù)及其在航天測(cè)控通訊中的應(yīng)用［J］.電訊技術(shù)，2008，48（增3）：12-23.

LIU You-yu.The Application of Pll Technology in the Space TT＆C［J］.Telecommunication Engineering，2008，48（Suppl. 3）：12-23.（in Chinese）

［2］曹志剛，錢亞生.現(xiàn)代通信原理［M］.北京：清華大學(xué)出版社，1992：262-270.

CAO Zhi-gang，QIAN Ya-sheng.Modern communication theory［M］.Beijing：Tsinghua University Press，1992：262-270.（in Chinese）

［3］張厥盛，鄭繼禹，萬心平.鎖相技術(shù)［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，1994：140-146. ZHANG Jue-sheng，ZHENG Ji-yu，WAN Xin-ping.PLL technology［M］.Xi′an：Xidian University Press，1994：140-146.（in Chinese）

［4］劉偉，王東進(jìn)，劉發(fā)林.低軌道衛(wèi)星移動(dòng)通信的調(diào)制解調(diào)方式［J］.無線通信技術(shù)，2002（4）：29-32.

LIU Wei，WANG Dong-jin，LIU Fa-lin.Method of Modulation and Demodulation in LEO Mobile Satellite Communication［J］.Wireless Communication Technology，2002（4）：29-32.（in Chinese）

［5］屈強(qiáng)，劉華東，楊君，等.軟件鎖相環(huán)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用［J］.遙測(cè)遙控，2007，28（1）：10-14.

QU Qiang，LIU Dong-hua，YANG Jun，et al.Design and Application of Software Phase Lock Loop［J］.Journal of Telemetry，Tracking and Command，2007，28（1）：10-14.（in Chinese）

CHAO Jie-pin was born in Jingdezhen，Jiangxi Province，in 1977.He received the B.S.degree in 2000.He is now an engineer and also a graduate student.His research direction is signal processing.

Email：chaojiepin＠gmail.com

李晟（1980—），湖北隨州人，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)樾盘?hào)處理。

LI Sheng was born in Suizhou，Hubei Province，in 1980.He is now an engineer with the M.S.degree.His research direction is signal processing.

A Demodulation Method Based on Third-order PLL for LEO Satellite Reconnaissance System

CHAO Jie-pin，LI Sheng
（Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China）

The characteristics of satellite-based communication reconnaissance is introduced.An improved demodulation method based on third-order phase-locked loop（PLL）is proposed to solve the problem that conventional technology cannot track and demodulate PSK signal when the Doppler changing rate is large relative to signal bandwidth in reconnaissance.With this method，the demodulation software has been developed and applied in practical engineering.This method meets the needs of LEO（Low Earth Orbit）satellite reconnaissance system for signal demodulation.

LEO satellite；reconnaissance system；BPSK；QPSK；demodulation

TN763

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2011.05.009

巢捷頻（1977—），男，江西景德鎮(zhèn)人，2000年獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為碩士研究生、工程師，主要研究方向?yàn)樾盘?hào)處理；

1001-893X（2011）05-0042-04

2011-01-30；

2011-04-14