基于參數估計的BPSK/PM遙測異常信號識別方法研究

賈振華 許曉冬 張閣，2 吳志強，2 朱曉輝，2

(1 中國空間技術研究院通信衛星事業部，北京 100094)(2 北京市衛星移動寬帶通信工程技術研究中心，北京 100094)

基于參數估計的BPSK/PM遙測異常信號識別方法研究

賈振華1許曉冬1張閣1，2吳志強1，2朱曉輝1，2

(1 中國空間技術研究院通信衛星事業部，北京 100094)(2 北京市衛星移動寬帶通信工程技術研究中心，北京 100094)

為了對衛星地面測試和在軌運行期間可能發生導致遙測信號異常的偶發故障進行排查，快速精確地定位問題，文章進行了異常遙測信號識別方法研究。針對二進制相移鍵控/相位調制(BPSK/PM)遙測信號，通過分析信號的特征，總結了遙測接收過程中異常信號可能發生的三種情況及其原因，提出一種基于參數估計的異常遙測信號識別方法，并進行了仿真驗證。該方法的應用可以宏觀區分遙測調制信號異常與數據異常，并作為異常信號存儲和再處理的基礎，從而為故障判定提供數據支撐。

二進制相移鍵控/相位調制；異常遙測信號；識別；參數估計

1 引言

衛星遙測是地面測試和在軌監測中了解衛星狀態最重要的手段，如果遙測信號異常就可能無法正常接收和解調，進而丟失寶貴的遙測數據，尤其是對那些不可復現的突發性狀態，以及需要盡快找到異常原因的情況，尋求一種遙測異常信號識別的方法，是快速宏觀區分究竟是調制信號異常還是數據本身異常，并從海量接收信號中有針對性地選擇存儲處理，這是首先要解決的課題。

目前衛星較多采用的測控系統有統一C頻段(UCB)測控系統或統一S頻段(USB)測控系統。在統一載波測控系統中，采用副載波-載波的調制順序，信息先經過副載波調制后再通過頻率調制(FM)或者相位調制(PM)調制到載波上[1]。信息的一部分保留在主載波分量中，其余的則分散到主頻率的兩邊，頻譜上表現為載波的邊帶[2]。在衛星統一遙測跟蹤和遙控(TT&C)體制中，主載波主要采用FM或PM調制，副載波可以采用二進制相移鍵控(BPSK)、差分相移鍵控(DPSK)、頻移鍵控(FSK)等[3]。

在衛星測試過程中，對于偶發遙測接收異常的排查，往往需要反復試驗來復現異常發生時刻的測試環境和衛星運行狀態，從而定位問題的原因，這無疑要耗費大量人力和物力成本，而且有時異常狀態是難以復現的。當衛星在軌飛行時，對偶發遙測信號接收異常的問題排查，顯然會更加困難。如果能對接收的中頻遙測信號進行實時記錄，通過回放可以重現問題發生時的真實狀態，則可為問題定位創造良好的條件，但由于需要記錄與處理的信號量非常巨大而導致實現困難，且實時性差。如果能自動從信號流中識別出異常信號，就能夠首先快速宏觀區分出是調制信號異常還是數據本身異常，然后有針對性地選擇做存儲與處理，這無疑是十分有效的。

本文針對識別異常遙測信號的需求開展研究，以BPSK/PM遙測信號為例，分析了該遙測信號的特征及其異常的可能原因，通過對遙測信號的相關參數進行估計，給出了異常信號的檢測方法，并通過仿真驗證了該方法估計的準確性。

2 BPSK/PM信號的特征及異常原因分析

BPSK/PM信號是將原信息依次經過PCM編碼、BPSK調制和PM調制所形成的信號。BPSK調制通過相位的變化攜帶信息[4-5]，通常兩個碼元分別表示相位0°和180°。BPSK信號時域表達式為

(1)

式中：g(t)為基帶信號單個矩形脈沖，n為矩形脈沖個數，Cs為碼周期，ωc為載波頻率。φi是兩種取值中第i個碼元所對應的相位，定義為

(2)

PM信號時域表達式為

(3)

式中：A為振幅，對于角度調制信號，A為恒定常數。fc為載波中心頻率，Kp為調制指數。當式(3)中的m(t)為BPSK信號時，就可以得到以BPSK為副載波調制方式、以PM為主載波調制方式的BPSK/PM信號。調制指數為0.75rad的BPSK/PM信號Matlab軟件仿真頻譜如圖1所示。

圖1 BPSK/PM調制信號頻譜圖
Fig.1 BPSK/PM-modulated signal frequency picture

若考慮可能存在頻率偏移以及信號在傳輸過程中引入的噪聲干擾，PM信號可以表示為

(4)

式中：fd為頻偏，β為頻偏變化率，N′(t)為噪聲。由式(4)可知，信號幅度A、頻偏fd、頻偏變化率β以及噪聲N(t)的存在將直接影響到接收信號的質量[6]，信噪比可以表征信號幅度A和噪聲N(t)之間的關系。頻偏fd、頻偏變化率β均會造成頻率偏移。由此可見，導致遙測信號失鎖及數據誤碼等異常問題發生的原因可歸納為兩大類：一是信噪比顯著下降，二是頻率偏移。

衛星遙測信號通過星地鏈路下傳給地面接收端，極易受到自然及人為的干擾[7]，使得遙測信號在傳輸過程中異常；此外，星上設備異常可能導致遙測信號的頻率或功率穩定度不符合指標要求。因此，遙測信號異常可以分為以下三類：①星上設備異常導致的遙測信號異常; ②信號傳輸過程中引入的噪聲干擾以及多普勒效應導致的遙測信號異常; ③接收端由于接收設備異常導致的異常。

衛星測試及在軌運行期間測控分系統可能出現功率變化、雜波輸出增加、頻率變化、帶內波動變差等故障，根據測試經驗分析，造成輸出功率變化的可能原因有超高頻倍頻電路變化、發射微波倍頻變化、發射晶振電路變化和隔離放大電路變化等；造成雜波輸出增加的可能原因有超高頻倍頻電路變化或發射微波倍頻變化等；造成頻率變化的可能原因有發射晶振電路的變化；造成帶內波動變差的可能原因有內導體氧化或內導體螺釘松動、同軸連接器失配、腔體調諧螺釘松動或頻偏不正確等。輸出功率變化和雜波輸出增加都會造成信噪比下降，頻率變化及衛星轉移軌道時的多普勒效應均會使接收機接收信號的載波存在較大頻偏。而頻偏不正確可能導致帶內波動變差等。

通過對載波頻偏以及信噪比的估計，判斷是否將接收到的信號作為異常信號進行存儲。如果載波頻偏超過預置值或信噪比小于預置值，則認為接收到的信號異常，在異常信號識別后可將其進行存儲及處理，便于進一步分析。

3 異常信號檢測

3.1 載波頻偏估計算法

頻偏的存在使得下變頻以后的信號頻譜發生搬移，嚴重影響通信系統解調性能，導致誤碼率的增大，甚至無法正確完成信號解調[8-9]。因此，在異常信號識別過程中，對載波頻偏進行估計是十分必要的。

經過前端射頻模塊下變頻處理得到模擬中頻調制信號，對模擬信號進行AD帶通采樣后得到數字中頻信號(忽略噪聲)為

S(n)=Acos[2πfcnTs+2πfdnTs+

(5)

式中： Ts為采樣時間間隔。使用本地接收機數控振蕩器(NCO)產生正交載波與數字中頻信號進行數字下變頻，將帶通信號變為基帶信號，分別用同相支路I和正交支路Q表示，并通過低通濾波去除二倍頻分量，即為頻偏信息。低通濾波后的I、Q支路表達式為

I(n)=S(n)cos(2πfcnTs)=0.5A·

(6)

Q(n)=S(n)sin(2πfcnTs)=0.5A·

(7)

當載波頻譜越靠近快速傅里葉變換(FFT)理論譜線時，其信號能量越大，所得到的頻偏估計值與真實值越接近。利用這一點，通過對基帶信號頻譜搬移，使得主載波逼近FFT譜線，以提高信號能量、降低頻率估計誤差，達到提高精度的目的。并行FFT估計[10]的基本原理是在傳統FFT估計[11]基礎上的改進，通過對多通道頻譜搬移后的基帶信號進行并行FFT譜分析，搜索其中峰值譜線，從而獲得最接近真實頻率的載波頻譜。根據衛星技術指標，分別設置譜峰估計門限和載波頻偏估計門限，對異常信號進行檢測。如圖2所示，給出了通過并行FFT載波估計法檢測異常信號的原理框圖。其中MUX、DMUX分別為復用器和解復用器，M為正交下變頻組數，FFT點數為N。

圖2 并行FFT估計檢測異常信號原理框圖Fig.2 Parallel FFT estimation detecting abnormal signal functional block diagram

積分清零后，對基帶信號進行正交下變頻，達到頻譜搬移的目的。其原理如下：

(8)

(9)

將式(6)和式(7)代入式(8)和式(9)可得

(10)

(11)

式中：fi(i=1,2，…，M)∈(-Δf/2,Δf/2)是正交下變頻載波組,Ts′為降采樣時間間隔。對Ii′(n)和Qi′(n)進行N點FFT運算，設(fd-fi)Ts′=(l+σi)/N，可得主載波頻譜為

(12)

(13)

式中：lMAX表示峰值所在FFT譜線位置，fiMAX取峰值所用的正交下變頻載波頻率。相應的頻率估計精度為Δf/M，顯然，M取值越大，頻率估計精度越高。

頻偏變化率估計的基本原理是：當存在較大頻偏變化率，每次搜索峰值譜線會產生偏移，進行多次搜索得到不同時間下的載波頻偏，載波頻偏偏移量與搜索時間間隔的比值即為頻偏變化率。并行FFT估計技術單次搜索即可獲得高精度頻率估計，進行二次搜索即得到頻偏變化率估計為

(14)

(15)

完成頻偏變化率估計后，可得當前時刻載波頻偏為

(16)

3.2 信噪比估計算法

通過選擇合適的信噪比(SNR)估計方法，根據衛星技術指標要求及接收機解調性能設置相應的門限，從而判斷信號是否異常。信噪比估計方法有很多，鑒于FFT的算法已經相當成熟，在計算機仿真中易于實現，本文選用頻域估計法進行仿真。傳統的頻域方法[11-12]在高斯白噪聲(AWGN)信道下具有較好的估計性能，該方法利用白噪聲頻譜平坦的特性來估計噪聲方差(功率)。它的主要思想是將接收信號離散傅里葉變換(DFT)的最小幅值平方，作為白噪聲DFT的幅值平方，從而得到噪聲功率方差估計值(即噪聲功率估計值)。本文用同樣的思想但換個角度計算噪聲功率，仿真結果證明改進后的方法估計性能優于傳統的頻域算法。

假設接收信號為x(n)=s(n)+v(n)，s(n)為發送信號，v(n)是均值為零、方差為σv2的加性高斯白噪聲。噪聲功率估計步驟如下：

(1)計算接收信號x(n)的DFT，并計算其幅值平方|X(k)|2。

(2)將信道帶寬平均分成M′段，M′盡可能大。每一段的平均幅值為

(17)

式中：ti表示第i段，L為每一段長度。

(3)將平均幅值平方最大的m′段認為是信號所在頻段，計算剩下M′-m′段的均值為

(18)

式中：i取最大的m′段以外的M′-m′段。m′根據信號所占信道的頻帶寬度和信號能量在頻域的分布情況確定。

(4)計算的噪聲功率為

(19)

式中：N0為數據長度。

4 算法仿真及分析

4.1 載波頻偏估計仿真

為驗證算法的有效性，通過Matlab軟件對頻偏估計算法進行仿真，仿真參數為：初始頻率偏移為-150kHz,頻偏變化率為5000Hz/s，每個載噪比載波頻偏估計次數為200次，FFT采樣率為4MHz，FFT點數為2048，非相干次數為8次。如圖3所示，給出了不同調制度下并行FFT估計在不同載噪比下的正確估計概率仿真曲線。

由圖3可知，正確估計概率與載噪比成正比，調制度小于1rad的正確檢測概率大于82%，且載噪比為26dB·Hz時，正確估計概率達到95%。忽略處理時延，總的估計時間計算公式為

(20)

式中：V表示估計驗證次數，U表示非相干累加次數，Fs′為數據速率，將仿真參數代入，可得總的估計時間為：Tacq=5×8×2048/4000=20.48 ms。

存在較大頻偏變化率時，頻率估計誤差增大，由頻偏速率和頻率分辨誤差造成的系統誤差可表示為

(21)

式中：Δf表示FFT頻率分辨率。

如圖4所示，給出了并行FFT估計在信噪比為26dB時頻偏誤差曲線。

由此可見，在高斯噪聲信道環境下，載噪比較低時仍可以精確地估計出載波頻偏。因此，根據衛星指標要求及接收機捕獲性能，分別設置頻偏檢測門限和頻偏變化率檢測門限，通過門限判決來判斷信號是否異常。如果頻偏估計超出門限范圍或頻偏變化率估計超出門限范圍，則判定信號異常。

圖4 并行FFT估計誤差曲線Fig.4 Parallel FFT estimation error curve

4.2 信噪比估計仿真

為了驗證算法的正確性和有效性，采用MonteCarlo[13]方法，對改進后的頻域算法進行高斯白噪聲信道下的仿真。以標準UCB體制下的BPSK/PM信號為例，帶寬約為500kHz，采樣率4MHz，輸入信號的SNR范圍設為[-20，20]dB，不同的SNR值分別進行500次獨立仿真(見圖5)。

圖5 信噪比估計仿真結果
Fig.5 SNR estimation simulation result

由圖5(a)和圖5(b)可知，改進的頻域算法的SNR估計誤差很小。當SNR大于-18dB時，估計誤差小于0.1dB，其歸一化均方誤差幾乎為0。圖5(c)是SNR為10dB時，500次估計的誤差直方圖，由圖5(c)可知，500次估計的結果呈正態分布，且誤差在0.1dB范圍內的次數高達400次。由此可見，通過選擇合理的參數，該方法可以精確地估計出信噪比。因此，可以根據衛星指標要求及接收機解調性能，設置相應的信噪比檢測門限來判斷信號是否異常。

5 結束語

本文采用并行FFT估計法和改進的頻域信噪比估計法對BPSK/PM信號進行參數估計，通過頻偏和信噪比的估計，對遙測異常信號進行識別，仿真結果表明該算法的估計準確率較高，可以達到很好的識別效果。

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(編輯：李多)

Research of Recognition Method of BPSK/PM Abnormal Telemetry Signal Based on Parameter Estimation

JIAZhenhua1XUXiaodong1ZHANGGe1，2WUZhiqiang1，2ZHUXiaohui1，2

(1InstituteofTelecommunicationSatellite,ChinaAcademyofSpaceTechnology,Beijing100094，China)(2BeijingSatelliteMobileBroadbandCommunicationEngineeringTechnologyResearchCenter，Beijing100094，China)

Thepaperresearchesabnormaltelemetrysignalsrecognitionmethodtocheckthepossiblerandomfailurewhichcouldresultintelemetrysignalsabnormityduringgroundtestingandin-orbitoperationofsatelliteandtofindouttheproblemsquicklyandaccurately.ThepapersummarizesthreeabnormalsituationsintelemetryreceivingprocessbyanalyzingthecharactersofBPSK/PMsignals,putsforwardarecognitionmethodbasedonparameterestimationandfinishesemulationproof.Theapplicationofthemethodestablishesfoundationforstorageanddisposalofabnormalsignalsafterwardandprovidesdatasupportfortroubledeterminant.

BPSK/PM；abnormaltelemetrysignal；recognition；parameterestimation

2016-08-08；

2016-10-08

賈振華，女，碩士研究生，從事航天器電子與信息系統工作。Email：jiazh0415@163.com。

TN

ADOI：10.3969/j.issn.1673-8748.2016.06.012