極低信噪比下應答機的關鍵技術研究

郝占炯，李春萍，秦 奮，何 舟

(上海航天電子技術研究所，上海 201109)

極低信噪比下應答機的關鍵技術研究

郝占炯，李春萍，秦 奮，何 舟

(上海航天電子技術研究所，上海 201109)

針對火星探測任務X頻段深空應答機的高靈敏度接收處理要求，提出了掃頻+頻域校正、時分復用的方法解決極低信噪比下載波捕獲技術，設計了一種數字載波環路方法解決高靈敏度跟蹤技術。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果進行了比較分析。仿真結果表明，采用掃頻+頻域校正、時分復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結合的數字載波環路跟蹤技術，可以大大縮短跟蹤時間。

深空應答機；載波捕獲；鎖頻環；鎖相環

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探測[1]。

X頻段深空應答機是火星環繞器測控與通信系統的關鍵組成，是構成整個通信鏈路的樞紐之一[2]。由于深空探測的特殊性，除要求深空應答機體積小、質量輕、功耗低且長壽命以外，還應具有特別寬的動態范圍，可適應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靈敏度，可在信噪比非常低的條件下，準確、及時、有效地解調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]；具有各種調制方法的能力，能夠進行模擬調制和數字調制，能夠勝任和完成測控、數傳對下行調制的要求；具有同地面深空測控網協同工作能力；具有與地面甚長基線干涉儀協同完成高精度測角工作的能力[5]。因此，X頻段深空應答機與現有近地軌道飛行器應答機相比有極大的不同，有許多需要先行解決的關鍵技術，如極低信噪比下載波捕獲技術和高靈敏度跟蹤技術都是深空應答機極具重要的技術[6]。

本文分別采用掃頻+頻域校正、時分復用的方法解決極低信噪比下載波捕獲技術和設計數字載波環路的方法解決X頻段深空應答機高靈敏度跟蹤技術，并通過仿真數據來驗證本文所采用的方法正確性。

1 載波捕獲技術

在模擬遙測接收機中，采用頻率掃描以適應多普勒效應，同時采用相位調制負反饋技術抑制副載波，以完成全頻段內對主載波的識別與捕獲。其環路結構相對復雜，且掃描速度較慢[7-9]。在X頻段深空應答機設計方案中，采用數字裝配處理模塊進行載波捕獲和跟蹤，全頻段運用FFT技術進行主載波的識別與捕獲。

根據要求，信號的多普勒效應不超過250 kHz，故對前端應保證相應的信號帶寬。在采用FFT對頻譜進行分析前，需要根據載波的信號強度設定頻譜的分辨率，并根據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，常規載噪比下(優于-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。根據表1，FFT輸出仿真結果如圖1、圖2、圖3和圖4所示。

表1 載波捕獲設計分析表

仿真結果表明，采用掃頻+頻域校正、時分復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

極限載噪比下，由于傳統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。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

跟蹤環路設計包括載波跟蹤環路和碼跟蹤環路兩大部分，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、定點環路的系數優化設計與實現、FLL對PLL的輔助、載波環輔助碼環以及同步、捕獲復位準則等[13-14]。FLL和PLL分別采用二階和三階環路濾波。

2.1 FLL設計

FLL相對于PLL，對動態的應力較好。為應對同樣的動態，FLL的階數可以比PLL的階數低一階[15]。所以載波跟蹤FLL采用二階環路，一階濾波器實現。

一階最優環路濾波器為：

(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為環路濾波器的增益；wn為環路的自然頻率[16]。

相應的載波環的濾波器為：

(2)

圖6 二階FLL的環路濾波器數字實現

二階載波環路濾波器的離散傳遞函數為：

(3)

其實域對應表達式為：

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為環路的自然頻率，ωn=1.89BLF；BLF為環路的帶寬。

2.2 PLL設計

環路濾波器的選擇要考慮2個參數：濾波器階數和噪聲帶寬。這2個參數的選擇直接決定著環路對輸入信號的動態響應[17]。一階跟蹤環路(環路濾波器F(s)=1)可以跟蹤相位階躍輸入，而且沒有穩態相位誤差，但在跟蹤頻率階躍輸入時，就會有穩態相位誤差；理想二階跟蹤環路(環路濾波器為一階)，可以跟蹤相位階躍和頻率階躍信號，且無穩態誤差，但在跟蹤頻率斜升信號輸入時，就會有穩態跟蹤誤差；三階跟蹤環路(環路濾波器為二階)可以正確跟蹤相位階躍、頻率階躍和頻率斜升信號，且無穩態誤差。

采用二階環路濾波器，即三階跟蹤環路，其最優環路濾波器為：

(5)

對應二階FLL的環路濾波器數字實現圖，K=KdKv為環路增益。環路濾波器數字實現框圖如圖7所示。

圖7 三階PLL跟蹤環的環路濾波器數字實現

環路濾波器的離散傳遞函數為：

(6)

其時域對應表達式為：

(7)

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

2.3 仿真分析

這里重點仿真低信噪比下載波跟蹤情況，根據上面的載波跟蹤算法設計，設載波強度為-155 dBm，頻偏5 Hz時，NCO輸出情況如圖8和圖9所示。

圖8 傳統PLL跟蹤算法NCO輸出結果

圖9 FLL+PLL結合的跟蹤算法NCO輸出結果

仿真結果表明，采用FLL+PLL結合的數字載波環跟蹤技術，相比傳統的PLL跟蹤算法，NCO輸出能夠較快較穩地收斂，并大大減少了弱信號條件下的跟蹤時間。

3 結束語

針對火星探測任務X頻段深空應答機的高靈敏度接收處理要求，對應答機極低信噪比下的關鍵技術——載波捕獲技術和高靈敏度跟蹤技術進行了研究。首先，突破傳統的單一的全頻段頻率掃描技術，提出了掃頻+頻域校正、時分復用的方法解決極低信噪比下載波捕獲技術，并進行了仿真分析。其次，相比傳統的PLL跟蹤算法，設計了一種FLL+PLL結合的數字載波環路方法，并對2種方法進行了仿真比較分析。從仿真結果可以看出，本文提出的掃頻+頻域校正、時分復用的方法能夠很好地解決極低信噪比下載波捕獲技術，設計的FLL+PLL結合數字載波環跟蹤技術可以大大減少深空應答機高靈敏度跟蹤時間，對深空應答機的工程實現具有一定指導意義。

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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.極低信噪比下應答機的關鍵技術研究[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—)，畢業于中國科學院上海微系統與信息技術研究所，碩士，高級工程師。主要研究方向：測控通信技術。

李春萍女，(1987—)，碩士，工程師。主要研究方向：測控通信技術。

秦奮男，(1984—)，碩士，高級工程師。主要研究方向：測控通信技術。

何舟男，(1989—)，碩士，工程師。主要研究方向：測控通信技術。