基于帧格式的调频遥测信号检测方法分析

吴海洲，王志国，王鹏毅

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄 050081)

0 引言

调频遥测信号［1］作为当前航天测控标准体制的一种，是目前航天器遥测系统中广泛应用的一种编码调制方式［2］。在飞行器测控中首先要完成对目标的快速捕获，而低信噪比信号检测是其关键。由于调频遥测体制的广泛应用，而且从国内外发展趋势看，在今后一段较长时间内仍是战略武器和运载火箭遥测的主要手段。因此对调频遥测信号的检测是航天器目标快速捕获的关键技术。对一定带宽信号(如遥测信号)的检测常采用能量检测的方法，但该方法在低信噪比下性能恶化(检测概率降低)。为了解决遥测信号低信噪比下检测难题，通过分析遥测信号帧格式，提出采用匹配滤波器检测法可实现调频遥测信号的低信噪比高概率检测。

1 调频遥测信号解调方法

常用的遥测信号为调频调制，但与普通的频移键控(FSK)不同，它是一种连续相位的 FSK(CPFSK)，其信号形式为:

式中，A为调频信号的振幅;m(τ)为调制信号;ωc为载频;kf为频偏常数。

用数字形式表示为:

经典的相干解调流程分为鉴相、差分解调和相位修正等步骤［3］，实现较复杂，且性能取决于鉴相灵敏度。可以采用正交矢量瞬时测频的方法进行解调，这种方法实现简单，只需要2个乘法器即可实现解调，其理论推导如下。

设接收信号s(t)经下变频得正交分量为:

数字采样得:

而遥测信号解调为:

由式(5)得到:

若I2+Q2=A2=1，则式(7)可写为:

代入式(6)得解调结果为:

因此可利用式(9)进行遥测信号解调，可见仅需要2次乘法再做差分即完成解调。

2 调频遥测信号检测方法

对于调频遥测等具有一定带宽信号的检测，常采用能量检测的方法［4］。这种方法实现简单，但仅适用于一定信噪比下的信号检测。由于不能有效汇聚带宽内信号能量，能量检测法在低信噪比下性能恶化(检测概率下降)，甚至不能检测信号。而航天测控中遥测信号均满足一定的信号帧格式标准。根据这些已知信号特征，采用匹配滤波器检测的方法可以对遥测信号进行高概率检测。

2.1 调频遥测信号帧格式

根据相关标准［5，6］，遥测帧格式规定如下:遥测帧分为子帧和长帧，若干子帧组合为1长帧。而子帧由若干个遥测字组成，每个遥测字用8 bit表示。遥测帧结构如图1所示。

图1 遥测帧结构

该遥测帧特点如下:

① 子帧长度为N:N≤8192 bit，即N≤1024个遥测字，推荐使用子帧长为32、64等遥测字;

② 子帧同步码(帧头)X:16 bit≤X≤48 bit，优选 16 bit、24 bit、32 bit图样;

③副帧长度Z:Z≤256帧;

④全帧长度:N×Z;

⑤帧同步码组使用规定如下:

帧长≤128字，使用16 bit码组;

帧长＞128字，使用24 bit码组;

⑥子帧同步码:

16 bit码组:EB90;

24 bit码组:FAF320。

以副帧长度为32帧、子帧长度为32字为例。每遥测字8 bit，1子帧共32字，分别记为:w0、w1、w2…w31;全帧共 32子帧，分别记为:F0、F1、F2…F31;帧头为16 bit同步字EB90，占据2个遥测字，即w0为EB，w1为90。其各项指标可确定如下:子帧长256 bit，全帧长 8192 bit。如果比特率为2 Mbps，则子帧周期为0.128 ms，全帧周期4.1 ms。

2.2 调频遥测信号匹配滤波检测

由于调频遥测信号具有以上特征，而测控目标为合作方式，因此可利用遥测信号特征进行匹配滤波检测。匹配滤波器检测法是一种使输出信噪比最佳的信号检测方法，具有相关信号的处理过程，其处理增益与时宽带宽积成正比，需要指出的是这里时宽应是所积累帧的2/N(16 bit同步码)或3/N(24 bit同步码)。采用匹配滤波方法检测调频遥测信号步骤如下:

①对接收的遥测信号采用式(9)进行正交矢量解调;

②采用确定帧头的本地码与解调后的遥测帧做相关;

③在低信噪比的情况下，多帧积累进行检测。

3 仿真结果分析

根据以上分析，采用32×32的遥测帧(即副帧长度32帧且子帧长度32字)进行仿真。调制前的信号如图2所示，无噪声情况下的解调信号如图3所示，与原信号的波形基本相同，验证了所提方法的正确性。信噪比为－5 dB条件下的解调信号如图4所示，可见在低信噪比下信号已不能正确解调。

图2 调制信号波形

图3 无噪声时解调信号

图4 信噪比－5 dB时解调信号

采用匹配滤波器方法进行信号的相关检测，信噪比为－5 dB时检测结果(积累30帧)如图5所示，由图可见有明显峰值。

图5 遥测信号匹配滤波检测

经过蒙特卡罗仿真，得到检测概率与输入信噪比及积累时间的关系曲线如图6和图7所示。其中图6为不同输入信噪比下检测概率(积累30帧)，而图7为不同积累时间(或帧数)下的检测概率(输入信噪比－5 dB)，由图可见积累45帧以上，检测概率大于98%。因此选取合适的积累时间，即可实现低信噪比下遥测信号的高概率检测。

图6 检测概率与输入信噪比关系曲线

图7 检测概率与积累帧数关系曲线

4 结束语

航天器测控首先要完成对目标信号的快速检测，因此调频遥测信号的低信噪比检测技术是航天测控系统关键技术之一。基于帧格式的调频遥测信号检测法是一种匹配滤波器检测法，通过仿真显示:采用该方法进行低信噪比下调频遥测信号的检测，其检测概率随积累帧数增加而增大。只要选择合适的积累时间，即可实现低信噪比下目标信号的高概率快速捕获。如果目标具有高动态特性，则高动态特性对检测性能的影响及解决方法将是以后研究的重点。 ■

［1］张 辉，曹丽娜.现代通信原理与技术［M］.西安:西安电子科技大学出版社，2008:189－216.

［2］李凤祥，王宪平.航天无线电测控系统建设与发展［J］.无线电通信技术，2002，28(3):13 －15.

［3］王 锴.基于能量检测的认知无线电协作检测算法研究［D］.哈尔滨:哈尔滨工业大学，2010:12－15.

［4］海 川.高速率遥测信号调制解调技术研究［D］.西安:西安电子科技大学硕士学位论文，2008:34－50.

［5］GJB 21.2A －92.遥测标准:多路信号格式［S］，1992.

［6］GJB1198.2A－2004.航天器测控和数据处理(第2部分):PCM 遥测［S］，2004.