遥测信号检测中多普勒影响及其补偿研究

王志国，吴海洲，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

PCM/FM调制方式是目前航天器遥测系统中广泛应用的一种编码调制方式。飞行器测控首先需要完成信号检测，在低信噪比的条件下，基于帧头相关的调频遥测信号检测技术［1］能够实现弱信号的高概率检测。帧头相关检测采用检测峰值与门限值进行比较，相关峰值越高检测概率越大，因此考察相关检测峰值的大小能够反映信号检测性能的优劣。飞行器目标一般具有较高的动态特性，在大多普勒频移条件下，帧头相关检测的积累效率变低。要实现帧头相关的高概率检测，需要对多普勒频移进行补偿，提高帧头相关检测的积累增益。

1 多普勒频移对相关检测峰值影响

帧头相关检测的方法是根据调频遥测信号［2］帧格式的特点，采用本地数据与解调后的遥测信号进行匹配滤波检测的方法。在低信噪比条件下通过增加相关累加的码长能够实现信号的高概率检测，其系统流程如图1所示。

图1 信号检测流程

由图1可见，低信噪比下调频遥测信号检测采用基于帧格式的帧头相关检测方法，需要对信号进行解调和帧头相关峰值检测。PCM/FM接收信号表示为:

式中，fr(t)为接收信号;a为信号幅度;fc为载波频率;fd(t)为多普勒频移;kf为调制指数;m(t)为调制信号;θ0为初始相位。由于多普勒一次变化率为几十kHz/s，在要求的ms量级检测时间内可认为多普勒频移保持不变，即fd(t)=fd。同时可以假设初始相位θ0=0。经过A/D后信号为:

式中，T为采样周期。

信号经过下变频和N倍下抽取后，得到I、Q两路基带信号为:

式中，A为幅度值;Ts为下抽取后的采样周期，Ts=T/N。由式(3)、式(4)经过I、Q差分解调可得解调信号为:

由于调制数据m(n)是取值为+1、－1的二值函数，因此解调数据m′(n)可表示为:

将解调信号与本地码L(n)做帧头相关，对低信噪比信号进行N帧积累检测。采用本地码帧头为EB90，其余位均为0。当帧头对齐时将会产生一个相关检测的峰值，归一化检测结果为:

由以上分析，从基带信号I、Q两路信号作为输入进行仿真考虑多普勒频移为:－1～+1 MHz。在多普勒实现抵消的条件下不同信噪比的检测结果在参考文献［1］中已经介绍，因此仅考虑取低信噪比为－5 dB，其相关检测峰值与多普勒频移之间的关系如图2所示。

由仿真图形可以看到，帧头相关检测峰值在多普勒频率为0 Hz时达到最大，此时信号检测概率最高。帧头相关检测峰值随着多普勒频率的改变而变化，这就造成门限值无法确定，不能完成信号高概率检测。

图2 帧头相关峰值与多普勒频移关系

2 低信噪比条件下多普勒补偿方法选择

常用多普勒频移的补偿方法包括:频域上基于FFT的多普勒补偿［3］、基于线性预测的多普勒频率估计［4］、时域上的解调数据去除直流分量的方法、基于二阶数字锁相环(DPLL)频率跟踪［5］、基于锁频环的频移补偿以及多路补偿的方法等。不同于单音信号，PCM/FM调制信号的频谱在有效带宽内展宽分布，因此基于FFT的补偿方法不适用。基于线性预测的多普勒频率估计方法，需要进行AR模型的数据外推和短时傅里叶变换，在高信噪比条件下能够实现补偿，但是在较低信噪比下其估计误差过大，因此该方法不适用。由文献［1］可知，低信噪比(－5 dB)调频遥测信号，解调后的误码率很高不能实现信号的正确解调。因此时域上的解调数据去除直流分量的方法不能够实现多普勒频移的补偿。飞行器目标具有较高的多普勒频移，一般考虑频率变化为－1～+1 MHz。在大动态范围和低信噪比条件下，锁频环以及锁相环不能够实现频率和相位锁定。

多普勒频移多路补偿的方法是在调频遥测信号下变频过程中采用中心频率不同的本地混频信号，将中心频率和多普勒频移同时滤除。多路补偿不要求进行多普勒频移的检测和估计，因此对高动态和低信噪比信号具有较好的适用性。综上，对于高动态低信噪比调频遥测信号的多普勒补偿考虑采用多路补偿的方法。

3 多路补偿方法

PCM/FM调频遥测信号［6］在低信噪比条件下，要实现可靠的帧头相关检测得到较高的相关峰值，就需要长的积累时间满足增益要求。但由于目标动态大，积累值将出现较大的频偏抖动，使相关检测峰值减小，降低积累效率。因此要实现遥测信号高概率检测，需要对接收信号进行多普勒频移补偿。

对于高动态低信噪比信号，由于其大的多普勒频移以及较低的信噪比，基于频移估计的多普勒补偿方法不适用。多普勒频移多路补偿的方法是对接收到的调频遥测信号进行多路并行的信号检测，每路检测采用不同的本地中心频率进行下变频处理，取各路帧头相关检测峰值中的最大值与检测门限进行比较，其信号检测框图如图3所示。

图3 多普勒频移多路补偿

综合考虑硬件的处理能力以及多普勒对检测峰值的影响，在多普勒变化－1～+1 MHz做20路补偿，补偿间隔为0.1 MHz。取输入信号普勒频移值为0.2 MHz，其补偿后各路补偿点的相关检测峰值如图4所示。

图4 fd=0.2 MHz多路补偿仿真

多路补偿在频移点(0.2 MHz)位置对应的第7路中得到了相关检测的最大峰值，因此可见多路补偿的方法能够达到补偿效果。

仿真对于多普勒频移不同的输入信号进行补偿的效果，考虑信号的多普勒频移－1～+1 MHz，间隔为0.1 MHz，输入信噪比为－5 dB。采用如图3所示的20路补偿方法，其仿真结果如图5所示。

图5(a)为对应各多普勒频移点20路补偿中相关检测峰值的最大值(即Rmax)。图5(b)表示对于各多普勒频移点，20路补偿中取得最大值的支路所补偿的频率值。由图5可知，取得最大值的补偿支路的频率补偿值与多普勒频移值大致成一条斜率为1的直线。在存在多普勒频移的条件下，帧头检测的峰值被限制在一个小的波动范围内，检测门限值能够确定。因此多普勒频移多路补偿方法能够实现多普勒频移的补偿。在低信噪比高动态条件下，能够实现调频遥测信号高概率检测。

图5 多普勒频移多路补偿仿真

4 结束语

高动态低信噪比调频遥测信号的高概率检测是航天测控的关键技术之一。帧头相关检测峰值受多普勒频移影响明显。通过仿真显示:采用多路补偿方法，相关检测峰值在补偿值与频移最近的支路取得最大值。可见多路补偿的方法在低信噪比高动态条件下是有效的。

［1］吴海洲，王志国，王鹏毅.基于帧格式调频遥测信号检测方法分析［J］.无线电工程，2012，42(5):18 －20.

［2］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.

［3］周三文，黄 龙，卢满宏.FFT在高动态扩频信号捕获中的应用［J］.飞行测控学报，2005，24(2):61 －64.

［4］刘志华，党宏杰.基于线性预测的多普勒频率估计方法研究［J］.无线电工程，2010，40(10):20 －23.

［5］郑立岗.数字接收机若干技术研究及系统实现［D］.成都:电子科技大学博士学位论文，2004:84－98.

［6］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.