一种窄波束信号的快速捕获方法

张 波

（中国电子科技集团公司第十研究所，四川 成都 610036）

0 引言

随着现代空间技术的发展，飞行器的作用距离越来越远，此时需要保证到达地球的信号强度在一定的水平才能完成可靠通信。从理论上讲，当天地系统的天线口径、系统噪声温度和发射功率都不变时，频率提高N倍，则地面接收电平将提高20lgN，因此将工作频段提高到 Ka频段是解决超远距离通信的有效手段[1-3]。Ka频段在提供增益的同时带来了一些新的问题，首先是天线波束更窄，这要求天线指向更精确，而在实际中单纯通过轨道预报信息不能保证天线能够完全对准空间目标，因此需要在轨道预报的基础上进一步进行目标搜索以完成天线对目标的精确指向，伺服系统在此基础上进行目标的跟踪；另一个问题是工作频段提高后在相同的运动速度下目标将会具有更大的动态，这要求接收机能够在很短的时间内完成信号的捕获[4-5]。文中针对上述两个问题，设计出了连续相位调制信号的快速空间搜索和频率捕获方法。文中对其相关理论进行了分析说明，并给出了相应的仿真结果。从仿真结果可以看出，采用该方法可以完成Eb/N0=0 dB下连续相位调制信号的快速空间搜索和频率捕获。

1 信号模型

连续相位调制信号由于相位连续提供了较高的频带和功率利用率，且具有恒包络特点，可以在非线性信道中完成信号的传输。

连续相位调制信号的表达式为：

式中，sE为传输符号能量，T为符号持续时间，cf

为载波频率，(,)tαθ为载波相位：

此处{αi}取值为±1，h=0.7，为调制指数。波形q(t)是任意形状脉冲 g (t)的积分，即：

积分结果满足：

这里2L=，g(t)选择为升余弦波形。

2 空间搜索方法

对于空间目标的搜索首先需要使天线主波束能够对准搜索目标，转动天线可以采用机械转动或波束形成的方式来完成。由于目标移动速度快，需要在很短时间内完成信号的捕获，采用机械方式难以满足时间要求，而波束形成可以多个方向同时搜索，并且方向图改变迅速，因此采用基于天线阵的波束形成方式来进行空间目标搜索。

多个阵元接收到的下行信号在完成AD采样后分别进行下变频，得到各个阵元对应的基带信号，根据采样定理对信号进行抽取以减少采样点，降低后续处理过程计算量。抽取后的各路信号分别进行存储。根据阵元数量以及可以达到的空间分辨率把需要搜索的空间分割成若干个子空间，通过把各个阵元对应的基带信号进行复数加权合成，每个波束形成的结果对应一个子空间，这样所有波束形成的结果就可以覆盖整个所需搜索空间。图1给出了波束合成的实现过程，其中用于合成各个方向波束的加权系数提前计算完成，存储在 ROM 中，各个方向的加权系数可根据地址从ROM中获得。

图1 波束形成框

在通过波束合成得到各个方向的信号后，采用谱估计方法来对不同方向的信号进行估计和比较。目前成熟的功率谱估计方法很多[6-7]，此处只需要对信号谱位置进行估计，对分辨率没有过多要求，为了简单采用改进的直接法[8-10]来来完成信号谱估计。直接法又称周期图法，是把随机信号 x(n)的N点观察数据 xN(n)视为一能量有限信号，直接取 xN(n)的傅里叶变换，得()，然后再取其幅值的平方，并除以N，作为对 x(n)真实的功率谱 P()的估计。以()表示用周期图法估计出的功率谱，则：

式中，d1(n)是长度 为M的矩形窗口。分别计算每一段的功率谱(ω)，即：

在上面的处理中，方差性能的改善是以牺牲分辨率为代价的，此处只需完成信号功率大小的估计，对分辨率的要求不高，因此可以完成不同方向的信号功率谱估计。

3 信号捕获方法

这里要完成Eb/N0=0dB条件下信号载波多普勒和帧头的捕获，在如此低的信噪比下不能直接进行捕获，为了获得足够的积分增益，可以利用信号中用于帧同步的帧头来进行多普勒频率的估计。此时帧头长度决定了最终的捕获灵敏度，此处假设帧头长度为32 bit。接收时，可以在本地产生帧头对应的信号基带波形，该波形的数据作为相关器的系数，当接收信号中的帧头出现时相关器会出现明显的峰值，把此峰值与门限进行比较，如果超过门限，就认为捕获到了帧头，从而转入后续跟踪和解调过程。由于目标运动速度非常快，因此多普勒范围会很大，这时可以进行频率分槽，从各个频率槽的积分结果中选择最大的相关结果作为最终的正确捕获结果，其所对应的频率槽即为当前的多普勒。由于连续相位调制信号本身对多普勒不敏感，因此只要找出一个比较粗略的频率范围即可，不会对后续的解调过程造成明显影响。

在进行信号频率捕获时可以采取串行或并行两种不同的方式。并行搜索处理速度快，但会占用大量资源。串行搜索所需搜索时间长，但占用资源要少得多。实际中要根据所能允许的最大捕获时间来进行选择，并行搜索结构框图如图2所示。

图2 捕获过程

假设帧头长度为M比特，则积分结果为：

此时相关器的积分增益为10lgM，当M为32时，积分增益为15.05 dB。

4 仿真结果

4.1 空间信号搜索仿真结果

仿真时每段数据点数选择为256点，数据总共有256段。由于Ka频段天线波束很窄，因此在所形成的100个波束中最多只有几个波束可以覆盖搜索目标，接收到的信噪比会明显高于其他波束，通过对各个波束对应信号的计算结果进行比较选择信号与噪声能量比值最大的支路作为最终的搜索结果。由图 3、图 4、图 5中的仿真结果可以看出，在Eb/N0=0 dB、-10 dB和10 dB时信号功率谱有非常明显的差异，完全可以根据此差异完成信号的搜索。

图3 信号功率谱,Eb/N0=-10 dB

4.2 载波多普勒捕获仿真结果

对帧头长度为32 bit，Eb/N0=0 dB，多普勒频偏为200 kHz时的信号进行了仿真。从仿真结果图6可以看出，在多普勒频偏为200 kHz时帧头的相关结果仍然会出现明显的峰值，这说明帧头相关检测方法本身具有较强的抗频偏能力，而当多普勒超过其检测范围时通过分槽可以完成多普勒频率的粗略捕获，引导后续的跟踪解调过程。

图4 信号功率谱,Eb/N0=0 dB

图5 信号功率谱,Eb/N0=10 dB

图6 捕获相关峰,Eb/N0=0 dB

5 结语

随着飞行器通信距离越来越远，提高通信频段已成为必然选择，此时天线对空间目标搜索和捕获需要解决低信噪比和大动态的问题[9-10]。传统的目标跟踪和载波捕获方法在如此低的信噪比下难以应用。针对这个问题，提出了一种基于波束合成的能量估计方法，该方法通过不同的加权系数来合成空间中不同方向的信号，再对各个来向的信号进行功率谱估计来确定最佳的信号方向。在此基础上通过频率分槽和匹配相关来估计载波多普勒频率。该方法对硬件要求低，计算量小，具有较强的工程应用价值。

[1] 刘嘉兴.向技术极限挑战—深空探测通信的目标[J].电讯技术,2008,48(04):1-7.

[2] 刘嘉兴.发展 Ka频段测控通信系统的思考[J].宇航学报,2008,29(06):1685-1688.

[3] 刘嘉兴.再论发展 Ka频段测控通信网的思考[J].电讯技术,2008,48(12):90-97.

[4] 胡建平,邓雪群,喻芳.Ka频段测控通信网链路特性及抗干扰技术[J].电讯技术,2007,47(06):65-70.

[5] 柴霖.临近空间飞行器测控与信息传输系统频段选择[J].航空学报,2008,29(04):1007-1012.

[6] 田鹏武,袁佳,于宏毅.基于循环谱的MSK信号参数估计[J].通信技术,2008,41(01):9-11.

[7] 李成,舒勤.空时二维谱估计算法的分析与仿真[J].通信技术,2009,42(11):22-24.

[8] 胡广书.数字信号处理-理论、算法与实现[M].北京:清华大学出版,2003:497-511.

[9] 裴庆斐,姚若河.基于采样和滤波的线性调制解调方法[J]. 信息安全与通信保密,2006(08):179-183.

[10] 邵湖,赵恒凯.LDPC码在IEEE802.16e标准中的编译码分析[J].信息安全与通信保密,2011(07):45-47,50.