用于深空通信的自主无线电接收机研究

李 伟，刘顺兰，包建荣

(杭州电子科技大学通信工程学院，浙江杭州310018)

0 引言

随着人类探索外太空活动的开展，美国国家航空航天局开发了一种新的无线电接收机技术，即自主无线电接收机。它在不需大量有关信号特性的先验信息下，就可有效地接收信号［1］。一组能自主识别各种信号特征的模块，包括数据速率、符号时钟、载波频率和相位、调制指数、调制类型和信噪比等特征［2］。自主无线电接收机技术主要应用于中继多个深空航天器之间的通信信号。与传统无线电接收机相比，它能够自动识别输入信号的特性，自动重新配置接收机而进行接收。本文在无线电信号通用模型的基础上分析总结了自主无线电接收机的结构模型，讨论了参数估计的顺序和算法，并着重对粗估计阶段使用的利用归一化的准对数似然比的调制识别算法进行了改进。

1 自主无线接收机原理

1.1 信号模型

式中，Pd和Pc分别是实带通数据和残留载波信号的功率，且β=arctan为调制指数;dk(t)=Akejθkg(t)为第k个波形的复调制，且Ak是归一化的幅度，满足E[]=1;θk为第k个符号的相位调制;g( t)表示副载波调制;p(t)为脉冲形状，满足t)=1;T为符号周期;θc(t)为载波相位，在[0，2Π)上均匀分布。对于接收机，时钟和载波相位最初是未知的，且存在噪声。若假设在接收机的前端载波频率为ω 被估计为，则残留载波频率分量ω=ω-转换到基带后仍然存在为:

式中，ε为定时误差且在[0，1)上均匀分布;n(t)是通带加性高斯白噪声过程，其双边功率谱密度为N0/2(W/Hz) ，且(t)是其复基带形式。

1.2 参数估计顺序

对于自主无线电接收机而言，准确地估计信号参数是非常重要的。根据以上提出的无线电信号模型可以得到待估计的参数，如表1所示:

表1 待估计的信号参数

由于自主无线电接收机的每个估计器的性能好坏受到其他参数的信息的限制，各个参数的估计之间存在因果循环问题。即某一个参数估计的输入可能是另一个参数估计的输出，反之亦然。如果未得到数据速率和符号时钟的情况下，是不能确定调制类型的［4］。所以，合理地确定参数的估计顺序是关键。如图1所示即为现有的一种较为合理的参数估计顺序。

图1 参数估计顺序

自主无线电接收机的参数估计过程可分为:粗估计和精估计阶段。在粗估计阶段，信号流都是单向的，没有反馈，此阶段使用最少的参数信息的估计算法。在粗估计阶段后，所有得到的信号参数的估计都能被后续迭代中的所有模块所用。因此，在精估计阶段可利用的信息更多，故可采用性能更好的估计技术。在精确估计阶段，各模块能够反复更新其估计，直到收敛。详细的自主无线电接收机参数估计过程如图2所示，其中DTTL为数据跳变跟踪环，CSSS为交叉谱符号同步器，PLL为锁相环。

图2 详细的自主无线电接收机参数估计过程

2 参数估计算法的仿真及分析

对于调制指数和频率的估计在文献2中已有详细的介绍。而数据速率、信噪比、脉冲形状和粗略符号时钟之间彼此高度依赖。故采用联合估计的方法实现有效的信号检测。其联合估计方法主要可基于分离符号矩估计算法［5］。该算法从每个接收的数据符号的前半部分和后半部分抽取信息作和与差，形成估计统计量。此外，还能对常规分离符号矩估计算法算法进行改进，把符号分割成更多部分。且分割数目依赖于信噪比范围。改进后的算法在整个信噪比范围内估计方差都接近克拉美罗限。该方法在理论上保证了在贝叶斯最小误判代价准则下分类结果是最优的［6］。

在粗估计阶段，因所得参数信息有限，故选择所需较少参数信息的识别器。通过对最大似然估计的简化，可得一种以准对数似然比［7］为衡量标准的识别器，定义如下:

式中，r～n=，n=0，1，2，…，N-1为匹配滤波器输出端在时刻 n观测量。但由文献7可知，确定该算法的判决门限值需要信号功率Pt及噪声方差σ2的信息。为了得到一种使用更少参数信息的识别器，可对准对数似然比进行归一化处理，得到归一化准对数似然比，即为:

所以，此衡量标准不需要Pt和σ2的信息即可将MPSK和M'PSK(M'〉M)区分。

但在深空通信中通常信噪比较低且存在较大的多普勒频偏，经过频率估计器后仍会存在一定的频偏。当存在频偏Δf(Hz)时，在每个符号间隔内会有2ΠΔfT(rad)的相位旋转。则式4分子中项将包含相位因子ejMnΔωT，其中Δω=2ΠΔf。故分子中各求和项的相位将不能对齐，进而不能正常将MPSK区分出来。为了解决该问题，可用共轭差分的方法，即用代替以消除求和项中的相位因子ejMnΔωT，即可消除频偏对识别器的影响。此时式4修改为:

以下以BPSK和QPSK为例，在是否存在频偏的情况下，对算法进行仿真比较，得到在不同符号信噪比下的 nqLLR值。仿真参数如下:信道为 AWGN信道，抽样频率为960kHz，载波信号频率为1.2MHz，波特率为 100 Baud，码元数 N=10 000，频偏存在时分别取 Δf=100Hz，10kHz，100kHz，仿真结果如图3-6所示。

仿真结果表明:当不存在频偏时，改进后的算法与之前算法相比性能虽有所降低，但仍能区分出BPSK和QPSK调制;然而在频偏存在时，之前的算法不能识别出BPSK调制，改进后的算法仍可以较好地识别出BPSK调制信号且性能好坏受频偏大小的影响不大。

3 结束语

随着航天技术的发展和各种各样的航天器的使用，这种无需人工介入，能够自主识别并处理无线电信号的接收机技术将会成为深空通信的关键技术。同时，其参数估计技术除在航天领域具有重要意义外，在通信信号盲估计方面也具有重要的理论和应用价值。

［1］ Jon Hamkins，Marvin Simon.Dolinar.An overview of the architecture of receivers of autonomous radio［R］.The Interplanetary Network Progress Report，2004:1-14.

［2］ Jon Hamkins，Marvin Simon.Autonomous software-defined radio receivers for deep space applications［M］.New York:John Wiley＆ Sons，2006:1-9.

［3］ John Proakis.Digital communications，fourth edition［M］.Beijing:Publishing House of Electronics Industry，2001:148-221.

［4］ 胡圣波，孟新.深空探测中的自主无线电接收机关键技术［J］.空间科学学报，2007，27(6):512-517.

［5］ Pauluzzi，Beaulieu.A comparison of SNR estimation techniques for the AWGN channel［J］.IEEE Trans Commun，2000，19(6):1 681-1 691.

［6］ 张明友，吕明.信号检测与估计［M］.北京:电子工业出版社，2005:1-45.

［7］ Huang，Polydoros.Likelihood methods for MPSK modulation classifications［J］.IEEE Trans Commun，2005，43(8):1 493-1 504.