一种适用于封闭场景下的遥测信号接收方法

翟万涛，丁兴文

（北京遥测技术研究所 北京 100076）

引 言

遥测是获取试验数据、确保试验安全的重要手段，在航空航天、军工试验领域有着广泛的应用。常规的遥测应用多是在开阔场景使用，主要采用抛物面自跟踪天线，全程跟踪目标起飞、航行到降落的全过程。在常规应用中，天线波束窄，大部分时间信号是视距传输，除了起飞和降落时存在短暂的低仰角条件外，其遥测信道近似于高斯白噪声信道。随着科技的发展和应用需求的推动，遥测应用场景得以日益扩展，某些特定的封闭场景下的遥测需求逐步被提出来，而针对特殊场景下的遥测应用研究很少。本文重点针对封闭场景常规遥测方法存在的问题进行分析，并提出了一种可行的遥测方案。

1 现有方案及问题

常规的PCM-FM（Pulse Code Modulation-Frequency Modulation）遥测方案，简化模型如图1所示，主要采用窄波束自跟踪天线接收遥测信号，下变频后将左旋和右旋的两路极化信号送给遥测接收机；接收机首先进行极化分集，然后对合成后的信号进行FM解调，输出PCM码流信号。由于左右两个旋向信号受信衰落情况不同，通过极化分集解决了单路遥测信号衰落问题，通过左右旋互补保证数据的连续性。极化分集合成主要由共模环和差模环两大关键部分组成，其中，共模环部分用于跟踪输入信号的公共频率和相位变化，差模环部分用于跟踪两路输入信号之间的频率和相位变化，并对称控制两路输入信号对应的本振频率和相位，保证跟踪的连续性，避免信号深衰落造成的数据丢失。

某封闭场景下的遥测需求如图2所示，待测目标可能位于封闭空间的上部、中部或者底部等不同位置，目标可能静止或者处于运动状态；接收天线只能安装在封闭体的某一侧。在这种场景下，常规遥测方案应用受到了很大限制。

首先，由于空间受限，天线安装位置距离被测目标距离过近，无法采用单一天线全过程覆盖；另外，在封闭空间内，信道条件发生了极大变化，除了射频信号直接传输外，还存在多种反射和折射路径，形成典型的多径效应[1,2]，导致各分量场到达接收端时间不同，按各自相位叠加而造成干扰，使得原有信号失真或者产生错误。图3为在密闭空间内PCM-FM信号的实测典型频谱图，可见信号在频谱中心位置发生了很深的衰落。这种多径信道下的左右旋信号之间存在相位突变，采用极化分集的接收方法，共模环无法有效收敛，导致分集接收失败。而采用单旋向工作模式，无法针对深衰落进行补偿，也会导致丢帧，在高码率遥测时甚至会导致遥测链路频繁中断。

图1 常规遥测接收方案Fig.1 A conventional telemetry receiver

图2 某封闭场景示意图Fig.2 Schematic diagram of an enclosed scenario

2 遥测接收方案

针对特定封闭场景，本文提出了一种可行的遥测方案。天线布局方面，在封闭体的中下部和中上部分别布置两个宽波束天线，其波束覆盖示意图如图4所示。当目标在底部或者顶部极端位置，主要用单侧的天线接收；而目标大部分位置，可以实现双天线同时接收，从而实现空间接力和空间分集，保证信号的全程覆盖。

接收机的选择上，设计了一种多通道空间分集接收机，如图5所示。该接收机采用了小型化设计，并将接收通道扩展了一倍，同时可以支持四路单旋信号输入。接收算法方案的选择上，没有采用常规的极化分集方案，采用了“单路盲均衡＋多路合成”的方案。

图3 封闭空间实测典型频谱图Fig.3 Typical spectrum in enclosed scenario

2.1 单路盲均衡

均衡技术是对抗多径信道的有效手段之一，线性调制领域的均衡技术研究得较早，如在QPSK、16QAM等调制中该技术的应用已非常成熟，而由于遥测体制的特殊性，在遥测领域的均衡研究近几年才开始。目前，国外对遥测均衡算法的研究[3]主要分为两类：盲均衡算法和非盲均衡算法；盲均衡算法主要为CMA[4]算法，非盲均衡算法包括ZF算法、MMSE算法等。

盲均衡技术不需要发送训练序列和同步信息，仅利用接收序列本身的先验信息就能够正确恢复发送序列，均衡器可以完全插入到接收端，不需要对原有接收机做大的改动，是一种理想的解决方案。

图4 本文提出的遥测方案Fig.4 The telemetry scheme proposed in this paper

方案采用的CMA均衡算法[5,6]原理如图6所示，主要实现思路如下：用均衡器的滤波器系数向量对接收信号x(k)进行滤波处理，即可得到均衡后的遥测信号y(k)。滤波器系数依据代价函数最小化原则进行自适应更新。

图5 多通道空间分集接收机Fig.5 Multichannel spatial diversity receiver

该算法寻求最大限度地减小由常模量准则定义的代价函数。常模算法的代价函数为

式中，R2是一个常数，由输入符号x(k)决定，可以表示为

均衡器的输出y(k)表示为

图6 盲均衡器原理Fig.6 Block diagram of blind equalizer

2.2 多路合成

多路合成主要对各路解调后的信号进行最优选择，主要由同步模块和信号优选模块组成，如图7所示。

各路信号由于传输距离不同，解调后的PCM码流无法对齐，另外，盲均衡算法本身也会引入时延，因此，首先要进行同步。同步模块采用基于帧的同步方法，将PCM码流进行帧同步，根据同步标识将数据对齐到同样的位置，并统一读取。

图7 多路合成框图Fig.7 Block diagram of multiplex synthesis

当四路信号在码元级进行同步后，进入信号优选模块，这里可采用不同的合成策略，一般可选的有最大比合并、等增益合并和选择合并等。最大比合并是根据下式计算合并系数：

其中，cp表示计算出的第p个PCM码流的合成系数，Hi表示估计得到的第i个PCM码流的信号质量标识。

等增益合并每路系数完全一致，但只对帧锁定的PCM进行处理；选择合并，选择质量系数最高的一路进行输出。

3 测试验证

构建验证平台，对本方案提出的遥测接收方法进行了实测验证，从被测目标静止和运动两种场景进行测试。测试条件：发射天线为线极化天线，接收天线左右旋独立接收，天线左右旋抑制比大于14dB，工作点频设置为2250MHz，工作体制PCM-FM，码率10Mbps，校验模拟源设置为伪随机码，校验信号输出电平设置为0 dBm。

3.1 静态场景

在静态场景下，多径条件固定，采用误码率和链路成功率来作为指标对比。链路成功率是指在测试时间内，锁定帧数除以发送的总帧数，采用帧锁定指示来作为链路通断的判断条件，其中帧同步码1ACFFC1D，帧同步搜索、校核、锁定容错位数分别设置为2、2、3。

图8左上、右上、下面三组频谱图依次为被测目标位于低部、中部和下部等不同位置的静态测试频谱图，可以看出，接收信号的畸变情况与天线旋向没有明显的对应关系，信号质量主要受多径的影响，而被测目标处于不同位置，总有1～2路信号受到多径的影响较小，可以实现接收。

图8 静止不同位置的频谱图Fig.8 Spectrums at different positions

图9 运行中不同时刻的频谱图Fig.9 Spectrums at different times

表1为被测目标处于固定位置的接收情况统计，可以看出，盲均衡对单路信号的误码性能得以提升，而通过四分集，可以实现链路百分百连通。

3.2 运动场景

图5为被测目标运动情况下的频谱图，左上、右上、下面三组频谱图依次为T，T+1s，T+2s时刻。可以看出运动过程中，频谱畸变更严重。经过测试，在动态场景下，多径信道实时变化，且存在条件极其恶劣的情况，此时链路会有闪断，无法有效地进行误码测试。因此，这里用链路连通率作为指标对比。

表1 静态测试结果Table 1 Test results in static scenarios

表2为在采用了盲均衡和四分集的链路连通率提升情况。单路情况下，均衡对动态场景也有提升效果，结合四分集方式，高速码率链路成功率也提升到98%以上。

表2 运动情况测试结果Table 2 Test results in dynamic scenarios

4 结束语

本文提出了一种适用于封闭场景的遥测信号接收方法，针对封闭空间的波束覆盖问题和强多径问题，在布局上通过双天线配置，对空间进行了全覆盖；通过接收机独特设计，采用均衡技术和四分集合成技术，实现了遥测链路的不中断传输，并在实际测试中得到了验证。