深空通信中微弱信号接收检测方法研究

论文摘要

深空测控通信系统对在遥远的空间探测器进行通信、测量和控制,包括跟踪、遥测、指令控制和数传,对深空探测器的整个飞行过程进行测控以保证其飞行轨道的准确,并获取探测过程中的回传科学信息。本文在对深空测控系统通信体制的特点分析的基础上,研究了高增益信道编码和微弱信号的接收处理等关键技术提出了一系列适用于深空探测的信道编码和微弱信号接收的新方法。针对深空探测实际需求,提出了一种易于工程实现的Turbo码编译码算法。该方法采用线性拟合Log-Map算法有效逼近Log-Map算法,大大减少了计算量;应用二次置换多项式交织器,有效地解决了并行译码的访问冲突问题,缩短了Turbo码译码时延。该算法性能优良,算法简单,解交织与交织结构相同,所需存储空间少,易于硬件实现。综合EXIT图法和自适应微粒群优化（APSO）算法的优点,提出了一种基于EXIT图和APSO算法的非正则LDPC码度分布对优化方法。该方法设计了衡量EXIT曲线匹配程度的全局代价函数,并运用APSO算法对度分布对进行快速迭代优化,迭代过程中不需要固定CND曲线,可以获得EXIT曲线更加匹配的优化度分布对,以及更高的噪声门限。仿真结果表明,该方法在码结构优化方面有着很好的性能,且优化速度较高斯逼近法有了很大的提高。在针对围长的校验矩阵构造方法中,提出了一种新的QCE-PEG算法,给出了实现具体步骤和设计实例。该算法将构造过程分解,结合准循环扩展技术和渐进边增长构造方法的优点,既能满足度分布对的需要,又保证了平均围长尽可能大的要求,提高了LDPC编码的速度和性能。用该方法设计的中短长度非正则LDPC码,其性能优于渐进边增长方法构造的PEG码,且设计简单,编码快速,便于工程实现。为进一步提高LDPC纠错性能,在基于QCE-PEG构造校验矩阵基础上,研究了以LDPC码为水平码、单奇偶校验码为垂直码的LDPC-SPC联合编码技术,有效地降低了LDPC码的译码门限与误码平层,能够在较短码长就能达到在信噪比0.7dB下误比特率为10-5,大大减少存储空间,满足深空探测要求。为解决深空测控领域中低信噪比下微弱信号的捕获、跟踪问题,实现高精度测速、测距功能,设计了微弱信号接收机方案。采用二维捕获方案,并行捕获下行信号的多普勒频率和多普勒频率变化率;利用二阶锁频环和三阶锁相环联合工作方式进行载波跟踪。系统性能满足深空探测指标要求。最后对全文进行了总结,并对后续工作进行了展望。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 国内外发展现状
• 1.2.1 深空测控信道编码发展现状
• 1.2.2 Turbo 码研究进展
• 1.2.3 LDPC 码研究进展
• 1.3 论文内容安排
• 第二章 深空测控系统体系结构与关键技术
• 2.1 深空测控通信系统架构
• 2.2 深空测控通信系统特点
• 2.2.1 遥远距离的微弱信号接收
• 2.2.2 特高发射功率
• 2.2.3 极长的传输延迟时间
• 2.2.4 功率受限的低码速数传系统
• 2.2.5 单通路、非带限、饱和功放的传输信道
• 2.3 深空测控通信系统的关键技术问题
• 2.3.1 纠错编译码技术
• 2.3.2 深空通信的调制解调方式
• 2.3.3 极窄带锁相接收机
• 第三章 现代信道编码基础理论
• 3.1 引言
• 3.2 基本原理
• 3.3 线性分组码
• 3.4 卷积码
• 3.4.1 基本概念
• 3.4.2 卷积码网格图及距离特性
• 3.4.3 维特比（Viterbi）译码
• 3.5 TURBO 码
• 3.5.1 编码结构
• 3.5.2 译码结构
• 3.6 LDPC 码
• 3.6.1 LDPC 码编码
• 3.6.2 LDPC 码译码
• 3.7 本章小结
• 第四章 Turbo 码编译码技术研究
• 4.1 引言
• 4.2 常规 Map 类译码算法
• 4.2.1 MAP 算法
• 4.2.2 Log-MAP 算法
• 4.2.3 Max-Log-MAP 算法
• 4.3 基于线性拟合的Log-MAP 译码算法及其性能
• 4.4 常规的交织器
• 4.4.1 随机型交织器
• 4.4.2 确定型交织器
• 4.5 基于二次置换多项式（QPP）交织器设计
• 4.5.1 基于整数N 的置换多项式
• 4.5.2 QPP 交织器
• 4.5.3 QPP 解交织器
• 4.5.4 性能仿真
• 4.6 本章小结
• 第五章 APSO-EXIT 度分布对优化方法
• 5.1 引言
• 5.2 常用度分布对的优化方法
• 5.2.1 密度进化算法（DE）
• 5.2.2 高斯逼近法（GA）
• 5.2.3 EXIT 图法
• 5.3 自适应微粒群EXIT 优化算法
• 5.3.1 自适应微粒群优化算法（APSO）
• 5.3.2 APSO-EXIT 算法
• 5.4 仿真实验与分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 基于QCE-PEG 的LDPC 码校验矩阵构造方法
• 6.1 引言
• 6.2 常用构造方法
• 6.2.1 Gallager 构造方法
• 6.2.2 Mackay 构造方法
• 6.2.3 准循环扩展（QCE）法
• 6.2.4 渐进边增长（PEG）法
• 6.3 QCE-PEG 算法
• 6.3.1 QCE-PEG 算法原理和步骤
• 6.3.2 基矩阵的构造
• 6.3.3 偏移量的设置
• 6.4 仿真实验与分析
• 6.4.1 仿真条件与设计实例
• 6.4.2 采用不同方法构造的LDPC 性能比较
• 6.5 本章小结
• 第七章 深空微弱信号接收机设计
• 7.1 引言
• 7.2 接收机总体方案设计
• 7.3 载波捕获
• 7.3.1 常规载波捕获方案
• 7.3.2 载波捕获方案
• 7.3.3 二维捕获性能
• 7.4 载波跟踪及测速
• 7.4.1 常规载波跟踪方案
• 7.4.2 三阶锁相环根踪方案
• 7.4.3 锁相环和锁频环性能比较
• 7.4.4 二阶FLL 辅助三阶PLL
• 7.4.5 测速
• 7.5 测距
• 7.5.1 侧音测距
• 7.5.2 伪码测距
• 7.5.3 音码混合测距
• 7.6 TURBO 编译码设计及FPGA 实现
• 7.7 LDPC 编译码设计及性能
• 7.7.1 LDPC-SPC 联合编译码研究
• 7.7.2 适合深空的LDPC-SPC 码的设计与仿真
• 7.8 本章小结
• 第八章 总结与展望
• 8.1 工作总结
• 8.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间发表论文和科研工作