深空微弱高动态信号捕获与跟踪算法研究与实现

论文摘要

探月工程的启动标志着我国太空探测延伸到深空,深空测控通信系统不同于现有的地基测控系统、天基测控系统、遥感地面接收站和卫星通信站,有着自己的特点和特殊技术问题。本文对深空通信系统中的系统捕获、跟踪等若干问题进行了深入研究。深空站要接收来至太阳系其他远地行星发回的信号,信号到达地球已经很微弱,同时由于飞行器运动姿态的复杂性导致接收信号频率具有很大多普勒动态;本文首先讨论了基于维纳准则的超窄带锁相环结构,并进行了仿真分析。高阶窄带环路对频率及频率斜率捕获有较高的要求,本文讨论了基于周期图的估计方法,以及在动态信号特性下周期图估计性能,提出了适合具有频率斜升动态的改进周期图估计方法;并对算法的实现性进行了分析研究。窄带锁相环只能对某些固定特性动态信号实施跟踪,当输入信号具有更高阶动态特性的时候,需要辅助频率跟踪,传统的如FLL辅助跟踪方法由于其鉴频器具有较高的门限效应,无法在极低信噪比下实现跟踪。本文讨论了基于扩展卡尔曼滤波的频率跟踪算法,并分析了算法的收敛性、稳态误差等特性,讨论了参数化设计方法。本文最后讨论了锁相环算法及频率捕获算法的全数字化实现结构,分析了锁相环在极低信噪比下硬件实现的几个关键技术;着重讨论了大范围快速频率捕获算法的硬件实现结构;硬件设计经过了测试验证。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 概述
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 国际研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 本论文研究内容
• 第二章 深空信号特性及接收机
• 2.1 深空信号特点
• 2.1.1 通信距离
• 2.1.2 高动态特性
• 2.2 基于最大似然法的相位估计
• 2.3 维纳最优环路
• 2.3.1 维纳最优线性滤波器理论
• 2.3.2 基于维纳准则的最优滤波器设计
• 2.3.2.1 锁相环线性结构
• 2.3.2.2 环路维纳最优化
• 2.4 最佳接收机结构及仿真
• 2.4.1 跟踪精度仿真
• 2.4.2 捕获性能分析仿真
• 2.4.3 接收机结构
• 2.5 本章小结
• 第三章 二维捕获算法研究
• 3.1 单频信号捕获方法
• 3.1.1 克拉美罗下界
• 3.1.2 基于周期图频率估计方法
• 3.2 高动态信号周期图捕获分析
• 3.3 基于变采样率的二维频率捕获方法研究
• 3.4 本章小结
• 第四章 高动态信号跟踪算法研究
• 4.1 频率辅助跟踪算法研究
• 4.2 基于卡尔曼滤波的频率二维估计算法研究
• 4.2.1 信号模型与扩展卡尔曼滤波
• 4.2.2 算法收敛的充分条件
• 4.2.3 捕获时间与稳态误差
• 4.3 仿真分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 全数字中频接收机实现
• 5.1 DSP/FPGA 协同处理平台
• 5.2 ADC 分析
• 5.2.1 中频采样
• 5.2.2 ADC 量化与截位噪声分析
• 5.2.3 ADC 芯片选取
• 5.3 锁相环实现
• 5.4 二维频率快速捕获算法实现
• 5.4.1 算法分解
• 5.4.2 硬件设计
• 5.5 本章小结
• 第六章 结束语
• 附录
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间获得的研究成果