第7章 空间信息接收技术 电子科技大学.ppt

* 第7章 空间信息接收技术 参考文献 朱立东，吴廷勇，卓永宁。卫星通信导论（第3版），北京：电子工业出版社，2009年11月 周贤伟等，深空通信，北京：国防工业出版社，2009年5月 David H. Rogstad Alexander Mileant Timothy T. Pham著，李海涛译。深空网的天线组阵技术，北京：清华大学出版社，2005年5月 目录 一、单台接收机的性能 二、单个大口径天线 三、天线组阵技术 四、组阵相关算法 一、单台接收机的性能 图1 相干接收机模型 深空通信下行链路的符号首先被调制在一个方波副载波上，然后已调副载波再调制到RF载波上，这样可传送与数据频谱不重叠的残留载波频率分量。图1中接收机使用载波跟踪环、副载波跟踪环、符号同步环来解调深空信号。 接收信号可表示为： 上式中 s(t) 表示为： Pc 和 Pd 分别为载波和数据的功率，分别等于 Pcos2Δ和 Psin2Δ，P 为总接收信号功率，Δ 是调制指数 wc 和θc 为载波频率和相位，d(t) 是非归零(NRZ) 或曼彻斯特数据，Sqr( )是频率为wsc、相位为θsc的方波副载波。 n(t) 为一个加性带限白高斯噪声过程 调制d(t)表示为： （2）式中 dk 是±1二进制数据，Ts 是符号周期，p(t) 是限制在Ts（单位为s）周期内的单位功率基带脉冲。窄带噪声n(t)表示为： nc(t)和ns(t)是统计独立的稳态带限白高斯噪声过程，单边谱密度为N0(W/Hz)，单边带宽B(Hz)比 1/Ts 大。接收机的主要功能是对信号进行相关检测。解调过程需要载波、副载波和符号同步。接收机输出 rk 表示为： 其中nk是方差为 N0/2Ts 的高斯随机变量。Cc、Csc和Csy表示载波、副载波和符号减弱函数，表示为： φc、φsc、φsy分别表示载波、副载波和符号的相位差。 符号信噪比（SNR）的下降定义为由于载波、副载波或符号不完全同步，在符号匹配滤波器输出端的平均SNR下降。理想情况下这3个量都为0，即φc=0，φsc=0，φsy=0。此时退化成理想滤波器输出。 二、单个大口径天线 深空天线距离远，信号到达地球时非常微弱，需要使用天线技术，提高天线增益，方法之一是采用大口径天线，例如34m、64m、70m大天线 在高频段（如Ka频段）难以建造巨型天线，由于引力和风力导致碟形卫星天线的机械变形 天线规模 频段 伽马因子 70m S频段 1.00 34m STD S频段 0.07 34m HEF S频段 0.17 70m X频段 1.00 34m STD X频段 0.13 34m HEF X频段 0.26 表1 深空网络（DSN）天线的伽马因子 伽马因子表示天线增益与噪声温度比值用最大天线的增益/噪声温度归一化。 三、天线组阵技术 天线组阵技术的概念 天线组阵的优点 几种基本的天线组阵技术 几种天线组阵技术比较 天线组阵技术的概念 随着深空航天器与地面距离的增加，地面接收机信号越来越弱，SNR越来越低，最大天线口径和最低接收机噪声温度已经达到极限，提高SNR的唯一方法就是对来自几个天线的信号进行合并，称为组阵。 天线组阵技术是指利用分布在不同地点的多个天线组成天线阵列，接收来自同一深空探测器的信号，并对各个天线接收到的信号进行处理和合成，从而保证接收信号达到所需要的信噪比。 天线组阵可使通信链路的实际数据传输速率比利用单个天线的更高。 天线组阵的优点 增加天线的等效口径 提高数据传输率，增加从航天器返回的科学数据量 使用多个小天线组阵可放宽天线对指向误差的要求 系统可用性更高、维护灵活且工作可靠 增加灵活性，根据需要逐步增加额外单元以增大总孔径 降低天线成本，减少备件的费用。天线接收能力与天线表面积成正比，建造费用与体积成正比。例如，天线口径减小一半，建造费用降为原来的1/8，然而只需要4个天线就能实现这一等效口径，节省近50％的费用。 几种天线组阵技术 全频谱合成（FSC） 复符号合成（CSC） 符号流合成（SSC） 基带合成（BC） 载波组阵（CA） 组成技术的选择与什么有关？ 设备相位稳定性--------------载波尽早解调 进入合成器的带宽-----------尽量晚的合并 多路设备的成本与性能-----尽量早的合并 全频谱合成（FSC） 在全频谱合成（FSC）中，来自每个天线的中频（IF）信号被发送至合成站进行信号合成。为确保相关性，信号在合成前必须进行延迟和相位调整。通常通过信号流相关来完成修正延迟和信号的估计。 N 个天线组阵的全频谱合成 全频谱合成是一种在中频合成信号的技术。利用一个包括载波环、副载波环和符号同步环的接收机链来解调合成的信号。在中频合成是二维的，因为信号的相关相加需要调整延迟和相位。 复符号合