DSAR迭代處理結(jié)構(gòu)

　　DSAR針對未知深空信道傳輸環(huán)境，分別需要識別、估計和檢測接收信號的解調(diào)參數(shù)，用于獲取信號承載的信息。但在低信噪比深空傳輸環(huán)境下，信號參數(shù)的估計和檢測往往存在循環(huán)嵌套和互為前提的問題，不能輕易分離各個參數(shù)的識別和估計過程。如對于信號解調(diào)中的載波頻率與相位兩個參數(shù)，它們的估計互為前提：相對準確的另一方參數(shù)估計，將有助于該參數(shù)自身的精確估計。反之，除非進行更大復雜度的二維參數(shù)同時估計，否則不能有效地依次實現(xiàn)該兩個參數(shù)的精確估計。因此，如何確定參數(shù)估計的合理次序，并采用若干工程實現(xiàn)技巧,對于構(gòu)造整個自主無線電參數(shù)估計的體系結(jié)構(gòu)將非常關(guān)鍵。目前，JPL提出了自主無線電參數(shù)估計的總體系統(tǒng)模型,并分別論述了該模型所需解決的參數(shù)識別，檢測，解調(diào)等關(guān)鍵技術(shù)[2]。但大部分參數(shù)估計方法，都需要預先得知某些參數(shù)，從而距DSAR復雜傳輸環(huán)境的工程應用還有較大差距。特別是該模型將直接面臨低信噪比傳輸?shù)碾y題，直接導致傳輸過程的解調(diào)門限不夠，而無法進行后續(xù)有效譯碼等處理，而使通信失效。中科院空間中心也提出了自主無線電參數(shù)估計的迭代層次模型，給出了解決該問題較好的工程實現(xiàn)結(jié)構(gòu)[3]。它首先將信號檢測和處理的各個過程進行細化分層，按各個參數(shù)的識別、粗估計到精估計的層次進行混合處理：通過不同處理層間進行的參數(shù)估計信息的交互、反饋和迭代處理，能有效地實現(xiàn)未知信號由粗到精的自主識別，接收和處理。但該方法要達到實用還需解決以下問題：優(yōu)化參數(shù)估計算法,即在保證參數(shù)估計性能的前提下,盡量降低算法的實現(xiàn)復雜度；保證層間參數(shù)估計所傳遞消息的可靠性，避免錯誤消息的反饋導致的誤差傳播與放大，以確保整個系統(tǒng)解調(diào)參數(shù)估計和檢測的收斂和正確。

　　DSAR系統(tǒng)中信號參數(shù)的估計和檢測，主要包含以下6個層次：調(diào)制指數(shù)估計與識別、載波頻率估計與補償、調(diào)制方式識別，載波相位跟蹤，信噪比(SignaltoNoiseRatio,SNR)估計及載波頻率跟蹤以及幀同步與信道譯碼處理。針對互為前提的循環(huán)信號參數(shù)估計及其精度問題，還需針對參數(shù)估計效果，劃分估計階段為粗估計及精估計兩個部分。而且，還需結(jié)合各參數(shù)估計誤差對系統(tǒng)性能影響的情況，設(shè)置各參數(shù)的合理估計順序，來獲得較好的聯(lián)合參數(shù)估計和檢測的迭代層次結(jié)構(gòu)。因載頻偏差對系統(tǒng)影響相對較大，故對其估計和補償要先于符號定時、相位偏差等其他參數(shù)的估計和補償。符號定時偏差估計受載波相偏等的影響較小，且其估計算法復雜度也相對較低，故對其估計需先于載波相位等參數(shù)估計，從而避免多維參數(shù)同時估計所帶來的巨大復雜度。最后，整個DSAR系統(tǒng)中的參數(shù)估計過程，可先進行調(diào)制指數(shù)等參數(shù)的識別、粗載波頻率、粗相位偏差，粗SNR等參數(shù)的粗估計。然后，將這些解調(diào)參數(shù)進行補償，并進一步將其估計與編碼的迭代譯碼過程相結(jié)合，通過它們之間的參數(shù)估計與譯碼外消息之間的聯(lián)合消息傳遞與反饋，實現(xiàn)整個DSAR系統(tǒng)的聯(lián)合迭代譯碼和精參數(shù)估計及其補償。

　　最后，DSAR系統(tǒng)的迭代信號處理結(jié)構(gòu)模型如圖1所示:圖1所示的模型是一個具有4層迭代信號處理結(jié)構(gòu)DSAR系統(tǒng)的迭代參數(shù)估計與檢測模型。其層次結(jié)構(gòu)分別如下：第1層為調(diào)制指數(shù)等參數(shù)估計層；第2層為粗載波頻率估計層；第3層包含數(shù)據(jù)速率、SNR、脈沖形狀及粗符號定時等參數(shù)的混合估計層；第4層為解調(diào)所需精、粗載波頻率、精定時和載波相位等參數(shù)的混合估計層；第5層幀同步估計層；第6層信道譯碼層。每層估計結(jié)果均以迭代處理軟信息的形式發(fā)送至下一層。下一層消息也可依次向上一層或更高層進行處理消息的反饋。另外，同層間的消息傳遞也可橫向或縱向處理,實施最佳參數(shù)估計次序，完成整個系統(tǒng)最佳的消息迭代傳遞的管理和控制。如初始解調(diào)參數(shù)估計工作在性能較差但對信道參數(shù)前提要求不高的非相干狀況，以便獲得粗估計和檢測結(jié)果。一旦系統(tǒng)獲得粗載波相位信息，就可將工作模式轉(zhuǎn)換為相干解調(diào)方式，從而提高解調(diào)性能。第3、4層內(nèi)參數(shù)之間的聯(lián)系比較緊密，需采用聯(lián)合的橫向或縱向協(xié)同參數(shù)估計與檢測予以實現(xiàn)。另外，在對第4層內(nèi)的參數(shù)進行精估計時，還可進一步將判決可靠性較高的信道譯碼軟、硬判決信息，來分別反饋輔助這些解調(diào)參數(shù)的精估計。反過來，該過程也將提高輸入到譯碼器進行譯碼處理的解調(diào)后信號的可靠性，提升譯碼性能。即采用該聯(lián)合協(xié)同解調(diào)與譯碼的方法可獲更高精度的參數(shù)估計。而且，該更高精度的參數(shù)估計結(jié)果，也進一步促進譯碼的可靠性，形成了一個較好的解調(diào)與譯碼協(xié)同處理的循環(huán)，大大減少了不必要的信息處理損失。最終，該迭代信號處理結(jié)構(gòu)可有效實現(xiàn)整個DSAR系統(tǒng)的聯(lián)合參數(shù)估計與信道譯碼，并獲得較好的深空通信效果。

　　另外，在深空通信中，DSAR的關(guān)鍵問題是如何快速實現(xiàn)中斷后深空通信鏈路的重建，以提高傳輸效率[5]。當前主要問題是快速捕獲，并實時跟蹤深空無線電信號的參數(shù)。如對采用高功率效率MSK調(diào)制和高編碼增益LDPC編碼構(gòu)成的系統(tǒng)，可先用周期頻譜或快速傅立葉變換等頻率粗估計算法，進行載波頻率的快速粗估計。另外，通過增加一小段差分的前導訓練字后（也符合LDPC等現(xiàn)代分組信道編碼需要幀同步的要求），可分別將信號傳輸?shù)恼{(diào)制模式設(shè)置成相干或非相干兩類載波解調(diào)方式[5]。首先，可利用一小段前導的訓練字用非相干解調(diào)實現(xiàn)快速的符號定時同步等的差分解調(diào)。因差分解調(diào)無需精確的載波同步等解調(diào)信息，無需進行多維聯(lián)合解調(diào)參數(shù)的估計，大大簡化了整個解調(diào)的實現(xiàn)過程。故該結(jié)構(gòu)較好地解決了自主無線電參數(shù)估計的循環(huán)參數(shù)檢測與估計的嵌套問題。因此，在該階段，可用非相干解調(diào)及較短的前導訓練字數(shù)據(jù)及一些定時估計的盲算法用于實現(xiàn)粗定時估計。之后，因相干解調(diào)可獲得更好性能，可將自主無線電系統(tǒng)的工作模式切換到相干解調(diào)方式，用傳統(tǒng)的鎖相環(huán)、平方環(huán)、判決反饋環(huán)等閉環(huán)工作方式。同時，對載波頻率相位偏差、SNR估計等同步和信道狀態(tài)參數(shù)進行粗估計，并用前導訓練字數(shù)據(jù)用于幀同步，實現(xiàn)LDPC碼等分組碼的譯碼比特次序?qū)R。

　　最后，實現(xiàn)聯(lián)合LDPC譯碼與解調(diào)和信道解調(diào)參數(shù)的估計：通過LDPC譯碼軟信息的高可靠性，迭代反饋并獲得精解調(diào)參數(shù)的檢測和估計。即進行更高精度的聯(lián)合解調(diào)譯碼及其相關(guān)同步和信道狀態(tài)參數(shù)的跟蹤，以完成整個深空通信鏈路的快速有效重建。但在該聯(lián)合譯碼解調(diào)過程中，如發(fā)現(xiàn)粗解調(diào)參數(shù)估計有誤而不能滿足LDPC校驗矩陣的檢驗，還需及時將該錯誤標記反饋給參數(shù)粗估計算法，重新開展粗估計和信道參數(shù)檢測的大閉環(huán)的工作。因此，對于整個自主無線電的實現(xiàn)，需要合理排序整個自主無線電接收機系統(tǒng)的解調(diào)參數(shù)估計和檢測次序，實現(xiàn)傳統(tǒng)解調(diào)與迭代譯碼、參數(shù)的粗、精估計的有機協(xié)同結(jié)合，以獲得最佳的估計速度與估計精度的折中。