DSAR迭代處理結(jié)構(gòu)

　　DSAR針對(duì)未知深空信道傳輸環(huán)境，分別需要識(shí)別、估計(jì)和檢測(cè)接收信號(hào)的解調(diào)參數(shù)，用于獲取信號(hào)承載的信息。但在低信噪比深空傳輸環(huán)境下，信號(hào)參數(shù)的估計(jì)和檢測(cè)往往存在循環(huán)嵌套和互為前提的問(wèn)題，不能輕易分離各個(gè)參數(shù)的識(shí)別和估計(jì)過(guò)程。如對(duì)于信號(hào)解調(diào)中的載波頻率與相位兩個(gè)參數(shù)，它們的估計(jì)互為前提：相對(duì)準(zhǔn)確的另一方參數(shù)估計(jì)，將有助于該參數(shù)自身的精確估計(jì)。反之，除非進(jìn)行更大復(fù)雜度的二維參數(shù)同時(shí)估計(jì)，否則不能有效地依次實(shí)現(xiàn)該兩個(gè)參數(shù)的精確估計(jì)。因此，如何確定參數(shù)估計(jì)的合理次序，并采用若干工程實(shí)現(xiàn)技巧,對(duì)于構(gòu)造整個(gè)自主無(wú)線電參數(shù)估計(jì)的體系結(jié)構(gòu)將非常關(guān)鍵。目前，JPL提出了自主無(wú)線電參數(shù)估計(jì)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(shí)別，檢測(cè)，解調(diào)等關(guān)鍵技術(shù)[2]。但大部分參數(shù)估計(jì)方法，都需要預(yù)先得知某些參數(shù)，從而距DSAR復(fù)雜傳輸環(huán)境的工程應(yīng)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(dǎo)致傳輸過(guò)程的解調(diào)門限不夠，而無(wú)法進(jìn)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(wú)線電參數(shù)估計(jì)的迭代層次模型，給出了解決該問(wèn)題較好的工程實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)[3]。它首先將信號(hào)檢測(cè)和處理的各個(gè)過(guò)程進(jìn)行細(xì)化分層，按各個(gè)參數(shù)的識(shí)別、粗估計(jì)到精估計(jì)的層次進(jìn)行混合處理：通過(guò)不同處理層間進(jìn)行的參數(shù)估計(jì)信息的交互、反饋和迭代處理，能有效地實(shí)現(xiàn)未知信號(hào)由粗到精的自主識(shí)別，接收和處理。但該方法要達(dá)到實(shí)用還需解決以下問(wèn)題：優(yōu)化參數(shù)估計(jì)算法,即在保證參數(shù)估計(jì)性能的前提下,盡量降低算法的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度；保證層間參數(shù)估計(jì)所傳遞消息的可靠性，避免錯(cuò)誤消息的反饋導(dǎo)致的誤差傳播與放大，以確保整個(gè)系統(tǒng)解調(diào)參數(shù)估計(jì)和檢測(cè)的收斂和正確。

　　DSAR系統(tǒng)中信號(hào)參數(shù)的估計(jì)和檢測(cè)，主要包含以下6個(gè)層次：調(diào)制指數(shù)估計(jì)與識(shí)別、載波頻率估計(jì)與補(bǔ)償、調(diào)制方式識(shí)別，載波相位跟蹤，信噪比(SignaltoNoiseRatio,SNR)估計(jì)及載波頻率跟蹤以及幀同步與信道譯碼處理。針對(duì)互為前提的循環(huán)信號(hào)參數(shù)估計(jì)及其精度問(wèn)題，還需針對(duì)參數(shù)估計(jì)效果，劃分估計(jì)階段為粗估計(jì)及精估計(jì)兩個(gè)部分。而且，還需結(jié)合各參數(shù)估計(jì)誤差對(duì)系統(tǒng)性能影響的情況，設(shè)置各參數(shù)的合理估計(jì)順序，來(lái)獲得較好的聯(lián)合參數(shù)估計(jì)和檢測(cè)的迭代層次結(jié)構(gòu)。因載頻偏差對(duì)系統(tǒng)影響相對(duì)較大，故對(duì)其估計(jì)和補(bǔ)償要先于符號(hào)定時(shí)、相位偏差等其他參數(shù)的估計(jì)和補(bǔ)償。符號(hào)定時(shí)偏差估計(jì)受載波相偏等的影響較小，且其估計(jì)算法復(fù)雜度也相對(duì)較低，故對(duì)其估計(jì)需先于載波相位等參數(shù)估計(jì)，從而避免多維參數(shù)同時(shí)估計(jì)所帶來(lái)的巨大復(fù)雜度。最后，整個(gè)DSAR系統(tǒng)中的參數(shù)估計(jì)過(guò)程，可先進(jìn)行調(diào)制指數(shù)等參數(shù)的識(shí)別、粗載波頻率、粗相位偏差，粗SNR等參數(shù)的粗估計(jì)。然后，將這些解調(diào)參數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償，并進(jìn)一步將其估計(jì)與編碼的迭代譯碼過(guò)程相結(jié)合，通過(guò)它們之間的參數(shù)估計(jì)與譯碼外消息之間的聯(lián)合消息傳遞與反饋，實(shí)現(xiàn)整個(gè)DSAR系統(tǒng)的聯(lián)合迭代譯碼和精參數(shù)估計(jì)及其補(bǔ)償。

　　最后，DSAR系統(tǒng)的迭代信號(hào)處理結(jié)構(gòu)模型如圖1所示:圖1所示的模型是一個(gè)具有4層迭代信號(hào)處理結(jié)構(gòu)DSAR系統(tǒng)的迭代參數(shù)估計(jì)與檢測(cè)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(jì)層；第2層為粗載波頻率估計(jì)層；第3層包含數(shù)據(jù)速率、SNR、脈沖形狀及粗符號(hào)定時(shí)等參數(shù)的混合估計(jì)層；第4層為解調(diào)所需精、粗載波頻率、精定時(shí)和載波相位等參數(shù)的混合估計(jì)層；第5層幀同步估計(jì)層；第6層信道譯碼層。每層估計(jì)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(jìn)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(shí)施最佳參數(shù)估計(jì)次序，完成整個(gè)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(jì)工作在性能較差但對(duì)信道參數(shù)前提要求不高的非相干狀況，以便獲得粗估計(jì)和檢測(cè)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(jì)與檢測(cè)予以實(shí)現(xiàn)。另外，在對(duì)第4層內(nèi)的參數(shù)進(jìn)行精估計(jì)時(shí)，還可進(jìn)一步將判決可靠性較高的信道譯碼軟、硬判決信息，來(lái)分別反饋輔助這些解調(diào)參數(shù)的精估計(jì)。反過(guò)來(lái)，該過(guò)程也將提高輸入到譯碼器進(jìn)行譯碼處理的解調(diào)后信號(hào)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(jì)。而且，該更高精度的參數(shù)估計(jì)結(jié)果，也進(jìn)一步促進(jìn)譯碼的可靠性，形成了一個(gè)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?yè)p失。最終，該迭代信號(hào)處理結(jié)構(gòu)可有效實(shí)現(xiàn)整個(gè)DSAR系統(tǒng)的聯(lián)合參數(shù)估計(jì)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(wèn)題是如何快速實(shí)現(xiàn)中斷后深空通信鏈路的重建，以提高傳輸效率[5]。當(dāng)前主要問(wèn)題是快速捕獲，并實(shí)時(shí)跟蹤深空無(wú)線電信號(hào)的參數(shù)。如對(duì)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(jì)算法，進(jìn)行載波頻率的快速粗估計(jì)。另外，通過(guò)增加一小段差分的前導(dǎo)訓(xùn)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(hào)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(dǎo)的訓(xùn)練字用非相干解調(diào)實(shí)現(xiàn)快速的符號(hào)定時(shí)同步等的差分解調(diào)。因差分解調(diào)無(wú)需精確的載波同步等解調(diào)信息，無(wú)需進(jìn)行多維聯(lián)合解調(diào)參數(shù)的估計(jì)，大大簡(jiǎn)化了整個(gè)解調(diào)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。故該結(jié)構(gòu)較好地解決了自主無(wú)線電參數(shù)估計(jì)的循環(huán)參數(shù)檢測(cè)與估計(jì)的嵌套問(wèn)題。因此，在該階段，可用非相干解調(diào)及較短的前導(dǎo)訓(xùn)練字?jǐn)?shù)據(jù)及一些定時(shí)估計(jì)的盲算法用于實(shí)現(xiàn)粗定時(shí)估計(jì)。之后，因相干解調(diào)可獲得更好性能，可將自主無(wú)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(shí)，對(duì)載波頻率相位偏差、SNR估計(jì)等同步和信道狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行粗估計(jì)，并用前導(dǎo)訓(xùn)練字?jǐn)?shù)據(jù)用于幀同步，實(shí)現(xiàn)LDPC碼等分組碼的譯碼比特次序?qū)R。

　　最后，實(shí)現(xiàn)聯(lián)合LDPC譯碼與解調(diào)和信道解調(diào)參數(shù)的估計(jì)：通過(guò)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(cè)和估計(jì)。即進(jìn)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(gè)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(guò)程中，如發(fā)現(xiàn)粗解調(diào)參數(shù)估計(jì)有誤而不能滿足LDPC校驗(yàn)矩陣的檢驗(yàn)，還需及時(shí)將該錯(cuò)誤標(biāo)記反饋給參數(shù)粗估計(jì)算法，重新開(kāi)展粗估計(jì)和信道參數(shù)檢測(cè)的大閉環(huán)的工作。因此，對(duì)于整個(gè)自主無(wú)線電的實(shí)現(xiàn)，需要合理排序整個(gè)自主無(wú)線電接收機(jī)系統(tǒng)的解調(diào)參數(shù)估計(jì)和檢測(cè)次序，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)解調(diào)與迭代譯碼、參數(shù)的粗、精估計(jì)的有機(jī)協(xié)同結(jié)合，以獲得最佳的估計(jì)速度與估計(jì)精度的折中。