多功能数字基带：极低信噪比信号捕获（频率捕获设计）

残留载波信号捕获

（S/Φ）_载波=20dBHz时的捕获

对于深空测控通信，地面站接收信号十分微弱，接收信噪比非常低，接收信号的动态（主要指接收信号的多普勒频率变化率）非常大，所以给地面接收机信号捕获和跟踪带来相当大的难度。一方面，由于信噪比低，要求极窄的环路带宽，但环路带宽太窄又使接收机的动态适应能力降低，这是一对矛盾。为了解决这对矛盾，首先接收机必须采用三阶环，窄带三阶锁相环在载波捕获时，必须进行多普勒频率和多普勒频率变化率补偿。仿真结果表明：（S/Φ）_载波=20dBHz时，采用B_L=10Hz的三阶锁相环，频率补偿精度达到±5Hz、频率变化率补偿精度达到±25Hz/s时，锁相环可以快速捕获。接收机捕获载波后，可以将载波锁相环转到更窄的带宽。

在多普勒频率和多普勒频率变化率都比较大的情况下，信号捕获时，采用频率捕获单元完成载波频率和频率变化率的实时测量，送到接收机的环路进行引导，使环路进入快捕带进而入锁。

（S/Φ）_载波=0dBHz时的捕获

在数字基带中，首先必须考虑在0dBHz条件下A/D变换器能够正常采样。以12位A/D为例，信号电平数字量为

式中　V_D——信号电平数字量；

V_V——信号电平有效值；

V_AD——A/D峰值电压；

n——A/D变换器位数。

在A/D采样时考虑噪声不限幅，噪声峰值电平N_P等于A/D峰值电压：N_P=V_AD，噪声均方根值为N_J=N_P/3=V_AD/3，则

要使A/D变换器能正常采样，信号电平数字量至少为1，则当采用12位A/D时，可接收的最小信噪比为S/N=-60dB。考虑设计余量，取S/N=-57dB，那么在（S/Φ）_载波=0时，中频滤波器带宽不能超过500kHz。也就是，在（S/Φ）_载波=0时，载波中心频率加调制信号边带不能超过±250kHz。所以，这时对遥测副载波频率、遥测码速率、测距信号频率都必须进行限制。

为保证大多普勒频率时，信号能落在500kHz带宽内，70MHz信号通过下变频到25MHz，本振频率根据多普勒预报进行控制，使信号中心频率保持在25MHz附近。

对于信号的捕获，由于接收信号（S/Φ）_载波仅为0，只有0.1Hz以下的环路带宽，锁相环才能锁定。根据仿真结果，0.1Hz的三阶锁相环在环路捕获时，频率补偿精度须达到0.05Hz以内，频率变化率补偿精度须达到0.0025Hz以内。

抑制载波信号捕获

抑制载波估计分为两步：第一步实现在大范围内的频率粗捕获，第二步实现在小频率范围内完成频率精捕获以及斜率捕获。

粗捕获

BPSK与QPSK在循环谱域具有很尖锐的分辨率，而在频谱域内分辨率较低，因此在这里循环谱用于完成对信号频率的粗捕获。

图5-59表示BPSK调制在E_b/N₀=0（译码后）信息速率为30Kb/s下采用循环谱算法进行载波粗捕获得到的捕获误差，经分析，估计是无偏的，估计方差为1686.5Hz。

图5-59　BPSK频率估计误差

图5-60表示QPSK调制在E_b/N₀=0（译码后）信息速率为30Kb/s下采用循环谱算法进行载波粗捕获得到的捕获误差，经分析，估计是无偏的，估计方差为642.7Hz。

图5-60　QPSK频率估计误差

按照指标要求，编码后最高信息速率为30Kb/s，对于BPSK采用4倍符号速率进行采样，对于QPSK采用8倍符号速率进行采样，因此对于BPSK与QPSK可以统一为4R^b，其中R^b为二进制信息速率。结合硬件分析，所有频率槽可以在一次采样中完成，则采样时间为

即信息速率每提高1倍，粗捕获的时间将减少一半。

精捕获

对BPSK、QPSK、OQPSK信号的频率精捕获需要对载波进行恢复。BPSK信号通过平方处理，完成载波恢复；QPSK、OQPSK信号通过四次方处理，完成载波恢复。由于平方或四次方运算的非线性，噪声自相乘以及噪声信号交叉项导致信噪比恶化，尤其在平方或四次方处理前为负信噪比条件下，将导致噪声方差急剧增大。图5-61图5-62给出了在不同输入信噪比条件下，平方和四次方处理导致的信噪比恶化情况。