深空通信随机共振传输理论与关键技术研究

The very weak signal’s receiving in deep-space communications is a great technological challenge. Enlightened by the stochastic resonance’s effect on improving signal SNR, the proposal will investigate the point-to-point communications in deep-space and seek new ways to improve the performance of deep-space communications system. The transmission model of SR signal in deep-space communications will be established according to the SR theory, and the influence of model parameters on system performance will be explored, then the impacting mechanism of a more practically valuable performance measurement carrier-to-noise ratio as well as performance gain and effect domain analyzing will be studied. Furthermore, the equivalent mechanism of parameter-induced stochastic resonance will be analyzed, and its parameters will be optimized. The research tries to make progresses on two key techniques including the SR algorithm for big-parameter signal in carrier synchronization communications and the adaptive parameter-adjusting SR algorithm in dynamic environments. Moreover, an integrated transformation architectures of weak pilot-aided for high data rate transmission will be constructed. The SR theories and the performance of the key technologies will be evaluated in the last. On the basis of the works in the theory and key technologies, some novel solutions can be provided for the reliable information transmission under very low signal-to-noise ratio in deep-space communications circumstances. Simultaneously, the theory and application of deep-space communications transformation system based on SR can be further developed and enriched.

针对深空通信中极微弱信号接收的巨大挑战，本项目拟从随机共振增强信号SNR 的机理出发，对深空点对点通信技术展开研究，探索提升深空通信系统性能的新途径。根据随机共振理论，本项目将建立深空通信背景下的随机共振信号传输模型，分析模型中各参数对整体系统的影响，探究极低载噪比这一更具实际意义的衡量指标对共振系统的影响机理，进行性能增益及影响域分析，研究参数调节随机共振等效机理并进行参数优化。在研究中，本项目将突破大参数信号随机共振载波同步和动态信号随机共振参数自适应随机共振两大关键技术，提出高速率信息传输弱导频辅助的随机共振一体化传输架构，并对提出的随机共振传输理论及关键技术进行性能验证和评估。本课题的研究可为深空通信极低SNR 条件下信息的可靠传输提供新的方法和途径，同时拓展和丰富随机共振的应用领域。

作为自然界中普遍存在的一种非线性现象，随机共振现象发生时部分噪声能量转化为信号能量从而实现噪声增强信号的显著特性，但是在深空通信背景中，深空通信信号所具有的特点使得随机共振的应用受到了很多限制。在这样的研究背景下，本项目致力于分析随机共振应用于深空通信信号处理技术中的限制条件，并针对这些问题寻找解决措施以期提出新的基于随机共振的深空通信信号处理技术，主要做了以下工作：.（1）总结分析了深空通信信号的显著特点，在对现有的参数调节随机共振、二次采样随机共振和时序步进随机共振三种最常用的大参数信号随机共振方法的性能进行对比分析的基础上，提出了一种新的差拍欠采样随机共振算法，不仅实现了深空通信中所使用的大参数信号的随机共振，还大大降低了信号处理的采样频率，拓宽了随机共振的应用范围。.（2）在差拍欠采样随机共振方法的基础上，设计了一种新的基于随机共振的改进科斯塔斯环，成功实现了随机共振技术与科斯塔斯环路的结合，从而大大提升了环路的性能。最后从多个角度出发将提出的改进科斯塔斯环路与传统环路进行了性能对比。.（3）以双稳系统为模型，从理论上深入分析了产生失真的原因，并提出了一种新的异构级联随机共振的方案，不仅保留了原有的级联随机共振消除高频毛刺的优点，而且很好的解决了系统输出信号失真的问题；并首次提出波形失真度这个性能指标，为定量分析不同级联随机共振系统的性能提供了便捷高效的工具。.（4）探索性的对BPSK信号进行随机共振处理，并对处理结果深入分析，从原理上给出了BPSK信号随机共振处理的可行性分析结论。最后结合现有的研究成果提出了一种新的基于随机共振的弱导频残留载波辅助的BPSK信号载波恢复方案。.本项目实现了随机共振技术和科斯塔斯环路的结合并且使得改进的环路性能有了明显的提升，找到了异构级联随机共振系统中的参数设置经验方法，有益于深空微弱信号接收。