中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第54研究所 趙 楠

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四相調(diào)制單通道單脈沖跟蹤接收機(jī)設(shè)計(jì)

中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第54研究所 趙 楠

【摘要】在衛(wèi)星通信中，衛(wèi)星天線經(jīng)常移動(dòng)，并希望在移動(dòng)的同時(shí)始終使天線對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星，達(dá)到最佳通信效果，自跟蹤接收系統(tǒng)的作用就在于此。本文設(shè)計(jì)的跟蹤接收機(jī)是自跟蹤系統(tǒng)的重要組成部分，文中介紹了四相調(diào)制單通道單脈沖跟蹤接收機(jī)的工作原理和系統(tǒng)組成，對(duì)中頻數(shù)字信號(hào)處理算法中的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了Matlab仿真，并在工程中實(shí)現(xiàn)，最后經(jīng)過(guò)對(duì)星測(cè)試驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性。

【關(guān)鍵詞】四相調(diào)制；單通道單脈沖；Matlab仿真

0　引言

單通道單脈沖(Single ChannelMonopu lse，簡(jiǎn)稱SCM)技術(shù)體制的最突出優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省信道，有利降低成本，其次是設(shè)備操作簡(jiǎn)化，有利于提高可靠性，這就使得SCM跟蹤技術(shù)在衛(wèi)星地球站、遙感、氣象接收站的自跟蹤系統(tǒng)中也得到應(yīng)用。

本文設(shè)計(jì)的四相調(diào)制單通道單脈沖跟蹤接收機(jī)，在傳統(tǒng)SCM接收機(jī)的基礎(chǔ)上，通過(guò)用低頻信號(hào)對(duì)對(duì)差通道信號(hào)進(jìn)行四相調(diào)制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)BPSK、QPSK等調(diào)制信號(hào)的跟蹤。

1　工作原理

差信號(hào)經(jīng)過(guò)四相調(diào)制后，可寫為：

其中調(diào)制信號(hào)為：

相加后的和與差信號(hào)為：

合并后的信號(hào)經(jīng)過(guò)變換得：

和差信號(hào)經(jīng)過(guò)下變頻后到70MHz中頻，經(jīng)過(guò)AFC消除多普勒影響和AGC歸一化處理后，對(duì)和差信號(hào)進(jìn)行包絡(luò)檢波，和差信號(hào)可以表示為：

式中：

當(dāng)時(shí)，,

由此得到：

濾除直流分量后的信號(hào)為：

對(duì)此信號(hào)進(jìn)行同步解調(diào)提取方位誤差和俯仰誤差。由于是四相調(diào)制，需要兩次同步解調(diào)。 第一次同步解調(diào)分離出交流方位誤差信號(hào)和俯仰誤差信號(hào)，第二次解調(diào)則得到直流方位、俯仰誤差電壓。

可得出方位電壓差為：

俯仰電壓差為：

2　系統(tǒng)組成

圖1　跟蹤接收系統(tǒng)組成框圖

跟蹤接收單元由下行數(shù)據(jù)傳輸信道和跟蹤通道，主要由和差LNA、分路器、和差（單通道）合成網(wǎng)絡(luò)、單脈沖跟蹤接收機(jī)（包括L 波段下變頻器、跟蹤解調(diào)終端）組成。

工作時(shí)，需要一路數(shù)據(jù)通道和一路跟蹤通道，和信號(hào)經(jīng)過(guò)切換開(kāi)關(guān)進(jìn)行極化選擇之后在進(jìn)入LNA，放大后的信號(hào)進(jìn)入分路器，其中一路和信號(hào)最終送給接收分系統(tǒng)（或者由和差合成網(wǎng)絡(luò)功分），另一路和經(jīng)過(guò)極化選擇的差信號(hào)一起送給和差合成網(wǎng)絡(luò)。在和差網(wǎng)絡(luò)中，差信號(hào)由跟蹤接收機(jī)發(fā)出的同步調(diào)制信號(hào)調(diào)制后與和信號(hào)合成，送給跟蹤接收機(jī)。單脈沖跟蹤接收機(jī)為標(biāo)準(zhǔn)1U機(jī)箱，由電源模塊、L波段下變頻器、中頻接收機(jī)和監(jiān)控單元構(gòu)成。

圖2　和差合成網(wǎng)絡(luò)組成框圖

和差合成網(wǎng)絡(luò)的簡(jiǎn)化組成框圖如圖2所示，采用6位移相器（5.625°、11.25°、22.5°、45°、90°、180°）實(shí)現(xiàn)四相調(diào)制，第五位是90°,第六位是180°，通過(guò)時(shí)間同步的方法，可分別對(duì)90°和180°的移相值進(jìn)行連續(xù)控制，以達(dá)到最終實(shí)現(xiàn)來(lái)波相位90°、180°、270°、360°的連續(xù)變化，從而實(shí)現(xiàn)四相調(diào)制。通常的方法是，由終端產(chǎn)生一組頻率為Ω和2Ω的低頻TTL方波信號(hào)，使其組合成復(fù)合控制信號(hào)，在時(shí)間為Ω的周期內(nèi)，控制6位移相器，在控制信號(hào)時(shí)間同步的情況下，滿足表1-1所示的關(guān)系。

表1-1　時(shí)間相位電平關(guān)系表

信道設(shè)計(jì)和頻率配置時(shí)要考慮增益分配合理、信道頻率組合干擾少，L波段下變頻器將L波段信號(hào)進(jìn)行兩次變頻，輸出70MHz信號(hào)，送跟蹤解調(diào)終端進(jìn)行誤差信號(hào)解調(diào)。

跟蹤解調(diào)終端由中頻解算單元和控制單元組成。70MHz中頻信號(hào)通過(guò)AGC控制到恒定電平，并輸送至中頻解算單元；中頻解算單元對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換、角誤差解調(diào)，并將角誤差送至天線控制單元（ACU），ACU控制驅(qū)動(dòng)天線朝著減小誤差的方向運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的自動(dòng)跟蹤?？刂骑@示單元實(shí)現(xiàn)整個(gè)跟蹤接收機(jī)的控制和對(duì)外通信。

3　仿真與實(shí)現(xiàn)

中頻信號(hào)仿真模型是利用Simulink中的數(shù)字信號(hào)處理模塊來(lái)設(shè)計(jì)的，主要包括輸入信號(hào)生成與采樣、數(shù)字下變頻、頻率估計(jì)和載波提取、場(chǎng)強(qiáng)解調(diào)、信噪比計(jì)算、誤差信號(hào)解調(diào)幾個(gè)部分。仿真框圖如圖3所示。

圖3　中頻信號(hào)仿真框圖

在信號(hào)跟蹤中，為了提高信噪比，數(shù)字處理單元首先采用AFC環(huán)路進(jìn)行頻偏補(bǔ)償，依靠AFC環(huán)路的牽引作用，使NCO輸出的本地載波頻率不斷向輸入載波頻率靠近并跟蹤輸入載波頻率的變化，從而消除了多普勒頻移的影響。多普勒頻移消除后，可以通過(guò)求兩路正交信號(hào)的平方和得到和差信號(hào)的包絡(luò)，然后將一路包絡(luò)通過(guò)積分處理作為電平的控制信號(hào)，另一路信號(hào)濾除高頻分量和隔離直流后作為跟蹤信號(hào)進(jìn)行誤差解調(diào)，經(jīng)過(guò)同步解調(diào)后，分離出方位誤差信號(hào)和俯仰誤差信號(hào)。

由于系統(tǒng)存在隨機(jī)噪聲，入鎖時(shí)間和誤差信號(hào)的解調(diào)性能都會(huì)受到信噪比的影響，因此對(duì)在信噪比S/N為6dB下的載波捕獲跟蹤性能進(jìn)行分析仿真。如圖4所示，從上到下依次為和信號(hào)、方位誤差信號(hào)、俯仰誤差信號(hào)。從圖中可以看出，鎖相環(huán)的初始捕獲后，方位俯仰誤差穩(wěn)定的時(shí)間約為30ms，在工程實(shí)踐中能夠滿足要求。

圖4　仿真結(jié)果

中頻解算的數(shù)字信號(hào)處理主要由FPGA實(shí)現(xiàn)，采用Xilinx公司的Virtex-5系列芯片XC4VSX95T，F(xiàn)PGA部分的設(shè)計(jì)主要包括數(shù)字采樣與數(shù)字下變頻設(shè)計(jì)、頻率引導(dǎo)捕獲、數(shù)字AGC、AFC與跟蹤算法設(shè)計(jì)、同步解調(diào)、相位校正等。

在單脈沖跟蹤系統(tǒng)中，由于和差通道相對(duì)相移，導(dǎo)致差信號(hào)與和信號(hào)之間存在相位差，而在同步解調(diào)中，是以和信號(hào)做為參考進(jìn)行頻率相位控制，導(dǎo)致最終解調(diào)出的方位俯仰誤差存在交叉耦合，需要進(jìn)行相位校準(zhǔn)。通常的相位校準(zhǔn)方法是伺服系統(tǒng)找到和信號(hào)中心，再分別通過(guò)偏方位俯仰軸、設(shè)置移相值及斜率最終達(dá)到減小交叉耦合，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤。

4　系統(tǒng)測(cè)試

為了測(cè)試四相調(diào)制單通道單脈沖跟蹤接收機(jī)的實(shí)際性能，搭建測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)衛(wèi)星測(cè)試。

如圖5所示，將接收機(jī)接入天饋伺系統(tǒng)，差信號(hào)經(jīng)調(diào)制后進(jìn)入和路器，與和信號(hào)合成，進(jìn)入跟蹤接收單元，跟蹤接收單元通過(guò)CAN接口和上位機(jī)通信，同時(shí)通過(guò)OLED顯示屏可以觀察接收機(jī)上報(bào)狀態(tài)參數(shù)，同時(shí)可以通過(guò)機(jī)箱鍵盤對(duì)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

圖5　跟蹤接收機(jī)測(cè)試方框圖

聯(lián)試中，分別對(duì)E87.5°星的信標(biāo)信號(hào)和E140°星的調(diào)制信號(hào)進(jìn)行了對(duì)星測(cè)試，天線波束寬度約為6°，方位俯仰校相后，分別將天線方位軸、俯仰軸以0.5°為步進(jìn)拉偏±3°，可以看到方位、俯仰誤差值線性變化，交叉耦合小于1/5，能夠滿足跟蹤要求。

5　結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的四相調(diào)制單通道單脈沖跟蹤接收機(jī)，除了能夠跟蹤單載波的信標(biāo)信號(hào)，還能對(duì)BPSK、QPSK調(diào)制等恒定包絡(luò)信號(hào)進(jìn)行跟蹤，利用FPGA完成基帶數(shù)字信號(hào)處理，大大提高了跟蹤接收機(jī)的性能，經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證，能夠滿足工程要求。

參考文獻(xiàn)

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趙楠（1983—），女，中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第54研究所工程師，主要研究方向：數(shù)字信號(hào)處理。

作者簡(jiǎn)介：