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浙江大学硕士学位论文摘 要从20世纪80年代美国军方提出了现代小卫星的概念以来,现代微小卫星技术发展非常迅速,微小卫星是目前航天器发展的一个重要方向现代微小卫星具有重量轻性能好研制周期短造价低等优点作为微小卫星的关键部分,数字测控应答机系统具有结构简单质量轻工作时间长和可靠性高的特点本文就是对测控应答机中的数字测距系统进行系统设计和验证实验本文主要的工作是数字伪码测距系统和数字测控应答机基带平台的设计,以及测距功能的验证平台设计根据测控应答机的硬件要求,在确定以FPGA和DSP为基础的情况下,利用ADC和DAC作为数字-模拟信号转换芯片,以及其他各种数字设计技术,设计出一个数字测控应答机的硬件基带系统,作为伪码测距系统验证的主要硬件平台,同时也为将来整个数字测控应答机进行整合提供硬件平台本文根据再生伪码测距原理,提出测距系统数字化的体系结构,分析伪码发生码跟踪环路下行再生转发等功能模块,然后使用FPGA设计技术在QuartusII编译环境下将各个模块用VerilogHDL硬件描述语言予以实现再通过仿真实验精度实验长线测距无线WLAN板传输(注:见本文第五章,P54)等各种不同的实验平台来验证伪码测距系统的功能,实现了伪码从一个平台发出后经过一段距离后被另一个平台的码跟踪环路恢复,通过伪码和码时钟的相位差延时来计算伪码所经过的距离,并使用DSP技术设计比相电路对码时钟的相位差延时进行精确的计算,以求达到接近真实值的数据通过在验证平台上的多次实验,证明此测距方案的可行性,为以后的进一步设计提供宝贵参考关键字:微小卫星伪码测距FPGA相位差ABSTRACT Since the concept of microsatellite was proposed in the 80s of 20 centuries, its techniques have made great processs in recent years, the development of the microsatellite is a significant trend in the aerospace area. The feature of microsatellite includes light weight, good performance, short development cycle and low cost. As an important part of microsatellite, the TT&C Transponder system should have the feature of simple configureation, light weight, long working time and high reliability. In this thesis, the methods of Digital Pseudo Ranging System in the TT&C Transponder will be systematically studied and validated experimentally.This thesis focused on the design of Digital Pseudo Ranging System and TT&C Transponder baseband hardware flatform and its verification experiments. The architecture of the hardware platform consists of DSP, FPGA, ADC, DAC and etc.According to the theory of regenerative pseudo code ranging, this thesis constructs a digital pseudo ranging system framework and designs code-generation, DTTT, downlink-transmitting module. And all of module will be implemented with VerilogHDL, simulated and verified in QuartusII development environment. The function is verified by simulation, precision experiment, long-distance experiment and WLAN wireless experiment. The procedure is that the code-generation module generates pseudo code sequence, then it is sent to DTTL. And DTTL recovers the pseudo codes and the corresponding clock code, and regenerates pseudo code sequence. Lastly it is transmitted to the receiver. Besides the technique of DSP, measures the Phase Contrast of the original signal and the rebirthed signal to get the reality data. Finally, a project of Digital Pseudo Ranging System for the pico-satellite is designed and verified on the experimental platform, which is specially designed.Key words: Micro-satellite, Pseudo Ranging, FPGA, Phase Contrast目 录摘 要IABSTRACTIII目 录V第一章 绪 论11.1 微小卫星发展概况及其对测控应答机的需求11.2 测距应答机发展21.3 伪码测距的方法31.4 软件无线电技术41.5 本文的主要工作6第二章 伪码测距系统体系结构及设计82.1 测控通信机结构82.2 伪码测距通道详述102.3 信号结构122.3.1 复合伪码132.3.2 测距时间估算142.4 测距设计162.4.1 码跟踪环162.4.2 码相关器192.4.3 再生伪码测距的工作过程212.5 本章小节21第三章 基带系统的硬件平台设计223.1 测控应答机的硬件结构223.2 基带处理电路原理设计233.3 基带系统各部分芯片介绍及电路设计253.3.1 FPGA技术介绍253.3.2 DSP技术介绍283.3.3 并口AD转换电路原理设计323.3.4 并口DA转换电路原理设计353.4 PCB版的设计和实物图383.5 本章小节41第四章 基于FPGA和DSP的测距系统实现424.1 基于FPGA的测距原理设计实现424.1.1 码跟踪环路设计424.1.2 码序列捕获跟踪模块与下行码产生模块设计484.1.3 伪码产生模块514.2 基于FPGA与DSP的比相电路设计514.2.1 比相电路原理514.2.2 FPGA与DSP配合比相实现524.3 本章小节53第五章 伪码测距验证平台设计与实验结果545.1 实验原理545.2 伪码测距基带功能验证565.3 模拟长距离伪码测距实验595.4 测距精度实验625.5 与无线WLAN板配合实验645.6 本章小节68第六章 结束语706.1 本文主要的研究成果706.2 进一步的研究工作71参 考 文 献73附 录77致 谢7876第一章 绪 论1.1 微小卫星发展概况及其对测控应答机的需求编队飞行微小卫星是由多颗微小卫星构成并保持一定的队形在轨道上飞行,通过互相协同工作来完成复杂航天任务编队飞行微小卫星作为当今卫星发展的重要方向已引起国际上的很大关注例如美国国防部和NASA在1998年启动了大学纳卫星计划, 10所大学提出的5颗纳型卫星编队飞行计划;美国空军提出“21世纪技术星”(TechSat-21)发展计划,利用三维编队飞行的若干颗小卫星协同工作构成低成本高可靠多任务平台以及具有扩充能力的“虚拟卫星”,实现分布式星载微波雷达;其他国际上的编队卫星计划还有Cloudsat, Cartwheel, SAR-Lupe, TerraSat, LISIA, DARWIN 以及已经成功实施的EO-1与LandSat-7编队飞行多卫星测控方法及星间相对位置测定是发展编队飞行微小卫星的前提条件之一目前国内外对这一问题已提出了几种解决方案,例如:(1)利用中继卫星系统(TDRSS)但由于其在36000公里的地球同步轨道上,对用户卫星发射功率与天线对准等方面有较高要求,这些要求对微小卫星来说是有一定困难的另外TDRSS也难以应付数量大的卫星编队(2)利用GPS实现各卫星的自主定位从技术上讲,这是一种比较好的编队飞行微小卫星群测定轨方案,测控精度可以做得比较高,设备实现上也没有太多的困难但对军事应用来说,由于我国还没有形成完整的GPS系统,需要依赖国外的系统,因此单独采用这种方案会有相当大的风险(3)建立专门的多目标测控地面网这种方案对于微小卫星群的测控管理存在一定的局限性,仍然不能满足大量微小卫星在轨运行的测控需求卫星群的自主控制结构基本上可分为集中式和分布式两种集中式结构由群内的其中一颗星完成对所有卫星的控制,易于实现,但风险较大在分布式控制结构下,每颗卫星的状态对群内的所有星均是广播式的,性能最稳定,但实现上的难度和费用大这两种结构如图1.1所示采用本文所提出软件无线电多功能测控应答机后,就可实现第三种结构,即可重构的集中式结构即编队中每一颗卫星携带的测控应答机均与主卫星的功能相同,既可实现星间测控应答,又可实现对地测控应答从而保证在主卫星出现故障或受到攻击时,地面站可指定另外任意一颗卫星替换作为主卫星,保证系统正常运行图1.1 编队卫星的自主控制结构1.2 测距应答机发展 将软件无线电技术应用到测控系统中,国际上已进行了一些尝试例如早在1991年,JPL实验室(Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology)研制了一台软件多普勒测速地面设备,并将这一设备作为地面站多普勒测速的另行设备运行,与传统的基于模拟电路的测量设备进行对比结果表明,软件多普勒测速地面设备所测得的数据与原设备误差不超过1mHz,同时其噪声抖动比原设备小2001年该实验室的Berner等人提出采用软件技术实现的环路滤波器,如果在航天器的锁相环路中采用这一技术,可提高系统设计的灵活性性能可预测性并可提高性能指标2002年美国AeroAstro公司的Mitchell 等人提出了一种采用软件无线电技术的星载X波段应答机,计划用于微小卫星中,该应答机对如何采用Costas环实现载波的锁定进行了较为详细的讨论,但未涉及测距音的相干转发或测距伪码的转发或测量 伪码测距是航天测控的重要手段,目前欧空局的PRARE系统利用10Mcps的伪码速率即可达到2.5cm的测量精度(随机噪声抖动),而同一时期研制的BepiColmbo,其采用测距音进行测距的系统只能达到20-30cm的水平,而且用的是50MHz的高频率测距音那么对于2.5cm的测量精度来说,相位抖动意味着要小于10Mcps伪码的1/1200周期,这对测控应答机的设计是个很大的难题从电路角度来说,如何优化延迟锁相环环路带宽以及减小系统噪声等问题是目前对伪码测距设备的主要研究 长远来看,测控应答机微小型化集成化标准化是必然趋势,软件无线电技术也会在航天测控通信设备中发挥越来越大的作用我国在这方面也进行了一些工作,例如基于中频采样结构的软件无线电技术已在地面设备中得到若干应用,取得了很好的效果浙江大学研制的用于皮卫星测控应答机这些工作为本文的研究提供了良好的经验积累和技术基础1.3 伪码测距的方法与星地测距相比,编队飞行卫星的星间测距有一定的特殊性第一,星间距离比较近,环境不像星地链路那么复杂,这有利于测距精度的提高;第二,卫星之间相互可见,故测距时间的要求不是特别严格,这也为测距精度的提高提供了有利条件;第三,星间链路的信号功率受限,这对于星间测距来说是个不利条件,这对星上能源的有效利用提出了挑战现今卫星上常用的伪码测距(Pseudo-Noise Ranging)有两类:一类是传统的标准的转发测距(Turn Around Ranging),另一类是再生测距(Regenerative Ranging)所谓转发测距,是指被测卫星从接收信号中提取出测距信号,经过滤波,下行调制度处理(Ranging Modulation Index),接着与遥测调制部分(Telemetry Modulation)相加送到线性相位调制器(Linear Phase Modulator)发送出去这种测距方法具有结构简单的优点,但是,一方面,滤波器滤掉了信号的高次谐波,引起信号的损失另一方面在把测距信号调制到下行载波的同时,也把大量的噪声也调制进去了(噪声带宽与滤波器的带宽相同),而且伪码速率越高,信噪比下降越多故这种方法大大降低了返回到测距设备的信号质量,浪费了发送功率,不适用于微小卫星的高精度星间测距再生测距可以解决这个问题它利用专门的电路对测距信号进行捕获和跟踪,待整个测距信号锁定以后,跟转发测距一样,进行下行调制度处理,再与遥测调制部分相加采用再生测距,一方面由于再生了信号,所以不存在因为测距通道的前端滤波器滤掉测距信号高次谐波而引起信号质量下降的问题,另一方面由于再生测距码跟踪环的环路带宽非常小,于是噪声大大减小根据上行信号强度的不同,再生方法能提高返回到测距设备的测距信号信噪比达30dB图1.2是两种伪码测距方法在相同条件下的比较从图中可以看出,再生测距尤其适用于卫星的接收功率比较小的场合,适用于体积和功耗严格受限的微小卫星的星间测距这部分增益可以分配到三个方面,提高测距性能其一是测距时间(integration time)和下行测距信号调制度不变,提高测距精度;其二是减小测距信号的调制度,从而增加遥测信号的功率;其三是减小测距时间图1.2 两种伪码测距方法的比较1.4 软件无线电技术软件无线电技术近年发展及其迅速,在通信系统中,软件无线电技术可使多种体制功能的通信机集成在一种硬件结构上,使用中只要调用不同的软件(软件重构)就可实现不同的通信制式,还可实现通信制式的自动识别切换等功能,是目前通信系统发展的重要方向软件无线电的灵活性的优点同样适用于卫星的测控,其高度集成的特点尤其有利于微小卫星体积重量和功耗的减小另外,由于数字电路具有精度可控的优点,同时能有效地抑制温漂和时漂,故基于软件无线电的测控通信机有利于系统误差的补偿和测量精度的提高一软件无线电的概念所谓软件无线电(Software Defined Radio,简称SDR),就是采用数字信号处理技术,在可编程控制的通用硬件平台上,利用软件来定义实现无线电台的各部分功能即整个无线电台从高频中频基带直到控制协议部分全部由软件编程来完成其核心思想是在尽可能靠近天线的地方使用宽带的数字/模拟转换器,尽早地完成信号的数字化,从而使得无线电台的功能尽可能地用软件来定义和实现总之,软件无线电是一种基于数字信号处理(DSP)芯片,以软件为核心的无线通信体系结构二软件无线电的关键技术 软件无线电技术是软件化计算密集型的操作形式它与数字和模拟信号之间的转换计算速度运算量存储量数据处理方式等问题息息相关,这些技术决定着软件无线电技术的发展程度和进展速度宽带/多频段天线A/D/A转换器件DSP(数字信号处理器)技术及实时操作系统是软件无线电的关键技术 1.宽带/多频段天线理想的软件无线电系统的天线部分应该能够覆盖全部无线通信频段而软件无线电要在很宽的工作频率范围内实现无障碍通信,就必须有一种无论电台在哪一个波段都能与之匹配的天线,所以,实现软件无线电通信,必须有一副可通过各种频率信号而且线性性能好的宽带天线就目前水平而言,研制一种全频段天线是不可能的一般情况下,大多数系统只要覆盖不同频段的几个窗口,不必覆盖全部频段,故可采用组合式多频段天线的方案这不仅在技术上可行,而且基本不影响技术使用要求 2.A/D/A转换器件在软件无线电通信系统中,要达到尽可能多的以数字形式处理无线信号,必须把A/D转换尽可能地向天线端推移,这样就对A/D转换器的性能要求就更高为保证抽样后的信号保持原信号的信息,A/D转换要满足Nyquist抽样准则,而在实际应用中,为保证系统更好的性能,通常抽样率为带宽的2.5倍软件无线电通信系统-般采用低分辨率的模/数转换器对于更高的转换带宽要求,可以用并行A/D转换的方法完成 3.DSP(数字信号处理器)和FPGA技术它主要完成电台内部数据处理调制解调和编码解码等工作由于电台内部数据流量大,进行滤波变频等处理运算次数多,必须采用高速实时并行的数字信号处理器模块或专用集成电路才能达到要求这样必须要求硬件处理速度不断增加,芯片容量扩大,并且要求算法进行针对处理器的优化和改进只有这样,才能实现电台内部软件的高速运行和多种功能的灵活切换和控制在芯片速度条件限制下,对数字信号处理器的速度要求是非常高的,利用更高速度的DSP芯片组进行并行处理对于一些固定功能的模块如滤波器下变频器等,可以用具有可编程能力的专用芯片来实现,例如用FPGA就可以同时满足速度和灵活性两方面的要求,支持软件无线电中的动态系统设置的功能 4.实时操作系统软件无线电实现的重要基础是处理器速度的提高,然而在一定的处理速度限制下,需要有效的实时应用处理软件和实时操作系统支持,才能充分发挥处理器的性能与通用操作系统相比,实时操作系统对处理任务的时间调度控制更加明确,可以更有效地面向高速数字信号处理分配有限的处理资源三软件无线电的优势 对技术和产品的研究开发而言,传统的无线通信系统只对单一的标准进行产品开发,从标准相对稳定到设计和开发专用芯片,再到产品设计和实现是一个以年为单位的过程,开发周期长开发成本高上述情况导致在标准制定进程中,大多数新技术不能被应用,限制了新技术的发展和应用,导致商用产品和当时技术水平的巨大差异SDR将提供一个新概念和通用无线通信平台,在此平台上,可能基于软件来实现新业务和使用新技术,大大降低了开发成本和周期,使产品能跟上技术发展的水平四软件无线电技术的应用 在当今通信领域中,卫星通信是最重要的通信方式之一但是,由于目前卫星通信系统设备种类繁多,设备管理和维护工作复杂,使得卫星通信系统更新换代周期长,不能很好地适应现代高科技的发展步伐而软件无线电以其软件定义功能和开放式模块化结构的技术思想能很好地解决卫星通信系统存在的问题,因此,研究具有软件无线电特征的卫星通信系统是很有意义的1.5 本文的主要工作本论文主要围绕微小卫星上测控应答机中的伪码测距系统为主要研究对象,重点介绍在满足测控应答机基带系统的要求下,基于ALTERA FPGA技术和TI DSP技术开发的测控应答机基带系统硬件调试平台;同时在FPGA和DSP中实现伪码测距系统的原理和算法流程,重点研究伪码测距系统中各个功能模块的具体实现过程;最后通过一系列实验过程验证该测控应答机基带系统的功能及伪码测距系统的实际功能效果具体分一下章节分别讨论:第一章, 首先对微小卫星的测控应答系统的发展历程做简单介绍,并且介绍伪码测距的方法和软件无线电技术的概念及发展概况第二章, 主要研究基于FPGA和DSP的伪码测距系统的体系构架,及实现这个构架的原理设计第三章, 将研究如何按照测控应答机的要求设计一个基带部分的硬件系统作为一个公共的实验平台第四章, 则研究按照伪码测距系统的体系结构原理如何在FPGA和DSP中设计各个详细功能模块第五章, 重点研究设计伪码测距系统的验证实验过程:包括方案设计实现过程及平台验证,最后给出各个实验结果以论证测距系统的功能实现第六章, 对本文工作做了一个总结,同时对下一步的工作做了展望第二章 伪码测距系统体系结构及设计 基于软件无线电技术的测距系统主要由软件来实现,而软件实现的主要平台是FPGA和DSP的配合使用,发挥两个硬件平台各自的长处在实现伪码测距前必须要建立理论基础,为以后的开发实现做好准备而本章也是本文的一个重点内容,建立伪码测距理论基础,理论的好坏也直接影响到测距的功能优劣在本章中的第一部分主要描述了本测控应答机系统的总体方案设计,将系统的重要组成部分,以及设计的伪码测距系统最后是如何配合协调工作的情况作了介绍在第二部分详细介绍了本伪码测距系统各个主要模块的主要理论架构,最后给出了整个系统的工作流程而实际将该测距理论基于FPGA和DSP的实现的具体工作将在第四章进行介绍2.1 测控通信机结构图2.1是基于软件无线电的微小卫星测控通信机的结构框图从图中可以看出,接收端仅采用一次中频,经A/D转换器中频采样后送到数字信号处理部分而发射端采用零中频技术,直接用正交混频器对载波进行调制数字信号处理平台中恢复的载波通过环路D/A转换器驱动VCXO,合成接收混频频率和发送载波频率与传统的应答机相比,这种结构使得射频前端结构大为简化,从而更容易实现小型化和低功耗基于软件无线电的数字信号处理部分采用DSP+FPGA的构架,既满足信号高速处理的要求,又利用了软件的灵活性接收部分的主要功能包括数字I/Q混频载波恢复测距通道与遥控数据通道的分离数据通道副载波的恢复和遥控数据解调测距通道伪码的恢复和处理等,如图2.1中TX模块所示发送部分的主要功能是将数据通道的遥测数据和测距通道产生的下行码经过处理后经D/A送到I/Q调制器接收天线下变频BPFAGC功放发送天线频率合成LPF RxFPGA+DSPLPF频率合成VCXOA/DD/A (I&Q)D/AI/Q调制TxFPGA+DSP图2.1 基于软件无线电的微小卫星测控通信机系统结构框图DTTL &Matched FilterSub-CarrierNCOFilterCostasLoopDetectorSub-CarrierLoop FilterSub-CarrierLock DetectorCarrierLoop FilterCarrierLock Detectorto Loop DACDataProcessingRanging Channelto Tx Clock & DataFPGA DSP IQIQNCORx NCO BaseDigitalMixerfrom ADC图2.2 接收部分顶层框图图2.2为接收部分的功能框图当载波锁定时,输入信号的Q支路含零载波分量,I支路积分后与阈值比较以判断锁定状态上行测距和命令调制出现在Q支路,分别送到命令副载波恢复及数据解调部分,和测距转发部分2.2 伪码测距通道详述编队微小卫星星间再生伪码测距的系统结构如图2.3所示,图中没有画出调制和解调部分在主卫星中,除多了本地码产生模块和比相模块之外,伪码恢复(再生)模块的功能与从卫星基本相同尽量将测距通道的各个部分做成独立的模块,以利于发挥软件无线电的灵活性这样,主卫星切换为从卫星时,星间测距通道基本上只需禁止几个模块即可,反之亦然在主卫星上,本地伪码与接收伪码的比相包括两步:码片比相(整码片相位比较)和码时钟比相(码片内相位比较),对应于相位差的粗测和精测码片比相首先将各本地子码与相应恢复的子码做以整码片为单位的相位比较,根据这些比较结果就可以得到复合码的相位差码时钟比相是保证最终测距精度的关键,比相结果还可以通过数据处理的手段进一步提高测距的性能由于编队卫星的星间距离相对较近,虽然所需的测距时间相对较长(相对于转发测距),但星间测距一般不存在星地测距中存在的过顶时间的问题,测距时间并不是非常严格,所以通过精心选择测距码,以及合理设计码跟踪环和比相电路,再生测距的测量精度可以达到码片周期的千分之一甚至更小选择测距码,主要依据相关特性,也就是说,相关值与非相关值相差要大另外,由于码跟踪环的性能对测距精度具有决定性的影响,故复合码的绝大多数功率应分配给时钟码(码长度为2的子码) 星间伪码测距的过程如下:1） 主卫星,产生测距复合码,经载波调制发送;2） 从卫星,对上行载波进行恢复;3） 从卫星,码跟踪环对测距时钟进行恢复;4） 从卫星,子码相关运算,对子码进行恢复;5） 从卫星,产生下行复合码,经载波调制发送;6） 主卫星,对下行载波进行恢复;7） 主卫星,码跟踪环对测距时钟进行恢复;8） 主卫星,子码相关运算,对子码进行恢复;9） 主卫星,发送的复合码与接收后恢复的复合码进行相位比较,得出粗测结果;10)主卫星,发送的测距时钟与接收后恢复的测距时钟进行相位比较,得出精测结果;11)主卫星,数据处理,得到距离的测量值本地码时钟本地子码产生恢复子码产生子码相关上行复合码产生码片比相码跟踪环码时钟比相下行复合码产生恢复子码产生码跟踪环子码相关恢复的码时钟恢复的码序列锁定指示To 数据处理To 数据处理恢复的码序列恢复的码时钟锁定指示主卫星从卫星图2.3 再生测距系统结构具体的伪码恢复原理如图2.4所示,主要由码跟踪环码相关器组和下行码产生器等三个部分组成为了减小伪码的捕获时间,采用复合码,它由若干个子码通过一定的逻辑关系产生各子码需要精心选择,以得到良好的自相关和互相关特性,同时简化测距通道的设计伪码恢复时,先分别恢复各个子码,再经过相同的逻辑运算得到恢复的复合码码跟踪环用于恢复复合码中的钟码,码位同步主要涉及到所接收的数据码元到达时刻或初相的估值在相干数字通信系统中,提供码元同步的基本方法有两种,一是分配单独的信道来传送同步信号,另一种是让同步信息出现在数据码元序列的信道中从数据序列中提取码元同步是最普遍的方式,它不需要占用额外的信号功率与信道在本方案中,码跟踪环采用数字数据转换跟踪环(Digital DTTL,Data Transition Tracking Loop)下行测距码Down-LinkRanging code上行测距码（载波正交支路）Up-LinkRanging code(Carrier Quadrature Branch)IN-PHASEINTEGRATORSIGNMID-PHASEINTEGRATORDELAYTIMINGLOGICNCOLLOOPFILTER+N+/-1Nominal Chip RateCarrier Loop ErrorCode Components Generators ClockORANDChip Tracking LoopLock StatusC1C2C3CnDown-Link Code GeneratorCODE CORRELATOR #10,当超前时0在0下,清除时刻输出值都比=0时的值小一些,等于其极性同样取决于信号码的极性如图2.8波形图所示(2)判决器判决器是一个输入输出特性为符号函数 (2.4.2)的硬限幅器因此不论=0或0,对信号正码元,其输出总是+1;对于信号负码元,其输出总是-1(3)转换判决器转换判决器检查两个相邻的输入码元与,判别其转换的性质判别规则如下:若 = ,则 = 0若 = +1, = -1,则 = +1 (2.4.3)若 = -1, = +1,则 = -1由 去控制相乘器,当码元无转换时(=0)将中相积分支路的输出消除;当码元由负到正转换时(=-1),将反相后通过;当码元由正到负转换时(=+1),得以直通总之,数码转换信号可对中相积分支路输出的含有同步误差信息的信号进行适当的极性变换(4)中相积分中相积分的积分区域跨在两个码元之间,积分式子为 (2.4.4) 式中为中相积分器的常数当准确同步时,只要码元有极性转换,无论是由负转换到正,还是正到负,其积分结果(清除时刻输出值)都等于零,如图2.8所示而当连续出现两个相同极性的码元,即无码元极性转换时,它的积分结果为由于此时转换判别器输出=0,被消除,对环路无作用当存在同步误差时,中相积分器是有输出的如0,结果同上相反以上几种情况的积分器输出波形见图2.8所示图2.8 三种情况下的同相与中相积分综上所述,可得如下结论:(1)中相积分器的输出模值仅与同步误差的绝对值有关,而与同步误差的极性(VCO时钟的超前或滞后)无关(2)中相积分器输出的极性与两个因素有关,一是同步误差的极性,二是信号码元转换的性质因此,中相积分的输出直接用作误差信号去控制VCO的时钟相位是不行的,尚需用判别数据转换的信号对它进行极性变换,以消除输入信号码元的性质对误差信号的影响,最后得到的是只反映同步误差极性大小的误差信号(5)延迟器中相积分输出时刻(清除时刻)与同相积分输出时刻(清除时刻)是不同的,时间差为了使中相积分结果恰好与相应的数码转换信息在相乘器内相作用,有必要将中相积分结果延迟 由各部分功用看出,环路可将具有同步误差信息的中相积分结果在相乘器中通过同相积分输出作适当的极性变换,获得所需要的误差电压此误差电压的大小反映着同步误差的大小,而且极性亦反映着同步误差的极性,即VCO输出时钟码元是超前还是滞后用它去控制VCO时钟码元相位,可使同步误差值减小,以至为零,达到准确的同步2.4.2 码相关器首先分析一下2.3节提出的复合伪码的特性根据复码序列的定义(双极性序列) (2.4.5)于是,易知 (2.4.6)以及 (2.4.7)由于序列长度的一半是504,735,这意味着,当i为偶数时,序列总为+1,而当i为奇数时,总共有481,695个-1和23,040个+1故序列看起来非常像+1和-1交替的序列 再观察一下此序列的相关特性相关过程是将整个复码序列与各个不同的子码序列作相关,n=16,并且mLen(n)定义Cor(n,m)为第n个子码序列与复码序列的偏移为m位的相关,得到 (2.4.8)通过与六个序列作相关,我们简化了相关器的设计6个相关结果给定了在复合序列中的唯一位置,而对于每个i只需要77(2+7+11+15+19+23)次运算 (2.4.9) 以序列长度规格化后,得到 (2.4.10) 可以看出,这个序列的相关特性非常好对于C2到C6,只有其中一个偏移量对应的相关值是非零的这意味着我们不用去关心极性,而只需这些子码的最大绝对值而且,信号能量的绝大部分集中在钟码上,这有助于再生过程中序列的捕获如图2.4所示,各子码相关模块并行运行,每个相关模块由码发生器码相关器和锁定检测器组成锁定检测器将相关器的输出与阈值比较,若小于阈值,则推动码发生器使相关器进行下一次运算,若大于阈值,则输出锁定状态到下行码发生器模块只有当各子码都锁定以后,才将再生的测距码送到应答机的发送调制部分2.4.3 再生伪码测距的工作过程1载波跟踪及锁定;2码跟踪环对测距信号进行锁定;3相关器进行相关运算,一定的捕获时间;4子码锁定,得到码的位置;5复合码锁定;6再生测距伪码进行转发2.5 本章小节 在本章中首先介绍了整个测控应答机的结构,从而引出其中的伪码测距部分的整体构架通过分析伪码信号的结构与传输特性,确定再生测距的伪码信号再详细对伪码测距系统的重点码跟踪环路和相关器进行原理分析,得到伪码测距的理论依据最后确定了伪码测距的工作流程第三章 基带系统的硬件平台设计 在上一章中我们介绍了伪码测距的基本原理,本章则主要研究如何设计软件测控应答机的硬件调试平台,首先会对 FPGA和DSP的设计开发作一个简单介绍;同时会详细介绍在本系统中所用到的FLASH模块ADC模块和DAC模块的设计实现过程关于FPGA与DSP的软件编程和伪码测距系统在FPGA和DSP中的软件编程实现会在第四章中介绍3.1 测控应答机的硬件结构整个基于软件无线电测控应答机的结构如图3.1所示各个部分的功能在此不再详述在星间链路上传输的信号中除了测距部分外,还包括遥控部分和遥测部分由于本文的工作集中在伪码转发测距方面,因此本章设计的基带硬件调试平台以满足伪码测距功能为出发点,同时兼顾遥控和遥测部分对于测距功能而言,这个模块在运行时分两种状态,即测距状态和转发状态当处于测距状态时,测控应答机主动向空间发出测距信号,经微小卫星群中的另一个测控应答机转发回来,并测量对应的空中时延,即得到所要测的距离,此时测控应答机其实是充当测距设备的角色;而当处于转发状态时,就是对测距设备发出的信号进行转发,充当转发设备的角色(Transponder)当采用再生伪码测距时,测距模块和转发模块的硬件结构基本上是相同的,而对于硬件结构而言,遥控遥测数据的调制解调是一样的(不同部分可通过软件进行设置),故完全可以重用,以便简化系统结构,进一步减小微小卫星的体积重量功耗以及成本测距模块和转发模块最大的一点不同是测距模块需要测量相位差,但这部分是否工作可以也通过软件进行设置基带模块的功能框图如图3.1中基带处理器(FPGA+DSP)中所示整个模块由FPGA+DSP实现从图中可以看出,基带模块由载波恢复(环路)命令副载波和数据恢复(环路)转发(包括再生测距和相干处理)和接收管理控制器以及定时时钟产生数据调制处理测距信号与遥测信号合成等部分组成 为了配合该测控应答机的功能实现,并且能够作为数字伪码测距系统的测试平台,需要设计一个基带的硬件平台,能够进行上述的功能,并且将来能够与调制解调系统及RF系统相结合,完成整个测控应答机的功能这就是本章需要论述的内容3.2 基带处理电路原理设计为了满足以上要求,该设计电路应用于软件测控应答机中基带部分的数据处理主要由FPGA与DSP完成测控应答机中的载波恢复数据解调侧音转发伪码测距等功能电路功能的简要说明:1.外部信号经过电平转换,变为差分电压,输入并口ADC,三个并口AD转换器AD1AD2AD3分别对接受到的IQ模拟信号及发射的I/Q混频信号进行采样,AD变换结果为12位数据,先输入FPGA,经过FPGA内部电路的处理2.并口DAC芯片包含两路,电路上采用了5路DAC分别负责对IF中频信号载波跟踪输出基带发送I/Q信号增益控制信号进行数模转换3.PC机通过专用下载