（信号与信息处理专业论文）航天测控中的中频数字化系统设计.pdf

摘要 摘要 新一代航天测控系统正朝着数字化的方向发展，而基于软件无线电理论的中 频数字化发射机及接收机具有通用性、灵活性、误码率低的特点，已经成为现代 无线通信系统的重要组成部分。因此，研究适用于测控系统的中频数字化系统具 有重要的意义。 本文通过对中频数字化发射机与接收机技术的研究，结合航天测控系统的特 点，对多普勒频偏补偿及位同步等技术难点进行了重点研究并提出了相应的解决 方法。在此基础上，给出了一种多用途中频数字化发射机及接收机设计方案并加 以实现。设计的发射机及接收机的所有数字信号处理单元均在一片f p g a 上实现， 具有体积小，功耗小，处理速度快的特点。 通过实际测试，发射机及接收机在较大的多普勒频偏干扰下，通过上位机软件 设置可以完成多种码速率、多种调制方式的中频信号的调制与解调任务，并且在 一定的信噪比条件下，误码率极低，表现出良好的性能。 关键词：航天测控中频数字化系统f p g a 通用性 a b s t r a c t a b s t r a c t t h en e w g e n e r a t i o no fs p a c et t & cs ) ，s t e mt e n d st 0b em o r e 锄dm o r ed i g i t a l i z e d a n dt 1 1 ei m e 珊e d i a t e 缸q u e n c y ( i f ) d i g i t a l i z e d 仃a i l s m i n e ra i l dr e c e i v 枥c hb a s e do n s o m a er a d i om e o r y ，h a v eb e c o m e 廿1 em o s th p o r t a n tp a no ft l l es p a c e1 t & cs y s t e m b e c a u s eo fi t sg e n e r a l i 吼f l e ) 【i b i l i 够a i l d0 p e n n e s s 1 1 1 e r e f o r e ，n l er e s e a r c ho n 1 c 巧 d i 百t a l i z e ds y s t e mh 嬲s i g i l i f i c a mm e 越i 冯 n et e c l l i l o l o g yo f 巧d i g i t a l i z e d 仃a i l s i i l i t c c ra i l d r e c e i v e r ，w 1 1 i c hb a s e d0 n 廿1 e c h a 珊e r i s t i c so fs p a c e 订& cs y s t e i n ，h a sb e e nm s c u s s e di n 廿l i st 1 1 e s i s t w ot e c l 血c a l d i 伍c m t i e s ，d o p p l 铮s h j r 锄db “s y n c l l r o n i 刎0 n ，a r er e s e a r c h e di n d e c a i la n d 也c c 伽哈s p o n d i i l gc o u n t e m e a s u r ei sp u tf 1 0 r w a 帕血a d d i t i o n ，ad e s i 伊 s c h e n l e0 f m u l t i p u 印o s e i fd i 西t a l i z e d 讹n s m i t t e ra i l dr e c e i v e rh 髂b e e n p r o p o s e d a n d i i n p l e i 】瑚t e d ，w 1 1 i c hc a nc o m p a c ta 1 1m es i 印a lp r o c e s s i l l gu 1 1 i t si nr e s p e c 石v ep i e c e so f f p g at 0a c l l i e v ef a s t e rp r o c e s s i n gs p e e d 谢也s m a l l e rv o l 啪e t h et e s tr e s u l ts h o 、椭i nm el a 玛ed o p p l e r - s b j ri n t e 】i 宅r e n c e ，b ys e t t i l l gt 1 1 eh o s t c o m 】p u t e rs o f 啊a r e ，也i s 巧d i g i t a l i z e d 们n s 础e ra l l d r e c e i v e rc 觚m o d u l a t ea 1 1 d d e m o d _ u l a c et h e 正s i 朗a lo fi i i u l t i - c o d er a t ea n dm u l t i p l em o d u l a t i o nm o d e p r o p e d y 加1 dt ：h eb i te 仃o rr a t ei sv e r yl o w 谢t 1 1c e n a i ns n r s h o 讹ga ne x c e l l 咖 p e r f b n n a n c e k e y w o r d s ：s p a t t & ci d i g i t a l i z e ds y s t e m f p g ag e n e n h t ) r 西安电子科技大学 学位论文独创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：) 虱盈筮日期：丕翌z ：! ! ：竺 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西塞电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 本人签名： 导师签名： 日期：丝z ：! ! ：! 日期：一建丝冬z ：碰 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究背景及意义 在航天工程的带动和无线电技术的推动下，航天测控获得了长足的发展。航 天测控系统指的是对航天器的各个阶段进行跟踪、测量和控制的专用技术设施， 主要包括跟踪测量、遥测、遥控三大功能。因此国际上，航天测控系统又称为 t t & c ( 1 r a c k i n gt e l e m e t 】ya 1 1 dc o 姗a n d ) f 1 1 。 航天测控系统经历了三个重要的发展阶段。第一个阶段是6 0 年代的分离测控 体制，由相互分离的跟踪测轨、遥测设备、遥控设备组合成一个测控系统，且每 个设备使用各自独立的发射频率、信道设备，这不仅占用一定的体积，而且存在 着电磁兼容的问题；第二个阶段是7 0 年代的统一s 波段s b ) 体制，它将遥测、 遥控、通信、测角、测距、测速用一个载波来完成，应用领域涉及各种火箭、卫 星、飞船、空间站的测控，深空跟踪，导弹试验的安全控制以及航空飞行器的测 控，并被纳入国际空间数据系统咨询委员会( c c s d s ) 标准；第三个阶段是8 0 年代 的跟踪与数据中继卫星系统体制，简称为) r s s 体制，它是利用地球同步轨道 的跟踪与数据中继卫星对中低轨航天器进行测控，这种体制从根本上解决了测控 高覆盖率的问题1 2 j 。 目前，我国卫星测控设备都是由传统的硬件组成，只能应用于单一的测控任 务，且各类卫星测控系统的工作频率、调制体制、编码体制和测距体制都不相同， 各种卫星间测控信道也不能互通互用，这无疑加重了研制负担，造成了资金浪费。 解决这一问题的最理想的方法就是采用软件无线电技术。 软件无线电的中心思想是构造一个具有开放性、标准化、模块化的通用硬件 平台，将各种功能，如工作频段、调制解调类型、数据格式、加密模式、通信协 议等用软件来完成，并使a d 和d a 转换器尽可能靠近天线，以研制出具有高度 灵活性、开放性的新一代通信系统。其最终目的就是要使通信系统摆脱系统结构 的束缚。在系统结构相对通用和稳定的情况下，通过软件实现各种功能，使得系 统的改进和升级非常方便，代价很小，且不同系统之间能够互联和兼犁引。 若将软件无线电技术应用于卫星测控领域，则可以根据不同的测控任务需求 给开放性的硬件平台加载不同的功能软件，并可以随着技术的进步，在不改变硬 件平台的前提下不断对功能软件进行升级。这样既增强了卫星测控系统的灵活性 和可维护性，又保持了技术的先进性。此外，还可以大大节省重复性硬件设备的 投资。理想软件无线电的基本思想是使d 转换器尽可能靠近射频天线，以便尽 2 航天测控中的中频数字化系统设计 可能早地将接收到的模拟信号数字化，尽量通过软件来实现各种功能【3 j 。然而， 由于受到器件发展水平的限制，目前还无法在射频直接进行数字采样；因此中频 数字化系统设备就成为了一种行之有效的方案。同时，新一代的测控通信系统要 求进一步提高系统的智能化水平，综合化、数字化已经成为航天测控系统的发展 趋势【4 】o 本文所设计的中频数字化系统正是应用在航天测控系统中，在满足指标的前 提下，在多普勒频偏补偿、传输速率、传输码型以及调制解调方式的通用性方面 做了一些探索和实践，取得了一些成功的经验。 随着技术的发展，无线测控系统需要具备高码速率、实时可重构和处理复杂 帧结构的能力，传统的数字电路已经无法实现这些功能。f p g a 是近些年发展起 来的硬件可编程芯片，具有硬件密度高、结构灵活、可编程和加密性强等优点， 可将复杂的逻辑功能集成在一块芯片上，在高速信号处理领域占有至关重要的地 位，也为高码速率动态配置参数的中频数字化系统的实现提供了有效的途径。 1 2 论文主要工作及内容安排 论文根据软件无线电理论，讨论了应用于航天测控中的中频数字化技术，并 给出了一种基于f p g a 的中频数字化系统实现方案。 本文的技术重点有： ( 1 ) 研究了一种适用于航天测控系统中的多普勒频偏检测与补偿技术； ( 2 ) 研究了一种适用于航天测控系统中的位同步技术； ( 3 ) 本系统实现了多种码速率，多种调制解调方式，多种成型滤波器参数的 在线配置。在系统工作时，可以利用上位机软件通过接口逻辑电路进行参数的实 时设置，以适应不同的遥测任务，具有很高的通用性。 论文全文共分七章，安排如下： 第一章为绪论，主要论述了该课题的国内外发展动态、研究背景及意义，并 介绍了论文的主要工作和章节安排； 第二章介绍了中频数字化的理论基础。主要包括差分相位调制与解调原理、 采样理论、数字正交混频理论及多速率信号处理理论； 第三章根据技术指标给出了中频数字化系统总体设计方案，详细介绍了各模 块功能： 第四章根据总体设计方案给出了中频数字化发射机设计方案，详细介绍了各 模块功能； 第五章根据总体设计方案给出了中频数字化接收机设计方案，详细介绍了各 模块功能，并且着重介绍了一种适用于航天测控系统中的多普勒频偏检测与补偿 第一章绪论 技术和位同步技术； 第六章对本文所设计的中频数字化系统的各部分逻辑电路进行详细的仿真， 并对仿真结果进行了分析； 第七章总结了本文所做的工作，并分析了中频数字化技术在无线测控中的应 用前景，指出下一步工作的方向。 第二章中频数字化理论基础 5 第二章中频数字化理论基础 中频数字化的基本理论源自于软件无线电原理。软件无线电是将硬件作为通 用的基本平台，把尽可能多的无线及应用的功能用软件来实现，从而将无线通信 新系统、新产品的开发逐步转移到软件上来。最终的目的是使通信系统摆脱硬件 布线结构的束缚，在系统结构相对通用和稳定的情况下，通过软件来实现各种功 能【3 】。本文所涉及到的基本理论包括差分相位调制与解调理论、信号采样理论、 多速率信号处理理论、数字混频正交变换理论等。 2 1 差分相位调制与解调方式 系统中使用的调制方式为差分相位调制，包含d b p s k 、d q p s k 、d o q p s k 。 2 1 1d b p s k 方式 d b p s k 方式是利用前后相邻码元的相对载波相位值去表示数字信息的一种 方式【5 1 。假如相对相位值用相位偏移表示( 定义为本码元初相与前一码元 初相之差) ，并设= 万表示数字信息1 ，西= o 表示数字信息o ，则数字信息序 列与d b p s k 信号的码元相位关系可举例表示如下： 数字信息绝对码：o0lo oo1 11 10o 相对码：oo01 11 1o101 11 d b p s k 信号相位：oo0 万万万万0 万o 万万万 或者：万刀万ooo0 万o 万o00 由此可见d b p s k 信号不依赖于某一固定的载波相位参考值，只要前后码元 的相对相位关系不破坏，则鉴别这个相位关系就可正确恢复数字信息，而且相对 移相信号可以看做是把数字信息序列( 绝对码) 变换成相对码，然后再根据相对码 进行绝对移相形成。 2 1 2d q p s k 方式 与d b p s k 方式一样，d q p s k 也是利用前后码元之间的相对相位变化来表示 数字信息，不同的地方在于这里的码元为双比特码元。若以前一码元相位作为参 考，并令魄为本码元和前一码元的初相差，则信息编码与载波相位变化关系可 6 航天测控中的中频数字化系统设计 用表2 1 来表示；它们之间的矢量关系也可以用图2 1 表示【5 】( 表2 1 和图2 1 所示 为本设计中所采用的方式) 。 表2 1d q p s k 信号相位编码逻辑关系 双比特码元 前后码元载波相位差 ab 呶 ooo 。 109 0 。 11 1 8 0 。 012 7 0 o o 1 l 0 1 1 1 一 一。，。一 。， 图2 1d ( 妒s k 信号的矢量图 根据上述描述，可以得到码变换表2 2 【6 】。 表2 2d q p s k 信号的码转换表 虢i ，1 )q ，1 i 1 ) 0 00 11 11 0 0o0 00 11 11 0 olo l1 l1 00 0 ll1 11 00 00 1 1o1 0 0 0 0 1 l l 由此可见d q p s k 信号与d b p s k 一样，不依赖于某一固定的载波相位参考值， 只要前后双比特码元的相对相位关系不破坏，则鉴别这个相位关系就可正确恢复 数字信息。为了得到d q p s k 信号，可以先将输入的双比特码( 绝对码) 经码型变换 成相对码，再将相对码进行四相绝对移相，则所得到的输出信号便是d q p s k 信 号。 2 1 3d o q p s k 方式 由于在d q p s k 中存在1 8 0 。的载波相位跳变，这种相位跳变会引起包络起 第二章中频数字化理论基础 7 伏，当通过非线性部件后，使已经滤出的带外分量又被恢复出来，导致频谱扩展， 增加对邻波道的干扰。为了消除1 8 0 。相位跳变，在d q p s k 基础上发展起来一 种恒包络数字调制技术d o q p s k ，也称为偏移四相相对相移键控凡它与d q p s k 基本上一样，唯一不同的地方是它将同相和正交两支路的码流在时间上错开了半 个码元周期。由于两支路码元存在半周期的偏移，每次只有一路可能发生极性翻 转，因此不会发生两支路码元同时翻转的现象。所以d o q p s k 信号相位只能跳变 o 。或9 0 0 ，不会出现1 8 0 0 的相位跳变。 2 2 采样定理 中频数字化系统中的接收机按照功能可分为两个部分：一是通过采样，把中 频模拟信号转变为中频数字信号；二是利用d s p 软件对中频数字信号进行处理。 因此对于接收机来说首先面临的问题就是如何对感兴趣的模拟信号采样? 采样频 率如何选取? 采样后的信号是否能无失真的恢复为原信号? 解决这些问题的依据 就是采样定理。 2 2 1 乃奎斯特采样定理 n y 删s t 采样定理可表达如下：设有一个频带限制在( 0 ，厶) 内的带限信号x o ) ， 如果以石2 厶的采样速率对x ( f ) 进行等间隔采样，得到时间离散的采样信号 z ( 功= 石( 甩五) ( 其中五= 1 石称为采样间隔) ，则原信号x o ) 将被所得到的采样值 x ( 刀) 完全确定【引。由于软件无线电要求a d c 采样尽可能的靠近天线，由n y q u i s t 采样定理可知，随着a d c 向射频端推移，疋的取值将很高，这就引出了许多的 问题【9 】： ( 1 ) 高速a d c 器件难以实现； ( 2 ) 由采样孔径抖动造成的信噪比恶化严重； ( 3 ) a d c 速率过高，对d s p 处理速度要求高，难于实时处理。 就中频数字接收机而言，常常碰到的是窄带信号，所谓窄带信号是指信号的 频谱集中在信号中心频率附近的一个很窄的范围内，即信号带宽b 信号中心频 率无。此时将采用带通采样定理，既可以降低采样频率又可以实现无混叠采样。 2 2 2 带通采样定理 设一个频率带限信号x ( ，) ，其频带限制在( 无，厶) 内，如果其采样速率石满足： 8 航天测控中的中频数字化系统设计 石= 萼掣 ( 2 - ，) 式中，胆取能满足z 2 ( 厶一五) 的最大正整数，则用石进行等间隔采样所 得到的信号采样值x ( 以五) 能准确地确定原信号x ( r ) 【引。 式( 2 1 ) 也可以用带通信号的中心频率五和频谱带宽b 来表示： f 一4 ) q s 一荔百( 2 - 2 ) 式中，五：五 錾，疗取能满足石2 b 的最大正整数。 显然，当五= 厶2 、b = 厶时，取刀= o ，式( 2 2 ) 就是乃奎斯特采样定理。 由式( 2 2 ) 可见，当频带宽度b 一定时，为了能用最低采样速率，即两倍频带宽度 速度对带通信号进行采样，带通信号中心频率必须满足： 五= 莩b ( 2 3 ) 当n 取不同的值，就对应了不同的中心频率，这些不同中心频率的信号都可 以用疋= 2 召对信号进行无混叠采样。 必须指出的是，上述采样定理使用的前提条件是：只允许在其中的一个频带 上存在信号，而不允许在不同的频带上同时存在信号，否则会引起信号混叠。为 了达到这样一个前提，在采样前，先进行滤波，得到后端所感兴趣的带通信号， 然后再进行采样，防止信号的混叠。这样的滤波器称之为抗混叠滤波器。 2 3 数字正交混频 一般的物理可实现信号都是实信号，而实信号的频谱具有共轭对称性，即正 负频率幅度分量是对称的，而其相位分量正好相反。所以对于一个实信号，只需 由其正频部分或其负频部分就能完全加以描述，不会丢失任何信息，也不会产生 虚假信号【1 0 】。而一个实信号x ( f ) 的正频率分量所对应的信号z ( ，) 是一个复信号， 其实部是原信号x ( f ) ，而其虚部为原信号的j c ( r ) 的h i l b e r t 变换。人们把z ( f ) 称为 实信号x ( f ) 的解析表示，其实部和虚部是相互正交的，实部称为同相分量，虚部 称为正交分量。 对于数字上变频而言，为了实现信号的正交合成，需要产生两个相互正交的 本振信号c o s f 和s i n f 。采用传统的模拟本振方法，无法产生正交性较高的混 频信号。为此，现在一般采用数字正交混频技术。数字正交混频器包括两个部分： 一是乘法器，二是数字控制振荡器c 0 ) 。其原理如下： 设输入的基带信号的实部为，( ，) ，虚部为q ( ，) ，采样后的信号为，( 疗) 和q ( 刀) ， 第二章中频数字化理论基础 9 分别与n c o 的输出c o s ( u 力) 和s i n ( u 刀) 相乘，进行数孚上燹频，得到： 乃( 刀) = ，( 甩) c o s ( 缈刀) ( 2 - 4 ) ( 刀) = q ( 聆) s i n ( 训 ( 2 5 ) 将两路信号进行相加或相减运算，这以相减为例，得到正交合成后的信号为： y ( 刀) 2 m ( 刀) 一场( ，? ) ( 2 6 ) 得出：y ( 功= 彳c o s 【功行+ 缈( ，? ) 】 ( 2 7 ) 这里缈( n ) 表示相位调制信息。 对于数字下变频而言，为了实现信号的正交分解，同样一般采用数字正交混 频技术，包含乘法器和n c o 两部分。其原理描述如下： 设输入a d c 的信号为： o ) = 彳c o s 【2 7 嘱f + 妒( 纠 但8 ) 采样后的信号为： ( 刀) = 么c o s u + 妒( 厅) 】 ( 2 9 ) 其中u = 2 7 r 五z ，五为信号中心频率，z 为a d c 采样频率，妒( 力) 表示相 位调制信息。 n c o 产生的本地混频信号为：c o s ( “w ) 和s i r l ( u 功，分别与式( 2 9 ) 相乘，得到： ( 刀) 2 詈 c o s 2 蝴+ 垆( 刀) 】+ c o s 印( 力) 】 ( 2 1 0 ) ( ，z ) 2 詈 s 洫 2 堋+ 妒( 刀) 】一s 试印( 玎) 】 ( 2 1 1 ) 最后经过低通滤波后，得到两路正交信号： 2 号c 。s 协) 1 ( 2 1 2 ) q ( 刀) = 一号s i n 眇( 疗) 1 ( 2 1 3 ) 2 4 多速率信号处理 多速率信号处理包括整数倍抽取、整数倍内插以及分数倍速率变换。 整数倍( d 倍) 抽取【8 】指的是把原始采样序列x ( 刀) 每隔( d 1 ) 个数据取一个，以 形成一个新序列b ( 所) ，即砀( 胁) = x ( 7 加) ，式中d 为正整数，其时域抽取过程 如图2 2 所示( d = 3 ) 。 1 0 航天测控中的中频数字化系统设计 图2 2 d 倍抽取( d 。3 ) 抽取完后的序列杨( 朋) 可由式( 2 1 4 ) 表示，其频域表达式如式( 2 1 5 ) 所示。由 该式可知，抽取后的序列频谱如0 弘) 为原始序列的频谱x 弘) 经频移和d 倍展 宽后的d 个频谱的叠加和。图2 3 给出了抽取前后的频谱变化图。 而( 聊) = x ( 所d ) = x ( 朋) - 6 ( 聊一尬) ( 2 1 4 ) 址忙去静邮】 t k ( p ”) 弋一 图2 3 抽取前后( d = 2 ) 的数谱结构( 有混叠) 从图2 3 可以看出，抽取后的( p 扣) 产生了严重的混叠，使得从p 归) 中 已经无法恢复出x p p ) 中所感兴趣的信号频谱分量。但是如果首先用一数字滤波 器( 滤波器带宽为丌d ) 对x o p ) 进行滤波，使x 0 灿) 中只含有小于丌d 的频率分 量( 对应模拟频率为z 7 r d ) ，再进行d 倍抽取，则抽取后的频谱就不会发生混叠， 其过程如图2 4 所示，这样0 弘) 中的频率成分与x 扣) 的频率成分是一一对 应的，即( p 灿) 可以准确地表示x p 归) 中小于z 丌d 的频率分量信号。所以这 时对( p p ) 进行处理等同于对x ( p 归) 的处理，但前者的数据流速度只有后者的 1 d ，大大降低了数字信号处理的速度要求。 第二章中频数字化理论基础 ( p p ) 八、瓜爪八入。 i jl ： 日()： i ： l 弧| d ，7 j ( b ) 一瓜| 【 ) 入八 入八。 o 图2 4 抽取前后= 2 ) 的频谱结构( 无混叠) 整数倍( i 倍) 内插【8 】指的是在两个原始抽样点之间插入( i 1 ) 个0 ，若设原始抽 样序列为x ( 刀) ，则内插后的序列而( 所) 如式( 2 1 6 ) 所示，内插过程如图2 5 所示( 图 中d = 3 ) ： 咖，= d j ：l 三篆皿l 图2 5 d 倍内插( d = 3 ) 而( 垅) 的频域表达式如式( 2 - 1 7 ) 所示，即置( p 归) = x ( p 删) 。由此可见，内插 后的信号频谱为原始序列谱经i 倍压缩后得到的谱。图2 6 给出了内插前后的频 谱结构。 1 2 航天测控中的中频数字化系统设计 五= 而( ，旷= 砌矿= 删) ( 2 - 1 7 ) jix ( 霄) 队八一 ji m mm m 一 图2 6 内插( i = 2 ) 前后的频谱结构图 从图中可见，五0 归) 中不仅含有x ( p 归) 的基带分量( 如图中阴影部分所示) ， 而且还含有其频率大于万，的高频成分( 称其为x ( p 归) 的高频镜像) ，为了从 五 归) 中恢复原始谱，则必须对内插后的信号进行低通滤波( 滤波器带宽为 石，) ，滤波后的频谱结构如图2 7 所示，这时的内插序列将如图2 8 所示。 j 爪1 。汤狡年爪二 图2 7 内插滤波后的频谱结构图图2 8 内插滤波后的时域图 显然，分数倍速率变换可通过先进行整数倍( i 倍) 内插，再进行整数倍( d 倍) 抽取来实现。 插值和抽取都要用到滤波器，实际当中常用的有半带滤波器( 以下简称船滤 波器) 和积分梳状滤波器【8 1 ( 以下简称c i c 滤波器) 。当整数倍速率变化时，抽取或 插值因子s 可以分解成如下形式s = m 2 ”( 其中朋表示非2 的幂次的整数) ，常使 用c i c 滤波器来实现肌倍插值或抽取。c i c 滤波器的结构如图2 9 所示，e ( z ) 表 示积分器，皿( z ) 称为梳状滤波器，滤波器的阶数s 等于抽取或插值因子。根据 图2 9 不难得出，c i c 滤波器有以下优点： 广一一一一一一一一一一一 广一一一一一一一一一一一一一1 图2 9 c i c 滤波器的实现 第二章中频数字化理论基础 1 3 ( 1 ) 不需要一般f i r 滤波器所用的乘法器，只需要加法器就可以实现； ( 2 ) 不需要存储滤波器系数； ( 3 ) 可将抽取器放在积分器和梳状滤波器之间，减少运算量； ( 4 ) 结构规则易于扩展； ( 5 ) 抽取或插值倍数可变。 这些优点无论是对提高实时性，还是对简化硬件都有重要的意义。对于c i c 滤波器的详细设计方法可参考有关文献，在这里需要特别指出的是，为了能获得 足够的阻带衰减，降低混频影响，在信号带宽b 一定的条件下，应尽可能的采用 小的抽取或插值因子s 或增大采样率正，后者就意味着c i c 滤波器一般放在抽取 系统的第一级或插值系统的最后一级。 另外一种适合于2 ”倍插值或抽取的滤波器被称为h b 滤波器。h b 滤波器具 有如下的特性： ( 1 ) 冲击响应除了零点不为零外，在其它偶数点全为零，这样减少了一半的 计算量，特别适合实时处理； ( 2 ) h b 滤波器进行2 倍抽取或插值后，在过渡带是有混叠的，但是在通带信 号受到保护，没有混叠。这个性质可由图2 1 0 看出。因此对于带通信号，完全可 以采用h b 滤波器进行2 倍抽取或插值。我们只要利用窗函数设计f i r 滤波器的 方法，根据抽取前后的抽样速率和信号带宽对，u 。仔细设计就可以了。实际 工程中，我们一般是使用i s e 中自带的p 核来实现船滤波器，系数由m a t l a b 设计产生。 图2 1 0 耶滤波器 2 5 本章小结 本章主要介绍了中频数字化的基本理论。主要包括差分相位调制与解调理论、 信号采样理论、多速率信号处理理论和数字混频正交变换理论，着重介绍了带通 采样定理、正交混频技术、抽取插值技术以及积分梳状滤波器和半带滤波器，它 们是发射机、接收机实现数字化的关键技术。 第三章中频数字化系统总体设计 1 5 第三章中频数字化系统总体设计 上章介绍了中频数字化的理论基础，本章在分析技术指标的基础上，给出中 频数字化系统的总体设计方案，并介绍各模块的功能。 3 1 功能及指标要求 本系统的中频频率为7 0 m h z ，它是由中频数字化发射机和中频数字化接收机 两部分组成，通过调制体制设置、码型设置以及位速率等设置来适应不同种类的 测控任务。设备开机上电后，发射机根据配置的工作状态信息将输入的连续p c m 数据流调制至中频，同样接收机也根据配置的工作状态信息接收发射机的中频调 制信号，并将其解调至连续的p c m 数据流。 进行中频数字化系统设计时，本文重点考虑其用途的通用性，主要反映在技 术指标上。通用性主要体现在调制解调方式、滚降系数、位速率、码型、频偏检 测补偿范围这几个方面。 对于发射机部分，其具体指标为：调制体制包括d b p s k ，d q p s k ，d o q p s k 方式；载波中心频率为7 0 m h z ，带宽最高为5 m 时z ；调制信号为外部p c m 数据 流；调制码型包括泫l 、屹4 讧、屹s ；输出功率范围为4 0 d b m ，以3 d b m 为步进；位速率为1 k b p p 5 m b p s ，以2 的级数为步进；输出阻抗为5 0 q ；滚降系 数从0 1 到1 可配置，以o 1 为步进；载波频率稳定度优于士5 1 0 天。 对于接收机部分，其具体指标为：解调体制包括d b p s k ，d q p s k ，d o q p s k 方式；a g c 范围为o 9 0 d b m ，响应时间为0 1 m s 、1 m s 或1 0 m s 可选；输入载波 频率为7 0 m h z ，带宽最高为5 z ；解调码型包括n r z l 、n r z m 、m 逻s ；位 速率为1k 1 ) p 弘5 m b p s ，以2 的级数为步进；输入阻抗为5 0 q ；滚降系数从o 1 到 1 可配置，以o 1 为步进；频偏捕获和跟踪范围为( 1 肚2 0 0 ) z ；e b n o 为1 3 5 d b 时，误码率为o 0 0 1 。 3 2 系统组成及工作原理 经过对技术指标的综合考虑，可得出中频数字化系统的总体设计方案。系统 结构如图3 1 所示，主要由中频数字化发射机和中频数字化接收机组成，两者可 通过s m a 连接器及同轴电缆进行连接。 1 6 航天测控中的中频数字化系统设计 图3 1 中频数字化系统组成框图 该系统是把外部p c m 数据经成形滤波、插值、上变频调制成模拟信号( 7 0 m h z 中频) 送至接口插座；把中频7 0 m h z 信号经下变频、匹配滤波、解调处理成数据 流送至接口插座及计算机。 信号的调制、解调等功能在收发f p g a 中完成。 中频数字化系统主要包括四个功能单元：模拟前端部分，发信f p g a 部分， 收信f p g a 部分，算法引擎c p u 部分。模拟前端完成的功能为：发信中频信号 d a 转换：发信中频信号带通滤波；可变增益放大；收信中频信号抗混叠滤波： 接收信号的刖d 采样。发信f p g a 完成的功能为：接收c p u 转发的外部p c m 数 据；发信数据的串并转换( 不含d b p s k ) ；发信数据d b p s k 、d q p s k 、d o q p s k 方式调制；发信数据成形滤波；发信信号的数字上变频；控制时钟( 帧时钟) 产生。 第三章中频数字化系统总体设计 1 7 收信f p g a 完成的功能为：收信中频信号的数字下变频；收信信号的匹配滤波； 载波提取及频偏补偿；位同步信号提取；d b p s k 、d q p s k 、d o q p s k 方式解调 及并串转换；a g c 自动增益控制；解调数据送至c p u 。c p u 完成的功能为：通 过u s b 口接收外部p c m 数据及下发至发信板；接收收信板上传数据并通过u s b 口上传至上位机；发射机工作模式设置；接收机工作模式设置；时钟芯片配置； d a 芯片配置。 c p u 选用c i 也s s 公司的e z u s bf x 2 l p 系列的c y 7 c 6 8 0 13 a 芯片j ， 该单片机片内集成了u s b 2 0 收发器，便于与上位机进行通信；内部采用8 0 5 1 核； 有g p 礤模式、主从模式、普通模式三种数据传送模式；使用，2 c 总线协议进行程 序下载。设计中采用其普通模式来进行数据传送，并且通过程序控制普通优) 口 模拟s p i 协议来配置各个芯片。单片机的接口为c m o s ( 3 3 v ) 电平标准，与其它 芯片接口电平标准一致，可以直接相连。 时钟管理芯片选用a d i 公司的a d 9 5 1 0 【删，该芯片需要外部控制器通过s p i 总线协议对其工作参数进行配置；有锁相环( p l l ) 加时钟分配模式、时钟分配模式、 含带通滤波器的p l l 加时钟分配模式三种时钟产生模式；能够按参数设置产生各 种电平标准的时钟信号，包括c m o s 、l v d s 、l v p e c l 等，而且其输出的时钟 信号初始相位差可以控制，满足信号处理中某些关键时钟信号的时序要求。设计 中采用时钟分配模式来产生所需要的时钟。 f p ( 认芯片选用x 【l i n x 公司的s p a r t a n 3 系列的x c 3 s 2 0 0 0 5 龟4 5 6 【”j ，其含 有5 1 2 0 个c l b ，等效为2 m 门的资源；含有3 2 0 k ( k _ 1 0 2 4 ) 位的分布式r a m ； 7 2 0 k ( 】隆1 0 2 4 ) 位的块状ra m ；4 0 个硬件乘法器；4 个数字时钟管理器d c m ；其 所能达到的时钟频率完全满足设计所需的最高时钟频率8 0 m h z 。在系统调试过程 中，使用j t a g 接口对f p g a 进行配置。在开发完成后，f p g a 上电后需要重新 配置，配置电路选用专门的配置芯片x c f l 6 p 实现。接口设置为【，v c m o s ( 3 3 电平。 d a c 选用a d i 公司的a d 9 7 7 9 【1 4 j ，其内部含有两个通道( i q 通道) ，每个通 道分别有3 级2 倍插值的半带滤波器；然后含有一个复调制器，可以对i 、q 通 道表示的复信号进行复调制；对于复调制出来的信号，实部和虚部分别有一个逆 正弦信号处理模块；含有一个时钟管理模块，分别对上述各个模块产生相应的时 钟，该管理模块可以使用锁相环( p l l ) 模式或者直接时钟分频模式。该芯片需要外 部控制器通过s p i 总线协议对其工作参数进行配置，如是否使用插值滤波器，插 值滤波器的带通范围，是否关闭q 通道，不使用其复调制功能，是否使用逆正弦 信号功能等等。芯片的时钟接口电平标准要求为l v d s ，可由a d 9 5 1 0 芯片提供。 每当芯片需要输入一个新的数据时，会有一个d a l a c l k o u t 时钟的上升沿作为 指示。设计中使用该d a l a c l k o u t 时钟作为上一级f p g a 芯片的主时钟。 1 8 航天测控中的中频数字化系统设计 带通滤波器和抗混叠滤波器是一样的，主要包括声表面滤波器和3 d b 功率放 大器，声表面滤波器的中心频率是7 0 m h z ，带宽为5 m h z ，其优势在于插损比较 小，3 d b 功率放大器的主要作用是补偿声表面滤波器的功率衰减。 可变增益放大器主要采用a d i 公司的v g a 芯片a d 8 3 6 9 【”】，其对信号的增 益倍数可以通过外部数字信号控制。当负载电阻r ，= 1k q 时，增益范围为5 d b 到 + 4 0 d b ，当负载电阻r ，_ 2 0 0 q 时，增益范围为一1 0 d b 到+ 3 5 d b ，都是以3 d b 为步 进。适合放大的信号频带为0 h z 到6 0 0 m h z 。控制增益放大的数字信号可以采用 串行模式或者并行模式输入，设计中选用并行模式。 a d c 选用a d i 公司的a d 6 6 4 4 6 5 【1 6 。，其最高采样速率可以达到6 5 m s p s ；采 样位数为1 4 位；采样信号的电压波动范围为o 5 5 v 至+ o 5 5 v ，必须为无共模分 量的差分信号输入；芯片的时钟接口电平标准要求为l v p e c l ，可由a d 9 5 1 0 提 供；每当输出一个采样值的时候，会有一个d r y 时钟的上升沿指示其输出。设 计中使用该d i w 信号作为下级f p g a 芯片的主时钟。 3 3 关键技术及实现 通过对3 1 节指标要求的介绍可得出，该接收机的技术难点主要有两个： ( 1 ) 多普勒频偏补偿技术对系统性能影响较大且较难实现。 ( 2 ) 位同步技术对系统性能影响较大且较难实现。 由于载波频偏较大，采用传统的锁相捕获跟踪环路无法很好的对载波进行恢 复，需要选择新的方案，由于要求的码速率较高，所以对位同步电路的运行速度 提出了更高的要求，需要对现有的方案进行改进。因此本节将着重介绍多普勒频 偏补偿技术和位同步技术，除此以外还将对码型转换技术、数字混频技术、差分 相位调制与解调技术及多速率滤波器组技术加以介绍。由于传统的方法难以实现 如此复杂的功能，将对本方案所采用的逻辑电路的实现方法进行详细说明。 3 3 1 多普勒频偏补偿技术 在快速运动的航天器系统中多普勒频率参数使得接收机接收到的信号中存在 高动态范围的载波频率偏差，其结果就是使接收到的信号产生相位漂移，最终足 以引起系统误码率的严重恶化【1 7 j ，因此载波恢复是全数字接收机中的一个关键组 成部分。本接收机要求的频偏捕获跟踪范围为士1 0 k h z 至士2 0 0 k h z ，动态范围比 较大。为了解决这个问题，可预先利用f f t 频偏估计器【i 螂对载波频偏进行捕获， 然后采用f l l ( 锁频环) 和p l l 相结合的方式对载波频偏进行矫正。f f t 频偏估计 器的结构如图3 2 所示： 第三章中频数字化系统总体设计 1 9 数字 t 里一鲨堕堡鉴u l i j 塑篁塑i7 l 里鏊生竺l 一焦生堡堡r i 堡 下变 频及 低通 滤波 l1 2 ( s i n )1 0 = s i l l ( 2 7 r 乃z 刀+ 九+ ) + 吩 ( 3 - 1 ) 乃：牌。三。学一 p 3 ，乃2 1 告z 譬 f p g a 数据信号( 8 位) 。 地址 a d r m c u 一 f p g a 参数配置寄存器地址线( 2 位) 。 参数及需要传输的数据的写时钟，上升 w rc l k m c u 一 f p g a 沿有效。 参数写使能信号。若为高，f p g a 响应 w r 锄1 m c u 一 】p p g a 单片机的参数写入操作。 调制数据的写使能信号。若为高，f p g a 控制 、re n 2m c u 一 f p g a 响应单片机的调制数据的写入操作。 时钟模块复位信号。由于各个模块都采 c 奠s e t m c u 一 l 巾g a 用同步复位，因此需要先对时钟模块复 位。 逻辑电路复位信号。在时钟模块复位 s y mr e s e t m c u 一 f p g a 后，再产生。 i n tf m c u f p g a参数写的时钟，上升沿有效。 参数写使能信号。若为高，f p g a 响应 w re n m c u 一 f p g a 单片机的参数写入操作。 读数据使能信号。若为高，表示单片机 r de nm c u 一 f p g a 从f i f o 中读取解调数据。 控制 8 位双向数据接口的控制信号。若为高， c o n 们l s i 印a j m c u 一 n g a 双向口为输入口；若为低，双向口为输 出口。 时钟复位信号。由于各个模块都采用同 c l l 【r e s e tm c u 一 f p g a 步复位，因此需要先对时钟模块复位。 逻辑电路复位信号。在时钟模块复位 s y s t e m s e t m c u 一 f p g a 后，再产生。 非空指示。低电平表示有未读取的解调 状态 f i f 0 _ n a g m c u s i m _ u l a t o r 一项中选择m o d e l s i i n s e v e r i l o g 后，就可以在i s e 中直接启动m o d e l s 洫进行仿真。 为进行仿真首先要建立测试文件，测试文件一般分为两种，一种是矢量波形 文件，另一种是矢量文本文件1 3 0 】。矢量波形文件适合于突发性较强，重复次数不 多或者持续时间较短的情况，矢量文本文件适合于持续时间长，无规律性的情况。 由于本系统输入信号的随机性以及仿真持续时间很长，不可能手动建立时序波形， 因此我们采用矢量文本文件作为测试文件。仿真的基本思路是：将被仿真的系统 作为测试程序的一个例化单元来看待，例化后，利用v e r i l o g 如) l 语言中的过程语 句给元件加入激励，然后在m o d e l s 洫中进行仿真，观测仿真的结果，从而达到 系统仿真的目的。 实际操作过程中，通过在i s e 中新建v e d l o gt e s tf i x t u r e 文件来生成矢量文本 测试文件，其输入的激励一般可以分为时钟激励和数据激励。时钟激励可以由 v 耐l o g 玎d l 中的灿w a y s 语句+ 延时控制语句来实现，数据激励主要使用 v e r i l o g ) l 中的阻塞式赋值语句来实现，由于无论发射机f p g a 或接收机f p g a 的输入数据都比较复杂，无法用手动编写数据文件，因此使用v c 村l o g h d l 语言提 供的读取外部文件的系统任务$ r e a d m e m b 或$ r e a d m e i