（通信与信息系统专业论文）一种新型的可识别卫星的数字信标接收机.pdf

南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业：工科通信与信息系统 研究方向：移动通信与无线技术 作者：2 0 0 7 级研究生黄志达 指导教师：谢继东教授 题目：一种新型的可识别卫星的数字信标接收机 i l l il l ii i iii i f if iii iiii y 17 5 518 4 英文题目：an e wt y p eo fi d e n t i f ys a t e l l i t e sd i g i t a lb e a c o nr e c e i v e r 主题词：信标接收机，d v b s ，a d 9 2 8 1 ，f p g a ，f i r 滤波，f f t k e y w o r d s ：d i g i t a lb e a c o nr e c e i v e r ，d v b s ，a d 9 2 81 ，f p g a ， f i rf i l t e r ，f f t 南京邮电大学硕l 研究生学位论文摘要 摘要 经过了一年的课题研究，我们研发了一种新型可识别卫星的数字信标接收机，该新型 可识别卫星的数字信标接收机可对部分卫星的识别跟踪和部分卫星的信标跟踪。识别跟踪 以卫星上的电视信号作为跟踪依据利用成熟的高频头器件实现了对卫星的识别；信标跟踪 利用高频头将卫星信标信号变频到中频上，然后对信标信号进行处理和跟踪，实现对无法 识别卫星的信标跟踪。该接收机实现对部分卫星的准确跟踪，同时也实现一般信标接收机 的应用需求。 本课题以便携式卫星通信地球站自动跟踪系统为背景，进行了大量的系统设计、数据 计算和理论分析，着重于解决数字信标接收机和d v b s 信号卫星识别系统的研发，并通 过实验测试验证该系统的各项指标性能。 论文首先介绍了课题的研究背景、国内外发展现状、研究目的及应用前景；接着介绍 了该接收机方案的原理说明，然后对接收机的相关理论进行了研究，和介绍整个接收机的 设计实现和仿真分析，最后对接收机硬件进行了测试，并对测试的结果进行分析。 关键词：数字信标接收机，d v b s ，a d 9 2 8 1 ，f p g a ，f i r 滤波，f f t 南京邮电人学硕十研究生学位论文 a bs t r a c t a f t e ray e a r t o p i c s p r o j e c tr e s e a r c h ，w eh a v ed e v e l o p e dan o v e lt y p eo fi d e n t i f ys a t e l l i t e s d i g i t a lb e a c o nr e c e i v e r , t h en o v e lr e c e i v e rc o u l di d e n t i f i a b l yt a r a kp a r t i a ls a t e l l i t e sa n dt r a c kt h e b e a c o no ft h eo t h e rp a r t i a ls a t e l l i t e s i d e n t i f i a b l et r a c ku s em a t u r et u n e rt od i s t i n g u i s hd i f f e r e n t s a t e l l i t e sb yt vs i g n a l so nt h es a t e l l i t e ；t r a c k i n gb e a c o nu s et h es a m et u n e rt ot r a n s f e rs a t e l l i t e b e a c o nt oi ff i r s t l ya n dt h e np r o c e s sa n dt r a c kt h eb e a c o ns i g n a l t h er e c e i v e ra c h i e v e sa c c u r a t e t r a c k i n gp a r t i a ls a t e l l i t e s ，a n da l s oa c h i e v et h eg e n e r a lb e a c o nr e c e i v e ra p p l i c a t i o n s r e q u i r e m e n t t h et o p i c st op o r t a b l es a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o ne a r t hs t a t i o na u t o m a t i ct r a c k i n gs y s t e ma s t h eb a c k g r o u n dt oc a r r yo u tal a r g en u m b e ro fs y s t e md e s i g n ，d a t ac a l c u l a t i o n sa n dt h e o r e t i c a l a n a l y s i s ，f o c u s i n go na d d r e s s i n gr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft h ed i g i t a lb e a c o nr e c e i v e ra n d d v b - ss i g n a l ss a t e l l i t er e c o g n i t i o ns y s t e m ，a n dt h r o u g he x p e r i m e n t a lt e s tv e r i f yt h a tt h es y s t e m p e r f o r m a n c eo fv a r i o u si n d i c a t o r s f i r s t l y , t h et h e s i si n t r o d u c et h eb a c k g r o u n do ft h er e s e a r c h ，t h ed e v e l o p i n gs t a t u sa th o m e a n da b r o a d ，r e s e a r c hp u r p o s ea n di t sa p p l i c a t i o np r o s p e c t t h e ni n t r o d u c et h ep r i n c i p l ed e s c r i p t i o n o ft h er e c e i v e r , a n dc a r r yo u tr e s e a r c ho ft h er e c e i v e rt h e o r y , a n di n t r o d u c ed e s i g na n di m p l e m e n t o ft h ee n t i r er e c e i v e ra n ds i m u l a t i o na n a l y s i s ，f i n a l l yt e s tt h er e c e i v e r , a n da n a l y z et h et e s tr e s u l t s k e y w o r d s ：d i g it a lb e a c o nr e c e i v e r ，d v b s ，a d 9 2 8 1 ，f p g a ，f i rf il t e r ，f f t 南京邮电人学硕上研究生学位论文目录 目录 第一章绪论1 1 1 研究背景1 1 2 国内外研究现状2 1 3 课题的研究目的和应片j 前景2 1 4 本文内容安排3 第二章新型可识别卫星的数字信标接收机方案4 2 1 引言4 2 2 可识别卫星的数字信标接收机原理4 2 3 可识别卫星的数字信标接收机方案说明5 2 4 本章小结6 第三章可识别卫星的数字信标接收机相关理论7 3 1d v b - s 信号卫星识别技术7 3 1 1d v b s 发展7 3 1 2d v b s 信道处理系统7 3 1 3d v b - s 信号处理分系统构成9 3 1 4 利用调制技术识别卫星信号原理1 3 3 2 数字信号处理相关原理1 4 3 2 1f i r 滤波器理论1 4 3 2 2 窗函数法设计f i r 滤波器1 5 3 2 2 1 窗函数法的基本思想1 5 3 2 2 2 几种常用的窗函数1 6 3 2 3 快速傅里叶变换( f f t ) 1 8 3 3f p g a 芯片1 9 3 3 1f p g a 简介1 9 3 3 2f p g a 原理2 0 3 3 3 各厂家f p g a 比较2 2 3 4 数字信标接收机f p g a 设计2 4 3 4 1f p g a 设计原则2 4 3 4 2f p g a 设计开发流程2 6 3 5 本章小结2 8 第四章可识别卫星的数字信标接收机实现2 9 4 1 基于s t v 0 2 9 9 b 的卫星识别实现2 9 4 2 数字信标接收机实现3 0 4 2 1 数字信标接收机硬件电路设计实现3 0 4 2 1 1a d 部分电路3 0 4 2 1 2 系统电源和时钟电路部分3 3 4 2 1 3 串口通信部分3 5 4 2 1 4f p g a 部分3 6 4 2 1 5 硬件电路实物图3 8 4 2 2 基于f p g a 的f i r 滤波器分析与实现3 8 4 2 2 1f i r 滤波器仿真分析3 8 4 2 2 2 基丁f p g a 的f i r 滤波器实现4 0 4 2 。3 基于f p g a 的f f t 模块的实现4 1 4 2 3 1f f t 运算仿真分析4 1 南京邮电大学硕j ：研究生学位论文 4 2 3 2 基于f p g a 的f f t 滤波器实现 4 3 信标接收机处理结果 4 4 本章小结 第五章全文总结 参考文献 致i 射 作者攻读硕十学位期间发表论文及科研实践 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 自从1 9 6 5 年第一颗商用通信卫星升空以来，因为具有通信距离远，费用与距离无关， 通信质量好，服务地域广阔，不受地理条件限制，通信频带宽，传输容量大，可多址传输 以及适合于多种业务，而且无需多级中继等优点，作为无线通信的一个重要分支，卫星通 信已经应用于传送电话、电报、电视、数据、宽带综合数字业务( b - i s d n ) 等场合。 卫星通信是航天技术、通信技术、信息技术和新材料技术的结合体，是世界高精尖技 术之一，在信息时代它体现了国家在高新技术领域的综合实力。卫星通信产业作为信息通 信业的重要组成部分，在国家信息基础设施建设、实现普遍服务、创建和谐信息社会和国 家信息安全战略中发挥越来越重要的作用。 在紧急情况下保持各种形式的通信能力，是国家对重大事件反应能力的标志，也是综 合国力的象征。国务院于2 0 0 6 年1 月8 同发布国家突发公共事件总体应急预案，要求 “建立健全应急通信、应急广播电视保障工作体系，完善公用通信网，建立有线和无线相 结合、基础电信网络与机动通信系统相配套的应急通信系统，确保通信畅通。”这为我国 卫星通信产业的发展提供了难得的历史机遇，由于卫星通信具有组网灵活，建设周期短， 不受地理条件限制等特点，它在国家应急通信中的作用是无可替代的。这一点已在去年的 南方雪灾和5 1 2 汶川特大地震的灾后抢险救灾中得到很好的体现。 到2 0 2 0 年，我国卫星通信要实现的总目标是：卫星通信系统的技术、规模和应用成 为世界上最先进最发达的国家之一；卫星通信系统中卫星和地球站等设施的国产设备占主 导；卫星通信系统在全球无缝覆盖天地一体化综合信息网运营中发挥重要作用；卫星通信 系统在天基综合信息网运营中发挥重大作用f l 】。 目前，我国国产的卫星通信地球站自动跟踪系统大都采用卫星信标信号作为跟踪依 据。由于k u 频段信标信号是未调制单载波信号，信号带宽窄，因而信标接收机工艺复杂， 制造成本高而且不可靠，容易出现系统误跟踪现象，目前国内的信标接收机产品大多采用 模拟技术进行设计，这类产品的生产调试困难，并且价格昂贵，并不适合卫星地球站和各 行业的普及，这严重阻碍了我国卫星通信产业的发展。因此研制出一种生产调试方便，并 且价格便宜高性能的卫星信标接收机，迫在眉睫，是一项重大的战略任务，也是长远的奋 斗目标。 l 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 在此背景之下，我们开展了新型可识别卫星的数字信标接收机的研究。 1 2 国内外研究现状 信标接收机是便携式卫星地球站跟踪卫星的主要手段之一，目前国内能生产出适用于 便携式卫星地球站的信标接收机的公司很少，并且由于技术上的原因和批量生产的困难 性，这些公司生产的信标接收机结构复杂，技术难于掌握。信标接收的跟踪方法主要是采 用复杂的微波电路对信号进行变频和捕获跟踪，这种主要运用模拟系统处理的系统不仅价 格昂贵、批量生产困难，还有接收机性能不稳定，出现问题时难以找到问题根源，同时在 跟踪指定卫星时容易误跟踪其他卫星的现象。经过分析，造成这样误跟踪卫星的主要原因 是这类信标接收机仅通过跟踪卫星的信标信号来实现天线对某颗卫星的跟踪，当信标接收 机检测到的信标信号高于某个限位大小时则判定天线已对准卫星，而当在指定跟踪卫星临 近的卫星有相同的信标或则其他信号时，信标接收机也能检测到信标强度大于某个限定而 判定对准卫星，但信标机无法判定这个信标是否就是来自要跟踪的那颗卫星的信标，这样 便存在天线的误跟踪卫星情况，这样的情况造成了存在便携式卫星地球站在实际使用中经 常不限差错。目前国内并无既可以跟踪卫星信标的又能识别卫星的接收机出现，这也对便 携式卫星地球站的发展制造了困境，因此，研发一种新型可识别卫星的信标机的任务摆在 了我们面前。 1 3 课题的研究目的和应用前景 便携式卫星地球站使用的信标接收机主要购买于外面的公司，技术产权受制于对方， 因而，研究设计出一种能够用于便携式卫星地球站自动跟踪系统的信标接收机即是本课题 研究目的，这将给国内卫星通信产品革新提供参考。国内卫星通信地球站自动跟踪系统长 期以来一直采用卫星信标信号为自动跟踪的依据，并且这类信标接收机大都采用模拟电路 控制接收机的捕获和跟踪，而模拟电路属于高频微波电路，设计和生产困难。基于快速的 数字处理芯片的发展，数字处理芯片已经能够做到适合信标接收机指标的实时处理，数字 处理芯片在设计和生产上能够摆脱模拟电路的复杂和困难，更适合信标机的发展需求，本 文提出了新型可识别卫星的数字信标接收机以卫星上的电视信号作为跟踪依据利用成熟 的高频头器件来实现对卫星的识别，同时高频头在不用卫星识别时将其作为信标接收机的 下变频模块，将信标变频到中频上，后面则采用数字处理芯片f p g a 对卫星信标进行处理 和跟踪，可实现对有转发电视信号的卫星的准确跟踪和无转发电视信号的信标跟踪，与一 2 塑窒堂皇奎兰堡：生婴塑竺堂篁堡壅墨二童笙笙 般专用信标接收机相比，将大大降低接收机的成本。 依托南京邮电大学爱科迪通信技术研究中心强大科研实力，笔者有幸参与研制并实现 了使用于便携式卫星通信地球站自动跟踪系统的新型可识别卫星的数字信标接收机。与传 统的信标接收机相比，本数字信标接收机具有低成本、体积小、重量轻、低能耗、可批量 生产，易调试等特点。 本产品可用于便携式卫星通信地球站自动跟踪系统罩，作为该系统的信标跟踪模块和 对卫星的识别，该便携式地球站在抢险救灾、新闻采访、科考探险、公安和军事等应急和 特殊通信等领域将具有广泛的应用前景。 1 4 本文内容安排 本文以便携式卫星通信地球站自动跟踪系统的研制为背景，进行了大量的系统设计、 数据计算和理论分析，着重于研究一种新型可识别卫星的数字信标接收机的设计与实现， 并通过实验测试该接收机的性能。 本文内容安排如下： 第一章分析了新型的可识别卫星的数字信标接收机的研究背景、国内外发展现状、 研究目的以及应用前景。 第二章介绍了跟踪卫星的两种跟踪源方法，解释了如何利用大载波电视信号的独立 性实现对有转发电视信号的卫星的识别跟踪，并介绍利用高频头的下变频功能实现数字信 标接收机的信标信号的，最后给出了一种可识别卫星的数字信标接收机方案实现并对其进 行说明。 第三章介绍d v b s 信号卫星识别技术的相关知识，并说明利用调制技术实现识别 卫星的原理；介绍数字信标接收机使用的数字信号处理技术f i r 滤波器和f f t ( 快速傅里 叶变换) 的相关原理，对本文采用的窗函数法设计f i r 滤波器进行了深一步的介绍和研究； 最后介绍数字信标接收机硬件电路的选型和数字信标接收机f p g a 设计的的设计原则和设 计开发流程。 第四章介绍基于s t v 0 2 9 9 b 的卫星识别实现流程，后面介绍数字信标接收机的具体 实现方法，包括具体的硬件电路设计实现、f i r 滤波器仿真分析、基于f p g a 的f i r 滤波 器和f f t 运算的设计实现，最后给出数字信标接收机的处理结果并进行相应的分析。 第五章总结全文，并指出了下一步工作的方法。 南京邮电大学硕十研究生学位论文第二章新型町识别卫星的数! 信标接收机方案 第二章新型可识别卫星的数字信标接收机方案 2 1 引言 卫星可供于地球站跟踪的信号主要有两种：信标信号和大载波信号。信标信号是每颗 卫星上固有的点频信号，信号稳定，利于跟踪，但专用的卫星信标接收机由于需要设计复 杂的微波高频电路且技术掌握在少数的几家公司中因此价格昂贵，因此并不适用于信标接 收机的广泛应用；大载波信号为卫星上转发的通信信号或者电视信号，这两个信号的带宽 通常在1 m h z 到4 0 m h z 之间，可用专门的高频头接收跟踪，不过大载波信号不稳定，当通 信信号不转发或电视信号消失时则跟无法进行跟踪，需要通过实时更新相应的接收参数才 能再使用，不适合应急通信的应用，但大载波接收机也有技术简单，价格便宜等优点。 2 2 可识别卫星的数字信标接收机原理 大载波信号有通信信号和电视信号两种，卫星转发器上的通信信号只在两个不同地方 的地球站需要通过卫星进行转发信号时才存在，不适于接收机进行跟踪，而卫星转发器上 的电视信号由于需要不断地转发地面发过来的电视信号，而一般的卫星电视转播公司很少 改变该电视信号在卫星上的频率和符号率，因此这个信号与卫星上的信标信号一样稳定， 通过跟踪电视信号也同样能达到与跟踪信标信号一样的结果。 卫星转发器上的电视信号为转发器上频率点不同、带宽大小不一的大载波信号，以亚 太五号的k u 波段的转发器为例，经前端l n b 下变频后的中频信号中，以1 0 5 4 m h z 和1 1 0 1 m h z 的中心频率上分别存在4 3 m h z 和2 2 4 2 5 m h z 的大载波信号，通过分析各个不同卫星转发的 卫星电视信号，可以发现基本不存在中心频率和带宽大小都相同的大载波信号，另外当前 卫星电视转发广泛使用d v b s 标准，d v b s 标准中的信道调制技术采用q p s k 调制方式，而 q p s k 调制信号在解调的时候只有知道确定的中心频率和带宽大小的时候才能解调，利用这 一特点，在进行大载波电平跟踪的同时通过分析该大载波的中心频率和带宽大小能否实现 电视信号的解调则可以实现对卫星的识别，由于每颗卫星转发器上的大载波电视信号的中 心频率和带宽大小的独立性，该卫星识别方法可实现对卫星的准确跟踪。 通过大载波对卫星进行跟踪并且进行识别不仅有效的提高了大载波跟踪方法的性能， 并且也实现了单纯的信标接收机无法实现的准确跟踪，该方法适用于跟踪有转发电视信号 4 塑室塑皇盔兰堡：生塑塞生堂垡迨塞笙二三里堑型型堡型里里箜墼主堡堡堡些盟查塞 的卫星的应用中，但实际中卫星中并不是每颗都有转发电视信号，有的卫星只用做商业用 的通信卫星，虽然该类卫星上也有大载波信号，通过跟踪大载波信号也能对上卫星，但是 稳定性差不适于应急通信的使用。 大载波跟踪方法中使用的高频头在信道q p s k 解调中首先是将9 5 0 m h z 到1 4 5 0 m h z 的信 号下变频到零频附近，然后再进行后续的信道解码，而卫星的信标信号也存在于9 5 0 m h z 到1 4 5 0 m h z 之间，因此利用该高频头对信标信号进行下变频，再对信标信号进行处理实现 检测信标电平大小，可以简化信标接收机中信号变频中复杂的微波高频电路设计，而只进 行低频的信号检测，便能实现传统专用的卫星信标接收的功能。因此通过增加后续的信标 信号处理环节，可以弥补该高频头对无转发电视信号的卫星的跟踪。 本文提出的新型可识别卫星的数字信标接收机便是基于上述分析提出来的卫星跟踪 接收机处理方案，在跟踪有转发电视信号的卫星时使用大载波跟踪方法进行跟踪并识别， 而在跟踪无转发电视信号的卫星时则利用大载波跟踪模块进行下变频，并使用相应的信标 信号处理环节进行信标跟踪。 2 3 可识别卫星的数字信标接收机方案说明 根据上节提出的卫星跟踪接收机方案，该接收机将有两部分组成，高频头部分和数字 信标接收机部分。 高频头部分实现两个功能大载波识别跟踪技术和信标信号下变频，大载波识别跟踪是 基于卫星上d v b 电视信号中心频率和带宽大小的独立性，通过检测卫星上d v b 电视信号完成 对卫星的识别。 数字信标接收机部分由a d 芯片、滤波部分、f f t 计算部分和控制器( m c u ) 组成。其中 数字信标机的a d 芯片对从高频头下变频得到的信标信号进行采样数字化，将模拟信号转 变为数字信号；滤波部分对采用得到的数字信号进行滤波，滤波后的结果是将高频的杂散 信号去除，得到包括信标信号的低通数字信号，这样可大大减小高频信号对信标信号造成 影响；f f t 计算部分是数字信标机的主要组成部分，它将滤波后得到的带通数字信标信号 由时域转变为频域，并将得出的结果送给控制器进行分析；控制器( m c u ) 除了对各芯片 的功能进行设置和检测，还对f f t 计算得到的频率带通数字信标信号进行捕获和跟踪，计 算得出实时的信标强度，并给出信标信号的电平大小供伺服系统使用。 根据上面所介绍的情况，图2 - 1 给出一钟新型的可识别卫星的数字信标接收机的结构 图： 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章新型可识别卫星的数信标接收机方案 l n b l河端 蚰棚1 7 柚m l z 目0 0 州， 高频头 、卜 a d f i r 滤波+f 阿转换l - c u 控制器 b s 2 f 7 v z 0 1 9 4 a d 9 2 8 l f p g a 数字信标机模块 图2 1 可识别卫星的数字信标接收机结构图 从结构图看，左半部分l n b 前端将天线接收下来的卫星信标射频信号变频到频率为 9 5 0 1 7 5 0 m h z 的中频上，接着该中频信号通过高频头将信标频率变频到固定的可处理中频 上，这里的高频头选用夏普公司生产的型号为b s 2 f 7 v z 0 1 9 4 a 的高频头，该高频头为工业 化产品，具有性能稳定，可靠性高，价格低廉等优点，它除了应用于d v b s 信号卫星识别 技术中，还完成数字信标接收机的下变频的功能。右半部分为数字信标机处理模块，这里 首先将下变频模块得到信号通过型号为a d 9 2 8 1 的采样器完成高速采样，这里a d 采样器 的采样频率为2 0 m h z ，由于固定的可处理中频在5 0 0 k h z 附近，根据奈奎斯特原理，采样能 包含完整的信标信号。接着将采样后的信标数据输入f p g a 数字处理芯片中，f p g a 数字处 理芯片完成对信号的滤波和f f t 计算，其中滤波器对其进行数字低通滤波，将高频的杂散 信号滤除，f f t 计算将数字信标信号从时域转变为频域，由于f p g a 数字处理芯片对于数字 信标接收机的重要性，这里选用了a l t e r l a 公司生产的型号为e p 3 c 4 0 q 2 4 0 的f p g a ，并选 用a l t e r l a 公司提供的i p 软核实现滤波和f f t 计算功能，i p 软核具有稳定，可靠，速度 快的优势。经过f p g a 处理之后的数据将经过串口传给控制器( m c u ) 进行判决和跟踪，最 终给出信标信号的电平大小。 2 4 本章小结 本章通过分析卫星的两种跟踪方法，解释了如何利用大载波电视信号的独立性实现对 卫星的识别，并利用高频头进行下变频实现了一种可识别卫星的数字信标接收机方案实 现。 6 南京邮电人学硕上研究生学位论文 第三章可识别卫星的技数信标接收机原理 第三章可识别卫星的数字信标接收机相关理论 3 1d v b - s 信号卫星识别技术 卫星上除了携带有卫星信标信号以外，大部分卫星上都有卫星电视信号。目前通用的 卫星电视广播标准为d v b s 标准，下面将介绍利用d v b - s 信号来实现对卫星进行识别的技 术。 3 1 1d v b - s 发展 欧洲d v b ( d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g ，即数字视频广播) 组织于1 9 9 3 年提出了数 字视频广播标准，即d v b 标准，包括数字卫星电视广播标准d v b s 、数字电视有线广播标 准d v b - c 、数字电视地面广播标准d v b - t 。 d v b s 是d v b 最先制定的传输标准，可适用于多种卫星广播系统。它规定了通过卫星 进行数字电视广播的方法，主要包括信道编码与调制技术。d v b - s 数据流调制采用q p s k 方 式，工作频率为11 g h z 1 2 g h z ，当使用m p e g - 2 m l 格式时，如果用户端达到i t u r 6 0 1 演播 室质量，码率为9 m b s ；若达到p a l 质量，码率为5 m b s 。一个5 4 m t t z 卫星转发器 ( t r a n s p o n d e r ) 的传输速率可达6 8 m b s ，可用于多套节目的复用，d v b - s 标准几乎为全 球所有的数字电视卫星广播系统所用。【1 0 】【1 l 】 3 1 2d v b - s 信道处理系统 d v b s 发射端和接收端信道处理系统的基本构成如图3 1 所示。在发射端，m p e 删 的传输流( t s ) 经由信源接口和传输流适配调整格式和速率，进入信道处理系统，经过处 理后得到一个中频( 或高中频) 调制信号，进行射频变换和功率放大。接收端则是一个逆 向的过程。d v b s 信道处理系统的核心技术可以从以下几个主要方面进行简单的描述： 7 南京邮电人学硕士研究生学位论文第三章可识别卫星的技数信标接收机原理 图3 - 1d v b s 信道处理系统基本构成 1 ) 信源编码 d v b s 并未提出其专用的信源编码方案，而是选定了i s o i e cm p e g 一2 标准作为音 频及视频的编码压缩方式。m p e g 一2 编码系统由一个大家族构成，每一个子系统之间都 有兼容性和共同性。根据图像清晰度的不同，它分成四种信源格式或称“等级”，涵盖了 从录像带( v c r ) 的低图像清晰度到高清晰度电视。除了根据图像清晰度定义的“等级” 以外，d v b s 视频标准还定义了“档次”的概念，每一个不同的“档次能够提供构成编 码系统的压缩工具和压缩算法。此外，m p e g 一2 定义了码流如何打包形成传输流( t s ) ， 以及多个传输流复用等。 2 ) 信道编码 d v b s 的信道编码采用了级联的前向纠错编码( f e c ) 方式，由r - s 编码( 里德一 索罗门编码) 和卷积码组成。其中r s 码为外码，码型为r s ( 2 0 4 ，1 8 8 ) ，其特点为纠正 与本组有关的误码，对纠正突发性误码很有效。卷积编码为内码，码率可于1 2 ，2 3 ，3 4 ， 5 6 和7 8 中选择。卷积编码除纠正本组的误码以外，也纠正其他组的误码。 在r s 码与卷积码问为一卷积交织器。交织是为解决卷积编码可能产生的连续误码而 引入的。交织器可将连续误码分散开，使连续误码不会超出纠错能力。以便接收端能够进 行有效的纠错。 3 ) 调制技术 d v b s 采用四相相移键控( q p s k ) 调制方式，滚降系数为o 3 5 。q p s k 调制抗误码 性能较优，其调制信号包络恒定，传输信道中的幅度衰减对其性能无影响，非常适合卫星 信道。【1 2 】 伴随d v b s 的成功，e t s i 又制定了d v b d s n g 和d v b r c s 等衍生的专项标准， 8 塑窒堂皇盔堂堡型窒圭兰篁堡文笙三雯堕堡型里呈塑垫墼兰堕堡堡坚塑堕里 使d v b s 从卫星广播领域延伸到了卫星通信领域，成为了通信网中一种重要的技术体制。 d v b s 已经成为全球范围卫星系统中信道传输的主要标准，是被公认为的与g s m 并 列的全世界两个最成功的标准之一。1 9 9 6 年，我国颁布广播电视数字传输体制，决定正式 采用d v b s 标准。 3 1 3d v b - s 信号处理分系统构成 本系统主要利用信道调制技术来达到识别卫星的技术，因为下面主要介绍有关信道处 理方面的信息。如图3 2 所示，接收到的d v b s 信号首先经过零中频调谐集成电路s l l 9 2 5 ， 转成中频( i f ) 信号送给q p s k 解调芯片s t v 0 2 9 9 b ，然后经过解调得到t s 流送至控制 器。 ) 9 5 1 4 5 i t s 流 g h z调谐器l ，、 习信道解调h 信道解码ls l l 9 2 5 i u _ s t v 0 2 9 9 b 频率 合成器 控制器 ( c p u ) 图3 2d v b s 信号处理分系统框图 1 调谐器 调谐器( t u n e r ) 的主要功能是从第一中频信号中选出需要接收的d v b s 信号频率， 并将它变换成第二中频或零中频信号输出。它由前置放大器、变频器、锁相环( p l l ) 、带 通滤波器、中频放大器、a g c 电路和移相器等组成，前置放大器用来接收d v b s 信号，即 卫星天线高频头输出的9 5 0 2 1 5 0 m h z 第一中频信号，进行低噪声前置放大和滤波，然后送 往变频器。由于前置放大器要接收射频信号，又要与下变频器相接，因此既要求低噪声， 又要求高增益。一般输入端按低噪声要求设计，输出端按高增益要求设计。为了得到最佳 噪声匹配，放大器的输入端通常采用微带结构，即用微带线组成的匹配网络。放大器的输 出端则采用共轭匹配设计，以获得最大输出功率和最高的功率增益。 调谐器中的本振频率通常由c p u 控制的p l l 电路产生。典型的p l l 电路由相位比较器、 环路滤波器、压控振荡器( v c 0 ) 和分频器组成环路。相位比较器将输入的基准时钟信号 与v c 0 输出信号进行比较，产生的误差信号经环路滤波器滤波后再去控制v c 0 ，使v c 0 准 确地振荡在输入频率的整数倍上，该整数倍即是分频器的分频比。v c 0 的基准频率由晶体 振荡器产生，经p l l 电路进行频率变换后作为变频器的本振频率。由前置放大器输出的r f 9 堕室唑皇盔堂堡! ：堕壅竺兰垡笙塞 笙三里型望型! ! 星堕垫墼兰堡堡壁坚塑! 堕堡 信号在变频器中与本振频率混合，产生解调器后需要的中频信号。p l l 电路由c p u 通过1 2 c 总线控制，调谐时，c p u 读出预置在存储器中的频道参数，通过1 2 c 总线送到p l lv c o ，作 为p l l 电路的分频比，使v c o 产生与输入频率成整数倍的信号，该信号随频道参数的改变 而改变，从而控制变频器将输入的射频数字信号转换成中频数字信号。 中频放大器采用宽带放大形式，用于放大中频数字信号的幅度，使之达到d a 转换所 需的信号电平。由于中频放大器的频带很宽，中频放大器除了放大有用信号外，其他频率 成分也会被放大，为了取出有用信号，去掉邻近频道和其他形式的干扰信号，因此在中频 放大电路中加入了带通滤波器。带通滤波器用于消除邻频干扰，抑制镜像噪声，提高载噪 比。中频带通滤波器采用机械波传播信号的声表面波滤波器，具有很强的抗干扰性。由于 d a 转换器要求输入信号的幅度基本保持稳定，在中频放大器中加入了自动增益控制( a g c ) 电路。 调谐器的输出端有一个9 0 0 移相器，用来将中频放大器输出的中频数字信号产生9 0 0 相 移，并与未移相的信号同时输出，从而将中频放大器输出的信号分成了两个相位相差9 0 0 的 中频数字信号，即表示同相位的i 信号和表示正交相位的q 信号。 这两个数字信号同时送到双d a 转换器，两个d a 转换器分别采样i 信号和q 信号， 并重组信息，将工信号和q 信号转换成两组字长6 位的数字信号，送到q p s k 解调器进行 解调，还原成调制前的数据信号。图3 3 为调谐器s l l 9 2 5 的内部结构方框图： 图3 - 3s l l 9 2 5 的内部结构框图 2 d v b s 信道解调器 d v b s 信道解调器主要包括时钟产生电路、q p s k ( 四相相移键控) 解调器、前向纠 1 0 堕塞唑皇奎兰堡型壅竺堂垡堡塞笙三里里塑型卫星塑垫墼! 堡堡堡些堡堕堡 错( f e c ) 单元和输出控制电路等部分。时钟产生电路为p l l 频率合成器，首先由外部晶 体振荡产生基准时钟，再由集成在芯片内的v c o 分频产生解调和f e c 所需的各种时钟。 q p s k 解调器由匹配滤波器、数字振荡器、定时时钟恢复环路、载波恢复环路、自动增益 控制( a g c ) 电路等组成，如图3 4 所示。 信道 i q d e m i d e m q 图3 4q p s k 解调器方框图 匹配滤波器为平方根升余弦滤波器，该滤波器工作在2 t 的恒定输入速率上。时钟恢 复环路包括i 、q 分量内插滤波器和定时误差检测器，定时误差检测器用来捕获时钟信号， 内插滤波器确定环路特性和数字振荡器( n c o ) 的增益。载波恢复环路由相位误差检测器、 数字环路滤波器、相位环路检测器、频率扫描发生器和频率锁定指示器组成。q p s k 解调 芯片内有两个嵌入的数字自动增益控制( a g c ) 电路，第一个a g c 与片外的r c 滤波电 路组成宽带a g c 电路，产生脉宽调制信号输出到调谐器，使调谐器的增益受此信号控制， 第二个a g c 为数字窄带a g c ，主要完成数字信号带宽的功率最优化。 q p s k 解调时，d a 转换器输出的i 、q 信号中的基带信号以固定采样速率输入到q p s k 解调器中的载波恢复环路。相位误差检测器使用由信噪比决定的两种增益完成误差检测， 进行载波相位跟踪。此时频率扫描发生器搜索正确的载波频率，当载波频率接近输入信号 频率时，载波信号进入相位锁定范围，环路达到锁定状态，实现载波捕获。载波恢复环路 通过捕获载波和跟踪载波相位完成载波恢复，解出基带信号。该信号送到匹配滤波器，由 匹配滤波器在i 、q 分支上选择滚降因子( o 3 5 ) 来完成匹配滤波，匹配滤波器始终保持每 4 个符号采样1 次。当符号速率较低时，采用较多的采样次数，当符号速率较高时，采用 较少的采样次数。匹配滤波器的输出端接有一个精度达0 5 d b 的数字窄带a g c 电路，使 q p s k 解调器输出的信号以最优的均分送到f e c 单元。 f e c 单元包括v i t e r b i 解码器、去交织器和r s 解码器，如图3 5 所示。v i t e r b i 解码器 用于内码解码，支持1 2 、2 3 、3 4 、5 6 、6 7 、7 8 的收缩码率。去交织器完成卷积去交织 处理，处理的最大块长度为2 0 4 字节，交织深度为1 2 。r s 解码器用于外码解码，r s 码 的纠错能力与码字中的检验符号的个数有关，通常每个码字中有两个t 检验符号的r s 码 南京邮电大学硕：研究生学位论文第三章町识别卫星的技数信标接收机原理 可校正每个码字中的t 字节错误。检验符号越多，纠错能力就越强。 俏况 图3 5f e c 单兀方框图 q p s k 解调器输出的数据信号经匹配滤波器滤波后，在v i t e r b i 解码器中按内码的卷积 编码格式解出不同比率的卷积收缩码，再由去交织器用去交织算法进行去交织处理恢复卷 积交织前的数据顺序。v i t e r b i 解码器输出的数据经过r s 解码，产生以1 8 8 个字节为一块 的数据码流，从而得到最佳的前向误码校j 下( f e c ) 。从f e c 单元输出的数据流送到解扰 器，解扰器主要完成两个功能：产生修改输入数据流的伪随机二进制序列( p r b s ) ，并用此 序列对数据进行重新排列。数据码流在解扰器中经过伪随机序列进行解扰处理后，输出符 合m p e g 2 标准的t s 流，送到控制器作进一步处理。 图3 6 是s t v 0 2 9 9 b 内部结构框图，其内部集成了双6b i t 的模数转换器，2 c 总线控 制接口，两路数字a g c 、卷积去交织、平方根奈奎斯特匹配滤波器、载波锁定及跟踪回路、 载波时钟恢复回路、维特比译码、r s 译码等电路。【l 3 】 图3 - 6s t v 0 2 9 9 b 原理框图 1 2 南京邮电火学硕十研究生学位论文第三章可识别卫星的技数字信标接收机原理 3 1 4 利用调制技术识别卫星信号原理 q p s k 作为数字卫星信道的调制方式，是卫星数字电视传输中对卫星功率、传输效率、 抗干扰性以及天线尺寸等多种因素综合考虑的最佳选择，因此目前大部分的卫星数字电视 使用q p s k 作为信道的调制方式。s t v 0 2 9 9 b 作为本文选用高频头b s 2 f 7 v z 0 1 9 4 a 的q p s k 解 调芯片，通过2 2 节的原理说明，本文所述的卫星识别技术既是通过判断s t v 0 2 9 9 b 能否对 卫星上的电视信号进行q p s k 解调来识别卫星。其中卫星的信号中心频率和符号率( 带宽 大小) 两个参数决定了s t v 0 2 9 9 b 能否最终解调卫星上的q p s k 调制的电视信号，如上述两 个参数与目标卫星转发器上的大载波中心频率和带宽大小不一样，贝j j s t v 0 2 9 9 b 无法进行 解调，表一所示为常用的s t v 0 2 9 9 b 对星参数， 当天线接收到发送下来的信号时，经过前端的调谐器s l l 9 2 5 下变频输出正交模拟i 、q 基带信号后，然后经过s t v 0 2 9 9 b 进行信道解调和解码。s t v 0 2 9 9 b 的信道解调主要包括定 时时钟恢复环路、载波恢复环路和a g c 控制，这三个电路只有在设置正确的卫星信号频率 和符号率的情况下才能实现对信号的解调，由于信号频率和符号率合在一起在各颗卫星上 基本为独立的，出现一个参数设置不正确则无法进行解调，因为可以利用这一特点通过判 断是否s t v 0 2 9 9 b 是否q p s k 解调成功判断天线是否跟踪上了目标卫星。 表3 - 1s t v 0 2 9 9 b 对星参数 卫星名称经度极化方式信号中心频率( m h z ) 符号率( k b p s ) 太2 r 7 6 5 秉辜：瑟；：盖： 中卫一号 8 7 5 秉睾：磊：；器 亚洲二号1 0 0 5 垂直 9 5 97 0 0 0 鑫诺一号。5 秉辜 ：；：；i ；器 亚洲四号抛 柔辜罴淼 亚太六号 1 3 4 垂直 9 7 52 7 5 0 0 亚太五号 ，3 8 裹辜 ：嚣：i ：器 南京邮电人学硕上研究生学位论文第三章可识别卫星的技数字信标接收机原