（通信与信息系统专业论文）风云一号接收系统载波恢复与系统实现研究.pdf

摘要 本文主要研究风云一号接收系统载波恢复及系统实现。由于目前风云一号接 收系统大多数采用模拟或半数字化解调方式，这种解调方式存在抗噪性能差且不 利于系统集成和升级的缺点，因此本文提出一种易于f p g a 实现的全数字解调方 案。该解调方案采用p c i 总线方式实现数据存储，比当前风云一号接收系统常用 的i s a 总线方式存储速率更高且与当前计算机主板兼容性更好。 根据项目要求，本文首先设计全数字解调系统方案，并在此基础上对经典的 载波恢复自同步算法进行仿真，其中着重讨论了环路滤波器系数j 妇、k i 对载波恢 复性能的影响；通过仿真得到最佳滤波器系数，将其应用于系统仿真平台及系统 实现。其次，搭建系统平台，在完成系统仿真，证明方案的可行性基础上，进行 系统硬件电路设计。最后，对解调卡进行了整体性能测试，通过使用不同的数据 信号源，分别对解调卡误码性能、稳定性、可靠性以及对业务卫星的解调性能进 行了系统测试。测试结果证明了此全数字解调系统的可行性，且解调性能良好。 关键词：风云一号气象卫星扫频算法载波恢复相位模糊 a b s t r a c t t h i sp a p e rm a i n l ys t u d i e se a r l i e rr e c o v e r ya n ds y s t e mi m p l e m e n t a t i o ni nf y - 1 r e c e i v i n gs y s t e m p r e s e n t l y , m o s to f f y - 1r e c e i v i n gs y s t e m su s ea n a l o go rh a l f - d i g i t a l d e m o d u l a t i o n s ，w h i c hh a v es o m ed i s a d v a n t a g e s ，s u c ha sp o o ra n t i n o i s ep e r f o r m a n c e ， n o tc o n d u c t i v et os y s t e mi n t e g r a t i o na n du p g r a d e s s o ，an e wa l l - d i 舀u dd e m o d u l a t i o n s c h e m ew h i c hi se a s yf o rf p g ai m p l e m e n t a t i o ni sp r o p o s e di nt h i sp a p e r t h i s d e m o d u l a t i o ns c h e m eu s e sp c ib u sf o rd a t as t o r a g ew h i c hh a sh i g h e l s t o r a g er a t ea n d b e t t e rc o m p a t i b i l i t yw i t ht h ec u r r e n tc o m p u t e r sm o t h e r b o a r d st h a ni s ab u sc o m m o n l y u s e di nt h ep r e s e n tf y - ir e c e i v i n gs y s t e m s f i r s t l y , a c c o r d i n gt op r o j e c tr e q u i r e m e n t s ，a l la l l d i g i t a ld e m o d u l a t i o ns y s t e m s c h e m e ，b a s e do l lw h i c ht h ec l a s s i cs e l f - s y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h mo fc a r r i e rr e c o v e r y i ss i m u l a t e d i sd e s i g n e di nt h i sa r t i c l e 1 1 1 i sp a p e rf o c u s e so nd i s c u s s i n gh o wt h e c o e f f i c i e n t so fl o o pf i l t e r k p ，k ii n f l u e n c ec a r r i e rr e c o v e r yp e r f o r m a n c e t h r o u g h s i m u l a t i o n , t h eb e s tf i l t e rc o e f f i c i e n t sw i l lb ea p p l i e dt os y s t e ms i m u l a t i o np l a t f o r ma n d s y s t e mi m p l e m e n t a t i o n s e c o n d l y , s y s t e mp l a t f o r mi sb u i l la n do nt h eb a s i so f c o m p l e t i n gs y s t e ms i m u l a t i o nt op r o v et h ef e a s i b i l i t yo f t h ed e m o d u l a t i o ns c h e m e ，t h e s y s t e mh a r d w a r ec i r c u i ti sd e s i g n e d f i n a l l y , t h eo v e r a l lp e r f o r m a n o “so ft h i s d e m o d u l a t i o nc a r d ，s u c ha sb i t 黜rr a t e ，s t a b i l i t y , r e l i a b i l i t ya n do p e r a t i o n a ls a t e l l i t e s d e m o d u l a t i o na r er e s p e c t i v e l yt e s t e dt h r o u g hu s i n gd i f f e r e n td a t as o u r c e s t h et e s t r e s u l t ss h o wt h a tt h i sa l l - d i g i t a ld e m o d u l a t i o ns y s t e mi sf e a s i b l ea n dt h ed e m o d u l a t i o n p e r f o r m a n c ei sg o o d k e y w o r d s ：f y - 1m e t e o r o l o g i c a ls a t e l l i t ec a r r i e rr e c o v e r ys w e p ta l g o r i t h m p h a s ef u z z y 西安电子科技大学 学位论文创新性声明 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，论文中不含有其他人已经发表或撰写的研究成果； 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己在论文中作了明确的说明 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： 平 日期趁臣。! 。! ! 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安电子科技大学。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。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于，在年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期玉翌8 ：曼：兰 日期 ，押p ，罗，1 2 - 第一章绪论 第一章绪论 作为远程通信的手段，卫星通信是当今通信领域中的一个重要组成部分，近 年来在国际上得到迅速的发展。特别是小卫星技术及毫米波段的实际应用，使卫 星通信进入了一个新阶段【1 1 1 2 1 。气象卫星是卫星通信在气象观测中的具体应用， 是天基探测的主要手段，在气象观测中发挥着越来越突出的、不可替代的作用。 世界各国，尤其是欧美发达国家都将发展气象卫星放在国家航天发展的头等重要 的地位。 1 1 风云一号气象卫星的发展概况 1 9 6 0 年美国成功地发射了第一颗气象卫星。之后的四十年来，世界各国百余 颗气象卫星先后进入太空。按其轨道特点，气象卫星分为极轨气象卫星和静止气 象卫星两个系列。所谓极轨气象卫星，是指其轨道平面与赤道平面的夹角常为 9 8 。一9 9 4 之间，轨道高度约9 0 0 k m ，绕地球飞行，且轨道通过地球南北两极的卫 星，也称太阳同步轨道气象卫星；而静止气象卫星，则是位于赤道上空约3 6 0 0 0 k m 高度，与地球自转速度相同，因此，也称地球同步轨道气象卫星。中国的风云一 号和美国的n o a a 卫星都从属于极轨气象卫星系列。 风云一号卫星从1 9 7 7 初步方案形成到2 0 0 2 年d 星发射，共研制发射了0 1 批( f y - 1 a 、f y - 1 b ) 和0 2 批( f y - 1 c 、f y - 1 d ) 共四颗卫星。风云一号a 星于1 9 8 8 年 9 月7 日在太原卫星发射中心成功发射升空，是我国自行研制的第一代极轨气象 卫星( 太阳同步轨道) ，也是我国第一颗传输型极轨遥感卫星。在轨运行3 9 天，发 生故障，导致卫星失效。风云一号b 星于1 9 9 0 年9 月3 日成功发射，其卫星的 姿态控制系统比f y - 1 a 有明显改善，地面收到的可见光云图质量也更为清晰，红 外云图与当时国际先进的同类卫星相当。该卫星在轨正常运行了1 6 5 天后出现故 障，断续工作到1 9 9 2 年1 1 月份，在轨累计正常运行2 8 5 天。风云一号c 星于1 9 9 9 年5 月1 0 日在太原卫星发射中心成功发射，1 9 9 9 年8 月2 2 日交付中国气象局使 用。f y - 1 c 星在轨稳定运行了近五年，2 0 0 4 年6 月2 4 日开始，停止了对f y - 1 c 星云图的接收存档。f y - i c 卫星的成功发射被列为我国1 9 9 9 年十大科技新闻之 一，获得了国家科技进步一等奖，并铭刻在中华世纪坛上。2 0 0 0 年5 月，f y _ 1 c 卫星在轨稳定运行一年之后被世界气象组织正式列入应用卫星系列。这是中国第 一颗列入世界气象业务应用系列，为世界各国免费提供气象资料的卫星。风云一 号d 卫星从2 0 0 0 年开始正样设计，其在继承了风云一号c 卫星的成功经验及技 术的基础上，对其技术状态作了1 4 项改进，以进一步提高稳定性，于2 0 0 2 年5 ! 风云一号接收系统载波恢复与系统实现研究 月1 5 日在太原卫星发射中心用长征四号b 火箭发射升空。目前该星仍在轨稳定 运行，工作状态良好。 此次设计的解调卡是接收风云一号d 星云图信息，下面就以d 星为例，介绍 其技术特点与应用。 1 2 风云一号d 星的技术特点与应用 风云一号d 星是我国第二颗太阳同步轨道业务应用气象卫星，在继承风云一 号a 星、b 星和c 星成功经验和成熟技术基础上，其性能有了较大的改进和提高。 1 2 1d 星的技术特点 ( 1 ) 信道特征与数据帧格式【3 1 风云一号d 星传输信道特征：载频频率为1 7 0 0 5 m i - i z ：传输码速率为 1 3 3 0 8 m b p s ；码型为分相码( b i ；采用曼彻斯特编码后，其传输速率为 2 6 6 1 6 m b p s 采用偏移b p s k 调制方式，星座点落在一、四象限6 7 5 6 位置；卫 星e m p ( 有效全向辐射功率) 为3 9 4 d b m ；极化方式为右旋；数据采用与n o a a 卫 星基本相同的c h r p t ( 高分辨率图像传输1 格式。c h r p t 数据帧结构为：帧同步6 个字，识别2 个字，时问码4 个字，校正阶梯1 0 个字，测温1 0 个字，参考黑体 6 0 个字，空间信息1 0 0 个字，备用字1 4 0 8 个字，地球图像信息2 0 4 8 0 个字，辅 助同步1 0 0 个字，共2 2 1 8 0 个字。每个字用1 0 b i t s 量化，共2 2 1 8 0 0 b i t s 。记录时 每3 个字( 3 1 0 b i t s ) 放在4 个字节的记录区( 3 2 b i t s ) 中，每四个字节中头2 b i t s 充o 。 地球信息象元点依波段1 、2 、3 1 0 顺序记录。共存放6 8 2 7 个双字( 每个双字占 4 个字节) 。最后一个双字的4 个字节中只放2 个取样值( 2 0 b i t s ) 其余1 2 b i t s 为零。 具体记录格式如表1 1 和表1 2 所示。 表1 1遥测数据记录：每个字( 四个字节) 内存放三个数据 2 b i t s1 0 b i t sl o b i t s1 0 b i t s 充0 第一个数据第二个数据第三个数据 表1 2 最后四个字节( 3 2 b i t s ) 数据记录格式 2 b i t s 1 0 b i t sl o b i 协1 0 b i t s i 充0 ，充0 c h 9 数据c h l 0 数据 ( 2 ) 星载气象遥感仪器及波段设置 扫描辐射计( 简称为辐射计) 是d 星上唯一的气象遥感仪器，它包含多个可见 光和红外谱段，辐射计具有1 0 个遥感波段，比风云一号a 星( f y - 1 a ) 和b 星( f y - 1 8 1 增加了一倍，其中7 个为可见光、近红外波段，3 个红外波段。其遥感波段及相 应的主要用途如表1 3 所示，同时在表1 4 中给出了f y - 1 d 卫星以及国外其他卫 第一章绪论 星遥感波段分配情况。 表1 3d 星辐射计遥感波段及相应的主要用途 通道 波段( o r a l 主要用途 c h lo 5 8 o 6 8白天云、地表、泥沙、海洋 c h 20 8 4 0 8 9白天云、地表、水陆廓线、大气状况、冰雪、作物 c h 33 5 5 3 9 3测温、探测火情 c h 41 0 5 1 1 3 昼夜云、目标温度( 地标、云、海面温度) c h 5 1 1 5 1 2 5 昼夜云、目标温度( 地标、云、海面温度) c h 61 5 8 1 6 4作物及土壤含水量 c h 7o 4 3 0 4 8 低浓度叶绿素( 大洋水体) c h 80 4 8 o 5 3中浓度叶绿素、泥沙、海水衰减系数、海冰 c h 9 o 5 3 o 5 8 高浓度叶绿素( 近海水体) 、作物、海流、水团 c h l o0 9 0 0 0 9 6 5大气校正 表1 4f y - 1 d 卫星以及国外其他卫星遥感波段分配情况 通道 f y 二l cf b l a 、bn o a at mc z c s c h lo 5 8 0 6 80 5 8 0 6 80 5 8 0 6 80 4 5 0 5 20 4 3 3 o 4 5 3 c h 20 8 4 o 8 9o 7 2 5 1 1o 7 2 5 1 1o 5 2 o 6 00 5 1 o 5 3 c h 33 5 5 3 9 30 4 8 o 5 33 5 5 3 9 30 6 3 o 6 90 5 4 0 5 6 c h 4 1 0 5 1 1 30 5 3 o 5 81 0 3 1 1 30 7 6 o 9 00 6 6 0 6 8 c h 51 1 5 1 2 50 5 1 2 51 1 5 1 2 51 5 5 1 7 50 7 4 0 7 6 c h 61 5 8 1 6 4|1 5 8 1 6 41 0 4 1 2 51 0 5 1 2 5 c h 70 4 3 o 4 8|2 0 8 2 5| c h 80 4 8 o 5 3| | c h 9o 5 3 0 5 8| | | c h l 00 9 0 0 0 9 6 5|l 通过对表1 3 和表1 4 的分析，可以得出以下结论： 在轨测试表明，d 星的图像质量和气象遥感仪器水平较a 、b 星有了很 大的进步，与美国先进的气象业务卫星n o a a - - 1 4 、n o a a - - 1 5 相当，达到了国 际先进水平。 d 星不仅有海温测量通道，还设置了海洋水色要素观测通道，这是我国 气象卫星的独特之处。 d 星设计有l o 个探测通道，可连续发送1 0 个通道资料，而美国n o a a 1 5 卫星只设计右6 个探测通道，且只能发送其中5 个通道资料，所以d 星与n o a a 卫星相比，具有更强的观测能力。 一4 风云一号接收系统载波恢复与系统实现研究 从表1 2 可以看出：f y - 1 d 卫星的1 0 个探测通道，除具有n o a a 卫星 的5 个通道功能外，还基本上包含了t m 、c z c s 的通道功能，因此可以对全球陆 地和海洋表面，以及气流进行多光谱探测功能。 ( 3 ) 高可靠性能的星载计算机 这是我国首次采用计算机完成卫星姿态控制、程序控制和测控等功能，实现 了卫星工作的高稳定性和传输数据的高可靠性。d 星运行至今星载软件系统从未 发生一次故障，表明d 星计算机稳定性和可靠性已达到国际领先水平。 1 2 2d 星气象资料的应用 我国f y - 1 d 卫星资料应用范围已大大超出了气象观测领域，不仅在地球环境 观测中取得了卓著的成绩，而且在自然灾害检测方面，为我国防灾减灾做出了卓 越的贡献【4 j 。卫星资料主要用于以下几个方面： ( 1 ) 天气预报及气象学研究。从d 星资料中可以提取出大量云图参数、地表 和海面温度以及地球大气长波辐射等多种气象要素，这些要素为我国天气预报提 供了详尽而可靠的参考，也为我国气象学研究提供了极为重要的原始资料。 ( 2 ) 环境监测。环境保护是我国气象卫星遥感最重要的应用领域之一，环境 问题已经成为全球性问题，主要包括空气污染、水污染、工业污染、土质沙化和 森林面积不断减小等，d 星可以在环境监测中发挥重要作用。其环境监测包括： 监测城市热导、监测冰雪和监测空间环境。 d 星上1 0 5 1 m a 1 1 3 l x m 和1 1 5 0 m 1 2 5 1 t m 通道资料可给出城市中不同地区 地表温度，从而可以对城市热导效应做出全面显示，这对城市建筑规划、工业生 产和人民生活的安排都很有价值；冬春季青藏高原的积雪直接影响我国东部地区 夏季雨带位置和雨量，因此，积雪的范围、面积、滞留时间将影响工农业生产和 人民生活。d 星上o 4 8 1 a m 一0 5 3 1 a n 和0 5 3 9 i n 0 5 8 1 a m 两个通道对表面特征探测 可给出大范围高山积雪清晰图像，为工农业、畜牧业及救灾提供依据：d 星空间 粒子成分监测器是一个空间环境监测的遥感仪器，卫星在运行期间可以获取大量 的空间辐射环境资料。这些资料为我国空间环境的观测与研究提供了原始材料， 对我国太阳物理、空间物理研究具有重要的科学意义。 ( 3 ) 自然灾害监测与预报。我国是世界上自然灾害频繁发生的地区之一，每 年国家用于救灾投入了巨大的人力、物力和财力。防范自然灾害，成为减少或避 免其造成的经济损失首选方法。d 星资料在自然灾害监测，如台风预报、洪水监 测、海冰监测、地震预报、沙尘暴监测和森林火灾监测等方面发挥着重要的作用。 第一章绪论 1 3 本文的主要工作与结构 风云一号气象卫星是我国研制的极轨卫星，为我国乃至世界天气预报、森林 火灾和干旱监控等作出了杰出贡献。虽然风云三号作为我国第二代极轨卫星已经 研制成功，但由于风云一号技术的相对成熟与稳定，特别d 星的高可靠性能，所 以目前仍大量应用于气象监测和预报。但目前风云一号接收系统大多数采用模拟 或半数字化解调方式，这种解调系统通常在一个环内，如c a s t a s 环、松尾环等提 取载波，然后用提取的载波去解调出传输的数据，这样对本地接收机用于载波提 取的压控振荡器振荡频率精度和稳定度要求较高，抗噪性能也较差，并且不利于 系统集成和升级。本文针对这些缺点，提出了一种易于f p g a 实现的全数字解调 方案。根据方案要求，进行了解调系统方案设计、载波恢复算法仿真、仿真平台 的搭建以及系统硬件电路设计，通过对解调卡误码性能、可靠性、稳定性以及实 地f y - 1 d 卫星测试，给出了解调性能分析与结果。具体解决的问题如下： ( 1 ) 针对目前卫星解调卡的数据接收方式大多数是采用i s a 总线，与当前电 脑主板兼容性不好，且存储速率低下的问题，采用当前主板通用的p c i 总线代替 i s a 总线来存储数据； ( 2 ) 针对目前b p s k 解调系统存在相位模糊问题，根据风云一号同步数据特 点，在f p g a 编写相应模块解决这一问题。 ( 3 ) 针对现行解调卡采用模拟解调方式不利于系统大规模集成的缺点，采用 全数字化处理的实现方式，这样可以提高系统设计集成度，实现起来也更灵活， 且容易进行系统升级。 ( 4 ) 针对现行解调卡不能实现可变中频信号解调的缺点，本文根据中频采样 定理，通过p c i 总线配置可变的a d 时钟采样频率，实现可变中频信号的接收。 全文的章节安排如下： 第一章简要介绍风云一号卫星的发展概况、d 星的技术特点、卫星资料的应 用和本文的主要工作及章节安排。 第二章首先介绍风云一号卫星通信系统结构，随后介绍了其调制解调系统原 理以及偏移b p s k 相干解调系统性能分析。 第三章针对目前风云一号采用的模拟解调或半数字解调方式的缺点，提出了 一种易于f p g a 实现的全数字解调方案，并在此方案基础上对载波恢复经典算法， 如d d 算法和扫频算法进行了研究。为了给系统实现提供最佳的环路滤波器系数 参数，这里着重讨论了环路滤波器系数 、箭的影响因素，并研究j 劲、船对 载波恢复性能的影响；通过仿真得到最佳滤波器系数，将其应用于系统仿真平台 及系统实现。 第四章根据实际应用情况，对全数字解调系统方案硬件系统进行完善，并在 一6 风云一号接收系统载波恢复与系统实现研究 此基础上，进行系统硬件电路设计、调试以及解调系统曼彻斯特译码等部分处理 模块的f p g a 设计。， 第五章对设计好的卫星解调卡进行测试。测试分三种情况：一种是使用r s 公 司生产的s m u 2 0 0 a 矢量信号发生器产生伪随机码p n l 5 作为数据源，通过比对解 调后的数据与原始数据，测试解调卡的误码性能；另一种是使用气象站提供的卫 星模拟源作为数据源，测试解调卡解调的可靠性和稳定性；最后一种是去北京气 象站实地接收f y - 1 d 卫星云图，测试解调卡对业务卫星的解调性能。 最后一章主要是总结全文的工作。 第二章气象卫星通信系统 第二章气象卫星通信系统 中国气象卫星通信系统( 9 2 1 0 工程) 是经原国家计委批准的国家大中型工程项 目，是气象部门九十年代的骨干工程，于1 9 9 3 年初开始实施，1 9 9 9 年底完成。 该系统在全国地( 市级) 以上气象部门建成了一个以v s a t 卫星通信为主、地 面通信为辅的计算机广域网系统、p c v s a t 气象数据单向广播接收系统和卫星话 音系统。该系统以气象信息的收集和分发、管理为主要业务，兼顾话音业务。卫 星通信网由1 个设置在北京中国气象局院内的通信主站、6 个区域站及2 5 个省级 站( 北京市气象局经光缆与主站连接) 、2 9 6 个地( 市) 级站和大部分县级站组成的覆 盖全国的数据，话音卫星通信专用网。 作为气象卫星之一的风云一号卫星通信系统具有一般气象卫星通信系统的共 性，同时也具有其特性。本次设计的是风云一号( f y - 1 ) 卫星解调系统，下面将主 要介绍f y - 1 卫星通信系统的组成和调制解调原理。 2 1 通信系统的组成 图2 1卫星通信系统的基本组成 风云一号卫星通信系统是由空间分系统、通信地球站、跟踪遥测及指令分系 统和监控管理分系统等四大功能部分组成【l 】【2 】，如图2 1 所示。其中，跟踪遥测及 指令分系统对卫星进行跟踪测量控制其准确进入运轨道上的指定位置，并对在 轨卫星的轨道、位置和姿态进行监视和校正。监控管理分系统对在轨卫星的通信 性能及参数进行业务开通前的监测和气象业务工作后的例行监测和控制，以保证 !风云一号接收系统载波恢复与系统实现研究 通信卫星的正常运行和工作。空间分系统是指通信气象卫星，主要由天线分系统、 通信分系统( 转发器) 、遥测与指令分系统、控制分系统和电源分系统等组成。地 面跟踪遥测、指令分系统和监控管理分系统与空间相应的遥测、指令分系统及控 制分系统不直接用于通信，而用来保障卫星通信的正常运行。 风云一号气象卫星是一个架设在空中的具有高分辨率摄像机的中继站，卫星 中的通信系统称为卫星转发器，其主要功能是接收地面发来的信号( 称为上行信 号) ，进行低噪声放大，然后混频，分析接收到的指令，按照指令要求，用高分辨 率照相机拍摄地面、大气和海洋，然后将云图数据发送的地面气象站。 风云一号卫星地球站分系统是其通信系统的重要组成部分之一，其地面应用 系统由三个地面接收站和一个资料处理中心组成。三个地面站分别位于北京、广 州、乌鲁木齐，资料处理中心位于北京。应用系统由资料接收、通信传输、资料 处理、资料存档服务、时间统一勤务和指挥调度六个技术分系统组成。 ( 1 ) 资料接收分系统。资料接收分系统的主要任务是实时接收、解调并记录 卫星过境时发送的h r p t ( h i g hr e s o l u t i o np i c t u r et r a n s m i s s i o n ) ，并兼容接收 n o a h 卫星资料，且将各类信息通过专用接口送入地面站接收计算机，然后进行 优化拼接后送入地面站传输服务器。 ( 2 ) 通信传输分系统。通信传输分系统的基本任务是实现各地面站与资料处 理中心之间的数据通信和调度通信。京外地面站通过租用中国联通公司的全国 a t m 骨干网组建地面站与资料处理中心传输网络，运行口协议实现数据传输， 传输带宽1 0 m b ；北京地面站与资料处理中心之间敷设专用光纤，组建城域网， 传输带宽为2 g 旧。 ( 3 ) 资料处理分系统。资料处理分系统的基本任务是对接收的资料进行预处 理，生成各类分区图像产品和数值产品。具体任务如下： 实时接收由三个地面站转发来的气象卫星资料，接收由北京气象中心输入的 常规气象资料和客观分析等数据，接收由国家测控中心发来的f y - 1 精轨数据、时 间对比误差等资料，接收时间统一勤务信息，以及通过通用和专用设备输入的各 种资料： 在预定时间内，将气象卫星资料处理成单轨展宽云图、极地和麦卡托投影拼 图、海面温度和垂直探测( 大气温度、湿度、臭氧总含量等) 等产品； 将气象卫星资料处理后的各种产品通过国家气象信息中心向全国发送，同时 以适当的方式分发给其他用户； 实时处理风云一号工程遥测资料。并为指挥调度系统提供必要的情报，并制 作其卫星轨道预报； 对资料处理流程各环节和产品质量实行必要的质量控制或监视； 在气象卫星资料处理和应用分析中，开发人机对话功能。 第二章气象卫星通信系统 ( 4 ) 资料存档服务分系统。为适应每年大量卫星资料的存贮和服务工作，采 用四种形式的存档服务手段：缩微资料存档服务、彩色快速冲印存档服务、磁带 录像编辑存档服务和磁带库存档服务，这四种存档服务就构成了卫星资料存档服 务分系统，它承担着气象卫星资料的汇集、分类、编目、复制、保存、检索服务 和资料出版工作。 ( 5 ) 时间统一勤务分系统。为地面站和资料处理中心各设备长时间持续地提 供标准时间和标准频率信号；完成全系统各站和中心之间的时间同步，时间精度 小于3 毫秒；完成与标准频率的校准，提供频率精度为1 1 0 。o ，稳定度为 1 x 1 0 - 9 b 。 ( 6 1 指挥调度分系统。气象卫星资料接收处理系统的特点是三个气象卫星地 面站、一个资料处理中心连同国家测控中心、北京气象中心、通信卫星地球站等 单位长时间的统一协调作业。因此必须有一个能适应于整个系统的快速指挥协调 机构，以保证系统正常运行，指挥调度分系统即担负全系统的指挥协调任务。 高清 摄像机 2 2 通信系统调制与解调 闽委h 瑟酣至旧l 蓦区 因吨亟酒 i 一一一卫星整煞登1 卫星信道 地球站接收设备 图2 2 气象卫星数字通信系统的简化框图 图2 2 给出了气象卫星通信系统传输数字信号的简化框图【1 】 2 1 。从图中可以看 出，发送端和接收端的中频滤波器使得信道的通频带具有带限的特性，发射设备 的高功率放大器( h p a ，h i 乒p o w e r a m p l i f i e r ) 和转发器中的行波管放大器( t w t a ， t r a v e l i n g w a v e t u b e a m p l i f i e r ) 都是非线性器件，它们的输入、输出特性都是非线 性的，而且具有幅相转换( a m p m ) 效应，即当输入信号幅度变化时，能够转换 为输出信号的相位变化。由于通信卫星位于外层空间，因此信道的自由空间部分 基本上是恒参的，信道上引入的噪声基本上是高斯白噪声。因此卫星通信信道是 一个比较典型的带限和非线性的恒参信道。 9 乡 卫风云一号接收系统载波恢复与系统实现研究 在卫星通信系统中，对数字调制方式有如下要求： ( 1 ) 由于卫星通信信道的非线性和a m p m 转换效应，要求调制后的波形尽 量具有等幅包络结构的特点，一般不采用幅度变化的调制方式； ( 2 ) 选择尽可能少地占用射频带宽，而又能高效利用有限频带资源且抗衰落 和抗干扰性能强的调制技术； ( 3 ) 采用的调制信号的旁瓣应尽可能小，以减少相邻通道间的干扰。 由于要使得已调信号具有等包络、带宽窄、频带利用率高和抗干扰能力强等 特点，因此，在卫星通信系统中所用的调制方式一般为p s k 、f s k 和以此为基础 的其他调整方式，如二相相移键控( b p s k ，b i n a r yp h a s es h i f tk e y ) 、四相相移键 控f q p s k ，q u a d r a t u r ep h a s es h i f tk e y ) 、偏差四相相移键控( o q p s k ，o f f s e t q u a d r a t u r ep h 船es h i f lk e y ) 、最小频移键控( m s k ，m i n i m u ms h i f tk e y ) 和高斯滤波 的最小频移键控( g m s k ，g a u s s i o n f i l t e r e dm s k ) 等。风云一号卫星采用的是偏移 b p s k 调制技术，星座点映射在一、四象限6 7 5 。位置。 2 2 1 偏移b p s k 调制解调原理 相移键控( p s k ) 调制的通用表示形式是m p s k 。p s k 信号用载波的相位携带 信息，m p s k 信号的载波相位具有m 个可能的取值，每一个载波相位对应着m 个符号集中的1 个符号，在某1 个符号间隔内载波的相位取该符号对应的相位值。 调制的过程就是将待传输的符号转换为载波的相位，而解调的过程则是将载波的 相位转换成所传输的符号【1 l 5 】【6 】川。通常待传输的信息流是二进制比特流，这时取 m = 2 “伽= 1 , 2 ，) ，即每n 个二进制比特对应1 个符号。 m p s k 信号的数学表达式为： s ( f ) = r e u ( t ) e x p j ( 2 刀 f c t + d p k + a ) 】) ( ( 七一1 ) t o t , 7 0 ) ( 2 - 1 ) 式中：“( f ) 是基带信号；正是载波频率；吼 o ，2 ，r m ，4 t r i m ，2 ( m 一1 沙m ) ： 旯是载波的初始相位；t o 是符号间隔。 对于风云一号卫星偏移b p s k 调制信号，有m = 2 ，且 纯6 7 5 石，i 6 7 5 ，r ， ：o ，1 ) 纯i1 8 0 ”面疗 ，体。0 ，1 ) 通常a = 0 ，基带信号甜( f ) 幅度为1 。则信号形式一般可以表示为 j ( f ) = g ( t - n t o ) c o s ( w e t + q ) i ) ( 2 2 ) 其中 g ( t - n t o ) ：! 【0 t ( 咒瓦，( 捍+ 1 ) 矗) 其他 第二章气象卫星通信系统 这就是说，在一个码元持续时间r 0 内观察时，s ( f ) 为 删= ，c o s ( o j d + 妒o ) , 黧p ( 1 卅 ( 2 - 3 ) 其中 6 7 5 石6 7 5 石 2 面仍2 一面 即发送二进制符号1 时，s ( f ) 取相位：发送二进制符号0 时，s ( f ) 取识相位。 这种以载波的不同相位直接来表示数字信息的相位方式，通常被称为绝对相移方 式，其对应的相位矢量图如图2 3 所示。 q o 一 发送“1 j6 7 5 。 发送“0 图2 3 风云一号偏移b p s k 信号相位矢量图 偏移b p s k 调制原理图如图2 4 所示。其中，图( a ) 是采用模拟调制的方法产 生偏移b p s k 信号，图( b ) 是采用数字键控的方法产生偏移b p s k 信号。 ( a )c o ) 图2 4 风云一号偏移b p s k 信号的调制原理图 风云一号偏移b p s k 信号的解调通常都是采用相干解调，其解调器原理图如 图2 5 所示。因此在解调时，需要提取和发端同频同相的载波。而载波恢复( c a r r i e r r e c o v e r y , c r ) 电路所提取的相干载波的初始相位随机地取编和识，使得解调输出 的数字序列有两种完全相反的结果，这种现象被称为相位模糊。相位模糊会导致 解调的彻底失败，所以在接收端必须解决这个问题。消除相位模糊的方法有两种： 一是将数据分组，每组加报头，专门用于载波提取；另种就是采用差分编码调 制即d p s k 调制。风云一号卫星采用第一种方法来消除相位模糊。 0 一 罾冒 叫 里 风云一号接收系统载波恢复与系统实现研究 图2 5 风云一号卫星偏移b p s k 信号相干解调原理图 2 2 2 偏移b p s k 相干解调系统性能 风云一号偏移b p s k 移相键控系统发送端发出的信号为 = 【喇c o s ( a ，o t + 妒o ) ，, 鬻三_ p ) ( 2 哪 经信道叠加噪声后，在收端进行如图2 5 所示的相干解调，与c r 电路输出的正 交载波一2 s m 相乘可得。t r ( t ) = p ( f ) + h ( f ) 】( - 2 s i nc o d ) = - 勘2 e o s “( 叼t + 慨q ，0 灿s i n 硝t 二2 2 n 以( t d ) s 咖i n t 吖o 。t ( 2 5 ) 【 一 、7 将式( 2 5 ) 进行余弦运算可得 相= s i n p o - s i n ( 2 w f + 黔淼鬻 代入、确值，经低通滤波后的输出可表示为 砸) - 1 s i n 6 7 5 了+ 删n , ( t ) , ，篡筹 其中吃( f ) 是n ( t ) 0 0 , y 交分量，与，l ( f ) 具有同样的统计特性。由于以( f ) 是高斯过程， 因此当发送“1 ”时，令a = s i n 6 7 5 。，则过程的一维概率密度为 z ( 功= 产e x p - ( 工一口) 2 2 0 2 】 ( 2 8 ) c ry z t 其曲线如图2 6 ( a ) 所示。 当发送0 时，过程4 + n c ( 1 1 的一维概率密度为 ( 算) = l - 一e x p - ( x + 口) 2 2 0 r 2 ( 2 9 ) 其曲线如图2 6 c o ) 所示。 若令判决门限电平为b ，则将1 误判为o ”的概率只及将0 误判为1 的概 率厶，可以分别求得 第二章气象卫星通信系统 t 磐也冬? _ = i 苔_ 图2 6 相干解调时误码率的几何表示 耻伫删一争形c 舞，】 p 厶= r 胁胁扣形舒】 - 、f 二d ” 其中 形( 工) 2 忑2 j , 。x e u 2 如 因此，假设符号等概率发送即以1 ) = p ( o ) ，则可得系统总误码率只为 只= 扣畦匕 = 扣形c 镑峥一形呜荨， 如果将z ( 工) 和厶( 工) 的曲线合画在同一个图中，如图2 6 ( c ) 所示，则式( 2 1 2 ) 表明，系统总误码率等于两条曲线相交区域总面积的一半。显然，误码率与判决 门限b 有关。最佳门限在b = 0 时取得，此时只。= p ，故 只2 p 1 = j 二去c x p 【- ( 算- 口) 2 2 胡办= 圭咖( 而 ( 2 - 1 3 ) 式中啦( 7 ) = l 一形( 7 ) ，为信噪比，且r = 口2 2 t y ：。 在大信噪比下，式( 2 - 1 4 ) 可写成 只= 赤p ” ( 2 - 1 4 ) 由f 诔对风云一号偏移b p s k 锯调误码十牛能分析可知，在发端信号功率相等的 旦 风云一号接收系统载波恢复与系统实现研究 情况下，经星座映射后，风云一号偏移b p s k 调制方式信号功率是标准b p s k 调制的咖：6 7 5 ，即约为0 8 5 3 6 倍。所以，当信道噪声相同时，风云一号偏移 b p s k 调制信噪比为标准的0 8 5 3 6 倍，从而导致其解调误码性能的下降。在s n r 为1 0 s 时，代入式( 2 1 3 ) 可以求得，偏移b p s k 调制方式的误码率约等于 1 8 1 0 。，而标准b p s k 调制方式的误码率约等于3 8 7 1 0 6 。两种b p s k 调制 方式的误码性能对比曲线如图2 7 所示。 ， s n r ( 单位d b ) 图2 7b p s k 调制误码率对比曲线 从图2 7 中可以看出，s n r 等于1 0 s 时的误码率大小与上面的计算值相 符合。 2 3 本章小结 本章首先介绍了风云一号卫星通信系统的组成，阐述了卫星通信信道的特性 决定其通信系统的调制方式。然后介绍了风云一号偏移b p s k 调制解调原理，并 在此基础上，给出了风云一号b p s k 相干解调的系统性能分析。 第三章系统方案设计与载波恢复算法仿真 第三章系统方案设计与载波恢复算法仿真 有关b p s k 调制信号的解调方法很多【6 】i ”，例如c a s t a s 环，平方环等，这些方 法一般都是先提取载波，然后用提出的载波去解调出传输的数据( 大都在同一环路 内完成) 。目前，风云一号气象卫星解调卡就是采用这种解调方式，它对本地接收 机用于载波提取的压控振荡器振荡频率精度和稳定度要求较高，并且不利于系统 集成和系统升级。正是由于这些缺点，本文提出了一种易于现场可编程门阵列( f i e l d p r o g r a m a b l eg a t ea r r a y ，f p g a ) 实现的全数字解调方案及其硬件电路设计。本章将 给出该全数字解调方案设计，并对经典的载波自同步算法进行研究。 3 1 全数字解调系统方案设计 图3 1 全数字解调系统功能框图 图3 1 给出了全数字解调系统方案框图。接收的卫星信号经过高频头混频后 得到中频模拟信号，再经过带通滤波器滤除带外噪声后进行a d 转换为数字信号； a d 转换后的数据一路送给a g c 控制模块去控制中频放大器的放大增益，另一 路经过d d c 模块，转换为一个准基带信号，这时的基带信号含有频偏、相偏以 及噪声的干扰；当a g c 稳定后，把该准基带信号送入采用内插滤波器方法来实 现的符号同步电路，同步锁定后将数据以符号速率送入载波恢复模块进行相应的 数据处理，并且把纠正的频偏误差返回d d c 模块，以消除系统频偏。在这种全 数字解调系统中，中频信号经过a d 采样转换为数字信号后，所有的处理，如数 字下变频、定时恢复以及载波恢复等都在f p g a 中实现。本次设计中，载波恢复 和定时恢复都是采用自同步算法，下面简要介绍该系统方案各功能模块。 ( 1 ) 中频采样定理。解调系统接收到的中频信号可以表示为： r ( t ) = r e s ( t ) e 7 “】= r c s - f f - ) e 2 u j 】 ( 3 1 ) s ( f ) 又可以表示为： s ( f ) = s ( t ) c o s r p ( t ) + j s ( t ) s i n q d ( t ) = j ( f ) + ，q ( f ) ( 3 - 2 ) 其中，s ( t ) e m ”是信号的复包络，哝= 2 ：r f o 是中频信号的载波角频率，j ( f ) 和 一1 6 风云号接收系统载波恢复与系统实现研究 q ( t ) 分别是信号的同相分量