（通信与信息系统专业论文）风云二号载波恢复研究与数字解调器设计.pdf

摘要 随着超大规模集成电路的发展，通信解调系统正在向着全数字解调的方向发 展，但是当前风云二号地面应用系统中使用的解调器多采用部分数字化设计，这 种解调器存在电路复杂，易受人为因素和环境影响，可靠性不高，扩展性差等缺 点。针对上述缺点本文给出一种全数字解调器方案。之后重点研究了数字解调的 关键技术数字载波恢复。在对经典载波恢复算法仿真和分析的基础上，采用 扫频和d d 算法相结合作为全数字解调的载波恢复算法。在扫频算法中，传统锁 定检测容易产生失锁或假锁现象，造成系统不稳定，文中采用检测m s e 高度差 的方法，提高了锁定的可靠性。针对扫频方式对频偏捕获时间影响很大，本文给 出了几种扫频方案，以缩短整体捕获时间。最后，通过对误码性能和系统联合锁 定时间进行仿真，验证了数字解调器性能，并在f p g a 中实现了载波恢复模块。 关键词：全数字解调器数字载波恢复扫频算法 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs u p e rl a r g es c a l ei n t e g r a t i o n ，c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s d e v e l o pt o w a r d sa l l d i g i u ad e m o d u l a t i o n b u t t h ed e m o d u l a t o r so ff e n g y u n 一2 m e t e o r o l o g i c a ls a t e l l i t ea l ep a r t i a l l yi m p l e m e n t e di nd i g i t a lw a yi nc u r r e n tg r o u n d a p p l i c a t i o ns y s t e m 1 1 1 i sd e m o d u l a t o ri s o fh i g he o m p l e x i t y , p o o rr e l i a b i l i t ya n d e x t e n d i b i l i t y , a n de a s i l yi m p a c t e db yh u m a na n de n v i r o n m e n t a lf a c t o r s t oa v o i dt h e s e d i s a d v a n t a g e s a l la l l d i g i t a ld e m o d u l a t o rs c h e m ei sg i v e i li nt h i sp a p e r a n dc a r r i e r r e c o v e r y , w h i c hi st h ek e yt e c h n o l o g yo fd i g i t a ld e m o d u l a t i o n ，i sf u l l yd i s c u s s e d b a s e do nt h es i m u l a t i o na n da n a l y s i so fc l a s s i c a la l g o r i t h m s ，ac a r r i e rr e c o v e r y a l g o r i t h mw h i c hi sc o m b i n a t i o no fs w e p ta n dd da l g o r i t h mi sa d o p t e di na l l - d i g i t a l d e m o d u l a t o r i ns w e p ta l g o r i t h m ，t h et r a d i t i o n a ll o c kd e t e c t i o ne a s i l yc a u s e sl o s tl o c k o rf a k el o c k , w h i c hm a k e st h es y s t e mu n s t a b l e n em e t h o df o rd e t e c t i n gt h eh e i g h t d i f f e r e n c eo ft h em s ei sg i v e nt oi m p r o v et h er e l i a b i l i t yo ft h el o c k b e c a u s es w e p t m o d e sh a v eag r e a ti n f l u e n c eo nc a p t u r et i m eo ff r e q u e n c yo f f s e t ，s e v e r a ls w e p tm o d e s a l eg i v e nt or e d u c et h eo v e r a l lc a p t u r et i m e f i n a l l y , t h ep e r f o r m a n c e so ft h i sd i g i t a l d e m o d u l a t o ra l et e s t e dt h r o u g ht h es i m u l a t i o no fb e ra n dt h es y s t e mj o i n tl o c k t i m e a n dac a r d e rr e c o v e r ym o d u l ei si m p l e m e n t e di nf p g a k e y w o r d ：a l l - d i g i t a ld e m o d u l a t o rd i g i t a lc a r r i e rr e c o v e r y s w e p ta l g o r i t h m 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，本人承担一切的法律责任。 本人签名：日期兰生塑! ! 兰：堡 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攥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) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期型墨亟，! 三 日期鲨量：! ! ：! 鱼 第一章绪论 第一章绪论 在没有气象卫星之前，各国气象部门主要靠在风筝、气球和飞机上安装探测 仪器进行观测【l 】。五十年代美国利用火箭拍摄云图的成功，引发了人们利用卫星作 为平台进行大气探测的设想。1 9 6 0 年4 月1 日美国成功发射了第一颗实验性气象卫 星t i r o s 一1 【2 】，开创了人类将卫星应用于气象科学的先河，从此气象卫星的应用不 断发展。与此同时，气象卫星的探测能力和地面业务应用也已经发展到较为成熟 的阶段，包括气象卫星资料的接收、处理分发、存档管理等。气象卫星的经济效 益和社会效益极为显著，当今人们的社会活动和生活已经离不开气象卫星。因此， 世界上拥有独立空间力量的国家或组织如美国、俄罗斯、欧洲、中国、日本、印 度等，他们都把气象卫星作为应用卫星来重点发展。目前，我国已初步建成了比 较完整的气象卫星地面应用系统。 1 1 气象卫星的现状及应用 气象卫星根据其运行轨道的不同，可分为两大类，即：“太阳同步轨道气象卫 星”和“地球同步气象卫星”。这两类气象卫星各有其特点，不能互相取代。太阳同 步轨道气象卫星可获取全球大气环境资料，而地球同步轨道卫星可定点获取地球 表面三分之一区域的大气环境资料；两类气象卫星相互补充，将对中长期天气预 报、气候预测、生态监测和自然灾害监测发挥着重要的作用，更好地为防灾减灾 服务。 g o e s 卫星是美国唯一的地球同步轨道气象卫星系列。目前使用的是第三代地 球同步气象卫星，均采用三轴稳定方式。g o e sn p 系列是美国下一代g o e s 卫星， 该系列卫星将取代正在运行的第三代g o e s ，首颗已于2 0 0 6 年6 月发射。俄罗斯比 较有代表的地球同步气象卫星是g o m s 系列，它也是采用三轴姿态稳定。欧空局目 前研究的第二代地球同步气象卫星m s g ，与其他国家新一代地球同步气象卫星不 同，m s g 仍是采用自旋稳定，而不是三轴稳定的卫星。此外，日本的g m s 和印度 的i n s a t 地球同步气象卫星都是由美国帮助制造的。 我国气象卫星被命名为“风云”系列，英文简写成f y 系列。为区别地球同步轨 道和极地轨道两个系列卫星，我们用奇数编号，比如f y - l 、f y - 3 等来表示极轨气 象卫星系列，用偶数编号，如f y - 2 、f y - 4 等表示地球同步轨道气象卫星系列。 f y 一2 为我国第一代地球同步气象卫星。首颗卫星f y 2 a 于1 9 9 7 年6 月发射，它 的投入运行，标志着我国气象卫星进入一个新阶段，即我国同时研制出两类气象 卫星。其中试验星f y 2 a 和b 两颗星云图质量良好，与日本的g m s 2 5 卫星图像质量 2 风云二号载波恢复研究与数字解调器设计 相当，特别是红外、水汽图的动态范围更好p 】。我国第颗业务型地球静止轨道 气象卫星f y - 2 c 星于2 0 0 4 年l o 月成功发射，目前业务星共发射了两颗，其中f y - 2 d 星具备的观测能力与国外第二代三轴稳定气象卫星相当，而且定位精度高。f y 一2 d 星投入业务运行服务，与之前发射的f y - 2 c 星实现“在轨备份、双星观测”【l 】。两颗 业务星已经正式列入全球观测网中，与美国的g e o s 卫星和欧洲的m s g 卫星形成三 足鼎立。f y - 2 双星提供了三分之一地球范围的云图资料，在全球气象卫星观测网 中的地位极其重要。 风云二号气象卫星可以提供每半个小时一次的高频次观测资料，是动态监测 各类突发灾害性天气发展的有力工具，是天气分析特别是短时间和临近天气预报 的重要依据。主要应用于以下几个方面；台风和热带气旋监测、沙尘暴监测和大 雾监测等。此外，由于静止卫星可对观测区域实施多时多次的观测，特别适合监 测生命史较短而危害又很大的强对流灾害性天气系统的发生与发展。风云二号卫 星处在观测中国大陆和海区的最佳位置，从而填补了中国西部、西亚和印度洋区 域大范围的资料空白，对监测来自青藏高原、孟加拉湾和阿拉伯海及对中国产生 主要影响的天气系统有重要作用。它在海洋、水文、航空、航海、农林牧区和环 境监测等领域，也有广泛的应用潜力并能产生巨大的经济效益。 气象卫星把收集的气象信息以原始云图的形式发送回地面，指令与数据获取 站( c o m m a n d sa n dd a t aa c q u i s i t i o ns t a t i o n , c a d s ) 只有通过解调这些原始云图信 息，才能加工处理出各种图像和气象参数，为用户提供服务。因此卫星解调器是 整个地面系统中非常重要的组成部分之一，其性能好坏直接影响所提供服务的质 量，所以对解调器的研究有重要的现实意义。 1 2 全数字解调器方案 随着数字信号处理技术和微电子技术的发展，通信调制解调系统也向着全数 字化和软件化的方向发展即设计方案融入了软件无线电的思想。与传统模拟解调 器相比，数字解调器具有可靠性高、抗干扰能力强、扩展性好、易于和计算机互 连等优点，因此在通信系统中得到了广泛的应用。但现行风云二号地面应用系统 中解调器硬件多采用模拟或部分数字化处理的方法实现。这种解调单元电路复杂， 易受人为因素和环境影响，可靠性不高，所以很有必要对其进行全数字化设计， 提高系统性能。 图1 1 是一般数字解调器结构州。图1 1 ( a ) 是模拟正交下变频后进行数字化处 理的基带数字解调器。图中大部分为模拟电路，具有载波去除和符号定时校正两 个模拟反馈环路。数字部分丰要进行信道匹配滤波、载波频偏提取、符号定时误 差提取等处理。图1 1 ( b ) 是低中频数字化解调器。它采用一路a d c ( a n a l o gt o 第一章绪论 3 图1 2 射频数字化解调结构 图1 2 是射频数字化解调器，它结构简洁，易于实现软件化控制，也是软件无 线电最终寻求的方案。但目前这种方案由于受器件水平的限制特别是受超高速 a d c 变换器分辨率较低以及存储器容量和速度的限制，要实现对射频直接采样还 存在不少的困难【6 1 。因此，实际应用中多采用中频数字化解调方案，这样可以降 低对器件的要求，比较容易实现，其结构如图1 3 所示。它首先将射频( r a d i o f r e q u e n c y ，r e ) 信号转化为中频( i n t e r m e d i a t ef r e q u e n c y , i f ) 信号，在宽带a d c 前用 圈 一 田 一 l 4 风云二号载波恢复研究与数字解调器设计 弋耕阳 数 回 字 处 理 h 丽m 千 图1 3 中频数字化解调器结构 高性能抗混叠滤波器滤除带外噪声信号并在中频放大级实现自动增益控制 ( a u t o m a t i cg a i nc o n t r o l 。a g c ) ，以获得最大信号增益，减小带内信号过载的可能 性。a d c 数字化后由d d c ( d i 【g i t a ld o w nc o n v e r s i o n ，d d c ) 完成数字下变频，转 换成i ，0 双通道信号再进行基带处理。在a d c 后，用数字滤波器代替了模拟滤波 器，提高了其选择性能及系统的灵活性。 该方案和射频直接数字化方案同样很好的实现了软件无线电的思想，与图1 1 中的一般解调器相比，显然其数字化处理部分大大增加，数字部分和模拟部分不 存在明显的反馈环路。在中频采样后，采用全数字解调技术，通过软件程序对中 频和基带信号进行相应处理，能够实时改变程序配置以适应不同通信体制，具有 很大灵活性。除此之外，中频数字化解调器还有输入动态范围大、稳定性高、硬 件复杂度低、易调试、成本低等优点。 本文数字解调器就选用图1 3 的结构。解调器输入为模拟前端处理过的7 0 m h z 中频信号，经过a d c 后，数字部分可选用高速f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l e g a t e a r r a y ) 或d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 来实现。 在数字解调器中载波恢复是最为关键的技术之一。由于信号相位在传输过程 中会受到损害，引起相位抖动，而传输过程中的频率转接和偏移，使得接收信号 的载波频率是变化的。相偏和频偏会使信号星座图旋转，为了能够正确解调就必 须通过载波恢复对信号相偏和频偏进行补偿。但是，对于载波恢复有多种算法， 各种算法有其适用的范围和优缺点，因此有必要对算法进行深入的分析研究，提 高其性能和适用性。 1 3 载波恢复概述 载波恢复的方法一般有两种【7 】：一种是插入导频法。在发送端发送数字信号 码字的同时也发送载波信号或与其相关的导频信号，在接收端可用窄带滤波器或 锁相环直接提取载波；另一种是直接法也称自同步法。此时接收信号为抑制载波 的已调信号，通过对数字信号进行非线性变换或采用特殊的锁相环来获取相干载 波。本文主要分析和优化后一种方法。 载波自同步法按其信号所在的频段范围又可划分为两类：一类为中频处理方 第一章绪论 5 式，另一类是基带处理方式。2 0 世纪7 0 年代后期开始，同步解调的研究多转向基 带处理方式。由于高效调制信号向量点变多，直接对键控点信号进行非线性处理 较复杂，因而采用基带处理方式。下面简耍介绍它的发展过程。在1 9 8 0 年，弗兰 克斯对数字信号的载波相位估计做了深入的研究，提出了一种基于最大似然参数 估计( m a x i m u ml i k e l i h o o d ，m l ) 的误差估计算法。但由于求似然函数的过程比较 复杂，m l 算法实现起来非常困难。后来出现了面向判决算法，在信噪比趋于无穷 大的时候，m l 算法和( d e c i s i o nd i r e c t ，d d ) 算法是等价的。d d 算法的频率捕获范围 很小，不能满足实际应用的需要，但它稳态时相位抖动较小，因此多用于跟踪阶 段。j a b l o n 对d d 算法进行改进，提出了一种简化星座图( r e d u c e dc o n s t e l l a t i o n ，r c ) 算法，它只对星座图四顶点符号鉴相以提高捕获的可靠性，这种算法增加了频率 的捕获范围，但随着星座点的增加顶点符号出现的概率很小，导致捕获时间变长， 而且它也不适用于十字星座的情况，如3 2 q a m ( q u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n ) 等。此外还有一种非常简单实用的传统频偏捕获方法那就是扫频，它的优点是频 偏捕获范围大，但捕获时间受扫描方式等参数影响较大，设计中需要综合考虑， 才能满足设计要求。本文第三章将会各种算法进行详细的分析比较。 1 4 本文的工作和章节安排 本文主要研究风云二号全数字解调器的系统设计及载波恢复技术。首先针对 当前地面站使用解调器多采用模拟或部分数字化设计，本文给出了全数字解调器 设计方案，并对其进行了s i m u l i n k 仿真分析；其次在仿真的基础上结合实际解调 器设计要求，给出了适合设计要求的数字载波恢复方法，并对载波恢复算法进行 了深入的研究；最后根据仿真结果对载波恢复进行了f p g a 实现。本文的主要工 作概括如下： ( 1 ) 现行地面解调器硬件多采用部分数字化处理的方法实现的。这种解调单元 存在电路体积大，易受人为因素和环境影响，可靠性不高且扩展性差等缺点。本 文给出一种全数字解调器设计方案，提高系统的可靠性和集成度。 ( 2 ) 针对扫频算法传统锁定检测容易产生失锁或假锁现象，造成系统不稳定， 文中采用检测m s e 高度差的方法，提高了锁定的可靠性。针对扫频方式对频偏捕 获时间影响很大，对扫描方式给出几种方案，以缩短线性等间隔扫频的整体捕获 时间，并进行了仿真对比。 ( 3 ) 针对传统的载波恢复中环路滤波器采用固定参数的缺点，本文给出了自 适应改变参数的方法，可以兼顾捕获速度和跟踪精度。 论文的章节安排如下： 第一章介绍了围内外气象卫星的发展和目前的现状，通过对数字解调器结构 6 风云二号载波恢复研究与数字解调器设计 的分析对比，给出本文数字解调器的选型结构方案，并对载波恢复的发展作了简 要概述。最后指出了文章的选题背景、主要工作和具体章节安排。 第二章在介绍了解调器相关知识和传统地面卫星解调器的设计方法的基础 上，给出了一种全数字解调器具体设计方案，并对各部分子模块的原理进行介绍 和分析。 第三章研究数字载波恢复技术。先对传统数字载波恢复原理进行了介绍，研 究了几种经典的载波恢复算法，在对其进行了仿真和分析的基础上，采用扫频算 法和d d 算法相结合作为全数字解调器的载波恢复算法，并对其进行了改进和优 化。最后文章对适合卫星信道高阶调制方式的载波会复算法进行了分析仿真。 第四章对全数字解调器进行系统s i m u l i n k 系统仿真( 包括发端和收端两部 分) ，并对解调性能进行了仿真分析。最后通过仿真结果分析了特殊码型对解调器 的影响，并且在f p g a 中实现了载波恢复模块。 第五章总结全文并给出论文的下一步工作。 第二章全数字解调器设计方案 第二章全数字解调器设计方案 在卫星通信系统中，调制解调器是其重要组成部分之一。所采用的调制解调 方式对整个系统的整体性能，即有效性和可靠性都有很大的影响。随着数字信号 处理技术和微电子技术的发展，通信系统中调制解调器向着全数字化和软件化的 方向发展。中频数字解调器设计方案结合了软件无线电的思想，以及其可靠性高、 抗干扰能力强、扩展性好、硬件电路相对容易实现等优点，在通信系统中得到广 泛的应用。本章主要在对风云二号系统相关知识分析研究的基础上，给出一种适 合其系统的全数字解调方案。 2 1 风云二号系统组成及技术特性 风云二号气象卫星研制任务是在1 9 8 6 年由国务院批准立项，1 9 8 9 年被列为 我国国防科学技术“八五”计划的重点任务。风云二号气象卫星共有0 3 批，0 1 批 已发射两颗a 和b 星；0 2 批计划3 颗，c 和d 星已经发射，随后还将发射e 星； 目前0 3 批卫星正在计划发展之中。下面主要介绍风云二号气象卫星的系统组成和 技术特性。 2 1 1系统组成 7 风云二号气象卫星系统是卫星通信系统的一种，主要由空间段，终端和地面 应用系统三个部分组成。 ( 1 ) 空间段：即气象卫星，它是由探测分系统、数传与云图广播转发器、数据 收集转发器、天线分系统等组成。 探测分系统包括三通道扫描辐射计和空间环境监测器等，其任务是用来获取 地表、海洋、云层的可见光、红外信息和监测卫星周围环境数据：数传与云图广 播转发器将辐射计获取的遥感信息发送到地面接收中心站，同时用来广播转发各 种云图、天气图；数据收集转发器用来实时将覆盖区内地面数据收集平台( d a t a c o l l e c t i o np l m f o r m ，d c p ) 采集的环境监测数据转发给地面接收中心站；天线分系统 有s 、u h f 和c 频段三种天线，分别用于接收、发送这三个频段的信号。 ( 2 ) 终端：即安装于地面气象数据采集现场的数据采集平台d c p 。 遍布卫星覆盖区内的大量地面数据收集平台是一种无人值守全自动工作的环 境数据监测站。它由气象五个要素的测量传感器( 温度、湿度、风向、风速、气 压传感器) 将地面现场测量所获得的数据按时分频分方式，通过u h f 频段发送给 风云二号载波恢复研究与数字解调器设计 卫星。星载u h f s 频段数据收集转发器有1 0 0 个国内通道和3 3 个国际通道，可同时 转发1 3 3 个工作于不同频点的数据收集平台信号。转发器将多路信号转换到s 频段 后发送给c d a s 站和其它用户的分中心站。该系统的特点是不受时间、地理环境的 限制，可以全天时、全天候、无人值守实时收集各种环境资料。 ( 3 ) 地面应用系统：它由指令和数据接收站c d a s 、系统运行控制中, 心s o c c 、 资料处理中心d p c 、应用服务中心a s c 、计算机网络和存档系统c n a s 等组成。 风云二号地面应用系统的主要任务是：与风云二号卫星组成我国静止气象卫 星业务系统，实现2 4 小时连续业务运行。地面应用系统与在轨卫星共同完成图像 获取、云图广播数据收集和空间环境监测；对展宽云图进一步处理，生成各种气 象和地球环境产品；对各种产品进行存档，提供应用服务。 图2 1 是风云二号气象的通信示意框图。 一数传辛云图广播转发器，一 佃 7 l 1 j 嚣大l “、“li 壬 监测器 l ! 鍪：卜一竺h 竺 地面接收站 图2 1 风云二号气象卫星通信不恿框图 风云二号卫星的主要功能是获取高质量的云图。辐射计探测器件给出的信号 即原始云图，经模数转换和数据格式编排形成1 4 m b p s 的数据流，送到s 频段转发器 的数传通道，然后经过四相相移键控q p s k ( q u a d r a t u r ep h a s e s h i f tk e y i n g ) 调制后发 送给地面接收站。数字解调器是地面接收站的重要组成部分，其主要任务是接收 并解调卫星发送的原始云图数据。 2 1 2 技术特性 风云二号卫星原始云图数据传输信号是一种周期突发信号，在卫星每旋转一 圈内，先传输原始云图，后转发经过处理后能应用的展宽云图。在每帧原始云图 的数据中，前导码为o l 交替序列，用于同步。原始云图信号由地面天线接收，经 低噪声放大( l o wn o i s ea m p l i f i e r , l n a ) 和下变频后通过中频信号分路器输出 气 嗡 第二章全数字解调器设计方案 9 7 0 m h z 的原始云图中频信号送给解调器解调。其中，中频信号为q p s k 调制，符号速 率为1 4 m b p s 。表2 1 是f y 一2 b 星解调器输入中频信号的特性。 表2 1b 星解调器输入信号特性 名称 参数 输入信号中心频率7 0 m h z 输入中频信号电平 o 一3 d b m 卫星信道带宽2 0 m h z ( 1 d b 带宽) 频谱主瓣宽度1 4 m h z 固定比特速率 1 4 m b p s 2 2 q p s k 调制解调原理和采样定理 在风云二号系统中，采用q p s k 调制技术，这里首先研究调制解调原理。此外 解调器设计和仿真时，采样时钟是系统重要参数之一，因此有必要对采样定理进 行简要介绍。 2 2 1 q p s k 调制解调原理 地球同步卫星通信系统中传输路径长达几万公里，信号的衰减十分严重，传 输信号的自由空间损耗可达2 0 0 d b ，因此卫星传输系统要求选择的数字调制方式有 很强的抗噪声和抗干扰性能。此外卫星通信信道是功率和带宽受限的非线性信道， 选择的数字调制方式应该既有高的功率效率，又尽可能少占用信道带宽。一般来 说，二进制和四进制调制系统的功率效率要比多进制调制系统的功率效率高。 q p s k 是一种恒定包络的调制技术，它所携带的信息完全在相位上。无论幅度上的 衰减和干扰多么严重，只要调制信号的相位不发生错误，就不会造成信息传输失 真，因此q p s k 是一种特别适用于卫星信道的调制方式。 ( 1 ) 调制原理 图2 2q p s k 调制原理图 图2 2 为q p s k 调制原理图，基带信号转换成两支路符号，在进行数字调制之前 一1 0 风云二号载波恢复研究与数字解调器设计 先要经过一个滤波器进行滤波，以便获得具有特定频谱特性的基带信号，这一过 程称为基带成形。其主要目的是为了减少数字信号在传输过程中带来的码间干扰。 基带成形采用平方根升余弦滚降滤波器，其传递函数以x l t 为中心，具有奇对称 升余弦形状过渡带，滚降系数为口= 0 1 5 。 平方根升余弦滚降滤波器的传输函数如下： x - x ( 力= 0 量f n 一 x l n t x s f n f x q - 、 f l n 七 x 式中，口= 厶是滚降系数，0 口1 ： = 石2 是滚降滤波器的最小带宽， 厶= 1 t 0 是输入滤波器数据流的符号速率。 通常m 进制数字相位调制信号表示为： s ( f ) = g ( f k t , ) e o s ( t + q ，t ) t = g ( f k r , ) c o st 】c o s 吐f 一 g ( f k t + ) s i n l 9 0 k s i n r o d ( 2 2 ) k 其中，g ( f ) 为信号包络波形，通常为矩形波，幅度为1 ；为码元时间宽度；吐为 载波角频率；仇为第后个码元对应的相位，共有m 种取值。令仇= x 4 + n 2 ， f = o ，l ，2 ，3 则( 2 1 ) 成为下式： j ( f ) = i i g ( t - k t ，) c o s r o 。t 一 幺g o 一螺) 】s 协吐f ( 2 3 ) k t 其中，和绕为二迸制码元经过映射后星座点，取值为+ 1 j 。q p s k 利用载波 的四种不同相位来表示数字信息。由于每一种载波相位代表两个比特信息，因此 每个码元可以用两个二进制码元的组合来表示。两个二进制比特中的前一个比特 用a 表示，后一个比特用b 表示，则双比特a ，b 与载波相位、星座点对应关系如表2 2 所示”。 表2 2q p s k ) 双比特a b 与载波相位对应关系 双比特码元 载波相位仇 ab a 方式b 方式 0oo 2 2 5 。 1o 9 0 93 1 5 。 1l 1 8 0 。4 5 。 o l2 7 0 。1 3 5 。 从表中可以看到，二进制比特与载波相位之间的转换采用格雷编码方式。格 雷编码方式的基本思想是：相邻相位所对应的符号中，只有一位二进制比特发生 、，j 1，j 、 一 厂一厶 ，l 旦撕 ns一 。l 1 2 1 rl o 第二章全数字解调器设计方案 变化。其优点是可以减少由于相位误差导致的误比特数。 0 1 i 一0 c 参考相位 o l 相位 1 0 ( 4 )m ) 图2 3q p s k 信号的矢量图 图2 3 为两种方式下的q p s k 信号矢量图吲，图( a ) 为a 方式，图( b ) 为b 方式，本 文中使用的就是上表中提到的b 方式。 ( 2 ) 解调原理 对于q p s k 信号的解调最为常用的是相干解调方法。其原理是使用一个与发送 端振荡器同频同相的本地恢复载波，利用该载波的两个正交载波信号对输, k q p s k 信号实现相干解调，原理框图如图2 4 所示。其中前端的带通滤波器的作用是为了 滤除带外噪声，减小干扰。符号定时电路在最佳判决时刻对解调后的符号进行判 决，最后经过并串变换就可以得到比特信息。 图2 4q p s k 相干解调框图 对q p s k i 黜行相干解调时，相干解调器存在四种相位模。为了消除相位模 糊闯题，可在调制器中使用差分编码器，在解调器中使用差分解码器，形成所谓 的差分四相相移键控( d q p s k ，d i f f e r e n t i a lq u a d r a t u r ep h a s e - s h i f tk e y i n g ) 。 2 2 2 采样定理 由于收到的中频信号是模拟信号，要对信号进行数字处理，就必须首先对模 拟信号进行数字化，所以有必要先了解采样定理。 ( 1 ) n y q u i s t 采样定理 对模拟信号进行采样后，所得数字信号的频谱为原信号频谱的周期延拓。如 果一个频带限制在( 0 ，厶) 赫兹内的连续信号工( f ) ，其频谱如图2 5 所示，则采样后数 一1 2 风云二号载波恢复研究与数字解调器设计 字信号的频谱变成为图2 6 所示。其中k = 2 万，x ( 功为石( f ) 的频谱。 一( o h 0 国 图2 5 带限信号频谱 一s 一h0 h i 图2 6 带限信号采样后频谱 n y q u i s t 采样定理：设有一个频率带限信号工( f ) ，其频带限制在( o ，厶) 内，如果 以不小于z _ 2 厶的采样速率对工( f ) 进行等间隔采样，得到时问离散的采样信号 x ( n ) 。x ( n r , ) ( 其中t = l z 称之为采样间隔) ，则原信号砸) 将被所得到的采样值 x ( n ) 唯一地确定。 ( 2 ) 带通采样定理 n y q u i s t 采样定理只讨论了其频谱分布在( o ，厶) 上的信号采样问题。如果对频 率分布在频带( ，厶) 的带通信号进行采样，虽然同样可以根据n y q u i s t 采样定理按 z 2 厶的采样速率来进行采样，但这样高的采样率会很不经济，而且对后端处理 会带来很大压力。 带通采样定理：设一个频率带限信号x o ) ，其频带限制在( 兀，厶) 内，如果其 采样速率丘满足： z ：掣( 2 - 4 ) 一( 2 n + 1 1 其中，n 取能满足工2 ( f h 一以) 的最大正整数，则用z 进行等间隔采样所得到的 信号采样值x ) 能准确地确定原信号工o ) 。 式( 2 4 ) 中用带通信号的中心频率五和频带宽度b 也可表示为： = (25(2 “ n + n ”。 其中，五= 五 直，n 取能满足z 2 b ( 占为频带宽度) 的最大正整数。 如果无2 0 ，则五= 0 2 ，b = 厶，当取，l = o 时，式( 2 5 ) 就是n y q u i s t 采样 定理，即满足z = 2 f 。 2 3 传统解调器设计方案 在传统的接收机的解调单元多采用模拟处理的方法和器件实现的，即使用了 模拟滤波器、鉴相器( 乘法器) 和压控振荡器( v c o ) 。这种传统的模拟解调单元电 路体积大，形式复杂；调试周期长而且受人为因素影响大；器件内部噪声大，易 第二章全数字解调器设计方案 受环境影响，可靠性差。因此，这种传统的接收机不能完全发挥数字通信的优势， 不能实现数字信号的最佳接收i ”。图2 7 为风云二号b 星使用的模拟解调器0 】，其 中s ( f ) 为7 0 m h z 中频输入信号。 从图中可以看出这种解调系统采用部分数字化设计，通过误差信号反馈给 v c o 来调节本地载波，然后用本地载波去解调出传输的数据。由于存在数字端到 模拟端的反馈环路，使得电路调节比较复杂，性能难以保证。而且由于未全数字 化，不利于系统集成和升级扩展。 v o a 孛翱蕾跛器 爿捷茨馈犀 秘吼 x c 1 2 j 嚣割豁匿j 龆斟嚣 ，l 。l l l 一 眦l _ 一 畸卜由一幽 图2 7 风云二号b 星解调器 2 4 全数字解调器设计方案及关键模块原理 随着超大规模集成电路的发展，通信解调系统正在向着全数字解调的方向发 展。所谓全数字解调，就是指解调器的载波同步和定时同步不包含有向模拟前端有 反馈控制信号的解调方法。全数字解调并不是简单的将模拟解调中的器件全部数 字化，它具有以下的特点：电路结构简单，易于调试；可以使用复杂的算法，从而 实现最佳接收；便于计算杌辅助设计，实现电子设计自动化；易于集成和大规模 生产，价格低廉一1 。鉴于以上优点和文章在第一章中对数字解调器实现可行性的 分析，在此选用中频数字化来设计风云二号数字解调器。 2 4 1 全数字解调器设计方案 ( 1 ) 全解调器设计要求 由于风云二号卫星是地球同步卫星，两且地面使用的是固定站接收，所以调 制信号经过信道传输后，发生以下几种变化： 首先，信号经过空间无线信道传输会产生各种各样的噪声，但由于大部分路 径为自由空间。所以比较典型的噪声是高斯白噪声； 其次，由于电离层、对流层以及天气变化对电波传输的影响，信号幅度会有 很大的衰减，而且衰减量一般都会在不停的变化； 旦 风云二号载波恢复研究与数字解调器设计 再次，由于发送端和接收端的本振时钟不一致，高频头、下变频等等电路以 及卫星轨道摄动影响，信号相位在传输中会受到损害，引起相位抖动。而且，射 频和中频的上下变换的振荡器的频率不确定性也会引起频偏，体现在星座图上就 是转动的； 最后，会产生码间干扰。从理论上说，要使一个数字通信系统在整个频率范 围内都是线性无失真的，那么该系统应具有无限宽的带宽【l ”。显然这种系统是不 存在的。此外，任何一条实际信道的幅度和频率响应特性都不可能是完全线性的， 传输信号必然会存在或多或少的失真，因此码间干扰是一种客观存在的干扰。 相应的，解调器必须做到： 对输入信号带通滤波，滤除带外噪声； 调整输入信号幅度，即动增益控制( a g c ) ； 相应发端脉冲成形的匹配滤波以消除码间干扰； 估计补偿载波频偏和相偏； 恢复符号时钟( 或符号使能信号) ，能适用多种速率解调。 ( 2 ) 设计方案 经过以上分析，对于风云二号数字解调器来说，它应该包含以下几部分，带通 滤波、自动增益控制、下变频、符号定时恢复、数字载波恢复以及判决模块。在 实际进行系统设计时还要考虑：要求的性能、功耗，适用性、体积、可靠性、以 及上述功能实现如何组合等。图2 8 是结合上述要求得到的设计框图，以下对各个 模块原理进行详细介绍。 暖s a m 丽p l i n gc 霸l o c k 到主蠢票 s a w 2 4 2 模拟前端 中频放 大器 a m p l i f i e r i 一 自动增益 控制a g c 采a 样d h 篓d 纂i s c 崮篓t i m 誉i n g 崮篓c a r 筹d e rp 图2 8 全数字解调器框图 前级射频模块送来的是频率为7 0 m h z ，带宽为1 4 m h z 的中频信号。声表面滤 波器s a w 是为了滤除带外噪声信号。之后对中频数据进行处理，首先要进行a d 采 样。由于输入信号为带通信号，所以要根据带通采样定理来确定采样速率。一般 在器件允许情况下要进行过采样，这样做是为了在数字化后使信号的周期频谱尽 量分开，降低后面滤波器的设计难度。另外，也要考虑a d 转换的位数，因为它将 第二章全数字解调器设计方案 1 5 决定后级各模块的计算精度。当位数确定后，为了能最大限度利用a d 的精度，就 要使输入信号的幅值尽量稳定在a d 转换的最大线性电压左右( 因为q p s k 信息在相 位上，这将不会影响解调) ，这就必须引入自动增益控制a g c 来达到这一目的。 2 4 3 数字下变频 数字下变频d d c 与模拟下变频的功能是一样的，即完成输入信号与本地载波 信号的乘法运算，通过低通滤波器，得到基带信号。在模拟下变频器中，混频器 的非线性和模拟本地振荡器的频率稳定度、边带、相位噪声等都是人们最为关心 和难以彻底解决的问题。然而这些问题在数字下变频中是不存在的，频率步迸、 频率间隔等也具有理想的性能，此外，数字下变频器通过可编程逻辑器件实现， 其控制和修改比较容易，这也是模拟下变频器无法比拟的呻】。但数字下变频的运 算速度受所实现的器件限制，同时数字下变频的数据精度和运算精度也影响着解 调器的性能，所以数字下变频器必须优化设计。影响数字下变频器性能的主要因 素有两个：一是表示数字本振、输入信号以及混频乘法运算的样本数值的有限字长 所引起的误差；二是数字本振相位的分辨率不够而引起数字本振样本数值的近似 取值。 一般数字下变频设计中，通过数控振荡器( n u m e r i e a lc o n t r o l l e do s c i l l a t o r ， n c o ) 产生一个理想的正弦或余弦波与输入信号相乘来实现下变频，而正弦或余 弦波通常是查表来得到，实现起来比较复杂。下面介绍一种比较简单的实现方法。 由带通采样定理式( 2 5 ) 可知，只要采样速率f 满足： z ：当过 ( m ：o 1 ，2 ) “2 掰+ 1 。”_ 7( 2 6 ) 而且z 2 b ，m 取能满足2 b 的最大正整数，那么用f 对带通信号进行等间 隔采样所得到的信号采样值能准确地确定原信号。设输入的实中频信号工( f ) 采样并 数字化后的数字序列j ( 拜) 为： x ( n ) = l ( n ) c o s ( 2 n f , n t ，) 一q ( n ) s i n ( 2 n f 。n l )( 2 - 7 ) 其中，工为载频频率，l 为采样时间，令正= 以。，则正= 之，取研= 3 代入 式2 8 化简可得： 工( 胛) = l ( n ) c o s ( 寺m o q ( n ) s i n ( 寺m o ( 2 - 8 将工( 胛) 与两个正交的本振信号进行相乘混频，就可以产生所需的基带信号。 其中，混频使用的同相数字信号为c o s ( 2 矾n t ，) = e o s ( 7 n n 2 ) ；而正交数字信号为 一s i n c 2 n f , 凡z ) = 一s i n ( 7 n n 2 ) 。可以看出，两个正交的本振混频信号只需用保持、 一1 6 风云二号载波恢复研究与数字解调器设计 清零、取反操作与采样中频信号序列相乘，即可得到正交的瘌q 两路信号。根本 无须本地数控振荡器的振荡信号参与，大大简化了系统实现。混频后的信号经过 低通滤波后就得到基带信号，如图2 9 是数字下变频原理图。 c o a ( 7 m f 2 ) = 1 ，o ，一1 ，o 其 它 处 理 一s i n ( 7 s m 2 ) = o - l ，0 ，l 图2 9 数字下变频原理图 在本设计中，对中频频率为7 0 m h z 、带宽1 4 m h z 的信号进行带通采样。由带 通采样定理知，用丘= 4 0 m h z ( 2 b = 2 8 m h z 满足z 2 b ) 对信号进行采样就可以实现 频谱无混叠。但这里选用f = 5 6 m h z ( 此时m - - 3 ) 的采样率，这样一方面可以减少信 号的失真度；另一方面因为a d 采样后，基带信号频谱与其邻近镜像频谱的间隔较 大，减小了低通滤波器的设计难度，在后级可以通过抽取滤波进行降速处理。抽 取一般采用半带或梳状滤波器来实现。 2 4 4 定时恢复 定时恢复模块处于解调系统的前端，是数字解调器中最为关键的功能之一。 它一般处于d d c 之后，均衡和载波恢复之前。通常在定时恢复完成符号同步后， 给后级电路一个指示信号，均衡和载波恢复收到指示信号后才开始工作。所以定 时恢复性能的好坏将直接影响后端均衡和载波恢复的工作。在数解通信中，由于 采样时钟本身是固定的，无法进行自身调节使其与输入信号同步，因此，需要通 过定时恢复模块来速率转换，产生同步的信号。 图2 1 0 定时恢复的基本原理框图 图2 1 0 是定时恢复的原理框图，它采用非同步内插时域恢复的方法来实现符 第二章全数字解调器设计方案 1 7 号同步，总体实现是建立在内插滤波的基础上的。具体的控制由数控振荡器n c o 来实现。而定时误差检测采用了比较成熟的g a r d n e r 算法 1 3 1 。 以下简略介绍各个模块： ( 1 ) 内插滤波