（微电子学与固体电子学专业论文）星载伪码测距系统研究与设计.pdf

浙江大学硕十学位论文 摘要 从2 0 世纪8 0 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f p g a 和d s p 为基础的情况下，利用a d c 和d a c 作为数 字一模拟信号转换芯片，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 f p g a 设计技术在q u a r t u s l i 编译环境下将各个模块用v e r i l o g h d l 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 w l a n 板传输( 注：见本文第五章，p 5 4 ) 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d s p 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、f p g a 、相位差 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t s i n c et h ec o n c e p to fm i c r o s a t e l l i t ew a sp r o p o s e di nt h e8 0 so f2 0 c e n t u r i e s ，i t st e c h n i q u e sh a v em a d eg r e a tp r o c e s s si nr e c e n ty e a r s ，t h e d e v e l o p m e n to ft h em i c r o s a t e l l i t ei sas i g n i f i c a n tt r e n di nt h ea e r o s p a c e a r e a t h ef e a t u r eo fm i c r o s a t e l l i t ei n c l u d e s l i g h tw e i g h t ，g o o d p e r f o r m a n c e ，s h o r td e v e l o p m e n tc y c l ea n dl o wc o s t a sa ni m p o r t a n tp a r t o fm i c r o s a t e l l i t e ，t h et t & c t r a n s p o n d e rs y s t e ms h o u l dh a v et h ef e a t u r e o fs i m p l ec o n f i g u r e a t i o n ，l i g h tw e i g h t ，l o n gw o r k i n gt i m ea n dh i g h r e l i a b i l i t y i nt h i st h e s i s ，t h em e t h o d so fd i g i t a lp s e u d or a n g i n gs y s t e m i nt h et t & ct r a n s p o n d e rw i l lb es y s t e m a t i c a l l ys t u d i e da n dv a l i d a t e d e x p e r i m e n t a l l y t h i st h e s i sf o c u s e do nt h ed e s i g no f d i g i t a lp s e u d or a n g i n gs y s t e m a n dt t & ct r a n s p o n d e rb a s e b a n dh a r d w a r ef l a t f o r ma n di t sv e r i f i c a t i o n e x p e r i m e n t s t h ea r c h i t e c t u r eo f t h eh a r d w a r ep l a t f o r mc o n s i s t so fd s p , f p g a ，a d c ，d a ca n de t c a c c o r d i n gt ot h et h e o r yo fr e g e n e r a t i v ep s e u d oc o d er a n g i n g ，t h i s t h e s i sc o n s t r u c t sad i g i t a lp s e u d or a n g i n gs y s t e mf f a m e w o r ka n dd e s i g n s c o d e g e n e r a t i o n ，d t t t , d o w n l i n k - t r a n s m i t t i n g m o d u l e a n da l lo f m o d u l ew i l lb ei m p l e m e n t e dw i t hv e r i l o g h d l ，s i m u l a t e da n dv e r i f i e di n q u a r t u s l id e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n t t h ef u n c t i o ni sv e r i f i e d b y s i m u l a t i o n ，p r e c i s i o ne x p e r i m e n t ，l o n g - d i s t a n c ee x p e r i m e n ta n dw l a n i i i 浙江大学硕士学位论文 w i r e l e s se x p e r i m e n t t h ep r o c e d u r ei st h a tt h ec o d e - g e n e r a t i o nm o d u l e g e n e r a t e sp s e u d oc o d es e q u e n c e ，t h e ni t i ss e n tt od t t l a n dd t t l r e c o v e r st h e p s e u d oc o d e s a n dt h e c o r r e s p o n d i n gc l o c kc o d e ，a n d r e g e n e r a t e sp s e u d oc o d es e q u e n c e l a s t l yi ti st r a n s m i t t e dt ot h er e c e i v e r b e s i d e st h et e c h n i q u eo f d s p , m e a s u r e st h ep h a s ec o n t r a s to f t h eo r i g i n a l s i g n a la n dt h er e b i r t h e ds i g n a lt og e tt h er e a l i t yd a t a f i n a l l y , ap r o j e c to f d i g i t a lp s e u d or a n g i n gs y s t e mf o r t h ep i c o s a t e l l i t e i s d e s i g n e da n d v e r i f i e do nt h ee x p e r i m e n t a lp l a t f o r m ，w h i c hi ss p e c i a l l yd e s i g n e d k e yw o r d s ：m i c r o - s a t e l l i t e ，p s e u d or a n g i n g ，f p g a ，p h a s ec o n t r a s t i v 浙江人学硕士学位论文 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嘲 编队飞行微小卫星是由多颗微小卫星构成并保持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n a s a 在1 9 9 8 年启动了 大学纳卫星计划，1 0 所大学提出的5 颗纳型卫星编队飞行计划；美国空军提出 2 1 世纪技术星”( t e c h s a t - 2 1 ) 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c l o u d s a t ，c a r t w h e e l ， s a r l u p e ，t e r r a s a t ，l i s i a ，d a r w i n 以及已经成功实施的e o i 与l a n d s a t 一7 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( t d r s s ) 。但由于其在3 6 0 0 0 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t d r s s 也难以应付数量大的卫星编队。 ( 2 ) 利用g p s 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g p s 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 浙江大学硕士学位论文 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】一【z s 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 1 9 9 1 年，j p l 实验室( j e tp r o p u l s i o nl a b o r a t o r y , c a l i f o r n i ai n s t i t u t eo f t e c h n o l o g y ) 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1 m h z ，同时其噪声抖动比原 设备小。2 0 0 1 年该实验室的b e m e r 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。2 0 0 2 年美国a e r o a s t r o 公司的m i t c h e l l 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c o s t a s 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p r a r e 系统利用1 0 m c p s 的伪码速率即可达到2 5 c m 的测量精度( 随机噪声抖动) ，而同一时期研制的 b e p i c o l m b o ，其采用测距音进行测距的系统只能达到2 0 3 0 c m 的水平，而且用 的是5 0 m h z 的高频率测距音。那么对于2 5 c m 的测量精度来说，相位抖动意味 着要小于1 0 m c p s 伪码的1 1 2 0 0 周期，这对测控应答机的设计是个很大的难题。 浙江大学碗上学位论文 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各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h ，s 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，星问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( p s e u d o - n o i s er a n g i n g ) 有两类：一类是传统 的标准的转发测距( t u r na r o u n dr a n g i n g ) ，另一类是再生测距( r e g e n e r a t i v e r a n g i n g ) 。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( r a n g i n gm o d u l a t i o ni n d e x ) ，接着与遥测调制部分( t e l e m e t r y m o d u l a t i o n ) 相加送到线性相位调制器( l i n e a rp h a s em o d u l a t o r ) 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 浙江大学硕十学位论文 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3 0 d b 。 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( i n t e g r a t i o nt i m e ) 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。 u p u n k 耳删o 一h z ( a ) ( a ) 转发测距的p f 伊k b r a g = 1 , 5m f f , z e r n g = 6 趁5 t a d m b - 鬯 至 螽 u p l | n kp y 嘞，d b - h 2 ( b ) ( b ) 再生翔9 距再，f 的增益 毋= 4 , 5 舳锄。0 2 2 5 t a d r m s - 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( s o r w a r ed e f i n e dr a d i o ，简称s d r ) ，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， 4 浙江人学硕上学位论文 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( d s p ) 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、d s p ( 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n y q u i s t 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 件无线电通信系统一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 d s p ( 数字信号处理器) 和f p g a 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神功能的灵活切换和控制。 浙江大学硕士学位论文 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d s p 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f p g a 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。s d r 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a l t e r af p g a 技术和 t id s p 技术开发的测控应答机基带系统硬件调试平台：同时在f p g a 和d s p 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 6 浙江 学硕士学位畦文 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d s p 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f p g a 就h 蛆蚓时满 足速度和灵活性两方面的要求，支持软件无线电巾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，需要有投的史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席用，导致商用产品和当时技 术水平的巨大差异。s d r 将提供一个新概念和通用无线通信平台，在此甲台上， 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。f 叮软件无线电阻其软件定义 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拧应答机中的伪码测距系统为主要研究对象， 蕈点介绍在满足测控戍答机基带系统的要求下，基于a l t e r af p g a 技术和 t id s p 技术开发的测控应答机基带系统硬件调试平台：同时在f p g a 和d s p 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 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 6 浙江大学硕士学位论文 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f p g a 和d s p 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f p g a 和d s p 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。 7 浙江大学硕上学位论文 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f p g a 和d s p 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f p g a 和d s p 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m 】 一a 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v c x o ，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d s p + f p g a 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t x 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。 浙江大学硕士学位论文 图2 i 基于软件无线电的微小卫星测控通信机系统结构框图 l 一一一一一一一一一一一一一一一一一j i 一一一一一一一一一j 图2 2 接收部分顶层框图 9 f p g a 浙江大学硕士学位论文 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，1 支路积分后与闽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 z 们s 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，虽然所需的测距时问相对较长( 相对于转发测距) ，但星问测 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； 浙江大学硕士学位论文 7 ) 主卫星，码跟踪环对测距利钟进行恢复； 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； 1 0 ) 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； 1 1 ) 主卫星，数据处理，得到距离的测量值。 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( d i g i t a l 上行潮砸码 ( 蓑波正变盘路) u p - l a n k v - a , , g m l c o d e f c 耵t i 盯 q 砌d r a t u r e b n m c h 、 下行铡髓 d o w n - l i n k r 帅o g 岫g d e 浙江大学硕士学位论文 d t t l ，d a t at r a n s i t i o nt r a c k i n gl o o p ) 。 图2 4 伪码恢复( 再生) 的原理图 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 器组成。锁定检测器将相关器的输出与闽值比较，若小于阈值，则推动码发生 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# 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 3 信号结构 2 6 伪码测距信号基于复合码，而复合码又由多个子码组成。这些子码可由软 产生，故这些码的设计具有很大的灵活性。 浙江大学硕上学位论文 2 3 1 复合伪码 举例说明如何由子码组成复合码。此设计例子具有6 个子码并且适合于再生 测距。第n 个子码的长度是h ，其中1 n s 6 。这些子码的长度为：九1 = 2 ，k = 7 ， b = 1 l 和x 4 = 1 5 ，l s = 1 9 ，l 6 = 2 3 ，第一个子码( 周期为2 个码片) 为测距钟码。第 n 个子码表示为c 。( i ) ，其中i 表示离散时间的标号，1 o ， 当超前时f 。 o 。在f 。o 下，清除时刻输出值都比r 。= 0 时的值小一些，等于 k ，( 正一2 r 。) 。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 s 嘶，啦菘 眨4 的硬限幅器。因此不论f 。= 0 或f 。o ，对信号正码元，其输出总是+ 1 ；对于信号 负码元，其输出总是一1 。 ( 3 ) 转换判决器 转换判决器检查两个相邻的输入码元d 。a k ，判别其转换的性质。判别规 则如下： 若吼= n h ，则i k = 0 若口 一1 = + 1 ，口= 一1 ，贝0i k = + 1 ( 2 4 3 ) 若口= 一l ，畋= + 1 ，则i k = 一i 由i k 去控制相乘器，当码元无转换时( 。一o ) 将中相积分支路的输出j k 消 除；当码元由负到正转换时( t = - 1 ) ，将以反相后通过；当码元由正到负转换 时( ，。= + 1 ) ，以得以直通。总之，数码转换信号t 可对中相积分支路输出的含 有同步误差信息的信号以进行适当的极性变换。 浙江大学硕士学位论文 ( 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 圳：f = 篓川矽 ( 2 4 _ 4 ) 式中k ：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k ：t 。由于此时转换判别器输出。= o ，以被消除，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f 。 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。 + a a y t y 2 t 2 t 飞t 。 输出时差 女一f 。 卅一k 1 ( 丁一2 f 0 队、 个t 1 、 l 卜r 。 l 八a k t ( t 一+ i。 个个，r 筛。 下个1 、1 、1 、1 、 个 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f 。的绝 浙江大学硕士学位论文 对值有关，而与同步误差的极性( v c o 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v c o 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z 2 。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t 2 。 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l 作适当的极性变换，获得所需要的误差电压v 。此误差电 压v 。的大小反映着同步误差f 。的大小，而且极性亦反映着同步误差的极性，即 v c o 输出时钟码元是超前还是滞后。用它去控制v c o 时钟码元相位，可使同步 误差f 。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) & g ( f ) = c l ( i ) 【c i ( f ) n q ( i ) n c 4 ( i ) n a ( f ) n c 6 ( i ) 扣，f _ 0 t 0 1 , 0 0 9 ，4 6 9 ( 2 4 5 ) 于是，易知 们= 5 0 4 ，7 3 5 ( 2 4 6 ) 以及 跚( f ) 一4 5 8 ，6 5 5 ( 2 4 7 ) 由于序列长度的一半是5 0 4 ，7 3 5 ，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4 8 1 ，6 9 5 个- 1 和2 3 ，0 4 0 个+ 1 。故序列看起来非常像十l 和1 交 浙江大学硕士学位论文 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 = l 6 ，并且m 1 0 u ， 设计中选择3 3 u 贴片电容。d s p l 8 v 供电引脚需连电源滤波电容，3 3 v 引脚也 需要电源滤波。 如果每次都由c c s 在线对d s p 进行程序下载，那么会使实验过程更麻烦，因此 我们需要一个类似于f p g a 自动上电配置芯片的方案。而d s p 配套的f l a s h 芯 片作为程序存储器，就很好的为我们提供了一个很好的解决方法，使得d s p 在 上电后自动复制f l a s h 内程序到内存并开始运行。a m 2 9 l v 2 0 0 b 是a m d 公司 的f l a s h 芯片，片上有1 2 8 k1 6 b i t 的存储资源，能够放下现阶段所有的d s p 程序数据。它的外围原理图如图3 7 所示，d s p 通过s n 7 4 a c 0 0 对其进行控制， 选择对f l a s h 进行读写操作。s n 7 4 a c 0 0 是4 。二输入与非门，实现d s p 对f l a s h 芯片的控制逻辑，逻辑功能相当于图3 8 所示。 图3 6 电源转换芯片电路 浙江大学硕士学位论文 图3 7f l a s h 外围电路图 图3 , 8s n 7 4 a c 0 0 内部逻辑图 3 3 3 并口a d 转换电路原理设计 一、a d s 8 0 7 简介 a d s 8 0 7 是一款由a d 公司生产的高速动态1 2 位模拟到数字转换器，采样频率 最高可达到5 3 m h z 。该a d c 转换器包含高带宽的采样保持系统能够提供非常好 的性能，甚至超过 n y q u i s t 采样率。同时由于该采样保持系统使得a d 转换电路 浙江大学硕上学位论文 对于虑除噪声性能也非常出色。 a d s 8 0 7 能够在没有任何外围参考电路的情况下提供全范围的数字取值。它 本身内部集成的电压参考电路也能够被软件禁止从而使低电平驱动有效。该参考 电路也能够提高在多通道采样系统应用中的采样精度。 图3 9a d s 8 0 7 内部结构图 a d s 8 0 7 还带有一个溢出标志，以指示输入电压超出满值量程，可以通过该 溢出标志减小前后增益电路的增益值。并且a d s 8 0 7 还带有一个输出使能端允许 电脑主板的多路技术和易测性。a d s 8 0 7 还使用数字错误修正技术为苛刻的成像 应用提供差分直线技术。图3 9 u p 是a d s 8 0 7 的内部结构图。 图3 1 0a d s 8 0 7 的采样时序图 由图3 1 0 可以看n a d s 8 0 7 的采样时序图，它通过工作时钟的上升延对读入 的模拟信号进行采样，以采样点n + x 为中心在f 。和f 。的时间段内将模拟信号的 歪 州删倒州捌剧 浙江大学硕士学位论文 电压值转换为数字信号，由于数字信号有1 2 位有效位，因此转换时分位低位读取 和高位读取。同时也可以看出，只要c l o c k 的频率足够高( 不大于5 3 m h z ) ，采 样的精度也能不断提高，对本论文所作的工作已经能够满足。 通过以上内容可以看出，在本基带平台上，a d s 8 0 7 的技术已经非常成熟， 应用也比较广泛，价格便宜且功能完善，能够满足现在的采集到的模拟信号到数 字信号的转换。 二、a d s 8 0 7 周边电路设计 根据前面提出的基带硬件平台的要求，在板上设计有三路高速a d c ，分别 对应i 路、q 路信号采样接收和i q 混频输出采样的要求。a d s 8 0 7 是一款1 2 位并口 a d c ，最高采样率可以达到5 3 m 。下面介绍一下外围电路的设计原理。 r 1 、r 2 和r 3 焊接与否决定了a d s 8 0 7 的量程是3 v 还是2 v 。由于在本基带平 台中，最后需要与w l a n 无线传输进行连接，因此选择了量程为2 v ，满足w l a n 板所要求的偏置1 1 v 1 v 的测量范围。其他的电容电阻按照芯片资料的标准值 进行设置。 图3 1 1a d s 8 0 7 外围电路图 同时为了扩展方便，a d co e 引脚都引出测试点，并且连接到f p g a 的1 0 脚 上，f l t f p g a i 勾部电路来对这个引脚进行控制。这样可以使a d s 的控制权交由 f p g a 完成，而不是固定的电路，应用比较灵活，即可以用f p g a 内部软件的调 浙江大学硕士学位论文 整来选择需要使用的芯片，三路a d s 中没有用到的芯片可以处于低功耗状态，这 样可以节约微小卫星本来就不多的能源。 利用f p g a 对a d c _ c l k 管脚可以调整a d s 的采样频率。板上设计有两路有 源晶振，最大可达到1 2 0 m h z ，可以通过f p g a 的分频来调节a d s 的采样频率来 满足不同的采样要求。电路图如图3 1 l 所示。 图3 1 2a d s 8 0