（微电子学与固体电子学专业论文）皮卫星用模拟地面站的研究与改进.pdf

壅里星星堡丝些堡塑塑堕塞皇堕垄茎8 2 2 7 2 摘要 皮卫星是目前航天器发展的一个重要方肉。皮卫星具有重量轻、性能好、研制 周期短、造价低等优点，可用于通信、导航、对地观察和深空探测等。多颗皮卫星 可以在轨道上组成星座，实现资源共享，完成遥控遥测，进行有效载荷搭载试验等。 地面站可以对在轨道上飞行的皮卫星进行测量与监控。但是地面站是一个复杂 而庞大的系统，且研制周期长、造价昂贵。而要在实验室中对皮卫星进行测试，必 须研制一套专门对皮卫星测控应答机功能进行测试的廉价的、功能专一模拟地面站。 随着皮卫星测控应答机功能的增强，原先的模拟地面站己不能满足对皮卫星测试的 要求。本论文主要研究工作是改迸原有模拟地面站，使其满足皮卫星测试的要求。 本论文的主要工作内容与特色如下： 改进模拟地面站测距终端处理电路，增加了侧音提取器，采用窄带锁相环滤波 器，使得提纯的侧音测距信号更加稳定，测距结果更加精确。同时实现模拟地 面站的侧音轮发机制与遥测遥控的切换功能。 设计高精度的相位计数器，实现测距数据智能化操作。相位计数器采用鉴相器 检测发送侧音与接收侧音的相位差，采用高精度的计数器对相位差进行计数， 同时将测距音相位差信息通过u s b 通道反馈到计算机，实现了连续、稳定的测 量。相位计数器采用1 0 0 m h z 的晶振作为计数脉冲，测量的最大误差为o 3 6 。 采用m a u a b 软件设计测距数据的统计程序，相位计数器发送给计算机的是发送 与接收测距音相位差的计数值，而要得到真正测量的距离需要通过一系列的算 法将这个相位差值转化为实际距离值，同时对采集的数据进行统计分析。人工 的数据处理已经远远不能满足侧音测距的发展要求，而采用m a u a b 设计的统计 程序可以实现测距信息的批量处理，实现数据的统计化、归一化，使测量得到 的数据更加可信。 采用m a t l a b 软件实现模拟地面站接收机的相位噪声仿真。地面站接收机的性能 直接影响了皮卫星测距的准确度与精度，本文通过对地面站接收机的接收本征 环、载波跟踪环路、嵌套环路、载波提取环路以及解调器的仿真进一步说明了 相位噪声对测距的影响。 浙江大学硕士学位论文 设计测控应答机测距零值误差与r m s 抖动的测量方案，并用该方案对模拟地面 站自身测距零值误差与i t m s 抖动进行测量，然后改进数据处理模块的算法，对 测量的结果进行平均统计，并采用统计软件s p s s 对结果进一步分析。最后，对 皮卫星与地面站进行联调，测得星地联调的1 0 0 l 川z 测距音零值误差为 3 7 6 5 1 9 。，r m s 抖动为0 5 6 3 4 。1 0 0 k h z 测距音是本侧音测距体制的精测音， 其精度决定了测量卫星轨道的精度，星地联调的测量精度为4 6 9 5 坍。 通过本论文的工作，成功地改进了模拟地面站，使之在功能和性能上更加完善， 尤其是在侧音测距方面，已经完全实现智能化、数字化处理，使测得的结果更加的 准确。同时通过对地面站接收机的相位噪声分析，实现对改善侧音测距精度的指导。 最后通过对地面站自身以及星地联调的测距零值误差与r m s 抖动测量与分析，实 现星地测距的自校零，完善皮卫星的测距功能。 关键词：地面站，侧音测距，相位计数器，相位噪声，零值误差，r m s 抖动 i i 壅里里旦堡垫垫堕苎塑! 塞量垦垄 a b s t r a c t t h ed e v e l o p i n e n to ft 1 1 ep i c o s a t e l l “ei s as i g l l i f i c a n tt r e n di nt 1 1 ea e r o s p a c e 盯e a p i c o 。s a t e l l i t eh a sa d v a i l t a g e so fl o ww e i g h t ，l l i 曲p e r f b i i n a n c e ，s h o r tr dp 甜o da i l d l o we x _ p e n s e i t 砸ub el l s e di i lc o 删n u n i c a t i o n ，n a v i g 撕o na 1 1 dd e 印s p a c ee x p l o r a t i o n a n ds oo n t h es a t e l l i t ec l u s t e r si nt h eo r b i tf 0 皿t 1 1 ec o n s t e l l a t i o n p i c o s a t e u i t e ss h a r e r e s o u r c e sa i l di 耐b m 删o n 州t l le a c ho m e r a i l dd os o m ev i m l a lc a 玎了t c s t s a l s o 廿l e yc 锄 r e a l i z et 1 1 e 矗m c t i o no f t e l e c o n 仃0 1a n dr e m m et e s t t 1 l eg r o 衄ds t a t i o nc a nf e a l i z et l l em e a s u r e m e n ta n ds u r v e i l l a n c eo fp i c o - s a t e l l i t c b u ti t sac o m p l e xa n dh u g es y s t c mw h i c hh a sl o n gr dp e 渤da i l dh i g he x p e i l s e 。i n o r d e rt ot e s tn l ep i c o s a t e u i t ei l lt l l el a b ，w em u s tr e s e a r c hac h e a pg r o u n ds t a t i o n a 1 0 n g w i m 也ed e v e l o p m e n to f t t & c ，t l l eg r o l l l l ds t a t i o nc a nn o ts u 珩c en l er e q u e s to f t e s tf o r t 1 1 ep i c o s a t e l l i t c t h i sm e s i sd i s c u s s e st l l e 曲肿v e m c n to ft h eg r o 吼ds t a t i o n ，w h i c h s p e r f b r i l l 趾c ei sm u c hs t a b i 】e i tc a l ls 嘣c e 恤er e q u e s to f m e t e s tf o rt 1 1 ep i c o s a t e l l i t e m a i nf e a t u r e so f 吐l i s 也e s i sa r ea sf o l l o 、啦： t h et e m l i n a lp r o c e s s i n gc i r c 缸o fr a i l g i n gi nt h eg r o l l n ds 叫0 ni si m p m v e d t h e n a r r o w b a i l df i l t e r sa r ea d d e dt ot h ec i r c u i t w h i c hr n a k et i l cs i i i et o n em u c hs t a b i l e a n dt h er e s u no fr a n g i n gm u c hp r e c i s e a l s oi tr e a l i z e st l l em e t l l o do fm u l t i p l es i d e t o n er a n g 协g n l ep h a s ec o u c e ri sd e s i g n e db yu s i n gd i g i t a lc i r c u i t ，w h i c hc a nf e a l i z e 也e i n t e l l i g e n tp m c e s s i n go ft h ed a t a t l l i sp h a s ec o u m e rm e a s l l r e sn 他p h 鹪e d i 抒b r e n c e o fs i d et o n e sb yu s i n gp h a s ed e t e c t o r w l l i c hm 山st l l em e a s u r c i n e n tm u c hp r e c i s e t h e ni ts e n d st 1 1 ed a t at op cb yu s b b e c a u s et 1 1 ec r y s t a lo s c i l l a t o ro f1 0 0 zi s u s e di n 也ec 蚴t e r ，t 1 1 em a ) d m u me r r o ro f m e a s u r e m e n ti so i l l yo 3 6 。 1 ks 钯t i s t i cp r o g r a mo f r a n g i n gi sd e s i g n e db yu s i n gm a t l a b t h em 锄u a lm e m o d d a 协p r o c e s s i n gc a i ln o tr e a l i z et l l ed e v e l 叩m c n to f s i d et o n er a n g i n g b mt 1 1 es 诅t i s t i c p r o g r 姗c a i lp m c e s st h ei n f o m l a t i o no fr a n g i n gq u j c l 【l y ，w l l i c hm a k e st l l er e s u l t s m u c hc r e d i t a b l e t h ep h a s en o i s eo ft 1 1 eg m u r l ds t a t i o ni ss i m u l a t e db yu s i n gm a t l a b t h e p e 响h n a n c eo fg 袱l n ds t a t i o na 航c t s 也ep r e c i s i o fr a n 爵n gd i r e c t l y t h e 吐i e s i s 柚a l y z e st h cp h a s e n o i s eo fl o l o o p ，t r a c k l o 叩，n e s t i n g l o 叩，p i c k u p l o 叩蛐d d e m o d u l a t o r ，a n ds h o w sm ee f i b c to f p h a s en o i s et o 廿l er a n g i n gs y s t e m i l i 浙江大学硕士学位论文 t h cp e r f b n l l a i l c e0 f r 觚g i n gi sm e a s l l r e d b yu s i n g 也ew a y o fn u l le o ra 1 1 di m s j i t 【e rm e a s u r e m e n t t h e nt 1 1 er e s u l t sa r ea i i a l y z e db ys p s s a c c o r d i n gt h er e s m t so f a n a l y 西n g ，t 1 1 eg r o u n ds t a t i o ni si m p r o v e db yu s i n gm e a l l a t1 a s t ，t h ep i c o - s a t e l l i t e a n dt l l eg r o i i l l ds t a t i o ni sj o i n j n gt o g e m e r ff o rm es i d et o n eo f10 0k h z ，t 1 en u 订 e r r o ri s3 7 6 5 1 9 。a n dm er m sj i 船i s 0 5 6 3 4 。t h ep r e c i s i o no f 1 es i d et o n eo f 1 0 0k h zd e t e n m n e s 血ep c i s i o no ft l l eo r b i to fp i c o s a t e l l i t e ，m ep r e c i s i o no f m e a s u r e m e mi sr e a c h e d4 6 9 5 m t h eg r o u n ds 洲o nh a sb e e ni m p r o v e ds u c c e s s f m l mw h o s 觚t i o na n dp e r f o m a n c e a r em u c hb e t t e lt h e 舢g i n gs y s t e mi si m e l l i g e n ta 1 1 dd i g i t a ln o wa n dt 1 1 er e s 讧hi sm u c h p r c c i s e a l s o 【l l ea n a l y s i so fp h a s en o i s ei sd i r e c t l yi m p m v i l l gm ep r e c i s i o no fr a n g i n g t h r o u 吐o u tt h em e a s l l r e m e n ta 1 1 da n a l y s i so fn l l l le n 饼a 1 1 dr m sj i n e ro fr a n g 恤g s y s t e m ，m eg r o l l l l ds t a t i o nc a i la d j u s ti t ss e l fa | l dt 1 1 e 如1 c t i o no f 珊g i l l gi sm u c hp r e f c c t k q w o r d s ：g m u n ds h 6 蛐，s 埘et o n er a n g i n 岛p h 酗ec o u 把bp h 叠s en o i s e ，n u e r r o lr m sj i n 盯 皮卫星用模拟地面站的研究与改进 1 1 皮卫星的发展背景 第一章绪论 2 0 世纪9 0 年代以来，出现了不同于以往小卫星概念的新型小卫星。现在小卫 星采用新的设计思想，打破传统大卫星的分系统界线，强调功能集成、系统集成 和充分发挥软件功能，并且广泛采用现代微电子技术、微机械技术( m e m s ) 和微 纳技术( m n t ) 等高新技术。它具有高新技术含量高、功能密集度高以及成本低、 性能好、研制周期短、质量小、体积小等优点，可实现批量生产，具有广阔的应 用前景。 现代小卫星的大小界定和分类尚不统一，通常从卫星的重量、轨道高度和所 提供的业务等方面进行大致的划分。其中按卫星的重量可分为如表1 【8 1 所示的几 种。 表l ：卫星的分类 名称 质量( 含燃料) ，k g 大卫星( l a r g e s a t ) 1 0 0 0 中卫星( m e d i s a t ) 5 0 0 1 o o o 超小卫星( m i n i s a t )1 0 0 5 0 0 微卫星( m i c r o s a t ) 1 0 l o o 纳卫星( n a n o s a t ) l l o 皮卫星( p i c o s a t ) o 1 1 飞卫星( f e m t o s a t ) 第二章首先介绍原有的模拟地面站，同时回顾本系统的侧音测距体制，然后 介绍模拟地面站的改进设计。本文对地面站的改进主要是增加了对测距音的 滤波提纯和设计了测距信息终端处理电路，使皮卫星侧音测距实现数字化、 自动化。同时，采用m a u a b 软件对测距结果进一步统计与分析，使测得的结 果更加精确。 第三章主要介绍了相位噪声及其测量方法，同时详细推导相位噪声与r m s 抖动的关系。然后对地面站接收机的接收本征环、载波跟踪环、嵌套环、载 波提取环以及解调器等关键环路进行仿真，将仿真得结果跟实际测量的地面 站r m s 抖动作比较，最后用仿真的结果来改迸地面站，降低地面站对测距 引入的误差，以提高整个皮卫星系统测距的精度。 第四章首先给出测控应答机测距零值误差与r m s 抖动的测量方案，然后用 该方案对地面站自身的测距零值误差与r m s 抖动进行测量，同时用s p s s 对测得的结果进行详细的统计与分析。然后分析在不同温度和时间上零值误 差与r m s 抖动的规律。最后用该地面站跟皮卫星测控应答机进行联调，同 时测出星- 地联调的测距零值误差与r m s 抖动。在实际测距过程中，将测量 得到的结果扣除相应的星一地零值误差与r m s 抖动即可得到真实的轨道高 度。 第五章主要是对本论文所做的工作的总结，在此基础上对目前还没有解决的 问题提一些看法和建议。 6 皮卫星用模拟地面站的研究与改进 第二章模拟地面站测距功能的改进 地面站可以对在轨道上飞行的皮卫星进行测量与监控，地面站发送遥控遥测 信号，对皮卫星进行姿态控制和遥测实验，同时接收并恢复皮卫星返回的信号， 使相关人员了解皮卫星和环境的各种状态。 在实验室中，一套功能齐全的模拟地面站是验证皮卫星是否正常工作不可缺 少的设备。原先研制的模拟地面站具有遥控指令发送和遥测数据接收的功能，也 初步具有测距功能，但是其测距功能并不完善，发送测距音与接收测距音相位差 需要通过双通道示波器来比较，并且在测量上随机性很大，数据很不准确，很难 真正实现皮卫星轨道高度的测量。 模拟地面站的功能与性能影响着对皮卫星的各项测试，本章主要是对模拟地 面站测距功能的改进，主要包括：设计侧音提取器，对测距音终端进行锁相滤波 提纯，使测距音更加稳定；设计相位计数器，实现测距信息的数字化、自动化处 理，同时通过u s b 将测距信息传输到计算机，避免了以前采用示波器测量测距 信息的不足；用m a t l a b 编写的程序实现对测距信息的智能化处理，使测量的结 果更加精确。 2 1 模拟地面站的功能和结构 2 1 1 模拟地面站的功能 原有模拟地面站的框图如图2 1 所示，主要由发射机，接收机，图像信号解 调模块，以及指令发送端，数据接收端和简单测距功能模块组成。地面站通过发 送指令控制星上相机拍摄图像和接收皮卫星发送的图像信号；通过发送侧音测距 信号对皮卫星的轨道高度进行测量。 浙江大学硕士学位论文 图2 1 模拟地面站框图 当发送指令信号时，指令信号由p c 通过串口传给指令发送端，指令发送端 将数据送入b p s k 调制电路调制到副载波上，该副载波p m 调制到载波上后由发 射机通过天线发射到星上。皮卫星接收到地面站的上行信号之后，进行载波相干 转发，并将星上图像数据调制于其上，发送回地面站。地面站的接收机通过天线 接收到皮卫星的下行信号，解调并提纯图像副载波信号，再由b p s k 解调电路解 调出图像信号，并通过接收端读取解调电路输出的数据，通过串口送到p c 机恢 复出皮卫星c m o s 相机拍摄的图像。 当发送测距信号时，模拟地面站将测距信号发射到皮卫星上，皮卫星接收上 行信号并解调出测距信号，然后经过简单地处理再调制到皮卫星下行信号载波上 发送回模拟地面站，模拟地面站接收并将其解调出来，用双通道示波器通过比较 上、下行侧音信号的相位差就可以确定皮卫星的轨道高度。 2 1 2 模拟地面站的结构 发射机结构 模拟地面站发射机的结构框图如图2 - 2 所示。发射本振信号由t c x o 作为参 考信号的频率合成器组成，所以地面站发送的信号频率稳定度主要就由t c x o 的频率稳定度决定的。t c x o 采用高稳晶振芯片，其频率稳定度为2 3 p p m ，因此 地面站发射本振频率稳定性比较高，可满足测试要求。 8 皮卫星用模拟地面站的研究与改进 图2 2 模拟地面站发射机结构框图 指令信号或测距信号通过p m 方式调制到发射载波信号上之后，经功率放大 器，发送至皮卫星。 接收机 模拟地面站接收机的结构框图如图2 3 所示。由l n a 、混频器、a g c 和接 收本振频率合成器组成。2 1 8 8 g h z 本振信号采用的频率合成器的参考信号跟发 射机中同用一个t c x o ，由功分器输出分别送给发射机和接收机。解调器为相干 解调器，其本征信号必须得跟信号载波同步，因此采用长环结构。 图2 3 模拟地面站接收机结构框图 天线接收到图像信号或者测距信号后，通过超外差接收的方式解调出负载 波，传送给基带处理模块。 图像信号解调模块 图像信号解调模块的结构框图如图2 4 所示。整个解调模块由前端带通滤波 器、载波提取、整形、时钟提取和判决等几个部分组成。 浙江大学硕士学位论文 t il i ，离 i 图2 4 图像信号解调模块结构框图 图中输入信号是6 5 k 的b p s k 调制信号，由码速率为4 0 9 6 b p s 的数字信号调 制在6 5 k 载波上。并且b p s k 是抑制载波调制，所以我们需要进行载波提取， 然后再进行鉴相。鉴相出来的信号通过截止频率为3 2 k 的低通滤波器，再经过 整形电路得到正确的输入信号。整形电路后，一路直接接入判决器，一路通过微 分，整流，码同步，作为判决器的判决时钟，最后判决器输出正确的数字信号。 指令发送端与数据接收端 指令发送端与数据接收端结构框图如图2 5 所示。指令发送端和数据接收端 实现的是一个互逆的功能：指令发送端把p c 机串口送出的数据提供给b p s k 调 制电路；而数据接收端把b p s k 解调电路解调出的数据由串口送给p c 机。 r 一坞巨习垂匦卜制 p c l 一_ 剑竖1 j j i j i i ! 卜 ：i l l l l l ； + 一图像信号解调模块 图2 5 指令发送端与数据接收端结构框图 本电路的主要功能是发送数据，对上行数据进行时钟同步、差分译码和串并 转换等处理。单片机从p c 机接收数据，然后将其转换成二进制数，并产生一个 同步时钟，将数据通过f p g a 发送到b p s k 调制电路，读取发送不断循环，可以 在数据发送过程中实现数据接收，也可以在数据发送过程中对某些状态进行检 查。 2 1 3 模拟地面站的不足 模拟地面站具有单一的遥控指令发送和遥测数据接收的功能，也初步具有测 l o 皮卫星用模拟地面站的研究与改进 距功能，但是原有模拟地面站功能并不完善，尤其在测距功能上不能满足要求， 其发送测距音与接收测距音的相位差需要通过双通道示波器来测量，所以在测量 上随机性很大，数据很不准确，也不能实现测量结果的统计，以致很难分析测得 的结果。 2 2 皮卫星侧音测距的设计 s 波段卫星测控系统测量距离，是由一组测距音正弦信号经组合后，调制在 载波上发送上星，下行信号中的组合测距音经提取，分别与发送的测距音比相， 从而得出距离信息。在信道中，由于低频通道对信号相位的影响要比高频通道大， 因此，测距终端的相位稳定性、温度特性等指标直接影响着测距精度，给研制带 来较大难度。 2 2 1 侧音测距原理 侧音测距就是地面站把一正弦信号z 作为侧音信号调制到载波上发射给皮 卫星，然后皮卫星解调该信号后转发给地面站，地面站解调出该侧音信号，此接 收的侧音信号相对于发射的侧音信号在相位上延迟了妒，即有相位差妒。 s = r + 置= a 妒2 万= 妒c ( 2 丌石) ( 2 1 ) 式中，r 是发射机与皮卫星间的距离，马是接收机与皮卫星间的距离。地 面站发射机与接收机在同一地点的话，则有r = r = r ，于是 月= 妒c ( 4 玎z ) ( 2 - 2 ) 即只要测出相位差p ，就可得知皮卫星的距离r 。 2 2 2 侧音轮发机制”羽 侧音测距分为多侧音并发测距、扫频侧音测距以及多侧音轮发测距等不同体 制。多侧音同时发送方式下，测距设备收到接收机的解调信号后，通过梳状滤波 器分离出各侧音信号，经过各自的侧音环提纯，获取侧音信号的时延信息，解模 浙江大学硕士学位论文 糊折算出距离值。这种方式要求各侧音信号同时发送，同时接收提纯，同时测量 取数，实现起来设备较复杂。 多侧音轮发是由侧音产生器先产生低侧音信号传至发射机发出，经皮卫星应 答机返回地面。地面接收机接收并解调出侧音信号传至测距终端，测距终端首先 通过带通滤波器提高信噪比。再经数字鉴相器提取相位信息，通过d s p 中的数字 环路滤波器提纯，控制数控振荡器跟踪侧音变化，锁定后同时读取侧音产生器和 数控振荡器的相位码，再发下一个侧音，继续上述过程，直至常发精侧音。 测距时，先从低侧音开始依次发匹配音直至最高侧音，分别得到接收侧音 相对发端侧音的相位讫( i = 1 ，2 ，n ) 数据。经过m 次循环共得到m 组纯的观测数 据。设最后一轮相位识的数据为 弭( f 1 ) ，经( f 2 ) ，驴k ( 0 ) 这l n 个相位数据不在同一时刻，而解距离模糊需要“时刻的n 个侧音的相位 数据，因此需要各自用m 个过去的数据进行预报，获得许( 0 ) ，仍( k ) ，缗( f ) 的 数据，由它们解得最高侧音相位纨( ，。) 的模糊数0 。设双程时延为r ，则 肛鲁( 2 万h + ) ( 2 ) r 就是k f 2 时刻皮卫星至地面站的双程径向距离，我们把这一距离称为 距离初值r 。 虽然仍( r ) 仍( ，) ，( “) 是由过去数据得来的预计值，它们都有预测误 差。一般预测误差很小，不足以引起模糊数错误，所以预测误差不会引起最高侧 音相位整周( 2 疗) 误差。这是该方案的特点之一。 有了距离初值后，以后就只发最高侧音，停发其它匹配音，下一时刻的距离 冠为 蜀= r + r q 。( f ) 加( 鲁) ( 2 4 ) 式中：t 为采样周期，( ，) 是最高侧音多普勒频移，厶为最高侧音波长。 以后逐次取得r ， 皮卫星用模拟地面站的研究与改进 马= 置+ f 7 q 施) 西( 鲁) ( 2 巧) 马= 置+ fq d ( ，) 西( 若) ( 2 巧) 以及皿，等。这样我们就取得各个采样时刻的径向距离数据。 由于系统任何时候只有一个侧音工作，若采用窄带调相，则调制指数可取得 较大( 相对侧音全发测距系统而言) ，所以测距终端有较高的侧音信噪比，于是提 高了测相精度。这是该方案的特点之二。 实现系统误差校准最简单，不管是模拟实现还是数字实现，信号处理器只需 2 个基本反馈环。这是该方案的特点之三。 2 2 3 测距音的选择 任何测距信号体制为了达到和满足测距精度和最大距离指标，而要正确的选 择测距信号上下限的最高频率与最低频率。 由于噪声干扰的影响，不可避免引起测相误差妒，从而引起测距误差r ， 其关系式为 歙= c 伊( 4 疗一) ( 2 6 ) 从上式可见，当相位测量误差p 一定时，侧音频率z 愈高，测距误差r 就 愈小，故为提高测距精度，应提高侧音频率。但相位计只能测出妒 五2 时，就出现距离模糊。从而可得出结论：单一频率正弦波信号 不足以满足测距信号的要求。 为了解决测距精度与无模糊距离这一矛盾，可以采用一组侧音作为测距信 号，其中最高侧音满足测距精度要求，而最低侧音保证最大无模糊距离，中间的 侧音起匹配作用( 解模糊) 。其中最低侧音频率的选择应满足 厶。c 2 足一 ( 2 - 8 ) 式中，兀。为最低侧音频率，。为最大无模糊距离。 本文设计的s 波段测控应答机系统侧音测距采用高侧音为1 0 0 k h z ，低侧音 13 浙江大学硕士学位论文 为2 0 k h z ，1 6 k h z ，1 6 8 k h z ，1 6 1 6 k h z ，1 6 0 3 2 k h z 和1 6 0 0 8 k h z 。能对1 5 0 0 0 0 公里远的皮卫星连续解模糊。 2 3 侧音测距终端电路设计 地面站的侧音测距功能模块的框图如图2 6 所示。由侧音产生器先产生低侧 音信号传至发射机发出，经应答机返回地面，地面接收机接收并解调出侧音信号 传至测距终端，测距终端首先通过带通滤波器提高信噪比，再传给数据处理模块 折算出相应的相位差。 曰 2 3 1 侧音产生器 区三丑丁一 图2 6 侧音测距功能模块框图 地面站的侧音产生器产生1 6 k h z 、2 0 l ( 1 z 和l o o k h z 三组测距信号，由外 部开关控制。该侧音产生器是由d d s 来实现的。因为d d s 具有超高速的频率转 换时间，极高的频率分辨率和较低的相位噪声，在频率改变时，d d s 器件能够 保持相位的连续，因此很容易实现频率、相位和幅度调制。此外，该期间还具有 可编程控制的突出优点。 2 3 1 1 d 9 8 3 2 的基本原理 在设计中，本电路采用a d 公司生产的a d 9 8 3 2 芯片。该芯片的功能块框图 如图2 7 ，主要由数控振荡器和相位调制器、正弦查询表以及一个1 0 位数模转换 器组成。其中数控振荡器和相位调制器部分包含两个3 2 位的频率寄存器、一个 3 2 位的相位累加器和四个1 2 位的相位寄存器。 1 4 皮卫星用模拟地面站的研究与改进 图2 7a d 9 8 3 2 的功能块框图 相位累加器可在每一个时钟周期来临时将频率控制码所决定的相位增量 卸 邪p 累加一次，如果计数大于2 n ，则自动溢出，而只保留后面的n 位数字于 累加器中。正弦查询表r o m 用于实现从相位累加器输出的相位值到正弦幅度值 的转换，并根据输入到正弦查询表r o m 的相位值取出r o m 中与其对应的数字 量，然后送到d a c 中将其转变为模拟量，最后通过滤波器输出一个很纯的正弦 波信号。 2 3 1 2 侧青产生器的软件实现 a d 9 8 3 2 的输出频率五。，与时钟频率厶及频率控制码决定的相位增量 工。，= ( 卸卉娜p 2 “) x z 。 ( 2 9 ) 塑坚奎兰竺主堂竺堕主 式中，n 是相位累加器的比特数3 2 ，外部晶振厶为1 2 m h z 。要产生频率为 1 6 k h z 、2 0 k h z 、1 0 0 k h z 的正弦信号，相位增量分别为 枷q 。m = 罢圯”= 等蛇”= o o o o o o o o ，o o 0 0 1 ，b 劬m 2 丢地”= 篙她”一o o o o o o o o ，0 1 0 1 ，0 0 。b 印栅巳o o m 2 去x 2 ”= 等x 2 3 2 - 0 0 0 0 0 0 1 0 ，0 0 l o 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 l o ，0 0 1 0 0 0 1 0 b 由软件对a d 9 8 3 2 的输出频率和相位进行初始化，即对f s y n c 和s d a l 、a 进行置数。a d 9 8 3 2 的初始化和工作流程如图28 。 2 3 2 侧音提取器 图2 _ 8a d 9 8 3 2 初始化和工作流程图 侧音提取器的主要任务是从噪声中分离出所需的信号，从复合信号中解出侧 音信号，且相位稳定性要好。 皮卫星用模拟地面站的研究与改进 从噪声中提取信号，毫无例外地要使用窄带滤波器。一般的滤波器难以克服 窄的带宽和相位稳定性之间的矛盾。为此，常常采用锁相环作跟踪窄带滤波器， 高精度地提取侧音信号，本文采用了3 个锁相环来提取3 个侧音。 2 3 2 1 锁相环的原理【5 】 锁相环是一种相位负反馈技术，它是通过比较输入信号和压控振荡器的输出 信号的相位，取出与这两个信号的相位差成正比的电压作为误差电压来控制振荡 器的频率，达到使其与输入信号频率相等的目的。 图2 9 锁相环的基本组成 锁相环是个闭环自动调整系统，它的构成如图2 9 所示。它主要由鉴相器、 环路滤波器和压控振荡器等部分构成。 鉴相器 鉴相器的作用是比较输入信号叶( f ) 和参考信号v 。( r ) 的相位，它的输出屹( f ) 与v f ( ) 和k ( r ) 的相位差成比例。假定输入信号”( f ) 为： e ( f ) = s i n ( 叫+ 仍) ( 2 一l o ) 其中为有效电压，q 为角频率。来自压控振荡器的参考信号心( ，) 为： 心( f ) = c o s ( q f + 仍) ( 2 1 1 ) 假设初始相位仍= 仍= o ，并设鉴相器的功能是实现q ( f ) k ( ，) 且输出不对二 者的和频信号产生响应，则： 屹( ，) = 以s i n ( q 一) r = 4s i n 纯( ，)( 2 1 2 ) 1 7 浙江大学硕士学位论文 一 。s f ) 价 一叁 a窳 v 图2 1 0 正弦鉴相特性 当纯要时，正弦鉴相可以近似为线性：o ) = 4 讧( f ) u 环路滤波器 环路滤波器在锁相环路中起非常重要的作用，环路滤波器形式和参数的选取 是锁相环设计与调试的关键。它在很大程度上决定环路的噪声性能、捕获和跟踪 性能等。它的输入信号为屹( r ) ，输出电压为k ( f ) ，如果它的传输函数为a f ( s ) ， 则有 t ( s ) = 以( s ) 屹( s ) 频域表示， 或k ( r ) = 4 ( p ) 屹( r ) 时域表示式 常用的环路滤波器有以下三种，如图2 1 l 所示。 r 1 c ( a ) 简单r c 滤波器( b ) 无源比例积分滤波器 图2 1 l 常用的环路滤波器 a ) 简单r c 滤波器：( 阻容积分器) 传递函数为 帕) 2 器= 击 式中时间常数r = 胄c ( c ) 有源比例积分滤波器 ( 2 1 3 ) 立 壅里星旦塑些耍兰塑翌塞量垦娄一 b ) 无源比例积分滤波器： 传递函数为删= 器= 志南 式中时间常数1 = 墨c ，r 2 = 坞c c ) 有源比例积分器( 直流增益o o ) ： 传递函数为 州加器一等 式中时间常数f l = 墨c ，f 2 = 坞c 压控振荡器 压控振荡器是个电压频率转换器，特性曲线如图2 1 2 所示。 叽 k ， v 图2 1 2 压控振荡器的特性曲线 它的输入为控制电压k ( 玲，理想的频率受控特性应为线性的，即 ( r ) = q + 4 k ( f ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 一1 6 ) 其中q 是当v c = o 时v c o 的自由振荡角频率，4 为压控灵敏度，单位为弧 度秒伏，在环路的鉴相中进行比较的不是频率，而是相位。 传递函数 锁相环的传递函数如下： 开环传递函数：见( s ) ：堕 纯 ( 2 1 7 ) 闭环传递融耶) = 詈= 焘= 怒 ( 2 - 1 8 ) 识+ 致s + 山a 月fl 叫 1 9 浙江大学硬士学位论文 误差传递函数：皿( s ) = 詈= 瓦睾瓦= i 南 ( 2 - 1 9 ) 仍1 + 纯s + 一d 以月f t s ， 2 3 2 2 本电路选用的芯片 为了保证好多的相位特性，锁相环必须精心地设计。鉴相器及滤波器的直流 漂移和压控振荡器的固有频率漂移均会引起输出相位误差。 锁相环路带宽的选取，既要保证高的环路信噪比，小的失锁概率，也要使捕 获快速，入锁可靠。所以，环路带宽不能无限减小。 在设计中，本文采用t l 公司生产的锁相环芯片7 4 h c 4 0 4 6 。7 4 h c 4 0 4 6 是高 速c m 0 s 器件，最高工作频率范围达到1 8 m h z 。其逻辑框图如图2 1 3 所示。 图2 1 3 锁相环芯片4 0 4 6 逻辑框图 芯片内部包含一个线性v c o 和三个鉴相器，其环路滤波器需要外接。内部 的鉴相器有三种：p c i 是异或门鉴相器，p c 2 是上升沿j k 触发鉴相器，p c 3 是 r s 触发鉴相器。 当锁相环选用异或门鉴相器p c i ，则要求输入端信号的占空比为1 ：1 。p c i 的传输特性为p 矗，。= ( 万) ( 田g 0 一声c 0 a 蜗。) ，鉴相范围为o 1 8 0 度。 皮卫星用模拟地面站的研究与改进 当锁相环选用上升沿触发鉴相器p c 2 ，则环路主要有信号的上升沿控制，输 入信号的占空比并不重要。p c 2 由两个d 触发器，控制门和一个三态门输出组 成。p c 2 的传输特性为p k 2 0 w = ( 4 万) ( 删。一庐c 6 悦) ，鉴相范围为 3 6 0 3 6 0 度。 当锁相环选用r - s 触发鉴相器p c 3 ，则环路主要有信号的上升沿控制，输入 信号的占空比并不重要。p c 3 传输特性为： p k ，= ( 2 石) ( 妒扼w ，一声c d 托) ，鉴相范围为肚3 6 0 度。 7 4 h c 4 0 4 6 芯片的v c 0 需要外接一个电容c 1 和两个电阻r 1 ，i 毪。r l 和 c l 决定v c o 的频率范围，r 2 可使v c o 有一定的偏置频率。 v c o 的自由振荡频率跟r 1 ，c l 的关系如图2 1 4 所示： 2 3 2 3 电路的设计 图2 1 4 自由振荡频率与r l ，c l 的关系 本侧音提取器目的是实现中心频率分别为1 6 k ，2 0 k ，1 0 0 k 的窄带环，其中对 于中心频率为1 6 k 和2 0 k 的锁相环，要求锁定范围小于1 足；对于中心频率为 浙江大学硕士学位论文 1 0 0 k 的锁相环，要求锁定范围小于2 足。 对于输入信号的电压谱而言，锁相环相当于是中心频率位于q 处的带通滤波 器，该带通滤波器的通频带即为锁相环闭环传递函数的低通带宽的2 倍。因此， 调节环路增益和时间常数，可以在很高的载频上实现通频带极窄的滤波器，相当 于具有极高的q 值，这就是锁相环良好的窄带滤波功能。本锁相环采用异或门 鉴相器p c i 。 对于环路滤波器的设计，若环路采用简单r c 滤波器，选用大的时间常数t = r c 和高的环路增益4 4 时，会使环路的阻尼系数减小，从而降低环路的稳 定性。因此对于选定的环路增益，当要做成窄带环时，势必使环路不稳定。也就 是说，采用这种简单的滤波形式不可能独立的调整带宽，环路增益及阻尼系数。 而采用比例积分滤波器时，对于选定的环路增益，由于绝大多数情况f 2 当开关1 打到“8 k ”档时，地面站发送遥控指令，测距功能不工作； 当开关1 打到“地”档时，地面站不对皮卫星作任何操作； 当开关l 打到“测距”档，地面站发送测距信号，测距信号有1 6 k 、2 0 k 、 1 0 0 k 三种，可以通过开关2 来控制。 采用上面设计的窄带带通滤波器，中心频率为1 6 k h z 、2 0 k h z 和1 0 0 k h z 的带通滤波器各两块，分为两组。澳4 距音通过一组带通滤波器，经星上返回的信 号通过另一组带通滤波器。进行比相时，将同频的两组测距音各自通过带通滤波 器，各自输入到示波器的两个输入端口，读出两个同频信号的相位差。 ：一一“ l 臣碉匝圈匝碉| | 匝圈 接收测距音所经过的 窄带滤波器 匝圈匝碉； 发送测距音所经过的 窄带滤波器 图2 1 8 测距音窄带滤波器 图2 1 8 中a 1 、b 1 、c l 、a 2 、b 2 、c 2 分别是由芯片4 0 4 6 和外围电路构成 的窄带滤波器，中心频率如图中所示，分为两组。通道选择由开关2 控制。 1 、开关2 打到“1 6 k ”档时，a 1 、a 2 选通，即开始1 6 k 测距音的发送与接收； 2 、开关2 打到“2 0 k ”档时，b 1 、b 2 选通，即开始2 0 k 测距音的发送与接收； 3 、开关2 打到“1 0 0 k ”档时，c 1 、c 2 选通，即开始1 0 0 k 测距音的发送与接收。 皮卫星用模拟地面站的研究与改进 2 4 相位计数器的设计 提高测距精度的重点首先是改善数据的稳定性，而数字化技术的应用是在当 前技术条件下实现这一目的的主要途径。相位计数器是测距数字化处理的关键部 分，是实现测距智能化的重要模块。通过使用相位计数器采样出发送测距音与接 收测距音的相位差值，然后通过u s b 发送给计算机。这可以改变原先采用示波 器测量发送测距音与接收测距音相位差的方法，提高测量的精度。 2 4 1 相位计数器的原理 侧音产生器产生的测距音和侧音提取器提取的测距音之间的相位差，经过一 定的折算，就是信号传输的距离。 假设发送信号与接收信号分别为i n l 和i n 2 ，两个信号经过鉴相器之后，得 到的o u t 信号就是我们所需要的相位差，只需测量出o u t 信号的高电平的持续时 间，经过适当的转换就可以知道i n l 、i n 2 两个信号的相位差。 图2 1 9 鉴相器原理 该相位计数器的主要模块有以下几个部分组成：f p g a 及其外围电路模块和 d s p 及其外围电路模块。其中f p g a 及其外围电路模块实现的功能是：读取两 个测距音的相位差，并通过计数把相位差信息锁存下来传送给d s p ；d s p 及其 外围电路模块实现的功能是：把f p g a 处理得到的数据接收过来经过一定的预处 理后，发送到计算机。 2 4 2 相位计数器的电路功能设计 f p g a