（通信与信息系统专业论文）卫星遥控副载波psk解调电路可靠性研究与优化设计.pdf

卫星遥控副载波p s k 解调电路的可靠性研究优化设计摘要本课题来源于中国空间技术研究院关于卫星遥控副载波p s k 解调电路的可靠性研究和优化设计。遥控单元是卫星平台的关键设备，用于接收地面发送的遥控指令和注入数据，是地面站实施对卫星工作状态和工程参数控制的重要设备。在卫星发生故障时，遥控是地面抢救卫星的唯一手段，所以对其可靠性要求非常高，要达到o 9 9 以上。遥控发生故障时，整星可靠性将受到严重威胁，甚至失败。因此对遥控设备中出现的问题都要进行分析，找出原因，提出改进方法，并通过试验加以验证，提高产品的可靠性。本课题的目标是：对过去型号中遥控副载波解调电路出现的问题和验证不充分项目进行研究、分析和试验，找出薄弱环节，提出改进措施并加以实验验证，从设计、实施、验证方法和测试手段等方面开展工作，提高产品水平，确保遥控设备的可靠性和安全性。主要研究工作在以下四个方面：1 ) 通过对遥控副载波解调电路的仿真分析、参数分析和容差分析，在设计阶段从原理上验证电路设计的正确性，保证产品质量稳定可靠。一2 ) 从设计、实施、验证方法和测试手段中，找出薄弱缓解，优化设计遥控副载波解调电路，并在工程上实施优化的遥控副载波解调电路；3 ) 目前遥控副载波解调器还是用模拟解调电路实现的，人为调试因素对产品质量影响大，不利于产品质量的控制和批量生产的要求，也很难集成化和小型化。因此需要设计全数字化的副载波解调电路，实现遥控产品的数字化、集成化、小型化、系列化。4 ) 在遥控指令测试平台上，测试优化后的副载波解调电路和全数字化解调电路的关键技术指标，包括漏指令概率、串指令概率、虚指令概率，验证优化产品效果。关键字：无线调制技术，p s k ，e d a 仿真与优化设计，卫星遥控单元r e s e a r c ha n do p t i m i z a t l 0 no nt h er e l i a b i l i t yo fs a t e l l i t ep s kd e m o d u l a t l 0 nc i r c u i tf o rr e m o t ec o n t r o la b s t r a c tt h i st a s ks t a r t e df r o mt h ep r o j e c tc a l l e d “t h er e s e a r c ha n do p t i m i z a t i o no nt h er e l i a b i l i t yo fs a t e l l i t ed e m o d u l a t i o nc i r c u i tf o rr e m o t ec o n t r o l ”，w h i c hb e l o n g st ot h ec a s t ( c h i n aa c a d e m i co fs p a c ea n dt e c h n o l o g y ) r e m o t ec o n t r o li sv e r yi m p o r t a n to ns a t e l l i t e i ti su s e dt or e c e i v et h er e m o t eo r d e ra n dd a t af r o mt h eg r o u n d i ft h es a t e l l i t ec o n k e do u t ，r e m o t ec o n t r o lw o u l db et h eo n l yw a yt om e n d s oi t sr e l i a b i l i t yi sr e q u i r e dh i g h l y , u pt o0 9 9 i ft h e r ew a sa n yp r o b l e mo nt h er e m o t ec o n t r o lp a r t ，w em u s tf i n do u tt h er e a s o na n ds o l u t i o n ，i m p r o v ea n dv a l i d a t ei t ，s oa st oe n h a n c et h er e l i a b i l i t y t h ep u r p o s eo ft h et a s kw a s ：s t u d y i n ga n da n a l y z i n gt h ep r o b l e mo fd e m o d u l a t i o np a r t ，v a l i d a t i n gt h eu n s u r ep a r t s ，f i n d i n go u tt h ew e a k n e s s ，b r i n g i n gf o r w a r dt h ea d v i c e ，r a i s i n gt h ep r o d u c tl e v e l ，e n s u r et h er e l i a b i l i t y t h ew o r km a i n l yh a df o u rp a r t s ：1 ) u s i n gt h ee d at o o l s ，s i m u l a t et h ed e m o d u l a t i o nc i r c u i t ，s u c ha st r a n s i e n ts i m u l a t i o n ，p a r a m e t e ra n a l y s i s v a l i d a t i n gt h ec i r c u i td e s i g n ，a n dg u i d i n gt h ep r o d u c t i o n 2 ) f i n do u tt h ew e a k n e s s ，o p t i m i z i n gt h ed e m o d u l a t i o nc i r c u i tf r o md e s i g n ，d e b u g g i n gv a l i d a t i n ga n dt e s t i n gm e t h o d c a r r yo u tt h eo p t i m i z e dd e m o d u l a t i o nb o a r d 3 ) s o m ep a r to ft h ec u r r e n td e m o d u l a t i o nc i r c u i ti sa c t u a l i z e db ya n a l o gc i r c u i t ，w h i c hq u a l i t yi si n f l u e n c e db yd e b u g g i n gal o t ，a n di sn o tf i tf o rq u a l i t yc o n t r o la n dq u a n t i t yp r o d u c t i o n ，h a r df o rm i n i a t u r i z a t i o na n di n t e g r a t i o n ，s ow eh a v et od e s i g nan e wd i g i t a ld e m o d u l a t i o nc i r c u i tb a s e do nt h es a l t l et h e o r y , c a r r y i n go u tt h es a m ep e r f o r m a n c e 4 ) t e s tt h ek e yi n d e xo ft h eo p t i m i z e da n a l o gd e m o d u l a t i o nc i r c u i ta n dt h en e wd e s i g n e dd i g i t a ld e m o d u l a t i o nc i r c u i t ，a n dv a l i d a t et h ei m p r o v e m e n t k e yw o r d s ：w i r e l e s sm o d u l a t i o nt e c h n o l o g y , p s k ，e d as i m u l a t i o na n do p t i m i z a t i o n ，s a t e l l i t er e m o t ec o n t r o lu n i t。-。i i “独创性( 或创新性) 声明本人声明所呈交的论文是本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，也不包含为获得北京邮电大学或其他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，本人签名：塑：至习生本人签名：) ( ：i ：垒：a 墨e本人承担一切相关责任。日期：砸笸立关于论文使用授权的说明学位论文作者完全了解北京邮电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北京邮电大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅：学校可以公布学位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、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定)注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。本人签名：k l ! 塾! 陛日期：迦幺：仁导师签名眵吼铒北京邮电大学硕士论文第一章项目简介1 1项目背景第一章项目简介遥控单元是小卫星平台中的关键设备，用于接收地面发送的遥控指令和注入数据，是地面站实施对卫星工作状态和工程参数控制的重要设备。遥控单元星上设备用于p s k 视频信号的解调，实时开关指令的译码和输出，上行注入数据的接收、处理、传送，上行加密信息的解密，以及对遥控单元、应答机和主配电器的遥测数据采集和间接指令控制。在卫星发生故障时，遥控是地面抢救卫星的唯一手段，遥控发生故障时，整星可靠性将受到严重威胁，甚至失败。提高卫星遥控设备的可靠性，为整星生存和可靠运行奠定基础。由于遥控设备是卫星的关键设备，对其可靠性要求非常高，都要达到o 9 9 以上。因此对遥控设备中出现的问题都要进行分析，找出原因，提出改进方法，并通过试验加以验证，提高产品的可靠性。目前小卫星遥控设备中存在的问题和验证不充分的方面分析如下：( 1 ) 指令译码电路优化设计方面由于卫星安全性的要求，指令译码电路的正确性都要进行试验验证。至今对指令译码电路还没有做过整个电路的计算机辅助分析和设计( e d a ) ，对器件参数的选取，一方面凭经验，另一方面靠反复试验，这样设计的电路有一定的局限性，所以要借助于e d a 工具，对指令译码电路进行仿真设计和优化，包括电路的参数分析，容差分析等。( 2 ) 遥控指令译码测试遥控指令译码电路是否达到误指令概率等指标，目前是通过简化计算来验证的，还没有试验验证的手段，通过建立一个模拟信号源，能模拟视频信道指标e b n 0 = 1 6 d b ，建立遥控指令的测试平台，测试遥控副载波通道的误指令率，方便测试和验证遥控指令的接收可靠性。副载波解调模块是卫星遥控单元的重要组成部分。按照信号流程与功能，可以分成五个主要组成部分，即：信道选择部分、带通滤波部分、副载波解调部分、符号同步和数据提取部分，如图1 1 所示。它的功能是根据应答机锁定信号l o c k a 、l o c k b 的不同组合，选通p s k a 或p s k b 信号输入到带通滤波部分滤除带外噪声，经过基于集成锁相环c d 4 0 4 6 的副载波解调部分解调得到不归零p c m 码，然后进行卫星遥控副载波p s k 解调电路可靠性研究与优化设计码同步和数据提取得到c p 和p c m 信号，供指令译码模块进行指令译码。图1 i 负载波解调模块结构图副载波解调电路的可靠性是后续译码电路正常工作的前提和基础，因此需要对其进行单独的可靠性分析和优化设计。此模块输入、输出信号的波形示意图如下。嘲m m m m l ；i m 删i 删0 m m m 输入波形p c mc p厂 厂厂 r 厂 厂 r n 厂 ：厂 n输出波形输出坡形图1 2 副载波解调模块输入、输出波形示意图1 1 1 主要技术指标输入信号指标：信号幅度：5 0 0 1 2 0 0 m v r m s 副载波频率：8 k h z ；p c m 码码型：n r z l ：码速率：2 k b p s 。解调性能：当输入信噪比为1 6 d b 时，误码率不大于l 1 0 5 ；副载波捕获和码同步建立时间小于6 4 b i t ；比特同步的维持能力应保证在6 4 个连续比特内0 i 转换不低于1 次的情况下不失步。遥控指令主要指标要求：漏指令概率：p l c 1 0 - 6( 当e b n 0 = 1 6 d b 时)虚指令概率：p f c 1 0 - 8( 当e b n 0 = 1 6 d b 时)误指令概率：p e e 1 0 8( 当e b n 0 = 1 6 d b 时)输入、输出信号接口指标如表1 - 1 所示。北京邮电大学硕士论文第一章项目简介表i 1 副载波解调模块输八、输出接i z , 指标输入信号名称技术特性信号来源p s k 信号副载波：8 k h zs 波段应答机码速率：2 k b p sl o c k 信号高电平有效s 波段应答机工作电压1 2 v工作电流 (i，jr 、li i rt 上卜1 pt 、j，1l “1 ；l、。h r 斗上ll ，_ ii p一旁l 1 - 一l ，j ，图2 2 i 优化后的滤波器的标称值和最差情况时的波形有一个现象，对于优化后的滤波器电路的最差情况中并没有出现蒙特卡罗分析中出现的尖峰和相位跳变点，按常理分析蒙特卡罗分析只是随机的改变元件的值就会出现那些很恶劣的波形，而且可能更恶劣的情况因为仿真次数有限还没有暴露出来，为什么在最差情况分析的结果中，最差的波形反而没有那么恶劣了? 这里需要解释一个w c 分析的重要问题。p s p i c e 软件在进行w c 分析的过程中，对变化元件是按0 1 变化进行灵敏度分析，确定该元件参数变化的“最坏”方向。在最后一北京邮电大学硕士论文第二章遥控副载波p s k 解调电路可靠性分析次所有参数同时变化的分析中，每个参数均沿“最坏”的方向，按最大偏差值变化。而我们设置的5 的变化范围远大于灵敏度分析中的0 1 。显然只有在以标称值为中心，对应正负最大偏差的参数范围内，输出变量与该参数的变化关系为单调变化才能保证w c 分析结果是正确的。否则将可能导致错误的结果。而且用p s p i c e 进行最差情况分析，不能像我们前面进行参数分析时根据中心频率和3 d b 带宽确定元件的调整方向，它只是选择调整后的输出距离标称值时输出最远的作为“最差”情况，因此很有可能在元件正负最大偏差的范围之内，输出变量和该参数的变化关系不一定是单调的，于是就出现最差情况在所有元件同时增大或减小时的情况，这与我们在进行参数分析时确定的调整方向是矛盾的。所以最差情况分析只能从一个侧面分析电路性能的好坏，不能作为绝对的参考依据。卫星遥控副载波p s k 解调电路可靠性研究与优化设计第三章遥控副载波p s k 解调电路优化设计电路的优化设计是指在电路设计已基本满足功能和特性指标的基础上，根据要求的电路特性约束条件( c o n s t r a i n t s ) ( 例如要求电路的延迟时间不能大于某一值) ，调整电路中的元器件参数( 例如调整偏置电阻) ，使电路指标要求( p e r f o r m a n c eg o a l ，又称为目标参数) ( 例如电路的功耗) 为某一数值。也就是说在延迟时间不大于某一值的条件下，如何调整参数使得电路的功耗为某一数值。电路的优化设计实际上就是在约束条件的限制下，不断调整电路中元器件的参数，进行电路模拟迭代，知道没表参数满足优化要求。因此，进行一次优化将包括多次电路的模拟。优化过程中，调整元器件参数( 包括确定参数的增减方向和调整幅度大小) 以及迭代过程中模拟程序的调用和结果判断，都是由优化程序自动进行的。由于这种优化是基于已有电路结构的小范围调整，没有改变滤波器的原理结构，最大限度的保持了原有汤普森滤波器线性相位特性好的优点，也有一定的可比性和可操作性，因此我们最终硬件实现时选取的是这种方案的结果。使用p s p i c eo p t i m i z e r 对电路进行优化设计时，可以同时调整电路中8 个元器件的参数，以满足最多8 个目标参数和约束条件( 其中至少要有一个目标参数) 的要求。虽然o p t i m i z e r 功能很强大，为了顺利调用此优化模块，取得优化设计的效果，被优化的电路应满足以下几个条件：电路设计应已通过常规的p s p i c e 模拟，实现了要求的功能。这就是说，只能对一个基本满足要求的电路进一步进行优化设计。如果电路设计与要求的功能和特性指标差距很大，调用优化设计模块很难取得预期的效果。通过电路模拟只能给出节点电压和支路电流。在优化时，一定要将约束条件和目标参数用节点电压和支路电流信号表示。p s p i c e 中已经提供了一组g o a lf u n c t i o n供选用，也可根据需要新建目标参数函数。进行优化设计时，应对电路工作原理有较深入的了解，才能确定应调整哪几个元器件的参数，使要求的电路特性达到最优。对触发器一类电路，即使某些元器件参数值变化不大，也可能使电路状态在o n和o f f 之间突变。p s p i c eo p t i m i z e r 对这类电路难以取得优化设计的结果。型堡型壁壁苎兰生璺竺望一苎三童堡丝型塾茎! ! 垦塑塑皇堕垡些望生3 1带通滤波电路优化设计图3 1 为2 k 码速率的p s i c k 信号，通过原有带通滤波器的输出波形。可见输出发生了严重的失真，除了有定的延时之外，还产生了幅度失真。j一”川上i l u：苒瓣情徘瓢瓣谳7 f漓飘棘1 | 翮罕4 ：f艚粼i腓雠雠姚撇鹾蛾f【删。埘抵 删警i 下fi 一卜m?瓣7一：扩轷：i添耥御。f 瀛再槲南翮 1捌莉”殆茎掣| ! 删蝌雠=芝心辫蝴越啡：葺，。卜hi _图3 1p s k a 信号经过带通滤波器前后波形图寸h ：l j ii l lp 上_ fj - _ _ _ ll l 上，j j l _ j i【il i t t t ri ，【l l jl一；二k l 上_ ll |j _ u 上上l r l l i 二二- 上i l l 上j _ l l ll 且l_ h n 一| _ 【s s l - ：_= b = o。【! ：世1 1 下t- + _ jj ! 扛i 0j n s $ 爵- ：抓lij 一_ r 一t 广r 厂】li ，i 旱忭士hj i 广什一i 豇工二益士鞋、l 一ll u - 一草目王一1 l j ，。j l u工f 巴二j 冉 卜_ h _ _ l * l拙抖午斗= 七k= 壮一斗h _ ：妇计一十一r _ 一一h 1 一叫j 叫lj 2 _ - = _! 三二七睁斗卅m _ 一图3 2 带通滤波器幅额响应和相频响应图3 2 是这个滤波器的频率响应，可见相频响应特性基本保持线性，有大约7 5 0度的延迟，而带通滤波器的幅频相应略有偏离，中心频率为7 5 6 7 h z 而不在8 k h z ，卫星遥控副载波p s k 解调电路可靠性研究与优化设计3 d b 带宽为5 6 9 k h z 过宽，根据p s k a 信号的频谱分析，最佳带宽为2 5 k h z 左右就足够了。因此优化电路把中心频率( c e n t e r f r e q ) 和3 d b 带宽( 3 d bb a n d w i d t h )这两个参数作为主要目标参数，通过调整电容电阻的取值来改变电路的中心频率和3 d b 带宽，从而改善滤波器性能。高通滤波器共5 级，从左到右第一级为5 1 k + 3 3 k 不变，第二级调整为2 7 k ，第三级调整为i o k ，第四级调整为5 3 k ，第五级调整为5 0 k 。其余的元件和电路结构完全不变。低通滤波器共5 级，从左到右第一级为2 2 0 0 p + 6 8 p 不变，第二级为1 0 0 0 p + 6 8 p不变，第三级为1 0 0 0 p + 5 l o p 不变，第四级调整为4 7 0 p + 4 7 0 p ，第五级调整为4 7 0 p+ 3 3 p 。其余的元件和电路结构完全不变。图3 3 是改进后的带通滤波器的频率响应，可见很明显通带的范围缩小了，中心频率已经调整到8 k h z ，3 d b 带宽为2 5 6 k h z 。其时域响应如图3 4 所示，可见波形明显好于原有带通滤波器的效果。p s k a 信号通过滤波器后，出现了寄生调幅现象，其原因应该是带通滤波器的作用，使得很多低频和高频的p s k 的频谱分量被滤掉了，造成了失真。理论上如果滤掉不必要的频率分量，就不可能再恢复出包罗恒定的p s k 调制信号。也就是说寄生调幅是无法消除的。实际上p s k 调制是靠相位携带信息的，因此只要能确保相位的变化无误即可，而不必追求时域波形的完全相似。一一| p 3、- 、卜：= ：二抖l - br 。l 一一!ll j _ l，- t o k jn o 。，1：一。a f “，日a1 。一j。叫、lj 1_ l：1 j _j 一fj图3 3 优化后的带通滤波器幅频响应和相频响应些墨些皇查兰堡兰兰鳖笙三童堡量型塾垫! ! 垦塑塑皇堕垡些堡生图3 4 优化后的带通滤波器时域响应3 2副载波解调电路优化设计电路中对三处可能出现问题的地方提出了改进措施，第一个是开关h 1 2 0 1 键控p s k 相位翻转与p s k 信号换相点有相位延迟，第二是锁相环的工作频率偏离3 2 k ，第三是输出p c m 波形边沿有一定的模糊时间。图3 5 副载波解调部分待改进电路图卫星遥控副载波p s k 解调电路可靠性研究与优化设计3 21 开关h 1 2 0 1 键控p s k 相位翻转有相位延迟【7 相位控制波形翻转功能模块为图3 5 中左上角部分，主要包含一个集成运算放大器o p 0 7 和一个模拟开关，把它从整个部分里独立出来，如图3 6 所示。+ 1 0 v0图3 6 相位控制波形翻转原理图设输入v i 为理想的p s k 信号，若能够提供频率相同且相位合适的方波信号控制开关的启闭，就可以把初相不同的p s k 信号分别翻折到x 轴的上下两边，图3 7示意了这种状态下的工作波形，图中从上至下依次为输入p s k 信号、模拟开关控制信号和运放的输出。瞎舞：耩：舞慝鞭：蒺雅舞毒蠢兰i ：l ；：蓼薹l i 犁：摹 霉j i | 毒： ! 扛；墨攀! 。瞎羁拜：蠢瓤鞘：蠢l 膝鞯酬缮洋孵：辚擗；i 蔫粪：群誉糕：葺； = = | = 南 = = = f = f ： ： = = _年手 一斗 寸 悻弼f 鞠：；：f罪：网：汗熏：纠曩f =霜：一寨擗剩丰辩瓣丰非搦基尊挣 ；!聋蚌孥蹲 謇壤； 誊躅3 7 相位控制波形翻转功能块期望工作波形图3 _ 8 列出了对整个副载波解调部分仿真所得的波形，从上至下依次为：v c o输出；模拟开关控制信号；输入p s k 信号；波形变换功能模块输出波形和解调输出。将图3 8 中波形和图3 7 的理想波形相比较，可以看到由于模拟开关的控制信号和输入的p s k 信号之间存在一定的相位差，初相不同的p s k 信号没有恰好地翻折到x轴上下两边。虽然在此处的仿真中没有影响到最后解调结果的正确输出，但应尽量苎塞堂皇查兰堡圭兰苎一苎三童墨丝型塾茎! 些堡塑皇堕垡些望生使两者的相差减小，提高电路工作的稳定性。r _ “_ “”叶“p “v “p “f “1 “_ 0 1 月v 。l - 一_ ，u h n f u t n u n l 吨n l n l r l n n ：n n hhnh 一 h h 。t + 一：格摊蚓斟i：罐：拳蝣锚：非瓣巨辩鞋麓摊瓣：丰：矧毒糕吲萎爰毛嚣针对将模拟开关控制信号的相位提前的需要，提出如下的方案：修改锁相环c d 4 0 4 6 的外接电阻r 1 、r 1 和外接电容c 的参数，并加入一级二分频，将v c o 的输出频率提高倍( 即改变为6 4 k h z ) ，用跳针选择用6 4 k h z 还是用分频后的3 2 k h z作为相位键控的输入时钟。改进后的电路原理图如图3 9 。图3 9 提前开关控制信号相住方案的电路原理图卫星遥控副载波p s k 解调电路可靠性研究与优化设计v c o 的输出频率提高后，v c o 的输出频率提高到了6 4 k h z 。经过异或门翻转，输出作为圈中触发器的时钟信号，频率变高使得它的上升触发沿增多，因此可以让触发器输出的模拟开关控制信号较早地跟踪输入变化，即提前了它的相位。3 22 调整锁相环的中心频率图3 3 3 中椭圆处的电容电阻是用来调整锁相环c d 4 0 4 6 的中心频率的。按照设计要求，锁相环v c o 的输出频率需要调节在3 2 k h z ，经过4 分频得到8 k h z 的方波用于与送入的p s k 信号比对相位，从而实现解调。仿真中发现接在6 、7 管脚之间的1 0 0 0 p f 电容c l 和1 1 、1 2 脚之间的电阻不能够产生8 k h z 的方波。v c o 的输出频率大约在2 8 k h z ，经过四分频后的输出方波为7 k h z ，不能实现正确解调。因此必须调整电容c 1 和电阻r l 、r 2 ，让4 0 4 6 锁定在正确的频率上。可以将c l 减小到8 8 0 p f或者将r 1 和r 2 减小为7 5 k h z ，即可满足目的。改进后的波形为：”o ”裟。”。”1 ”图3 1 0 锁相环改进后波形图3 2 3 输出波形有模糊时间| ；j 引i 【1| _ | | ：|目= 习魂：# ：= 毒- j 存车擗畦丰卜鼢冲：= - 幸魂= 二 = = _ = j 二 障革车= 雄 - t ! ! i 葺悻# ：二肆= 二剐= 二肛慝 旷叫一 1 = 寸；锄i 三# 二 f 。4 m 一。m 。“t h图3 1 1 副载波解调部分改进前输出波形图图3 5 中圆圈处的电路导致输出的解调信号出现一小段的模糊时间，这将导致在下面的符号同步和码同步部分出现逻辑错误，因此需要改进。减小圆圈处的电阻可以使上下沿模糊时间明显减小，我们分别把电阻值调整为l k 、5 k 和1 0 k 时的波形对比可以明显看出效果。建议将i o k 的电阻改为1 k 。习臀件斗1 糊* 雌搿，卜十。十一卜* _ | f牡量f # 一千二f = ：彳萨掌# 黼州。 h 删* 柑l 十h 斗斗十卜卜卜一i 纠十 一卜卜+ # 蝴诤叫瑟雨霉匿霉胃菁降暮需拜孵篝胃尊阵图3 1 2 副载波解调部分改进后波形图北京邮电大学硕士论文第三章遥控副载波p s k 解调电路优化设计码速率1 2 5 ，v c o 中心频率为3 2 k h z 时，鉴相器输入端的波形为：皿删s t o p 肌mp o g j 1 警r e c 帅j 仉n 几几n1 酞一一一一酗吣5 竺，一警，n ，一勉叩盟呻3 脚! 关于存图像选择文件夹。i 八八八八，；s a v e r e c动作嘲格式衄关于存图像选择文件夹：储存储存j t e k 9 0 2 4 b m p。t e k o 蚴m pc h l 鼬v 一醐。幕啪m 呻旷甫付0 1 v - 一c h = i 勘晰瑚黼一葡自蕊一飞晰岁& 确r 一1 6 - a u g - - 0 51 7 ；4 1l s ? 8 7 4 & h z1 6 一a - o s17 瑚8 , 1 8 4 7 0 k h z图3 。i 3 码速率1 2 5 ，v c o 中d 频率为3 2 k h z 时，鉴相器输入端的波形码速率1 2 5 ，v c o 中心频率为6 4 k h z 时，砖取一凸掣t 加一啤璺- 1 3 2 , 0 一肼塾型坚侧舟椎鉴相器输入端的波形为：几is t o pm 陋：孤mm 阻n 啪器嘲舢脚嗍砌摩旷黼：前。ti 1 简萨勺毋莉t e k 0 8 矿0 s , b m 9c = i ，鲥啦捌浔渐i 制2 夕黑笋9工作正常。下面是鉴相器低通滤波限幅的吨鹏w 1 4 一室i：动作c 盯专9 t 皑。诵当前目录是 ：、几个关键节点的解调波形。比一r 一讵一磊：礅躲檄雠一一n nr 蝓n葡叭轨脚歌n|蚤卧放珊蒸一；i。婺批卫星遥控副载波p s k 解调电路可靠性研究与优化设计锁相环c d 4 0 4 6 的v c o 频率是由芯片1 1 脚所接的电阻r l 、1 2 脚所接的电阻r 2 以及6 脚和7 脚间的外接电容c l 所控制的，电阻r l 和电容c l 决定v c o 的中心频率，r 2 用来设置相对于v c o 输入端为0 v 时的偏置频率。按照设计要求，需要将中心频率调整为6 4 k h z ，经过仿真，r 1 = r 2 = 7 9 k ，c 1 = 4 7 0 u 时，开环中心频率为6 4 k h z 。实际调整时，以调整c l 为主，因为电容在同一批次中可选值比较多，而且每次更换只换一个就可以改变其中心频率，最终c 1 = 6 6 0 p 时，闭环中心频率约为8 k h z ，捕捉带在7 + 5 k 8 5 k ，同步带在6 5 k 9 5 k 。捕捉带的在上电工作一段时间后会发生漂移，原本调试在7 5 k 8 5 k 的捕捉带，可能变为7 k 8 k ，也可能往上漂，断电过一段时间后捕捉带会有一定程度的恢复，仍需要小范围的调整，以保持最佳性能。2 k 1 k 板甲机捕捉带7 5 k 8 5 k ，同步带6 5 k 9 k ；乙机捕捉带7 5 k 8 5 k ，同步带6 5 k 9 k 。1 2 5 板甲机捕捉带7 1 k 8 7 k ，同步带6 5 k 9 5 k ；乙机捕捉带7 2 k 8 9 k ，同步带6 6 k 9 7 k 。为了扩大锁相环的捕捉范围，我们选取了不同宽度的环路滤波器，环路带宽越大则越容易捕捉。在硬件实现时，我们在2 k 1 k 板上选取了不同带宽的环路滤波器，甲机较窄，乙机较宽，因此他们的捕捉带有所不同，但区别不大，尤其是在实际频率偏移解调时，区别并不明显。1 2 5 选用了更宽的捕捉带，期望能够提高捕捉性能。为了加大环路的捕捉带，应加大环路的直流增益和滤波器的带宽，但这和对环路滤波性能( 如滤除噪声) 的要求是相矛盾的。这个矛盾仅用选择环路滤波器类型和参数的办法往往还不能很好地解决。为此可以专门设计一些辅助捕捉装置，以做到在增大捕捉带的同时又不减弱环路滤波性能。这些辅助捕捉的方法就其基本原理来说，主要可以归纳为以下几类：一、扫描法基本原理是：当环路没有锁定时，给压控振荡器加一个周期性扫描电压，使它的频率在足够宽的范围内摆动。当环路锁定之后，去掉扫描电压，则环路继续保持锁定，并且具有高的滤波性能。用扫描法来扩大捕捉带，需设置一个锁定指示电路用它来判断环路是否锁定，以便控制扫描电压的接入和断开。其次，扫描电压由一个单独的扫描电压发生器供给，并由锁定指示来控制它的接入与断开但必须注意不能在断开时使压控振荡器的控制电压有一个阶跃，不然的话就会使环路重新失锁，又进入扫描状态，造成环路锁定扫描断开失锁扫描接入锁定的无休止的循环，环路不能正常工作最后，关于扫描速率的选择。为使捕捉时间缩短，应尽量提高扫描速率但过高的扫描速率会使压控振荡器的频率扫过信号频率而不能锁定。北京邮电大学硕士论文第三章遥控副载波p s k 解调电路优化设计二、变带宽法利用两种不同的环路带宽，可以加宽捕捉带。在捕捉时使环路具有较大的带宽，在锁定之后使环路带宽减小。当然，加大环路带宽时还必须保证工作于门限之上，否则捕捉是不可能的。所以这种方法只在插入信噪比较大时适用。改变环路带宽最简单的办法是对环路滤波器元件进行开关控制。三、鉴频环路法利用鉴频环路可以加宽整个环路的捕捉范围当起始频差很大时，鉴相器输出波形上下接近对称的差拍电压，经环路滤波器后加到压控振荡器上的直流控制电压很小，故鉴相器此时不起多大作用，而主要依靠鉴频器输出的误差电压把压控振荡器投向锁定方向。当频率被成小到进入环路捕捉带内时，鉴相器将起显著作用，它输出上下不对称的差拍电压，其直流成分加到压控振荡器上的结果。将牵引后者的频率，最终达到锁定锁定后由于差拍为零，鉴相器输出电压也为零，故其控制作用也趋于消失。此种电路由于鉴频器的门限较高( 约l o d b ) 故不适用于输入信噪比低的情况。另外由于鉴频器需要两个信号输入，故需用零拍鉴频器。关于零拍鉴频器的工作原理。可参考有关“自动频率微调”的著作，这里就不多谈了。四、信号注入法将信号注入振荡器，可强迫振荡器的频率与注入信号相同步。这种现象可以作为一种辅助的手段用于扩大锁相环路的捕捉带。在普通的锁相环路上，输入信号除一路输入环路外，还一路经移相器与可变衰减器注入压控振荡器，就可以利用输入信号对压控振荡器的强迫同步作用来扩大环路的捕捉带。当输入信号频率与压控振荡器固有振荡频率之差较大的时候，差招频率较高，原有环路的牵引作用很小，已不能进行捕捉，即超出了原有环路的捕捉带。此时，由于信号同时直接注入了压控振荡器，对振荡器有强迫同步作用在此作用之下，压控振荡器的输出中含有与输入信号频率相同的频率成分，这个频谱成分加到鉴相器上与输入信号比相，即可得到一个较大的控制电压去调整压控振荡器的频率，最终完成环路的捕捉，这就扩大了环路的捕捉带。理论分析与实验证明，信号注入锁相环构成很简单，而捕捉带却可扩大一个甚至几个数量级。此外，它还能有效地减小输出信号的相位抖动所以它是一种值得重视的方案由于本课题为可靠性研究，扩大锁相环的捕捉带会降低环路的稳定性，因此仅作分析而没有硬件实现。卫星遥控副载波p s k 解调电路可靠性研究与优化设计3 3码同步和数据提取电路优化设计33 12 0 1 3 模块内部脉冲整型图3 1 62 0 1 3 内部电路图图3 1 6 中划圈的地方将会产生问题，对照图3 1 7 。绿色探针处的波形为方波，红色探针处是该方波经过微分后的波形，再经过一个缓冲器，送入到异或门，输出为j c 2 处的脉冲序列。可见该脉冲下降沿由于异或门的作用有一段模糊时间。这段模糊时间将直接导致附加门u 1 0 b 的输出波形在下降沿处有两个红色的毛刺产生，在数字电路中是要严格避免的。否则3 2 c p 在第一个下降沿处以后不能确定输出，c p信号更无法确定，导致最终输出全部是两条红线。| | 小i | i11式黜口i mi l + m2 图3 1 72 0 1 3 内部波形图豁谧北京邮电大学硕士论文第三章遥控副载波p s k 解调电路优化设计33 2 取上升沿电路脉冲整型图3 1 8 取上升沿电路图图3 1 8 所示的码同步和数据提取部分中有两个串连的积分微分电路，其目的是可以取出上升沿。图中各颜色探针对应的波形图如图3 1 9 所示。_ 。”： ： i f _ _ ：；薹麓饕蔓。t - ：捌= ! ，善 亨葚二一一。+ 一卜一4 十。，一一-一一 - 1 尹卜一一 斗一 ：j 一：二1 日一一。上二i ：爿二迭j ：卜? 二j ，_ = = 。* 一芝二f _ ：_ _ 11 1 + 。等二# 俺靼土辩螓鬃葺享睛斟碎= = _ ：i 鞋鞫= ；| l 川蚓；! ! | ! 【1_一吐! 一一 f 一7 一卜一= 卜一i = _ ，乜蛀删一2 - r1 一l 广】l h 斟! 弦球二曩1 爿童年：驾：鞲并i t 立：巨拄l- 卜_ e7 二半：# 二# 誓? 一w 龋一= 一图3 1 9 取上升沿电路波形图可见经过积分电路和经过与非门后输出为红色波形，再经过微分电路输出波形带有尖刺的蓝色波。再经过一级与非门，输出是带有黄色( 模糊状态) 的数字脉冲信号。作为图3 2 0 中控制可逆计数器的信号。图3 2 0 数据提取部分原理图卫星遥控副载波p s k 解调电路可靠性研究与优化设计图3 2 0 所示电路目的是用c p 前沿去控制计数器计数。前沿连接到4 0 1 9 3 的r e s e t上起重置的作用。当p c m 码为“1 ”时，计数器按加法计数：反之，当p c m 码为0 时，计数器按减法计数。积分间隔为一个码元周期，计数器初值设为1 2 8 ，终值判据准则为： = 1 4 4 ，判决码元为“1 ”。但是从图3 1 9 中可以看出，取出的是4 0 1 l 门限附近跳变时的两个小沿，由于小沿的幅度没有超过2 6 v的与非门门限值，因此判断为模糊状态，导致计数错误。333 去掉所有取沧电路的仿真前面两处之所以出现问题，都是因为用到了许多r c 取边沿电路，这种方法取出的边沿很难精确确定脉冲宽度，因此我们用另外一种纯数字电路的方法取出上升沿和下降沿，其原理图如图3 2 l 所示：图3 2 1 取上升沿改进后电路原理图1第一级d 触发器使输入延迟一个时钟周期，再经过第二个d 触发器延迟第二个时钟周期，两级d 触发器的输出送入异或门，输出就是取出的上升沿和下降沿，其脉冲宽度等于时钟的一个周期。通过选则时钟周期长度可以控制取出边沿的脉冲宽度，波形如图3 2 2 所示：图3 2 2 改进后电路取上升沿波形图1如果仅仅需要取出上升沿或者下降沿的话，还需要在前面加一级d 触发器构成的分频器，从分频器的两个相反的输出再取边沿就可以得到上升沿或者下降沿，其原理图如图3 2 3 ：图3 2 3 取上升沿改进后电路原理图2k露 。一濠镟，蔫窄。剐一弋一一镯一型望型壁苎兰堡兰堡奎一苎三童堡笙型望鎏! 些塑塑皇堕垡些望生相应波形如图3 2 4 所示，从上到下分别是输入信号，时钟，上升沿和下降沿。图3 2 4 改进后电路取上升沿波形图23 3 4 硬件调试波形最终硬件实现时，码同步中的1 2 8 c p 前沿j c l 宽度为2 4 4 n s ( 4 0 9 6 m h z ) ，输入p c m 前沿宽度j c 2 为7 8 u s ( 1 2 8 k h z ) ，数据提取部分c p 前沿为7 8 u s ( 1 2 8 k h z ) 。可以正常完成同步和数据提取功能。实际脉冲宽度如下所示：r ：i 选择：j 文件夹：一- ；储存c 矿一一“甜鲕i r 箭1 j 雨一1 5 一 i j 。一0 51 3 ：3 61 2 7 孵瞰图3 2 5j c l 脉冲弛取一，羁卫粤一、一一mp o ；：蜮l j格式衄关于s a v er c动作嘲格式皿关于存图像i选择；：文件夹。蛹萋萋忑i 。嘴泓。锏蔗婴 !：j 储存图3 2 6c p 前沿脉冲辨畦r 哆格式衄关于存图像选择文件夹；。储存c h i i2 , o 0 v t 材 赫矿；营旒一一- 珏打：1 t 7 6 e k v o o o 2 , b m 91 5 - a u a - 0 51 艚01 , 9 1 4 k h z图3 2 8c p 和p c m醢蔷卫星遥控副载波p s k 解调电路可靠性研究与优化设计3 4p s k 解调电路硬件实物及波形码速率为2 k 1 k b p s 的解调板中，带通滤波器为原有设计，v c o 中心频率3 2 k 6 4 k 切换，码速率为1 2 5 b p s 的解调板中包括改进后带通滤波器，v c o 中心频率3 2 k 6 4 k 切换。硬件电路如下图所示图3 2 92 k 1 k 板实物图图3 3 01 2 5 板实物图北京邮电大学硕士论文第三章遥控副载波p s k 解调电路优化设计3 5可靠性测试遥控可靠性优化产品测试原理示意图如图3 3 1 所示。图3 3 l 遥控可靠性优化产品测试原理示意图被测设备：优化副载波解调模块，优化指令译码模块，开发系统：e d a 仿真平台；测试设备：遥控发送设备，遥控监测设备；测试软件：发送计算机软件，监测计算机软件，p s k 和噪声生成程序其他设备：遥控发送计算机，遥控测试计算机。p s k 信号源可提供码速率为1 2 5 b p s 、l k b p s 、2 k b p s , - 载波8 k h z 的纯净p s k 信号，并且也可产生信噪比可调的带噪声的p s k 信号，将p s k 信号送入优化后的解调板，解调出的c p ，p c m 经过译码，送入监铡计算机与发送数据进行对比，统计误指令率，虚指令率和漏指令率。经过测试，优化产品满足设计指标要求，顺利通过武警总装备部验收。卫星遥控副载波p s k 解调电路可靠性研究与优化设计第四章遥控副载波解调电路的数字化设计目前在遥控设备中遥控副载波解调器还是用模拟解调电路实现的，电路中包括许多电阻和电容，这些模拟器件在环境温度变化时，器件参数相应变化，使得解调电路的性能发生变化，不能满足技术指标要求，人为调试因素对产品质量影响大，不利于产品质量的控制和批量生产的要求。小卫星和微小卫星的研制任务，都对星上各个设备的重量、体积和功耗都提出了严格的要求。采用中小规模集成电路和部分模拟电路实现的遥控设备，很难集成和小型化。因此实现遥控产品的数字化、集成化、小型化、系列化已成为卫星技术发展的迫切需求。针对国内现在遥控体制用d s p 实现各种数字化算法的趋势，可以用全数字化方法和技术，通过软件编程来实现p s k 解调和码同步提取等功能。下面阐述一下设计思想和实现方法。4 1用t m s 3 2 0 c 6 7 11 硬件设计遥控副载波解调器【8 】d s p 电路的基本组成：图图圈匝圃图4 1 数字化解调方案硬件框图从电路功能可将数字化p s k 解调译码器，大致分为数据接口电路、d s p 主系统数字信号处理电路、数字逻辑控制电路以及其它辅助电路等北京邮电大学硕士论文第四章遥控副载波解调电路的数字化设计4 11 数据接口部分p s k 信号接口主要由放大电路( t l l 3 6 3 ) 、低通滤波电路( l t c l 5 6 4 ) 、模数转换电路( l t c l 4 0 4 ) 组成。放大电路由集成运放t l l 3 6 3 和外围电阻构成一比例运算放大器，将输入的p s k信号进行放大。放大比例如式3 1 所示。调整可调电阻c r l 可调整输入信号的幅度c 足lu 。一面( 4 1 )低通滤波电路由l t c l 5 6 4 和外围电路构成截止频率为1 0 k h z 的8 阶低通滤波器。模数转换电路由l t c | 4 0 4 及外围电路构成，电路特征：1 2 b i t 串行输出、+ 5 v 供电、最大采样率6 0 0 k s p s 。5 v t t l 电平：最低输出高电平4 o v ，最高输出低电平o 4 v ，为接连接f p g a 的3 3 vt t