（微电子学与固体电子学专业论文）基于dsp的皮卫星dpsk解调器软件化研究.pdf

摘要 摘要 从2 0 世纪8 0 年代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。1 9 9 3 年奥地利召开的第4 4 届国际宇航人会上就正式提出 纳米卫星( n a n o s a t ) 的概念，而且提出纳米卫星的制造、电源和使用理论，到今天已经 积累了丰富的经验。随着卫星微型化的发展，对各个功能系统尤其在体积重量和功耗 方面提出了严格限制。作为现代微小卫星关键部分，基带信弓解调系统须具有结构简 单、工作时问长和可靠性高等特点。木沦文围绕皮卫星通信中的基带信号d p s k 差分 解调系统，进行了深入的研究分析和验证试验，重点从软件角度对通信解调技术和数 字信号处理应用的一系列问题展开了实践和研究。 本文阐述了皮卫星通信系统中数宁解调模块的实现方案，详细介绍了数字解调的原 理和具体的软硬件实现，具体到本课题研制的应用于地面系统的6 5 k d p s k 数字解调器， 其解调结果将最后恢复为图像信号，解调是否成功与解调性能是否良好直接影响到最 后恢复的图像质量，是保障星地通信的最后关键环节。在前期研究中，已经成功实现 了星上对8 k d p s k 指令信号的解调和转发功能。本课题将星上解调的模型移植到地面 系统中，以解决原地面系统中采用模拟解凋带来的温漂等不良现象。完成解渊器的设 计后，为确定解调器的整体工作性能，在不同的实验条件下对解调性能进行了测试。 结果表明，解调器的整体性能达到了设计要求，适合在地面站数据接收r r i 应用。在论 文中不仅阐述了该解调系统的实现，而且对模拟和数字两种方案的实验结果进行了分 析和比较，辛要有误码率测试、温漂测试结果，验证了基带解调系统由模拟走向数字 的必然性。并在研究的过程中，在硬件平台一致性的基石j | 上，注重软件通用性方而的 研究与总结，归纳了整套适用于该硬件平台的，呵扩展的面向对象编程方式，为实 现皮卫星的解调擀由单一解调器发展为通用解凋器做了一些开拓性的工作。 关键训：皮卫星通信，d s p ，差分相干解调，误码率测试，温漂 a b s t r a c t 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 s2 0c e n t u r i e s i t st e c h n i q u e s h a v em a d eg r e a tp r o c e s si nr e c e n ty e a r s ，t h ed e v e l o p m e n to fw h i c hi sas i g n i f i c a n tt r e n di n t h ea e r o s p a c ea r e a t h em i c r o s a t e l l i t ec h a r a c t e r i z e dl i g h tw e i g h t ，g o o dp e r f o r m a n c e ，s h o r t d e v e l o p m e n tc y c l ea n dl o wc o s t i n1 9 9 3t h ec o n c e p to fn a n o s a tw a se s t a b l i s h e do nt h e4 4 血 i n t e r n a t i o n a ls p a c en a v i g a t i o nc o n f e r e n c ei na u s t r i a ，s o m ep r i n c i p l e so fm a n u f a c t u r e ，p o w e r s u p p l na p p l i c a t i o nw e r ea l s op u r p o s e d ，m u c he x p e r i e n c ew e r eb u i l d i n gu pt ot o d a y w i t ht h e m i c r o m a t i o nd e v e l o p m e n to ft h es a t e l l i t e ，t h er e q u i r e m e n t sa r es t r i c t e r , e s p e c i a l l yo nb u l k ， w e i g h ta n dp o w e ro fe v e r yf u n c t i o nm o d u l e i nt h i st h e s i s ，w ef o c u s e do u ra t t e n t i o no n d e m o d u l a t i o na n d d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ( d s p ) t e c h n i q u ei n t h ed p s kd i f f e r e n t i a l d e t e c t i o ns y s t e mu s e di np i c o s a t e l l i t et e s ta n dc o n t r o li n s t r u c t i o n s ，m a i n l yf r o mt h ep o i n to f v i e wo fs o f t w a r e t h em e t h o da n dp e r f o r m a n c ea c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t sa r er e s o l v e d m o s t l y a sak e ys e c t i o no fm i c r o s a t e l l i t e ，t h em i c r o s a t e l l i t eb a s e b a n ds i g n a ld e m o d u l a t i o n s y s t e ms h o u l dh a v et h ef e a t u r eo fs i m p l ec o n f i g u r 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 d h i g hr e l i a b i l i t y i n t h i s p a p e r , t h e m e t h o d so fb a s e b a n ds i g n a ld e m o d u l a t i o na r e s 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 de x p e r i m e n t a l l y t h i s p a p e r d e s c r i b e st h e p r i n c i p l e a n dr e a l i z a t i o no fd e m o d u l a t i o nm o d u l ei n p i c o - s a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h e nd e t a i l e dd i s c u s s i o ni sp r o v i d e di nt h es t r u c t u r eo f d e m o d u l a t i o ns c h e m eb a s e do nd s pc i r c u i t a f t e rs u c c e s s f u ld e s i g n ，t h ed e m o d u l a t o ri s t e s t e di nd i f f e r e n tc o n d i t i o n s a l lo ft h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t sa r em e t ， a n di ti ss u i t a b l ef o r t h ea p p l i c a t i o nt op i c o - s a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o n s o ，t h ea n a l y s i sa n dt h e t ：o m p a r i s o nb e t w e e nd i g i t a lm e t h o da n da n a l o gm e t h o di nt h eb i te r r o r r a t ea n dt e m p e r a t u r e d r i f te x p e r i m e n ta r ea l s op r e s e n t e d a sar e s u l t ，t h ea n a l o gd e m o d u l a t i o ns y s t e mi ns a t e l l i t e m u s tb et a k e np l a c eb yt h ed i g i t a ls y s t e m f u r t h e r m o r e ，t h i sp a p e rf o c u s e do nt h eu n i v e r s a l a p p l i c a t i o n so ft h es o f t w a r ea n ds u m m a r i z e dh o wt od e v e l o pt h es i n g l e - o b j e c ts o f t w a r et o t h em u l t i o b j e c ts o f t w a r e ，w h i c hc a nr u ni nt h es a m eh a r d w a r ep l a t f o r ms u c c e s s f u l l y k e yw o r d s ：p i e o s a t e l l i t e c o m m u n i c a t i o n ，d s p ，d i f f e r e n t i a l l y c o h e r e n t d e m o d u l a t i o n ，b i te r r o rr a t et e s t i n g ，t e m p e r a t u r ed r i f t 3 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 在过去的几年中，数字信号处理( d s p ) 在许多关键性技术领域持续产生着重要的 影响，并且这种影响正在日益增加。这些技术领域包括无线电通信、数字电视和媒体、 生物医学、数字音频和仪器等。在许多新的和正在涌现的数字产品以及信息社会的许 多应用( 如数字蜂窝电话、数字相机和t v 、数字音频系统等) 中，d s p 已经产生了重要 的影响，发挥着核心作用。 软件无线电( s o l l t w a r er a d io ) 技术是继模拟通信技术、数字通信技术之后发展起 来的第三代通信技术。其核心思想是将宽带的a d 、d a 尽可能的靠近天线，用软件实 现尽可能多的无线电功能。即在个呵编程的硬件平台卜，通过注入不同的软件，实 现无线功能的改变。 b p s k d p s k 调制具有适中的频谱利用率，而且对于给定的误比特率，b p s k d p s k 所要求的最小信噪比要比2 a s k 和2 f s k 低3 d b 左右，因此b p s k d p s k 数字载波调 制已广泛应用在各种数字通信系统中，如计算机监控系统，数字下星通信系统等。 从对信号直接处理的角度看，b p s k 解调必须采用相干解调。而b p s k 是抑制载波 烈边带信号，信号中不存在载频分量，也就无法从己调信号中直接用滤波法提取本地 载波，只有通过非线性变换，如c o s t a s 环、平方环电路、数字锁相环( d p l l ) 技术等 方法提取载频信号。尽管如此，以卜方法还是不能提取出完全的同频同桐的载波，从 而使b p s k 的解调m 现相位模糊问题。随着微电子技术和数字电路的发展，也出现了 些新的解调方法。文献拉j 1 3 j 介绍了用数字信号处理器( d s p ) 和数字锁相环( d p l l ) 技术对b p s k 信号进行解调的方法。文献1 4 j 介绍了一种在单片机上实现的d p s k 调制 解调方法，该方法基于存储移相卡h 乘的思路。 1 9 6 5 年，随着“晨鸟”的发射成功，卫星通信正式进入人类社会，它以通信距离 远，覆盖面大，通信方式灵活，组网方便以及不受地王坐环境限制等特点i f 逐步成为未 来信息社会通信主体之一“1 。 1 9 9 3 年奥地利召开的第4 4 届国际宇航大会上就l f 式提出纳米卫星( r l e t l l o s e t t ) 的概 念，而日提出纳米卫星的制造、电源和使用理论，到今天已经积崇了丰富的经验。皮 米卫星是比纳米卫星体积和重量更小的卫星。 l 、无论从技术上讲还是从体积上讲，皮米卫星的特性都足空前的。通过试验，验证了 微电子机械系统( m e m s ) 技术，还进行了同地面站的第二方通信，验证r 在太空中利 6 浙江大学硕十学位论文 用小卫星星座通信理论的可行性。 2 、利用一种特别的天线来接收全向信号，这些技术将会显著的减少未来用于电信、天 气和成像等领域的卫星的体积、能量消耗和造价。 3 、由于体积太小，皮卫星在太空中的定位有一定的困难，能量有限，需要指向更精确， 功率更大的天线及相关技术。 1 2 国内外微小卫星发展概况 随着微电子技术、通信技术、计算机技术、新材料和新能源的发展，以微机电 ( m e m s ) 为核心的微小卫星发展十分迅速。目前重量较小的皮卫星具有自主控制程 度高、重量轻、体积小、研制周期短、成本低和发射灵活性大的优势，可广泛用于通 信、导航、对地观察、科学试验和深空探测等任务，因此称为目前全球研究的热点。 目前国外小型化技术研究进展突出，应用成果显著的是小型卫星和反导武器，已进 行试验或应用的小卫星主要是质量2 2 0 9 2 5 k g 的超小型卫星和微型卫星，2 1 世纪初期 进行了质量在1 0 k g 以下的纳米卫星的试验。小卫星目前在微小型航天器技术中是非常 突出和有代表性的，国外已经或即将发射的军用卫星主要是超小型卫星和微型卫星； 应用领域包括通信、红外遥感、辐射遥感、电子侦察、雷达校正和卫星检测等。随着 微电了技术、微电子机械系统( m e m s ) 和微光机电系统( m o e m s ) 技术的发展，微 小卫星制造技术也得到了迅速提高。一体化、模块化和软件化的设计理念渗透到微小 卫星的开发设计中，加快了其产业化发展的进程。 英国萨瑞大学从1 9 7 9 年起，就成功将基y - c o t s ( 商业l u 现货供应) 的模块化设计 方法应用于它的微小卫星研制中，其方法关键处在丁二：采用并行发计方法；模块化及 电子与机械接r | 的标准化：装配与测试的简化；采用c o t s 技术，同时确保设计的鲁棒 胜。基于这些思想，萨瑞纳米甲星应用平台s n a p1 卫星诞生了，这是目前世界上最先 进的纳米卫星之一，s n a p l 微小卫星已经于2 0 0 0 年6 月发射，其重量为6 5 公斤， 用于演示微电子和微机械技术在空间的应用。卫星的每个模块都被指定一个简单的标 准电接l j ，包含调节后的5 v 电压与直接电源接头，同时还有个单独的用于数据传输 的双向控制器区域网c a n 总线，通过一个9 针d 型连接器连接。除了星载计算机与机 器视觉系统，所有模块都包含个标准的8 b i t c a n 微控制器，可实现遥测与遥控、数 据传输及一定程度的分系统自主功能。星上还包含一块模块化可重用s 频段发射机， 该发射机包含一个虚拟的基于固件的t t c 系统，可通过c a n 总线于其他分系统相连， 获取和处理数据。该纳星的小尺寸与小质量使得多星同时发射变得卜分容易，为其组 成星簇或星座提供基础。 存o p a l 成功发射厉，s t a n d f o r d 大学空问系统开发实验室( s s d l ) 干gc a l i t b m i a 工艺 第一章绪论 大学联合研制“立方星”c u b e s a t 和多皮卫星轨道部署器p p o d ( p o l y p i c a s a t e l l i t eo r b i t a l d e p l o y e r ) 。并将其制作成开发套件在全球范围出售，国际上很多大学和科研机构都相 继购买了该套件，并在其基础上进行开发，进而服务于自己的皮卫星发展计划。 图11o u b e s a t r p p o d 国内清华大学与英围萨瑞大学联合研制的5 0 k g 的“清华一号”微小卫星于2 0 0 0 年6 月2 8 日发射成功。中科院上海微系统与信息研究所于2 0 0 3 年1 0 月2 1 日成功发 射8 8 k g “创新一号”小卫星，低轨道通信试验获得成功。2 0 0 4 年4 月1 8 日哈尔滨工 业大学研制的l o o k g “试验卫星一号”立体测绘小卫星在西昌发射中心发射，卫星功能 试验获得成功。同日，清华大学的2 5 妊“纳星号”同时搭载发射，并且试验获得成 功。2 0 0 1 年，浙江大学和中科院j 二海微系统研究所联合承接l o k g 皮卫星项目，浙江大 学负责皮卫星电系统和地而系统的研制。现已研制完毕，等待发射时机。 1 j 微小卫星设计趋势及特点 航天器一直有人型化和小型化两个发展方向，当前小型航灭器技术是沿着现代小 型化的方向在发展。所谓“现代小型化”的含义足指不仅体积小，质量轻，而且功能 密度比) 高，应用新的先进技术，并带动新技术的发展。按当今世界上通行的划分方 法，小卫星按重量级别可分为小卫星( s m a 1 s a t e l l i t e ，5 0 0 1 0 0 0 k g ) ，超小卫星 ( m i n is a t e l l i t e ，1 0 0 5 0 0 k g ) ，微卫星( m i c r o s a t e l l i t e ，1 0 1 0 0 k g ) ，纳卫星 ( n a n o s a t e l l i t e ，1 j o k g ) ，皮卫星( p i c o s a t e l l i t e ，0 1 1 k g ) 。 现阶段，微小卫星出现了一体化、模块化和软件化的设计趋势。一体化设计包括 电一体化和结构一体化，从系统方案设计的角度达到微型化的目的，是减少卫星重量、 体积、功耗、成本的有效途径之一。体化的主要途径有：将分系统问相同模块集成 到一起；多任务巾的组件交叉使用。 ( 1 ) 电系统一体化设计 n a s a 电系统的一体化设计思路是将所有分系统的电子仪器集成到星载计算机分系 第一审绪论 大学联合研制“立方星”c u b c s a t 和多皮卫星轨道部署器p p o d ( p o l y p i c a s a t e l l i t e o r b i t a l d e p l o y e r ) 。并将其制作成开发套件在全球范围出售，国际上很多大学和科研机构都相 继购买了该套件，并在其基础上进行开发，进而服务丁自己的皮星发展计划。 图11o u b e s a t 年r p p o d 国内清华大学与英国萨瑞大学联合研制的5 0 k g 的“清华一号”微小卫星于2 0 0 0 年6 月2 8 同发射成功。中科院上海微系统与信息研究所丁2 0 0 3 年1 0 月2 l 口成功发 射8 8 k g “创新一号”小下星，低轨道通信试验获得成功。2 0 0 4 年4 月1 8 日哈尔滨工 业大学研制的l o o k g “试验卫星一号”立体测绘小卫星在西昌发射中心发剁，上星功能 试验获得成功。削日，清华人学的2 5 蚝“纳星号”同时搭载发射，并且试验获得成 功。2 0 0 1 年，浙江大学和l _ i 科院二海微系统研究所联合承接l o k g 皮卫星项目，浙江大 学负责皮卫星电系统和地而系统的研制。现已研制完毕，等待发射时机。 1 3 微小卫星设计趋势及特点 航天器一盲有人犁化和小型化两个发展方向，当前小型航天器技术是沿着现代小 哩化的方向在发展。所谓“现代小型化”的含义是指不仅体积小，质量轻，而且功能 密度比) 高，应用新的先进技术，并带动新技术的发展。按当今世界上通行的划分方 法，小卫星按重量级别可分为小卫星( s m a i s a t e l l i t e ，5 0 0 1 0 0 0 k g ) ，超小下星 ( m i n js a t e l l i t e ，1 0 0 5 0 0 k g ) ，微卫旱( m i c r o s a t e l l i t o ，1 0 1 0 0 k g ) ，纳卫星 ( n a n o s a t e l l i t e ，1 j o k g ) ，皮卫星( p i e o s a t e l l i t e ，0 1 1 k g ) 。 现阶段，微小卫星时观r 一体化、模块化和软什化的设计趋势“。一体化设计包括 电一体化和结构一体化，从系统方案设汁的角度达到微型化的目的，是减少卫星重量、 体积、功耗、成本的有敬途径之。体化的丰要途径有：将分系统问相同模块集成 到一起：多任务巾的组件交叉使用。 ( 1 ) 电系统一体化设计 n a s a 电系统的一体化设计思路是将所有分系统的电子仪器集成到星裁计算机分系 n a s a 电系统的体化设计思路是将所有分系统的电子仪器集成到旱栽计算机分系 浙江人学硕士学位论文 统中去，打破传统的分系统概念。通过计算机统一管理，形成灵活可变、可编程和可 自行组装的全平台技术，实现全星电的一体化。 具体的，星上通信与测控的一体化设计：计算机外围接口的一体化设计，可编 程与时分复用；有效载荷和卫星平台的体化设计。 ( 2 ) 结构一体化没计 结构一体化的关键在于取消传统卫星的单机概念，建立整星统一的结构。硬件功能 数字化是软件化的前提，数字化后，也给多任务中组件的交叉使用创造了条件。由于 软件无功耗、体积、重量等，硬件功能软件化，将会大大降低卫星的这些负面指标。 卫星工程领域还一直提倡模块化的设计方法，s u r r e y 和a m s a t “快、好、省”的微 小下星设计方法一直受到其他设计人员的推崇。模块化设计有助于实现快速卫星装配 集成与测试，还具有抗震功能。 纳米卫星可通过模块化系统进行模块组合与调整，例如由混合与匹配获取核心子系 统的组合，从而达到功能目标与可靠性；通过非冗余设计使每颗卫星成本最低等等， 在快速任务分析与设计中具有明显优势。模块化设计还使硬件电路在卫星任务中得到 重用，可通过不同的软件配置达到系统重构的目的。 硬件设计一体化，确保对地测控应答机和星间测控应答机公用一套硬件，减小体积 和重量； 功能设计模块和软件化，广泛采用软件无线电技术，_ i 管微小卫星采用何种测控体 制，只要装载不同的软件即可实现不同的测控应答机。 1 4d s p 在现代通信中的应用 n s p 与模拟信号处理相比，具有以卜优点：信号处理的动态范围大，因而有更高的 精度，数字信号处理仅受量化误差和有限字长的影响，处理过程不产生其它噪声，具 有更高的信噪比；具有高度的灵活性，能够快速处理、缓存和重组，可以时分多用、 并 j ：处理，还可以灵活的改变系统参量和1 作方式，并可以利用系统仿真。具有极好 的重现性、可靠性和预见性；算法具有直接的可实现性，对白噪声、非平衡干扰和多 径干扰，可以有相应的最佳化实现方法去进行特有的信号处理。数字信号处理( d s p ) 技术迅速发展，其应用范围不断扩大，在许多应用中，利用该技术可以在一块芯片上 建立整个系统。从前，不同的芯片在系统中实现不同的功能，现在，一片d s p 芯片就 可完成同样的任务。同时，d s p 技术有利于实现卫星系统的软件化，大大提高功能控制 的灵活性。皮卫星系统一般划分为通信系统，控制系统，能源系统等几个系统。其通 信系统不同丁一般的卫星通信系统，它受到重量和功耗更严格的限制。我们力图在现 有成熟的技术中寻找合适的解决办法，从提高微小卫星集成度和灵活性方面考虑，将 第一章绪论 d s p 技术应用到皮卫星通信中是不错的选择。 航天航空装备“软件化”、进而有效实现智能化将是航天航空技术发展的一个重要 方向。从海湾战争开始，“软件无线电”使得军用无线电台转变为一种多媒体设备，形 成了战场上话音、报文、图像和其他数据交互的“信息优势”，它能在开放性、标准化、 模块化的通用平台上用软件完成各种功能。基于这种技术的“软件卫星”的概念也正 日臻完善，卫星电子系统通过软件上载可以实现卫星功能重构，具有重要而广阔的应 用前景。 “软件无线电”的概念在1 9 9 2 年的美国电信系统会议上首先被提出来。它是在将 模块化、标准化的硬件单元以总线方式连接构成的基本硬件平台上通过加载软件实现 各种通信功能的一种开放式体系结构。软件无线电( s o f t w a r er a dj o ) 技术是继模拟通 信技术、数字通信技术之后发展起来的第三代通信技术。其核心思想是：将a d 、d a 尽可能靠近天线，用软件完成尽可能多的无线电功能，在统一的硬件平台基础上，通 过更换程序或模块来适应多种工作方式的需求，实现无线功能的改变，并可以象计算 机一样不断升级，保持和跟踪最先进的通行方式。 软件无线电强调软件实现，硬件仅仅提供一个标准化的平台，因面其可编程性、通 用性、互换性和移植性较强。其最终目的就足使通信系统摆脱硬件系统结构的束缚， 在系统结构相对通用和稳定的情况下，通过软件实现各种功能，使系统的改进和升级 非常方便且代价小，并且不同系统间能互联和兼容。软件无线电是无线电系统的革命， 被称为“无线电世界的个人计算机”。 软件无线电的思想已被现在很多小卫星基带处理设计所借鉴。软件无线电的实现可 由d s p 技术来完成。数字信号处理( i ) s p ) 技术迅速发展，其应用范围不断扩大，在许 多应用中，利用该技术可以在块芯片上建立整个系统。以前，不同的芯片在系统巾 实现不同的功能，现在，一片d s p 芯片就, j - 完成同样的任务，大大提高集成度和功能 控制的灵活性。 数字信号处理涉及到信号的数字捕述，以及数字处理器应用于信号分析、修改和 从信号中提取信息。自然界大多数的信号是模拟的，这也意味着它们是随时间连续变 化的，代表了物理量的变化过程。在d s p 中应用的最流行的信号形式，则是通过模拟 信号按有规则的时间问隔抽样并转换成数字形式而得到的。 处理数字信号的特殊理由叮以足从信号中消除t 扰或噪声，得到数据的频谱，或 者把信号变换成更为适当的形式。d s p 现存广泛应用于以前通过模拟方法实现的领域， 或者应用丁利用模拟方法难以实现或不可能实现的全新领域。d s p 的吸引力在于它其有 如下的显著优势： 保证精度。精度只由所用的位数确定。 完美的再现性。f b 于器件的容差不存在变化，部件之闯盯j 以得到千h 同的性能。例如，使用 l o 浙江大学硕士学位论文 d s p 技术，数字记录可以复制多次而信号质量没有任何衰减。 性能不随温度和时间漂移。 利用半导体技术方面的巨大进展所带来的优势可以达到更人的灵活性、更小的尺寸、更低 的成本、低功耗和更高的速度。 更大的灵活性。d s p 系统可以进行编程或者再编程来执行许多功能而不需要修改器件，这 或许是d s p 系统最重要的特征。 优良的性能。d s p 可以执行许多模拟系统不可能完成的性能，例如可咀实现线性相位响应， 复杂的白适应滤波算法也可以利用d s p 技术来实现。 在某些情况下，信息可能已经数字化，d s p 是唯可行的选择。 1 5 论文背景及皮卫星系统介绍 d s p 在现代通信领域有着越来越广泛的应用，微型化、集成化是航天工业的重要 趋势，未来航天器将会大量采用微型化、集成化的器件和部件。为保证系统的可靠。忖， 这些器件和部件在实用航天器中应用前均应经过搭载试用阶段，以验证这些器件和部 件的空间环境适应性及可靠性。由于造价和发射成本低、研制周期短，利用皮卫星作 为微器件和微部件的搭载平台是非常具有吸引力的，它可大大加速新技术、新器件进 入空刖领域的进程。针列这种情况，浙江大学信息与电子工程系半导体光电子研究所 与中科院l ：海微系统研究所合作开展了皮卫星的研制，旨在利用商用器件、微机械和 m c m 等微型化技术，探索新的微小卫星技术途径，研制皮卫星原理样机，作为微器件、 微系统搭载实验的平台，进行皮卫星演示实验，加速新技术、新器件进入空间应用的 进程。 目前在基带解调子系统中，采用模拟解凋受到了温度稳定性、功耗等方面的局限， 迫切需要寻找性能更优的解决方案。正是在此基础上，对基带解调系统进行了数字化 软什化方面的研究。皮下星项f 1 中基带解调系统经历了由模拟解调器向数字解调器的 发展，在此基础上，奉论文中进步尝试了多对象通用软件的开发，归纳了套适用 于该硬件平台的面向多对象的编程方式和u 调整可重置的程序加载流程，对f 不同的 输入信号实现自动的程序调整而完成解调功能。为了便于这些作的说明和分析，首 先，来看一下整个皮卫景系统的系统构成。 整个皮卫星系统由早上系统和地面系统两人部分构成。见图1 2 所示。 第一章绪论 ：，! 三竺兰藤副l ，一一一一一、i 竺堡堡里塑ll 孬一湫 黜一 溯控应答机 l ：瑟 ：if i j l 一 一基蓑调 j 目夸信号l 丽翮丽玑奄叫誓蛰鬻蓑 星上发射 奉振 图1 2 皮卫星系统框图 皮卫星星上系统主要包括了五个子系统：测控应答机( 包括天线) 、基带处理系统、 电源系统、相机和星务管理计算机以及姿态控制系统。下面埘这五个系统进行一个简 单的描述。 ( 1 ) 测控应答机 相当于一个通信系统中的发射接收机，它的作用包括接收地面站的遥测遥控指令， 返回相应的数据信息，并实现侧音测距、测速等功能。 皮卫星接收机实际卜是一个嵌套锁相环路结构。皮卫星系统中，地面站通过指令信 号来对皮卫星星上系统进行控制。指令信号先通过d p s k 调制方式调制到副载波上，然 后调相到上行载波上发射出去。星载测控应答机接收到上行信号后，便解调出指令信 号副载波，传递给基带处理系统，由其解调出指令信号并传递给后级星务管理计算机 进行相应的操作。调制、发射相机系统获取的图像信号和传感器信号，供地面站获取 星上数据。星上相机系统会根据接收到的地面指令采集相应的图像数据和传感器数据， 然后按照一定协议对数据进行编码并调制在6 5 5 3 6 k h z 的下行副载波上，最后和侧音 信号一起调相到下行载波并发射阿地面站。地面站系统接收到下行信号后，便能解调 出相应的数据信号恢复图像并进行测速和测距。 ( 2 ) 基带处理系统 基带处理系统的作用是用数字化方法对星上的基带部分统一进行处理，逐步达到软 件化的目的。日前，该部分系统主要实现遥测遥控指令解调的功能。对测控应答机提 供的副载波进行采样、数宁滤波，解调、同步和判决，获取副载波巾的指令信息，并 传递给星务管理计算机。星上基带处理实现的是控制指令的解调，地面基带处理实现 的是图像信号的解润。 ( 3 ) 电源系统 电源系统为皮卫星高效率地提供刈靠的电源。系统由充电管理、电源稳压、系统电 2 浙江大学硕士学位论文 源监测三部分组成。充电管理部分完成电源的即时充电管理，并为电池提供过压、过 流等保护。稳压部分通过d cd c 变换，使系统高效率地输出稳定的电压满足星上其他 系统的要求。系统电源监测部分由单片机控制，通过总线读取电源数据后由1 2 c 总线 输出。 ( 4 ) 星务管理计算机 星务管理计算机负责整个星上系统的所有智能化管理。可以根据接收到的地面站 指令对电源系统、相机系统和姿态控制系统进行各种管理。相机系统主要是c m o s 图像 传感器，根据星务管理计算机的控制指令完成拍照、传感器数据采集和数据传输等相 应功能。 ( 5 ) 姿态控制系统 姿态控制系统能够根据所采集的传感器信息对皮卫星的姿态进行相应的调整。它 可以保证卫星体在外太空按照设定的姿态飞行，可以更有效地进行微光机电系统在星 f ：的实验和工作。 皮卫星地面系统主要由发射机，接收机，b p s k 调制和解调系统，以及指令发送板， 数据接收板和测距系统组成。图1 3 为地面系统的原理框图。其中，发射机和接收机的 结构与器件选型跟星上的基本一致。 图13 地面系统的原理框图 皮卫星的正常运转工作需要相应的地面系统配合完成。地面系统通过天线给皮卫 星发送指令信号和测距信号，皮卫星接收到地面系统的上行信号之后，进行载波相干 转发，然后将测距信号和星上图像数据调制在其上，发送回地面系统。地面系统的接 收机通过天线接收到皮下星的下行信号，解调并提纯图像副载波信号和测距信号。图 第一章绪论 像副载波信号送到b p s k 解调电路解调出图像信号，并由数据接收板读取该数据送到 p c 机，恢复出皮卫星c m o s 相机拍摄的图像。上、下行测距信号分别送入锁相环组成 的窄带滤波器，最后由示波器比较它们的相位差就可以确定皮卫星的飞行高度。 1 6 本论文的主要工作 论文主要围绕皮卫星基带解调系统进行了研究，并对原有8 k 单一解调系统进行了 扩展分析，在软件通用性方面进行了较为深入的研究，使其成为可处理多对象的通用 解调器。主要是借鉴了软件无线电的思想，强调以开放性的简单硬件为通用平台，尽 可能地用可升级的、可重配置的应用软件来实现各种功能的设计；并力图在现有成熟 的技术中寻找合适的解决办法，从提高皮卫星的集成度和灵活性方面考虑，将d s p 结 合c p l d 技术应用到皮卫星基带处理系统中，以实现皮卫星基带解调系统的数字化、软 件化。 具体到本课题研制的6 5 5 3 6 k d p s k 数字解调器，其解调结果将最后恢复为图像信 号，解调是否成功与解调性能是否良好直接影响到最后的图像质量，所以，如果这一 模块的：1 作状况不良，将大大影响对皮卫星采集图像的观测。在本项目的前期研究中， 已经成功实现了星上对8 k d p s k 指令信号的解调和转发功能。本论文在此成功基础上， 将星上数宁解调的模型移植到地面系统中，以期解决原地面系统中采用模拟解调带来 的温漂等不良现象。本文以地面接收站基带处理l 卜i 对调制有图像信号的载波的数字解 调为研究对象，针对皮卫星的技术指标要求，结合数字通信理论和d s p 技术，从理论 仿真建模开始到单板实现、误码率测试和整机联调，分析了整套的适用于皮卫星基带 解调的数字实现方案；仿真和实测效果表明，该方案能满足实际系统指标要求。并在 研究的过程中，在硬件下台一致性的基础上，注重软件通用性方面的研究与总结，归 纳了一整套的适用于该硬件平台的，可扩展的面向对象编程方式，为实现皮卫星的解 调器由单一解调器发展为通用解调器，做了一些开拓性的工作。 具体文章结构如下： 篼一章，背景知识介绍。分析了当前皮卫星和微小卫星发展状况，以及d s p 在现 代通信领域中的应用。并阐述小论文的研究背景和主要 ：作。 第二二章，模拟解调系统的原理介绍和系统实现。调制和相干解调原理的介绍；在 实现方面，详细分析了各个子系统与单个模块的设计仿真与调试过程。实验结果较为 l 一 i 田。 第三章，数字解调系统的原理介绍和系统实现，并给出了通用解调器的设计思路。 原理介绍方面，进行建模仿真基础上，结合数字通信理论，分析d p s k 解调方案可能存 在的问题，详细讨沦本系统实际应用的可于亍性，最后给出仿真结果；具体实现方面则 浙江大学硕士学位论文 主要介绍了系统的软件实现，提出了仿真方式的一些改进。软件通用性方面，主要实 现了对不同应用进行不同选择，可以实现解调的面向对象化，根据不同的输入信号频 率进行相应的程序调整即可实现相应的解调功能：最后给出了软硬件环境中系统调试 结果。本章力图在描述系统实现的基础上，将系统的软件应用扩展到更广义的范畴。 第四章重点是解调系统误码率测试和温度测试。为了更好的评估数字解调器性能， 综合以上各章节的研究结果，对单板和系统从功能和误码率方面，给出并分析该数字 解调器的测试结果。相比于数字解调方式，模拟解调则受限于温度变化。 第五章是对整个论文的总结，在现有基础上分析系统的可扩展性，并对下一步工作 提出一些展望。 第二章模拟解调系统的原理及实现 第二章模拟解调系统的原理及实现 皮卫星上行通信，即地星通信是实现控制指令的解调；下行通信，即星地通信主 要完成的是将采集的图像及其他一些数据返回地面处理。对于上行信号解调，判决的 结果直接影响到星上系统能否正常运转；而对于下行信号，主要是图像信号的解调， 则关系到是否能够稳定的得到清晰的图像。在实际设计中，基带信号首先被调制在副 载波上，然后再二次加载到高频载波上发射。在接收端，按“软件无线电”的思想， a d c 应尽量接近射频，基于实际器件水平限制，目前还无法做到对射频直接采样，因 此，本系统由射频前端采用新型接收机结构”。接收和解调出副载波信号，再由基带处 理电路解调出原始信号，即二次解调过程。本文所研究的是对副载波信号的解调。 2 1 调制及解调原理 二进制相移键控b p s k 是受键控的载波相位按基带脉冲而改变的一种数字调制方 式，载波的相位随调制信号1 或0 而改变，通常用相位0 和n 来分别表示1 或0 。二 进制相移键控的已阋信号的时域表达式为： = 降酏叫c o s q ， c z 叫 这里 q = ： 概率位p 概率为1 一p ( 2 - 2 ) 因此在某个信号间隔内观察b p s k 已调信号时，若g ( t ) 是幅度为l 宽度为t 。的矩形脉 冲，则 ( f ) = + c o s c o ，t = c o s ( o g 。t + 谚) ，谚= 0 或z ( 23 ) 当数字信号传输速率( 1 t ，) 与载波频率间有确定的倍数关系时，典型的波形如图2 1 。 a a h t 。制 图2 1b p s k 信号的典型波形 浙江人学硕上学位论文 b p s k 解调散要采用相干解调，其原理框图如图2 2 所示。由图可见，如何得 到同频同相的载波和位同步脉冲是实现b p s k 解调的两个主要环节。 图2 2b p s k 相干解调器 b p s k 解调的关键是收端的本地载波，其频率和相位必须严格与发端的载频相同， 为了严格同步，需要从信号本身提取载波信息，即载波恢复过程。常用的载波恢复电 路有两种， 一种是图2 3 所示的平方环电路( 通常在整流和锁相环之问增加一级带通 滤波器) ，另一种是同相正交环，又称科斯塔斯( c o s t a s ) 环。 广一一一一一一一一一一一一一一i 载波输出 - _ _ _ 。 锁相环 图2 3 平方环法提取载波 平方环载波恢复电路中，b p s k 信号经平方环后得到两倍频的频谱分量，用锁相 环( 或者谐振回路) 提取这一分量，然后经2 分频得到载频分量。分析平方环的情况。 设调制信号为m ( t ) 且无直流分量，则抑制载波的双边代信号s ( t ) 为： s ( t ) = m ( t ) c o s 。t ( 2 4 ) 接受端将此信弓进行平方变换，即将信号s ( t ) 通过一个平方律器件后得到： 州= m2 ( f ) c 。s2 州= 掣+ 丢以加。s 2 叫( 2 _ 5 ) 由式( 2 - 5 ) 看出：s ( f ) 经平方处理之后产生了直流分量。即i t 2 ( t ) 中具有直流分量，f ：式第 项2 ( t ) c o s 2 ，中具有2 山。频率分量。若应用一个带通滤波器将2 。项滤出，再经分频，便 可得到所需的载波分量。若数字信号m o ) = 1 ，则该抑制载波的双边代信号变为二项移相信号， 即： 哪) = k ( ，) c o s 州】2 = + 要c 。s 2 则 ( 2 - 6 ) 从上式很明昆看出，可以通过图2 3 所不的平方变换提取载波。 枉 第二章模拟解调系统的原理及实现 同相正交环，又称科斯塔斯( c o s m s ) 环 ( b ) 图2 4 同相正交环结构 采用平方环法，v c o 的频率工作在2 f c ，当载频很高时，实现2 f c 振荡有一定 的困难。而同相正交环提取载波所用的v c o ：i ：作频率就在f c 。实现同相正交环提取 载波的方案如图2 4 所示。加在两个乘法器相乘的本地载波分别v c o 的输出信号 c o s ( o ) 。r + 妒) 和它的正交信号s i n ( c o 。i + 妒) 。 设输入信号是抑制载波的双边信号r e ( t ) c o s 甜，t ，则： v 3 2 m 【 c o s 珊。，c o s ( o 。t + 妒j ：= i 研( f ) c 。s 6 p + c o s ( 2 c o c t + 妒) 】 ( 2 7 ) z 4 = m ( t ) c o s 。fs i n ( c a 。t + 妒) ：= 1m ( f ) h i n 妒+ s i n ( 2 。f + 妒) 】 ( 2 8 ) 已低通滤出高频后， ：m o ) c o s a 妒 ( 2 _ 9 ) 圪：lm(f)sin妒(2-10) = 以圪= m 2 ( r ) c o s a a s i n a 6 p = ；m 2 ( ，) s i n 2 p ( 2 一1 1 ) 式中口为压控振荡器输出信号与输入已凋信号载波的相位误差。当p 较小时 z 三m 2 ( ) 妒 r 2 1 2 、 由j _ i = ( 2 - 1 2 ) 看出，相乘器输出的n 与收发端的载波相位差成正比。这相当于锁相环的鉴