張新社,劉勝利,張明煥

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所,河北石家莊050081;2.北京跟蹤與通信技術(shù)研究所,北京100094;3.中國(guó)衛(wèi)星發(fā)射測(cè)控部,北京100720)

0 引言

隨著測(cè)控技術(shù)的發(fā)展,要求地面測(cè)控設(shè)備能夠直接對(duì)寬帶下行遙測(cè)信號(hào)(例如調(diào)制方式為FSK、BPSK或QPSK,信號(hào)帶寬高達(dá)400MHz以上)進(jìn)行非相干角誤差解調(diào),國(guó)內(nèi)以往的類(lèi)似方案在信噪比S/N＜0 dB時(shí)跟蹤方差較大,不能滿(mǎn)足系統(tǒng)跟蹤靈敏度要求。據(jù)此設(shè)計(jì)了一種雙通道非相干角誤差解調(diào)方案,本方案的特點(diǎn)是利用小部分帶寬內(nèi)信號(hào)提取角誤差電壓,同時(shí)能夠很方便地調(diào)整相位和時(shí)延,具有很高的跟蹤靈敏度,而且應(yīng)用范圍廣泛。

1 角誤差解調(diào)方案

天線(xiàn)下來(lái)2路信號(hào):和路信號(hào)與差路信號(hào),其中差路信號(hào)包含方位差信號(hào)和俯仰差信號(hào)。2路信號(hào)分別經(jīng)過(guò)場(chǎng)放、下變頻、中放后,經(jīng)窄帶濾波器截取部分帶寬內(nèi)信號(hào),經(jīng)AD采樣后在FPGA上進(jìn)行數(shù)字化處理。雙通道非相干角誤差解調(diào)方案框圖如圖1所示。

圖1 雙通道非相干角誤差解調(diào)方案框圖

首先,利用NCO對(duì)和路信號(hào)進(jìn)行同相下變頻,對(duì)差路信號(hào)進(jìn)行同相、正交2路下變頻,做下變頻處理時(shí)并沒(méi)有把信號(hào)變?yōu)榱阒蓄l,而是變到一個(gè)較低的頻率,主要目的是為了利用本地NCO調(diào)整和、差通道之間的相位差,然后利用FPGA內(nèi)的D觸發(fā)器做延遲電路對(duì)信號(hào)時(shí)延進(jìn)行調(diào)整,最后利用和路信號(hào)分別與2路正交的差路信號(hào)進(jìn)行相關(guān)處理,得到方位電壓和俯仰電壓。

2 系統(tǒng)校正及中頻帶寬選擇

2.1 和差支路相位校正

和、差支路相位校正過(guò)程與其他常規(guī)雙通道校相過(guò)程一致,首先使天線(xiàn)對(duì)準(zhǔn)塔上信標(biāo)機(jī)或應(yīng)答機(jī),使天線(xiàn)俯仰角從初始零點(diǎn)偏離一個(gè)角度,同時(shí)方位角對(duì)準(zhǔn)零點(diǎn),采集差通道的正交兩支路數(shù)據(jù)x(k)、y(k),做數(shù)學(xué)運(yùn)算可求得和差通道俯仰支路相差Δφ 1,通過(guò)調(diào)整NCO正交支路的相位消除和差通道俯仰支路相位差 Δ φ 1;同理,使天線(xiàn)方位角從初始零點(diǎn)偏離一個(gè)角度,同時(shí)俯仰角對(duì)準(zhǔn)零點(diǎn),采集差通道的正交兩支路數(shù)據(jù)x(k)、y(k),做數(shù)學(xué)運(yùn)算可求得和差通道俯仰支路相差Δφ 2,通過(guò)調(diào)整NCO同相支路的相位消除和差通道方位支路相位差Δφ 2。

系統(tǒng)進(jìn)行相位校正主要是通過(guò)調(diào)整NCO相位實(shí)現(xiàn),下面對(duì)NCO誤差進(jìn)行分析。NCO主要由頻率控制字,相位累加器,正、余弦表組成。頻率控制字FKW輸入到一個(gè) 32位的累加器,累加器輸出高10位數(shù)據(jù)作為ROM表的地址,查表輸出正、余弦2路信號(hào),NCO的原理框圖如圖2所示。

圖2 NCO原理框圖

NCO相位累加值是 32位的,采樣頻率fs=56 MHz,頻率輸出表達(dá)式為:

由上式可以得到最小頻率步進(jìn)量為:

NCO輸出信號(hào)的步進(jìn)量只有0.013 Hz,這在傳統(tǒng)的頻率合成技術(shù)中是很難做到的。NCO相位累加截?cái)鄷?huì)導(dǎo)致輸出信號(hào)的相位抖動(dòng),相位字長(zhǎng)度N=32 bit,截?cái)辔婚L(zhǎng)為B=32-10=22 bit,則有 :存在相位截?cái)嗟腘CO輸出信噪比優(yōu)于6.02×(NB)=6.02×(32-22)=60.2 dB,并且雜散信號(hào)分散到較多的頻率上,因此NCO輸出的頻譜純度滿(mǎn)足一般系統(tǒng)要求。

2.2 和、差通道時(shí)延校正

和支路插入M組串聯(lián)D觸發(fā)器,差支路插入N組串聯(lián)D觸發(fā)器,D觸發(fā)器時(shí)鐘為fd,則經(jīng)過(guò)一級(jí)D觸發(fā)器所產(chǎn)生的時(shí)延為ΔT=1/fd。

時(shí)延調(diào)整流程為:首先,和支路設(shè)置固定延時(shí)ΔT,依次調(diào)整差支路1～N個(gè)時(shí)延,得到N個(gè)角誤差積分值的絕對(duì)值VN,記錄最大值Vmax1以及所對(duì)應(yīng)的時(shí)延Nmax;其次,差支路設(shè)置固定延時(shí)ΔT,依次調(diào)整和支路1～M個(gè)時(shí)延,得到M個(gè)角誤差積分值的絕對(duì)值VM,記錄最大積分值Vmax2以及所對(duì)應(yīng)的時(shí)延Mmax;最后,比較Vmax1和Vmax2的值,取二者中的大者,以及所對(duì)應(yīng)的時(shí)延量,設(shè)置相應(yīng)支路的D觸發(fā)器插入個(gè)數(shù),完成時(shí)延校正。

2.3 中頻窄帶濾波器帶寬選擇

下行遙測(cè)信號(hào)的頻帶很寬,可以達(dá)到400 MHz以上,取其部分帶寬即可完成角誤差提取,中頻窄帶濾波器帶寬的選擇應(yīng)考慮以下因素:

①中頻帶寬內(nèi)的載波譜線(xiàn)根數(shù)不能太少。少于2根就提取不出角誤差信號(hào),載波根數(shù)太少,等效接收信號(hào)電平低,為了保證振幅檢波電平,接收機(jī)增益要提高;

②載波譜線(xiàn)間距為Δf=1/(Δ×P),Δ為PN碼元寬度,P為碼長(zhǎng)。例如P=1 024位,對(duì)于數(shù)據(jù)速率400Mbps的下行信號(hào),Δf=1/(Δ×P)≈390 kHz。信號(hào)頻譜帶寬為400 MHz,主瓣內(nèi)有P根(1 024)根譜線(xiàn),若中頻帶寬取1 MHz,那么帶內(nèi)只有兩根譜線(xiàn)。若取40 MHz帶寬,帶內(nèi)有102根譜線(xiàn),截取帶寬約為信號(hào)帶寬的1/10;

③如果系統(tǒng)的碼速率變化太大,例如從幾百kHz到幾百M(fèi)Hz變化,則可以考慮利用濾波器組分檔實(shí)現(xiàn)。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本方案在基于CPCI工控機(jī)的硬件平臺(tái)進(jìn)行了驗(yàn)證,實(shí)驗(yàn)框圖如圖3所示。輸入的中頻信號(hào)為200 Mbps擴(kuò)頻m序列,中頻濾波器帶寬取20 MHz,采樣鐘為56 MHz,信號(hào)多普勒頻率范圍±150 kHz,多普勒頻率變化率±30 kHz/s。實(shí)驗(yàn)框圖如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)框圖

實(shí)驗(yàn)步驟為:首先,在高信噪比、靜態(tài)條件下調(diào)整差通道NCO的相位,消除和、差通道之間的相位差;其次,同樣在高信噪比、靜態(tài)條件下調(diào)整和、差通道時(shí)延;實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)調(diào)整輸入信號(hào)幅度和噪聲源功率,調(diào)整信號(hào)的信噪比;最后,利用示波器觀察角誤差電壓輸出。

經(jīng)測(cè)試得知,該方案跟蹤靈敏度可以達(dá)到S/N=-7 dB,遠(yuǎn)優(yōu)于以往方案信噪比S/N≥0 dB的技術(shù)指標(biāo),該方案利用某型號(hào)設(shè)備進(jìn)行了系統(tǒng)級(jí)驗(yàn)證,跟蹤靈敏度指標(biāo)與上述結(jié)果一致。

4 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)利用雙通道非相干角誤差解調(diào)方案實(shí)現(xiàn)了對(duì)寬帶下行遙測(cè)信號(hào)的角跟蹤,解決了對(duì)帶寬遙測(cè)信號(hào)進(jìn)行非相干角誤差解調(diào)時(shí)信號(hào)帶寬過(guò)寬的問(wèn)題;本方案對(duì)單載波信號(hào)、FSK遙測(cè)信號(hào)、BPSK遙測(cè)信號(hào)、QPSK遙測(cè)信號(hào)以及擴(kuò)頻信號(hào)等均可以實(shí)現(xiàn)角跟蹤,系統(tǒng)所能達(dá)到的跟蹤靈敏度滿(mǎn)足工程技術(shù)要求,可以進(jìn)行廣泛應(yīng)用。

[1]董長(zhǎng)虹.Matlab信號(hào)處理與應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2005.

[2]李瑞榜.地空高速數(shù)據(jù)鏈跟蹤測(cè)角技術(shù)研究[J].無(wú)線(xiàn)電工程,2005,35(2):235-25.

[3]徐興源,高全輝.單通道單脈沖跟蹤體制的角誤差解調(diào)[J].遙控遙測(cè),1998,19(5):51-57.