胡東偉，陳 杰，石 寅，潘申富，汪春霆

(1. 中國科學(xué)院微電子研究所 北京 豐臺區(qū) 100029; 2. 中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所 北京 豐臺區(qū) 100083;3. 中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所 石家莊 050081)

遙測接收機(jī)通常用于接收空間飛行器發(fā)送回地面的測量數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)上的遙測接收機(jī)普遍采用PCM/FM的遙測體制[1]。但PCM/FM體制需要的信號帶寬較寬，引入了更多的噪聲，從而降低了接收靈敏度。因此，本文研究了一種BPSK調(diào)制的遙測接收系統(tǒng)。

由于空間飛行器的飛行速度快、加速度大，遙測接收機(jī)通常表現(xiàn)出很高的動態(tài)特性，即飛行器飛行速度快，一方面意味著多普勒頻移會很大，另一方面意味著碼元周期變化大。本文把多普勒效應(yīng)造成的多普勒頻移稱為頻率多普勒，把多普勒效應(yīng)對碼元周期的影響稱為碼多普勒。飛行器加速度大，意味著頻率多普勒和碼多普勒的變化很快，由此給遙測接收機(jī)的設(shè)計造成很大的困難。

現(xiàn)代接收機(jī)普遍采用數(shù)字技術(shù)來實現(xiàn)。一般由模擬電路將射頻信號變到低中頻，然后進(jìn)行AD采樣，此后，所有的處理都在數(shù)字域進(jìn)行。本文研究一個BPSK調(diào)制的遙測系統(tǒng)，信息傳輸速率為2 Mb/s，最大加速度為20g(g為重力加速度)，最大速度為7 km/s。

1 系統(tǒng)描述及接收機(jī)需要解決的問題

1.1 系統(tǒng)描述

圖1 遙測系統(tǒng)示意圖

圖1為遙測系統(tǒng)示意圖。在空間飛行器上裝載一個(腰帶)天線，在地面設(shè)置一個伺服遙測接收站。飛行器上的各傳感器測得的數(shù)據(jù)，通過(腰帶)天線發(fā)往地面的伺服天線。地面的伺服天線接收到信息后，做基帶處理，解調(diào)出數(shù)據(jù)。本文主要研究這一地面的基帶接收，不包括伺服系統(tǒng)。對于基帶接收，系統(tǒng)主要有兩個特點：1) 因一般空間飛行器飛行高度較高，傳播環(huán)境可視為自由空間系統(tǒng)；2) 航天器飛行速度、加速度都很大，由于多普勒效應(yīng)，導(dǎo)致了接收信號的高動態(tài)特性。

發(fā)送信號為非歸零(NRZ)編碼BPSK調(diào)制，可描述為：

1.2 接收機(jī)需要解決的問題

由于從飛行器到遙測接收機(jī)的傳播路徑可視為自由空間，不存在多徑現(xiàn)象，所以接收機(jī)主要需要解決同步問題。同步包括采樣同步、頻率同步和幀同步。幀同步是在BPSK解調(diào)之后實現(xiàn)，較簡單，本文不予研究。由于飛行器的高動態(tài)特性，采樣同步和頻率同步都嚴(yán)重受到多普勒效應(yīng)的影響[2]，是接收機(jī)需要解決的主要問題。

多普勒頻移與速度、載波頻率的關(guān)系為：

飛行器最大速度為7 km/s，載頻設(shè)為2.3 GHz，則最大多普勒頻移可達(dá)53.7 kHz。設(shè)接收機(jī)晶振為10 ppm，則晶振引起的最大頻偏可達(dá)23 kHz。多普勒和晶振引起的頻偏都是未知的，需要克服。傳輸碼速率為2 Mb/s，則碼速率的偏移可達(dá)46.7 bit/s。這意味著，在最高速率7 km/s時，接收機(jī)每秒將多(或少，取決于飛行器是靠近還是遠(yuǎn)離接收機(jī))接收46.7個碼元。顯然，倘若接收機(jī)仍然按照2 Mb/s的速率進(jìn)行采樣判決，將造成很大的誤碼率。

2 接收機(jī)結(jié)構(gòu)

現(xiàn)代接收機(jī)一般采用全數(shù)字結(jié)構(gòu)，圖2給出了本文的全數(shù)字接收機(jī)結(jié)構(gòu)[3]。圖中，接收信號經(jīng)過模擬射頻變換到20 MHz的低中頻后，進(jìn)行AD采樣，采樣率為16 MHz，是單路數(shù)據(jù)。AD采樣的數(shù)據(jù)與本地數(shù)字控制振蕩器(NCO)產(chǎn)生的正交載波相乘，變換為I、Q兩路。I、Q兩路數(shù)據(jù)送入一個7級的延遲線。延遲線的第1、3、5、7級分別輸入4個相關(guān)器(P1(Prompt1)、E(Early)、P2和L(Late))。P1或P2相關(guān)器的輸出經(jīng)過一個多路選擇器，選擇結(jié)果用于最后BPSK判決，并用于鑒頻鑒相。一方面，鑒相結(jié)果經(jīng)過一個環(huán)路濾波器，控制載波NCO的相位增量，從而調(diào)整NCO的頻率，實現(xiàn)載波跟蹤。乘法器、P1/P2相關(guān)器、多路器、載波鑒相器、載波環(huán)路濾波器和載波NCO構(gòu)成一個反饋環(huán)路，稱為載波環(huán)路。另一方面，E/L相關(guān)器進(jìn)入一個碼鑒相器，鑒相結(jié)果送入碼環(huán)路濾波器，控制碼NCO的相位增量，從而調(diào)整碼NCO的溢出頻率。碼NCO的溢出信號，控制相關(guān)器輸出并清零。乘法器、E/L相關(guān)器、碼鑒相器、碼環(huán)路濾波器和碼NCO構(gòu)成一個反饋環(huán)路，稱為碼環(huán)。

由于相關(guān)器每次輸出的同時會清零，每兩次碼NCO的溢出，代表一個比特周期的積分區(qū)間。調(diào)整碼NCO的溢出頻率，意味著調(diào)整該積分區(qū)間的長度和位置，從而實現(xiàn)采樣同步。在無碼多普勒的情況下，每個碼元恰好為8個采樣。碼NCO每8個時鐘溢出一次，指示3個相關(guān)器輸出其積分值，同時積分器清零，為下一個碼元的積分做好準(zhǔn)備。倘若由于多普勒效應(yīng)導(dǎo)致碼元周期縮短，以致經(jīng)常第8個采樣落在了下一個碼元周期，這時，E/L相關(guān)器的能量不再平衡，將導(dǎo)致碼NCO做出調(diào)整，增大碼NCO的相位增量。這樣，會經(jīng)常出現(xiàn)經(jīng)7個采樣時鐘，碼NCO溢出，積分器輸出。反之，倘若由于多普勒效應(yīng)導(dǎo)致碼元周期加長，E/L相關(guān)器的能量會不平衡，碼NCO的相位增量會減小，會經(jīng)常出現(xiàn)經(jīng)過9個采樣時鐘，碼NCO才溢出，積分器才輸出。由此，只要環(huán)路穩(wěn)定，相關(guān)器會一直跟蹤保持平均一個碼元的積分時間。

圖2 接收機(jī)結(jié)構(gòu)

3 環(huán)路設(shè)計

從以上對接收機(jī)結(jié)構(gòu)的討論中可以看到，接收機(jī)的核心是兩個環(huán)路。載波環(huán)路實現(xiàn)載波頻率的跟蹤，克服載波多普勒的影響，碼環(huán)路實現(xiàn)積分定時的跟蹤保持，克服碼多普勒導(dǎo)致的采樣定時誤差。

3.1 碼鑒相器

圖3 積分器輸出能量期望與積分起始時間的關(guān)系

3.2 載波鑒相器

穩(wěn)定情況下，ecarr=0，此時，Δf=0，?=0或π。這時，輸出信號全部集中在I支路上，Q支路的輸出只有噪聲。當(dāng)收斂在π時，I支路的判決輸出存在o

180相位翻轉(zhuǎn)。該翻轉(zhuǎn)可通過幀結(jié)構(gòu)中的同步字來發(fā)現(xiàn)并矯正。

3.3 環(huán)路濾波器

圖4 環(huán)路模型

由于飛行器的高動態(tài)特性，本文選擇二階的環(huán)路濾波器，其傳遞函數(shù)為：

該條件是很寬松的。根據(jù)H(z)的表達(dá)形式，還可以研究環(huán)路的穩(wěn)態(tài)誤差。根據(jù)文獻(xiàn)[9-10]，三階環(huán)路的穩(wěn)態(tài)誤差對相位階躍不敏感，對頻率階躍不敏感，對頻率變化率(即加速度)不敏感，而對加加速度敏感。

4 算法仿真

圖5 載波環(huán)路誤差信號變化

圖6 碼環(huán)誤差信號平均值變化情況

圖7 載波頻率牽引過程

圖8 碼環(huán)平均頻率變化過程

5 結(jié) 論

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