王學(xué)運,張升康

(北京無線電計量測試研究所,北京100854)

1 引 言

衛(wèi)星雙向時間傳遞是目前遠距離時間同步和校準的高精度和高準確度的手段之一,其工作原理是參加比對的兩個地面站向衛(wèi)星發(fā)送定時信號,并接收經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的對方的定時信號,兩站分別通過時間間隔計數(shù)器測出對方定時信號與本地定時信號的時差值,然后再根據(jù)鏈路上的各種延時值計算出兩地的鐘差[1-2]。

衛(wèi)星雙向時間傳遞系統(tǒng)的核心是調(diào)制解調(diào)器,目前國內(nèi)外衛(wèi)星雙向時間傳遞鏈路常采用德國timetech公司的stare專用時間傳遞調(diào)制解調(diào)器,我國在這種設(shè)備的研制方面還有待提高,而且國內(nèi)外針對衛(wèi)星雙向時間傳遞調(diào)制解調(diào)器設(shè)計的專門文獻較少。本文采用偽碼擴頻調(diào)制體制設(shè)計開發(fā)了用于衛(wèi)星雙向時間傳遞的調(diào)制器,其原理是在FPGA中將本地1 PPS信號和時間信息偽碼擴頻,同時進行CRC校驗處理,然后再利用DDS實現(xiàn)BPSK調(diào)制,并完成70 MHz的中頻輸出。仿真測試實驗表明,該調(diào)制器能滿足基本的應(yīng)用需求。下面對系統(tǒng)架構(gòu)及主要功能模塊進行詳細介紹,并結(jié)合仿真測試結(jié)果進行分析說明。

2 調(diào)制器總體設(shè)計

在衛(wèi)星雙向時間傳遞系統(tǒng)中,本地1 PPS信號和時間信息通過調(diào)制器單元的編碼調(diào)制之后輸出,調(diào)制器的主要功能是將數(shù)據(jù)信息按一定格式組幀并進行擴頻處理,然后調(diào)制成70 MHz中頻信號后輸出。其原理框圖如圖1所示。

圖1 調(diào)制器系統(tǒng)框圖Fig.1Modulator system

調(diào)制數(shù)據(jù)有兩部分,一是1 PPS秒脈沖信號,二是本地時間信息。1 PPS秒脈沖信號用于實現(xiàn)衛(wèi)星雙向時間傳遞,它是由參與時間比對的原子鐘提供的。在硬件實現(xiàn)時將1 PPS信號用幀頭替代,除要保證秒脈沖沿與幀頭精準對齊之外,還要保證對1 PPS信號的采樣誤差要小于系統(tǒng)的同步精度,因此對采樣時鐘頻率要求較高。本地時間信息主要包含時間比對信息、時碼信息、電離層時延信息、Sagnac信息及其它信息等,它們對完成衛(wèi)星雙向時間傳遞起到輔助的作用。對于這些信息數(shù)據(jù)采用常規(guī)處理,將其包含在數(shù)據(jù)幀中作數(shù)據(jù)的調(diào)制解調(diào)。

擴頻單元一般選取Gold碼作為擴頻序列,它是m序列的復(fù)合序碼,具有良好的自相關(guān)和互相關(guān)性能。碼周期長度一般可選用10的倍數(shù),但要保證截短后的碼序列仍然要具有良好的自相關(guān)和互相關(guān)特性。碼周期長度越長,其抗噪聲性能越好,但是接收端捕獲的速度就越慢。

調(diào)制方式選擇BPSK調(diào)制,BPSK比較簡單可在FPGA中實現(xiàn),也可采用具有調(diào)相功能的DDS芯片實現(xiàn)。為提高通信的可靠性,系統(tǒng)中需要加入CRC校驗功能,以對可能或已經(jīng)出現(xiàn)的差錯進行控制。CRC碼是一種有效的編碼技術(shù),它以其檢出概率高且易于用硬件實現(xiàn)的優(yōu)點在移動通信、計算機通信、USB接口、測控等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

3 調(diào)制器的FPGA實現(xiàn)

調(diào)制器的FPGA硬件實現(xiàn)框圖如圖2所示。FPGA內(nèi)部完成的主要工作有數(shù)據(jù)成幀、擴頻及CRC校驗、串口通信等,DDS芯片AD9852實現(xiàn)BPSK調(diào)制功能。

時鐘clk和1 PPS信號是由參與時間比對的原子鐘提供的。1 PPS信號是調(diào)制器各功能單元的啟動和控制信號,是功能實現(xiàn)的協(xié)調(diào)者和組織者。數(shù)據(jù)成幀單元、CRC校驗單元、擴頻單元、碼產(chǎn)生單元都是在1 PPS信號的控制下工作的。

圖2 調(diào)制器的FPGA實現(xiàn)Fig.2Modulator designed based on FPGA

系統(tǒng)數(shù)據(jù)幀格式如圖3所示,其中幀頭是13 bit的Barker碼序列,數(shù)據(jù)速率為500 Hz。

圖3 數(shù)據(jù)幀格式Fig.3 Format of data frames

3.1 CRC校驗?zāi)K的實現(xiàn)

本系統(tǒng)采用CRC-CCITT標準,其生成多項式為

CRC校驗的硬件實現(xiàn)所要求的速度并不高,因此可以選用串行實現(xiàn)方式,即經(jīng)典的LSFR方法[3],其實現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖4所示。當最后一位數(shù)據(jù)進入該結(jié)構(gòu)之后,寄存器中所存儲的值就是CRC校驗位,然后讀取這16個寄存器的值并將其存儲到規(guī)定的存儲區(qū)域,最后輸出成幀。用Verilog HDL語言可以很方便地實現(xiàn)此算法。需要注意的是,CRC的工作受到1 PPS脈沖信號的控制。

圖4 CRC串行結(jié)構(gòu)框圖Fig.4 Serial architectural of CRC

該模塊的測試方法:人為給定其一串輸入數(shù)據(jù),通過modelsim仿真觀看其輸出結(jié)果,然后再與matlab計算出來的結(jié)果進行比較。

3.2 擴頻的硬件實現(xiàn)

經(jīng)研究,系統(tǒng)選用的Gold碼周期長度為1000,碼速率為2.5MHz和5MHz可調(diào)。m序列優(yōu)選對[4]為

其硬件實現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖5所示。由于使用的是截短的碼周期為1000的碼序列,因此當碼發(fā)生器產(chǎn)生1000個碼片后就要將移位寄存器的值設(shè)置為初始狀態(tài)值,而初始狀態(tài)值可以為全1,也可以為其他非全0值,并且在1 PPS的信號到來時將移位寄存器恢復(fù)成初始狀態(tài)值。最后,將數(shù)據(jù)幀信息與擴頻碼序列在1 PPS脈沖信號控制下進行異或運算,從而實現(xiàn)擴頻功能。

圖5 Gold序列硬件實現(xiàn)框圖Fig.5 Design of Gold based on hardware

圖6 是截短Gold碼的自相關(guān)仿真圖,橫坐標表示Gold碼的偏移量,縱坐標表示自相關(guān)值。從中可發(fā)現(xiàn)截取的1000個碼片具有良好的自相關(guān)性。

圖6 截短Gold碼序列自相關(guān)仿真波形Fig.6Autocorrelation of truncatedGold code

3.3 BPSK調(diào)制

系統(tǒng)采用AD9852實現(xiàn)BPSK調(diào)制。令A(yù)D9852工作在PSK模式,采用差分時鐘,頻率為10 MHz。對AD9852內(nèi)部寄存器的配置通過在FPGA中編寫的狀態(tài)機來控制實現(xiàn)。最后將擴頻數(shù)據(jù)調(diào)制到70 MHz的中頻輸出,輸出功率為-15 dBm,經(jīng)過低通濾波之后送到后級衛(wèi)通變頻設(shè)備。

4 系統(tǒng)仿真與測試

對整個基帶系統(tǒng)利用modelsim SE進行仿真,仿真結(jié)果如圖7所示。該仿真可以驗證數(shù)據(jù)裝幀的正確性,由于之前已單獨對CRC校驗進行了驗證,在此,將code-crc以及已知的輸入數(shù)據(jù)和幀頭數(shù)據(jù)按照圖3所示的數(shù)據(jù)幀格式進行組合,然后與mem1的數(shù)據(jù)進行比較,比較結(jié)果說明硬件實現(xiàn)的正確性。

圖7 基帶仿真結(jié)果總體圖Fig.7 Simulation results of baseband

Data-out是數(shù)據(jù)成幀后的輸出數(shù)據(jù),此信號同生成的Gold碼(Gold信號)進行異或完成擴頻,生成擴頻信號data-out2。這些動作都是在1 PPS信號控制下完成的?？梢钥匆幌轮虚g豎線的細節(jié),見圖8。當1 PPS信號到來時,crc以及擴頻單元才開始進行數(shù)據(jù)采集,從而保證動作的一致性。

圖8 基帶仿真結(jié)果細節(jié)圖Fig.8 Detail simulation results of baseband

此外,可使用QuartusII自帶的ELA工具對數(shù)據(jù)進行觀測,進一步驗證硬件實現(xiàn)結(jié)果,部分觀測結(jié)果如圖9所示。圖10是用頻譜儀觀測到的中頻輸出,頻譜儀設(shè)置如下:RBW設(shè)置為100 kHz、VBW設(shè)置為100 kHz、AVG設(shè)置為on,經(jīng)測試可得,其中頻輸出主瓣峰值功率為-15 dBm,中頻輸出頻率為70 MHz。

圖9 ELA測試結(jié)果Fig.9 ELA test results

圖10 中頻輸出頻譜Fig.10 The spectrum of IF

5 結(jié)束語

調(diào)制解調(diào)器是衛(wèi)星雙向時間傳遞系統(tǒng)的核心設(shè)備,本文設(shè)計完成了用于衛(wèi)星雙向時間傳遞系統(tǒng)的調(diào)制器,其功能結(jié)構(gòu)與一般的擴頻系統(tǒng)相似,但對1 PPS信號需要進行特殊處理。系統(tǒng)仿真測試結(jié)果表明,該調(diào)制器可以實際應(yīng)用,并已經(jīng)過實際試驗驗證。為與商用設(shè)備直接相連組成系統(tǒng),需要實現(xiàn)調(diào)制器的中頻輸出功率可調(diào),且需考慮實際系統(tǒng)中1 PPS信號的使用方式。同時,該調(diào)制器也為解調(diào)器的研制工作提供了一個良好的測試平臺,可進一步加快解調(diào)器的研制步伐。

[1]Kirchner D.T wo-Way Time Transfer Via Communication Satellites[J].Proceedings of the IEEE,1991,79(7):983-990.

[2]李宗揚.時間頻率計量[M].北京:原子能出版社,2002.LI Zong-yang.Metrology of time and Frequency[M].Beijing:Atomic Energy Press,2002.(in Chinese)

[3]葉懋,劉宇紅,劉橋.CRC碼的FPGA實現(xiàn)[J].重慶工學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版),2007,21(3):85-87.YE Mao,LIU Yu-hong,LIU Qiao.Implementation of CR C Based on FPGA[J].Journal of chongqing Institute of technology(Natural Science Edition),2007,21(3):85-87.(in Chinese)

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