中國電子科技集團公司第54研究所 趙 楠

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一種掃描饋源跟蹤接收機設(shè)計

中國電子科技集團公司第54研究所 趙 楠

【摘要】包括衛(wèi)星通信系統(tǒng)在內(nèi)，任何測控系統(tǒng)都可分為信道和跟蹤兩部分。由于衛(wèi)星通信系統(tǒng)的信道在空間是動態(tài)的，要完成通信任務(wù)，最基本的工作是實現(xiàn)對目標(biāo)的自動跟蹤。本文設(shè)計了一種掃描饋源跟蹤接收機，介紹了跟蹤系統(tǒng)的工作原理和主要設(shè)備組成，構(gòu)建仿真模型，并進行了工程實現(xiàn)，給出了實驗結(jié)果，驗證了方案的可行性。

【關(guān)鍵詞】掃描饋源；跟蹤接收系統(tǒng)；Matlab仿真

0.引言

自跟蹤接收系統(tǒng)將天線饋源處接收到的射頻微弱信號放大、變頻、濾波及角誤差檢測，隨后伺服利用此角誤差信息驅(qū)動電機，控制天線對準(zhǔn)目標(biāo)信號，實現(xiàn)對目標(biāo)信號的自動跟蹤，最終使雙向微波綜合信道達到最佳的通信效果。

在各種跟蹤系統(tǒng)中，單脈沖跟蹤精度最高，但是饋源較復(fù)雜，成本較高。本文設(shè)計的掃描饋源跟蹤接收機，由圓錐掃描跟蹤接收機延伸而來，饋源機械結(jié)構(gòu)實現(xiàn)較簡單，其跟蹤精度接近單脈沖跟蹤系統(tǒng)的跟蹤精度，適用于精度要求較步進跟蹤高、低成本應(yīng)用場合。

1.工作原理

掃描饋源跟蹤接收機原理和圓錐掃描類似，區(qū)別就在于掃描饋源跟蹤接收系統(tǒng)不需要機械轉(zhuǎn)動天線副面或主面，而是通過切換和天線振子相連的放大器來實現(xiàn)波束傾斜，使其偏離天線視軸一個角度，并使其繞天線視軸旋轉(zhuǎn)，當(dāng)衛(wèi)星偏離視軸時，接收通道收到的信號與原始信一號相比就附加了一個與波束切換頻率相同的幅度調(diào)制，調(diào)制幅度近似正比于衛(wèi)星視線軸與天線視軸之間的夾角；跟蹤接收機檢測出誤差信號，送給伺服系統(tǒng)驅(qū)動天線向調(diào)制信號最小方向移動。當(dāng)天線視軸指向衛(wèi)星時，天線視軸與衛(wèi)星視線軸完全重合，調(diào)制信號為零。

饋源采用五振子的形式。中間的振子提供和信號，周圍四振子用于角誤差跟蹤。振子排布及對應(yīng)圓錐掃描位置關(guān)系見圖1。

圖1　饋源示意圖

圖2　掃描幾何關(guān)系圖

圖2是描述掃描的幾何關(guān)系圖。通過目標(biāo)T做垂直于等信號軸的平面，它與等信號軸的交點為O，B點為t時刻波束最大值方向與平面的交點，圓周為波束中心B點運動軌跡，ε為誤差角，δ為波束偏角，θ為波束中心線與視線夾角，R為天線到衛(wèi)星的距離。

在跟蹤情況下，ε、δ、θ都很小，顯然OT≈ Rε、OB≈ Rδ、TB≈Rθ，用余弦定理可得：

設(shè)天線方向性圖為F（θ），接收信號的電壓振幅為：

式中，K為比例系數(shù)。

在δ處將上式展開泰勒級數(shù)，不計高階項，則有：

（4）式經(jīng)過濾波去直流后，輸出交流分量即誤差信號，把誤差信號加到誤差解調(diào)器，與正交基準(zhǔn)信號和分別相乘，取差頻分量，可得：

2.系統(tǒng)組成

圖3　跟蹤接收系統(tǒng)組成框圖

圖3中，S1-S4代表天線四個饋源振子，這四個振子接收下來的信號分別經(jīng)過濾波、同步放大、移相、合成濾波后，最終合路后進入跟蹤接收機進行解調(diào)。跟蹤過程中，接收機產(chǎn)生的同步控制掃描信號依次對四路信號進行通斷控制，一個掃描周期內(nèi)就可以同步解調(diào)出天線與衛(wèi)星的角誤差信息，從而驅(qū)動天線朝誤差減小的方向移動。

電子波束掃描饋源組件組成如圖4所示。

圖4　饋源組件組成圖

如圖4所示，饋源組件的四個通道的輸入分別為四個饋源喇叭S1～S4，四路信號經(jīng)過放大及衰減、移相之后，進入開關(guān)控制模塊，最終由合路器合成一路信號輸出至跟蹤接收機。

其中波束掃描由跟蹤接收機控制，跟蹤接收機輸出兩個方波控制信號T1、T2，組成四個狀態(tài)，分別對應(yīng)S1、S2、S3、S4斷開而其余通道通路，從而形成波束掃描。

跟蹤接收機包含下變頻器和跟蹤解調(diào)終端，天線接收的L/S波段信號，經(jīng)下變頻后產(chǎn)生70MHz中頻信號送至跟蹤解調(diào)終端，解調(diào)輸出AGC電壓信號和一組大小與天線偏離目標(biāo)角度成正比的誤差電壓，伺服系統(tǒng)根據(jù)誤差電壓驅(qū)動天線跟蹤目標(biāo)。

下變頻器主要把天線接收下來的射頻信號變成70MHz中頻信號，送給跟蹤解調(diào)單元進行處理。70MHz中頻信號經(jīng)AD采樣后，送入FPGA數(shù)字處理單元，實現(xiàn)單載波信號及窄帶信號的FFT變換和捕獲跟蹤，寬帶信號的檢波，提取出AGC控制電平和角誤差電壓。

跟蹤解調(diào)終端主要由A/D變換器、數(shù)字下變頻器、超大規(guī)模現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）、單片機等組成，由ARM與上位機通過CAN總線進行通信，并控制顯示等。

3.仿真與實現(xiàn)

中頻信號仿真模型是利用Matlab中的數(shù)字信號處理模塊來設(shè)計的，分為單載波信號和寬帶信號的處理。

跟蹤單載波跟蹤信號時用數(shù)字鎖相環(huán)捕獲載波信號，由I、Q兩路信號提取輸入信號的幅度信息。圖5是單載波跟蹤方式的跟蹤仿真框圖。

圖5　單載波跟蹤仿真框圖

接收單載波跟蹤信號時，70MHz中頻信號經(jīng)濾波器、可控增益放大器后，被送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D），轉(zhuǎn)換為數(shù)字中頻信號。

數(shù)字中頻信號與數(shù)控振蕩器（NCO）產(chǎn)生的數(shù)字正交信號分別進行數(shù)字混頻，經(jīng)過數(shù)字低通濾波，得到I、Q兩路正交數(shù)字信號。經(jīng)過FFT處理，獲取數(shù)據(jù)的頻譜信息，并估算出多普勒頻率，引導(dǎo)鎖頻鎖相環(huán)輸出頻率控制碼控制NCO輸出，實現(xiàn)快速載波頻率引導(dǎo)及跟蹤。

數(shù)字信號經(jīng)過下變頻、濾波，得到I、Q兩路正交數(shù)字信號。正交下變頻的一個支路作為鑒相相差，然后進行積分、環(huán)路濾波得到NCO控制量，構(gòu)成數(shù)字鎖相環(huán)。數(shù)字鎖相環(huán)的工作原理和模擬鎖相環(huán)相似，也包含三個基本組成部分：數(shù)字鑒相器（DPD）、數(shù)字環(huán)路濾波器（DLF）、和數(shù)控振蕩器，實現(xiàn)對載波信號的快速捕獲與跟蹤。由I、Q兩路信號提取輸入信號的幅度信息。環(huán)路鎖定后，然后通過相干解調(diào)，分離出方位和俯仰誤差信號。

寬帶信號跟蹤方式下，利用檢波的方法解算出信號功率，再與基準(zhǔn)信號做相干解調(diào)，解算出差信號。圖6是寬帶信號跟蹤方式的跟蹤仿真框圖。

圖6　寬帶信號跟蹤仿真框圖

中頻解算的數(shù)字信號處理主要由FPGA實現(xiàn)，采用Xilinx公司的Virtex-5系列芯片XC4VSX95T，F(xiàn)PGA部分的設(shè)計主要包括數(shù)字采樣與數(shù)字下變頻設(shè)計、頻率引導(dǎo)捕獲、數(shù)字AGC、AFC 與跟蹤算法設(shè)計、同步解調(diào)、相位校正等。

圖7　幅度與載噪比收斂曲線

模擬信號載噪比為43dB，圖7、圖8是其仿真計算結(jié)果。仿真時間為500ms，采樣頻率為31.111111MHz/32，采樣點數(shù)為486112個點。如圖6所示仿真結(jié)果，信號載噪比C/N0=43 dB，頻偏為100kHz情況下，鎖相環(huán)鎖定時間在50ms左右。隨著信噪比的下降，鎖定時間加長。圖7為鎖定后，仿真計算的信號幅度和載噪比，圖8為鎖定后，仿真計算的方位誤差和俯仰誤差。仿真結(jié)果證明了算法的正確性。

圖8　方位差與俯仰差收斂曲線

跟蹤接收單元是1U標(biāo)準(zhǔn)機箱，內(nèi)置電源轉(zhuǎn)換模塊、基于ARM的嵌入式單板、顯示及按鍵、變頻模塊、跟蹤解調(diào)中端等，如圖9所示。

圖9　機箱布局及實物圖

4.系統(tǒng)測試

為了測試掃描饋源跟蹤接收機的實際性能，搭建測試系統(tǒng)，對衛(wèi)星測試。

圖10　跟蹤接收機測試方框圖

如圖10所示，將接收機接入天饋伺系統(tǒng)，跟蹤接收單元通過CAN接口和上位機通信，OLED顯示屏可以觀察接收機上報狀態(tài)參數(shù)，同時可以通過機箱鍵盤對參數(shù)進行設(shè)置。

聯(lián)試中，分別對E87.5°星和E103°星的信標(biāo)信號和約1MHz帶寬的調(diào)制信號進行了對星測試，分別將天線方位軸、俯仰軸以拉偏半功率波束寬度，可以看到方位、俯仰誤差值線性變化，交叉耦合小于1/5，能夠滿足跟蹤要求。

5.結(jié)束語

本文設(shè)計的掃描饋源跟蹤接收機，饋源實現(xiàn)相對簡單，不需要天線機械結(jié)構(gòu)進行掃描轉(zhuǎn)動，適用于有一定跟蹤精度要求的應(yīng)用場合，中頻數(shù)字信號處理大大提高了跟蹤接收機的性能，經(jīng)驗證能夠滿足工程要求。

參考文獻

［1］丁鷺飛.雷達原理［M］.西安：西北電訊工程學(xué)院出版社，1984.

［2］季鴻宇.船載衛(wèi)星通信地球站的圓錐掃描技術(shù)［D］.南京郵電大學(xué)，2006.

作者簡介：

趙楠（1983—），女，中國電子科技集團公司第54研究所工程師，主要研究方向：數(shù)字信號處理。