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        便攜式衛(wèi)星通信地球站手動對星系統(tǒng)設(shè)計

        2016-08-08 07:54:26中國電子科技集團公司第五十四研究所張鵬宗
        電子世界 2016年13期
        關(guān)鍵詞:數(shù)字濾波

        中國電子科技集團公司第五十四研究所 張鵬宗

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        便攜式衛(wèi)星通信地球站手動對星系統(tǒng)設(shè)計

        中國電子科技集團公司第五十四研究所 張鵬宗

        【摘要】針對便攜站手動對星過程存在的耗時長、精度差以及操作要求高的問題,設(shè)計集成了一套對星系統(tǒng)以便利對星實現(xiàn)。該系統(tǒng)以數(shù)字化中頻解調(diào)為基礎(chǔ),基于FPGA完成信標(biāo)樣值時頻域處理并提取信標(biāo)強度、鏈路頻偏等信號特征,基于嵌入式處理器完成圖形化界面下的對星參數(shù)控制和結(jié)果顯示,其人機交互界面方便友好可借助PDA通過IE瀏覽器靈活訪問。實踐證明,該系統(tǒng)使得更輕巧的手動便攜站達到了自動便攜站的對星精度和接近的對星時間和方便程度,顯著提升了通信效能。

        【關(guān)鍵詞】便攜站;手動對星;級聯(lián)抽??;頻譜泄露;數(shù)字濾波

        0 引言

        便攜式衛(wèi)星通信地球站(簡稱便攜站)在具備傳統(tǒng)衛(wèi)星通信不受地理位置和距離限制、業(yè)務(wù)承載靈活多樣等優(yōu)勢的同時,因其體積小、重量輕、易于攜帶在自然條件惡劣的應(yīng)急通信以及軍事通信中發(fā)揮著越來越重要的作用。

        根據(jù)對星方式的不同,便攜站分為手動對星便攜站和自動對星便攜站。相比自動對星站型,手動對星便攜站因為不需要天線伺服系統(tǒng)和跟蹤接收機,在重量、體積、成本、功耗和環(huán)境適應(yīng)性方面具有一定的使用優(yōu)勢,但在手動調(diào)整天線對星的過程中普遍存在對星耗時長、對星精度差的問題,限制了通信鏈路的建立速度,制約了其通信效能的發(fā)揮。

        為提升手動對星便攜站通信效能特別是在野外機動和應(yīng)急通信中的表現(xiàn),本文設(shè)計集成了一套對星系統(tǒng)以便利對星實現(xiàn)。該系統(tǒng)以FPGA和嵌入式處理器為核心,綜合運用數(shù)字化中頻解調(diào)、多抽樣率數(shù)字處理和頻譜分析等技術(shù)分析處理信標(biāo)樣值信息,人機交互界面方便友好可實時顯示對星效果。

        1 系統(tǒng)設(shè)計考慮

        手動對星是以手動方式調(diào)整衛(wèi)星通信天線使其主波束中心對準(zhǔn)要與之通信的衛(wèi)星并建立通信信道的過程。具體操作時一般首先利用GPS或北斗等專用工具獲取接收天線的地理坐標(biāo)(經(jīng)緯度),其次根據(jù)天體對星理論公式[1]計算對星天線方位和俯仰的理論角度,然后在手動調(diào)整過程中利用機械羅盤不斷讀取天線當(dāng)前的實際指向(方位角和俯仰角)并與計算值比較,若兩者相等則天線對準(zhǔn)衛(wèi)星。

        傳統(tǒng)手動對星方式因磁偏角的存在和機械羅盤受環(huán)境影響存在讀取誤差,其實際對星值與精確對星值之間存在一定的偏差,普遍存在對星耗時長、對星精度差的問題。針對這一問題,引入衛(wèi)星跟蹤信號作為系統(tǒng)反饋,利用衛(wèi)星信號強度隨天線指向誤差增加而減小的特征,通過實時采集和處理可使天線更快速、更準(zhǔn)確地指向衛(wèi)星。

        目前衛(wèi)星提供給地球站跟蹤的信號主要有信標(biāo)和載波兩種形式。信標(biāo)信號是衛(wèi)星上發(fā)射的一個頻率和幅度都固定的點頻信號,自衛(wèi)星發(fā)射成功至壽命終結(jié)始終不間斷工作,可靠穩(wěn)定利于跟蹤;載波信號是衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的、具有一定帶寬且適合接收機解調(diào)的信號,需要預(yù)置工作頻率和載波速率等參數(shù),易于捕獲。

        考慮到載波信號方式下解調(diào)同步需要幾秒到幾十秒的時間對信號強度的反饋較慢,且當(dāng)載波信號不轉(zhuǎn)發(fā)或消失時需要更新接收參數(shù)才能使用無法實時跟蹤不適合應(yīng)急通信的應(yīng)用,因此便攜站手動對星系統(tǒng)以信標(biāo)為目標(biāo)信號展開設(shè)計。

        2 系統(tǒng)原理框圖

        手動對星系統(tǒng)以硬件共享、軟件重載的形式集成于實裝便攜站型上,由變頻鏈單元、低中頻采樣單元、信標(biāo)分析處理單元和人機交互單元組成,如圖1所示。

        圖1 手動對星系統(tǒng)組成

        變頻鏈單元完成L或C中頻信號到定點450MHz的下變頻以及對應(yīng)信號的功率調(diào)整;低中頻采樣單元完成變頻鏈模塊與AD芯片間的接口適配和信標(biāo)信號的實時采樣,該單元結(jié)合數(shù)字處理技術(shù)可實現(xiàn)數(shù)字化中頻解調(diào),有效降低了變頻鏈單元的設(shè)計難度和規(guī)模;信標(biāo)分析處理單元基于FPGA硬件實現(xiàn),主要完成數(shù)字化正交解調(diào)、抽取濾波、頻譜分析和信標(biāo)特征值(信噪比/頻偏/電平)提取等功能,同時解析對星控制參數(shù)完成變頻鏈單元的接收頻率和通道增益調(diào)整;人機交互單元基于嵌入式處理器MPC8270實現(xiàn),主要完成圖形化界面下的對星參數(shù)計算、下發(fā)以及對星結(jié)果顯示,用戶界面方便友好,可借助PDA通過IE瀏覽器靈活訪問。

        3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

        手動對星系統(tǒng)軟件主要由級聯(lián)抽取濾波、頻譜分析、數(shù)字濾波和人機交互界面四部分組成,是對星參數(shù)控制和信標(biāo)樣值處理的核心。

        3.1級聯(lián)抽取濾波

        針對采樣時鐘和處理時鐘近千倍的采樣率變化,采用多級級聯(lián)抽取濾波可以更有效地進行采樣率變換,大大降低總的計算量和存儲要求,減輕抗混疊濾波器的設(shè)計難度。參考多級抽樣率變換器的設(shè)計步驟[2],以減少計算量為目標(biāo)確定了抽取因子分別為8、8和16 的3級級聯(lián)抽取結(jié)構(gòu),具體實現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

        圖2 級聯(lián)抽取濾波器實現(xiàn)結(jié)構(gòu)

        特別地,第一級抽取濾波器階數(shù)要盡可能取的高,保證以較小的通帶和較大的阻帶抑制過濾無用噪聲,維持信標(biāo)信號采樣信噪比。

        3.2頻譜分析

        信標(biāo)頻譜分析基于FFT實現(xiàn),綜合考慮估計精度、運算量、刷新周期等要求確定FFT處理長度為2048點,具體過程如圖3所示。由于FFT處理過程會引入能量泄露[3]和柵欄效應(yīng)[3],如果處理不好將使估計結(jié)果與實際值間出現(xiàn)較大偏差,因此具體實現(xiàn)過程采取了針對性措施:對采樣數(shù)據(jù)進行改進漢明窗截斷,抑制旁瓣泄露,改善頻譜的幅值估計精度;改進漢明窗會展寬過渡帶,影響下行鏈路頻偏估計精度,故在峰值搜索的基礎(chǔ)上引入雙線幅度Rife插值[4]算法提高頻偏估計精度;在峰值搜索基礎(chǔ)上,根據(jù)主瓣寬度確定主要功率頻譜分量并求和校準(zhǔn)信標(biāo)功率,主瓣帶外頻譜分量統(tǒng)計平均記為底噪,依據(jù)校準(zhǔn)信標(biāo)功率和底噪計算相應(yīng)信噪比作為信標(biāo)強度輸出。

        圖3 信標(biāo)頻譜分析過程

        3.3數(shù)字濾波

        數(shù)字濾波采用限幅濾波和加權(quán)遞推平均濾波級聯(lián)方式實現(xiàn)。前者基于一定處理周期下的經(jīng)驗判斷,確定兩次采樣值的最大允許偏差,一旦新舊樣值的偏差超過該允許值即丟棄新值,該濾波方式可有效克服脈沖干擾的影響;后者對不同時刻的樣值給予不同的權(quán)值,其中舊樣值統(tǒng)一給予小權(quán)值、新樣值獨立給予大權(quán)值,在一定程度上抑制周期性干擾的同時可大幅提升系統(tǒng)靈敏度。

        數(shù)字濾波針對信標(biāo)特征樣值以純軟件的方式實現(xiàn)處理帶寬內(nèi)的干擾抑制,不需要外加硬件,可靈活修改濾波參數(shù),是級聯(lián)抽取濾波的有益補充,可顯著提高信標(biāo)信號的測量精度和響應(yīng)速度。

        3.4人機交互界面

        人機交互界面通過嵌入式系統(tǒng)的webServer代理功能,實現(xiàn)用戶前臺數(shù)據(jù)的接入、解析及響應(yīng),給用戶提供可視化的操作界面。用戶可通過IE瀏覽器直接登錄訪問人機交互界面設(shè)置對星參數(shù)并獲取對星結(jié)果,相應(yīng)設(shè)置和顯示界面如圖4所示。

        圖4 手動對星人機交互界面

        4 系統(tǒng)性能測試

        系統(tǒng)性能測試配置天線為0.9m、Ku頻段拋物面天線,首先借助頻譜儀完成天線對星此時信標(biāo)接收電平為-66dBm,然后控制衛(wèi)星天線處于不同初始狀態(tài),記錄手動調(diào)整天線開始至界面顯示信標(biāo)強度最大這一過程時間和信標(biāo)強度最大時頻譜儀顯示信標(biāo)電平值,完成對星時間和對星精度測試,測試結(jié)果如表1所示。

        表1 手動對星系統(tǒng)性能測試

        5 結(jié)束語

        實踐證明,在衛(wèi)星天線機械特性良好的情況下,使用本文設(shè)計的手動對星系統(tǒng)平均對星時間可縮短到2.5mins以內(nèi),對星精度較頻譜儀輔助方式誤差小于1dB,很好地解決非專業(yè)人員現(xiàn)場開通不易的問題,同時與信標(biāo)強度同步獲取的鏈路頻偏和衰減可加速入網(wǎng)進程,極大地提高了便攜站在應(yīng)急通信保障中的通信效能。

        參考文獻

        [1]呂海寰,蔡劍銘,甘仲民等.衛(wèi)星通信系統(tǒng)[M].北京:人民郵電出版社,1988.

        [2]Emmanuel C.Ifeachor,Barrie W.Jervis著.羅鵬飛,楊世海,朱國富,譚全元等譯.數(shù)字信號處理實踐方法(第二版)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2004.

        [3]丁玉美,高西全.數(shù)字信號處理[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2005.

        [4]Rife D C,Vin cent G A.Us e of the discrete Fourier transform in the measurement of frequencies and levels of tones[J].Bell Syst.Tech. J.,1970,49:197-228.

        作者簡介:

        張鵬宗(1984—),男,碩士研究生,工程師,研究方向:衛(wèi)星通信、數(shù)字信號處理。

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