统一S频段测控系统残余载波快速捕获方法.pdf

V 0 1 2 3N o 4航天器工程 第2 3 卷第4 期 6 2 S P A C E C R A F TE N G I N E E R I N G2 0 1 4 年8 月 统一S 频段测控系统残余载波快速捕获方法 陈茹梅刘齐单琦张丽 ( 航天恒星科技有限公司，北京 1 0 0 0 8 6 ) 摘要针对统一S 频段( U S B ) 测控系统中低信噪比、大频偏残余载波捕获速度慢的情况，提 出一种残余载波快速捕获方法。根据残余载波的频域幅值特性，采用频域搜索的方法，进行快速傅 里叶变换( F F T ) 频率估计，并使用现场可编程门阵列( F P G A ) 结合芯片外部同步动态随机存储器 ( S D R A M ) 的方法，使残余载波在较低信噪比、大频偏的情况下被快速、准确捕获，可解决因F P G A 片内资源有限而出现的大量数据存储缓慢问题。利用X i l i n x 的V e r t i x4 系列F P G A 芯片在系统 时钟频率为1 1 0M H z 时对文章提出的方法进行验证。结果表明，该方法载波捕获精度高，系统稳 定可靠。此方法已成功应用于卫星地面测控综合基带设备中。 关键词统一S 频段测控；残余载波；信噪比；频偏 中图分类号：T N 9 1 9文献标志码：AD O I ：1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 6 7 3 8 7 4 8 2 0 1 4 0 4 0 1 1 Q u i c kA c q u i s i t i o nM e t h o do fR e s i d u a lC a r r i e ri nU S BT T & CS y s t e m C H E NR u m e iL I UQ i ( S p a c eS t a rT e c h n o l o g yC o S H A NQ iZ H A N GL i L t d ，B e i j i n g1 0 0 0 8 6 ，C h i n a ) A b s t r a c t ：Am e t h o do fr e s i d u a lc a r r i e ra c q u i s i t i o ni sp r o p o s e di nt h i sp a p e rf o ri m p r o v i n gt h ec a p t u r es p e e di nU S BT T & Cs y s t e me v e ni ft h es y s t e mh a sl o wS N Ra n dl a r g ef r e q u e n c yo f f s e t B a s e do nt h ef r e q u e n c ya m p l i t u d ec h a r a c t e r i s t i c0 ft h er e s i d u a lc a r r i e r ，b yu s i n gt h em e t h o do f f r e q u e n c yd o m a i ns e a r c h ，F F Tf r e q u e n c ye s t i m a t i o n ，a n dt h eF P G Am e t h o da n dc o m b i n e dw i t h t h eo u t s i d eo ft h ec h i pS D R A M ，t h er e s i d u a lc a r r i e ro fl o ws i g n a l - t o - n o i s er a t i oa n dl a r g ef r e q u e n c y o f f s e tc a nb eq u i c k l ya n da c c u r a t e l yc a p t u r e d ，a n dt h ep r o b l e mo fl o ws t o r a g eo fm a s sd a t ad u et O r e s o u r c el i m i ti nF P G Af i l mc a nb es o l v e d T h em e t h o di sv e r i f i e db yu s i n gX i l i n xV e r t i x4F P G A i n 1 IO M H zs y s t e mc l o c k T h er e s u l t ss h o wt h a tt h ec a r r i e ra c q u i s i t i o no fh i g h l yp r e c i s e ，s t a b l e a n dr e l i a b l es y s t e m T h em e t h o dh a sb e e ns u c c e s s f u l l ya p p l i e dt ot h es a t e l l i t eg r o u n dc o n t r o li n t e g r a t e db a s e b a n de q u i p m e n t K e yw o r d s ：U S BT T & C ；r e s i d u a lc a r r i e r ；S N R ；f r e q u e n c yo f f s e t 1引言 统一S 频段( U S B ) 测控系统是我国航天领域建 成的地基测控系统，它可支持地球同步轨道、中低地 球轨道航天器等测控任务，满足当前或今后很长时间 内大多数航天任务的需求，即使我国建成自己的天基 测控网，地基U S B 系统仍然是很重要的测控手段 1 。 在U S B 测控系统中，残余载波与其他调制信号 同相，残余载波捕获有助于解调端载波及其他信号 的同步和跟踪，具有重要作用 2 。目前，对解调过程 中频偏的估计和矫正，已有较成熟的算法，如锁相环 收稿日期：2 0 1 3 一1 1 0 5 ；修回日期：2 0 1 4 一0 1 1 3 基金项目：国家重大航天工程 作者简介：陈茹梅，女，工程师，从事卫星遥测遥控研究和调制解调器设计工作。E m a i l ：g u o j i a n s h u o g m a i l c o r n 。 万方数据 第4 期 陈茹梅等：统一S 频段测控系统残余载波快速捕获方法 ( P L L ) 法、自动频率控制( A F C ) 法和频率估计法L 3 j 。 由于中频信号中含有多普勒频移，P L L 、A F C 或一些 适用于中高数据速率的估计法，已不能完成低信噪 比、大频偏情况下的快速捕获任务，也无法满足捕获 范围较宽的条件，因此需要新的方法解决这个问题。 对于U S B 测控系统信号的频谱，在调制度并不 很大时残余载波的幅度是最大的，因此可以利用这 种特性来提取载波的频率值；同时，测控信号的频谱 在频域上是对称分布的，也可以根据这个对称的结 构估计出中心频率，即载波的频率值 4 。不过，这种 方法通常速度较慢，数据的存储量较大，要占用大的 硬件资源。根据频率对称的特性，文献E 5 7 以快速傅 里叶变换( F F T ) 和离散傅里叶变换( D F T ) 相结合的 方法来判定载波的频率，这种方法的分辨率低，捕获 范围窄，不能同时满足宽捕获范围和快速捕获的特 性。文献E 6 2 中提出的U S B “双捕”方法“随扫 斜率”判决法，基于直接数据合成( D D S ) 器件实现扫 频，不过，这种方法与大规模的现场可编程门阵列 ( F P G A ) 相比不具有实现上的优越性，并且双捕门 限的设置准确度直接影响捕获结果的准确性。 本文提出一种低信噪比载波快速捕获方法，可克 服现有技术的不足。它在满足通用测控信号调制度特 性的基础上，对数据进行两级累加降采样处理；使用 H 叮频率估计法，在降低数据存储点数的同时，提高信 噪比，可以在较低信噪比情况下进行准确的捕获；同时 采用F P G A 与片外同步动态随机存储器( S 【) 删) 相 结合的硬件处理方式 7 ，提高数据存储量。 2捕获方法 2 1 总体思路 本文方法采用两级数字控制振荡器( N C O ) 处理 方式：第一级N C O 产生与输入数据载波频率相同的 C O S 支路数据；第二级N C O 本振频率可变，产生两路 正交数据与数据缓存器输出的数据相乘，以增大频率 捕获范围，并解决以往扫频处理法中需要多次存储数 据的问题。每级N C O 后均有一个滤波器，用于滤除 高频分量。结合硬件资源，对第一级N C O 输出的数 据采用半带滤波器进行滤波，半带滤波器虽然具有过 渡带宽的缺点，但是占用资源小；对第二级N C O 输出 的结果进行F F T 处理，由于对信噪比要求较高，因此 F F T 处理之前采用低通滤波器( L P F ) 滤波，L P F 虽然 占用资源大，但是性能较好。为了解决以往因F P G A 片内资源有限而出现大数据量存储的问题，本文使用 F P G A 结合外部S D R A M 的方法，将参与F F T 运算 的大量数据通过先入先出( F I F O ) 数据缓存器存储到 片外的S D R A M 中，这样也能提高捕获速度和捕获精 度。将F I F O I N 和F I F O O U T 两个模块作为F P G A 与S D R A M 通信的接V I ，数据通过F I F O I N 模块存 入外部S D R A M 中，并通过F I F O O U T 模块读出 S D R A M 中的存储数据。为了提高捕获的准确度，对 S D R A M 输出的数据进行九次F F T 处理。图1 为捕 获方法的原理框图。图1 中各支路的数学模型如下， 其中k 。，k 。，k 。均为常数。 共处理，z 次 注：n ( ) 为输入数据；6 ( 幻为第一级N C O 产生数据；s ( ) 为经过半带滤波器后的数据；C l ( f ) 和f Q ( ) 为第二级N C O 产生的数据；d l ( f ) 和d Q ( ) 为从F I F O O U T 读出的数据与第二级N C O 产生的两路正交数据相乘的两路数据，它们经第二累加降采样后的输出分别为O I 和 O q ；n 为F F T 处理次数。 图1 原理框图 F i g 1 B l o c kd i a g r a mo ff u n c t i o n 万方数据 6 4航天器工程2 3 卷 输人数据的表达式为 n ( ) 一是ls i n G o 。t + d e t ) ( 1 ) 式中：叫。为输入数据的中心角频率；叫拟为角频偏。 第一级N C O 产生的数据为 6 ( ) 一是2C O S ( 叫。) ( 2 ) 两者相乘后的结果为 n ( ) 6 ( ) 一点ls i n G o 。t + ( c J 妇) 走2 c o s ( c o 。) 一 妻忌l 忌2 s i n ( 2 c o 。t + c c J d e t ) + s i n G o d e t ) ( 3 ) 厶 经过半带滤波器后，滤除高频分量，输出为 1 s ( ) 一k 1 忌2s i n ( o ) d e t ) ( 4 ) 厶 第二级N C O 产生的两路正交数据见式( 5 ) 和 式( 6 ) 。 c 1 ( f ) 一走3 c o s ( p t ) ( 5 ) C Q ( ) 一点3 s i n ( 1 9 0 t ) ( 6 ) 式中：p 为第二级N C O 的本振载波角频率，是可变的。 经过第一累加降采样后，数据通过F I F O I N 模 块存人外部S D R A M 中，从F I F O O U T 模块读出的 数据与第二级N C O 产生的两路正交数据相乘，得 d I ( ) 一s ( ) C I ( ) 一 1 志1 是2 忌3 - s i n ( c o d