宽带遥测信号非相干角误差解调研究

2010-06-13张新社刘胜利张明焕

无线电工程 2010年8期

张新社,刘胜利,张明焕

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北石家庄050081;2.北京跟踪与通信技术研究所,北京100094;3.中国卫星发射测控部,北京100720)

0 引言

随着测控技术的发展,要求地面测控设备能够直接对宽带下行遥测信号(例如调制方式为FSK、BPSK或QPSK,信号带宽高达400MHz以上)进行非相干角误差解调,国内以往的类似方案在信噪比S/N＜0 dB时跟踪方差较大,不能满足系统跟踪灵敏度要求。据此设计了一种双通道非相干角误差解调方案,本方案的特点是利用小部分带宽内信号提取角误差电压,同时能够很方便地调整相位和时延,具有很高的跟踪灵敏度,而且应用范围广泛。

1 角误差解调方案

天线下来2路信号:和路信号与差路信号,其中差路信号包含方位差信号和俯仰差信号。2路信号分别经过场放、下变频、中放后,经窄带滤波器截取部分带宽内信号,经AD采样后在FPGA上进行数字化处理。双通道非相干角误差解调方案框图如图1所示。

图1 双通道非相干角误差解调方案框图

首先,利用NCO对和路信号进行同相下变频,对差路信号进行同相、正交2路下变频,做下变频处理时并没有把信号变为零中频,而是变到一个较低的频率,主要目的是为了利用本地NCO调整和、差通道之间的相位差,然后利用FPGA内的D触发器做延迟电路对信号时延进行调整,最后利用和路信号分别与2路正交的差路信号进行相关处理,得到方位电压和俯仰电压。

2 系统校正及中频带宽选择

2.1 和差支路相位校正

和、差支路相位校正过程与其他常规双通道校相过程一致,首先使天线对准塔上信标机或应答机,使天线俯仰角从初始零点偏离一个角度,同时方位角对准零点,采集差通道的正交两支路数据x(k)、y(k),做数学运算可求得和差通道俯仰支路相差Δφ 1,通过调整NCO正交支路的相位消除和差通道俯仰支路相位差 Δ φ 1;同理,使天线方位角从初始零点偏离一个角度,同时俯仰角对准零点,采集差通道的正交两支路数据x(k)、y(k),做数学运算可求得和差通道俯仰支路相差Δφ 2,通过调整NCO同相支路的相位消除和差通道方位支路相位差Δφ 2。

系统进行相位校正主要是通过调整NCO相位实现,下面对NCO误差进行分析。NCO主要由频率控制字,相位累加器,正、余弦表组成。频率控制字FKW输入到一个 32位的累加器,累加器输出高10位数据作为ROM表的地址,查表输出正、余弦2路信号,NCO的原理框图如图2所示。

图2 NCO原理框图

NCO相位累加值是 32位的,采样频率fs=56 MHz,频率输出表达式为:

由上式可以得到最小频率步进量为:

NCO输出信号的步进量只有0.013 Hz,这在传统的频率合成技术中是很难做到的。NCO相位累加截断会导致输出信号的相位抖动,相位字长度N=32 bit,截断位长为B=32-10=22 bit,则有 :存在相位截断的NCO输出信噪比优于6.02×(NB)=6.02×(32-22)=60.2 dB,并且杂散信号分散到较多的频率上,因此NCO输出的频谱纯度满足一般系统要求。

2.2 和、差通道时延校正

和支路插入M组串联D触发器,差支路插入N组串联D触发器,D触发器时钟为fd,则经过一级D触发器所产生的时延为ΔT=1/fd。

时延调整流程为:首先,和支路设置固定延时ΔT,依次调整差支路1～N个时延,得到N个角误差积分值的绝对值VN,记录最大值Vmax1以及所对应的时延Nmax;其次,差支路设置固定延时ΔT,依次调整和支路1～M个时延,得到M个角误差积分值的绝对值VM,记录最大积分值Vmax2以及所对应的时延Mmax;最后,比较Vmax1和Vmax2的值,取二者中的大者,以及所对应的时延量,设置相应支路的D触发器插入个数,完成时延校正。

2.3 中频窄带滤波器带宽选择

下行遥测信号的频带很宽,可以达到400 MHz以上,取其部分带宽即可完成角误差提取,中频窄带滤波器带宽的选择应考虑以下因素:

①中频带宽内的载波谱线根数不能太少。少于2根就提取不出角误差信号,载波根数太少,等效接收信号电平低,为了保证振幅检波电平,接收机增益要提高;

②载波谱线间距为Δf=1/(Δ×P),Δ为PN码元宽度,P为码长。例如P=1 024位,对于数据速率400Mbps的下行信号,Δf=1/(Δ×P)≈390 kHz。信号频谱带宽为400 MHz,主瓣内有P根(1 024)根谱线,若中频带宽取1 MHz,那么带内只有两根谱线。若取40 MHz带宽,带内有102根谱线,截取带宽约为信号带宽的1/10;

③如果系统的码速率变化太大,例如从几百kHz到几百MHz变化,则可以考虑利用滤波器组分档实现。