方水汛，杨述华，孟明珠，孙 欣，杜 玲

全相参数字化连续波应答机的FPGA实现*

方水汛1，杨述华2，孟明珠1，孙 欣1，杜 玲1

（1 北京遥测技术研究所 北京 100076 2 火箭军装备部驻北京地区第二军事代表室 北京 100076)

基于宽带AD、DA以及FPGA的数字化平台，对连续波应答机的接收解调以及相参转发方案作了详细介绍。对于主载波采用FFT实现快速捕获，二阶锁频环辅助三阶锁相环实现精确跟踪。测试结果表明，相参连续波应答机测速精度可以达到0.01m/s，测距精度可以达到1m。

连续波应答机；数字化平台；全相参；高精度测量

引 言

连续波应答机设备转发主要有三种体制：相参体制、非相参体制及相参非相参结合的混合体制[2]。全相参体制是三站都以相参的方式进行测量，测速定位精度较高。但是应答机设备复杂，模拟化平台锁相环以及倍频链较多，三路之间容易互相干扰，体积、功耗、重量较大，不符合通常的航天产品“上宽下严”的原则，所以目前采用较少。非相参体制虽然精度低，但是应答机设备简单，适合于中精度系统应用。而对于混合体制，通常来说其中一站为相参，其他两站为非相参，这样设备结构简单，相参站实现高精度测量，而非相参站采用抵消技术实现双向相参测速，精度也较高，目前大部分设备采用该种体制。

随着航天任务需求的发展，应答机也朝着小体积、轻重量、低功耗、高精度的方向发展，所以数字化平台正逐渐替代原有的模拟化平台，成为连续波应答机的优选方案。数字化平台的应用也解决了全相参体制设备复杂、三站信号相互干扰的问题，使全相参高精度测量的应用成为可能。本文基于高速AD、DA以及FPGA软件无线电数字处理平台，采用主载波粗捕获转细跟踪，然后相参转发，实现全相参连续波应答机的高精度测量。

1 连续波应答机测量原理

1.1 测距测速体制

连续波应答机采用音码混合与扩频体制，由PN码对低速率的解模糊码进行扩频，解模糊码的码元时间宽度等于PN码的重复周期，PN码再对1MHz高侧音进行BPSK调制，调制后的高侧音对载波进行调相。主载波用于测速，PN码主要利用地面站发射与接收相位差进行测距，信号如式（1）所示[3]。

1.2 测速原理

地面站发射的上行载波频率为T1，由于目标相对运动，到达航天器的上行频率为R1。

地面站接收频率为

可以得到

由式（6）可以看出，相参测速精度很大程度取决于地面发射频率稳准度，符合“宽上严下”的原则。

2 总体方案设计

为了提高和保证外测体制的测速定位精度，地面雷达系统布站数量应保证应答机跟踪测量带内有3个或3个以上的雷达站有效测量数据。因此，应答机必须同时并且独立转发3个地面雷达站的信号。应答机接收的上行信号如式（7）所示。

本文基于高速AD、DA以及FPGA软件无线电数字处理平台的方案展开，如图2所示。上行信道单元完成射频信号功率控制、下变频、滤波、AD采样等功能；下行信道完成中频信号DA转换、上变频等功能。数字处理单元完成三路信号提取，然后分别进行主载波信号捕获跟踪，将三路测距信号根据转发比进行中频转发，以实现三路全相参测量功能。

图1 三站信号频谱

3 数字处理平台方案设计

本文基于FPGA数字化处理平台，针对连续波应答机主载波同步问题，提出了捕获跟踪方案：载波捕获使用FFT方法，跟踪采用二阶锁频环辅助三阶锁相环；实现主载波同步后，提取测距副载波信号[4]，转发调制至DA中频输出，如图3所示。

图2 三路全相参连续波应答机方案设计

3.1 FFT实现载波捕获

从图3中可以看出，中频模拟信号经ADC采样量化输入数字处理单元，经过数字下变频操作，将主载波变频到零频附近。低通滤波器可以实现单路信号提取，同时滤除带外噪声，提高信噪比。除此之外，还需要滤除副载波信号，以便实现FFT分析主载波单频信号，防止FFT分析结果出现频谱扩展。

图3 数字化处理平台方案

假设多普勒频率为41.8kHz，AD采样速率为524MHz，采样数据量太大，可以采用相干累加来降低采样率。设置相干累加后的采样率为512kHz，则可以分析的多普勒范围为(–256kHz，+256kHz)，512点FFT分析的多普勒分辨率为1kHz，而1024点FFT分析多普勒分辨率为500Hz。同时相干累加可以滤除1MHz的副载波信号。

图4 FFT捕获仿真结果

3.2 载波跟踪

为了实现高精度测量，通常锁相环采用较窄的环路带宽，从而能够高精度跟踪信号的相位误差，在高动态多普勒频移下，锁相环不能够快速稳定的跟踪信号，需要锁频环的辅助，锁频环具有较宽的环路带宽，能够快速调整反馈的相位，从而使相位误差落在锁相环的快捕带中。因此在本方案的跟踪环节，采用二阶锁频环辅助三阶锁相环实现，原理如图5所示[5]。

图5 二阶锁频环辅助三阶锁相环结构

图6 FPGA处理示意图

图7 连续波应答机功能测试结果

4 FPGA实现

中频信号处理采用数字化处理，由FPGA实现。高速AD采用524MHz采样时钟，在FPGA经过并串转换以及相干累加实现降速处理，FPGA处理主时钟降为52MHz。

乒乓缓存RAM主要作用是提高相关累加和FFT之间的接口速率；FFT分析后完成主载波捕获，然后转入频率跟踪模块，二阶锁频环辅助三阶锁相环完成主载波的高精度跟踪；载波同步后发射模块将提取副载波测距信号，根据上行跟踪频率控制字以及转发比得到中频频率字，调制测距信号，完成下行信号中频发射。

为验证本方案功能，在FPGA数字平台上实现此功能后，在同体制某型号应答机综测仪设备上进行了测试验证，在静态测试环境下，侧音、PN测距码、巴克码锁定正常。测距精度优于1m，测速精度优于0.01m/s，测试结果见图7。

5 结束语

本文基于FPGA数字化处理平台，给出了连续波应答机的接收解调方案，采用FFT捕获主载波，二阶锁频环辅助三阶锁相环实现主载波精确跟踪，并根据转发比完成测距信号的相参转发，实现了测距测速功能，给出了测试结果。结果表明，该数字化连续波应答机测距精度小于1m，测速精度小于0.01m/s。相比于传统模拟数字化平台集成度更高，功耗更低，精度更高。

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Digital FPGA implementation of continuous wave transponder with coherent phase

FANG Shuixun1, YANG Shuhua2, MENG Mingzhu1, SUN Xin1, DU Ling1

（1. Beijing Research Institute of Telemetry, Beijing 100076, China; 2. The Second Military Delegate Office of the PLA Rocket Force Armament Department in Beijing, Beijing 100076, China）

In this paper, a digital implementation of the receiving demodulation and coherent transmitting is introduced, which is based upon ultra high-speed AD, DA and FPGA platform. The FFT is used for fast acquisition of the main carrier and the second-order frequency-locked loop assists the third-order phase-locked loop to achieve accurate tracking. The static test result shows that the velocity precision can reach 0.01m/s and the ranging precision can reach 1m.

Continuous wave transponder; Digital platform; Coherent; High precision measurement

TN914.3

A

CN11-1780(2019)04-0029-04

方水汛 1990年生，硕士，工程师，主要研究方向为测控通信和数字基带处理。

杨述华 1984年生，硕士，工程师，主要研究方向为测控通信系统总体。

孟明珠 1987年生，硕士，工程师，主要研究方向为测控通信和数字基带处理。

孙欣 1984年生，硕士，工程师，主要研究方向为无线通信电路与系统。

杜玲 1974年生，硕士，研究员，主要研究方向为测控通信系统总体。

Email:ycyk704@163.com TEL:010-68382327 010-68382557

航天预研项目支持

2019-05-16

2019-07-11