CN101267242A - 一种卫星地面站遥测数据接收机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种卫星地面站遥测数据接收机，包括：天线、低噪声放大器、晶体振荡器、锁相环、中频混频器、模数转换装置、计算机。本发明接收机采用了计算机，计算机在Lab VIEW软件平台上，调用VC程序，模拟卫星地面站遥测数据接收装置的部分硬件，达到处理数字信号的目的，简化了设备，提高了灵活性，降低了制造成本。计算机可实现数字信号的显示和存储，不需要另外的设备，不仅节省了成本，还可以通过显示的数字信号和存储的数据对卫星和发射机进行检测。在Lab VIEW软件平台上，通过调用不同的VC程序，可以接收和测试不同载波、副载波频点和调制方式下的遥测数据，实现了灵活性和通用性，利于系统升级。
Description
技术领域
本发明涉及卫星遥测通信技术领域，尤其涉及一种卫星地面站遥测数据接收机。
背景技术
卫星通过星载测控应答机的发射机向地面发送工程遥测数据，而在我国S波段USB统一测控体制下，卫星遥测数据先调制到较低频率的副载波上，再通过调相方式调制到更高频率的载波上。
在数字化和软件化发展的今天，遥测数据的副载波调制多采用PSK等数字调制方式，例如采用NRZ-BPSK-PM调制方式的遥测信号形式为：
S(t)＝Acos[ωct+Mp·∑ang(t)cos(ωsct+θ0)]
其中，ωc为载波角频率，ωsc为副载波角频率，∑ang(t)为码字信号，Mp为调制度。
地面站则通过遥测数据接收机接收卫星发射的射频信号，并通过载波解调和副载波解调得到卫星下传的工程遥测数据。
如图1和图2所示，地面站在接收卫星发射的遥测信号时，首先恢复出载波信号，对载波信号进行解调，得到副载波调制信号，再通过副载波恢复，位同步，判决与解码得到卫星发射机下传的遥测数据。
我国现有的卫星地面站遥测数据接收机具有以下特点：
1.设备体积庞大、功能复杂，价格昂贵，不适合在测控应答机开发中对发射机和整星进行测试。
2.现有的遥测数据接收机采用硬件实现平台，即载波跟踪等是通过硬件实现，设备复杂、成本高。
3.设备一旦做好，只能满足一种载波和副载波频率以及调制方式的遥测数据的接收，难以改变，灵活性差，难以升级和改造。
4.在对遥测数据进行接收和测试时需要额外的仪器来观测遥测信号的质量。
发明内容
本发明提供了一种体积小、灵活性高的卫星地面站遥测数据接收机。
一种卫星地面站遥测数据接收机，包括：
一天线：接收卫星发射的射频信号；
一低噪声放大器：对射频信号进行放大；
一晶体振荡器：产生一基频频率固定的方波信号；
一锁相环：提取方波信号的基频信号，并对基频信号进行倍频得到本振信号；
一中频混频器：将放大后的射频信号与本振信号混频得到中频信号；
一模数转换装置：对中频信号进行采样，获得数字中频信号；
一计算机：显示数字中频信号，对数字中频信号进行载波跟踪与解调，副载波跟踪，位同步以及判决与解码，得到遥测数据并存储。
一标准计算机数据接口：连接模数转换装置与计算机，传输数字中频信号。标准计算机数据接口为PCI、PXI或USB接口。
低噪声放大器与中频混频器之间设有镜像滤波器，镜像滤波器根据本振信号的频率滤波除去射频信号的镜像干扰频率。
中频混频器与模数转换装置之间设有中频滤波器，中频滤波器对中频信号进行滤波以减小噪声。
中频滤波器与模数转换装置之间设有放大器，放大器对滤波后的中频信号进行放大。
放大器与模数转换装置之间设有自动增益控制装置，自动增益控制装置控制放大后的中频信号的幅度，使中频信号幅度稳定。
本发明卫星地面站遥测数据接收机采用了计算机，计算机在LabVIEW软件平台上，调用VC程序，模拟卫星地面站遥测数据接收装置的部分硬件，达到处理数字信号的目的，简化了设备，提高了设计灵活性，降低了制造成本。
计算机可实现数字信号的显示和存储，不需要另外的设备，同样节省了成本。
卫星的星上工作状态均通过遥测数据进行下发，因此可以通过调出保存的遥测数据进行分析，得到卫星的每个时刻的工作状态情况。同时本发明接收机可以显示接收到的信号，因此可以观测星上测控应答机发射机的工作稳定情况。
在LabVIEW软件平台上，通过调用不同的VC程序，可以接收和测试不同载波、副载波频点和调制方式下的遥测数据，灵活性提高。
附图说明
图1为遥测数据接收机解调遥测数据的原理框图；
图2为现有遥测数据接收机的结构示意图；
图3为本发明遥测数据接收机的结构示意图；
图4为本发明遥测数据接收机计算机运行软件结构框图。
具体实施方式
如图3所示，一种卫星地面站遥测数据接收机，包括：
一天线：接收卫星发射的射频信号；
一低噪声放大器：将射频信号放大；
一晶体振荡器：产生一基频频率固定的方波信号；
一锁相环：提取方波信号的基频信号，并对基频信号进行倍频得到本振信号；
一镜像滤波器：根据本振信号的频率滤除射频信号的镜像干扰频率。
一中频混频器：将放大后的射频信号与本振信号混频得到中频信号；
中频信号频率＝射频信号频率-本振信号频率，本振信号频率＝锁相环倍频倍数×方波信号的基频信号频率。
一中频滤波器：对中频信号进行滤波以减小噪声。
一放大器：对滤波后的中频信号进行放大。
一自动增益控制装置：控制放大后的中频信号的幅度，使中频信号幅度稳定。
一模数转换装置：对中频信号进行采样，获得数字中频信号；
一计算机：显示数字中频信号，对数字中频信号进行载波跟踪与解调，副载波跟踪，位同步以及判决与解码，得到遥测数据并存储。
模数转换装置与计算机通过标准计算机数据接口连接，标准计算机数据接口可选用PCI、PXI或USB接口。
上述实施例的遥测数据接收机工作原理如下：
1.通过天线接收卫星下发的遥测射频信号，由于空间环境对信号的衰减，需要在天线接收后连接低噪声放大器对射频信号进行放大。
2.由于环境中存在各种电磁辐射，射频信号会受到很大的噪声干扰，尤其受到有用射频信号相对于本振信号的镜像频率信号的干扰。这是由于射频信号在与本振信号进行混频时，有用射频信号和镜像频率信号一起进入混频器，镜像频率信号在混频中产生了相同频率的中频信号叠加在有用射频信号混频产生的中频信号上，从而对有用的中频信号产生干扰，在低噪声放大器后连接镜像滤波器可滤除射频信号的镜像干扰频率。
3.晶体振荡器振荡产生一基频频率固定的方波信号，方波信号包含有各种频率分量的高次谐波信号，这些谐波信号在倍频中是不需要的，锁相环装置会自动提取出基频信号，由于基频信号的频率较低，需要对其进行倍频，得到本振信号。
本振信号频率＝锁相环倍频倍数×基频信号频率(方波信号的基频频率)。
4.从镜像滤波器输出的射频信号和锁相环输出的本振信号传输到中频混频器进行混频得到中频信号。
中频信号频率＝射频信号频率-本振信号频率。
中频混频器输出的中频信号通过中频滤波器滤除噪声，并通过放大器进行放大。为了能够得到较稳定的信号幅度，便于采样后的载波恢复和副载波恢复与位同步，放大器的输出信号连接自动增益控制装置(AGC)后送给模数转换装置进行采样。
5.由于中频信号频率较高，按照乃奎斯特采样定律进行采样对模数转换装置的要求将提高，并增加数字信号处理的难度，因此采用欠采样的方式对中频信号进行采样，得到数字中频信号。
6.数字中频信号处理部分在计算机中进行，所用的方法就是在软件LabVIEW环境下，调用VC程序，对数字中频信号进行载波跟踪与解调，副载波跟踪，位同步以及判决与解码，得到遥测数据并存储。
如图4给出了软件程序设计结构框图，其设计原理如下：
LabVIEW开启后首先实现对硬件的配置和采样设置的初始化，并通过调用VC初始化程序的动态链接库文件，完成对VC程序的初始化。
在软件触发采样后，模数转换装置开始采样。为了能够保证数据的采样，存储，和数字信号处理同时进行，LabVIEW在结构上采用三线程工作模式。
在第一个线程内，采样开始后，将采样数据从模数转换装置的内存中读出。读出的采样数据被送到一个先入先出的队列，并同时被送入显示模块在人机界面实时显示。
在第二个线程内，判断队列中数据个数的函数来决定是否进行数据出队列操作。LabVIEW通过运行调用库函数CLF调用VC数据存储程序的动态链接库文件，将数据存储在VC程序可以访问的缓冲区内。
在第三个线程中，LabVIEW通过运行调用库函数CLF调用VC程序的载波跟踪及副载波解调的动态链接库文件，在缓冲区内的数据达到了数字信号处理所需的数据个数后，载波跟踪和副载波解调程序被开启，该程序会同时将遥测数据的解调结果保存在用户通过界面指定的位置。
LabVIEW在三个线程同时工作时，任意时刻工作的线程是不确定的，为了保证每个线程的正常工作，要在每个线程内加入线程工作时间控制器，同时避免了CPU不停地做循环判断。
用户自定义模块可以根据用户测试的需要在接收前端或者解调后端增加测试程序，也可以将载波跟踪环，副载波恢复环和位同步环中关心的参数输出显示。
遥测数据接收机中的载波跟踪，副载波解调程序可以根据不同的调制方式和不同的算法来进行编写。VC编程具有灵活性高的特点，LabVIEW中又包含与VC程序的接口，即可以利用运行调用库函数CLF调用VC的动态链接库文件，故可以实现VC编写载波跟踪和副载波解调程序，并在LabVIEW环境中调用。此设计方法既可以发挥LabVIEW方便控制数据采样、存储，实现用户界面设计，和多线程设计的特点，又可以发挥VC软件编程灵活性强，普及度高的特点。用户在进行操作时，只要打开LabVIEW程序，点击人机界面的开启按钮，接收机将立即开始工作。
Claims (5)
1.一种卫星地面站遥测数据接收机，包括：
一天线：接收卫星发射的射频信号；
一低噪声放大器：将射频信号进行放大；
一晶体振荡器：产生一基频频率固定的方波信号；
一锁相环：提取方波信号的基频信号，并对基频信号进行倍频得到本振信号；
一中频混频器：将放大后的射频信号与本振信号混频得到中频信号；
一模数转换装置：对中频信号进行采样，获得数字中频信号；
一计算机：显示数字中频信号，对数字中频信号进行载波跟踪与解调，副载波跟踪，位同步以及判决与解码，得到遥测数据并存储。
一标准计算机数据接口：连接模数转换装置与计算机，传输数字中频信号。
2.根据权利要求1所述的卫星地面站遥测数据接收机，其特征在于：所述的中频混频器与模数转换装置之间设有中频滤波器，中频滤波器对中频信号进行滤波以减小噪声。
3.根据权利要求2所述的卫星地面站遥测数据接收机，其特征在于：所述的中频滤波器与模数转换装置之间设有放大器，放大器对滤波后的中频信号进行放大。
4.根据权利要求3所述的卫星地面站遥测数据接收机，其特征在于：所述的放大器与模数转换装置之间设有自动增益控制装置，自动增益控制装置控制放大后的中频信号的幅度，使中频信号幅度稳定。
5.根据权利要求1所述的卫星地面站遥测数据接收机，其特征在于：所述的低噪声放大器与中频混频器之间设有镜像滤波器，镜像滤波器根据本振信号的频率滤波除去射频信号的镜像干扰频率。
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Publications (1)
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2008
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