CN101505183B

CN101505183B - 针对Ku波段的数字化卫星信标跟踪仪

Info

Publication number: CN101505183B
Application number: CN2009100477876A
Authority: CN
Inventors: 凌小峰; 宫新保; 臧小刚; 贺江华; 常成
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2009-03-19
Filing date: 2009-03-19
Publication date: 2012-08-22
Anticipated expiration: 2029-03-19
Also published as: CN101505183A

Abstract

本发明涉及一种通信测量控制领域的针对Ku波段的数字化卫星信标跟踪仪。本发明包括：高频头和调谐器、低通滤波器、数字信号处理模块，数字模拟转换器，电源模块。其中：高频头和调谐器将接收到的Ku波段的卫星信标信号下变频到零中频信号。低通滤波器实现对零中频信号的滤波操作。数字信号处理模块采用高性能的信号谱估计算法和功率估计算法，得到输入信号的精确频率信息和功率信息。数字模拟转换器将输入的数字功率信息转化为相应的模拟功率信息，作为系统的功率输出送往伺服驱动系统。电源模块为上述模块提供高稳定的直流电源。本发明具有集成度高、成本低廉、体积小、制造与调试简单、性能稳定可靠、通用性强等特点。

Description

针对Ku波段的数字化卫星信标跟踪仪

技术领域

本发明涉及一种通信技术领域的卫星信标跟踪仪，具体是一种针对Ku波段的数字化卫星信标跟踪仪。

背景技术

Ku波段卫星信标信号属于Ku波段信号，即频率在12～18GHz的无线电波波段。在实际应用中，卫星信标信号是卫星发射的、表征卫星的存在及其相关特征的一种特殊信号，它采用单频信号，为卫星地面测控站搜索、测量和跟踪卫星提供了依据。地面上的卫星信标跟踪仪接收到信标信号后，能够把信标信号转换为与其电平大小成比例的直流信号。根据这个信号，就可以让整个卫星接收机中的伺服系统驱动天线对准卫星，以更好地实现对卫星发送的信号信息的接收。

由于卫星处于太空环境，受到温度等各种因素的影响，自身信标信号存在一定的频漂；同时信号在向地面的传输过程中，受到外界环境的干扰(例如大气和天气状况的干扰)，将会使卫星信标信号产生进一步的频率漂移，因此地面上的卫星信标跟踪仪接收到的卫星信标信号的频率会在一定的范围内动态变化。

为了有效地驱动天线对准卫星，以获得更好的接收效果，通常要求卫星信标跟踪仪在低灵敏度的情况下，能够对抗较大范围的频率漂移，并尽可能地满足小型化、低功耗和低成本的系统设计要求。

在传统的卫星信标跟踪仪中，通常的方法是采用基于模拟方式的超外差锁相环锁定输入信标信号，以提高信号解调时的信噪比，然后采用相干解调得到输入信号的幅度和误差信号。但是这种方法存在设备通用性差、锁定速度慢、设备较复杂、调试和制造困难、成本较高等诸多缺点。目前数字处理技术已经被引入到卫星信标跟踪仪的研制中，但是大部分已有的设备或者方法并没有完全结合数字处理技术，通常是在模拟处理方式的基础上采用数字控制的方法，或者是在模拟处理的最后端加上数字处理部分。这些方法没有摆脱模拟器件占主导地位的情况，卫星信标跟踪仪的性能依然比较低。而目前出现的以数字处理方式为主的设备或者技术方法，虽然保证了精度，但是系统相对而言过于复杂，成本也较高，不利于大规模的广泛使用。

经对现有技术文献检索发现，申请号为200810040973.2的中国专利，专利名为：新型信标接收机，该专利中，在第一本振和第二本振之间设置有频率控制环路，传统的模拟跟踪环路采用数字电路实现，实施自动调谐及频率跟踪。这种装置可以适用于一般情况下卫星信标信号跟踪系统的需要，但是主要核心部件还是采用模拟器件，通用性较差、对抗较大频漂能力较差，无法在较为恶劣的环境下使用。申请号为200810056719.1的中国专利，专利名为：一种车载卫星通信天线自动寻星控制器，该专利公开了一种车载卫星通信天线自动寻星控制器，包括主控制模块和与主控制模块连接的卫星信号检测模块、开关电源模块、伺服电机限位开关、全球卫星定位系统GPS、电子罗盘、俯仰电机驱动器、方位电机驱动器和极化电机驱动器，天线馈源与卫星信号检测模块连接，俯仰伺服电机、方位伺服电机、极化有刷直流电机分别对应地与俯仰电机驱动器、方位电机驱动器、极化电机驱动器相连接。这种装置以数字化处理为主，但是所需设备较多，调试和制造困难，成本依然较高，也不利于大规模的广泛使用。

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足，提出了针对Ku波段的数字化卫星信标跟踪仪，能够在很低的信号功率下跟踪较大范围频漂的卫星信标信号，并输出相应的直流信号以驱动伺服电机。本发明具有集成化程度高、体积小、制造和调试简单、性能稳定可靠、通用性好等特点。

本发明是通过如下技术方案实现的，本发明包括：高频头和调谐器、低通滤波器、数字信号处理模块、数字模拟转换器、电源模块：

高频头将接收到的Ku波段的卫星信标信号下变频到中频信号，输出到调谐器，调谐器根据数字信号处理模块反馈的频率控制信息和功率控制信息，将输入的中频信号下变频到零中频信号，输出到低通滤波器，以便后端的数字信号处理工作；低通滤波器实现对输入零中频信号的滤波操作，可以提高信号质量，也避免了后端数据采样的混叠效应，然后将信号输出到数字信号处理模块；数字信号处理模块(Digital Signal Processing，DSP)首先实现对输入信号从模拟到数字的转换，然后采用高性能的信号谱估计算法和功率估计算法，得到输入信号的精确频率信息和功率信息，最后将信号的功率信息输出到数字模拟转换器，将频率控制信息和功率控制信息反馈到调谐器，此外，通过控制接口，数字信号处理模块一方面可以接收外部控制指令，另一方面可以将输入信号的功率和频率等信息以数字形式输出；数字模拟转换器(Digital to Analog Converter，DAC)实现将输入的数字功率信息转化为相应的模拟功率信息，作为系统的功率输出送往伺服驱动系统；电源模块为上述各个部分提供高稳定的直流电源。

所述数字信号处理模块，包括：模拟数字转换模块，信号谱估计模块，频率控制模块，信号功率估计模块，功率控制模块和控制接口模块，其中：

模拟数字转换(Analog to Digital，ADC)模块，将低通滤波器输出到数字信号处理模块的模拟信号采样转化成为数字信号，并输出给信号谱估计模块。

信号谱估计模块，是以数字信号处理中的快速傅里叶变换为基础，结合相应的谱线积累操作，得到输入信号的频谱信息，进而得到输入信标信号的频率信息，输出给频率控制模块和信号功率估计模块。

频率控制模块根据信号谱估计模块的计算结果，得到频率控制信息，反馈给调谐器进行频率调整；这个过程构成了一个频率跟踪环，使调谐器输出的零中频信号的频率可调，以实现对卫星信标信号的锁定。

信号功率估计模块根据信号谱估计模块的计算结果，进行功率估计，得到输入信标信号的功率信息，输出给功率控制模块。

功率控制模块根据信号功率估计模块的计算结果得到功率控制信息，反馈给调谐器进行功率调整；这个过程构成了一个功率跟踪环，使调谐器输出的零中频信号的功率可调，防止出现调谐器输出的零中频信号的强度饱和或强度太小的问题。这样可以避免信号强度太大而出现谐波，或者是信号强度太小而无法检测的问题。

控制接口模块将以上各个处理模块得到的信号功率信息输出到数字模拟转换器，将频率控制信息和功率控制信息反馈到调谐器。此外，通过控制接口模块，可以接收外部控制指令，控制数字信号处理模块的工作模式；也可以将数字信号处理模块得到的有关输入信号的功率和频率等信息以数字形式输出。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明采用数字信号处理的方法对Ku波段卫星信标信号进行精确的频率估计和功率估计，输出平稳的伺服系统信号；其中的数字信号处理模块的功能可以在目前通用的单片数字信号处理芯片上完成；具有集成度高、成本低廉、体积小、制造与调试简单、性能稳定可靠、通用性强等特点。

2、本发明中的数字信号处理模块中使用了“频率控制”和“功率控制”两项关键技术，分别起到了精确调整频偏范围和精确调整信号功率的作用；这样通过高性能的数字信号处理，使得系统能够在信号输入功率变化很大的情况下，在很大的频率漂移范围内，准确的跟踪卫星信标信号。

3、经过测试表明，本发明在-80dbm～-50dbm的信号功率输入范围内能够准确的捕获到最大频漂达到±600KHz范围内的信标信号，并且准确的输出相应的功率，性能上大大超过了市面上已有的信标跟踪仪(通常在相同条件下允许的最大频偏仅为±200KHz)的精度性能。

附图说明

图1为本发明的系统结构框图；

图2为本发明的数字信号处理模块的结构框图；

图3为本发明的频率控制模块中的频率搜索和锁定流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的方案作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例包括：高频头和调谐器、低通滤波器、数字信号处理模块，数字模拟转换器，电源模块，其中：

高频头将接收到的Ku波段的卫星信标信号下变频到950MHz～1450MHz的中频信号，输出到调谐器。调谐器根据数字信号处理模块反馈的频率控制信息和功率控制信息，将输入的中频信号下变频到0～1MHz的零中频信号，输出到低通滤波器，以便后端的数字信号处理工作。

低通滤波器实现对输入零中频信号的滤波操作，可以提高信号质量，也避免了后端数据采样的混叠效应。然后将信号输出到数字信号处理模块。

数字信号处理模块首先实现对输入信号从模拟到数字的转换；之后采用高性能的信号谱估计算法和功率估计算法，得到输入信号的精确频率信息和功率信息；最后将信号的功率信息输出到数字模拟转换器，将频率控制信息和功率控制信息反馈到调谐器。此外，通过控制接口，数字信号处理模块一方面可以接收外部控制指令，另一方面可以将输入信号的功率和频率等信息以数字形式输出。

数字模拟转换器实现将输入的数字功率信息转化为相应的模拟功率信息，作为系统的功率输出送往伺服驱动系统。

电源模块为上述模块提供高稳定的直流电源。其中，为高频头提供+15V/+18V直流电源，为数字信号处理模块提供+1.8V/+3.3V直流电源，为调谐器、低通滤波器和数字模拟转换器提供+3.3V电源。

所述高频头采用百昌公司型号为0.S 52J的Ku高频头，调谐器采用夏普公司的BS2S7VZ0302A(0402)调谐器。

所述低通滤波器采用Linear公司的LTC1565-31滤波器实现，为7阶线性相位低通滤波器，通带宽度(3分贝带宽)为650kHz；这里650KHz的带宽可以满足后端数据采集的需求，同时也能够对抗更大范围内的频率偏移。

所述数字信号处理模块采用TI公司的定点运算DSP芯片TMS320F2808实现。在本实施例中，TMS320F2808的时钟频率为100MHz，利用内置的硬件乘法器，可在一个时钟周期内实现一次32bit的乘法运算，对提高信号谱估计模块的运算速度有极大的帮助。另外，TMS320F2808芯片中集成有串行传输总线(Inter-Integrated Circuit，I2C)、串行外围设备接口(Serial Peripheral Interface，SPI)、串行通信接口(Serial Communication Interface，SCI)等接口，并且内置12bit采样精度的ADC模块，这样不但便于使用，也有效降低了硬件成本。此外，该芯片具有丰富的管脚资源，也使得功能扩展变得更加方便和容易。

所述数字模拟转换器采用Analog Device公司的AD5312芯片实现；该芯片的10bit控制精度可以满足最小4.8毫伏的输出电压分辨率。

所述数字信号处理模块，如图2所示，包括：TMS320F2808芯片内置的模拟数字转换模块，信号谱估计模块，频率控制模块，信号功率估计模块，功率控制模块和控制接口模块，其中：

模拟数字转换模块，将低通滤波器输出到数字信号处理模块的模拟信号采样转化成为数字信号，并输出给信号谱估计模块；本实施例中使用TMS320F2808芯片内置的ADC模块，采样率为1.8MHz，保证了ADC采样能够保留足够的信息，以实现对输入零中频信号的准确采样。

信号谱估计模块，是以数字信号处理中的快速傅里叶变换为基础，结合相应的谱线积累操作，得到输入信号的频谱信息，进而得到输入信标信号的频率信息，输出给频率控制模块和信号功率估计模块。在本实施例中，快速傅里叶变换的点数为1024点，可以保证1.75KHz的频率分辨率。为了消除卫星信标信号自身的调制杂散信息和外界环境噪声的影响，需要对快速傅里叶变换的结果进行积累操作。在本实施例中，对每4次快速傅里叶变换的结果进行平均，得到输入信号的频谱信息。

频率控制模块根据信号谱估计模块的计算结果，得到频率控制信息，反馈给调谐器进行频率调整；这个过程构成了一个频率跟踪环，使调谐器输出的零中频信号的频率可调，以实现对卫星信标信号的锁定。在本实施例中，是根据信号谱估计模块的计算结果，确定幅度最高的点频信号所对应的谱线位置，作为频率控制信息反馈给调谐器进行频率调整。

信号功率估计模块根据信号谱估计模块的计算结果，进行功率估计，得到输入信标信号的功率信息，输出给功率控制模块。假设根据信号谱估计模块的输出，直接计算得到的信号功率为P，考虑到调谐器中AGC增益的影响，实际功率P_real还需要加上一个补偿值，即：

P_real＝P₁+δ

其中，δ为与调谐器AGC电压相对应的功率补偿值，可以在调试时通过实际测试获得。

功率控制模块根据信号功率估计模块的计算结果得到功率控制信息，反馈给调谐器进行功率调整；这个过程构成了一个功率跟踪环，使调谐器输出的零中频信号的功率可调，防止出现调谐器输出的零中频信号的强度饱和或强度太小的问题。这样可以避免信号强度太大而出现谐波，或者是信号强度太小而无法检测的问题。在本实施例中，功率控制采用遍历方式进行：在调谐器允许的增益电压范围内，按照10dB的增益间隔选出8个典型的增益电压值；在进行功率控制时，按顺序循环遍历这8个增益电压值，并从中找到一个合适的增益电压值。

如图3所示，在本实施例中，频率控制有搜索和锁定两种工作模式，对频率的调整过程具体如下：预设一个需要跟踪的卫星信标信号的频率，进入搜索模式。搜索模式下的搜索次数设定为三次，通过设置三个不同且连续的调谐器本振频率来实现。假设预设的需要跟踪的卫星信标信号的频率为f，而调谐器可以设置的最接近f的频率为f₀，则三次搜索时调谐器的本振频率可以设为f₀-500kHz、f₀和f₀+500kHz。分别进行信号功率估计后，对比三次搜索获得的信号功率信息来判断是否搜索到目标信号：如果搜索到信号，说明搜索成功，则更新锁定频率，进入锁定模式；否则继续进行搜索操作。在锁定模式下，计算当前的信号功率值，如果信号功率大于预设的阈值，说明信号存在，继续处于锁定模式；否则说明信号不存在或锁定丢失，转入搜索模式。

控制接口模块将以上各个处理模块得到的信号功率信息输出到数字模拟转换器，将频率控制信息和功率控制信息反馈到调谐器。此外，通过控制接口模块，可以接收外部控制指令，控制数字信号处理模块的工作模式；也可以将数字信号处理模块得到的有关输入信号的功率和频率等信息以数字形式输出。在本实施例中，控制信号主要包括控制调谐器频率以及增益的I2C接口控制信号，外部预设频率输入的SCI接口信号，提供给DAC的信号功率的SPI接口信号以及数字信号处理器的状态输出SCI接口信号。

在本实施例中，系统采用外接高频头加单板设计的方式，调谐器、低通滤波器、数字信号处理模块、数字模拟转换器和电源模块集成在一块电路板上，其中电路板采用80×60mm²的2层印制板，顶层和底层均为信号层，同时也走部分的电源线和地线。本实施例中，射频部分仅需要一个高频头；模拟部分集中在中频，包括调谐器、滤波器和数模转换器；而主要的信号处理工作全部在数字信号处理模块中实现；这样降低了系统的成本和调试难度，具有非常高的系统集成度，同时也保证了系统的性能，增加了系统的可靠性和通用性。

Claims

1.一种针对Ku波段的数字化卫星信标跟踪仪，其特征在于，包括：高频头和调谐器、低通滤波器、数字信号处理模块，数字模拟转换器，电源模块，其中：

高频头将接收到的Ku波段的卫星信标信号下变频到中频信号，输出到调谐器，调谐器根据数字信号处理模块反馈的频率控制信息和功率控制信息，将输入的中频信号下变频到零中频信号，输出到低通滤波器；

低通滤波器与调谐器相连，实现对调谐器输入的零中频信号的滤波操作，然后将信号输出到数字信号处理模块；

数字信号处理模块与低通滤波器相连，首先实现对低通滤波器输入的信号从模拟到数字的转换，然后采用高性能的信号谱估计算法和功率估计算法，得到输入信号的精确频率信息和功率信息，最后将信号的功率信息输出到数字模拟转换器，将频率控制信息和功率控制信息反馈到调谐器；通过控制接口，数字信号处理模块一方面可以接收外部控制指令，另一方面可以将输入信号的功率和频率信息以数字形式输出；

数字模拟转换器与数字信号处理模块相连，将数字信号处理模块输入的数字功率信息转化为相应的模拟功率信息，作为系统的功率输出送往伺服驱动系统；

电源模块与上述各个工作部件依次相连，为上述各个工作部件提供稳定的直流电源。

2.根据权利要求1所述的针对Ku波段的数字化卫星信标跟踪仪，其特征是，所述数字信号处理模块，包括：模拟数字转换模块，信号谱估计模块，频率控制模块，信号功率估计模块，功率控制模块和控制接口模块，其中：

模拟数字转换模块，将低通滤波器输出到数字信号处理模块的模拟信号采样转化成为数字信号，并输出给信号谱估计模块；

信号谱估计模块，是以数字信号处理中的快速傅里叶变换为基础，结合相应的谱线积累操作，得到输入信号的频谱信息，进而得到输入信标信号的频率信息，输出给频率控制模块和信号功率估计模块；

频率控制模块根据信号谱估计模块的计算结果，得到频率控制信息，输出到控制接口模块，并由控制接口模块反馈给调谐器进行频率调整；这个过程构成一个频率跟踪环，使调谐器输出的零中频信号的频率可调，以实现对卫星信标信号的锁定；

信号功率估计模块根据信号谱估计模块的计算结果，进行功率估计，得到输入信标信号的功率信息，输出给功率控制模块；

功率控制模块根据信号功率估计模块的计算结果得到功率控制信息，输出到控制接口模块，并由控制接口模块反馈给调谐器进行功率调整；这个过程构成了一个功率跟踪环，使调谐器输出的零中频信号的功率可调；

控制接口模块将信号功率估计模块输出的信号功率信息输出到数字模拟转换器，将频率控制模块输出的频率控制信息和功率控制模块输出的功率控制信息反馈到调谐器。