CN101902622B - 卫星信标接收装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种卫星信标接收装置，包含：信号调理模块，包含调谐器、低通滤波器和运算放大器，所述调谐器根据预先设置的卫星参数将卫星的下行信号调谐为一低频信号，所述低通滤波器对该低频信号进行滤波，所述运算放大器将经过滤波的该低频信号放大并输出；数字处理模块，包含数字信号处理单元和数模转换器，所述数字信号处理单元将信号调理模块输出的信号由模拟信号转换为数字信号并进行采样，且对采样得到的数据进行分析以判断其中是否出现信标信号；以及用户接口模块，用于为所述卫星信标接收装置设置卫星参数。本发明成本较低，测量精度与模拟信标仪相当，可以满足一般天线对星的需求。

Description

卫星信标接收装置
【技术领域】
本发明涉及信号测量技术领域，尤其涉及一种适用于卫星通信天线跟踪的卫星信标接收装置。
【背景技术】
卫星信标接收机根据卫星发出的信标信号测出卫星天线指向相对于卫星的方位和俯仰误差。通过引导伺服驱动结构，使卫星天线准确地指向卫星，实现通信功能。
常规的卫星信标接收机通常由包括输入预选、一次混频及处理、二次混频及处理、中频检波以及频率控制电路。输入预选完成对带外输入射频干扰信号抑制，采用950～1450的带通滤波器；第一本振采用1250～1750MHz的高本振进行混频，由调谐电路控制第一本振将接收射频信号变频到300MHz中频，之后进行滤波和放大处理；第二本振将第一本振中频信号二次变频到第二中频70MHz，之后进行放大和滤波处理，最后对中频信号进行检波和对数放大，输出直流检测信号，供基带判断和处理电路使用。接收机调谐采用三线串行控制，利用DDS的快速和精度优势实现宽带高调谐精度的接收系统。但这种卫星信标接收机装置的价格极其昂贵，这给它的实际推广应用带来的极大的困难。
【发明内容】
本发明提供了一种低成本卫星信标接收装置，通过数字信号处理技术实现对卫星下行信标信号的测量，测量精度与模拟信标仪相当，可以满足一般天线对星的需求。
一种卫星信标接收装置，包含：
信号调理模块，包含调谐器、低通滤波器和运算放大器，所述调谐器根据预先设置的卫星参数将卫星的下行信号调谐为一低频信号，所述低通滤波器对该低频信号进行滤波，所述运算放大器将经过滤波的该低频信号放大并输出；
数字处理模块，包含数字信号处理单元和数模转换器，所述数字信号处理单元将信号调理模块输出的信号由模拟信号转换为数字信号并进行采样，且对采样得到的数据进行分析以判断其中是否出现信标信号；以及
用户接口模块，用于为所述卫星信标接收装置设置卫星参数。
其中，所述卫星参数包含调谐器本振频率、调谐器前级放大器增益、系统极化方式以及信标搜索范围。
所述调谐器的输入信号频率范围为950MHz～2150MHz。
所述调谐器根据预置的卫星参数将卫星的下行信号进行调谐，由950MHz～2150MHz下变频到0～500KHz。
所述低通滤波器为一个通带为0～650KHz的单片滤波器。
所述运算放大器将经过滤波的该低频信号放大并输出时，将低通滤波器输出的差分信号转变为单端信号，且将信号的电平抬高到1.5V供数字信号处理单元采样。
所述数字信号处理单元的采样率为2.5MPSP(万次/秒)，量化位数为12位。
判断是否出现信标信号的方法为：当采样得到的数据中信号电平超过底噪6dBm时，认为出现信标信号。
该卫星信号接收装置在卫星的理论信标频率±2MHz的范围内对信标信号进行搜索。
搜索方法为：将卫星的理论信标频率±2MHz的搜索区间分割为四个±500KHz的子搜索区间，通过数字信号处理程序对四个子搜索区间逐一进行搜索，当在某个子区间中搜索到信号后，则该数字信号处理程序持续对该区间进行计算，如果下一时刻信号丢失，则该数字信号处理程序重新对四个区间逐一搜索，直到重新搜索到信标信号。
本发明的有益效果在于，降低了卫星信标接收装置的制造成本，使得原先需要昂贵代价的卫星通信设备有了降价普及的可能。例如，将本发明的卫星信标接收装置应用于船载卫星电视接收天线，可将目前市场上类似产品的销售价格由5万元以上降到2万元以内。
此外，本发明的装置体积极小，用于车载卫星通信天线(DSNG天线)时，容易实现嵌入式应用，在车载卫星通信天线的控制系统中，直接以嵌入方式安装到控制器内，在极大降低设备制造成本的前提下，也减少了设备的功耗、体积和重量。
在便携卫星通信天线的控制系统中，也可以直接将本发明嵌入式安装到控制器内，使用电池供电工作，配合姿态测量控制单元和显示装置，在极大降低设备制造成本的前提下，减少了设备的功耗、体积和重量，更方便了人员的操作和后续保养、维护。
【附图说明】
图1为本发明卫星信标接收装置的原理示意图；
图2为本发明卫星信标接收装置的信号处理流程示意图；
图3为本发明卫星信标接收装置的信标搜索方法示意图。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明提供的卫星信标接收装置的具体实施方式做详细说明。
参见图1所示，一种卫星信标接收装置，包含：
信号调理模块10，包含调谐器11、低通滤波器12和运算放大器13，所述调谐器11根据预先设置的卫星参数将卫星的下行信号调谐为一低频信号，所述低通滤波器12对该低频信号进行滤波，所述运算放大器13将经过滤波的该低频信号放大并输出；
数字处理模块20，包含数字信号处理单元(DSP)21和数模(DA)转换器22，所述数字信号处理单元21将信号调理模块10输出的信号由模拟信号转换为数字信号并进行采样，然后对采样得到的数据进行分析以判断其中是否出现信标信号；以及
用户接口模块30，包含串口31，用于为所述卫星信标接收装置设置卫星参数。
信号调理模块10的核心部件是调谐器11，在本具体实施方式中，调谐器11选用SHARP公司的BS27VZ0302A，其输入信号频率范围为950MHz～2150MHz，也即是信标接收装置输入信标信号的频率范围。调谐器11根据用户预置的卫星参数对卫星的下行信号进行调谐，将频率范围为950MHz～2150MHz的信号下变频到0～500KHz范围内，同时该调谐器11还包括一级增益可调放大器，增益量通过0～3V的直流电压表征，0表示最大增益，3V表示最小增益，用户可根据具体情况进行调整。调谐器11的本振频率通过数字信号处理单元21的I2C总线进行设置，以控制调谐器11本振频率等卫星参数。此外，调谐器11中的可调卫星参数还包括调谐器前级放大器增益、系统极化方式以及信标搜索范围，甚至滤波器带宽、输出阻抗控制等项目，此为本领域内技术人员公知，不再赘述。
信标信号进过调谐器11调谐后下变为0～500KHz的低频信号，再通过一个通带为0～650KHz的低通滤波器12进行低通滤波，滤除可能存在的干扰，该低通滤波器12为单片滤波器(LT1565-31)。之后信号进入运放电路，该运放电路的运算放大器13(LT623)主要完成两个功能，一是将低通滤波器12输出的差分信号转变为后端模数转换器22可以接收的单端信号，二是将信号的电平抬高到1.5V参考位置，供数字信号处理单元(DSP)21进行AD采样(AD的输入范围为0～3V)。
在本具体实施方式中，数字处理模块20主要由TI公司的TMS320F2802构成，其处理速度为100MHz，内部集成了模数(AD)转换器，大大节省了PCB空间及元器件数量。模拟信标信号送入数字信号处理单元21后，首先进行AD转换，将模拟信号转变为数字信号。信号的最高频率为500KHz，根据采样定律，AD的采样率最低为1MHz，本系统根据F2808的硬件特点，设定采样率为2.5MPSP，量化位数为12位。
采样后的信号送入FFT模块进行分析，FFT分析的数据长度为1024点，可以计算，系统频率分辨率为2500/1024＝2.44K，也即是说本卫星信标接收装置可以区分的频率精度为2.44K。得到信号的频谱后，在用户设定的频率范围内搜索信号，探测是否有信号电平超过了预置门限，如果有则表明存在信号，同时输出信标信号的dB值。如果在设定的频率范围内没有信号电平超过门限，则认为信标信号不存在。系统默认情况下采用自适应门限的方式对信号有无进行判决，DSP程序实时地对系统的底噪进行测量，当有信号电平超过了底噪6dBm时，认为出现了信标信号。
在本具体实施方式中，用户接口模块30，包含串口31，用于为所述卫星信标接收装置设置卫星参数。串口31为RS232接口，用户通过RS232接口向信标仪设置卫星参数，卫星参数包括调谐器本振频率、调谐器前级放大器增益、系统极化方式、信标搜索范围等项目，具体参见接口协议，此处不再赘述。
参见图2所示，为信号处理流程：来自天线1的卫星信号通过高频头2经第一次变频到950～2150MHz的频率范围内，接着通过调谐器11再对该信号进行二次变频，使其下变频为频率范围为0～500KHz的基带信号，经低通滤波器12滤除信号中存在的杂散后送入一级运算放大器13，进入数字信号处理单元21，进行AD转换，使模拟信标信号转变为数字信标信号，经FFT计算后，可以在得到的频谱中搜索信标信号，从而得到信号实际的电平值。其中第一次变频采用高频头(下变频器，LNB)完成，第二次变频采用调谐器BS2S7VZ0302A完成，低通滤波器选用Linear公司的LT15165-31完成，运放选用Linear公司的LT6223，AD采样、FFT计算以及寻峰工作等均在TI公司的DSP(TMS320F2808)中完成。
卫星信标接收装置的主要功能通过对DSP芯片TMS320F2808的编程完成，开发环境为CCS3.1。整个固件程序主要由算法模块和通信模块两个部分构成。算法模块完成信标信号的采样、FFT的计算、功率折算、谱峰搜索、门限检测等功能；通信模块完成用户与信标仪之间的串口通信、DSP与DA转换器之间的SPI接口通信与及DSP与调谐器之间的I2C接口通信等功能。
调谐器的频率步进为500KHz，低通滤波器的通带为650KHz，根据数字信号处理理论，调谐器单个本振频点所能搜索的频率范围只有±500KHz，由于高频头的不稳定性及频率温度漂移的影响，信标接收装置实际接收到的信标信号的频率与理论值的最大偏移在极端恶劣的情况下有可能达到±2MHz，因此信标接收装置必须在理论信标频率±2MHz的范围内对信标信号进行搜索，本系统采用步进搜索的方法实现，原理如图3所示。
参见图3，该卫星信标接收装置在卫星的理论信标频率±2MHz的范围内对信标信号进行搜索。搜索方法为：将卫星的理论信标频率±2MHz的搜索区间f0分割为四个±500KHz的子搜索区间f1、f2、f3、f4，通过数字信号处理程序对四个子搜索区间逐一进行搜索，当在某个子区间中搜索到信号后，则该数字信号处理程序持续对该区间进行计算，如果下一时刻信号丢失，则该数字信号处理程序重新对四个区间逐一搜索，直到重新搜索到信标信号。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种卫星信标接收装置，其特征在于，包含：
信号调理模块，包含调谐器、低通滤波器和运算放大器，所述调谐器根据预先设置的卫星参数将通过高频头变频后的卫星的下行信号调谐为一低频信号，所述低通滤波器对该低频信号进行滤波，所述运算放大器将经过滤波的该低频信号放大并输出；
数字处理模块，包含数字信号处理单元和数模转换器，所述数字信号处理单元将信号调理模块输出的信号由模拟信号转换为数字信号并进行采样，且对采样得到的数据进行分析以判断其中是否出现信标信号；以及
用户接口模块，用于为所述卫星信标接收装置设置卫星参数；
判断是否出现信标信号的方法为：当采样得到的数据中信号电平超过底噪6dBm时，认为出现信标信号。
2.根据权利要求1所述的卫星信标接收装置，其特征在于，所述卫星参数包含调谐器本振频率、调谐器前级放大器增益、系统极化方式以及信标搜索范围。
3.根据权利要求1所述的卫星信号接收装置，其特征在于，所述调谐器的输入信号频率范围为950MHz～2150MHz。
4.根据权利要求3所述的卫星信号接收装置，其特征在于，所述调谐器根据预置的卫星参数将调谐器的输入信号进行调谐，由950MHz～2150MHz下变频到0～500KHz。
5.根据权利要求1所述的卫星信号接收装置，其特征在于，所述低通滤波器为一个通带为0～650KHz的单片滤波器。
6.根据权利要求1所述的卫星信号接收装置，其特征在于，所述运算放大器将经过滤波的该低频信号放大并输出时，将低通滤波器输出的差分信号转变为单端信号，且将信号的电平抬高到1.5V供数字信号处理单元采样。
7.根据权利要求1所述的卫星信号接收装置，其特征在于，所述数字信号处理单元的采样率为2.5MPSP，量化位数为12位。
8.根据权利要求1所述的卫星信号接收装置，其特征在于，该卫星信号接收装置在卫星的理论信标频率±2MHz的范围内对信标信号进行搜索。
9.根据权利要求8所述的卫星信号接收装置，其特征在于，搜索方法为：将卫星的理论信标频率±2MHz的搜索区间分割为四个±500KHz的子搜索区间，通过数字信号处理程序对四个子搜索区间逐一进行搜索，当在某个子搜索区间中搜索到信号后，则该数字信号处理程序持续对该子搜索区间进行计算，如果下一时刻信号丢失，则该数字信号处理程序重新对四个子搜索区间逐一搜索，直到重新搜索到信标信号。
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