CN102325110B - 一种大调制指数星载数字化调频接收机 - Google Patents

Abstract

一种大调制指数星载数字化调频接收机，包括低噪声放大器、第一下变频器、中频放大器、第二下变频器、第一倍频器、第二倍频器、自动增益控制器、压控振荡器和中频数字化处理模块。本发明采用中频数字化处理模块替代传统的鉴相器，采用基于CORDIC算法的中频鉴频器实现信号的数字解调，从根本上解决模拟电路所带来的各种问题。本发明接收机结构简单，可靠性高，能够满足通信卫星长寿命、高可靠性的要求。

Description

一种大调制指数星载数字化调频接收机

技术领域

本发明涉及一种星载调频接收机。

背景技术

高轨通信卫星一般基于国际通用的C波段测控网完成其测控功能。作为基本的测控信号星上通道，星载C波段接收机工作体制为调频(FM)体制。即上行测距信号和遥控副载波信号对上行6GHz载波信号调频，星载C波段发射机工作体制为调相(PM)体制，即下行测距信号和遥测副载波信号对下行4GHz信号调相。针对上行信号，接收机需完成上行遥控副载波信号及测距信号的解调，并将解调出的遥控副载波信号送星上遥控终端，而测距信号与遥测副载波信号一起，对下行信号进行调制，发回地面测控站。

目前上行信号调制频偏为[-200KHz，+200KHz]或[-400KHz，+400KHz]之间。因此即使对27.778KHz高测距测音信号，其调制指数也达到了7.2rad或14.4rad。同时由于卫星的高速移动，接收信号的多普勒频移可达到[-180KHz，+180KHz]。

高轨通信卫星所采用的C波段接收机基本原理框图如图1所示。其虚框内的调频接收解调部分仍然基于模拟电路，甚至采用离散元件实现。因此其电路调试难度高，稳定性差，温度漂移以及直流漂移大。电路需采用较多补偿措施，从而使得电路结构复杂，降低了整机可靠性，难以满足通信卫星长寿命、高可靠性要求。因此如何实现C波段接收机数字化是一个非常重要的问题。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种大调制指数星载数字化调频接收机，从根本上解决模拟电路所带来的各种问题。

本发明的技术解决方案是：一种大调制指数星载数字化调频接收机，包括低噪声放大器、第一下变频器、中频放大器、第二下变频器、第一倍频器、第二倍频器、自动增益控制器和压控振荡器，上行射频信号经过低噪声放大器后送至第一下变频器，第一下变频器的输出作为中频放大器的输入，中频放大器的输出送至第二下变频器，第二下变频器的输出通过自动增益控制器反馈至中频放大器；压控振荡器的信号一路经过第一倍频器送至第一下变频器，另一路经过第二倍频器送至第二下变频器；此外还包括中频数字化处理模块，中频数字化处理模块的输入为第二下变频器的输出，经中频数字化处理模块解调得到的信号一路直接输出，另一路经处理后反馈至压控振荡器；

所述的中频数字化处理模块包括模数转换器、数模转换器、数控振荡器、低通滤波器、CORDIC模块、一阶差分模块、载波跟踪环路滤波器以及调制跟踪环路滤波器，第二下变频器输出的信号经过模数转换后得到数字信号x(n)，x(n)＝I(n)cos(ω_in)+jQ(n)sin(ω_in)，ω_i为数字信号的频率，I(n)和Q(n)分别为信号的实部和虚部，数控振荡器产生两路信号cos(ω_in)和sin(ω_in)，分别和x(n)作乘法运算，两路乘法运算结果分别经过低通滤波器后送至CORDIC模块，CORDIC模块利用CORDIC算法求得

φ(n)经过一阶差分模块得到解调信号y(n)，y(n)分为三路，第一路y(n)直接输出，第二路y(n)经载波跟踪环路滤波器后分别送至数控振荡器以及第一数模转换器，第一数模转换器的输出送至压控振荡器，第三路y(n)送至第二数模转换器，第二数模转换器的输出经调制跟踪环路滤波器后送至压控振荡器。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明提出了整套星载调频接收机数字化解决方案，从根本上解决了传统方案电路结构复杂、电路调试难度高，稳定性差，温度漂移、直流漂移大等问题；

(2)本发明提出的数字化调频接收机，采用与传统方案一致的对外接口，因此可以无缝接入到当前卫星系统；

(3)本发明提出的数字化调频接收机，针对星载调频接收机大调制指数特点，采用调制跟踪环路，将大调制指数调频微波信号转换成小调制指数中频信号。对该小调制指数中频信号再采用基于CORDIC算法的中频数字鉴频器，实现信号解调。相对于传统方案，本发明通过增加调制跟踪环路，从而实现了压缩调制指数的目的，通过采用数字鉴频器，从而实现了鉴频数字化的目的；

(4)本发明提出的数字化调频接收机，针对星载调频接收机大多普勒频移特点，采用数字载波跟踪环路，将大多普勒频移调频微波信号转换成小多普勒频移中频信号。相对于传统方案，本发明对传统方案中模拟载波跟踪环路滤波器进行了数字化，从而增加了可靠性。

附图说明

图1为典型C波段接收机原理框图；

图2为本发明数字化C波段接收机原理框图；

图3为本发明中频数字化模块原理框图。

具体实施方式

本发明针对卫星测控通道上行调频方式的大调制指数及大多普勒频移的特点，设计了一种星载数字化调频接收机。通过在射频部分采用调制跟踪环路和载波跟踪环，将大调制指数和大多普勒频移调频微波信号转换成小调制指数和小多普勒频移中频信号，对该小调制指数中频信号再采用基于CORDIC算法的中频数字鉴频器，实现信号解调，从而达到星载数字调频接收机数字化的目的。

1、系统方案设计

为保持与当前星载C波段调频接收机对外接口一致性，与典型C波段调频接收机(图1)相比，本发明数字化方案设计(图2)采用中频数字化模块替代鉴频器，完成调频信号解调。中频数字化模块还具有载波跟踪环路滤波器完成图1中载波跟踪功能，数字化模块中新增调制跟踪滤波器，并与VCO、倍频器1、倍频器2、下变频器1、下变频器2一起构成调制跟踪环路，从而实现对接收信号调制频偏的大幅压缩。

2、中频数字化模块方案设计

中频数字化模块方案设计如图3所示。由图2中下变频器2来的信号x_i(t)，经过DAC模数转换成数字化信号x(n)，其中

$x_i\left(t\right)=A\cos [2\mathrm{\π}(f_i+\mathrm{\Δ}{f}_d)t+k_f\underset{0}{\overset{t}{\∫}}y\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{d\τ}+{\mathrm{\θ}}_0]$

●Δf_d：被压缩后的中频多普勒频率偏移值；

●f_i：输入信号频率；

●y(t)：调制信号；

●k_f：频偏系数；

●Δf_i＝k_fy(t)：被压缩后的调制频率偏移值；

●θ₀：信号初始相位；

x(n)＝Acos[ω_in+φ(n)]＝I(n)cos(ω_in)+jQ(n)sin(ω_in)

● $\mathrm{\φ}\left(n\right)=\mathrm{arctg}\left[\frac{Q\left(n\right)}{I\left(n\right)}\right]$

●I(n)＝Acos[φ(n)]

●Q(n)＝Asin[φ(n)]

φ(n)经过一阶差分，可得到数字调制信号

y(n)＝φ(n)-φ(n-1)

完成数字鉴频。

一阶差分输出的信号经过载波环路滤波器(滤波器带宽可取为1KHz～3KHz)，一路直接用于控制NCO，进一步对多普勒频移进行压缩，另一路经过DAC变换成模拟信号，用于控制接收机VCO频率，以实现对子载波多普勒频移的跟踪。

一阶差分输出的解调副载波信号，一路作为解调输出信号，另一路经过DAC变换成模拟信号，对接收机VCO进行反调制，以实现接收信号的调制跟踪。

3、基于CORDIC算法的数字鉴相方法设计

利用CORDIC算法求反正切函数。由

$\mathrm{\φ}\left(n\right)=k_{f}y\left(n\right)=\mathrm{arctg}\left[\frac{Q\left(n\right)}{I\left(n\right)}\right]$

完成数字鉴相。CORDIC算法中φ(n)是通过n次微旋转α_i来近似完成的。即

$\mathrm{\φ}\left(n\right)=-\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{d}_i{\mathrm{\α}}_i$

其中α_i为第i次微旋转的量，α_i≥0具体过程如下：

初始化

y₀＝Q(n)，x₀＝I(n)，φ₀＝0，

迭代过程

y_i+1＝y_i-d_ix_i2^-i

x_i+1＝x_i+d_iy₁2^-i

φ_i+1＝φ_i-d_iarctan(2^-i)

$d_i=\left\{\begin{array}{cc}+1,& y<0\\ -1,& y\&GreaterEqual;0\end{array}\right.$

采用上述迭代过程，当i→∞，φ_i+1→φ(n)

由于CORDIC算法只需加减法运算，因此可采用FPGA技术实现。

本发明数字化调频接收机的主要技术指标如下：

1.接收信号中心频率fr＝5925MHz～6425MHz中任意频点；

2.接收信号电平Pr＝-105dBm～50dBm；

3.接收信号多普勒频移范围[-180KHz，+180KHz]；

4.调制信号

调制方式：遥控副载波、测距信号时分的对接收载波最大调制频偏：副载波27.778KHz信号对载波最大调制频偏为[-200KHz，+200KHz]或[-400KHz，+400KHz]，副载波19KHz信号对载波最大调制频偏为[-136KHz，+136KHz]或[-273.6KHz，+273.6KHz]，；

5.解调信噪功率谱密度比

当输入电平为Pr＝-105dBm时，对遥控副载波27.778KHz的信噪公平谱密度比＞48dBHz。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (1)

1.一种大调制指数星载数字化调频接收机，包括低噪声放大器、第一下变频器、中频放大器、第二下变频器、第一倍频器、第二倍频器、自动增益控制器和压控振荡器，上行射频信号经过低噪声放大器后送至第一下变频器，第一下变频器的输出作为中频放大器的输入，中频放大器的输出送至第二下变频器，第二下变频器的输出通过自动增益控制器反馈至中频放大器；压控振荡器的信号一路经过第一倍频器送至第一下变频器，另一路经过第二倍频器送至第二下变频器，其特征在于：还包括中频数字化处理模块，中频数字化处理模块的输入为第二下变频器的输出，经中频数字化处理模块解调得到的信号一路直接输出，另一路经处理后反馈至压控振荡器；

所述的中频数字化处理模块包括模数转换器、数模转换器、数控振荡器、低通滤波器、CORDIC模块、一阶差分模块、载波跟踪环路滤波器以及调制跟踪环路滤波器，第二下变频器输出的信号经过模数转换后得到数字信号x(n)，x(n)=I(n)cos(ω_in)+jQ(n)sin(ω_in)，ω_i为数字信号的频率，I(n)和Q(n)分别为信号的实部和虚部，数控振荡器产生两路信号cos(ω_in)和sin(ω_in)，分别和x(n)作乘法运算，两路乘法运算结果分别经过低通滤波器后送至CORDIC模块，CORDIC模块利用CORDIC算法求得φ(n)经过一阶差分模块得到解调信号y(n)，y(n)分为三路，第一路y(n)直接输出，第二路y(n)经载波跟踪环路滤波器后分别送至数控振荡器以及第一数模转换器，第一数模转换器的输出送至压控振荡器，第三路y(n)送至第二数模转换器，第二数模转换器的输出经调制跟踪环路滤波器后送至压控振荡器；

所述的大调制指数星载数字化调频接收机工作于C波段。

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