CN109245797A - 一种统一载波体制信号相干转发实现方法及系统 - Google Patents

一种统一载波体制信号相干转发实现方法及系统 Download PDF

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Abstract

一种统一载波体制信号相干转发实现方法及系统，可以满足深空探测对数字化统一载波体制应答机的需求，其方法步骤为：将上行信号Fr与本振PSL1混频后产生接收中频信号FIF1，将上述信号FIF1转换为数字采样序列；对数字采样序列进行载波捕获跟踪，通过控制捕获跟踪过程中NCO的频率得到上行信号的多普勒频移和晶振时钟偏差量fd，fd由晶振频率乘一个偏移倍数X来表示；将上行信号的多普勒频移和晶振时钟偏差量fd按转发比K转发至下行，并与静态DDS频率Fs相加，得到DDS最终输出频率Fs’；将DDS最终输出频率Fs’信号通过数模转换成发射中频信号，并进一步与本振PLS2混频后产生最终的下行信号Ft’。

Description

一种统一载波体制信号相干转发实现方法及系统
技术领域
本发明涉及一种基于数字化实现统一载波体制信号相干转发的方法，属于卫星测量控制技术领域。
背景技术
近年来，我国持续对月球、火星开展了一系列深空探测活动，对于深空测控应答机的数字化要求越来越高。但是目前还没有用数字化的方法解决统一载波体制信号相干转发问题，导致应答机无法实现测速功能，补充作法是仍用模拟应答机分频后再倍频的方法来实现，这就导致应答机设计复杂，重量、体积和功耗大幅增加，难以满足深空探测对应答机的数字化要求。针对该任务特点，本文提出了一种数字化的统一载波体制信号相干转发实现方法，在满足数字化应答机测速功能的同时，简化了应答机设计，实现了产品的小型化设计要求。按照上述方法完成了数字化S频段统一载波应答机的研制，并已随卫星已在Halo轨道正常运行，证明了该应答机设计的有效性和可行性。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种数字化方法解决统一载波体制信号相干转发问题。
本发明的技术方案是：一种统一载波体制信号相干转发实现方法，其特征在于：采用数字化方式来实现统一载波体制信号相干转发。具体通过下述方式实现：
将上行信号Fr与本振PSL1混频后产生接收中频信号FIF1，将上述信号FIF1转换为数字采样序列；
对数字采样序列进行载波捕获跟踪，通过控制捕获跟踪过程中NCO的频率得到上行信号的多普勒频移和晶振时钟偏差量fd，fd由晶振频率乘一个偏移倍数X来表示；
将上行信号的多普勒频移和晶振时钟偏差量fd按转发比K转发至下行，并与静态DDS频率Fs相加，得到DDS最终输出频率Fs’
将DDS最终输出频率Fs’信号通过数模转换成发射中频信号，并进一步与本振PLS2混频后产生最终的下行信号Ft’。
进一步的，本振PSL1、本振PLS2、NCO以及DDS共用一个晶振频率Ftcxo作为参考信号。
进一步的，所述晶振频率Ftcxo可为任意值，可选温补或者恒温类型。
进一步的，PLS1＝N*Ftcxo，N为本振PSL1倍频次数，Ftcxo为晶振频率；PLS2＝M*Ftcxo，M为本振PSL2倍频次数。
进一步的，PLS1作为下边频器的低本振的同时PLS2作为上变频器的低本振进行变频处理，或者PLS1作为下边频器的高本振的同时PLS2作为上变频器的高本振进行变频处理。
进一步的，当载波处于静态标称频率时，NCO的频率Fnco＝P*Ftcxo＝FIF1；对载波进行捕获跟踪的过程中，控制Fnco＝(P+X)*Ftcxo＝FIF1+fd；
其中，P为固定倍数；X为锁定上行信号NCO产生的偏移倍数。
进一步的，DDS静态频率为Fs，Fs＝Q*Ftcxo，当应答机锁定上行信号进行相干转发时，控制DDS的频率Fs’＝Fs+fd*K，即Fs’＝(Q+X*K)*Ftcxo；
其中，Q为跟Ftcxo相关的固定系数，X为锁定上行信号NCO产生的偏移倍数。
进一步的，所述的转发比K任意设置。
一种统一载波体制信号相干转发系统，包括下变频器、上变频器、本振PSL1、本振PSL2、ADC、DAC、下混频模块、滤波模块、数字振荡器NCO、直接数字频率合成器DDS、载波捕获跟踪模块、上下行信号相干计算模块以及晶振；
本振PSL1、本振PLS2、NCO以及DDS共用一个晶振频率Ftcxo作为参考信号；
上行信号Fr通过下变频器与PLS1混频后产生接收中频信号FIF1；ADC将接收中频信号变换为数字采样序列；
数字采样序列通过下混频模块与NCO的频率进行混频，再经过滤波模块经过滤波，载波捕获跟踪模块对滤波后的信号进行处理，输出控制字至NCO；NCO根据接收的控制字产生对应的频率；
当锁定上行信号进行相干转发时，上下行信号相干计算模块根据载波捕获跟踪模块输出的控制字，控制DDS输出频率以抵消多普勒频移和晶振时钟偏差量fd；其中，DDS静态频率为Fs，Fs＝Q*Ftcxo，Q为跟Ftcxo相关的固定系数；
DAC将DDS输出的频率转化为发射中频信号FIF2；发射中频信号FIF2通过上变频器与本振PLS2混频后产生下行信号Ft’。
进一步的，所述的NCO在载波处于静态标称频率时，NCO的频率Fnco＝P*Ftcxo＝FIF1；对载波进行捕获跟踪的过程中，控制NCO的输出频率Fnco＝(P+X)*Ftcxo＝FIF1+fd；
其中，P为固定倍数；X为锁定上行信号NCO产生的偏移倍数。
进一步的，上下行信号相干计算模块控制DDS的输出频率Fs’＝Fs+fd*K，即Fs’＝(Q+X*K)*Ftcxo；
其中，X为锁定上行信号NCO产生的偏移倍数。
进一步的，所述的下混频模块、滤波模块、数字振荡器NCO、直接数字频率合成器DDS、载波捕获跟踪模块、上下行信号相干计算模块在FPGA中进行构建。
本发明与现有技术相比的优点在于：本发明采用数字化方式来实现统一载波体制信号相干转发问题。(1)该方法是通过相干计算对NCO和DDS进行控制得到相干转发信号，从而避免因晶振带来的噪声干扰导致下行信号相噪恶化；(2)传统的应答机是通过倍频分频的方法实现信号相干转发，它需要根据应答机的工作频率按照一定的比例关系去选择晶振的频率。在实际设计中受限于晶振的产生频率，应答机工作频率不能任意设置。使用本方法应答机的工作频率和晶振的频率无关，可任意选择晶振频率和应答机工作频率不受限制；(3)本方法采用数字化实现信号相干转发，可任意设置上下行信号相干转发比而不用改变应答机硬件设计；(4)传统的应答机需要使用压控晶振配合倍频分频的方法实现信号相干转发，本方法可去掉压控晶振，简化应答机设计。
附图说明
图1为统一载波体制信号相干转发实现原理框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。如图1所示，本振PSL1、本振PLS2、NCO以及DDS共用一个晶振频率Ftcxo作为参考信号。晶振频率Ftcxo可为任意值，可选温补或者恒温类型。本发明方案具体实施方式如下：
(1)上行信号Fr通过下变频器与PLS1混频后产生接收中频信号FIF1，Fr＝PLS1+FIF1，其中PLS1＝N*Ftcxo，N为本振PSL1倍频次数，Ftcxo为晶振频率；
(2)ADC将接收中频信号变换为数字采样序列；
(3)在FPGA中构建下混频模块、滤波模块、载波捕获跟踪模块与NCO组成载波捕获跟踪环路。数字采样序列通过下混频模块与NCO的频率进行混频，再经过滤波模块经过滤波，载波捕获跟踪模块对滤波后的信号进行处理，输出控制字至NCO；NCO根据接收的控制字产生对应的频率；通过控制捕获跟踪过程中NCO的频率得到上行信号的多普勒频移和晶振时钟偏差量fd
当载波处于静态标称频率时，则有Fnco＝P*Ftcxo＝FIF1，P为一个固定倍数；当对载波进行捕获跟踪的过程中，控制NCO频率Fnco＝(P+X)*Ftcxo＝FIF1+fd，fd为上行信号的多普勒频移和晶振时钟偏差量，X为锁定上行信号NCO产生的偏移倍数，即fd＝X*Ftcxo；
(4)在FPGA中设置上下行信号频率转发比固定值K(例如在S频段K＝240/221，在X频段K＝880/749，K可为任意值)；
(5)在FPGA中设置DDS静态频率为Fs，Fs＝Q*Ftcxo，当应答机锁定上行信号进行相干转发时，即将上行信号的多普勒频移和晶振时钟偏差量按转发比转发至下行，则需要对DDS进行额外的频率控制，则有Fs’＝Fs+fd*k，即Fs’＝(Q+X*K)*Ftcxo；
(6)DAC将DDS输出的频率转化为发射中频信号FIF2，FIF2＝Fs’；
(7)发射中频信号FIF2通过上变频器与PLS2混频后产生相干下行信号Ft’，Ft’＝FIF2+PLS2，其中PLS2＝M*Ftcxo，M为本振PSL2倍频次数；
在上述上下行信号相干转发过程中发现，信号相干转发与应答机自身晶振无关。具体过程为：设上行信号标称工作频率为Fr，下行信号标称工作频率为Ft，则有Ft＝Fr*K，其中K为相干转发比。但是实际上行信号中会带有多普勒频移和晶振时钟偏差量fd，需要将多普勒频移和晶振时钟偏差量fd按照相干转发比增加到下行信号中即fd*K，实际下行相干信号频率为Ft’，Ft’＝Ft+fd*K＝(Fr+fd)*K，该公式中无Ftcxo，因此信号相干转发与应答机自身晶振频率值无关，即当选择不同的晶振的频率值时，只需要将软件中对应的K和Q的值按照关系式进行更改，应答机硬件无需更改。
实施例
例如应答机在S频段工作，上行信号标称频率为2055.3MHz，信号相干转发比K＝240/221，则有下行信号标称频率为2232MHz。假设上行信号带有2.21KHz的多普勒频率偏移量，则实际上行信号频率为2055.30221MHz。
假设选用的温补晶振Ftcxo＝10MHz作为PLS1，PLS2本振的参考信号及数字处理时钟信号。假设PLS1＝2000MHz＝N*Ftcxo(可得N＝200)，得到接收中频信号FIF1＝55.30221MHz。
当载波锁定上行信号后，由Fnco＝(P+X)*Ftcxo＝FIF1可得P＝5.53，X＝0.000221。
下行信号标称频率为2232MHz，假设PLS2＝2150MHz＝M*Ftcxo(可得M＝215)，则有发射中频信号标称频率为82MHz，即FIF2＝Fs＝Q*Ftcxo＝82MHz，(可得Q＝8.2)。
当应答机锁定上行信号进行相干转发时，按照相干转发比K＝240/221，需要对DDS进行额外的频率多普勒补偿，即Fs’＝Fs+fd*k＝Fs’＝(Q+X*K)*Ftcxo＝82.024MHz，得到实际发射中频信号频率为82.024MHz，再与PLS2混频得到下行相干信号，其工作频率为2232.0024MHz。
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 (13)

1.一种统一载波体制信号相干转发实现方法，其特征在于：采用数字化方式来实现统一载波体制信号相干转发。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的数字化的方式实现统一载波体制信号相干转发通过下述方式实现：
将上行信号Fr与本振PSL1混频后产生接收中频信号FIF1，将上述信号FIF1转换为数字采样序列；
对数字采样序列进行载波捕获跟踪，通过控制捕获跟踪过程中NCO的频率得到上行信号的多普勒频移和晶振时钟偏差量fd，fd由晶振频率乘一个偏移倍数X来表示；
将上行信号的多普勒频移和晶振时钟偏差量fd按转发比K转发至下行，并与静态DDS频率Fs相加，得到DDS最终输出频率Fs’；
将DDS最终输出频率Fs’信号通过数模转换成发射中频信号，并进一步与本振PLS2混频后产生最终的下行信号Ft’。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：本振PSL1、本振PLS2、NCO以及DDS共用一个晶振频率Ftcxo作为参考信号。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述晶振频率Ftcxo可为任意值，可选温补或者恒温类型。
5.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于：PLS1＝N*Ftcxo，N为本振PSL1倍频次数，Ftcxo为晶振频率；PLS2＝M*Ftcxo，M为本振PSL2倍频次数。
6.根据权利要求2或5所述的方法，其特征在于：PLS1作为下边频器的低本振的同时PLS2作为上变频器的低本振进行变频处理，或者PLS1作为下边频器的高本振的同时PLS2作为上变频器的高本振进行变频处理。
7.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于：当载波处于静态标称频率时，NCO的频率Fnco＝P*Ftcxo＝FIF1；对载波进行捕获跟踪的过程中，控制Fnco＝(P+X)*Ftcxo＝FIF1+fd；
其中，P为固定倍数；X为锁定上行信号NCO产生的偏移倍数。
8.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于：DDS静态频率为Fs，Fs＝Q*Ftcxo，当应答机锁定上行信号进行相干转发时，控制DDS的频率Fs’＝Fs+fd*K，即Fs’＝(Q+X*K)*Ftcxo；
其中，Q为跟Ftcxo相关的固定系数，X为锁定上行信号NCO产生的偏移倍数。
9.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述的转发比K任意设置。
10.一种统一载波体制信号相干转发系统，其特征在于：包括下变频器、上变频器、本振PSL1、本振PSL2、ADC、DAC、下混频模块、滤波模块、数字振荡器NCO、直接数字频率合成器DDS、载波捕获跟踪模块、上下行信号相干计算模块以及晶振；
本振PSL1、本振PLS2、NCO以及DDS共用一个晶振频率Ftcxo作为参考信号；
上行信号Fr通过下变频器与PLS1混频后产生接收中频信号FIF1；ADC将接收中频信号变换为数字采样序列；
数字采样序列通过下混频模块与NCO的频率进行混频，再经过滤波模块经过滤波，载波捕获跟踪模块对滤波后的信号进行处理，输出控制字至NCO；NCO根据接收的控制字产生对应的频率；
当锁定上行信号进行相干转发时，上下行信号相干计算模块根据载波捕获跟踪模块输出的控制字，控制DDS输出频率以抵消多普勒频移和晶振时钟偏差量fd；其中，DDS静态频率为Fs，Fs＝Q*Ftcxo，Q为跟Ftcxo相关的固定系数；
DAC将DDS输出的频率转化为发射中频信号FIF2；发射中频信号FIF2通过上变频器与本振PLS2混频后产生下行信号Ft’。
11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于：所述的NCO在载波处于静态标称频率时，NCO的频率Fnco＝P*Ftcxo＝FIF1；对载波进行捕获跟踪的过程中，控制NCO的输出频率Fnco＝(P+X)*Ftcxo＝FIF1+fd；
其中，P为固定倍数；X为锁定上行信号NCO产生的偏移倍数。
12.根据权利要求10所述的系统，其特征在于：上下行信号相干计算模块控制DDS的输出频率Fs’＝Fs+fd*K，即Fs’＝(Q+X*K)*Ftcxo；
其中，X为锁定上行信号NCO产生的偏移倍数。
13.根据权利要求10所述的系统，其特征在于：所述的下混频模块、滤波模块、数字振荡器NCO、直接数字频率合成器DDS、载波捕获跟踪模块、上下行信号相干计算模块在FPGA中进行构建。
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