CN110138701A - 一种星载低码率bpsk解调科斯塔斯环电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种星载低码率BPSK解调科斯塔斯环电路，包括乘法器、有源低通滤波器、压控晶振、分频器、检波器、比较器、环路滤波器，用于完成极低码速率BPSK信号的解调。该电路基于经典的科斯塔斯环，核心电路均为模拟器件，鉴相器由乘法器实现，有源低通滤波器由运算放大器构成，其带宽极窄，压控晶振输出参考信号由分频器进行分频，得到BPSK载波信号，I、Q两路信号经过乘法器鉴相后再通过比较器可以得到锁定指示信号。针对极低码率的BPSK信号解调，该电路可以提供极佳的解调性能和可靠的锁定指示信号，同时符合卫星使用要求，具有简单可靠、易于实现、成本低、抗辐照性能好等优点。

Description

一种星载低码率BPSK解调科斯塔斯环电路

技术领域

本发明属于星载BPSK信号解调技术领域，尤其涉及一种星载低码率BPSK解调科斯塔斯环电路。

背景技术

考虑到调制效率、误码率以及成熟度等因素，中星-地链路数据通信一般采用BPSK(Binary Phase Shift Keying)调制方式。随着空间技术的发展，特别是深空探测的不断开展，由于通信距离十分遥远，星载接收机所接收到的信号十分微弱，信噪比很低，为保证通信误码率，在深空探测中BPSK信号的码速率会很低，国际上目前最低码速率为7.8125bps，BPSK信号频率一般为8kHz。

对于BPSK信号的解调可以使用很多方法，其中比较经典的是科斯塔斯环，其内部压控晶振输出频率与输入调制信号相同，针对目前应用场合需要使用8kHz晶振，另一方面该电路无法提供解调锁定信号。由于目前在星载应用领域一般不能使用低于3MHz频率的晶振，同时需要解调电路能够产生锁定指示信号，另外针对极低码速率深空应用需要合理设计各电路参数，保证解调性能，尽量做到无损耗解调。

发明内容

本发明的技术目的是提供一种星载低码率BPSK解调科斯塔斯环电路，具有简单可靠、易于实现、成本低、抗辐照性能好、解调锁定指示明显的技术特点。

为解决上述问题，本发明的技术方案为：

一种星载低码率BPSK解调科斯塔斯环电路，包括：第一乘法器、第二乘法器、第三乘法器、第一低通滤波器、第二低通滤波器、环路滤波器、压控晶振、分频器；

所述压控晶振用于产生参考信号，所述分频器用于对所述参考信号进行分频，分别输出得到第一BPSK载波信号与第二BPSK载波信号，所述第一BPSK载波信号与所述第二BPSK载波信号的相位差为90度；

所述第一乘法器用于接收所需解调的BPSK调制信号，并将所述BPSK调制信号与所述第一BPSK载波信号进行鉴相，得到第一鉴相信号，所述第二乘法器用于接收所述BPSK调制信号,并将所述BPSK调制信号与所述第二BPSK载波信号进行鉴相，得到第二鉴相信号；

所述第一低通滤波器用于对所述第一鉴相信号进行滤波，得到第一滤波信号，所述第二低通滤波器用于对所述第二鉴相信号进行滤波，得到第二滤波信号；

所述第三乘法器用于将所述第一滤波信号与所述第二滤波信号进行鉴相，得到第三鉴相信号，所述环路滤波器用于对所述第三鉴相信号进行滤波，得到频率调整信号，所述压控晶振还用于根据所述频率调整信号调整所述参考信号的频率值；其中，

所述第一乘法器、所述第二乘法器、所述第三乘法器、所述第一低通滤波器、所述第二低通滤波器、所述环路滤波器、所述压控晶振均为基于模拟器件实现。

根据本发明一实施例，还包括第一检波器、第二检波器、比较器；

所述第一检波器用于对所述第一滤波信号进行幅度检波，得到第一检波信号，所述第二检波器用于对所述第二滤波信号进行幅度检波，得到第二检波信号，所述比较器用于对所述第一检波信号与所述第二检波信号进行幅度比较，得到锁定指示信号。

根据本发明一实施例，所述第一低通滤波器与所述第二低通滤波器均为压控电压源低通滤波器，所述压控电压源低通滤波器包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第一电容、第二电容、第一运算放大器；

所述第一电阻的一端与低通滤波器的输入端电连接，所述第一电阻的另一端分别与所述第一电容的一端、所述第二电阻的一端电连接，所述第一电容的另一端与低通滤波器的输出端电连接，所述第二电阻的另一端分别与所述第一运算放大器的正极、所述第二电容的一端电连接，所述第二电容的另一端接地，所述第一运算放大器的负极分别与所述第三电阻的一端、所述第四电阻的一端电连接，所述第三电阻的另一端接地，所述第四电阻的另一端和所述第一运算放大器的输出极均与所述低通滤波器的输出端电连接。

根据本发明一实施例，所述环路滤波器具体包括第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第三电容、第二运算放大器；

所述环路滤波器的输入端与所述第七电阻的一端电连接，所述第七电阻的另一端分别与所述第五电阻的一端、所述第六电阻的一端、所述第二运算放大器的负极电连接，所述第六电阻的另一端与所述第三电容的一端电连接，所述第二运算放大器的正极与所述第八电阻的一端电连接，所述第八电阻的另一端接地，所述环路滤波器的输出端分别与所述第五电阻的另一端、所述第三电容的另一端、所述第二运算放大器的输出极电连接。

本发明由于采用以上技术方案，使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：

本发明通过基于模拟器件的科斯塔斯环的设计，乘法器作为鉴相器，有源低通滤波器、环路滤波器由运算放大器构成，可以实现对极低码速率BPSK调制信号进行解调，同时，通过缩窄低通滤波器带宽，减小环路噪声幅度，合理设置环路带宽，可以通过该模拟设计实现对BPSK信号近似无损耗解调，解调性能且可接近理论值，此外，通过检波器与比较器还能得到可靠的锁定指示信号，通过锁定指示信号可以反馈科斯塔斯环是否在解调，达到了简单可靠、易于实现、成本低、抗辐照性能好、解调锁定指示明显的技术效果。

附图说明

图1为本发明一种星载低码率BPSK解调科斯塔斯环电路的架构框图；

图2为本发明一种星载低码率BPSK解调科斯塔斯环电路的压控电压源低通滤波器的电路图；

图3为本发明一种星载低码率BPSK解调科斯塔斯环电路的环路滤波器的电路图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种星载低码率BPSK解调科斯塔斯环电路作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。

参看图1，本实施例提供一种星载低码率BPSK解调科斯塔斯环电路，包括：第一乘法器、第二乘法器、第三乘法器、第一低通滤波器、第二低通滤波器、环路滤波器、压控晶振、分频器；

压控晶振用于产生参考信号，分频器用于对参考信号进行分频，分别输出得到第一BPSK载波信号与第二BPSK载波信号，第一BPSK载波信号与第二BPSK载波信号的相位差为90度；

第一乘法器用于接收所需解调的BPSK调制信号，并将BPSK调制信号与第一BPSK载波信号进行鉴相，得到第一鉴相信号，第二乘法器用于接收BPSK调制信号,并将BPSK调制信号与第二BPSK载波信号进行鉴相，得到第二鉴相信号；

第一低通滤波器用于对第一鉴相信号进行滤波，得到第一滤波信号，第二低通滤波器用于对第二鉴相信号进行滤波，得到第二滤波信号；

第三乘法器用于将第一滤波信号与第二滤波信号进行鉴相，得到第三鉴相信号，环路滤波器用于对第三鉴相信号进行滤波，得到频率调整信号，压控晶振还用于根据频率调整信号调整参考信号的频率值；其中，

第一乘法器、第二乘法器、第三乘法器、第一低通滤波器、第二低通滤波器、环路滤波器、压控晶振均为基于模拟器件实现。

现对本实施例进行具体说明：

本实施例以低码速率7.8125bps、信号频率8kHz的BPSK调制信号为例，进行对本实施的设计说明，但本发明不限于该举例的具体参数。参见示出本发明实施例的附图，下文将更详细地描述，然而，本发明可以以许多不同形式实现，并且不应解释为受在此提出的实施例的限制。相反，提出这些实施例是为了达成充分及完整公开，并且使本技术领域的技术人员完全了解本发明的范围。

参看图1，本实施例电路基于经典的科斯塔斯环，核心电路均为模拟器件，鉴相器由乘法器实现，有源低通滤波器由运算放大器构成，其带宽极窄，压控晶振输出参考信号由分频器进行分频，得到BPSK载波信号，I、Q两路信号经过乘法器鉴相后再通过比较器可以得到锁定指示信号。针对极低码率的BPSK信号解调，该电路可以提供极佳的解调性能和可靠的锁定指示信号，同时符合卫星使用要求，具有简单可靠、易于实现、成本低、抗辐照性能好等优点。

参看图1，第一乘法器(乘法器1)、第二乘法器(乘法器2)：其功能是将两路输入信号进行鉴相，以对BPSK调制信号进行解调，得到第一鉴相信号与第二鉴相信号，第一鉴相信号与第二鉴相信号为幅度与输入信号相位差成正比的直流信号。较佳的，乘法器选用AD公司的AD835，为保证解调性能，需要调试AD835工作直流点，确保其输出直流电压分量为0V。

参看图1，第一低通滤波器(低通滤波器1)和第二低通滤波器(低通滤波器2)：滤除第一乘法器和第二乘法器输出谐杂波信号以及噪声信号。较佳的，滤波器选用压控电压源形式，3dB带宽取4Hz，电路形式如图2所示。

具体地，参看图2,压控电压源低通滤波器包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第一电容C1、第二电容C2、第一运算放大器，其中，电容C1和C2取值1μF，电阻R1和R2取值43kΩ，滤波器放大倍数设计为2。

具体地，参看图2，第一电阻的一端与低通滤波器的输入端电连接，第一电阻的另一端分别与第一电容的一端、第二电阻的一端电连接，第一电容的另一端与低通滤波器的输出端电连接，第二电阻的另一端分别与第一运算放大器的正极、第二电容的一端电连接，第二电容的另一端接地，第一运算放大器的负极分别与第三电阻的一端、第四电阻的一端电连接，第三电阻的另一端接地，第四电阻的另一端和第一运算放大器的输出极均与低通滤波器的输出端电连接。

参看图1，第三乘法器(乘法器3)：该乘法器的电路、器件和第一乘法器的相同，其功能是将第一滤波信号与第二滤波信号进行鉴相，以鉴别解调后的残留载波限位值，即第三鉴相信号。

环路滤波器：较佳的，环路滤波器选用积分滤波器，由运放构成，电路形式如图3所示，具体地，环路滤波器具体包括第五电阻R1、第六电阻R2、第七电阻R3、第八电阻R4、第三电容C1、第二运算放大器，电容C1取值20μF，电阻R1取值1MΩ，R2取值20kΩ，R3和R4取值75kΩ。

具体地，参看图3，环路滤波器的输入端与第七电阻的一端电连接，第七电阻的另一端分别与第五电阻的一端、第六电阻的一端、第二运算放大器的负极电连接，第六电阻的另一端与第三电容的一端电连接，第二运算放大器的正极与第八电阻的一端电连接，第八电阻的另一端接地，环路滤波器的输出端分别与第五电阻的另一端、第三电容的另一端、第二运算放大器的输出极电连接。

压控晶振：输出中心频率需大于3MHz。较佳的，选择其频率为4.096MHz。

分频器：参看图1，将压控晶振输出频率进行512次分频，得到相位差为90度的I、Q两路信号，即第一BPSK载波信号与第二BPSK载波信号，信号频率为8kHz。两路I、Q信号分别输入至第一乘法器和第二乘法器，与输入信号(BPSK调制信号)进行鉴相。较佳的，为降低电路硬件规模且提高可靠性，分频器可选用反熔丝FPGA。

较优地，参看图1，还包括第一检波器(检波器1)、第二检波器(检波器2)、比较器；第一检波器用于对第一滤波信号进行幅度检波，得到第一检波信号，第二检波器用于对第二滤波信号进行幅度检波，得到第二检波信号，比较器用于对第一检波信号与第二检波信号进行幅度比较，得到锁定指示信号。

具体地，检波器1和检波器2分别完成对低通滤波器输出信号的幅度检波。较佳的，检波器可由二极管实现。比较器完成两个检波器输出信号的幅度比较。较佳的，本实施例中，比较器由运算放大器实现，BPSK信号解调时，锁定指示为高电平，未解调时锁定指示为低电平。

通过缩窄低通滤波器带宽，减小环路噪声幅度，合理设置环路带宽，可以通过该模拟方法实现对BPSK信号近似无损耗解调。同时，电路中所有元器件均具有较强的抗辐照性能，适合应用深空探测场合。

本实施例中，除分频器外均由模拟器件实现(分频器可由触发器和计数器实现，考虑到分频次数较多，电路规模比较大)，低通滤波器带宽选择为码速率的一半，同时器件的选用均符合目前卫星应用规范，内部晶振输出频率不低于3MHz。输入信号归一化信噪比为20dB，在码速率7.8125bps的情况下，误码率可以达到1×10^-6，该方法具有成本低、抗辐照性能好等优点。

本实施例通过基于模拟器件的科斯塔斯环的设计，乘法器作为鉴相器，有源低通滤波器、环路滤波器由运算放大器构成，可以实现对极低码速率BPSK调制信号进行解调，同时，通过缩窄低通滤波器带宽，减小环路噪声幅度，合理设置环路带宽，可以通过该模拟设计实现对BPSK信号近似无损耗解调，解调性能且可接近理论值，此外，通过检波器与比较器还能得到可靠的锁定指示信号，通过锁定指示信号可以反馈科斯塔斯环是否在解调，达到了简单可靠、易于实现、成本低、抗辐照性能好、解调锁定指示明显的技术效果。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式。即使对本发明作出各种变化，倘若这些变化属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本发明的保护范围之中。

Claims (4)

1.一种星载低码率BPSK解调科斯塔斯环电路，其特征在于，包括：第一乘法器、第二乘法器、第三乘法器、第一低通滤波器、第二低通滤波器、环路滤波器、压控晶振、分频器；

所述压控晶振用于产生参考信号，所述分频器用于对所述参考信号进行分频，分别输出得到第一BPSK载波信号与第二BPSK载波信号，所述第一BPSK载波信号与所述第二BPSK载波信号的相位差为90度；

所述第一乘法器用于接收所需解调的BPSK调制信号，并将所述BPSK调制信号与所述第一BPSK载波信号进行鉴相，得到第一鉴相信号，所述第二乘法器用于接收所述BPSK调制信号,并将所述BPSK调制信号与所述第二BPSK载波信号进行鉴相，得到第二鉴相信号；

所述第一低通滤波器用于对所述第一鉴相信号进行滤波，得到第一滤波信号，所述第二低通滤波器用于对所述第二鉴相信号进行滤波，得到第二滤波信号；

所述第三乘法器用于将所述第一滤波信号与所述第二滤波信号进行鉴相，得到第三鉴相信号，所述环路滤波器用于对所述第三鉴相信号进行滤波，得到频率调整信号，所述压控晶振还用于根据所述频率调整信号调整所述参考信号的频率值；其中，

所述第一乘法器、所述第二乘法器、所述第三乘法器、所述第一低通滤波器、所述第二低通滤波器、所述环路滤波器、所述压控晶振均为基于模拟器件实现。

2.根据权利要求1所述的星载低码率BPSK解调科斯塔斯环电路，其特征在于，还包括第一检波器、第二检波器、比较器；

所述第一检波器用于对所述第一滤波信号进行幅度检波，得到第一检波信号，所述第二检波器用于对所述第二滤波信号进行幅度检波，得到第二检波信号，所述比较器用于对所述第一检波信号与所述第二检波信号进行幅度比较，得到锁定指示信号。

3.根据权利要求1或2所述的星载低码率BPSK解调科斯塔斯环电路，其特征在于，所述第一低通滤波器与所述第二低通滤波器均为压控电压源低通滤波器，所述压控电压源低通滤波器包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第一电容、第二电容、第一运算放大器；

所述第一电阻的一端与低通滤波器的输入端电连接，所述第一电阻的另一端分别与所述第一电容的一端、所述第二电阻的一端电连接，所述第一电容的另一端与低通滤波器的输出端电连接，所述第二电阻的另一端分别与所述第一运算放大器的正极、所述第二电容的一端电连接，所述第二电容的另一端接地，所述第一运算放大器的负极分别与所述第三电阻的一端、所述第四电阻的一端电连接，所述第三电阻的另一端接地，所述第四电阻的另一端和所述第一运算放大器的输出极均与所述低通滤波器的输出端电连接。

4.根据权利要求1或2所述的星载低码率BPSK解调科斯塔斯环电路，其特征在于，所述环路滤波器具体包括第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第三电容、第二运算放大器；

所述环路滤波器的输入端与所述第七电阻的一端电连接，所述第七电阻的另一端分别与所述第五电阻的一端、所述第六电阻的一端、所述第二运算放大器的负极电连接，所述第六电阻的另一端与所述第三电容的一端电连接，所述第二运算放大器的正极与所述第八电阻的一端电连接，所述第八电阻的另一端接地，所述环路滤波器的输出端分别与所述第五电阻的另一端、所述第三电容的另一端、所述第二运算放大器的输出极电连接。