CN110460367A - 鸿雁低轨通信卫星信号接收方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及鸿雁低轨通信卫星信号接收方法，基于FPGA+ARM架构硬件，接收鸿雁低轨卫星L频段通信信号，对L频段信号进行低噪声放大，并下变频至中频频段，完成信号的模数转换，再将中频数字信号依据空口协议，完成对信号的捕获、同步、译码和解扰，得到卫星通信电文，经通信协议解析和数据校验，最终送到串口输出。本发明解决了低轨卫星大多普勒信号捕获跟踪、多速率信号接收等技术问题，功能全面，性能优异，后续可进行应用推广。

Description

鸿雁低轨通信卫星信号接收方法

技术领域

本发明涉及卫星通信技术领域，具体涉及一种鸿雁低轨通信卫星信号接收方法。

背景技术

低轨卫星通信系统由数百颗低轨卫星组成，可提供面向全球的智能终端通信、物联网、移动广播、导航增强、航空航海监视、宽带互联网接入等服务。2018年12月29日，鸿雁首颗试验星（以下简称首发星）在酒泉发射场发射成功，为用户提供数据交换、数据采集、数据广播等服务。

首发星为国内首颗低轨通信卫星，通信体制和星地接口规范皆为专门制定，目前国内外尚无专用的地面接收发射装置，为适应在轨测试需求，并为组网星进行技术验证，需要研发专属信号接收装置。

发明内容

本发明的目的是提供一种鸿雁低轨通信卫星信号接收方法，解决了低轨卫星大多普勒信号捕获跟踪、多速率信号接收等技术问题。

本发明所采用的技术方案为：

鸿雁低轨通信卫星信号接收方法，其特征在于：

基于FPGA+ARM架构硬件，接收鸿雁首颗试验星低轨卫星L频段通信信号，对L频段信号进行低噪声放大，并下变频至中频频段，完成信号的模数转换，再将中频数字信号依据空口协议，完成对信号的捕获、同步、译码和解扰，得到卫星通信电文，经通信协议解析和数据校验，最终送到串口输出。

FPGA+ARM架构硬件包括天线、射频通道、AD转换器、FPGA处理器和ARM处理器；

天线接收鸿雁低轨卫星L频段通信信号；

射频通道对L频段信号进行低噪声放大，并下变频至中频频段；

AD转换器完成信号的模数转换，再将中频数字信号送给FPGA处理器；

FPGA处理器依据空口协议，完成对信号的捕获、同步、译码和解扰，得到卫星通信电文，发送至ARM处理器；

ARM处理器完成信号的码跟踪和载波跟踪，进行通信协议解析和数据校验，最终送到串口输出。

天线采用微带天线，接收和发射两层一体，并采用双馈提高轴比性能。

射频通道对信号的具体处理为：

接收的卫星信号进入低噪放单元，首先进行滤波和放大，防止发射信号对低噪放进行阻塞，信号经一级放大后经镜像滤波器对镜像信号和发射信号进行滤波，再经一级放大后输出到下变频单元；在接收信号下变频之前增加一级放大和滤波，然后与本振进行混频，将L频段信号下变频至中频，再经放大和滤波后输出。

FPGA处理器对信号的具体处理为：

中频数字信号进入FPGA处理器后，先对信号进行捕获，ARM处理器控制捕获流程的启动；捕获流程启动后，信号首先与本地复制载波NCO1的同相支路与正交相支路进行混频实现载波剥离，再经过一级低通滤波器滤除和频分量，再根据速率档进行数据抽取滤波，得到同相、正交两路数据，对两路数据进行存储，同时对本地生成的C/A码进行存储；存储完毕后，将数据与C/A码进行相关，接着相关结果经过时间T的非相干积分后生成数据对I和Q，求平方后进行相加得到非相干积分幅值；遍历完所有存储的数据，输出最大捕获峰值与码相位信息给ARM处理器，即一次捕获结束；再进行频点遍历，不同速率档采用不同的频率步进，进行捕获流程；每次将捕获结果写给ARM处理器，频点遍历结束后，ARM处理器对捕获结果进行分析，当捕获峰值大于设定的阈值时，认为捕获成功，将此时对应的载波频率和码相位反馈给FPGA处理器；

FPGA用ARM处理器反馈的载波频率和码相位调整载波NCO2和码发生器2，完成信号的粗同步，对输入中频信号进行载波剥离和码剥离，并进行早码、准码和晚码共六路信号的积分相关，积分周期T，码间距1/2chip，得到的相关值送给ARM处理器进行信号跟踪，跟踪反馈的结果再写给FPGA处理器，精细调整本地复制载波频率和C/A码码相位，实现信号的精同步；

信号跟踪稳定后，提取原始数据，与帧头比较，恢复完整的数据包，然后对其进行LDPC译码和解扰，获得卫星通信电文。

ARM处理器控制捕获的启动，包括自动重捕机制和通过串口设置进行信号重捕；完成信号的码跟踪和载波跟踪，进行通信协议解析和数据校验，最终送到串口输出。

本发明具有以下优点：

本发明采用FPGA+ARM架构，包括天线接收射频通道、AD转换器、FPGA处理器及ARM处理器。所述天线用于接收卫星信号，所述接收射频通道和AD转换器，用于对天线接收的鸿雁低轨卫星L频段通信信号进行低噪声放大，下变频至中频频点，并采样量化，得到鸿雁卫星中频频段数字信号；所述FPGA处理器，用于对所述鸿雁卫星中频数字信号进行捕获、同步、译码和解扰，得到鸿雁卫星通信电文；所述ARM处理器，用于对所述鸿雁卫星中频信号捕获控制，多普勒计算，信号跟踪，最后进行协议解析，输出鸿雁卫星通信电文，由此实现对鸿雁卫星通信信号的接收。该接收装置适应多种不同的数据速率，已经应用于首发星的在轨测试，测试结果表明该接收装置功能全面，性能优异，后续可进行应用推广。

附图说明

图1是鸿雁低轨通信卫星信号接收装置原理图；

图2是接收天线增益方向图；

图3是射频通道原理图;

图4是FPGA处理流程图；

图5是ARM处理流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细的说明。

本发明涉及鸿雁低轨通信卫星信号接收方法，基于FPGA+ARM架构硬件，接收鸿雁低轨卫星L频段通信信号，对L频段信号进行低噪声放大，并下变频至中频频段，完成信号的模数转换，再将中频数字信号依据空口协议，完成对信号的捕获、同步、译码和解扰，得到卫星通信电文，经通信协议解析和数据校验，最终送到串口输出。

1、总体工作流程

图1所示，信号接收装置由天线、射频通道、AD转换器、FPGA处理器和ARM处理器组成，其中天线接收鸿雁低轨卫星L频段通信信号，射频通道对L频段信号进行低噪声放大，并下变频至中频频段，经AD转换器完成信号的模数转换，再将中频数字信号送给FPGA处理器，FPGA处理器依据空口协议，完成对信号的捕获、同步、译码和解扰（跟踪由ARM处理器完成），得到卫星通信电文，再由ARM处理器进行通信协议解析和数据校验，最终送到串口输出。

2、天线

天线接收卫星发射的L频段射频信号，采用微带天线，接收和发射两层一体设计，并采用双馈提高轴比性能，其增益仿真图如图2所示。

3、射频通道工作流程

由于AD转换器接收的电平范围和信号频率有限，卫星信号经过空间衰减，到达天线口面的功率非常小，因此需要对信号进行低噪声放大，并下变频至中频频段，其原理图如图3所示。接收的卫星信号进入低噪放单元，首先进行滤波和放大，防止发射信号对低噪放进行阻塞，信号经一级放大后经镜像滤波器对镜像信号和发射信号进行滤波，再经一级放大后输出到下变频单元。在接收信号下变频之前增加一级放大和滤波，然后与本振进行混频，将L频段信号下变频至中频，再经放大和滤波后输出，各级滤波器提供一定的带外抑制，并保证良好的收发隔离度，具备AGC功能。

4、FPGA处理器工作流程

如图4所示，中频数字信号进入FPGA处理器后，先对信号进行捕获，ARM处理器控制捕获流程的启动。捕获流程启动后，信号首先与本地复制载波NCO1的同相支路与正交相支路进行混频实现载波剥离，再经过一级低通滤波器滤除和频分量，再根据速率档进行数据抽取滤波，得到同相、正交两路数据，对两路数据进行存储，同时对本地生成的C/A码进行存储。存储完毕后，将数据与C/A码进行相关，接着相关结果经过时间T的非相干积分后生成数据对I和Q，求平方后进行相加得到非相干积分幅值。遍历完所有存储的数据，输出最大捕获峰值与码相位信息给ARM处理器，即一次捕获结束。再进行频点遍历，不同速率档采用不同的频率步进，进行捕获流程。每次将捕获结果写给ARM处理器，频点遍历结束后，ARM处理器对捕获结果进行分析，当捕获峰值大于设定的阈值时，认为捕获成功，将此时对应的载波频率和码相位反馈给FPGA。

FPGA用ARM反馈的载波频率和码相位调整载波NCO2和码发生器2，完成信号的粗同步，对输入中频信号进行载波剥离和码剥离，并进行早码、准码和晚码共六路信号的积分相关，积分周期T，码间距1/2chip，得到的相关值送给ARM进行信号跟踪，跟踪反馈的结果再写给FPGA处理器，精细调整本地复制载波频率和C/A码码相位，实现信号的精同步。

信号跟踪稳定后，提取原始数据，与帧头比较，恢复完整的数据包，然后对其进行LDPC译码和解扰，获得卫星通信电文。

5、ARM处理器工作流程

如图5所示，ARM处理器控制捕获的启动，具备自动重捕机制，也可通过串口设置进行信号重捕。捕获结束后，计算出载波多普勒和码相位，写给FPGA处理器。信号跟踪模块也在ARM处理器中进行，相对于FPGA处理器来说精度较高。FPGA处理器解出通信电文后发送给ARM，ARM处理器进行协议解析和数据校验，最终通过串口输出。

本发明已经成功应用于鸿雁首发星的在轨测试，可适应多种数据速率，大多普勒情况下信号捕获速度快，跟踪稳定，功能全面，性能优异，可进行行业应用推广。

本发明的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。

Claims (6)

1.鸿雁低轨通信卫星信号接收方法，其特征在于：

基于FPGA+ARM架构硬件，接收鸿雁首颗试验星低轨卫星L频段通信信号，对L频段信号进行低噪声放大，并下变频至中频频段，完成信号的模数转换，再将中频数字信号依据空口协议，完成对信号的捕获、同步、译码和解扰，得到卫星通信电文，经通信协议解析和数据校验，最终送到串口输出。

2.根据权利要求1所述的鸿雁低轨通信卫星信号接收方法，其特征在于：

FPGA+ARM架构硬件包括天线、射频通道、AD转换器、FPGA处理器和ARM处理器；

天线接收鸿雁低轨卫星L频段通信信号；

射频通道对L频段信号进行低噪声放大，并下变频至中频频段；

AD转换器完成信号的模数转换，再将中频数字信号送给FPGA处理器；

FPGA处理器依据空口协议，完成对信号的捕获、同步、译码和解扰，得到卫星通信电文，发送至ARM处理器；

ARM处理器完成信号的码跟踪和载波跟踪，进行通信协议解析和数据校验，最终送到串口输出。

3.根据权利要求2所述的鸿雁低轨通信卫星信号接收方法，其特征在于：

天线采用微带天线，接收和发射两层一体，并采用双馈提高轴比性能。

4.根据权利要求3所述的鸿雁低轨通信卫星信号接收方法，其特征在于：

射频通道对信号的具体处理为：

接收的卫星信号进入低噪放单元，首先进行滤波和放大，防止发射信号对低噪放进行阻塞，信号经一级放大后经镜像滤波器对镜像信号和发射信号进行滤波，再经一级放大后输出到下变频单元；在接收信号下变频之前增加一级放大和滤波，然后与本振进行混频，将L频段信号下变频至中频，再经放大和滤波后输出。

5.根据权利要求4所述的鸿雁低轨通信卫星信号接收方法，其特征在于：

FPGA处理器对信号的具体处理为：

中频数字信号进入FPGA处理器后，先对信号进行捕获，ARM处理器控制捕获流程的启动；捕获流程启动后，信号首先与本地复制载波NCO1的同相支路与正交相支路进行混频实现载波剥离，再经过一级低通滤波器滤除和频分量，再根据速率档进行数据抽取滤波，得到同相、正交两路数据，对两路数据进行存储，同时对本地生成的C/A码进行存储；存储完毕后，将数据与C/A码进行相关，接着相关结果经过时间T的非相干积分后生成数据对I和Q，求平方后进行相加得到非相干积分幅值；遍历完所有存储的数据，输出最大捕获峰值与码相位信息给ARM处理器，即一次捕获结束；再进行频点遍历，不同速率档采用不同的频率步进，进行捕获流程；每次将捕获结果写给ARM处理器，频点遍历结束后，ARM处理器对捕获结果进行分析，当捕获峰值大于设定的阈值时，认为捕获成功，将此时对应的载波频率和码相位反馈给FPGA处理器；

FPGA用ARM处理器反馈的载波频率和码相位调整载波NCO2和码发生器2，完成信号的粗同步，对输入中频信号进行载波剥离和码剥离，并进行早码、准码和晚码共六路信号的积分相关，积分周期T，码间距1/2chip，得到的相关值送给ARM处理器进行信号跟踪，跟踪反馈的结果再写给FPGA处理器，精细调整本地复制载波频率和C/A码码相位，实现信号的精同步；

信号跟踪稳定后，提取原始数据，与帧头比较，恢复完整的数据包，然后对其进行LDPC译码和解扰，获得卫星通信电文。

6.根据权利要求5所述的鸿雁低轨通信卫星信号接收方法，其特征在于：

ARM处理器控制捕获的启动，包括自动重捕机制和通过串口设置进行信号重捕；完成信号的码跟踪和载波跟踪，进行通信协议解析和数据校验，最终送到串口输出。