CN112671446A - 一种适用于高轨星间链路的解调装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于高轨星间链路的解调装置，属于星载通信技术领域。其包括正交下变频器、CIC抽取滤波器、频偏校正器、数字AGC、定时同步器、载波相位跟踪器、帧同步判决器、译码器、频偏估计模块和频率控制字配置模块。本发明通过非导频辅助实现多普勒频偏补偿，具有处理实现简单、资源占用低、支持多种速率等优点，特别适合用作星间或星地资源受限的中低速多速率信号解调装置。
Description
技术领域
本发明涉及星载通信技术领域，特别是指一种适用于高轨星间链路的解调装置。
背景技术
高轨星间链路属于典型的多普勒信道，解调器在设计上需要增加多普勒适应性解调措施。传统的解调器大多通过多通道宽带接收或者扫频接收的方法完成载波同步解调。
宽带多通道接收因其硬件资源占用庞大，不利于资源受限环境下实现；而一般的扫频接收关键算法包括载波捕获、载波跟踪。载波捕获算法是通过调整本地扫频步进，结合数据帧前导头捕获结果完成载波搜索和频率估计。
通过数据前导捕获的方法不足之处是需要增加较大冗余开销。一方面是信道多普勒变化率越大，系统需要插入前导的频率越高，系统开销越大；另一方面，前导头信息越长才能保证频率估计精度越高，频偏校正后信号残留频偏越小，载波跟踪入锁更快。在星上功耗资源受限的情况下，这些缺点限制了其在星载设备上的应用。
发明内容
本发明的目的在于避免上述背景技术中的不足之处而提供一种适用于高轨星间链路的解调装置，其占用资源低，不增加链路额外开销，适用于星间中低速信号的解调。
本发明的目的是这样实现的：
一种适用于高轨星间链路的解调装置，包括第一正交下变频器1、第一CIC抽取滤波器2、频偏校正器3、数字自动增益控制4（即数字AGC）、定时同步器5、载波相位跟踪器6、帧同步判决器7、译码器8、频偏估计模块9和频率控制字配置模块10；其中，
第一正交下变频器1将ADC采样后的数字中频信号进行正交下变频，得到数字基带信号,并将数字基带信号送入第一CIC抽取滤波器2；
第一CIC抽取滤波器2对输入的数字基带信号进行抽取滤波处理，实现对数字基带信号的降速处理，然后将抽取后的信号输送给频偏校正器3；
频偏校正器3接收第一CIC抽取滤波器2输出的数据，并初始化本地扫频点，然后根据后级频率控制字配置模块10反馈的频率控制字进行频偏校正；校正频偏后，对信号进行抽取和匹配滤波，然后输送给数字AGC 4；
数字AGC 4通过统计输入数据的平均能量来调整输入数据的增益值，使输出数据幅度保持稳定，然后将信号送入定时同步器5；
定时同步器5完成最佳样点输出，实现符号定时同步功能，然后将信号送入载波相位跟踪器6和频率估计模块9；
载波相位跟踪器6进行载波相位估计和相位跟踪，完成载波恢复，恢复出基带数据并将基带数据送入帧同步判决器7；
帧同步判决器7通过输入数据与本地码字求相关运算完成帧定位并给出帧同步指示，然后将信号送入译码器8；
译码器8对基带数据进行LDPC译码处理并给出译码同步指示，然后将译码后数据输出；
频率估计模块9利用非线性FFT方法估计载波频偏，得到当前频偏大小，并将估计值送入频率配置模块10；
频率配置模块10接收频率估计模块9输入的频偏值，再根据帧同步判决器7输入的帧同步指示和译码器8输入的译码同步指示确定最终输出的频率控制字，并将该频率控制字输出给频偏校正器3。
进一步的，所述的频偏校正器3包括第二正交下变频器3-1、第二CIC抽取滤波器3-2和匹配滤波器3-3；其中，
第二正交下变频3-1根据频率控制字对输入信号进行变频处理，然后将变频后信号送入第二CIC抽取滤波器3-2；
第二CIC抽取滤波器3-2对输入信号进行CIC抽取滤波处理，并将抽取后得到的四倍符号采样率的数据输出至匹配滤波器3-3；
匹配滤波器3-3对第二CIC抽取滤波模块3-2输出的四倍符号采样率的数据进行匹配滤波处理，并将完成匹配滤波处理的数据输出给数字AGC 4。
进一步的，频率配置模块10确定最终输出的频率控制字的具体方式为，频率配置模块10根据帧同步指示和译码同步指示判断当前是否已经同步，若帧同步指示和译码同步指示有效，则将频率估计模块9输入的频偏值作为频率控制字输出；否则，将扫频点增加一个步长，并输出相应的频率控制字，从而控制频偏校正器3继续进行扫频操作。
本发明相比背景技术具有如下优点：
1、本发明采用数字扫频的方法，相比宽带接收技术极大的减少了硬件资源占用，适应星载设备低资源占用的需求。
2、本发明中的非导频辅助数字扫频方法实现星间多普勒适应性解调接收，相比导频辅助方法节约星上功率，增大频带利用率。
3、本发明中的数字扫频方法可推广至多速率解调器，从而满足多种速率的通信需求。
4、本发明可通过FPGA大规模现场可编程器件实现，具有线路简单、体积小、成本低廉、性能稳定可靠等优点，适于工程应用。
附图说明
图1是本发明实施例中高轨星间链路解调装置的一种电原理图。
图2是图1中频偏校正器的电原理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。
一种适用于高轨星间链路的解调装置，其包括正交下变频器、CIC抽取滤波器、频偏校正器、数字AGC、定时同步器、载波相位跟踪器、帧同步判决器、译码器、频率估计模块和频率控制字配置模块。
其中，正交下变频器将采样信号预处理器送入的基带数字信号进行正交下变频，并将变频后数字基带信号送入抽取滤波器；
CIC抽取滤波器对输入的数字基带信号进行抽取滤波处理，采用CIC抽取滤波方式，抽取倍数根据数字基带信号的符号速率进行选取，得到所需采样率的数据，实现对数字基带信号的降速处理；CIC抽取倍数决定了输出信号采样率，抽取倍数需要结合多普勒最大频移和载波速率设定；
频偏校正器完成抽取后信号的频偏校正、抽取和匹配滤波功能。频偏校正器扫频范围覆盖多普勒最大频移，扫频步进可以是频偏估计模块的最大量程。首先，频偏校正器初始化本地扫频点，对抽取信号进行频谱搬移，然后根据频率控制字配置模块反馈结果决定是否继续进行扫频。如果频偏估计模块捕获成功，则只需根据频偏估计模块频偏估计值持续更新本地频偏校正值即可；如果捕获失败，则继续进行扫频；
数字AGC通过统计输入数据的平均能量调整输入数据的增益值，使输出数据幅度保持稳定；
定时同步器接收频偏校正器输出的数据，对数据进行定时误差估计，完成定时同步，将最佳采样点输出至载波相位跟踪器和频偏估计模块；
频偏估计模块对定时同步后的信号进行频率估计，常用的算法为将信号去调制并进行FFT估算频偏。如果FFT运算结果超过本地设定门限，则判定载波捕获成功，并将捕获结果和频偏估计值传递至频率控制字配置模块；
频率控制字配置模块根据频率估计模块输入的频偏值、帧同步判决器输入的帧同步指示和译码器输入的译码同步指示综合判断给出频率控制字到频偏校正器;
载波相位跟踪器进行载波相位估计和相位跟踪，完成载波恢复，恢复出基带数据并将基带数据送入帧同步判据器；
帧同步判决器完成数据帧头捕获功能，利用数据帧头与本地码字进行相关运算实现数据帧定位、解相位模糊和帧同步判决功能，在完成数据帧定位后，将数据送入译码器;
译码器对基带数据进行LDPC译码处理，将数据译码为信息比特流并给出译码同步指示。
为了解决在扫频过程中容易引发的载波错误锁定的问题，本解调装置引入了两个限制条件。一是通过帧同步状态判定当前载波是否错锁；二是通过译码同步状态判定当前载波是否错锁。如果帧同步失败或译码失步，则判定载波错锁，频偏校正器继续进行扫频操作。
以下为一个更具体的例子：
参照图1，一种高轨星间链路解调装置，其包括正交下变频器1、CIC抽取滤波器2、频偏校正器3、数字AGC4、定时同步器5、载波相位跟踪器6、帧同步判决器7、译码器8、频偏估计模块9和频率控制字配置模块10。图1是本发明适用于高轨卫星平台的非导频辅助的低资源占用星间链路解调装置实施例电原理图，实施例按照图1连接线路。
该装置中，正交下变频器1将ADC采样后的数字中频信号进行正交下变频，得到数字基带信号,并将数字基带信号送入CIC抽取滤波器2；CIC抽取滤波器2对输入的数字基带信号进行抽取滤波处理，实现对数字基带信号的降速处理，根据数字基带信号的符号速率不同，抽取的倍数也不相同，频偏校正器3可实现扫频、抽取和匹配滤波功能；频偏校正器根据频率控制字配置模块输入的频率控制字，对降速后基带信号进行变频操作，补偿多普勒频偏，同时进行抽取、匹配滤波并将滤波后信号输送至数字AGC4，数字AGC4通过统计输入数据的平均能量调整输入数据的增益值，使输出数据幅度稳定在一定范围内，保持输出信号幅度稳定，然后将信号输送至定时同步器5，定时同步器完成定时同步后，并将最佳采样点输出至载波相位跟踪器6，载波相位跟踪器6进行载波相位估计和相位跟踪，完成载波恢复，恢复出基带数据并将基带数据送入帧同步判决器，帧同步判决器完成帧定位和帧同步判断并将定位后帧数据送入译码器8，译码器8对基带数据进行LDPC译码处理并给出译码同步指示。
其中，正交下变频器1的作用是对输入的数字中频信号进行正交下变频处理，得到数字基带信号，CIC抽取滤波器2的作用是对输入的信号进行CIC抽取滤波，频偏校正器3的作用是进行扫频、抽取和匹配滤波处理，数字AGC4的作用是输出数据幅度稳定在一定范围，定时同步器的作用是对输入信号实现定时同步，载波相位跟踪器6进行载波相位估计和相位跟踪，完成载波恢复，帧同步判决器7的作用是实现帧定位并给出帧同步指示，译码器8完成LDPC译码并给出译码同步指示，频偏估计模块9的作用是实现频偏估计，频率控制字配置模块实现频率控制字的换算，并将频率控制字输出至频偏校正器。
参照图2，所述的频偏校正器3由正交下变频器3-1、CIC抽取滤波器3-2、根升余弦匹配滤波器3-3，正交下变频器3-1的频率控制字由频率控制字配置模块10决定，CIC抽取滤波器3-1的输出数据由传输符号速率和多普勒最大频偏控制决定；实施例按照图2连接线路。
正交下变频器3-1根据频率控制字对输入信号进行变频处理，CIC抽取滤波器3-2对正交下变频器3-1送来的数字基带信号进行CIC抽取滤波处理，抽取倍数根据数字基带信号的符号速率和最大多普勒频偏确定，抽取后得到四倍符号采样率的数据，CIC抽取滤波器3-2将数据输出至根升余弦匹配滤波器3-3，对数据进行匹配滤波处理，根升余弦匹配滤波器3-3将完成匹配滤波处理后数据输出。
频率配置模块10接收频率估计模块9输入的频偏值，再根据帧同步判决器7输入的帧同步指示和译码器8输入的译码同步指示,判断当前是否已经同步，若帧同步指示和译码同步指示有效，则将频率估计模块9输入的频偏值作为频率控制字输出；否则，将扫频点增加一个步长，并输出相应的频率控制字，从而控制频偏校正器3继续进行扫频操作。
本装置的简要工作原理如下：
正交下变频器1将接收到的ADC模拟数字转换采样后的数字中频信号进行正交下变频处理，将数据输出至CIC抽取滤波器2；CIC抽取滤波器2完成信号降采样率处理后将抽取后信号送给频偏校正器3，频偏校正器3对输入信号进行扫频、抽取和匹配滤波的操作得到4倍采样的信号，然后输送给数字AGC，数字AGC对频偏校正后的数据进行AGC控制，使输出的数据幅度保持在一定范围内，将数据输出至定时同步器5；定时同步器5对输入的数据选取出最佳采样点以完成定时同步，将数据输出至载波相位跟踪器6和频偏估计模块9；载波相位跟踪器6对数据进行载波相位估计和相位跟踪，完成载波恢复，恢复出基带数据并将基带数据送入帧同步判决器7，帧同步判决器7完成基带数据帧定位和给出帧同步指示，并将定位的帧数据送至译码器8，译码器8对基带数据进行LDPC译码处理，并给出译码同步指示，频偏估计模块9利用非线性FFT算法估计符号频偏，并将频偏估计值送至频率控制字配置模块10，频率控制字配置模块10根据帧同步状态、译码同步状态和频偏估计值换算得到下一次迭代的频率控制字并送至频偏校正器用作下一次频偏校正运算。
该装置可基于FPGA实现，适用于高轨星间链路的解调。其首先对AD采样的中频数字信号进行正交下变频，正交下变频之后的信号送入CICI抽取滤波器，根据信号速率进行不同倍数的抽取滤波处理，经过抽取滤波后的数据送入频偏校正器，频偏校正器完成多普勒频偏补偿并送入数字AGC，数字AGC实现信号输出幅度稳定在一定范围内然后将信号送至定时同步器，定时同步器定时同步得到符号速率的基带数据，经过定时的数据输入至载波相位跟踪器和频偏估计模块，载波相位跟踪器用于完成载波恢复，经载波恢复后的数据送入帧同步判决器和译码器，完成后续译码操作，定时同步后数据还送入频偏估计模块用于计算频偏估计值，频率控制字配置模块根据频偏估计值、帧同步状态和译码同步状态计算出频率控制字，用作频偏校正器下一次迭代。
总之，本发明是一种全新的适用于高轨卫星平台的基于非导频辅助和低资源占用的高轨星间解调装置。其通过非导频辅助实现多普勒频偏补偿，具有处理实现简单、资源占用低、支持多种速率等优点，特别适合用作星间或星地资源受限的中低速多速率信号解调装置。
Claims (3)
1.一种适用于高轨星间链路的解调装置，其特征在于：包括第一正交下变频器（1）、第一CIC抽取滤波器（2）、频偏校正器（3）、数字AGC（4）、定时同步器（5）、载波相位跟踪器（6）、帧同步判决器（7）、译码器（8）、频偏估计模块（9）和频率控制字配置模块（10）；其中，
第一正交下变频器（1）将ADC采样后的数字中频信号进行正交下变频，得到数字基带信号,并将数字基带信号送入第一CIC抽取滤波器（2）；
第一CIC抽取滤波器（2）对输入的数字基带信号进行抽取滤波处理，实现对数字基带信号的降速处理，然后将抽取后的信号输送给频偏校正器（3）；
频偏校正器（3）接收第一CIC抽取滤波器（2）输出的信号数据，并初始化本地扫频点，然后根据后级频率控制字配置模块（10）反馈的频率控制字进行频偏校正；校正频偏后，对信号进行抽取和匹配滤波，然后输送给数字AGC（4）；
数字AGC（4）通过统计输入数据的平均能量来调整输入数据的增益值，使输出数据幅度保持稳定，然后将信号送入定时同步器（5）；
定时同步器（5）完成最佳样点输出，实现符号定时同步功能，然后将信号送入载波相位跟踪器（6）和频率估计模块（9）；
载波相位跟踪器（6）进行载波相位估计和相位跟踪，完成载波恢复，恢复出基带数据并将基带数据送入帧同步判决器（7）；
帧同步判决器（7）通过输入数据与本地码字求相关运算完成帧定位并给出帧同步指示，然后将信号送入译码器（8）；
译码器（8）对基带数据进行LDPC译码处理并给出译码同步指示，然后将译码后数据输出；
频率估计模块（9）利用非线性FFT方法估计载波频偏，得到当前频偏大小，并将估计的频偏值送入频率配置模块（10）；
频率配置模块（10）接收频率估计模块（9）输入的频偏值，再根据帧同步判决器（7）输入的帧同步指示和译码器（8）输入的译码同步指示确定最终输出的频率控制字，并将该频率控制字输出给频偏校正器（3）。
2.根据权利要求1所述的一种适用于高轨星间链路的解调装置，其特征在于：所述的频偏校正器（3）包括第二正交下变频器（3-1）、第二CIC抽取滤波器（3-2）和匹配滤波器（3-3）；其中，
第二正交下变频（3-1）根据频率控制字对输入信号进行变频处理，然后将变频后信号送入第二CIC抽取滤波器（3-2）；
第二CIC抽取滤波器（3-2）对输入信号进行CIC抽取滤波处理，并将抽取后得到的四倍符号采样率的数据输出至匹配滤波器（3-3）；
匹配滤波器（3-3）对第二CIC抽取滤波模块（3-2）输出的四倍符号采样率的数据进行匹配滤波处理，并将完成匹配滤波处理的数据输出给数字AGC（4）。
3.根据权利要求1所述的一种适用于高轨星间链路的解调装置，其特征在于：频率配置模块（10）确定最终输出的频率控制字的具体方式为，频率配置模块（10）根据帧同步指示和译码同步指示判断当前是否已经同步，若帧同步指示和译码同步指示有效，则将频率估计模块（9）输入的频偏值作为频率控制字输出；否则，将扫频点增加一个步长，并输出相应的频率控制字，从而控制频偏校正器（3）继续进行扫频操作。
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