CN117318789A - 高动态环境下的低轨卫星弹载通信信号处理方法及终端 - Google Patents

高动态环境下的低轨卫星弹载通信信号处理方法及终端 Download PDF

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CN117318789A CN202311247105.2A CN202311247105A CN117318789A CN 117318789 A CN117318789 A CN 117318789A CN 202311247105 A CN202311247105 A CN 202311247105A CN 117318789 A CN117318789 A CN 117318789A
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刘绍飞
杜红林
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Abstract

一种高动态环境下的低轨卫星弹载通信信号处理方法及终端，方法包括：S100、对接收的中频信号进行正交下变频；S200、进行低通滤波处理，滤除倍频分量，并按处理所需速率进行抽取；S300、对抽取的信号进行非线性变换后进行FFT运算，再通过搜索信号频谱的谱峰获得频偏估计值；S400、将频偏估计值反馈给正交下变频作为补偿，重复执行S100~S300，直到至少三次的频偏估计值均小于预设门限值，将最后一次频偏估计值锁定作为最终频偏补偿值反馈给正交下变频，并依次执行S100~S200；S500、对S400执行后抽取的信号进行载波锁频跟踪；S600、进行载波锁相跟踪。具有适应较大的信号功率变化动态范围和多普勒动态变化范围的能力，解决高动态环境下无法跟踪解调的问题。

Description

高动态环境下的低轨卫星弹载通信信号处理方法及终端
技术领域
本申请涉及低轨卫星弹载通信技术领域，具体涉及一种高动态环境下的低轨卫星弹载通信信号处理方法及终端。
背景技术
随着全球空间信息网络技术的快速发展，建设高轨、低轨和地面建设相互联结的天地一体化信息网已是大势所趋，属于低轨卫星通信的星链通信技术应运而生，而基于星链的弹载通信技术发展也成为必然。星链最初由美国Space X公司提出，其计划在2019-2024年间在太空搭建由约1.2万颗卫星组成的“星链”网络，以用于提供互联网服务。星链卫星可应用于通信、成像、遥感等领域，其最初被定义为商业卫星网络，但在最近的战争中，其军事用途引起各个国家的广泛关注。
当前基于星链等低轨卫星实现的弹载通信数据链路正是制导武器发展的主要方向，它可实现导弹的精确制导和超视距控制，通过回传飞行参数、目标变化和战场态势，还可实现目标选择与重瞄、战场杀伤效果评估、多弹协同作战等任务。但由于卫星轨道高度较低，卫星与地面处于相对高速运动状态，弹载目标同卫星之间具有很高的径向瞬时速度、加速度以及加加速度，且随时间进行动态变化，这种通信双方动态较大的通信环境称为高动态环境。在这种情况下接收信号受较强的多普勒效应影响，存在较大的多普勒频偏、多普勒一阶频偏变化率以及高阶频偏变化率，这使得信号频域扩展，时域失真。
由于低轨卫星与弹载通信终端之间具有的较大相对运动速度，且弹星之间的距离也存在较大的变化，所以在弹星通信时主要需要解决两个问题：一是弹星距离、位置的改变导致信号功率的变化；二是弹星相对运动产生的多普勒频偏及频偏变化率。二者在低轨卫星与弹载终端的通信中都表现为较大的动态范围，常规的通信系统会因此而无法实现信号的跟踪和信息解析。
发明内容
为解决上述相关现有技术不足，本发明提供一种高动态环境下的低轨卫星弹载通信信号处理方法及终端，具有适应较大的信号功率变化动态范围和多普勒动态变化范围的能力，解决高动态环境下无法跟踪解调的问题。
为了实现本发明的目的，拟采用以下方案：
一种高动态环境下的低轨卫星弹载通信信号处理方法，包括：
S100、对接收的中频信号进行正交下变频；
S200、进行低通滤波处理，滤除倍频分量，并按处理所需速率进行抽取；
S300、对抽取的信号进行非线性变换后进行FFT运算，再通过搜索信号频谱的谱峰获得频偏估计值；
S400、将频偏估计值反馈给正交下变频作为补偿，重复执行S100~S300，直到至少三次的频偏估计值均小于预设门限值，将最后一次频偏估计值锁定作为最终频偏补偿值反馈给正交下变频，并依次执行S100~S200；
S500、对S400执行后抽取的信号进行载波锁频跟踪；
S600、进行载波锁相跟踪。
进一步，步骤S100~S500采用双环路实现，双环路包括下变频模块NCO、滤波抽取、FFT、鉴频器、环路滤波、选择控制模块；
其中，下变频模块NCO、滤波抽取、FFT、选择控制模块依次连接构成频偏估计环路；下变频模块NCO、滤波抽取、鉴频器、环路滤波、选择控制模块依次连接构成载波跟踪环路；
频偏估计环路和载波跟踪环路并列运行，选择控制模块用于在未达到三次频偏估计值均小于预设门限值时，保持双环路切换状态在频偏估计环路进行频偏估计值获取，在达到三次频偏估计值均小于预设门限值时，切换到载波跟踪环路进行载波锁频跟踪。
进一步，步骤S500中在进行载波锁频跟踪时，若出现载波跟踪失锁，则在出现载波跟踪失锁之后的预定时间间隔内，环路切换到频偏估计环路重新执行S100~S400，进行载波重捕。
进一步，步骤S600采用相偏纠正环路实现，相偏纠正环路采用二阶锁相环路，包括依次连接成环的NCO相位累加器、位同步、鉴相器、环路滤波。
进一步，位同步采用Gardner算法实现。
进一步，鉴相器采用反正切arctan运算得到信号的相位值。
进一步，二阶锁相环路的环路滤波采用理想比例积分环路滤波器，其传递函数表示为：
；
其中，z -1为单位延迟，参数C 1和C 2表示如下：
；
其中，ξ为环路阻尼系数，T为NCO相位累加器的频率更新周期，K d 为环路增益，ω n 为环路阻尼振荡频率，其计算公式如下：
；
其中，B L 为环路带宽。
一种高动态环境下的低轨卫星弹载通信终端，用于执行如所述的低轨卫星弹载通信信号处理方法，包括FPGA、与FPGA连接的ADC和DAC、以及分别连接FPGA、ADC、DAC的时钟单元PLL。
ADC用于接收卫星前向中频模拟信号，并转为数字中频信号送入FPGA；FPGA用于执行前向通信基带处理过程和返向通信基带处理过程，前向通信基带处理过程包括所述的低轨卫星弹载通信信号处理方法，以及帧同步、解扰、解交织、译码，返向通信基带处理过程包括编码、交织、加扰、组帧、调制、内插、滤波；DAC用于将FPGA通过返向通信基带处理过程后的信号转换为模拟中频信号输出到天线单元；时钟单元PLL，用于提供参考时钟。
本发明的有益效果：
1、利用多次反馈逼近的频偏估计策略，解决了大多普勒频偏问题，最大多普勒频偏可以对抗±1MHz；
2、采用一阶锁频环加二阶锁相环的载波跟踪技术，解决了在高动态的多普勒频偏变化率的环境下载波精确跟踪问题，最大多普勒频偏变化率可以对抗±30KHz/s；
3、双环路设计、切换技术以及失锁重捕技术的组合策略，解决了在高动态的多普勒频偏及频偏变化率的环境下平稳快速锁定，以及载波跟踪过程中失锁后快速重捕等问题；
4、硬件设计通过AD9467近90dB的输入动态范围配合前端的数控增益，解决了由于弹星距离改变导致的大动态功率变化的问题。
附图说明
图1示出了本申请实施例的弹载通信终端硬件平台原理框图。
图2示出了本申请实施例的弹载通信终端前返向通信数据处理流程图。
图3示出了本申请实施例的低轨卫星弹载通信信号处理方法流程图。
图4示出了本申请实施例的多普勒频偏跟踪环路原理框图。
图5示出了本申请实施例的相偏纠正环路实现原理框图。
图6示出了本申请实施例的位同步原理框图。
图7示出了本申请实施例的积分环路滤波器原理框图。
图8示出了本申请实施例的BPSK信号多普勒频偏仿真结果。
图9示出了本申请实施例的BPSK信号30KHz/s多普勒频偏变化率载波跟踪仿真结果。
图10示出了本申请实施例的弹载通信终端自回环测试结果。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的实施方式进行详细说明，但本发明所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
弹载通信终端是用于实现与低轨卫星进行前返向通信的弹载通信平台，本申请实施例提供的弹载通信终端硬件结构如图1所示，包括FPGA、AD转换器、DA转换器以及相关连接接口等，前向通信信号处理主要完成对AD采样后的140MHz中频信号进行下变频、抽取、解调、同步、解扰、解交织、译码等过程之后将有用数据传送给平台上位机；返向通信是前向通信的逆过程，将平台上位机需要发射的业务数据进行编码、交织、加扰、组帧、调制、内插之后，经DA数模转换到140MHz模拟中频信号后输出到天线单元，前返向通信数据处理流程如图2所示。
针对大动态功率变化问题，本申请实施例提供的弹载通信终端硬件平台的解决方案如下，采用FPGA、ADC、DAC、PLL、电源模块等共同组成，如图1和图2所示。其中，电源模块用于转换电源输入后为硬件平台供电，FPGA与ADC之间通过SPI、LVDS×8、DATA_CLK等建立连接，FPGA与DAC之间通过SPI、CMOS×32、DATA_CLK等建立连接，FPGA与PLL之间通过SPI、ADC_CLK、DAC_CLK等建立连接，PLL与ADC之间通过ADC_CLK建立连接，PLL与DAC之间通过DAC_CLK建立连接。
其中，ADC采用单通道、16位、最高可达250MSPS的模数转换器，主要用于接收卫星前向中频模拟信号，并转为LVDS数据送入FPGA。具体可以采用 AD9467，采集精度高达16位，除去最高位符号位，按2Vpp峰峰值进行计算，动态范围高达-80dBm～+10dBm，配合前端数控增益电路可实现近90dB的输入动态范围。DAC采用双路16bit、高动态范围的数模转换器，主要用于接收FPGA调制基带零中频数据，完成上变频到中频后数模转换成模拟信号发射出去，最终实现卫星返向中频通信，具体可以采用 AD9788，最高可提供800MSPS采样率。PLL用于给FPGA、ADC、DAC提供工作的参考时钟。
FPGA作为硬件平台的核心处理器，主要用于实现卫星前返向通信的基带处理，包括下变频、抽取、解调、同步、解扰、解交织、译码等前向通信基带处理过程和编码、交织、加扰、组帧、调制、内插等返向通信基带处理过程。
针对高动态环境下的多普勒频偏及频偏变化率问题，本申请实施例基于上述搭建的硬件平台，提供软件解决方案，通过核心处理器FPGA进行实现，具体是一种高动态环境下的低轨卫星弹载通信信号处理方法，体现在如图3所示的通信基带处理流程中部分步骤。
S100、对接收的中频信号进行正交下变频，将信号的频谱搬移到基带。具体的，其数学表达方式如下：
设接收的中频信号为：S(nT)=I(nT)cos(ω 1 nT)－Q(nT)sin(ω 1 nT)，其中，I(nT)和Q(nT)表示基带信息，ω 1表示中频信号的角频率，n是采样后的离散点数，T是采样周期；
设下变频模块NCO输出的本地载波为cos(ω 2T)，ω 2表示本地载波角频率，则经过正交下变频之后，得到的I路信号和Q路信号分别为：
；
S200、进行低通滤波处理，滤除倍频分量，并按处理所需速率进行抽取，得到的I路信号和Q路信号分别为：
；
其中，k表示抽取后的离散点数。
S300、对抽取的I路信号和Q路信号进行非线性变换后进行FFT运算。其中，对于BPSK，非线性变换采用平方变换；对于QPSK，非线性变换采用四次方变换。在FPGA实现时，FFT运算可以调用官方的IP核，根据不同频率分辨率的需求，最大支持65536点的FFT运算。经过FFT运算后，通过搜索信号频谱的谱峰得到频偏的粗估计值。
FFT算法的原理是利用离散傅里叶变换旋转因子的周期性、对称性和可约性等性质，将一个长序列的DFT运算分解为若干短序列的DFT运算的组合，从而减少运算量，实现离散傅里叶变换的快速算法。离散傅里叶变换的数学表达式如下：
；
其中，。
本申请实施例中的频偏估计采用多次反馈逼近的策略来保证频偏估计的准确性，在步骤S400中，首先将第一次粗估计得到的频偏估计值反馈给正交下变频的下变频模块NCO作为补偿，然后将补偿之后的信号再重复执行S100~S300，直到至少三次的频偏估计值均小于预设门限值，然后将最后一次频偏估计值锁定作为最终频偏补偿值反馈给正交下变频，并依次执行S100~S200，完成抽取后，切换进入到步骤S500中进行载波锁频跟踪，而后进行步骤S600的载波锁相跟踪。
具体的，本实例中，载波锁频跟踪和载波锁相跟踪分别通过一个一阶锁频环路和一个二阶锁相环路实现。锁频环路主要负责剩余频偏的跟踪纠正。
本实例中采用了一种如图4所示的双环路实现多普勒频偏跟踪环路，可以进行频偏估计的循环及锁频环路的切换。具体的，双环路包括下变频模块NCO、滤波抽取、FFT、鉴频器、环路滤波、选择控制模块，可以完成步骤S100~S500。
其中，下变频模块NCO、滤波抽取、FFT、选择控制模块依次连接构成频偏估计环路；下变频模块NCO、滤波抽取、鉴频器、环路滤波、选择控制模块依次连接构成载波跟踪环路；其中，下变频模块NCO、滤波抽取为频偏估计环路中采用的。具体的，下变频模块NCO连接一乘法器的一个输入端，乘法器的另一输入端连接前一级的输入，即接收中频信号，乘法器的输出端连接滤波抽取。具体的，滤波抽取、FFT、环路滤波可以是其对应功能的单元/模块，环路滤波可以采用鉴频结果乘以一个比例因子完成。双环路中的各个处理环节或功能模块/单元通过在FPGA中进行软件实现。
通过此种双环路设计，很好的解决了在高动态环境下，锁相环无法直接捕获和跟踪载波的缺陷。
频偏估计环路和载波跟踪环路并列运行，选择控制模块用于在未达到三次频偏估计值均小于预设门限值时，保持双环路切换状态在频偏估计环路进行频偏估计值获取，在达到三次频偏估计值均小于预设门限值时，切换到载波跟踪环路进行载波锁频跟踪。由于在设计时，频偏估计环路和载波跟踪环路是并列运行、互不影响，而NCO的相位累加器又是同一个，所以环路切换不存在任何波动。
当切换到载波跟踪环路后，与后一级的锁相环路级联实现载波的跟踪。在锁相环路中，I、Q两路信号经过位同步之后送入二阶锁相环进行相偏纠正。由于锁相环具有跟踪带宽小，跟踪精度高的特点，将其放到级联的第二级，用于精确跟踪载波的相偏，实现信号的解调。
当实现载波同步之后，经滤波抽取之后的I路信号和Q路信号分别为：
；
即得到了解调之后基带信息，当基带调制为BPSK时，Q路的信息分量为0，只有I路携带信息。
同时，为保证弹载通信系统更加健壮，本申请实施例设计了重捕策略，即使在载波跟踪失锁之后，同样可以在1.5s以内实现载波重捕，并重复上述载波同步过程实现载波同步。
作为具体的实施方式，二阶锁相环路采用如图5所示的相偏纠正环路实现，包括依次连接成环的NCO相位累加器、位同步、鉴相器、环路滤波。具体的，NCO相位累加器连接一乘法器的输入端，该乘法器的另一个输入端连接一阶锁频环路的输出，该乘法器的输出端连接位同步。此处，位同步是指实现位同步的模块或单元。二阶锁相环路中的各个处理环节或功能模块/单元通过在FPGA中进行软件实现。
具体的，位同步可以采用Gardner算法实现，采样点少，易于硬件高速实现，且具有检测性能不受载波相位恢复影响的特点。本方法每个码元采样2个样点即可，定时误差检测表达式如下：
；
将公式用于位同步的定时误差检测，通过此误差值来实时调整位同步环路来实现位同步中，u(n)表示定时误差，x I ()和x Q ()分别表示I路和Q路基带信息，n表示当前时刻的采样点。
具体位同步是由位同步环路来实现的，如图6所示，包括内插滤波器、定时误差检测器、环路滤波器和数控振荡器，依次连接成环。假设接收的信号的固定采样时钟频率为T s，内插周期为T i ，则在mT s时刻的信号x(mT s)经过内插后得到kT i 时刻输出信号y(kT i )，经过内插后信号速率保持一致，只是采样时刻发生了变化。根据上述的定时误差公式所检测得到的定时误差进行反馈修正，可以得到基带数据每个符号用于判决的最佳采样点，从而实现位同步。
具体的，鉴相器采用反正切arctan运算得到信号的相位值，基于最大似然估计，斜率与信号幅度无关，在低信噪比下也具有良好的性能。鉴频器的鉴频频率可以利用相位差分得到，同样在低信噪比下也具有良好的性能。在FPGA实现时，可以调用官方的CORDIC IP核进行运算。
二阶锁相环路的环路滤波采用理想比例积分环路滤波器，如图7所示，包括与输入相连的两个乘法器，一个乘法器的另一个输入连接C 1输入，输出连接第一加法器的输入，另一个乘法的另一个输入连接C 2输入，输出连接第一加法器的输入，第一加法器的输出连接第二加法器的输入和单位延迟z -1的输入，单位延迟z -1的输出连接第一加法器的输入，其传递函数表示为：
；
其中，z -1为单位延迟，C 1和C 2是环路滤波器传递函数的参数。在环路滤波器的设计实现中，最重要的计算就是对环路滤波器传递函数的参数C 1和参数C 2进行计算，其近似计算公式如下：
；
其中，ξ为环路阻尼系数，T为二阶锁相环路中NCO相位累加器的频率更新周期，K d 为环路增益，ω n 为环路阻尼振荡频率，其计算公式如下：
；
其中，B L 为环路带宽。
以如图1所示的示例进行试验说明：弹载通信终端接收信号中频频率范围140MHz±10MHz，瞬时工作带宽20MHz，多普勒频偏±700KHz，多普勒频偏变化率±30KHz/s，通信协议采用CCSDS协议，信道编码方式为RS（255，223）+字节交织+卷积码（2，1，7），调制方式为BPSK，信息速率≥200Kbps，实现前向捕获时间≤2s，解调误码率≤10-5（Eb/N0≥5dB@BPSK）。
频偏估计按照本申请实施例所描述的方案实施，在Eb/N0=5dB，多普勒频偏为700KHz时，通过FFT算法对BPSK信号进行频偏估计，仿真结果如图8所示。根据本申请实施例所描述的方案实施，在进行FFT运算之前，由于已经对BPSK信号进行了平方变换，所以经过FFT运算后的频谱峰值在BPSK信号中心频率的2倍频处，将此频谱峰值对应的频率值除以2即得到估计的多普勒频偏值。
同样按照本申请实施例所描述的载波跟踪设计方法进行实施，经过频偏补偿后，在剩余频偏为3KHz，多普勒频偏变化率为30KHz/s时其载波跟踪仿真结果如图9所示。
通过串口方式与上位机相连，用软件模拟业务数据，进行自回环测试，同时将解调的数据送往上位机进行解析。从测试结果来看，频偏估计值和解调误码率都符合设计要求。载波同步之后，检测到的频偏值在±150Hz范围内波动；从发送帧和接收帧的统计情况来看，当接收帧数为10121帧时，错误帧仍为0，解调误码率＜10-5，符合高动态环境的应用要求。测试结果如图10所示。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不表示是唯一的或是限制本发明。本领域技术人员应理解，在不脱离本发明的范围情况下，对本发明进行的各种改变或同等替换，均属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种高动态环境下的低轨卫星弹载通信信号处理方法，其特征在于，包括：
S100、对接收的中频信号进行正交下变频；
S200、进行低通滤波处理，滤除倍频分量，并按处理所需速率进行抽取；
S300、对抽取的信号进行非线性变换后进行FFT运算，再通过搜索信号频谱的谱峰获得频偏估计值；
S400、将频偏估计值反馈给正交下变频作为补偿，重复执行S100~S300，直到至少三次的频偏估计值均小于预设门限值，将最后一次频偏估计值锁定作为最终频偏补偿值反馈给正交下变频，并依次执行S100~S200；
S500、对S400执行后抽取的信号进行载波锁频跟踪；
S600、进行载波锁相跟踪。
2.根据权利要求1所述的低轨卫星弹载通信信号处理方法，其特征在于，步骤S100~S500采用双环路实现，双环路包括下变频模块NCO、滤波抽取、FFT、鉴频器、环路滤波、选择控制模块；
其中，下变频模块NCO、滤波抽取、FFT、选择控制模块依次连接构成频偏估计环路；下变频模块NCO、滤波抽取、鉴频器、环路滤波、选择控制模块依次连接构成载波跟踪环路；
频偏估计环路和载波跟踪环路并列运行，选择控制模块用于在未达到三次频偏估计值均小于预设门限值时，保持双环路切换状态在频偏估计环路进行频偏估计值获取，在达到三次频偏估计值均小于预设门限值时，切换到载波跟踪环路进行载波锁频跟踪。
3.根据权利要求2所述的高动态环境下的低轨卫星弹载通信信号处理方法，其特征在于，步骤S500中在进行载波锁频跟踪时，若出现载波跟踪失锁，则在出现载波跟踪失锁之后的预定时间间隔内，环路切换到频偏估计环路重新执行S100~S400，进行载波重捕。
4.根据权利要求1所述的低轨卫星弹载通信信号处理方法，其特征在于，步骤S600采用相偏纠正环路实现，相偏纠正环路采用二阶锁相环路，包括依次连接成环的NCO相位累加器、位同步、鉴相器、环路滤波。
5.根据权利要求4所述的低轨卫星弹载通信信号处理方法，其特征在于，位同步采用Gardner算法实现。
6.根据权利要求4所述的低轨卫星弹载通信信号处理方法，其特征在于，鉴相器采用反正切arctan运算得到信号的相位值。
7.根据权利要求4所述的低轨卫星弹载通信信号处理方法，其特征在于，二阶锁相环路的环路滤波采用理想比例积分环路滤波器，其传递函数表示为：
；
其中，z -1为单位延迟，参数C 1和C 2表示如下：
；
其中，ξ为环路阻尼系数，T为NCO相位累加器的频率更新周期，K d 为环路增益，ω n 为环路阻尼振荡频率，其计算公式如下：
；
其中，B L 为环路带宽。
8.一种高动态环境下的低轨卫星弹载通信终端，其特征在于，用于执行如权利要求1-7中任意一项所述的低轨卫星弹载通信信号处理方法。
9.根据权利要求8所述的低轨卫星弹载通信终端，其特征在于，包括FPGA以及与FPGA连接的ADC和DAC；
ADC用于接收卫星前向中频模拟信号，并转为数字中频信号送入FPGA；
FPGA用于执行前向通信基带处理过程和返向通信基带处理过程，前向通信基带处理过程包括所述的低轨卫星弹载通信信号处理方法，以及帧同步、解扰、解交织、译码，返向通信基带处理过程包括编码、交织、加扰、组帧、调制、内插、滤波；
DAC用于将FPGA通过返向通信基带处理过程后的信号转换为模拟中频信号输出到天线单元。
10.根据权利要求9所述的低轨卫星弹载通信终端，其特征在于，还包括时钟单元PLL，分别连接FPGA、ADC、DAC，用于提供参考时钟。
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