BPSK调制高动态遥测接收机的设计

胡东伟，陈 杰，石 寅，潘申富，汪春霆

(1. 中国科学院微电子研究所 北京 丰台区 100029; 2. 中国科学院半导体研究所 北京 丰台区 100083;3. 中国电子科技集团公司第五十四研究所 石家庄 050081)

遥测接收机通常用于接收空间飞行器发送回地面的测量数据。传统上的遥测接收机普遍采用PCM/FM的遥测体制[1]。但PCM/FM体制需要的信号带宽较宽，引入了更多的噪声，从而降低了接收灵敏度。因此，本文研究了一种BPSK调制的遥测接收系统。

由于空间飞行器的飞行速度快、加速度大，遥测接收机通常表现出很高的动态特性，即飞行器飞行速度快，一方面意味着多普勒频移会很大，另一方面意味着码元周期变化大。本文把多普勒效应造成的多普勒频移称为频率多普勒，把多普勒效应对码元周期的影响称为码多普勒。飞行器加速度大，意味着频率多普勒和码多普勒的变化很快，由此给遥测接收机的设计造成很大的困难。

现代接收机普遍采用数字技术来实现。一般由模拟电路将射频信号变到低中频，然后进行AD采样，此后，所有的处理都在数字域进行。本文研究一个BPSK调制的遥测系统，信息传输速率为2 Mb/s，最大加速度为20g(g为重力加速度)，最大速度为7 km/s。

1 系统描述及接收机需要解决的问题

1.1 系统描述

图1 遥测系统示意图

图1为遥测系统示意图。在空间飞行器上装载一个(腰带)天线，在地面设置一个伺服遥测接收站。飞行器上的各传感器测得的数据，通过(腰带)天线发往地面的伺服天线。地面的伺服天线接收到信息后，做基带处理，解调出数据。本文主要研究这一地面的基带接收，不包括伺服系统。对于基带接收，系统主要有两个特点：1) 因一般空间飞行器飞行高度较高，传播环境可视为自由空间系统；2) 航天器飞行速度、加速度都很大，由于多普勒效应，导致了接收信号的高动态特性。

发送信号为非归零(NRZ)编码BPSK调制，可描述为：

1.2 接收机需要解决的问题

由于从飞行器到遥测接收机的传播路径可视为自由空间，不存在多径现象，所以接收机主要需要解决同步问题。同步包括采样同步、频率同步和帧同步。帧同步是在BPSK解调之后实现，较简单，本文不予研究。由于飞行器的高动态特性，采样同步和频率同步都严重受到多普勒效应的影响[2]，是接收机需要解决的主要问题。

多普勒频移与速度、载波频率的关系为：

飞行器最大速度为7 km/s，载频设为2.3 GHz，则最大多普勒频移可达53.7 kHz。设接收机晶振为10 ppm，则晶振引起的最大频偏可达23 kHz。多普勒和晶振引起的频偏都是未知的，需要克服。传输码速率为2 Mb/s，则码速率的偏移可达46.7 bit/s。这意味着，在最高速率7 km/s时，接收机每秒将多(或少，取决于飞行器是靠近还是远离接收机)接收46.7个码元。显然，倘若接收机仍然按照2 Mb/s的速率进行采样判决，将造成很大的误码率。

2 接收机结构

现代接收机一般采用全数字结构，图2给出了本文的全数字接收机结构[3]。图中，接收信号经过模拟射频变换到20 MHz的低中频后，进行AD采样，采样率为16 MHz，是单路数据。AD采样的数据与本地数字控制振荡器(NCO)产生的正交载波相乘，变换为I、Q两路。I、Q两路数据送入一个7级的延迟线。延迟线的第1、3、5、7级分别输入4个相关器(P1(Prompt1)、E(Early)、P2和L(Late))。P1或P2相关器的输出经过一个多路选择器，选择结果用于最后BPSK判决，并用于鉴频鉴相。一方面，鉴相结果经过一个环路滤波器，控制载波NCO的相位增量，从而调整NCO的频率，实现载波跟踪。乘法器、P1/P2相关器、多路器、载波鉴相器、载波环路滤波器和载波NCO构成一个反馈环路，称为载波环路。另一方面，E/L相关器进入一个码鉴相器，鉴相结果送入码环路滤波器，控制码NCO的相位增量，从而调整码NCO的溢出频率。码NCO的溢出信号，控制相关器输出并清零。乘法器、E/L相关器、码鉴相器、码环路滤波器和码NCO构成一个反馈环路，称为码环。

由于相关器每次输出的同时会清零，每两次码NCO的溢出，代表一个比特周期的积分区间。调整码NCO的溢出频率，意味着调整该积分区间的长度和位置，从而实现采样同步。在无码多普勒的情况下，每个码元恰好为8个采样。码NCO每8个时钟溢出一次，指示3个相关器输出其积分值，同时积分器清零，为下一个码元的积分做好准备。倘若由于多普勒效应导致码元周期缩短，以致经常第8个采样落在了下一个码元周期，这时，E/L相关器的能量不再平衡，将导致码NCO做出调整，增大码NCO的相位增量。这样，会经常出现经7个采样时钟，码NCO溢出，积分器输出。反之，倘若由于多普勒效应导致码元周期加长，E/L相关器的能量会不平衡，码NCO的相位增量会减小，会经常出现经过9个采样时钟，码NCO才溢出，积分器才输出。由此，只要环路稳定，相关器会一直跟踪保持平均一个码元的积分时间。

图2 接收机结构

3 环路设计

从以上对接收机结构的讨论中可以看到，接收机的核心是两个环路。载波环路实现载波频率的跟踪，克服载波多普勒的影响，码环路实现积分定时的跟踪保持，克服码多普勒导致的采样定时误差。

3.1 码鉴相器

图3 积分器输出能量期望与积分起始时间的关系

3.2 载波鉴相器

稳定情况下，ecarr=0，此时，Δf=0，ϕ=0或π。这时，输出信号全部集中在I支路上，Q支路的输出只有噪声。当收敛在π时，I支路的判决输出存在o

180相位翻转。该翻转可通过帧结构中的同步字来发现并矫正。

3.3 环路滤波器

图4 环路模型

由于飞行器的高动态特性，本文选择二阶的环路滤波器，其传递函数为：

该条件是很宽松的。根据H(z)的表达形式，还可以研究环路的稳态误差。根据文献[9-10]，三阶环路的稳态误差对相位阶跃不敏感，对频率阶跃不敏感，对频率变化率(即加速度)不敏感，而对加加速度敏感。

4 算法仿真

图5 载波环路误差信号变化

图6 码环误差信号平均值变化情况

图7 载波频率牵引过程

图8 码环平均频率变化过程

5 结 论

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