TDRSS返向多模式数传及用户星测距接收机设计

(中国西南电子技术研究所，成都 610036)

1 引 言

跟踪与数据中继卫星系统(TDRSS)是指一种利用地球同步卫星上的中继转发器，与地面系统相配合，可同时为多颗在轨中低高度航天器(卫星、飞船、空间站等)提供连续覆盖。作为一种天基测控通信系统，TDRSS具有高覆盖率、高数传速率、多目标测控通信、抗干扰性强等十分显著的特点。由于具有这些不可替代的特点与优势，TDRSS已经成为了航天测控通信系统的发展方向[1]。

在TDRSS的地面系统中，返向多模式数传及用户星测距接收机是核心单元。在传统测控系统中，地面系统接收机只需要完成一种信号模式的接收和解调，测轨和业务数据传输也是由不同的接收机完成的。但在TDRSS中，地面站接收机除了需要将测轨、数据传输统一考虑外，还得适应各类不同用户终端的信号模式，这都给接收机提出了较高的要求。本文主要针对这些特点，根据各种不同的信号模式，在设计时全面考虑适应性，使接收机满足各类任务的要求[2-4]。

2 硬件平台设计

返向多模式数传及用户星测距接收机采用基于CPCI总线的可重构硬件平台实现。根据目前市场情况，在设备中我们选择了美国Altera公司生产的Stratix II系列FPGA和美国TI公司生产的C6000系列DSP作为主要数字信号处理芯片。硬件平台结构如图1所示。

图1 硬件平台结构Fig.1 Hardware platform structure

此硬件平台配置了两片高速AD，为双通道接收板。两路返向接收机配置在一块下行板卡上。两路接收机相对独立，每一路返向接收机均可完成返向下行信号中任意一种调制模式信号的PN码跟踪、载波捕获跟踪、信号解扩、解调及数据位同步、帧同步、维特比/RS译码，并且将译码后的数据通过CPCI总线上报到监控及数据处理计算机。其中FPGA1完成两路下行信号的PN码捕获、跟踪、载波捕获跟踪、信号解扩、解调及数据位同步功能，FPGA2、 FPGA3分别对应完成两路接收机的帧同步、维特比/RS译码功能，主控FPGA完成数据的上报功能，DSP完成对接收机的控制及相关数据计算功能。

3 中频信号选择

本系统中，中频信号是140 MHz，带宽最大达到40 MHz。用带通采样定理计算采样率时，出于抗频谱混叠的考虑，带宽按照40 MHz进行计算。其采样频率的计算如下：

(1)

根据带通采样原理，采用165 MHz系统钟会产生频谱倒置，需要在多普勒计算及预置中加以考虑。

4 接收机设计

由于返向接收信号的速率范围较大(1 kbit/s～10 Mbit/s)，且针对不同的信息速率，信号调制方式也不尽相同。在150 kbit/s以下，需要利用PN码对信号进行扩频处理，调制方式只有BPSK、UQPSK；150 kbit/s以上不再扩频，但调制方式较复杂，有BPSK、QPSK、SQPSK、UQPSK几种。针对这种要求，接收机的设计方法有所不同，因此我们以150 kbit/s作为界线分为低速接收机、中速接收机两类。低速接收机需要完成多扩频信号的解扩、解调，也可完成150 kbit/s以下的BPSK信号解调，150 kbit/s以上的各种调制信号由中速接收机完成接收解调[5]。

接收机的结构框图如图2所示。

图2 接收机结构框图Fig.2 Block diagram of receiver structure

4.1 低速接收机设计

返向低速数传解扩/解调器实现框图见图3，下行140 MHz中频接收信号通过带通滤波器、AGC放大器后A/D采样，均衡器、 PN码快速直接捕获、PN码环、载波Costas环、位同步、维特比/RS译码、帧同步、距离提取、控制器等功能模块均采用数字方式实现。

此接收机接收并解调以下信息速率低于150 kbit/s的各类调制信号：短码/长码扩频BPSK信号，长码用于提取距离数据；长码扩频BPSK信号(同时提取距离信息)；非扩频BPSK信号；I路扩频、Q路不扩频的UQPSK调制信号。

输入的140 MHz中频调制信号经过带通滤波器及AGC放大器后，进行A/D采样，进入数字Costas环，采样频率115 MHz。放大器动态范围为50 dB。

通常,BPSK扩频信号由I、Q两路Costas环完成载波跟踪及解调。输入的I路信号表达式为

(2)

式中，dI(t)为调制信息，PNI(t)为扩频码(码环跟踪锁定之后解扩)，ω为输入中频载波角频率,θ为输入信号初相。

DCO输出两路相互正交的本地载波：

LI(t)=sin(ωot+θo)

LQ(t)=cos(ωot+θo)

(3)

式中，ωo为DCO角频率，θo为DCO初相。输入信号经过鉴相乘法器及I.D滤波器后得到：

ZI(t)=kddI(t)PN(t)cosφ
ZQ(t)=kddI(t)PN(t)sinφ

(4)

式中，kd为鉴相增益，φ=(ωt+θ)-(ωot+θo)=ωet+θe。

图3 低速数传解扩/解调框图Fig.3 Block diagram of low-speed data transmission despreading/demodulation

在频率引导阶段，将I、Q两路相乘后得：

(5)

Ud(t)=1/2·kd2sin2φ=1/2·kd2sin(2ωet+2θe)

(6)

Ud(t)经过FFT处理后可测得2倍的接收信号与本地载波的频率差，据此对载波DCO进行频率设置，使环路进入快捕带。同时，根据载波多普勒频率换算出码钟多普勒频率，对码钟DCO进行设置，使PN码能够正确完成并行检测，码环完成捕获跟踪。

码环锁定后，Costas环经过解扩、积分清零滤波器后得到:

UI(t)=kddI(t)cosφ
UQ(t)=kddI(t)sinφ

(7)

将I、Q两路相乘后得：

(8)

Ud(t)=1/2·kd2sin2φ=1/2·kd2sin(2ωet+2θe)

(9)

当Costas环未锁定时，Ud(t)经过环路滤波器后，控制DCO频率、相位，向减小跟踪误差的方向调整。环路锁定后，i支路输入信号与本地载波鉴相后获得I路扩频信号，经解扩、解调后送位同步、维特比译码、帧同步便可获得I信息。q支路I路扩频信号输出能量为零，而Q路扩频信号因与I路载波相位正好相差90°，所以在q支路输出最大，由此经与PNQ相关解扩后可获得Q信息。I路扩频信号在环路锁定后，i路输出最大，q路输出最小，两路幅度相减(I2-Q2)、平滑后可获得载波锁定指示，同时经过相应转换可获得AGC控制电压。

伪码跟踪采用非相干延时锁定环，PN码先锁定载波后锁定。对双Δ环，捕获范围宽，容易锁定；对单Δ环，相位抖动小，测距精度高。定时误差提取采用早晚门鉴别法，早门相关值减晚门相关值得出误差值，然后经过环路滤波器调整DCO改变本地码相位，完成锁定。利用码环时间误差鉴别特性，本地码可以锁定在鉴别曲线的零点，与输入伪码相位相同。适当减小环路带宽可以减小环路的相位抖动，因此，在本套设备中，为了提供高精度的距离数据，故采取了单Δ环。

用户星测距终端与返向低速数传解扩解调器设计在一起，利用低速数传解扩解调器中的码跟踪环完成接收伪码的全“1”脉冲和码钟相位提取，同时前向信号调制器将发射伪码全“1”及发射伪码码钟相位送到用户星测距终端，完成距离提取。分为测距粗距离和细距离，粗距离即收发时延间的码元个数，细距离即收发码钟的相位差。

4.2 中速接收机设计

中速数传接收机输入信号速率在0.15～20 Mbit/s之间连续可变，调制方式为BPSK、QPSK、UQPSK、SQPSK，根据不同的调制方式采用不同的解调策略。

在中速数传接收机中,每条支路输出信号直接通过低通滤波器,一条支路进入鉴相器获取相位误差控制NCO除去载波；一条支路通过重采样获取位同步信息，得到的基带信号经过均衡后判决输出。解调器框图如图4所示。

图4 中速数传接收机结构Fig.4 Structure of middle-speed data transmission receiver

由于输入信号的调制方式分别为QPSK、UQPSK、BPSK、SQPSK等多种调制体制，对不同的调制方式有不同的相位鉴别方式，但是其中的某些电路还是可以复用的。

4.2.1QPSK/SQPSK鉴相

如图5所示，对于QPSK/SQPSK，其鉴相器可以复用为Costas算法。由于Costas算法具有矩形鉴相特性，故鉴相灵敏度(即鉴相特性在稳定平衡点处的斜率)非常大，可使PLL环路增益提高，从而降低静态相位误差，这对改善接收系统误码率性能是有利的。Costas算法得到的相位误差为[6]

UdQPSK=Sgn[I*Q*(I+Q)*(I-Q)]

(10)

图5 QPSK/SQPSK载波提取Fig.5 QPSK/SQPSK carrier recovery

假设由A/D输入的QPSK信号为

V1=XtcosW0t+β1+YtsinW0t+β1

(11)

式中,X(t)、Y(t)为I、Q路调制信号，W0为输入中频载波角频率,β1为输入信号初相。

数控振荡器DCO的输出频率为

uc=Uccos(W0t+β2)

(12)

式中，Uc为DCO输出幅度，β2为DCO初相。则I、Q两路信号V4、V5分别为

(13)

(14)

式中，Km为鉴相增益，β=β1-β2。

V4、V5在相乘器中相乘后得到：

(15)

而相加器和相减器输出的V6、V7信号在相乘器中相乘后得到：

(16)

式(15)和式(16)相乘，得到误差电压：

Ud=Kdsin 4β

(17)

再对式(17)取符号位，得到[7，8]：

U=SgnUd=Sgn(Kdsin 4β)

(18)

4.2.2UQPSK鉴相

对于UQPSK如图6所示。

图6 UQPSK/BPSK载波提取Fig.6 UQPSK/BPSK carrier recovery

分析方法与QPSK鉴相类似，最后可以得到以下结论：

对于UQPSK信号，其相位误差的提取为

(19)

BPSK信号是UQPSK的特例，令C2=0即可获得BPSK的鉴相误差[9-10]。

5 结束语

本文对TDRSS返向链路信号进行了分析，提出了一种基于大规模FPGA、DSP器件、遵循软件无线电设计思想的高集成度TDRSS返向多模式数传及用户星测距接收机的设计方法，最终通过硬件电路得以实现，并成功运用于实际系统中，针对各类用户终端的实战任务验证了这种设计方案的合理性和可行性。此接收机的设计具有集成度高、扩展性强、处理信号模式多、处理信号样式多、范围宽、上下行信号调制的信息速率范围较广、设备达到的指标要求高等特点。随着技术的进一步发展，接收机在数据实时性要求上需要进一步提高。

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