一种扫描馈源跟踪接收机设计

2016-07-01中国电子科技集团公司第54研究所

电子世界 2016年10期

中国电子科技集团公司第54研究所赵楠

一种扫描馈源跟踪接收机设计

中国电子科技集团公司第54研究所赵楠

【摘要】包括卫星通信系统在内，任何测控系统都可分为信道和跟踪两部分。由于卫星通信系统的信道在空间是动态的，要完成通信任务，最基本的工作是实现对目标的自动跟踪。本文设计了一种扫描馈源跟踪接收机，介绍了跟踪系统的工作原理和主要设备组成，构建仿真模型，并进行了工程实现，给出了实验结果，验证了方案的可行性。

【关键词】扫描馈源；跟踪接收系统；Matlab仿真

0.引言

自跟踪接收系统将天线馈源处接收到的射频微弱信号放大、变频、滤波及角误差检测，随后伺服利用此角误差信息驱动电机，控制天线对准目标信号，实现对目标信号的自动跟踪，最终使双向微波综合信道达到最佳的通信效果。

在各种跟踪系统中，单脉冲跟踪精度最高，但是馈源较复杂，成本较高。本文设计的扫描馈源跟踪接收机，由圆锥扫描跟踪接收机延伸而来，馈源机械结构实现较简单，其跟踪精度接近单脉冲跟踪系统的跟踪精度，适用于精度要求较步进跟踪高、低成本应用场合。

1.工作原理

扫描馈源跟踪接收机原理和圆锥扫描类似，区别就在于扫描馈源跟踪接收系统不需要机械转动天线副面或主面，而是通过切换和天线振子相连的放大器来实现波束倾斜，使其偏离天线视轴一个角度，并使其绕天线视轴旋转，当卫星偏离视轴时，接收通道收到的信号与原始信一号相比就附加了一个与波束切换频率相同的幅度调制，调制幅度近似正比于卫星视线轴与天线视轴之间的夹角；跟踪接收机检测出误差信号，送给伺服系统驱动天线向调制信号最小方向移动。当天线视轴指向卫星时，天线视轴与卫星视线轴完全重合，调制信号为零。

馈源采用五振子的形式。中间的振子提供和信号，周围四振子用于角误差跟踪。振子排布及对应圆锥扫描位置关系见图1。

图1　馈源示意图

图2　扫描几何关系图

图2是描述扫描的几何关系图。通过目标T做垂直于等信号轴的平面，它与等信号轴的交点为O，B点为t时刻波束最大值方向与平面的交点，圆周为波束中心B点运动轨迹，ε为误差角，δ为波束偏角，θ为波束中心线与视线夹角，R为天线到卫星的距离。

在跟踪情况下，ε、δ、θ都很小，显然OT≈ Rε、OB≈ Rδ、TB≈Rθ，用余弦定理可得：

设天线方向性图为F（θ），接收信号的电压振幅为：

式中，K为比例系数。

在δ处将上式展开泰勒级数，不计高阶项，则有：

（4）式经过滤波去直流后，输出交流分量即误差信号，把误差信号加到误差解调器，与正交基准信号和分别相乘，取差频分量，可得：

2.系统组成

图3　跟踪接收系统组成框图

图3中，S1-S4代表天线四个馈源振子，这四个振子接收下来的信号分别经过滤波、同步放大、移相、合成滤波后，最终合路后进入跟踪接收机进行解调。跟踪过程中，接收机产生的同步控制扫描信号依次对四路信号进行通断控制，一个扫描周期内就可以同步解调出天线与卫星的角误差信息，从而驱动天线朝误差减小的方向移动。

电子波束扫描馈源组件组成如图4所示。

图4　馈源组件组成图

如图4所示，馈源组件的四个通道的输入分别为四个馈源喇叭S1～S4，四路信号经过放大及衰减、移相之后，进入开关控制模块，最终由合路器合成一路信号输出至跟踪接收机。

其中波束扫描由跟踪接收机控制，跟踪接收机输出两个方波控制信号T1、T2，组成四个状态，分别对应S1、S2、S3、S4断开而其余通道通路，从而形成波束扫描。

跟踪接收机包含下变频器和跟踪解调终端，天线接收的L/S波段信号，经下变频后产生70MHz中频信号送至跟踪解调终端，解调输出AGC电压信号和一组大小与天线偏离目标角度成正比的误差电压，伺服系统根据误差电压驱动天线跟踪目标。

下变频器主要把天线接收下来的射频信号变成70MHz中频信号，送给跟踪解调单元进行处理。70MHz中频信号经AD采样后，送入FPGA数字处理单元，实现单载波信号及窄带信号的FFT变换和捕获跟踪，宽带信号的检波，提取出AGC控制电平和角误差电压。

跟踪解调终端主要由A/D变换器、数字下变频器、超大规模现场可编程门阵列（FPGA）、单片机等组成，由ARM与上位机通过CAN总线进行通信，并控制显示等。

3.仿真与实现

中频信号仿真模型是利用Matlab中的数字信号处理模块来设计的，分为单载波信号和宽带信号的处理。

跟踪单载波跟踪信号时用数字锁相环捕获载波信号，由I、Q两路信号提取输入信号的幅度信息。图5是单载波跟踪方式的跟踪仿真框图。

图5　单载波跟踪仿真框图

接收单载波跟踪信号时，70MHz中频信号经滤波器、可控增益放大器后，被送入模数转换器（A/D），转换为数字中频信号。

数字中频信号与数控振荡器（NCO）产生的数字正交信号分别进行数字混频，经过数字低通滤波，得到I、Q两路正交数字信号。经过FFT处理，获取数据的频谱信息，并估算出多普勒频率，引导锁频锁相环输出频率控制码控制NCO输出，实现快速载波频率引导及跟踪。

数字信号经过下变频、滤波，得到I、Q两路正交数字信号。正交下变频的一个支路作为鉴相相差，然后进行积分、环路滤波得到NCO控制量，构成数字锁相环。数字锁相环的工作原理和模拟锁相环相似，也包含三个基本组成部分：数字鉴相器（DPD）、数字环路滤波器（DLF）、和数控振荡器，实现对载波信号的快速捕获与跟踪。由I、Q两路信号提取输入信号的幅度信息。环路锁定后，然后通过相干解调，分离出方位和俯仰误差信号。

宽带信号跟踪方式下，利用检波的方法解算出信号功率，再与基准信号做相干解调，解算出差信号。图6是宽带信号跟踪方式的跟踪仿真框图。

图6　宽带信号跟踪仿真框图

中频解算的数字信号处理主要由FPGA实现，采用Xilinx公司的Virtex-5系列芯片XC4VSX95T，FPGA部分的设计主要包括数字采样与数字下变频设计、频率引导捕获、数字AGC、AFC 与跟踪算法设计、同步解调、相位校正等。

图7　幅度与载噪比收敛曲线

模拟信号载噪比为43dB，图7、图8是其仿真计算结果。仿真时间为500ms，采样频率为31.111111MHz/32，采样点数为486112个点。如图6所示仿真结果，信号载噪比C/N0=43 dB，频偏为100kHz情况下，锁相环锁定时间在50ms左右。随着信噪比的下降，锁定时间加长。图7为锁定后，仿真计算的信号幅度和载噪比，图8为锁定后，仿真计算的方位误差和俯仰误差。仿真结果证明了算法的正确性。