便携式卫星通信地球站手动对星系统设计

中国电子科技集团公司第五十四研究所 张鹏宗



便携式卫星通信地球站手动对星系统设计

中国电子科技集团公司第五十四研究所 张鹏宗

【摘要】针对便携站手动对星过程存在的耗时长、精度差以及操作要求高的问题，设计集成了一套对星系统以便利对星实现。该系统以数字化中频解调为基础，基于FPGA完成信标样值时频域处理并提取信标强度、链路频偏等信号特征，基于嵌入式处理器完成图形化界面下的对星参数控制和结果显示，其人机交互界面方便友好可借助PDA通过IE浏览器灵活访问。实践证明，该系统使得更轻巧的手动便携站达到了自动便携站的对星精度和接近的对星时间和方便程度，显著提升了通信效能。

【关键词】便携站；手动对星；级联抽取；频谱泄露；数字滤波

0　引言

便携式卫星通信地球站（简称便携站）在具备传统卫星通信不受地理位置和距离限制、业务承载灵活多样等优势的同时，因其体积小、重量轻、易于携带在自然条件恶劣的应急通信以及军事通信中发挥着越来越重要的作用。

根据对星方式的不同，便携站分为手动对星便携站和自动对星便携站。相比自动对星站型，手动对星便携站因为不需要天线伺服系统和跟踪接收机，在重量、体积、成本、功耗和环境适应性方面具有一定的使用优势，但在手动调整天线对星的过程中普遍存在对星耗时长、对星精度差的问题，限制了通信链路的建立速度，制约了其通信效能的发挥。

为提升手动对星便携站通信效能特别是在野外机动和应急通信中的表现，本文设计集成了一套对星系统以便利对星实现。该系统以FPGA和嵌入式处理器为核心，综合运用数字化中频解调、多抽样率数字处理和频谱分析等技术分析处理信标样值信息，人机交互界面方便友好可实时显示对星效果。

1　系统设计考虑

手动对星是以手动方式调整卫星通信天线使其主波束中心对准要与之通信的卫星并建立通信信道的过程。具体操作时一般首先利用GPS或北斗等专用工具获取接收天线的地理坐标（经纬度），其次根据天体对星理论公式［1］计算对星天线方位和俯仰的理论角度，然后在手动调整过程中利用机械罗盘不断读取天线当前的实际指向（方位角和俯仰角）并与计算值比较，若两者相等则天线对准卫星。

传统手动对星方式因磁偏角的存在和机械罗盘受环境影响存在读取误差，其实际对星值与精确对星值之间存在一定的偏差，普遍存在对星耗时长、对星精度差的问题。针对这一问题，引入卫星跟踪信号作为系统反馈，利用卫星信号强度随天线指向误差增加而减小的特征，通过实时采集和处理可使天线更快速、更准确地指向卫星。

目前卫星提供给地球站跟踪的信号主要有信标和载波两种形式。信标信号是卫星上发射的一个频率和幅度都固定的点频信号，自卫星发射成功至寿命终结始终不间断工作，可靠稳定利于跟踪；载波信号是卫星转发的、具有一定带宽且适合接收机解调的信号，需要预置工作频率和载波速率等参数，易于捕获。

考虑到载波信号方式下解调同步需要几秒到几十秒的时间对信号强度的反馈较慢，且当载波信号不转发或消失时需要更新接收参数才能使用无法实时跟踪不适合应急通信的应用，因此便携站手动对星系统以信标为目标信号展开设计。

2　系统原理框图

手动对星系统以硬件共享、软件重载的形式集成于实装便携站型上，由变频链单元、低中频采样单元、信标分析处理单元和人机交互单元组成，如图1所示。

图1　手动对星系统组成

变频链单元完成L或C中频信号到定点450MHz的下变频以及对应信号的功率调整；低中频采样单元完成变频链模块与AD芯片间的接口适配和信标信号的实时采样，该单元结合数字处理技术可实现数字化中频解调，有效降低了变频链单元的设计难度和规模；信标分析处理单元基于FPGA硬件实现，主要完成数字化正交解调、抽取滤波、频谱分析和信标特征值（信噪比/频偏/电平）提取等功能，同时解析对星控制参数完成变频链单元的接收频率和通道增益调整；人机交互单元基于嵌入式处理器MPC8270实现，主要完成图形化界面下的对星参数计算、下发以及对星结果显示，用户界面方便友好，可借助PDA通过IE浏览器灵活访问。

3　系统软件设计

手动对星系统软件主要由级联抽取滤波、频谱分析、数字滤波和人机交互界面四部分组成，是对星参数控制和信标样值处理的核心。

3.1级联抽取滤波

针对采样时钟和处理时钟近千倍的采样率变化，采用多级级联抽取滤波可以更有效地进行采样率变换，大大降低总的计算量和存储要求，减轻抗混叠滤波器的设计难度。参考多级抽样率变换器的设计步骤［2］，以减少计算量为目标确定了抽取因子分别为8、8和16 的3级级联抽取结构，具体实现结构如图2所示。

图2　级联抽取滤波器实现结构

特别地，第一级抽取滤波器阶数要尽可能取的高，保证以较小的通带和较大的阻带抑制过滤无用噪声，维持信标信号采样信噪比。

3.2频谱分析

信标频谱分析基于FFT实现，综合考虑估计精度、运算量、刷新周期等要求确定FFT处理长度为2048点，具体过程如图3所示。由于FFT处理过程会引入能量泄露［3］和栅栏效应［3］，如果处理不好将使估计结果与实际值间出现较大偏差，因此具体实现过程采取了针对性措施：对采样数据进行改进汉明窗截断，抑制旁瓣泄露，改善频谱的幅值估计精度；改进汉明窗会展宽过渡带，影响下行链路频偏估计精度，故在峰值搜索的基础上引入双线幅度Rife插值［4］算法提高频偏估计精度；在峰值搜索基础上，根据主瓣宽度确定主要功率频谱分量并求和校准信标功率，主瓣带外频谱分量统计平均记为底噪，依据校准信标功率和底噪计算相应信噪比作为信标强度输出。

图3　信标频谱分析过程

3.3数字滤波

数字滤波采用限幅滤波和加权递推平均滤波级联方式实现。前者基于一定处理周期下的经验判断，确定两次采样值的最大允许偏差，一旦新旧样值的偏差超过该允许值即丢弃新值，该滤波方式可有效克服脉冲干扰的影响；后者对不同时刻的样值给予不同的权值，其中旧样值统一给予小权值、新样值独立给予大权值，在一定程度上抑制周期性干扰的同时可大幅提升系统灵敏度。

数字滤波针对信标特征样值以纯软件的方式实现处理带宽内的干扰抑制，不需要外加硬件，可灵活修改滤波参数，是级联抽取滤波的有益补充，可显著提高信标信号的测量精度和响应速度。

3.4人机交互界面

人机交互界面通过嵌入式系统的webServer代理功能，实现用户前台数据的接入、解析及响应，给用户提供可视化的操作界面。用户可通过IE浏览器直接登录访问人机交互界面设置对星参数并获取对星结果，相应设置和显示界面如图4所示。

图4　手动对星人机交互界面

4　系统性能测试

系统性能测试配置天线为0.9m、Ku频段抛物面天线，首先借助频谱仪完成天线对星此时信标接收电平为-66dBm，然后控制卫星天线处于不同初始状态，记录手动调整天线开始至界面显示信标强度最大这一过程时间和信标强度最大时频谱仪显示信标电平值，完成对星时间和对星精度测试，测试结果如表1所示。

表1　手动对星系统性能测试

5　结束语

实践证明，在卫星天线机械特性良好的情况下，使用本文设计的手动对星系统平均对星时间可缩短到2.5mins以内，对星精度较频谱仪辅助方式误差小于1dB，很好地解决非专业人员现场开通不易的问题，同时与信标强度同步获取的链路频偏和衰减可加速入网进程，极大地提高了便携站在应急通信保障中的通信效能。

参考文献

［1］吕海寰，蔡剑铭，甘仲民等.卫星通信系统［M］.北京：人民邮电出版社，1988.

［2］Emmanuel C.Ifeachor，Barrie W.Jervis著.罗鹏飞，杨世海，朱国富，谭全元等译.数字信号处理实践方法（第二版）［M］.北京：电子工业出版社，2004.

［3］丁玉美，高西全.数字信号处理［M］.西安：西安电子科技大学出版社，2005.

［4］Rife D C，Vin cent G A.Us e of the discrete Fourier transform in the measurement of frequencies and levels of tones［J］.Bell Syst.Tech. J.，1970，49：197-228.

作者简介：

张鹏宗（1984—），男，硕士研究生，工程师，研究方向：卫星通信、数字信号处理。