基于FFT的卫星遥测数据载波捕获方法

陈茹梅，张 晔，姚乐乐

（航天恒星科技有限公司 北京 100086）

基于FFT的卫星遥测数据载波捕获方法

陈茹梅，张 晔，姚乐乐

（航天恒星科技有限公司 北京 100086）

针对卫星遥测体制下低信噪比、大频偏载波捕获速度慢的情况，提出了一种基于FFT载波捕获方法。根据载波的频域幅值特性，采用FFT频率估计法和扫频法相结合，使载波在较低信噪比、大频偏的情况下被快速、准确捕获，解决了数据速率连续可调的大频偏情况下的载波捕获问题。利用Xilinx Vertix4系列FPGA芯片在系统时钟为110 MHz时对文章提出的方法进行验证。结果表明，该方法载波捕获精度高，系统稳定可靠。此方法已成功应用于卫星模拟测试站中。

卫星遥测；FFT；载波捕获；信噪比；频偏

BPSK信号的数字化解调是卫星遥测系统中一项常用的技术，同时广泛用于微波通信、广播电视等诸多其他领域。由于接收载体在通信过程中的运动，接收信号中存在较大的多普勒频移，这给接收信号的解调带来了一定困难[1]。对于解调过程中多普勒频移的估计和矫正，已有较成熟的算法，如锁相环（PLL）[2]法，自动频率控制（AFC）法[3]，基于谱线循环平移的快变多普勒频偏捕获算法[4]和频率估计法[5]。但在BPSK解调的过程中，数据率的变化范围很大，从几百bps到几百kbps，当码速率较低或频偏值是码速率的几十倍或是几百倍时，此时，单纯用PLL、 AFC或一些适用于中高速频率估计法已经不能完成频偏值正确估计的任务，这就需要新的方法来解决非扩频BPSK调制模式下低码速率大频偏范围的载波的捕获问题。

目前非扩频BPSK调制方式下的低码速率大频偏载波捕获还没有可用的方法及系统，本方法在此背景情况下研究提出。本方法提出一种基于FFT法[6]和扫频法[7-8]相结合的低码速率大频偏载波捕获方法，针对非扩频BPSK调制方式，解决了在较低码速率、低信噪比、并且码速率连续可调的大频偏情况下的载波捕获问题。

本方法与现有技术相比的优点在于：采用FFT频率估计法和扫频法相结合，能够对非扩频BPSK调制方式下的低码速率数据进行较宽频偏范围内的捕获；具有码速率连续可调的优点，码速率范围1～700 kbps；捕获精度高，误差在0.04%～0.2%左右；频偏捕获范围可达-900～+900 kHz；在低信噪比下工作，Eb/N0低可达3 dB。

1 捕获方法

A/D采样后的BPSK调制数据分别与NCO本地载波产生的cos和sin两路正交数据相乘，将相乘后的I、Q两路数据送入低通滤波器；低通滤波器滤除高频分量后将输出的I、Q两路数据分别送入累加平均模块，累加平均降采样处理后的I、Q两路数据再分别送入防混叠滤波器，防混叠滤波器对降采样处理后的I、Q两路数据进行滤波，滤除1/2倍采样频率率带外的信号；经过防混叠滤波后的I、Q两路数据分别再送入消调制处理模块，消调制处理模块消除BPSK调制对I、Q两路数据符号的影响，然后将处理后的I、Q两路数据送入FFT处理模块；经过FFT处理后的I、Q两路数据输入到选大处理模块，选大处理模块在频域上求出I、Q两路数据的平方和最大值以及最大值所在位置，并将平方和最大值以及最大值所在的位置数据送入扫频控制模块，扫频控制模块判断平方和最大值所在位置以及平方和最大值是否同时满足频率判决和幅度最大判决两个条件，若满足则结束扫频，输出正确频偏值，否则将NCO本地载波加上扫频步进值，形成新的本地载波，继续进行扫频处理。

图1 原理框图

具体方法及参数配置如下。

1）对ADC采样后的BPSK调制数据进行下变频[9]处理；

2）对经过下变频处理后的I、Q两路数据分别进行累加平均降采样处理；对信号直接进行累加平均降采样处理，相当于将信号经过了积分梳状CIC滤波器，由于滤波器的旁瓣抑制不会达到理想状态，因此降采样后频域上会出现频率混叠现象。对低速率的信号，直接累加平均降采样，由于频率响应的混叠失真，就会影响FFT的判决，对载波频率进行误判。为了防止降采样产生频率混叠，需要对降采样的信号进行防混叠滤波处理，滤除1/2倍采样率带外的信号。由于初始信号采样率为一般都比较高，可达上百兆赫兹，而进入FFT的数据率为5Rs，直接进行低通滤波实现的难度太大，因而需要通过逐级滤波抽取的方法实现；

3）对经过累加平均降采样处理后的I、Q两路数据分别进行防混叠滤波处理；将累加平均处理后的数据进行L-1级的半带滤波，累加平均处理后的数据率为5Rs×2L，其中Rs为符号速率，L的取值见表1，L应保证5Rs×2L的结果为大于并最接近200 000的正整数；每一级半带滤波处理后的数据率为处理前数据率的1/2，经过L-1级半带滤波后的数据率为10Rs；将数据率为10Rs的数据再进行低通滤波，低通滤波处理后的数据率为5Rs；

4）对经过防混叠滤波处理后的I、Q两路数据分别进行消调制处理；因BPSK调制数据的相位为0与π，要消除BPSK调制对数据符号的影响，则需要对经过防混叠滤波处理后的I、Q两路数据分别进行消调制处理，即对I、Q两路数据做非线性平方处理，经过此处理后，实际的频偏值将是正确频偏值的2倍。

设ZI（t）、ZQ（t）分别为下变频处理后的I、Q两路数据，XI（t）、XQ（t）为经过防混叠滤波模块处理输出的I、Q两路数据。对ZI（t）、ZQ（t）进行数学变换，这里采用平方非线形变换，具体如下：

5）对经过消调制处理后的I、Q两路数据进行FFT处理，FFT的点数根据实际情况对FFT精度的要求确定；

6）将每次FFT处理后的I、Q两路数据的幅度平方和进行选大处理，记录幅度平方和最大值及其所在的位置M，其中M=0、1、…、N，N为FFT运算的点数；

7）将选大处理后的幅度平方和最大值数据和最大值所在位置数据进行扫频，判断幅度平方和最大值所在的位置数据和幅度平方和最大值是否同时满足频率判决和幅度最大判决，若是，则输出正确频偏值；若不是，则将NCO本地载波加上扫频步进值，形成新的NCO载波，继续进行扫频处理。

2 关键技术设计

扫频方法具体实施方法为：NCO的本地载波频率初值为f0，以f0为中心，每次进行扫频时NCO的本地载波为：f0-Δ，f0+Δ，f0-2×Δ，f0+2×Δ，f0-3×Δ，f0+3× Δ，f0-4×Δ，f0+4×Δ，…，其中Δ为每次扫频的步进值，Δ=Rs，Rs为符号速率，当扫频次数大于等于3后开始进行频率判决和幅度最大判决；分析同一方向上相邻两次NCO载波频率下求出的频率特性。

第k次扫频得到的幅度平方和最大值A对应的位置在M点处，则可得出在M点处对应的频率值为：

其中M=0，1，…，N，k为扫频次数，为大于等3的正整数，N为FFT运算的点数，fk为第k次扫频得到幅度平方和最大值所对应的频率值，fs为进入FFT模块的数据速率。

分析同一方向上相邻两次NCO载波频率下求出的频率特性，在理想状态下的频率判决条件为：

由于在运算过程中存在误差 （如截位带来的误差），在实际应用中，上式并不是严格成立，而是一种理想状态下的描述。实际中的频率判决条件为，若第k次计算得到的频率值fk与第k-2次计算得到的频率值fk-2满足公式:

则初步说明找到近似正确频偏值；然后再进行幅度最大判决：判断当前扫频锁定的频率点所对应的幅度平方和值是否是附近C次扫频中最大的值，C为大于3的奇数，若本次扫频得到的最大幅度平方和值是C次扫频中最大的幅度平方和值，则说明找到正确的频偏值，否则继续进行扫频；最后输出的频偏值f计算公式为：

图2为本方法的防混叠滤波器框图。防混叠滤波器包括L－1级半带滤波器和一个低通滤波器，半带滤波器的阻带衰减为-60 dB；低通滤波器的通带为1.5Rs，阻带为1.55Rs，阻带衰减为-60 dB，其中Rs为符号速率。

图2 防混叠滤波器原理框图

注：L的取值方法如表1所示。

将累加平均处理后的数据进行L-1级的半带滤波，累加平均处理后的数据率为5Rs×2L，Rs为符号速率，L的取值保证 5Rs×2L的结果为大于并最接近200 000的正整数，这样可以在不产生频率混叠的情况下降低采样率，L的具体取值方法如表1所示，每一级半带滤波处理后的数据率为处理前数据率的1/ 2，经过L-1级半带滤波后的数据率为10Rs；将数据率为10Rs的数据再进行低通滤波，低通滤波处理后的数据率为5Rs。

表1 L的计算方法

3 实例验证

在本文方法中，采用Xilinx的Virtex4系列芯片，硬件系统的处理时钟为110 MHz，捕获范围为[-900，+900]kHz，数据速率的取值范围为 1～700 kbps，C=5，FFT运算点数N=1 024。根据表2可以看出，实际计算得到的频偏值的精度是很高的，其误差在0.04%～0.2%左右。根据实际测试结果，这种误差对之后的跟踪模块的正常工作无任何影响。

表2 频偏值对照表

4 结束语

本文提出的基于FFT扫频法的载波捕获方法，主要应用于卫星测控体制下的非扩频BPSK调制方式下得载波捕获，解决了在较低信噪比、大频偏情况下载波快速捕获的问题。该方法经过实际测试，证明其具有捕获时间短、捕获精度高、捕获范围宽等优点。此方法已经应用于实际的工程中，性能稳定良好，在航天测控、跟踪、测距等领域具有工程参考价值。为了提高系统性能，未来可以选择更大资源的FPGA芯片，优化滤波器性能，提高FFT处理点数。

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Method space telemetering data of carrier acquisition based on FFT

CHEN Ru-mei，ZHANG Ye，YAO Le-le
（Space Star Technology Co.，Ltd.，Beijing 100086，China）

A method of carrier acquisition is proposed in this paper for improving the capture speed in the satellite telemetering systems even if the system has low SNR and large frequency offset.Based on the frequency amplitude characteristic of the residual carrier，by using the method of frequency domain search，FFT frequency estimation combined with the frequency sweep method，the carrier in the low signal-to-noise ratio，large frequency offset can be quickly and accurately capture，and the problem that carrier acquisition in data rate continuously adjustable and large frequency offset limit can be solved.The method proposed to using Xilinx Vertix4 FPGA in 110MHz system clock is verified.The results show that the carrier acquisition of high precision，stable and reliable system.The method has been successfully applied to the satellite simulation test station.

satellite telemetering；FFT；carrier acquisition；SNR；frequency offset

TN919

：A

：1674－6236（2017）05-0103-04

2016-02-19稿件编号：201602072

陈茹梅（1981—），女，黑龙江齐齐哈尔人，硕士研究生，高级工程师。研究方向：卫星遥测遥控，中低高速数据调制解调研发设计。