轻小型无辅助星载北斗短报文通信机应用及工程实现研究

2022-03-17纪春国

科学与信息化 2022年5期

关键词：锁相环三阶环路

纪春国

中国科学院微小卫星创新研究院上海 200000

引言

星载北斗短报文通信机是面向卫星应用，利用北斗短报文系统的双向通道，形成全球信息传输的双向链路，实现卫星观测数据实时回传、控制信息动态上注等功能，使卫星具备超视距监测与控制能力[1]。

1 星载北斗短报文通信机设计要求

1.1 星载北斗短报文通信机功能要求

星载北斗短报文通信机功能要求主要是以下几个方面：

1.1.1 短报文双向通信功能，利用北斗短报文服务，将观测数据以短报文的形式，将数据回传至境内地面站；同时境内地面站也可将业务控制信息，通过北斗卫星发送给星载北斗短报文终端，形成信息传输的双向链路。

1.1.2 与卫星平台的交互功能，包括短报文业务数据和工程测控数据的交互。

1.2 星载北斗短报文通信机工作原理

1.2.1 星载北斗短报文系统组成。利用北斗卫星实现全球RDSS报文收发功能，由短报文通信机（A、B机冷备）、固放微波网络天线[2]及电缆组成，系统组成框图如图1所示。

图1 系统组成框图

1.2.2 北斗短报文发送信号流。北斗短报文通信机通过FPGA将星务分系统要发送的数据封装成短报文帧，然后送给AD9361,由其进行上变频为射频信号[3]，射频信号经过合路和功分后可在固放微波网络的固态功放A或者固态功放B中放大成强信号，强信号通过大功率开关、腔体滤波器后，发送至短报文发射天线。

1.2.3 北斗短报文接收信号流。接收天线接收北斗卫星信号后经过微波网络功分成两路，分别发送至短报文主备单机，两路射频信号经过各自的低噪声放大器放大后，输入到AD9361芯片，在芯片内部实现下变频、滤波、放大并数字采样后完成捕获、跟踪及数据解调，并将译码后的数据发往星务分系统。

2 星载北斗短报文通信机硬件方案

天线接收后经低噪放及功分器后，分别进入主备AD9361模块，在每个AD9361模块内均进行双通道热备份处理，原理框图如图2所示。

图2 北斗短报文通信机硬件总体技术方案图

2.1 北斗短报文天线组成及功能

北斗短报文天线包含接收天线和发射天线，发射天线的主要功能是将短报文通信机输出的信号转换成圆极化空间波辐射出去，接收天线的主要功能是接收来自北斗卫星信号。

2.2 北斗短报文固放微波网络组成及功能

固放微波网络单机模块组成如下：

2.2.1 固态功放模块A/B。主要功能是将射频小信号放大为高功率信号。

2.2.2 腔体滤波器功能。主要功能是抑制射频信号带外辐射。

2.2.3 功分器。主要功能是将输入射频信号功分至两路发射天线。

2.2.4 大功率开关。主要功能是通过切换开关选择输出信号来源。

2.3 北斗短报文通信机AD9361模块

2.3.1 AD9361模块硬件组成。AD9361模块主要由AD9361，A54SX72A、XC7A100T组成。选用AD9361进行下变频、放大、AGC、数字化。XC7A100T实现信号处理，完成两热备通道信号的捕获跟踪，解调出数据码流，同时完成发射信号的组帧、扩频等。AD9361模块硬件原理框图如图3所示：

图3 AD9361模块硬件原理框图

2.3.2 高集成度低功耗AD9361射频收发器简介。AD9361外形尺寸10mm×10mm，高集成度、高性能，具备可编程能力的射频收发器，功耗在1W左右。该器件包含射频和数字部分，射频部分完成滤波及下变频至零频，基带部分完成零频信号的数字采样。支持频率从70 MHz至6.0 GHz可编程，带宽200 kHz至56 MHz。具备全双工两收两发通道，每个通道均具备下变频、上变频、AD采样、DA变换、滤波、放大等功能。并且每个接收通道都具有独立的AGC功能。每个通道包含两个12bits的AD，将直接变频后的I、Q信号进行数字化采样，结果生成12bits信号输出。

2.3.3 低功耗XC7A100T及AD9361的抗空间单粒子设计。用于实现数字信号处理的芯片XC7A100T[4]属于SRAM型FPGA，该芯片对单粒子敏感，为了提高该FPGA在恶劣空间环境下的可靠性，避免单粒子打翻芯片内的逻辑或触发器等资源而使FPGA工作异常，从而导致功能或性能中断，采用对单粒子免疫的反熔丝型FPGA实现对XC7A100T进行动态加载、周期刷新，同时负责对AD9361配置和监控，保证SRAM型FPGA和AD9361的稳定可靠工作。反熔丝型FPGA选用A54SX72A芯片，该芯片等效逻辑门数可达7万门，对单粒子免疫。

2.4 北斗短报文通信机接口设计

2.4.1 北斗短报文通信机供电接口。星务分系统为短报文通信机提供二次次电源[5]，原理框图如图4所示。

图4 供电原理框图

2.4.2 北斗短报文通信机CAN总线接口。短报文通信机与星务分系统之间接口为CAN总线，采用A、B总线方式，用于遥测遥控收发。CAN总线接口通信速率500kbps，通信接口采用SJA1000和82C250，具有双冗余的总线接口，如下图5所示。

图5 CAN总线接口电路图

2.4.3 北斗短报文通信机RS422接口。北斗短报文通信机和星务分系统的业务信息数据交互由RS422异步通信串行接口完成，差分式双工传输，每对差分信号选用双绞线实现信息传输。信号波特率115200bps，接口电路图如图6所示。

图6 RS422接口原理图

3 北斗短报文通信机无辅助捕获跟踪软件方案设计

3.1 北斗短报文通信机无辅助捕获模块设计

3.1.1 北斗短报文通信机捕获设计指标分析如下所述。

3.1.1.1 由于需要1s内实现至少10颗北斗卫星信号的快速捕获，则每一路信号捕获的时间必须小于100ms。

3.1.1.2 多普勒搜索范围：指标要求≥±40kHz，但考虑到频率稳定度的影响，多普勒范围应至少增加±1.2kHz，设计指标±45kHz。

3.1.1.3 灵敏度要求-130dBm，设计灵敏度-132dBm。

3.1.2 北斗短报文通信机无辅助捕获算法设计[6]。考虑的PN码码长加长，捕获方案设计上采用并行码相位的方法结合载波并行搜索，算法原理是利用FFT的方法快速计算循环相关，其中相关的计算主要基于循环卷积定理，其原理可以用下式表示：

3.2 北斗短报文通信机跟踪模块设计

3.2.1 北斗短报文通信机跟踪部分组成。跟踪部分主要包括本地载波/伪码生成模块、DLL模块、PLL模块、FLL模块、信噪比计算与锁定检测模块。

3.2.2 北斗短报文通信机跟踪部分工作流程。跟踪部分以捕获单元提供的码周期零相位脉冲信号为启动信号，二阶锁频环辅助三阶锁相环完成对捕获频率剩余频差的补偿，之后进入三阶锁相环独立工作状态，三阶码环实现对输入信号码相位的持续跟踪。

3.2.3 北斗短报文通信机跟踪部分设计输出。捕获频率初始频差不超过300Hz，输入信号载噪比为38dB/Hz，I/Q路数据符号率为1000sps。

3.2.4 北斗短报文通信机跟踪部分设计思路。

3.2.4.1 载波环跟踪设计。考虑到捕获初始频差为300Hz，初始跟踪阶段计划采用以下流程：①使用宽带锁频环，设置工作时间0.1s；②待宽带锁频环初步同步后，将锁频环环路带宽变窄，设置工作时间0.2s以进一步减小跟踪频差；③待窄带锁频环初步同步后启动二阶宽带锁相环，设置工作时间0.1s；④FPLL稳定后，关闭锁频环，并将二阶锁相环切换为宽带三阶锁相环，设置工作时间0.1s；⑤待三阶锁相环初步稳定后将三阶锁相环环路带宽进一步减小；⑥一旦判定环路失锁，马上回到步骤a，并按步骤依次向后执行，1s内如果环路仍未锁定，则通知捕获模块环路失锁。

3.2.4.2 码环跟踪设计。为了实现对信号的快速初始捕获，采用与频率补偿类似的变带宽策略。

①首先采用宽带二阶码环以快速实现码相位初捕以减小积分损耗，设置工作时间为0.2s；②之后过渡到三阶宽带码环，设置工作时间为0.3s；③一定时间后切换为三阶窄带码环；④一旦码环失锁，通知捕获模块环路失锁。

3.2.4.3 载噪比测定与信号锁定检测。分别统计经过低通滤波的I/Q支路信号功率，环路锁定后，认为信号能量全部分布于I支路，Q支路只体现噪声特性，那么I支路功率减去Q支路功率即为信号功率。可以采用输出信号载噪比来判定环路锁定情况。

3.2.4.4 跟踪部分输入输出信号。①跟踪启动脉冲（1位，持续1个时钟周期）。②捕获初始频率（32位）。③卫星PRN号（5位）。④带宽配置信号（5位）。

3.2.4.5 跟踪部分的输出信号。①DLL与PLL锁定检测指示（DLL和PLL各1位）。②解调信号信噪比（8位，符号位1位，整数5位，小数2位）。③载波相位与码相位（32位）。④解调符号（I/Q路各1位）。

3.2.4.6 跟踪部分整体架构。载波与伪码生成模块收集DLL与PLL计算得到的频差与相差信号，用于本地载波与伪码的生成，并完成I/Q正交支路各E、P、L支路的相干累加。

DLL模块用于计算本地码与输入信号码相位差的相位差并进行三阶环路滤波。FLL模块用于快速补偿捕获初始频差，引导三阶锁相环完成对输入信号的跟踪。PLL模块用于稳定跟踪输入信号的载波信息，从而实现数据解调[7]，跟踪环路如图7所示。