杜要鋒

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

一種低信噪比跟蹤接收機技術(shù)研究

杜要鋒

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

天線口徑較小時，接收到衛(wèi)星信標信號的信噪比較低，跟蹤余量較小。為滿足小口徑動中通天線的跟蹤需求，研究了一種適用于低信噪比條件下的跟蹤接收機。介紹了其工作原理，并對算法進行了MATLAB仿真，最后進行了FPGA實現(xiàn)。

低信噪比；動中通天線；MATLAB仿真；FPGA實現(xiàn)

0 引言

跟蹤接收機是衛(wèi)星通信移動地球站的一個重要組成部分。它接收來自衛(wèi)星的信標信號或通信信號，接收到的信號經(jīng)下變頻、放大和解調(diào)后向伺服系統(tǒng)提供所需的角誤差電壓，控制天線的俯仰軸和方位軸向角誤差減小的方向移動，從而實現(xiàn)對衛(wèi)星目標的自跟蹤。傳統(tǒng)的動中通天線所用的跟蹤接收機解調(diào)門限相對較高，當天線接收口徑較小時，接收到的信號相對較弱，天線可能無法實時跟蹤，在應用到小型化動中通天線上時比較困難。所以，為滿足小口徑天線的跟蹤需求，研究低信噪比下的跟蹤接收機技術(shù)很有必要。

1 傳統(tǒng)單載波跟蹤接收機工作原理

如圖1所示，為傳統(tǒng)單載波信號解算仿真框圖。單載波信號解調(diào)的理論推導過程如下：

圖1 傳統(tǒng)單載波跟蹤接收機工作原理

輸入為70MHz的中頻信號，設(shè)采樣頻率為fs，經(jīng)過采樣并低通濾波之后的信號頻率為fc,信號的表達式可以表示為

S=Asin[2πfcn+φ(n)]+N(n)=Asin[(ωc+Δω)n]+N(n)

第一級下變頻NCO產(chǎn)生本振信號為cos(ωcn)和sin(ωcn)，與輸入信號相乘，可得I路和Q路信號分別為

兩路信號經(jīng)過低通濾波之后，濾除混頻產(chǎn)生的二倍頻分量，可得

I′(n)=A′sin(Δωn)=A′sin(ω0+Δω′n)

Q′(n)=A′cos(Δωn)=A′cos(ω0+Δω′n)

式中，設(shè)ω0為鎖頻環(huán)路出來的頻率字，進入NCO產(chǎn)生本振信號為cos(ω0n)和sin(ω0n)，與I′(n)和Q′(n)相乘進行混頻，得

[I′(n)+Q′(n)][cos(ω0n)+jsin(ω0n)]=A′[cos(Δω′n)+jsin(Δω′n)]

再經(jīng)過低通濾波，進入鑒頻器進行大頻偏捕獲，鑒頻器的輸出為

可見鑒頻器的輸出為常數(shù)，1代表一個采樣點。這樣鑒頻器的輸出經(jīng)過環(huán)路濾波器濾除其中的高頻分量及噪聲來進行大頻偏捕獲，之后再經(jīng)過更窄的鎖相環(huán)進行相位跟蹤，從而能不斷的校正鎖相環(huán)路NCO的振蕩頻率和相位，使NCO的輸出信號能實時的跟蹤輸入載波。實際FPGA實現(xiàn)時，可用高精度的FFT代替鎖頻環(huán)進行大頻偏捕獲，實現(xiàn)比較簡單。

2 低信噪比下單載波跟蹤接收機設(shè)計框圖

低信噪比下單載波跟蹤接收機仿真設(shè)計原理如圖2所示。70MHz單載波信號首先通過AD采樣，采樣后的信號與NCO產(chǎn)生的信號進行數(shù)字混頻，經(jīng)過低通濾波濾去2倍頻分量，分為兩路，一路經(jīng)多級抽取進行降采樣濾波，另一路經(jīng)FFT變換進行頻偏捕獲計算，計算出來的頻率字與第一路經(jīng)抽取的信號進行混頻，混頻后的信號經(jīng)低通濾波后，再進行2倍降采樣處理縮小帶寬，經(jīng)AGC歸一化后進入鎖相環(huán)。由于前面進行了大量的信號抽取濾波處理，采用逐級級聯(lián)濾波器，降低旁瓣，環(huán)路帶寬大大降低。

圖2 低信噪比單載波信號解算框圖

單載波信號可用下列公式表示：

S(n)=Acos[(ωc+Δω)n]+N(n)

經(jīng)第一級下變頻之后，去除載波分量，同乘e-jωcn，這樣經(jīng)過第一級下變頻之后信號的實部和虛部分別為：

數(shù)字變頻之后，經(jīng)低通濾波，濾除二倍頻分量之后

與之前傳統(tǒng)單載波模式不同的是，低通濾波之后的信號再經(jīng)過四級2倍抽取信號之后，也就是采樣速率降低16倍，濾波器帶寬也相應地降低。級聯(lián)抽取濾波之后的信號可以用下式來表示：

進行大頻偏計算時用FFT實現(xiàn)，計算出相應的頻率字。與上述信號進行混頻之后，再經(jīng)過2倍抽取，較鎖相環(huán)之前采樣速率降低了16倍。級聯(lián)濾波之后進入鎖相環(huán)進行載波相位同步。相對傳統(tǒng)的單載波模式，環(huán)路帶寬縮小8倍。傳統(tǒng)模式由于前端濾波器較寬和鎖相環(huán)帶寬較寬，解調(diào)門限相對較高。

3 低信噪比下MATLAB仿真

根據(jù)上述設(shè)計原理對算法進行MATLAB仿真設(shè)計驗證。仿真過程中，構(gòu)造低信噪比信號為

s(t)=cos[2π(fc+Δf)t]+N(t)

式中，設(shè)信號幅度為1，fc為載波頻率，Δf為頻偏，N(t)為高斯白噪聲。

模擬信號載噪比C/N0為35dB，仿真時間為100ms，采樣頻率為fs/32，采樣點數(shù)為3039個點。如圖3所示仿真結(jié)果，信號載噪比C/N0=35dB，頻偏為1kHz情況下，鎖相環(huán)鎖定時間在50ms左右。圖4為鎖定后，仿真計算的信號幅度和載噪比。仿真結(jié)果證明了算法的正確性。

圖3 鎖定狀態(tài)與頻偏收斂曲線 圖4 幅度與載噪比收斂曲線

4 算法的FPGA實現(xiàn)

對算法的MATLAB仿真驗證后，開始在硬件平臺上編寫程序并進行算法在線仿真實現(xiàn)，主要處理器采用FPGA芯片XC5VSX95T。最后，通過采集信號源與噪聲源構(gòu)造出的模擬信號進行在線仿真驗證。

構(gòu)造信號的信噪比分別為40dB/Hz和35dB/Hz，設(shè)定信號源的頻率有一定的頻偏。圖5和圖6給出了頻率為70.04MHz時用ChioScope Pro在線仿真工具調(diào)試鎖相環(huán)的一組結(jié)果。由圖中可以出，鎖相環(huán)在信噪比分別為40dB/Hz和35dB/Hz時都能收斂穩(wěn)定。圖中FreData_pll鎖相環(huán)環(huán)路穩(wěn)定收斂后的頻率字，amp_s表示環(huán)路穩(wěn)定后計算的相應信號功率，QDout1_pll_out為環(huán)路穩(wěn)定并經(jīng)過數(shù)字下變頻后的Q路信號，用于鎖定檢測判斷。實際工程應用時，隨著信噪比的降低，鎖頻帶寬相應降低，須折衷考慮實現(xiàn)精度與硬件資源。

圖5 載噪比為40dB/Hz時FPGA實現(xiàn)結(jié)果，頻率70.04MHz

圖6 載噪比為35dB/Hz時FPGA實現(xiàn)結(jié)果，頻率70.040MHz

5 結(jié)束語

跟蹤接收機作為天線伺服系統(tǒng)不可或缺的重要組成部分，和伺服環(huán)路息息相關(guān)，決定著跟蹤系統(tǒng)的跟蹤精度、跟蹤帶寬等重要指標。本文提出了一種低信噪比解調(diào)的跟蹤接收機技術(shù)，通過前級降采樣并降低環(huán)路濾波器帶寬，可以降低信號的解調(diào)門限，最后進行了算法的FPGA實現(xiàn)。在小型化動中通天線中具有較高的工程應用價值。

[1] 韓孟飛,王永慶，吳嗣亮，等. 極低信噪比高動態(tài)信號的載波跟蹤鎖頻環(huán)鑒別器[J].北京理工大學學報,2009,29(3): 245-249.

[2] 陳永東. 基于FPGA 的數(shù)字鎖相環(huán)的設(shè)計[J].電子技術(shù)應用,2007,28(5): 49-52.

Research on a low SNR tracking receiver technology

DU Yao-feng

(The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

When the antenna diameter is small, the carrier-to-noise of receive satellite beacon signal is low, and the tracking margin is small. In order to meet the tracking requirements of small aperture antennas of “Sat-com on the Move”, a tracking receiver technology for low SNR conditions is studied. The working principle of the algorithm is introduced, and the MATLAB simulation and FPGA implementation is carried out.

Low SNR; Sat-com on the Move; MATLAB simulation; FPGA implementation

2016-11-15

杜要鋒(1984-)，男，工程師,主要研究方向：信號與信息處理.

1001-9383(2016)04-0047-06

TN911.7

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