王仁智，吳江波，張春澤

一種支持任意碼率的PCM-FM遙測接收機(jī)設(shè)計

王仁智，吳江波，張春澤

（天津訊聯(lián)科技有限公司 天津 300308）

PCM-FM調(diào)制技術(shù)是遙測系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的調(diào)制體制，遙測接收機(jī)是遙測系統(tǒng)的重要單機(jī)。針對目前遙測接收機(jī)系統(tǒng)復(fù)雜、體積笨重、操作不便、采購成本高昂的痛點，設(shè)計了一款通用便攜遙測接收機(jī)，采用了任意采樣率轉(zhuǎn)換技術(shù)、坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算方法CORDIC（Coordinate Rotation Digital Computer）鑒頻、多普勒頻移控制技術(shù)和位同步控制技術(shù)，具有硬件資源消耗少、支持任意碼率可調(diào)、易于集成和小型化設(shè)計等優(yōu)點。

遙測接收機(jī)；PCM-FM；零中頻；CORDIC鑒頻；自動頻率控制

引 言

遙測接收機(jī)具有多次重復(fù)使用和多項目型號交叉使用的特點，除了參與飛行器的發(fā)射任務(wù)外，還參與飛行器的生產(chǎn)、驗收、轉(zhuǎn)場、試驗過程的各個任務(wù)環(huán)節(jié)。飛行器的發(fā)射過程通常采用靶場提供的大型遙測接收系統(tǒng)，實現(xiàn)全過程的數(shù)據(jù)記錄，但遙測接收系統(tǒng)通常無法實現(xiàn)遙測數(shù)據(jù)的實時解析和顯示，項目組還需要配備具有實時解析功能的遙測接收機(jī)，進(jìn)行飛行器發(fā)射初期的遙測數(shù)據(jù)的接收和實時解析顯示，第一時間獲得實驗數(shù)據(jù)以方便做判斷決策。

因此，研究一款性能穩(wěn)定、體積便攜、操作簡單、通用經(jīng)濟(jì)的遙測接收機(jī)能在提高工作人員的效率、保障各個任務(wù)環(huán)節(jié)的時間節(jié)點情況下，有效降低項目研發(fā)成本。本文設(shè)計了一款通用便攜式遙測接收機(jī)，該接收機(jī)采用了先進(jìn)的零中頻ZIF（Zero Intermediate Frequency）架構(gòu)和軟件定義無線電SDR（Software Defined Radio）思想，能夠?qū)崿F(xiàn)接收頻點70 MHz～6 GHz任意可選，碼速率10 kbps～10 Mbps任意可調(diào)。

1 PCM-FM遙測接收機(jī)

遙測系統(tǒng)包括遙測發(fā)射系統(tǒng)和遙測接收系統(tǒng)。遙測發(fā)射系統(tǒng)通常由采編調(diào)制器、功率放大器、遙測天線等構(gòu)成；遙測接收系統(tǒng)由遙測天線、低噪聲放大器、遙測接收機(jī)、顯示系統(tǒng)、記錄系統(tǒng)和時鐘系統(tǒng)等構(gòu)成。其中，遙測接收機(jī)作為遙測接收系統(tǒng)的關(guān)鍵單機(jī)對遙測接收系統(tǒng)性能影響很大。

PCM-FM遙測技術(shù)具有抗尾焰和相位噪聲能力強(qiáng)的特點，是航空航天領(lǐng)域使用最廣泛的通信技術(shù)，國內(nèi)外對其研究很多。閆冬等人采用CORDIC鑒頻算法實現(xiàn)了一款中頻調(diào)頻接收機(jī)[1]。何曉華等人在文獻(xiàn)中介紹了一種利用差積和點積來求得信號的近似反正切值的鑒頻方法[2]。楊明極和馬琳采用軟件無線電的思想對常見的解調(diào)算法進(jìn)行了仿真分析[3]。鄭忠楷等人采用包絡(luò)檢波的方法在FPGA中實現(xiàn)FSK解調(diào)[4]。趙軍等人對FSK的差分解調(diào)方法進(jìn)行了分析仿真[5]。張磊采用GC4016芯片設(shè)計了一款全數(shù)字鑒頻器[6]。傳統(tǒng)PCM-FM遙測接收機(jī)多采用超外差接收架構(gòu)，超外差架構(gòu)存在接收頻點范圍小、通用性差、體積笨重等缺點。零中頻架構(gòu)遙測接收機(jī)[7]隨著集成電路工藝的進(jìn)步，鏡像抑制和本振泄露問題得到極大的改善，與超外差架構(gòu)遙測接收機(jī)相比解調(diào)性能相當(dāng)，但在體積、功耗和重量方面有明顯優(yōu)勢。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 采樣率轉(zhuǎn)換

固定的過采樣倍數(shù)對于接收機(jī)的解調(diào)同步至關(guān)重要，本文采用8倍過采樣實現(xiàn)遙測解調(diào)。對于固定AD采樣率接收機(jī)，實現(xiàn)任意碼率可調(diào)的關(guān)鍵是數(shù)據(jù)在進(jìn)入鑒頻器之前完成任意采樣率轉(zhuǎn)換。例如，當(dāng)AD采樣速率為120 Msps，碼率為10 Mbps時，需要完成120 Msps到80 Msps的1.5倍降采樣。

通過可變時長積分器和小數(shù)分頻器組合實現(xiàn)任意采樣率轉(zhuǎn)換?？勺儠r長積分器的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

可變時長積分器的目的是降低噪聲、提高信噪比。為了實現(xiàn)精確的采樣率轉(zhuǎn)換還需要配合小數(shù)分頻器，小數(shù)分頻器的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

其中，是輸入時鐘頻率，是輸出時鐘頻率，a和b是分頻因子，通過a和b的組合實現(xiàn)任意小數(shù)分頻。小數(shù)分頻器的算法如圖2所示。

圖2 小數(shù)分頻器算法框圖

圖2中使用了2個D觸發(fā)器、1個加法器和1個比較器完成了任意小數(shù)分頻，分頻系數(shù)為。

2.2 CORDIC鑒頻

CORDIC算法由Volder. J于1959年首先提出。該算法將復(fù)雜的三角運算分解成加法和移位運算，方便在FPGA等硬件實現(xiàn)。CORDIC的迭代公式如下所示：

表1 CORDIC迭代次數(shù)與計算精度

由表1可知，隨著迭代次數(shù)的增加，計算結(jié)果的精度也會不斷地提高，選擇合適的迭代次數(shù)完全能夠滿足鑒相、鑒頻的要求。迭代10次以上即能滿足解調(diào)精度的要求。

結(jié)合CORDIC算法的迭代特性，該算法用于硬件實現(xiàn)的算法框圖如圖3所示。一次迭代只需要2次移位運算、一次查表運算和3次加法運算即可完成。

圖3 CORDIC算法單次迭代算法框圖

數(shù)字域中微分關(guān)系可以由一階差分代替，式（4）可以轉(zhuǎn)換為：

2.3 多普勒頻移控制

多普勒頻移是發(fā)射頻率與接收頻率之差[8,9]，由于發(fā)射頻率與接收頻率固有頻差與收發(fā)兩端相對運動引起的頻差特性一樣，本文統(tǒng)稱為多普勒頻移。在PCM-FM中，數(shù)據(jù)“0”和數(shù)據(jù)“1”使用不同的頻率表示，多普勒頻移會引起解調(diào)器誤判，產(chǎn)生誤碼。航空航天領(lǐng)域中飛行器具有運動速度快、加速度大和接收信號信噪比低的特點，從而加劇了多普勒頻移的影響。找到一種簡單、有效的自動頻率控制AFC（Automatic Frequency Control）方法是提升調(diào)頻接收機(jī)性能的關(guān)鍵。

圖4 AFC算法框圖

2.4 位同步算法

位同步采用DTTL環(huán)的定時同步方法，鑒頻輸出結(jié)果送入到位同步處理單元，分別經(jīng)過同相和中相的積分。同相積分完成定時誤差信息的符號判斷，中相積分確定定時誤差信息的數(shù)值。定時誤差信息經(jīng)過環(huán)路濾波器處理后通過調(diào)整采樣時刻，從而改變同相和中相積分的積分時刻，直到誤差越來越小。同相積分器結(jié)果經(jīng)過符號檢測硬判決后，輸出位同步數(shù)據(jù)流。位同步算法如圖5所示。

圖5中，為算法的輸入信號，為算法的結(jié)果輸出。同相積分器在清洗時刻取樣輸出信號的極性只取決于輸入碼元的極性，而與是否同步、位同步時鐘超前還是滯后沒有關(guān)系。中相積分器在清洗時刻取樣輸出信號極性不僅與輸入碼元在其積分區(qū)間內(nèi)的轉(zhuǎn)換方向有關(guān)，而且還與本地估算時鐘是超前還是滯后于輸入碼元方向有關(guān)。兩者經(jīng)過乘法器后能抵消符號跳變對鑒相的影響。

圖5 位同步算法框圖

3 設(shè)計仿真

設(shè)計采用Xilinx公司的XC7Z035芯片和ADI公司的AD9361芯片作為遙測接收機(jī)的主要處理芯片。XC7Z035集成PS端雙核ARM Cortex-A9加上PL端Kintex-7架構(gòu)28 nm可編程邏輯資源。可通過PS端配置及燒寫PL端程序，且通過PS可以擁有豐富的外部端口。AD9361作為一款高集成度的器件，完成低噪聲放大、下混頻、AD正交采樣的零中頻接收機(jī)的通道功能，頻率覆蓋70 MHz～6.0 GHz的頻率范圍，從而大大簡化了遙測接收機(jī)的設(shè)計。

采用Agilent E4438C信號源產(chǎn)生碼率為10 Mbps，射頻頻點為2.4 GHz，使用119 Msps的采樣率代替120 Msps的采樣率，來模擬產(chǎn)生1 MHz碼多普勒頻移，通過設(shè)置頻點的方式產(chǎn)生2 MHz多普勒頻頻移。AD9361輸出的正交采樣數(shù)據(jù)如圖6所示。

由于存在噪聲，采樣信號有許多尖峰毛刺，對信號進(jìn)行適當(dāng)?shù)臑V波處理和采樣率轉(zhuǎn)換，再進(jìn)行CORDIC鑒頻運算，鑒頻運算結(jié)果如圖7所示。

圖6 AD采樣的正交數(shù)據(jù)

圖7 CORDIC鑒頻輸出結(jié)果

由于存在多普勒頻移，波形的中心進(jìn)行了上移，將帶有多普勒頻移的鑒頻結(jié)果，送入AFC處理模塊，處理結(jié)果如圖8所示。由圖中可見，經(jīng)過AFC模塊處理之后的鑒頻輸出，已經(jīng)不存在偏置，這樣再進(jìn)行后續(xù)的位同步和硬判決過程中能有效地降低誤碼率。

在位同步鎖定的情況下，位同步模塊產(chǎn)生了穩(wěn)定的NCO控制信號，此控制信號的變化曲線如圖9所示。

圖8 經(jīng)過AFC處理的鑒頻輸出

圖9 位同步環(huán)路鎖定過程

在仿真中，NCO控制信號經(jīng)過短暫的快速爬升，迅速達(dá)到了一個動態(tài)平衡鎖定狀態(tài)，可見該位同步模塊同步精度高、收斂速度快。

遙測接收機(jī)的實物外形尺寸如圖10所示，實物（包括耳片,不包括外部連接器）尺寸為125 mm× 70 mm×12 mm，重量僅為139 g。在對遙測接收機(jī)進(jìn)行了40 min拷機(jī)試驗后，分析接收數(shù)據(jù)顯示無丟幀錯幀情況。詳細(xì)指標(biāo)測試情況見表2。

圖10 遙測接收機(jī)實物圖

表2 遙測接收機(jī)的指標(biāo)測試情況

4 結(jié)束語

本文基于軟件無線電的思想，采用了零中頻硬件架構(gòu)平臺設(shè)計制造了一款PCM-FM遙測接收機(jī)。該接收機(jī)性能穩(wěn)定、簡單靈活、通用性好，以手機(jī)大小的體積和小于200 g的重量實現(xiàn)了傳統(tǒng)遙測站的全部功能，并且已經(jīng)在航天某院某部的遙測項目中獲得交付使用，性能在實驗室和靶場經(jīng)過測試驗證，性能滿足用戶需求且穩(wěn)定可靠，獲得用戶肯定。

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Design of PCM-FM telemetry receiver supporting arbitrary bit rate

WANG Renzhi, WU Jiangbo, ZHANG Chunze

（Tianjin Xunlian Technology Co., Ltd., Tianjin 300308, China）

PCM-FM modulation is the most widely used modulation in telemetry system, and telemetry receiver is an important part of telemetry system. Aiming at the pain points of complex telemetry receiver system, bulky volume, inconvenient operation and high procurement cost, a portable general telemetry receiver is designed, which adopts arbitrary sampling rate conversion technology, CORDIC frequency discrimination technology, Doppler frequency shift control technology and bit synchronization control technology have many characteristics, such as less hardware resource consumption, supporting arbitrary bit rate adjustment, easy integration and miniaturization design.

Telemetry receiver; PCM-FM; Zero-IF; CORDIC frequency discrimination; AFC

Website: ycyk.brit.com.cn Email: ycyk704@163.com

V556.1

A

CN11-1780(2022)06-0089-07

10.12347/j.ycyk.20211220001

王仁智, 吳江波, 張春澤.一種支持任意碼率的PCM-FM遙測接收機(jī)設(shè)計[J]. 遙測遙控, 2022, 43(6): 89–95.

10.12347/j.ycyk.20211220001

: WANG Renzhi, WU Jiangbo, ZHANG Chunze. Design of PCM-FM telemetry receiver supporting arbitrary bit rate[J]. Journal of Telemetry, Tracking and Command, 2022, 43(6): 89–95.

王仁智（wangrzh@yeah.net）

2021-12-20

2022-01-01

王仁智 1984年生，碩士，高級工程師，主要研究方向為遙測遙控、通信數(shù)據(jù)鏈、單脈沖跟蹤接收。

吳江波 1987年生，碩士，工程師，主要研究方向為通信數(shù)據(jù)鏈、遙測技術(shù)、產(chǎn)品可靠性提升。

張春澤 1978年生，碩士，研究員，主要研究方向為信息傳輸與處理、衛(wèi)星導(dǎo)航與應(yīng)用。

(本文編輯：傅 杰)