一种用于卫星测控的仿真USB中频应答机

摘要

一种用于卫星测控的仿真USB中频应答机，它由前端模数转换器、数字下变频模块、载波同步模块、解调滤波模块、转发调制模块和输出模数转换器组成。它们之间的连接关系和信号走向是：前端模数转换器的输出信号进入到数字下变频模块进行处理，数字下变频模块的输出载波同步模块进行处理，载波同步模块的输出信号进入到解调滤波模块进行处理，解调滤波模块得到的一路输出信号即为解调器的遥控副载波输出，另一路信号为测距信号，测距信号进入到转发调制模块进行处理，转发调制模块的输出信号进入到数模转换器，数模转换器的输出即为应答机的中频输出信号。本发明的仿真USB中频应答机稳定性高、设计复杂度低、兼容性好，具有实用价值和应用前景。

主权项

一种用于卫星测控的仿真USB中频应答机，其特征在于：由6部分组成，包括：前端模数转换器(10)、数字下变频模块(20)、载波同步模块(30)、解调滤波模块(40)、转发调制模块(50)和输出模数转换器(60)，按照一定的流程完成对中频接收信号的接收解调、提供遥控副载波信号，对遥测副载波信号和测距信号进行调制转发；其中前端模数转换器(10)和输出模数转换器(60)使用现成的产品；数字下变频模块(20)、载波同步模块(30)、解调滤波模块(40)和转发调制模块(50)在现场可编程门阵列即FPGA中实现；它们之间的连接关系和信号走向是：前端模数转换器(10)的输出信号进入到数字下变频模块(20)进行处理，数字下变频模块(20)的输出信号进入载波同步模块(30)进行处理，载波同步模块(30)的输出信号进入到解调滤波模块(40)进行处理，解调滤波模块(40)得到的一路输出信号即为本应答机的遥控副载波输出，另一路信号为测距信号，测距信号进入到转发调制模块(50)进行处理，转发调制模块(50)的输出信号进入到数模转换器(60)，数模转换器(60)的输出即为应答机的中频输出信号；所述的前端模数转换器(10)以恒定的采样率将调理后的USB中频模拟信号变换成数字信号；所述的数字下变频模块(20)包括：下变频数控振荡器即下变频NCO(21)、同相支路乘法器(22)、正交支路乘法器(23)、同相支路降采样滤波器(24)、正交支路降采样滤波器(25)、同相支路低通滤波器(26)和正交支路低通滤波器(27)；所述的下变频NCO(21)使用直接数字频率合成算法实现，负责产生和输入信号标称载波频率相同的两路本地载波，两路本地载波信号的相位相差90°；前端模数转换器(10)的输出和下变频NCO(21)输出的两路本地载波作为同相支路乘法器(22)和正交支路乘法器(23)的输入；同相支路乘法器(22)和正交支路乘法器(23)作为下变频乘法器利用FPGA中的IP核实现，通过计算输入数字中频信号与本地载波相乘的结果，将输入信号的频谱向下搬移；同相支路乘法器(22)的输出信号进入同相支路降采样滤波器(24)，正交支路乘法器(23)的输出信号进入正交支路降采样滤波器(25)；同相支路降采样滤波器(24)和正交支路降采样滤波器(25)由抽取倍数可程控的级联积分梳状滤波器实现，降采样滤波器(24)和降采样滤波器(25)采用相同的结构和参数配置，按照输入中频信号的带宽进行采样率变换，以便于后续信号处理的实现；同相支路降采样滤波器(24)的输出信号进入同相支路低通滤波器(26)，正交支路降采样滤波器(25)的输出信号进入正交支路低通滤波器(27)；同相支路低通滤波器(26)和正交支路低通滤波器(27)由有限冲击响应滤波器实现，低通滤波器(26)和低通滤波器(27)采用相同的结构和参数配置，负责对降采样后的信号进行低通滤波，进一步滤出信号中的噪声，将基带信号中的噪声功率降到更低；同相支路低通滤波器(26)和正交支路低通滤波器(27)的输出信号作为载波同步模块(30)的输入信号；所述的载波同步模块(30)包括复数乘法器(31)、载波同步NCO(32)、扫频控制单元(33)、锁定检测单元(34)和环路滤波器(35)；复数乘法器(31)由FPGA的IP核实现，负责将数字下变频模块(20)输出的正交数据和载波同步NCO(32)输出的本地载波相乘，消除残余的载波分量；复数乘法器(31)输出的实部和虚部分别连接到锁定检测单元(34)、环路滤波器(35)，并作为载波同步模块(30)的输出信号连接到解调滤波模块(40)；锁定检测单元(34)通过检测复数乘法器(31)输出的同相、正交支路信号的能量并与门限值进行比较来判定载波环路的锁定状态，将锁定状态信号输出至扫频控制单元(33)；扫频控制单元(33)，作用是辅助环路捕获输入的中频信号，根据锁定检测单元(34)输出的锁定状态信号改变扫频频率控制字：当环路处于锁定状态时，扫频频率控制字保持不变，当环路失锁时，扫频频率控制字在应答机的频偏范围内循环变化；输出的扫频频率控制字连接至载波同步NCO(32)；环路滤波器(35)，主要作用是滤除误差信号中的高频分量，并为锁相环路提供一个短期的记忆，当环路由于瞬时噪声而失锁时，可确保环路迅速重新捕获信号；环路滤波器(35)使用理想一阶滤波器，由两个支路——直通支路和积分支路组成，直通支路含有一个直通支路放大器(100)，将输入信号放大指定的倍数，积分支路由积分支路放大器(101)、积分支路加法器(102)和积分支路延时单元(103)组成；环路滤波器35的输入信号同时进入直通支路和积分支路，输入通过积分支路放大器(101)放大后和经过积分支路延时单元(103)延时后的结果相加，相加后的结果一方面作为积分支路延时单元(103)的输入，另一方面作为积分支路的输出，和直通支路的输出通过环路滤波器加法器(104)相加，两个支路相加后的结果作为载波同步模块环路滤波器(35)的输出；载波同步模块环路滤波器(35)的输出作为载波同步NCO(32)的输入；载波同步NCO(32)，使用DDS算法实现，其固定频率输出为零；扫频控制单元(33)和环路滤波器(35)的输出作为载波同步NCO(32)的调节输入端，载波同步NCO(32)输出的本地载波信号进入复数乘法器(31)与载波同步模块30的输入信号相乘；所述的解调滤波模块(40)包括PM信号解调器(41)、遥控副载波滤波器(42)和测距信号滤波器组(43)；PM信号解调器(41)，使用坐标旋转数字计算机算法实现，负责解调从载波同步模块送来的正交相位调制信号；解调后的复合相位信号同时送到遥控副载波滤波器(42)和测距信号滤波器组(43)进行处理；遥控副载波滤波器(42)，作用是在复合相位信号中滤出遥控副载波信号；选频NCO(200)产生与遥控副载波标称频率一致的正、余弦信号并分别通过乘法器(201)和乘法器(202)与输入信号相乘，将解调后的复合相位信号频谱下变频至零，得到同相、正交两个零中频遥控副载波支路信号；同相支路信号进入降采样率滤波器(203)降低采样频率，之后进入同相支路低通滤波器(205)，低通滤波后的信号进入升采样率滤波器(207)；正交支路信号进入降采样滤波器(204)降低采样频率，之后进入正交支路低通滤波器(206)，低通滤波后的信号进入升采样率滤波器(208)；升采样率滤波器(207)和升采样率滤波器(208)的输出信号分别作为一路复信号实部和虚部输入到复数乘法器(209)，与选频NCO(200)产生的本地载波复信号相乘，以将滤波后的信号恢复至副载波频率；遥控副载波滤波器(42)的输出信号作为本仿真USB中频应答机的遥控信号输出；测距信号滤波器组(43)，功能是在复合相位信号中滤出测距音信号，由一组结构相同的滤波器组成，信号流程与遥控副载波滤波器(42)相同，每个滤波其中的选频NCO(200)的频率配置为相应测距音的频率，同时同相支路低通滤波器(205)、正交支路低通滤波器(206)的通带可设置为较低宽度；测距信号滤波器组(43)的输出信号作为解调滤波模块(40)的测距音输出信号送至转发调制模块(50)处理；所述的转发调制模块(50)包括相位合成器(51)、相位调制器(52)和频差补偿单元(53)；从外部输入本仿真USB中频应答机的遥测信号与从解调滤波模块(40)输入本模块的转发测距信号共同输入到相位合成器(51)中，经过调制系数修正和加法操作生成复合相位信号输出至相位调制器(52)；相位调制器(52)的作用是将复合相位信号调制到载波信号上；调制过程通过查表实现，相位查找表由正弦表、余弦表两部分组成，分别从正弦表和余弦表中查表产生调制信号的实部和虚部；相位调制器(52)输出的复调制信号送至频差补偿单元(53)处理；频差补偿单元(53)，功能是在相干转发模式下补偿输入中频信号的多普勒频移；频差补偿处理受外部“转发模式选择”信号控制：当应答机工作在非相干转发模式时，不进行多普勒频差补偿；当应答机工作在相干转发模式时，需要按照固定转发比补偿多普勒频差；频差补偿单元(53)的输出信号作为转发调制模块(50)的数字中频调制信号送至输出模数转换器(60)；所述的输出模数转换器(60)将调制后的数字中频信号转换为模拟信号，该模拟信号作为本仿真USB中频应答机的中频输出信号；输出模数转换器(60)采用现成的产品即可。