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    全相參數(shù)字化連續(xù)波應(yīng)答機的FPGA實現(xiàn)*

    2019-11-05 03:42:22方水汛楊述華孟明珠
    遙測遙控 2019年4期
    關(guān)鍵詞:全相應(yīng)答機鎖相環(huán)

    方水汛,楊述華,孟明珠,孫 欣,杜 玲

    全相參數(shù)字化連續(xù)波應(yīng)答機的FPGA實現(xiàn)*

    方水汛1,楊述華2,孟明珠1,孫 欣1,杜 玲1

    (1 北京遙測技術(shù)研究所 北京 100076 2 火箭軍裝備部駐北京地區(qū)第二軍事代表室 北京 100076)

    基于寬帶AD、DA以及FPGA的數(shù)字化平臺,對連續(xù)波應(yīng)答機的接收解調(diào)以及相參轉(zhuǎn)發(fā)方案作了詳細介紹。對于主載波采用FFT實現(xiàn)快速捕獲,二階鎖頻環(huán)輔助三階鎖相環(huán)實現(xiàn)精確跟蹤。測試結(jié)果表明,相參連續(xù)波應(yīng)答機測速精度可以達到0.01m/s,測距精度可以達到1m。

    連續(xù)波應(yīng)答機;數(shù)字化平臺;全相參;高精度測量

    引 言

    連續(xù)波應(yīng)答機設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)主要有三種體制:相參體制、非相參體制及相參非相參結(jié)合的混合體制[2]。全相參體制是三站都以相參的方式進行測量,測速定位精度較高。但是應(yīng)答機設(shè)備復(fù)雜,模擬化平臺鎖相環(huán)以及倍頻鏈較多,三路之間容易互相干擾,體積、功耗、重量較大,不符合通常的航天產(chǎn)品“上寬下嚴”的原則,所以目前采用較少。非相參體制雖然精度低,但是應(yīng)答機設(shè)備簡單,適合于中精度系統(tǒng)應(yīng)用。而對于混合體制,通常來說其中一站為相參,其他兩站為非相參,這樣設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單,相參站實現(xiàn)高精度測量,而非相參站采用抵消技術(shù)實現(xiàn)雙向相參測速,精度也較高,目前大部分設(shè)備采用該種體制。

    隨著航天任務(wù)需求的發(fā)展,應(yīng)答機也朝著小體積、輕重量、低功耗、高精度的方向發(fā)展,所以數(shù)字化平臺正逐漸替代原有的模擬化平臺,成為連續(xù)波應(yīng)答機的優(yōu)選方案。數(shù)字化平臺的應(yīng)用也解決了全相參體制設(shè)備復(fù)雜、三站信號相互干擾的問題,使全相參高精度測量的應(yīng)用成為可能。本文基于高速AD、DA以及FPGA軟件無線電數(shù)字處理平臺,采用主載波粗捕獲轉(zhuǎn)細跟蹤,然后相參轉(zhuǎn)發(fā),實現(xiàn)全相參連續(xù)波應(yīng)答機的高精度測量。

    1 連續(xù)波應(yīng)答機測量原理

    1.1 測距測速體制

    連續(xù)波應(yīng)答機采用音碼混合與擴頻體制,由PN碼對低速率的解模糊碼進行擴頻,解模糊碼的碼元時間寬度等于PN碼的重復(fù)周期,PN碼再對1MHz高側(cè)音進行BPSK調(diào)制,調(diào)制后的高側(cè)音對載波進行調(diào)相。主載波用于測速,PN碼主要利用地面站發(fā)射與接收相位差進行測距,信號如式(1)所示[3]。

    1.2 測速原理

    地面站發(fā)射的上行載波頻率為T1,由于目標相對運動,到達航天器的上行頻率為R1。

    地面站接收頻率為

    可以得到

    由式(6)可以看出,相參測速精度很大程度取決于地面發(fā)射頻率穩(wěn)準度,符合“寬上嚴下”的原則。

    2 總體方案設(shè)計

    為了提高和保證外測體制的測速定位精度,地面雷達系統(tǒng)布站數(shù)量應(yīng)保證應(yīng)答機跟蹤測量帶內(nèi)有3個或3個以上的雷達站有效測量數(shù)據(jù)。因此,應(yīng)答機必須同時并且獨立轉(zhuǎn)發(fā)3個地面雷達站的信號。應(yīng)答機接收的上行信號如式(7)所示。

    本文基于高速AD、DA以及FPGA軟件無線電數(shù)字處理平臺的方案展開,如圖2所示。上行信道單元完成射頻信號功率控制、下變頻、濾波、AD采樣等功能;下行信道完成中頻信號DA轉(zhuǎn)換、上變頻等功能。數(shù)字處理單元完成三路信號提取,然后分別進行主載波信號捕獲跟蹤,將三路測距信號根據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)比進行中頻轉(zhuǎn)發(fā),以實現(xiàn)三路全相參測量功能。

    圖1 三站信號頻譜

    3 數(shù)字處理平臺方案設(shè)計

    本文基于FPGA數(shù)字化處理平臺,針對連續(xù)波應(yīng)答機主載波同步問題,提出了捕獲跟蹤方案:載波捕獲使用FFT方法,跟蹤采用二階鎖頻環(huán)輔助三階鎖相環(huán);實現(xiàn)主載波同步后,提取測距副載波信號[4],轉(zhuǎn)發(fā)調(diào)制至DA中頻輸出,如圖3所示。

    圖2 三路全相參連續(xù)波應(yīng)答機方案設(shè)計

    3.1 FFT實現(xiàn)載波捕獲

    從圖3中可以看出,中頻模擬信號經(jīng)ADC采樣量化輸入數(shù)字處理單元,經(jīng)過數(shù)字下變頻操作,將主載波變頻到零頻附近。低通濾波器可以實現(xiàn)單路信號提取,同時濾除帶外噪聲,提高信噪比。除此之外,還需要濾除副載波信號,以便實現(xiàn)FFT分析主載波單頻信號,防止FFT分析結(jié)果出現(xiàn)頻譜擴展。

    圖3 數(shù)字化處理平臺方案

    假設(shè)多普勒頻率為41.8kHz,AD采樣速率為524MHz,采樣數(shù)據(jù)量太大,可以采用相干累加來降低采樣率。設(shè)置相干累加后的采樣率為512kHz,則可以分析的多普勒范圍為(–256kHz,+256kHz),512點FFT分析的多普勒分辨率為1kHz,而1024點FFT分析多普勒分辨率為500Hz。同時相干累加可以濾除1MHz的副載波信號。

    圖4 FFT捕獲仿真結(jié)果

    3.2 載波跟蹤

    為了實現(xiàn)高精度測量,通常鎖相環(huán)采用較窄的環(huán)路帶寬,從而能夠高精度跟蹤信號的相位誤差,在高動態(tài)多普勒頻移下,鎖相環(huán)不能夠快速穩(wěn)定的跟蹤信號,需要鎖頻環(huán)的輔助,鎖頻環(huán)具有較寬的環(huán)路帶寬,能夠快速調(diào)整反饋的相位,從而使相位誤差落在鎖相環(huán)的快捕帶中。因此在本方案的跟蹤環(huán)節(jié),采用二階鎖頻環(huán)輔助三階鎖相環(huán)實現(xiàn),原理如圖5所示[5]。

    圖5 二階鎖頻環(huán)輔助三階鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)

    圖6 FPGA處理示意圖

    圖7 連續(xù)波應(yīng)答機功能測試結(jié)果

    4 FPGA實現(xiàn)

    中頻信號處理采用數(shù)字化處理,由FPGA實現(xiàn)。高速AD采用524MHz采樣時鐘,在FPGA經(jīng)過并串轉(zhuǎn)換以及相干累加實現(xiàn)降速處理,F(xiàn)PGA處理主時鐘降為52MHz。

    乒乓緩存RAM主要作用是提高相關(guān)累加和FFT之間的接口速率;FFT分析后完成主載波捕獲,然后轉(zhuǎn)入頻率跟蹤模塊,二階鎖頻環(huán)輔助三階鎖相環(huán)完成主載波的高精度跟蹤;載波同步后發(fā)射模塊將提取副載波測距信號,根據(jù)上行跟蹤頻率控制字以及轉(zhuǎn)發(fā)比得到中頻頻率字,調(diào)制測距信號,完成下行信號中頻發(fā)射。

    為驗證本方案功能,在FPGA數(shù)字平臺上實現(xiàn)此功能后,在同體制某型號應(yīng)答機綜測儀設(shè)備上進行了測試驗證,在靜態(tài)測試環(huán)境下,側(cè)音、PN測距碼、巴克碼鎖定正常。測距精度優(yōu)于1m,測速精度優(yōu)于0.01m/s,測試結(jié)果見圖7。

    5 結(jié)束語

    本文基于FPGA數(shù)字化處理平臺,給出了連續(xù)波應(yīng)答機的接收解調(diào)方案,采用FFT捕獲主載波,二階鎖頻環(huán)輔助三階鎖相環(huán)實現(xiàn)主載波精確跟蹤,并根據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)比完成測距信號的相參轉(zhuǎn)發(fā),實現(xiàn)了測距測速功能,給出了測試結(jié)果。結(jié)果表明,該數(shù)字化連續(xù)波應(yīng)答機測距精度小于1m,測速精度小于0.01m/s。相比于傳統(tǒng)模擬數(shù)字化平臺集成度更高,功耗更低,精度更高。

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    [3] 黃成芳, 何平.新型應(yīng)答機和它的測量系統(tǒng)[G].北京: 航天測控技術(shù)研討會, 2005.

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    [7] 王宇舟.三階鎖相環(huán)環(huán)路濾波器參數(shù)設(shè)計[J].電訊技術(shù), 2008,48(9): 51–55.WANG Yuzhou. Parameter design for loop filter of third-order PLL[J]. Telecommunication Engineering, 2008,48(9): 51–55.

    Digital FPGA implementation of continuous wave transponder with coherent phase

    FANG Shuixun1, YANG Shuhua2, MENG Mingzhu1, SUN Xin1, DU Ling1

    (1. Beijing Research Institute of Telemetry, Beijing 100076, China; 2. The Second Military Delegate Office of the PLA Rocket Force Armament Department in Beijing, Beijing 100076, China)

    In this paper, a digital implementation of the receiving demodulation and coherent transmitting is introduced, which is based upon ultra high-speed AD, DA and FPGA platform. The FFT is used for fast acquisition of the main carrier and the second-order frequency-locked loop assists the third-order phase-locked loop to achieve accurate tracking. The static test result shows that the velocity precision can reach 0.01m/s and the ranging precision can reach 1m.

    Continuous wave transponder; Digital platform; Coherent; High precision measurement

    TN914.3

    A

    CN11-1780(2019)04-0029-04

    方水汛 1990年生,碩士,工程師,主要研究方向為測控通信和數(shù)字基帶處理。

    楊述華 1984年生,碩士,工程師,主要研究方向為測控通信系統(tǒng)總體。

    孟明珠 1987年生,碩士,工程師,主要研究方向為測控通信和數(shù)字基帶處理。

    孫欣 1984年生,碩士,工程師,主要研究方向為無線通信電路與系統(tǒng)。

    杜玲 1974年生,碩士,研究員,主要研究方向為測控通信系統(tǒng)總體。

    Email:ycyk704@163.com TEL:010-68382327 010-68382557

    航天預(yù)研項目支持

    2019-05-16

    2019-07-11

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