一種掃描饋源跟蹤接收機設計

2016-07-01 01:39:43中國電子科技集團公司第54研究所

電子世界 2016年10期

中國電子科技集團公司第54研究所趙楠

一種掃描饋源跟蹤接收機設計

中國電子科技集團公司第54研究所趙楠

【摘要】包括衛星通信系統在內，任何測控系統都可分為信道和跟蹤兩部分。由于衛星通信系統的信道在空間是動態的，要完成通信任務，最基本的工作是實現對目標的自動跟蹤。本文設計了一種掃描饋源跟蹤接收機，介紹了跟蹤系統的工作原理和主要設備組成，構建仿真模型，并進行了工程實現，給出了實驗結果，驗證了方案的可行性。

【關鍵詞】掃描饋源；跟蹤接收系統；Matlab仿真

0.引言

自跟蹤接收系統將天線饋源處接收到的射頻微弱信號放大、變頻、濾波及角誤差檢測，隨后伺服利用此角誤差信息驅動電機，控制天線對準目標信號，實現對目標信號的自動跟蹤，最終使雙向微波綜合信道達到最佳的通信效果。

在各種跟蹤系統中，單脈沖跟蹤精度最高，但是饋源較復雜，成本較高。本文設計的掃描饋源跟蹤接收機，由圓錐掃描跟蹤接收機延伸而來，饋源機械結構實現較簡單，其跟蹤精度接近單脈沖跟蹤系統的跟蹤精度，適用于精度要求較步進跟蹤高、低成本應用場合。

1.工作原理

掃描饋源跟蹤接收機原理和圓錐掃描類似，區別就在于掃描饋源跟蹤接收系統不需要機械轉動天線副面或主面，而是通過切換和天線振子相連的放大器來實現波束傾斜，使其偏離天線視軸一個角度，并使其繞天線視軸旋轉，當衛星偏離視軸時，接收通道收到的信號與原始信一號相比就附加了一個與波束切換頻率相同的幅度調制，調制幅度近似正比于衛星視線軸與天線視軸之間的夾角；跟蹤接收機檢測出誤差信號，送給伺服系統驅動天線向調制信號最小方向移動。當天線視軸指向衛星時，天線視軸與衛星視線軸完全重合，調制信號為零。

饋源采用五振子的形式。中間的振子提供和信號，周圍四振子用于角誤差跟蹤。振子排布及對應圓錐掃描位置關系見圖1。

圖1　饋源示意圖

圖2　掃描幾何關系圖

圖2是描述掃描的幾何關系圖。通過目標T做垂直于等信號軸的平面，它與等信號軸的交點為O，B點為t時刻波束最大值方向與平面的交點，圓周為波束中心B點運動軌跡，ε為誤差角，δ為波束偏角，θ為波束中心線與視線夾角，R為天線到衛星的距離。

在跟蹤情況下，ε、δ、θ都很小，顯然OT≈ Rε、OB≈ Rδ、TB≈Rθ，用余弦定理可得：

設天線方向性圖為F（θ），接收信號的電壓振幅為：

式中，K為比例系數。

在δ處將上式展開泰勒級數，不計高階項，則有：

（4）式經過濾波去直流后，輸出交流分量即誤差信號，把誤差信號加到誤差解調器，與正交基準信號和分別相乘，取差頻分量，可得：

2.系統組成

圖3　跟蹤接收系統組成框圖

圖3中，S1-S4代表天線四個饋源振子，這四個振子接收下來的信號分別經過濾波、同步放大、移相、合成濾波后，最終合路后進入跟蹤接收機進行解調。跟蹤過程中，接收機產生的同步控制掃描信號依次對四路信號進行通斷控制，一個掃描周期內就可以同步解調出天線與衛星的角誤差信息，從而驅動天線朝誤差減小的方向移動。

電子波束掃描饋源組件組成如圖4所示。

圖4　饋源組件組成圖

如圖4所示，饋源組件的四個通道的輸入分別為四個饋源喇叭S1～S4，四路信號經過放大及衰減、移相之后，進入開關控制模塊，最終由合路器合成一路信號輸出至跟蹤接收機。

其中波束掃描由跟蹤接收機控制，跟蹤接收機輸出兩個方波控制信號T1、T2，組成四個狀態，分別對應S1、S2、S3、S4斷開而其余通道通路，從而形成波束掃描。

跟蹤接收機包含下變頻器和跟蹤解調終端，天線接收的L/S波段信號，經下變頻后產生70MHz中頻信號送至跟蹤解調終端，解調輸出AGC電壓信號和一組大小與天線偏離目標角度成正比的誤差電壓，伺服系統根據誤差電壓驅動天線跟蹤目標。

下變頻器主要把天線接收下來的射頻信號變成70MHz中頻信號，送給跟蹤解調單元進行處理。70MHz中頻信號經AD采樣后，送入FPGA數字處理單元，實現單載波信號及窄帶信號的FFT變換和捕獲跟蹤，寬帶信號的檢波，提取出AGC控制電平和角誤差電壓。

跟蹤解調終端主要由A/D變換器、數字下變頻器、超大規模現場可編程門陣列（FPGA）、單片機等組成，由ARM與上位機通過CAN總線進行通信，并控制顯示等。

3.仿真與實現

中頻信號仿真模型是利用Matlab中的數字信號處理模塊來設計的，分為單載波信號和寬帶信號的處理。

跟蹤單載波跟蹤信號時用數字鎖相環捕獲載波信號，由I、Q兩路信號提取輸入信號的幅度信息。圖5是單載波跟蹤方式的跟蹤仿真框圖。

圖5　單載波跟蹤仿真框圖

接收單載波跟蹤信號時，70MHz中頻信號經濾波器、可控增益放大器后，被送入模數轉換器（A/D），轉換為數字中頻信號。

數字中頻信號與數控振蕩器（NCO）產生的數字正交信號分別進行數字混頻，經過數字低通濾波，得到I、Q兩路正交數字信號。經過FFT處理，獲取數據的頻譜信息，并估算出多普勒頻率，引導鎖頻鎖相環輸出頻率控制碼控制NCO輸出，實現快速載波頻率引導及跟蹤。

數字信號經過下變頻、濾波，得到I、Q兩路正交數字信號。正交下變頻的一個支路作為鑒相相差，然后進行積分、環路濾波得到NCO控制量，構成數字鎖相環。數字鎖相環的工作原理和模擬鎖相環相似，也包含三個基本組成部分：數字鑒相器（DPD）、數字環路濾波器（DLF）、和數控振蕩器，實現對載波信號的快速捕獲與跟蹤。由I、Q兩路信號提取輸入信號的幅度信息。環路鎖定后，然后通過相干解調，分離出方位和俯仰誤差信號。

寬帶信號跟蹤方式下，利用檢波的方法解算出信號功率，再與基準信號做相干解調，解算出差信號。圖6是寬帶信號跟蹤方式的跟蹤仿真框圖。

圖6　寬帶信號跟蹤仿真框圖

中頻解算的數字信號處理主要由FPGA實現，采用Xilinx公司的Virtex-5系列芯片XC4VSX95T，FPGA部分的設計主要包括數字采樣與數字下變頻設計、頻率引導捕獲、數字AGC、AFC 與跟蹤算法設計、同步解調、相位校正等。

圖7　幅度與載噪比收斂曲線

模擬信號載噪比為43dB，圖7、圖8是其仿真計算結果。仿真時間為500ms，采樣頻率為31.111111MHz/32，采樣點數為486112個點。如圖6所示仿真結果，信號載噪比C/N0=43 dB，頻偏為100kHz情況下，鎖相環鎖定時間在50ms左右。隨著信噪比的下降，鎖定時間加長。圖7為鎖定后，仿真計算的信號幅度和載噪比，圖8為鎖定后，仿真計算的方位誤差和俯仰誤差。仿真結果證明了算法的正確性。