便攜式衛星通信地球站手動對星系統設計

中國電子科技集團公司第五十四研究所 張鵬宗

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便攜式衛星通信地球站手動對星系統設計

中國電子科技集團公司第五十四研究所 張鵬宗

【摘要】針對便攜站手動對星過程存在的耗時長、精度差以及操作要求高的問題，設計集成了一套對星系統以便利對星實現。該系統以數字化中頻解調為基礎，基于FPGA完成信標樣值時頻域處理并提取信標強度、鏈路頻偏等信號特征，基于嵌入式處理器完成圖形化界面下的對星參數控制和結果顯示，其人機交互界面方便友好可借助PDA通過IE瀏覽器靈活訪問。實踐證明，該系統使得更輕巧的手動便攜站達到了自動便攜站的對星精度和接近的對星時間和方便程度，顯著提升了通信效能。

【關鍵詞】便攜站；手動對星；級聯抽取；頻譜泄露；數字濾波

0　引言

便攜式衛星通信地球站（簡稱便攜站）在具備傳統衛星通信不受地理位置和距離限制、業務承載靈活多樣等優勢的同時，因其體積小、重量輕、易于攜帶在自然條件惡劣的應急通信以及軍事通信中發揮著越來越重要的作用。

根據對星方式的不同，便攜站分為手動對星便攜站和自動對星便攜站。相比自動對星站型，手動對星便攜站因為不需要天線伺服系統和跟蹤接收機，在重量、體積、成本、功耗和環境適應性方面具有一定的使用優勢，但在手動調整天線對星的過程中普遍存在對星耗時長、對星精度差的問題，限制了通信鏈路的建立速度，制約了其通信效能的發揮。

為提升手動對星便攜站通信效能特別是在野外機動和應急通信中的表現，本文設計集成了一套對星系統以便利對星實現。該系統以FPGA和嵌入式處理器為核心，綜合運用數字化中頻解調、多抽樣率數字處理和頻譜分析等技術分析處理信標樣值信息，人機交互界面方便友好可實時顯示對星效果。

1　系統設計考慮

手動對星是以手動方式調整衛星通信天線使其主波束中心對準要與之通信的衛星并建立通信信道的過程。具體操作時一般首先利用GPS或北斗等專用工具獲取接收天線的地理坐標（經緯度），其次根據天體對星理論公式［1］計算對星天線方位和俯仰的理論角度，然后在手動調整過程中利用機械羅盤不斷讀取天線當前的實際指向（方位角和俯仰角）并與計算值比較，若兩者相等則天線對準衛星。

傳統手動對星方式因磁偏角的存在和機械羅盤受環境影響存在讀取誤差，其實際對星值與精確對星值之間存在一定的偏差，普遍存在對星耗時長、對星精度差的問題。針對這一問題，引入衛星跟蹤信號作為系統反饋，利用衛星信號強度隨天線指向誤差增加而減小的特征，通過實時采集和處理可使天線更快速、更準確地指向衛星。

目前衛星提供給地球站跟蹤的信號主要有信標和載波兩種形式。信標信號是衛星上發射的一個頻率和幅度都固定的點頻信號，自衛星發射成功至壽命終結始終不間斷工作，可靠穩定利于跟蹤；載波信號是衛星轉發的、具有一定帶寬且適合接收機解調的信號，需要預置工作頻率和載波速率等參數，易于捕獲。

考慮到載波信號方式下解調同步需要幾秒到幾十秒的時間對信號強度的反饋較慢，且當載波信號不轉發或消失時需要更新接收參數才能使用無法實時跟蹤不適合應急通信的應用，因此便攜站手動對星系統以信標為目標信號展開設計。

2　系統原理框圖

手動對星系統以硬件共享、軟件重載的形式集成于實裝便攜站型上，由變頻鏈單元、低中頻采樣單元、信標分析處理單元和人機交互單元組成，如圖1所示。

圖1　手動對星系統組成

變頻鏈單元完成L或C中頻信號到定點450MHz的下變頻以及對應信號的功率調整；低中頻采樣單元完成變頻鏈模塊與AD芯片間的接口適配和信標信號的實時采樣，該單元結合數字處理技術可實現數字化中頻解調，有效降低了變頻鏈單元的設計難度和規模；信標分析處理單元基于FPGA硬件實現，主要完成數字化正交解調、抽取濾波、頻譜分析和信標特征值（信噪比/頻偏/電平）提取等功能，同時解析對星控制參數完成變頻鏈單元的接收頻率和通道增益調整；人機交互單元基于嵌入式處理器MPC8270實現，主要完成圖形化界面下的對星參數計算、下發以及對星結果顯示，用戶界面方便友好，可借助PDA通過IE瀏覽器靈活訪問。

3　系統軟件設計

手動對星系統軟件主要由級聯抽取濾波、頻譜分析、數字濾波和人機交互界面四部分組成，是對星參數控制和信標樣值處理的核心。

3.1級聯抽取濾波

針對采樣時鐘和處理時鐘近千倍的采樣率變化，采用多級級聯抽取濾波可以更有效地進行采樣率變換，大大降低總的計算量和存儲要求，減輕抗混疊濾波器的設計難度。參考多級抽樣率變換器的設計步驟［2］，以減少計算量為目標確定了抽取因子分別為8、8和16 的3級級聯抽取結構，具體實現結構如圖2所示。

圖2　級聯抽取濾波器實現結構

特別地，第一級抽取濾波器階數要盡可能取的高，保證以較小的通帶和較大的阻帶抑制過濾無用噪聲，維持信標信號采樣信噪比。

3.2頻譜分析

信標頻譜分析基于FFT實現，綜合考慮估計精度、運算量、刷新周期等要求確定FFT處理長度為2048點，具體過程如圖3所示。由于FFT處理過程會引入能量泄露［3］和柵欄效應［3］，如果處理不好將使估計結果與實際值間出現較大偏差，因此具體實現過程采取了針對性措施：對采樣數據進行改進漢明窗截斷，抑制旁瓣泄露，改善頻譜的幅值估計精度；改進漢明窗會展寬過渡帶，影響下行鏈路頻偏估計精度，故在峰值搜索的基礎上引入雙線幅度Rife插值［4］算法提高頻偏估計精度；在峰值搜索基礎上，根據主瓣寬度確定主要功率頻譜分量并求和校準信標功率，主瓣帶外頻譜分量統計平均記為底噪，依據校準信標功率和底噪計算相應信噪比作為信標強度輸出。

圖3　信標頻譜分析過程

3.3數字濾波

數字濾波采用限幅濾波和加權遞推平均濾波級聯方式實現。前者基于一定處理周期下的經驗判斷，確定兩次采樣值的最大允許偏差，一旦新舊樣值的偏差超過該允許值即丟棄新值，該濾波方式可有效克服脈沖干擾的影響；后者對不同時刻的樣值給予不同的權值，其中舊樣值統一給予小權值、新樣值獨立給予大權值，在一定程度上抑制周期性干擾的同時可大幅提升系統靈敏度。

數字濾波針對信標特征樣值以純軟件的方式實現處理帶寬內的干擾抑制，不需要外加硬件，可靈活修改濾波參數，是級聯抽取濾波的有益補充，可顯著提高信標信號的測量精度和響應速度。

3.4人機交互界面

人機交互界面通過嵌入式系統的webServer代理功能，實現用戶前臺數據的接入、解析及響應，給用戶提供可視化的操作界面。用戶可通過IE瀏覽器直接登錄訪問人機交互界面設置對星參數并獲取對星結果，相應設置和顯示界面如圖4所示。

圖4　手動對星人機交互界面

4　系統性能測試

系統性能測試配置天線為0.9m、Ku頻段拋物面天線，首先借助頻譜儀完成天線對星此時信標接收電平為-66dBm，然后控制衛星天線處于不同初始狀態，記錄手動調整天線開始至界面顯示信標強度最大這一過程時間和信標強度最大時頻譜儀顯示信標電平值，完成對星時間和對星精度測試，測試結果如表1所示。

表1　手動對星系統性能測試

5　結束語

實踐證明，在衛星天線機械特性良好的情況下，使用本文設計的手動對星系統平均對星時間可縮短到2.5mins以內，對星精度較頻譜儀輔助方式誤差小于1dB，很好地解決非專業人員現場開通不易的問題，同時與信標強度同步獲取的鏈路頻偏和衰減可加速入網進程，極大地提高了便攜站在應急通信保障中的通信效能。

參考文獻

［1］呂海寰，蔡劍銘，甘仲民等.衛星通信系統［M］.北京：人民郵電出版社，1988.

［2］Emmanuel C.Ifeachor，Barrie W.Jervis著.羅鵬飛，楊世海，朱國富，譚全元等譯.數字信號處理實踐方法（第二版）［M］.北京：電子工業出版社，2004.

［3］丁玉美，高西全.數字信號處理［M］.西安：西安電子科技大學出版社，2005.

［4］Rife D C，Vin cent G A.Us e of the discrete Fourier transform in the measurement of frequencies and levels of tones［J］.Bell Syst.Tech. J.，1970，49：197-228.

作者簡介：

張鵬宗（1984—），男，碩士研究生，工程師，研究方向：衛星通信、數字信號處理。