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

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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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