衛(wèi)星測(cè)控地檢板卡設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李田甜，邵蕓松，徐圣法，劉寶書，王英爽

（北京東方計(jì)量測(cè)試研究所，北京 100086）

0 引言

隨著衛(wèi)星批產(chǎn)時(shí)代的來臨，國(guó)內(nèi)多個(gè)衛(wèi)星柔性生產(chǎn)線正在論證、建設(shè)。衛(wèi)星的研制模式由單件小批量人工驅(qū)動(dòng)向高自動(dòng)化批量數(shù)字驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)變，地面測(cè)試模式也由傳統(tǒng)的大衛(wèi)星單星測(cè)試向多星柔性化、批量化、自動(dòng)化方式轉(zhuǎn)變［1］。隨著衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展，靈活性、開放性、小型化的地面測(cè)試平臺(tái)是目前的發(fā)展方向［2］。

測(cè)控地檢設(shè)備是小衛(wèi)星在研制開發(fā)和測(cè)試階段必不可少的儀器設(shè)備。完整的衛(wèi)星地檢系統(tǒng)是模擬地面測(cè)控站的功能，模擬星地通信方式實(shí)現(xiàn)上行指令遙控與下傳信號(hào)遙測(cè)，并對(duì)星地距離與衛(wèi)星運(yùn)行速度進(jìn)行測(cè)量［3］。目前衛(wèi)星測(cè)控分系統(tǒng)測(cè)試多為臺(tái)式設(shè)備，設(shè)備體積大，成本昂貴，系統(tǒng)構(gòu)架較為封閉，不利于維護(hù)和擴(kuò)展功能，已經(jīng)開發(fā)完成的組件模塊難以復(fù)用，利用率低［4］。與以往封閉式的設(shè)計(jì)構(gòu)架不同，本文以軟件分布式架構(gòu)為設(shè)計(jì)思路，通過最小化設(shè)計(jì)完成地檢板卡的硬件形式，不同功能的板卡于測(cè)試機(jī)箱間利用PXI總線形式進(jìn)行集成。不同功能的衛(wèi)星地檢模塊均即成為標(biāo)準(zhǔn)3U 板卡，并且可與其他分系統(tǒng)地檢模塊靈活組合于1個(gè)PXI機(jī)箱中，如上下變頻板卡、供配電測(cè)試板卡等［5］?？焖賹?shí)現(xiàn)多型號(hào)衛(wèi)星的多種測(cè)試場(chǎng)景及測(cè)試需求，如圖1所示。

圖1 測(cè)試場(chǎng)景框圖

1 板卡功能及指標(biāo)

本板卡有傳統(tǒng)測(cè)控地檢設(shè)備功能，并兼容小衛(wèi)星低成本測(cè)控分系統(tǒng)的測(cè)試需求。模塊尺寸為3U 標(biāo)準(zhǔn)板卡，占用1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)PXI槽位，具有1路上／下行USB測(cè)控體制測(cè)控通道，具備遙控生成、遙測(cè)接收、測(cè)距測(cè)速等功能。主要指標(biāo)如下：

1）信號(hào)體制：PCM-PSK-PM；

2）輸入輸出中頻頻率：70MHz±10MHz；

3）中頻輸入功率動(dòng)態(tài)范圍：-90～-25dBm；

4）遙測(cè)信號(hào)基帶碼速率：1～100kbps，步進(jìn)1bps調(diào)節(jié)；

5）遙測(cè)遙控信號(hào)基帶碼型：NRZ-L／M／S；

6）遙測(cè)信號(hào)副載波頻率：5～512kHz，步進(jìn)1 Hz可調(diào)節(jié)；

7）幀長(zhǎng)：4～4 096字節(jié)；

8）幀同步字：1～4字節(jié)；

9）遙控信號(hào)基帶碼速率：1～100kbps，步進(jìn)1bps調(diào)節(jié)；

10）模擬載波多普勒變化率：0～±32kHz／s，可調(diào)。

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

本板卡以大規(guī)模FPGA 器件為處理核心，外圍由高速ADC、AGC增益控制電路、DAC、時(shí)鐘管理、電源管理以及接口電路等組成。系統(tǒng)包含一路上行通道、一路下行通道，實(shí)現(xiàn)核心功能的最小化設(shè)計(jì)。板卡通過PXI接口完成與PC機(jī)的信息交互工作。硬件總體如圖2所示。

圖2 硬件總體框圖

2.1.1 FPGA 信號(hào)處理芯片

FPGA 作為信號(hào)處理的核心器件，既要承擔(dān)數(shù)據(jù)的上下變頻任務(wù)和預(yù)處理工作，又要承擔(dān)數(shù)據(jù)的接收、緩存，與控制命令的接收與發(fā)送。在接收端，F(xiàn)PGA 采用高速并行接口將A／D 轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)接收并下變頻到基帶，包括NCO、濾波、抽取、頻點(diǎn)選取等，再按要求進(jìn)行基帶信號(hào)的同步、基帶解碼等。在發(fā)送端，F(xiàn)PGA 首先通過基帶編碼、調(diào)制等方式將接收到的數(shù)據(jù)上轉(zhuǎn)換為中頻，最后通過D／A 發(fā)送到射頻信號(hào)［6］。

2.1.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊

中頻采集電路的輸入信號(hào)為70MHz，帶寬為10MHz。依據(jù)奈奎斯特采樣定律，若要無失真的恢復(fù)信號(hào)并且頻譜不產(chǎn)生重疊，則需使抽樣頻率大于2倍的最高頻率［7］。因此在對(duì)信號(hào)進(jìn)行低通采樣時(shí)需滿足采樣時(shí)鐘需大于等于140MHz。但過高的采樣速率會(huì)降低數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性能與同步性，綜合采樣速率、信號(hào)處理等多種因素，設(shè)計(jì)采用中頻帶通采樣設(shè)計(jì)［8］。模數(shù)轉(zhuǎn)換部分采用的LTC2252是12位125 Msps低功耗A／D 轉(zhuǎn)換器，適合本模塊對(duì)中頻大動(dòng)態(tài)范圍信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理。

2.1.3 增益控制模塊

AGC的增益控制電路是中頻接收機(jī)的關(guān)鍵部件，它的輸入端信號(hào)強(qiáng)度低，動(dòng)態(tài)范圍大，可以保證ADC 在輸出的信號(hào)不飽和的同時(shí)具有充分的比特轉(zhuǎn)換位，使得解調(diào)輸入信號(hào)更加穩(wěn)定。設(shè)計(jì)所選擇的增益控制芯片為AD8367，采用AD 公司最新的X-AMP 架構(gòu)，搭載了可變?cè)鲆鎲味薎F放大器，其增益控制性能優(yōu)良［9］。

單片AGC芯片可實(shí)現(xiàn)45dB 動(dòng)態(tài)范圍的自動(dòng)增益控制，本系統(tǒng)為了保證輸入增益范圍，單片芯片增益范圍達(dá)不到技術(shù)指標(biāo)要求，故采用兩片芯片級(jí)聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)，可以符合系統(tǒng)的要求［10］。兩個(gè)AD8367芯片均以低模式工作，第二個(gè)芯片使用了一個(gè)精確的開方濾波器，通過外部電容對(duì)輸出電流進(jìn)行積分，從而得到一個(gè)增益控制的電壓。第一芯片的增益控制電壓端子與該第二芯片的增益控制端子直接相連，該增益控制電壓由該第二芯片供給，工作在VGA 模式下。采用這種級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的增益控制電路，能有效地對(duì)80dBm 的波動(dòng)幅度進(jìn)行增益控制，使其在一定的范圍內(nèi)保持穩(wěn)定［11］。

2.1.4 PXI接口模塊

PXI總線是一種以PCI技術(shù)為基礎(chǔ)的高性能、開放式的模塊總線［12］。無論是在系統(tǒng)集成性、兼容性、通用化、模塊化以及系統(tǒng)成本等方面特點(diǎn)突出。本系統(tǒng)中采用FPGA 控制PXI接口芯片的方式實(shí)現(xiàn)PXI接口控制。FPGA 負(fù)責(zé)與接口芯片之間的本地端口進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)本地總線控制功能，用來響應(yīng)PXI總線中的觸發(fā)信號(hào)、參考時(shí)鐘等擴(kuò)展信號(hào)，以及進(jìn)行其他的時(shí)序操作和控制。

2.1.5 同步時(shí)鐘檢測(cè)

板卡集成設(shè)計(jì)了外部輸入時(shí)鐘同步接口電路，引入外部10MHz的同步信號(hào)，電路內(nèi)部通過FPGA 檢測(cè)外部時(shí)鐘輸入情況，若有外部時(shí)鐘輸入，系統(tǒng)使用外部時(shí)鐘模式，若無外部時(shí)鐘輸入，系統(tǒng)內(nèi)部自己產(chǎn)生10MHz時(shí)鐘信號(hào)。

2.2 數(shù)字信號(hào)處理模塊設(shè)計(jì)

2.2.1 調(diào)制發(fā)送模塊設(shè)計(jì)

調(diào)制模塊主要完成遙測(cè)模擬信號(hào)調(diào)制發(fā)送，輸出中頻PM 調(diào)制信號(hào)，具備載波多普勒平移預(yù)置、遙控與測(cè)距發(fā)射副載波分別加調(diào)與直出控制、副載波調(diào)制度調(diào)節(jié)等功能。通過參數(shù)控制模塊接收控制指令，并把相應(yīng)的配置參數(shù)傳遞到軟件模塊的各個(gè)單元中，實(shí)現(xiàn)碼速率、副載波頻率、調(diào)制度、中頻輸出頻率、信號(hào)碼型以及遙測(cè)模擬幀長(zhǎng)、幀同步頭、同步頭長(zhǎng)度等參數(shù)的配置。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)流如下：由衛(wèi)星模擬器中心控制軟件產(chǎn)生模擬仿真的遙測(cè)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)根據(jù)碼型設(shè)置對(duì)遙測(cè)模擬數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)基帶碼型變換，通過調(diào)制開關(guān)進(jìn)行調(diào)制控制，隨后進(jìn)行BPSK 調(diào)制到副載波，形成遙測(cè)數(shù)據(jù)副載波調(diào)制信號(hào)，數(shù)字正交調(diào)制模塊將低速率、基帶數(shù)字信號(hào)經(jīng)插值后調(diào)制到高速率中頻信號(hào)，接著將副載波信號(hào)調(diào)相到主載波上，實(shí)現(xiàn)PM 調(diào)制，并經(jīng)過數(shù)模變換后輸出［13］。調(diào)制模塊原理如圖3所示。

圖3 調(diào)制模塊原理框圖

1）遙測(cè)雙緩沖設(shè)計(jì)：

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了乒乓存儲(chǔ)，接收系統(tǒng)實(shí)時(shí)發(fā)送的遙測(cè)模擬數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)交替放于存儲(chǔ)器乒和存儲(chǔ)器乓中，在一個(gè)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的過程中，另一個(gè)存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)可以同時(shí)進(jìn)行讀取處理，提高數(shù)據(jù)傳輸效率，避免出現(xiàn)丟幀情況。

2）基帶編碼設(shè)計(jì)：

在實(shí)際的基帶傳送中，并非所有的基帶波形都適用于信道。比如，在具有低頻率、低頻率成分的單極基帶波形中，由于存在著嚴(yán)重的信號(hào)失真，因此，在低頻傳輸能力較弱的情況下，不適合進(jìn)行傳輸。再比如，如果一個(gè)信息符號(hào)序列中含有一個(gè)連續(xù)的“1”、“0”，那么這個(gè)非歸零的波形就會(huì)顯示出一個(gè)連續(xù)的恒定電平，所以不能獲得時(shí)間信息。當(dāng)傳輸連接為 “0”時(shí)，單極歸零碼也有相同的問題。在本系統(tǒng)中支持NRZ-L，NRZ-M，NRZ-S這三種碼型變換。

（1）NRZ-L不歸零電平碼。分別用兩種電平表示0和1，“-1”表示“0”，“1”表示“1”；

（2）NR Z-M 傳號(hào)差分碼。電平變化表示“1”，電平不變化表示“0”。

（3）NRZ-S空號(hào)差分碼。電平變化表示 “0”，電平不變化表示“1”。

3）PSK 映射：

基帶信號(hào)完成編碼后，首先采用BPSK 調(diào)制到副載波上。BPSK（二進(jìn)制絕對(duì)相移鍵控）采用未調(diào)制的相位作為參考基準(zhǔn)相位，即利用載波相位的絕對(duì)值傳送數(shù)字信息。其數(shù)字表達(dá)式為：

根據(jù)輸入的邏輯值對(duì)載波正弦信號(hào)的相位進(jìn)行調(diào)整。若數(shù)據(jù)為0，則相位為0，若數(shù)據(jù)為1，則相位為180°。

4）成型濾波：

通常使用的信道為帶限信道，當(dāng)矩形脈沖信號(hào)通過帶限信道后，會(huì)產(chǎn)生明顯的拖尾形象，形成碼間串?dāng)_，直接影響到相鄰碼元的接收，一定程度上加大了接收端誤碼率。在本系統(tǒng)中對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行脈沖成型，使基帶信號(hào)的頻譜更集中，成型濾波后的基帶信號(hào)需要的信道帶寬較窄，有效避免碼間串?dāng)_的問題。使用升余弦濾波器，該濾波器對(duì)應(yīng)的沖擊響應(yīng)如下：

式中，α決定濾波器頻率響應(yīng)的陡峭程度，B為濾波器帶寬。這種濾波器拖尾小，衰減快，可有效減小碼間串?dāng)_［14］。

5）CIC插值濾波：

CIC插值是提高采樣率的過程，插值之后信號(hào)的頻譜的形狀不會(huì)改變，信號(hào)會(huì)發(fā)生鏡像拓展，通過一個(gè)低通濾波器將多余的鏡像頻率濾除。CIC 濾波器的系數(shù)全為1，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適合在高采樣頻率下工作，常用于可編程濾波，在本文中為4倍固定內(nèi)插濾波器的后級(jí)，實(shí)現(xiàn)1～64倍的內(nèi)插功能。

6）正交上變頻：

其時(shí)域表達(dá)式為：

式中，ωc為載波角頻率，調(diào)制信號(hào)的信息包含在I（t），Q（t）內(nèi)。

7）主載波調(diào)制：

PM 調(diào)制在原理上是根據(jù)調(diào)制信號(hào)幅度變化相應(yīng)地改變載波相位［15］。調(diào)相信號(hào)公式如下：

其中：m（t）為BPSK 調(diào)制信號(hào)，kp為調(diào)制指數(shù)，θ0為初相，F(xiàn)為載波頻率。調(diào)相指數(shù)體現(xiàn)了載波功率和信息功率之間的比值，當(dāng)信息功率一定時(shí)，調(diào)相指數(shù)kp越大，信息功率越強(qiáng)，載波功率越弱；調(diào)相指數(shù)kp越小，信息功率越弱，載波功率越強(qiáng)［15］。

2.2.2 接收解調(diào)模塊設(shè)計(jì)

中頻接收模塊主要接收射頻前端輸出的中頻70 MHz上行遙控信號(hào)，經(jīng)過AD采樣后，與本地載波NCO 正交數(shù)字下變頻，通過載波捕獲、跟蹤解調(diào)，將解調(diào)出的遙控副載波信號(hào)送給副載波解調(diào)模塊完成遙控指令接收。接收解調(diào)出測(cè)距信號(hào)經(jīng)過可控延時(shí)模塊后直接轉(zhuǎn)發(fā)到調(diào)制模塊，同時(shí)輸出鎖定指示信號(hào)。通過參數(shù)控制模塊接收控制指令，并把相應(yīng)的配置參數(shù)傳遞到解調(diào)模塊的各個(gè)單元中，實(shí)現(xiàn)遙控碼速率、遙控副載波頻率、中頻接收頻率、遙控信號(hào)碼型，以及遙控指令長(zhǎng)度、幀同步頭等參數(shù)的配置。解調(diào)模塊原理如圖4所示。

圖4 解調(diào)模塊原理框圖

1）主載波正交下變頻設(shè)計(jì)：測(cè)控信號(hào)接收后，對(duì)70 MHz的輸入信號(hào)通過A／D進(jìn)行帶通采樣，采樣率的選取應(yīng)滿足Nyquist（奈奎斯特）帶通采樣定理。數(shù)字化后形成數(shù)字序列x（n），然后與兩個(gè)正交本振序列cos（ω0n）和sin（ω0n）相乘經(jīng)過低通濾波法得到基帶IQ 信號(hào)。

2）主載波解調(diào)：信號(hào)經(jīng)過數(shù)字正交下變頻后，在保證副載波通過的前提下，通過低通濾波器去除倍頻分量。但接收到的載波與本地載波存在頻率及相位上的偏差，將I、Q兩路信號(hào)相乘，進(jìn)行抵消通過環(huán)路濾波器得到鎖相環(huán)誤差方程，根據(jù)該誤差方程驅(qū)動(dòng)數(shù)字頻率合成器（DDS），是鎖相環(huán)工作，最終實(shí)現(xiàn)DDS輸出頻率與信號(hào)輸入頻率達(dá)到一致。然后再對(duì)得到的復(fù)信號(hào)求相角即可完成對(duì)PM 的解調(diào)。

3）CIC抽取設(shè)計(jì)：經(jīng)過正交下變頻后，由于信號(hào)的采樣率過高，首先進(jìn)行N倍符號(hào)率降采樣，使一個(gè)符號(hào)周期內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)為N，為定時(shí)恢復(fù)提供數(shù)據(jù)，N的取值由定時(shí)同步算法決定。采用CIC抽取濾波器進(jìn)行抽取。

4）由CIC 濾波器原理可知，N級(jí)CIC濾波器的系統(tǒng)函數(shù)可用下式表示：

6）若抽取速率的改變倍數(shù)不是一個(gè)整數(shù)，這時(shí)可通過級(jí)聯(lián)內(nèi)插器和抽取器來實(shí)現(xiàn)。

7）匹配濾波設(shè)計(jì)。

8）在數(shù)字信號(hào)接收中，匹配濾波器能夠有效抑制信號(hào)帶外噪聲，使濾波器輸出噪聲成分盡可能小，減少噪聲對(duì)信號(hào)判決的影響。其準(zhǔn)則是使濾波器輸出信噪比在特定時(shí)刻到達(dá)最大。本系統(tǒng)中接收濾波器采用與發(fā)送濾波器共軛匹配的平方根升余弦滾降濾波器。實(shí)驗(yàn)證明采用匹配濾波器的系統(tǒng)比非匹配濾波器的系統(tǒng)輸出信號(hào)的誤碼率小，信號(hào)的傳輸質(zhì)量高。

9）定時(shí)同步。

10）本系統(tǒng)使用Gardner定時(shí)同步環(huán)實(shí)現(xiàn)位同步功能，其結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，不需要預(yù)先知道載波相位，是比較常用的一種用于定時(shí)同步的環(huán)路結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 定時(shí)同步原理框圖

Gardner定時(shí)同步環(huán)路結(jié)構(gòu)中的定時(shí)誤差檢測(cè)是通過計(jì)算相鄰碼元最佳采樣判決點(diǎn)以及過渡點(diǎn)的值來實(shí)現(xiàn)的，如圖6所示。

圖6 Gardner環(huán)誤差檢測(cè)示意圖

對(duì)于BPSK 調(diào)制信號(hào)來，其誤差計(jì)算公式如下：

由上式和圖6可以看出，當(dāng)定時(shí)同步環(huán)路中的最佳采樣時(shí)刻判決完成時(shí)，若其相鄰碼元相同，則y（r）-y（r-1）為零；若相鄰碼元不同，則：為零?？梢哉J(rèn)為，只要鎖定了定時(shí)環(huán)路，環(huán)路的時(shí)序誤差始終為0。在環(huán)路未完成同步的情況下，若相鄰碼元不同，假定采樣時(shí)刻是在最優(yōu)采樣時(shí)刻之后，那么error＞0，反之＜0。若相鄰碼元相同時(shí)，則環(huán)路定時(shí)誤差始終為0。所以，當(dāng)相鄰碼元符號(hào)產(chǎn)生跳變時(shí)，Gardner的定時(shí)同步環(huán)路方能啟動(dòng)環(huán)路同步［16］。

11）載波同步：本系統(tǒng)選用Costas環(huán)作為載波恢復(fù)環(huán)對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行處理，硬件占用資源較少，實(shí)現(xiàn)容易。輸入信號(hào)分為兩個(gè)支路，上支路和DDS的輸出進(jìn)行了正交鑒相，下支路和DDS輸出的相移為90度。上、下鑒相器的輸出經(jīng)過低通濾波并相乘而得到一個(gè)誤差信號(hào)，該誤差信號(hào)經(jīng)過回路濾波器后，對(duì)DDS的相位和頻率進(jìn)行了控制，并且DDS在該誤差信號(hào)的影響下，輸出與輸入的載波信號(hào)同頻、同相的正、余弦信號(hào)［17］。Costas環(huán)載波同步原理如圖7所示。

圖7 Costas環(huán)載波同步

圖8 遙控信號(hào)接收流程圖

12）星座圖解映射：在進(jìn)行BPSK 調(diào)制時(shí)，映射關(guān)系為：“0”— “-1”，“1”— “1”；所以在接映射時(shí)，直接進(jìn)行判決，大于0的符號(hào)為“1”，小于0的符號(hào)為“0”。

13）基帶譯碼：

（1）NRZ-L不歸零電平碼。大于零電平判決為 “1”、低于零電平判決為“0”；

（2）NRZ-M 傳號(hào)差分碼。發(fā)生高低電平的變化，則判決為“1”，若不發(fā)生跳變，則判決為“0”；

（3）NRZ-S空號(hào)差分碼。發(fā)生高低電平的變化，則判決為“0”，若不發(fā)生跳變，則判決為“1”。

14）遙控指令單幀接收設(shè)計(jì)：遙控指令通常為16字節(jié)長(zhǎng)度的指令信息，沒有固定的幀頭和幀尾，無法正常實(shí)現(xiàn)幀同步。在模擬測(cè)試過程中，設(shè)計(jì)了 “引導(dǎo)頭＋指令內(nèi)容”的形式，實(shí)現(xiàn)遙控指令的接收，引導(dǎo)頭為固定長(zhǎng)度字段，例如“0xEB90”。上位機(jī)軟件將接收到的遙控指令（去掉引導(dǎo)頭后的實(shí)際指令內(nèi)容），發(fā)送至衛(wèi)星模擬器中心控制軟件，并對(duì)遙控指令進(jìn)行響應(yīng)、存盤等操作。

由于遙控的接收與遙測(cè)的接收特點(diǎn)不同，遙測(cè)的接收是接收連續(xù)幀過程，具有充足的時(shí)間進(jìn)行跟蹤捕獲，地面測(cè)試設(shè)備通常不具備接收遙控的功能。本設(shè)備為了配合項(xiàng)目需求，一方面充分利用前導(dǎo)碼的輔助信息，實(shí)現(xiàn)快速載波頻率、相位捕獲與跟蹤以及位同步；另一方面，采用了靈活可設(shè)置的幀同步策略，可完成單幀檢測(cè)即同步的功能［18］。

3 關(guān)鍵指標(biāo)分析

3.1 標(biāo)準(zhǔn)USB信號(hào)捕獲時(shí)間分析。

對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)USB信號(hào)，可以直接采用FFT 分析完成信號(hào)的初始捕獲。指標(biāo)要求＝43dBHz，為了滿足最大多普勒為±180kHz，下變頻后的采樣速率800kHz，要達(dá)到大于90%的捕獲概率，F(xiàn)FT 后的數(shù)據(jù)信噪比必須大于13dB，采用4 096點(diǎn)FFT 進(jìn)行頻譜分析，分析后的信噪比為20dB，可以滿足捕獲概率要求?？偟牟蓸訒r(shí)間為5.12ms；FFT 處理時(shí)鐘為56 MHz，F(xiàn)FT 計(jì)算時(shí)間為1.1ms；總的頻率捕獲時(shí)間約為7ms。

初始捕獲完成后，進(jìn)入由載波鎖相環(huán)進(jìn)行的精同步階段，頻率引導(dǎo)精度為195Hz，載波環(huán)路帶寬為500Hz，引導(dǎo)頻率落入精同步的快捕帶，快捕時(shí)間為5／BL，載波環(huán)路帶寬為500Hz，環(huán)路捕獲時(shí)間為10ms。

標(biāo)準(zhǔn)USB信號(hào)載波捕獲時(shí)間為7ms＋10ms≈17ms。

3.2 遙測(cè)解調(diào)損失分析

影響遙測(cè)信號(hào)解調(diào)的主要因素有：載波相位誤差引起的解調(diào)損失（標(biāo)準(zhǔn)USB 信號(hào)和擴(kuò)頻信號(hào)）、偽碼相位誤差引起的解擴(kuò)損失（擴(kuò)頻信號(hào)）及遙測(cè)數(shù)據(jù)碼間串?dāng)_等。其中，遙測(cè)數(shù)據(jù)的碼元速率較低（最高64kbps），其碼間串?dāng)_引起的解調(diào)損失可忽略不計(jì)。以下從偽碼相位誤差和載波相位誤差兩方面對(duì)遙測(cè)數(shù)據(jù)的解調(diào)損失進(jìn)行估算。

偽碼同步過程中的偽碼相位誤差直接影響到信號(hào)解擴(kuò)時(shí)的能量損失［19］。偽碼同步過程中采用了偽碼延遲鎖定環(huán)，為了維持環(huán)路的鎖定狀態(tài)，其相位誤差θDLLe一般認(rèn)為需滿足如下關(guān)系：

其中：d為相關(guān)間距，偽碼環(huán)路采用±Δ／2偽碼延遲鎖定環(huán)，d取1／2的碼元寬度；T為碼元寬度。計(jì)算可得θDLLe≤30°，此時(shí)解擴(kuò)損失為0.76dB。

載波同步過程中的載波相位誤差直接影響到相干解調(diào)器的性能，當(dāng)相位誤差為θPLLe時(shí)，相干解調(diào)器輸出信號(hào)功率與cos2θPLLe成正比。擴(kuò)頻信號(hào)經(jīng)過解擴(kuò)后變成BPSK 信號(hào)，而BPSK 信號(hào)的誤碼率與θPLLe存在如下關(guān)系：

載波鎖相環(huán)的載波相位誤差門限一般取θPLLe≤10°，此時(shí)解調(diào)損失為0.4dB。

綜上所述，在保證遙測(cè)的捕獲跟蹤能力達(dá)到指標(biāo)要求的情況下，標(biāo)準(zhǔn)USB 遙測(cè)信號(hào)解調(diào)帶來的最大的損失為0.4dB，擴(kuò)頻遙測(cè)信號(hào)解調(diào)帶來的最大的損失為1.16dB。

3.3 測(cè)距精度分析

對(duì)于測(cè)距而言，誤差來源主要是接收通道對(duì)下行信號(hào)的跟蹤誤差、上下行同步之間的誤差、以及由噪聲引起的誤差。

前兩項(xiàng)誤差取決于載波環(huán)路帶寬及相關(guān)參數(shù)的選取，誤差可表示為：

其中：c表示光速，f為測(cè)距音頻率，N0為高斯白噪聲功率譜密度，S為信號(hào)功率，α為損失因子（取0.6），Bn為載波跟蹤環(huán)環(huán)路帶寬，Be表示相關(guān)器帶寬。

按測(cè)距音頻率f＝100kHz，2Bn＝10 Hz，S／N0＝42dB時(shí)，可得到δR小于0.19m。

綜上所述，本系統(tǒng)有效實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星模擬器中的測(cè)控通道模擬功能，工作參數(shù)靈活可配置，可適用于不同衛(wèi)星的測(cè)控模擬［20］。

4 系統(tǒng)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證衛(wèi)星測(cè)控地檢板卡功能的正確性和有效性，使用頻譜儀、信號(hào)源、綜合基帶Coretx搭建了測(cè)試驗(yàn)證系統(tǒng)。對(duì)測(cè)控地檢板卡的中頻特性、遙控遙測(cè)功能進(jìn)行了全面驗(yàn)證，驗(yàn)證項(xiàng)目及結(jié)果如表1所示。

表1 系統(tǒng)驗(yàn)證結(jié)果

同時(shí)將該板卡與上下變頻板卡、供配電測(cè)試板卡靈活組成測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果證明，該板卡功能可完全滿足USB體制衛(wèi)星測(cè)試需求，并且該板卡可以與其他功能板卡靈活組合，快速實(shí)現(xiàn)不同系統(tǒng)測(cè)試需求。

5 結(jié)束語

經(jīng)過實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證，該板卡可以實(shí)現(xiàn)基于USB 體制的衛(wèi)星測(cè)控系統(tǒng)的測(cè)試，并且可以與其它功能板卡靈活組合，實(shí)現(xiàn)不同的系統(tǒng)功能。但該板卡目前只能支持USB 一種體制，未來需要在此基礎(chǔ)上不斷完善擴(kuò)頻體制、測(cè)控?cái)?shù)傳一體化等其他衛(wèi)星通用體制。