基于FPGA的综合基带系统关键技术研究与实现

发布时间：2020-03-23 06:15

【摘要】：航天测控是航天技术的重要组成部分,对航天器的遥控、遥测、测距、数传等多项任务展开研究,保障地面测控站与飞行器间的正常通信。航天测控体制是测控过程的制度体系,规范化测控体制是保障系统兼容的前提,以统一S波段(Unified S-Band,USB)体制的研究作为重点。综合基带系统是基于航天测控体制对遥控信号进行调制,对遥测信号进行解调,同时实现测距、测速等要求的设备。随着航天任务的增加以及对地面测控设备相关技术指标要求的提高,现有设备存在的功能单一,架构复杂,开发难度大等问题更加突出。综上,设计一个基于S波段、架构简单、分模块、功能参数可调整的综合基带系统成为研究重点,使得系统集遥控、遥测功能相统一、整体性能提高。本文的研究内容包括:(1)结合课题要求和现有设备存在的问题,搭建了基于“FPGA+射频板卡”与PC上位机相结合的系统,FPGA作为核心算法芯片,实现了综合基带系统的主体功能。(2)完成了发送端的研究与设计,包括数据预处理、主载波调制及输出环节。关键技术集中于多路副载波与测距侧音信号统一调制到主载波实现相位调制的环节。随着卫星通信数据量的增大,以及课题对高速传输的需求,将现有设备的主载波频率由70MHz改进为500MHz。由于载频的提高,串行的处理方案不再适用,所以通过FPGA采用多路并行处理,高、低频信号分解的方法实现载波调制,提高了主载波频率,减小了中频到射频的频率差,降低了变频的实现难度。(3)完成了接收端的研究与设计,包括输入环节、同步与解调。关键技术集中于遥测信号的带通采样、载波同步环节。遥测信号的主载波频率高,当选取最高频率的两倍作为采样频率时,对模数转换器的配置及FPGA的处理时钟要求很高,所以引入带通欠采样方案,通过频谱搬移的方法设计最佳采样频率,降低了主载波频率及后续FPGA设计的复杂度。由于卫星通信环境复杂、传输距离远及多普勒频移等影响,接收到的主载波频率存在一定的频率偏差,在传统科斯塔斯环的基础上结合FFT频偏估计算法,实现了对主载波中心频率的捕获及载波同步。(4)设计了系统自检,通过发送端与接收端自环,实现系统的综合测试。经过软件仿真与硬件实测,结合PC上位机的状态指示,实现了综合基带系统的设计,验证了设计方案的正确性与可靠性,在原设备基础上对指标进行了改善,集遥控、遥测功能相统一,降低了设备复杂度,为地面测控站提供了测试平台,为软、硬件协同设计提供了研究方案,为高速信号的调制、解调提供了研发经验。
【图文】：

波形,IP核,参数设定,载波

图 3-7 DDS 的 IP 核参数设定图副载波，将码速率为 2000 bps 的遥控指令调制到频率为号 0 时，保证载波不变，，当发送符号 1 时，载波波形取K 副载波调制的 VHDL 硬件代码实现如下所示：_2M)begin --低频系统时钟下'1' and clk_2M'event thenl) bpsk<=cosine_pi;bpsk<=cosine;; bpsk_tzxs PORT MAP(

仿真波形,仿真波形,基带信号

图 3-8 BPSK 仿真波形线框所示，base 基带信号在“0”、“1”间跳变，当基带信变，当基带信号为“1”时，对载波信号进行 180 度移相，bpsk 信号为 BPSK 副载波调制后波形。经仿真实现了。生成中测距指测量航天飞行器与地面测控站之间的空间距离码测距或者两者组合测距等方式[29]。侧音测距指利用侧地面测控站的距离，侧音指某一单频的正弦信号，当频 s(t)=Asin(2πft)。当已知从 A 地到 B 地的平均速度 v 和之间的距离 x 为： =
【学位授予单位】：河北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN791;V556

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