專(zhuān)利名稱(chēng)：一種用于衛(wèi)星通信系統(tǒng)的超低碼速率psk解調(diào)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種解調(diào)器，尤其涉及一種用于衛(wèi)星通信系統(tǒng)的超低碼速率相移鍵控(“相移鍵控”以下簡(jiǎn)稱(chēng)“PSK”)解調(diào)器即超低碼速率PSK解調(diào)器，該發(fā)明屬于衛(wèi)星通信技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著航天技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)的深空探測(cè)戰(zhàn)略已經(jīng)正式展開(kāi)，并取得初步成果，2007年10月，嫦娥一號(hào)月球探測(cè)衛(wèi)星成功發(fā)射，并傳回了大量的月球遙測(cè)數(shù)據(jù)，為我國(guó)利用探測(cè)太空，利用太空邁出了第一步，同時(shí)，月球探測(cè)的成功將為我國(guó)開(kāi)展深空探測(cè)奠定技術(shù)基礎(chǔ)。
在深空通信領(lǐng)域，對(duì)于數(shù)據(jù)量不大但可靠性較高的遙控?cái)?shù)據(jù)，降低碼速率能夠提高解調(diào)器的Eb/N0，在相同的信道環(huán)境中獲得更高的誤碼性能，故在深空探測(cè)任務(wù)中遙控信號(hào)常常使用較低的碼速率，由于距離太遠(yuǎn)，接收到的信號(hào)功率太弱，因此與其它通信系統(tǒng)相比，功率受限的問(wèn)題更加突出，而頻帶卻并不受限。相反，由于接收的信號(hào)功率太小，使得不允許傳輸太高的碼率，所以，和遙感衛(wèi)星的高速數(shù)傳關(guān)鍵技術(shù)相反，在深空通信中，極低碼速率遙控解調(diào)是其關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。，使用極低碼速率傳送遙控信號(hào)會(huì)遇到以下問(wèn)題 (1)數(shù)據(jù)信號(hào)的譜線(xiàn)與載波的根部相噪重疊，甚至淹沒(méi)信號(hào)譜線(xiàn)而無(wú)法解調(diào)； (2)解調(diào)鎖相環(huán)的負(fù)反饋?zhàn)饔茫瑢⒌窒粢徊糠謹(jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)的低端頻譜，從而使數(shù)據(jù)信號(hào)的信噪比下降和產(chǎn)生波形失真，導(dǎo)致誤碼率加大； (3)碼速率低時(shí)捕獲時(shí)間和載波環(huán)路裕量的矛盾較為嚴(yán)重； (4)在碼速率極低時(shí)只有幾比特/秒，帶寬極窄，前端濾波器設(shè)計(jì)困難，無(wú)法將前端的濾波器的帶寬設(shè)計(jì)的和碼速率帶寬匹配，為如此窄的信號(hào)設(shè)計(jì)窄帶濾波器不現(xiàn)實(shí)，因此實(shí)際的前端的濾波器帶寬會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于信號(hào)帶寬，會(huì)有較多的帶外噪聲進(jìn)入解調(diào)器，在較低的信噪比時(shí)，信號(hào)的總功率不變，但是信號(hào)的有效功率會(huì)變得很小，因此解調(diào)時(shí)信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍會(huì)很大。
針對(duì)以上特點(diǎn)設(shè)計(jì)一種能夠解調(diào)超低碼速率的PSK解調(diào)器具有重要意義。

發(fā)明內(nèi)容
1、目的本實(shí)用新型的目的是提供一種用于衛(wèi)星通信系統(tǒng)的超低碼速率PSK解調(diào)器，它克服了現(xiàn)有技術(shù)的不足，該解調(diào)器能夠完成對(duì)超低碼速率的遙控PSK信號(hào)的解調(diào)。
2、技術(shù)方案如圖1所示，本實(shí)用新型一種用于衛(wèi)星通信系統(tǒng)的超低碼速率PSK解調(diào)器，它由4部分組成，包括前端模數(shù)轉(zhuǎn)換A/D 10、數(shù)字下變頻模塊11、載波同步模塊12和位同步模塊13，按照一定的流程完成對(duì)超低碼速率的遙控PSK信號(hào)進(jìn)行解調(diào)。前端模數(shù)轉(zhuǎn)換A/D 10使用現(xiàn)成的產(chǎn)品，數(shù)字下變頻模塊11、載波同步模塊12和位同步模塊13在現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(“現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列”以下簡(jiǎn)稱(chēng)“FPGA”)中實(shí)現(xiàn)。它們之間的連結(jié)關(guān)系是前端模數(shù)轉(zhuǎn)換A/D 10的輸出連接到數(shù)字下變頻模塊11，數(shù)字下變頻模塊11的輸出連接到載波同步模塊12、載波同步模塊12的輸出連接到位同步模塊13；信號(hào)走向是輸入的信號(hào)，經(jīng)過(guò)調(diào)理后進(jìn)入前端模數(shù)轉(zhuǎn)換A/D 10，前端模數(shù)轉(zhuǎn)換A/D 10采樣后的信號(hào)進(jìn)入數(shù)字下變頻模塊11進(jìn)行處理，經(jīng)過(guò)數(shù)字下變頻模塊11處理后的信號(hào)進(jìn)入載波同步模塊12進(jìn)行載波同步處理，載波同步模塊12處理后的信號(hào)進(jìn)入位同步模塊13進(jìn)行位同步處理，位同步模塊13處理后輸出的信號(hào)即為解調(diào)器的輸出。
所述的前端模數(shù)轉(zhuǎn)換A/D 10以恒定的采樣率將調(diào)理后的模擬相移鍵控即模擬PSK信號(hào)變換為數(shù)字信號(hào)，前端模數(shù)轉(zhuǎn)換A/D 10使用現(xiàn)成的產(chǎn)品即可。
所述的數(shù)字下變頻模塊11包括數(shù)字下變頻模塊數(shù)控振蕩器(“數(shù)控振蕩器”以下簡(jiǎn)稱(chēng)“NCO”)40即數(shù)字下變頻模塊NCO 40、同相支路乘法器20、同相支路采樣率變換模塊21、同相支路FIR低通濾波器22、正交支路乘法器30、正交支路采樣率變換模塊31、正交支路FIR低通濾波器32和數(shù)字自動(dòng)增益控制(“自動(dòng)增益控制”以下簡(jiǎn)稱(chēng)“AGC”)模塊41，即數(shù)字AGC模塊41。數(shù)字下變頻模塊NCO 40使用直接頻率綜合算法(簡(jiǎn)稱(chēng)“DDS”)實(shí)現(xiàn)，負(fù)責(zé)產(chǎn)生和標(biāo)稱(chēng)載波頻率相同的兩路固定本地載波，兩路載波的相位相差90°，數(shù)字下變頻模塊NCO 40的輸出和前端模數(shù)轉(zhuǎn)換A/D 10輸出的本地載波作為同相支路乘法器20和正交支路乘法器30的輸入；同相支路乘法器20和正交支路乘法器30作為固定下變頻器使用，利用FPGA中的IP核實(shí)現(xiàn)，計(jì)算輸入PSK信號(hào)和本地載波相乘的結(jié)果，將輸入信號(hào)下變頻到零中頻，同相支路乘法器20和正交支路乘法器30輸出的結(jié)果分別進(jìn)入同相支路采樣率變換模塊21和正交支路采樣率變換模塊31；同相支路采樣率變換模塊21和正交支路采樣率變換模塊31，由抽取和內(nèi)插倍數(shù)可程控的積分梳狀(“積分梳狀”簡(jiǎn)稱(chēng)“CIC”)碼速率變換濾波器和有限頻率響應(yīng)(“有限頻率響應(yīng)”簡(jiǎn)稱(chēng)“FIR”)抽取濾波器級(jí)聯(lián)而成，按照輸入PSK信號(hào)的碼速率進(jìn)行采樣率變換，使得采樣率變換后的采樣率為碼速率的固定倍數(shù)，同相支路采樣率變換模塊21和正交支路采樣率變換模塊31的輸出分別進(jìn)入結(jié)構(gòu)相同的同相支路FIR低通濾波器22和正交支路FIR低通濾波器32；同相支路FIR低通濾波器22和正交支路FIR低通濾波器32使用FIR濾波器，負(fù)責(zé)對(duì)抽取后的信號(hào)進(jìn)行濾波，進(jìn)一步濾除信號(hào)中的噪聲，將基帶信號(hào)中的噪聲功率降到更低，低通濾波后的結(jié)果進(jìn)入數(shù)字AGC模塊41，對(duì)濾波后的信號(hào)功率進(jìn)行檢測(cè)，并進(jìn)行調(diào)節(jié)，穩(wěn)定環(huán)路增益，使得輸出到載波同步模塊12的基帶信號(hào)功率基本穩(wěn)定在恒定值，數(shù)字AGC模塊41使用查找表算法實(shí)現(xiàn)，數(shù)字AGC模塊41的輸出的兩路信號(hào)作為載波同步模塊12的輸入。
所述的載波同步模塊包括復(fù)數(shù)乘法器50、硬限幅器51、載波同步模塊乘法器52、載波同步模塊環(huán)路濾波器53和載波同步模塊NCO 54。復(fù)數(shù)乘法器50負(fù)責(zé)將數(shù)字下變頻模塊11輸出的正交數(shù)據(jù)和載波同步模塊NCO 54輸出的本地載波進(jìn)行相乘，消除殘余的載波分量，復(fù)數(shù)乘法器50使用FPGA內(nèi)部IP核實(shí)現(xiàn)，復(fù)數(shù)乘法器50輸出的實(shí)部(同相支路)輸入到硬限幅器51進(jìn)行硬限幅，虛部(正交支路)輸入到作為鑒相器的載波同步模塊乘法器52；硬限幅器51，對(duì)復(fù)數(shù)乘法器50輸出的同相支路信號(hào)進(jìn)行取符號(hào)運(yùn)算，硬限幅器51的輸出一方面輸入到載波同步模塊乘法器52進(jìn)行鑒相，另一方面作為載波同步模塊12輸出，輸出給位同步模塊13；載波同步模塊乘法器52，作為載波同步模塊12的鑒頻器，將同相支路信號(hào)硬限幅后的輸出和正交支路信號(hào)進(jìn)行相乘，完成對(duì)PSK輸入信號(hào)的鑒相，載波同步模塊乘法器52的輸出接入載波同步模塊環(huán)路濾波器53；載波同步模塊環(huán)路濾波器53，主要作用是濾除誤差信號(hào)中的高頻分量，并為鎖相環(huán)路提供一個(gè)短期的記憶，當(dāng)環(huán)路由于瞬時(shí)噪聲而失鎖時(shí)，可確保環(huán)路迅速重新捕獲信號(hào)，載波同步模塊環(huán)路濾波器53使用理想一階濾波器，結(jié)構(gòu)如圖2所示，由兩個(gè)支路直通支路和積分支路組成，直通支路只含有一個(gè)直通支路放大器100，將輸入信號(hào)放大指定的倍數(shù)即可，積分支路包括積分支路放大器110、積分支路延時(shí)單元112和積分支路加法器111組成，輸入的信號(hào)在進(jìn)入直通支路的同時(shí)會(huì)進(jìn)入積分支路，輸入通過(guò)積分支路的放大器放大后和經(jīng)過(guò)積分支路延時(shí)單元112延時(shí)后的結(jié)果相加，相加后的結(jié)果一方面作為積分支路延時(shí)單元112的輸入，另一方面作為積分支路的輸出，和直通支路的輸出通過(guò)環(huán)路濾波器加法器101相加，兩個(gè)支路相加后的結(jié)果作為載波同步模塊環(huán)路濾波器53的輸出，載波同步模塊環(huán)路濾波器53的輸出作為載波同步模塊NCO 54的輸入；載波同步模塊NCO 54，使用DDS算法實(shí)現(xiàn)，載波同步模塊NCO 54的固定頻率輸出為零，載波同步模塊環(huán)路濾波器53的輸出作為調(diào)節(jié)端的輸入，輸出的跟蹤載波進(jìn)入復(fù)數(shù)乘法器50的和輸入信號(hào)相乘。
所述的位同步模塊13，使用“同相-中相”環(huán)實(shí)現(xiàn)，包括同相積分清零器60、中相積分清零器70、位同步模塊鑒相器80、位同步模塊環(huán)路濾波器81和位同步模塊NCO 82。載波同步模塊12的輸出同時(shí)輸入給同相積分清零器60和中相積分清零器70，同相積分清零器60，在脈沖編碼調(diào)制(“脈沖編碼調(diào)制”以下簡(jiǎn)稱(chēng)“PCM”)時(shí)鐘即PCM時(shí)鐘的上升沿處完成一次積分并清零，輸出一方面作為位同步模塊鑒相器80的輸入，同時(shí)可以作為PCM數(shù)據(jù)輸出；中相積分清零器70，滯后1/2個(gè)時(shí)鐘周期，在PCM時(shí)鐘的下降沿處完成積分并清零，中相積分清零器70的輸出作為位同步模塊鑒相器80的輸入；位同步模塊鑒相器80，同相積分清零器60和中相積分清零器70輸出的積分結(jié)果進(jìn)入位同步模塊鑒相器80，當(dāng)同相積分清零器60上次輸出和本次輸出符號(hào)相同時(shí)，沒(méi)有發(fā)生符號(hào)的反轉(zhuǎn)，此時(shí)不能計(jì)算相位誤差，位同步模塊鑒相器80輸出為0；當(dāng)同相積分清零器60上次輸出為負(fù)，本次輸出為正時(shí)，數(shù)據(jù)發(fā)生了從0到1的跳變，此時(shí)如果中相積分清零器70的值大于0，說(shuō)明中相積分清零器70中，數(shù)據(jù)為1的部分大于數(shù)據(jù)為0的部分，因此位同步模塊NCO 82相位滯后，說(shuō)明位同步模塊NCO 82輸出相位小于輸入相位，反之，表示位同步模塊NCO 82相位超前，此時(shí)位同步模塊鑒相器80輸出中相積分清零器70的值，當(dāng)同相積分清零器60上次輸出為正，本次輸出為負(fù)時(shí)，數(shù)據(jù)發(fā)生了從1到0的跳變，如果中相積分清零器70的值大于0，說(shuō)明中相積分清零器70中，數(shù)據(jù)為1的部分大于數(shù)據(jù)為0的部分，因此位同步模塊NCO 82相位超前，反之，表示位同步模塊NCO 82相位滯后，此時(shí)位同步模塊鑒相器80的輸出為中相積分清零器70輸出值取反，位同步模塊鑒相器80的輸出作為位同步模塊環(huán)路濾波器81的輸入；位同步模塊環(huán)路濾波器81，主要作用是濾除鑒相后定時(shí)誤差信號(hào)中的高頻分量，并為鎖相環(huán)路提供一個(gè)短期的記憶，當(dāng)環(huán)路由于瞬時(shí)噪聲而失鎖時(shí)，可確保環(huán)路迅速重新捕獲信號(hào)，位同步模塊環(huán)路濾波器81的結(jié)構(gòu)和載波同步模塊環(huán)路濾波器53的結(jié)構(gòu)完全相同，位同步模塊環(huán)路濾波器81的輸出作為位同步模塊NCO 82的輸入；位同步模塊NCO 82，使用DDS算法實(shí)現(xiàn)，輸出的信號(hào)為脈沖，固定頻率輸出為PSK碼速率，位同步模塊NCO 82的輸出一方面作為跟蹤后的PCM時(shí)鐘輸出，另一方面作為同相積分清零器和中相積分清零器清零端的輸入。
3、優(yōu)點(diǎn)及效果從以上的描述中，可以看出，該解調(diào)器結(jié)構(gòu)將下變頻、采樣率變換、位同步從載波同步過(guò)程中分離，對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性至關(guān)重要的載波同步模塊和位同步模塊完全獨(dú)立，相比傳統(tǒng)解調(diào)器具有以下優(yōu)點(diǎn) (1)反饋支路短、延遲少，系統(tǒng)更穩(wěn)定； (2)各部分相互獨(dú)立，便于仿真分析、設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)和硬件調(diào)試； (3)載波同步、位同步模塊采樣率與碼速率相對(duì)速度不變，不同碼速率實(shí)現(xiàn)參數(shù)可相同；只需改變抽取倍數(shù)即可。
(4)在載波跟蹤時(shí)，對(duì)傳統(tǒng)的極性科斯塔斯環(huán)進(jìn)行了改進(jìn)，使用復(fù)數(shù)乘法器去除載波，避免產(chǎn)生諧波分量，因此環(huán)路中不用使用支路濾波器濾除諧波分量，簡(jiǎn)化了載波同步模塊硬件結(jié)構(gòu)，降低了反饋支路的長(zhǎng)度，增加了穩(wěn)定性。

圖1本實(shí)用新型PSK解調(diào)器結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2本實(shí)用新型環(huán)路濾波器結(jié)構(gòu)示意圖； 圖中符號(hào)說(shuō)明如下 10前端模數(shù)轉(zhuǎn)換A/D；11數(shù)字下變頻模塊；12載波同步模塊； 13位同步模塊；20同相支路乘法器； 21同相支路采樣率變換模塊；22同相支路FIR低通濾波器； 30正交支路乘法器；31正交支路采樣率變換模塊； 32正交支路FIR低通濾波器；40數(shù)字下變頻模塊NCO； 41數(shù)字AGC模塊；50復(fù)數(shù)乘法器； 51硬限幅器；52載波同步模塊乘法器； 53載波同步模塊環(huán)路濾波器；54載波同步模塊NCO； 60同相積分清零器；70中相積分清零器； 80位同步模塊鑒相器；81位同步模塊環(huán)路濾波器； 82位同步模塊NCO；100直通支路放大器； 101環(huán)路濾波器加法器；110積分支路放大器； 111積分支路加法器；112積分支路延時(shí)單元。
具體實(shí)施方式
如圖1所示，本實(shí)用新型一種用于衛(wèi)星通信系統(tǒng)的超低碼速率PSK解調(diào)器，它由4部分組成，包括前端模數(shù)轉(zhuǎn)換A/D10、數(shù)字下變頻模塊11、載波同步模塊12和位同步模塊13，按照一定的流程完成對(duì)超低碼速率的遙控PSK信號(hào)進(jìn)行解調(diào)。前端模數(shù)轉(zhuǎn)換A/D 10使用現(xiàn)成的產(chǎn)品，數(shù)字下變頻模塊11、載波同步模塊12和位同步模塊13在現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)中實(shí)現(xiàn)。它們之間的連結(jié)關(guān)系是前端模數(shù)轉(zhuǎn)換A/D 10的輸出連接到數(shù)字下變頻模塊11，數(shù)字下變頻模塊11的輸出連接到載波同步模塊12、載波同步模塊12的輸出連接到位同步模塊13；信號(hào)走向是輸入的信號(hào)，經(jīng)過(guò)調(diào)理后進(jìn)入前端模數(shù)轉(zhuǎn)換A/D 10，前端模數(shù)轉(zhuǎn)換A/D 10采樣后的信號(hào)進(jìn)入數(shù)字下變頻模塊11進(jìn)行處理，經(jīng)過(guò)數(shù)字下變頻模塊11處理后的信號(hào)進(jìn)入載波同步模塊12進(jìn)行載波同步處理，載波同步模塊12處理后的信號(hào)進(jìn)入位同步模塊13進(jìn)行位同步處理，位同步模塊13處理后輸出的信號(hào)即為該解調(diào)器的輸出。
所述的前端模數(shù)轉(zhuǎn)換A/D 10以恒定的采樣率將調(diào)理后的模擬PSK信號(hào)變換為數(shù)字信號(hào)，前端模數(shù)轉(zhuǎn)換A/D 10使用現(xiàn)成的產(chǎn)品即可。
所述的數(shù)字下變頻模塊11包括數(shù)字下變頻模塊NCO 40、同相支路乘法器20、同相支路采樣率變換模塊21、同相支路FIR低通濾波器22、正交支路乘法器30、正交支路采樣率變換模塊31、正交支路FIR低通濾波器32和數(shù)字AGC模塊41。數(shù)字下變頻模塊NCO 40使用直接頻率綜合算法(DDS)實(shí)現(xiàn)，負(fù)責(zé)產(chǎn)生和標(biāo)稱(chēng)載波頻率相同的兩路固定本地載波，兩路載波的相位相差90°，數(shù)字下變頻模塊NCO 40的輸出和A/D10輸出的本地載波作為同相支路乘法器20和正交支路乘法器30的輸入；同相支路乘法器20和正交支路乘法器30作為固定下變頻器使用，利用FPGA中的IP核實(shí)現(xiàn)，計(jì)算輸入PSK信號(hào)和本地載波相乘的結(jié)果，將輸入信號(hào)下變頻到零中頻，同相支路乘法器20和正交支路乘法器30輸出的結(jié)果分別進(jìn)入同相支路采樣率變換模塊21和正交支路采樣率變換模塊31；同相支路采樣率變換模塊21和正交支路采樣率變換模塊31，由抽取和內(nèi)插倍數(shù)可程控的積分梳狀(CIC)碼速率變換(可抽取和內(nèi)插)濾波器和有限頻率響應(yīng)(FIR)抽取濾波器級(jí)聯(lián)而成，按照輸入PSK信號(hào)的碼速率進(jìn)行采樣率變換，使得采樣率變換后的采樣率為碼速率的固定倍數(shù)，同相支路采樣率變換模塊21和正交支路采樣率變換模塊31的輸出分別進(jìn)入結(jié)構(gòu)相同的同相支路FIR低通濾波器22和正交支路FIR低通濾波器32；同相支路FIR低通濾波器22和正交支路FIR低通濾波器32使用FIR濾波器，負(fù)責(zé)對(duì)抽取后的信號(hào)進(jìn)行濾波，進(jìn)一步濾除信號(hào)中的噪聲，將基帶信號(hào)中的噪聲功率降到更低，低通濾波后的結(jié)果進(jìn)入數(shù)字AGC模塊41，對(duì)濾波后的信號(hào)功率進(jìn)行檢測(cè)，并進(jìn)行調(diào)節(jié)，穩(wěn)定環(huán)路增益，使得輸出到載波同步模塊12的基帶信號(hào)功率基本穩(wěn)定在恒定值，數(shù)字AGC模塊41使用查找表算法實(shí)現(xiàn)，數(shù)字AGC模塊41的輸出的兩路信號(hào)作為載波同步模塊12的輸入。
所述的載波同步模塊12包括復(fù)數(shù)乘法器50、硬限幅器51、載波同步模塊乘法器52、載波同步模塊環(huán)路濾波器53和載波同步模塊NCO 54。復(fù)數(shù)乘法器50負(fù)責(zé)將數(shù)字下變頻模塊11輸出的正交數(shù)據(jù)和載波同步模塊NCO 54輸出的本地載波進(jìn)行相乘，消除殘余的載波分量，復(fù)數(shù)乘法器50使用FPGA內(nèi)部IP核實(shí)現(xiàn)，復(fù)數(shù)乘法器50輸出的實(shí)部(同相支路)輸入到硬限幅器51進(jìn)行硬限幅，虛部(正交支路)輸入到作為鑒相器的載波同步模塊乘法器52；硬限幅器51，對(duì)復(fù)數(shù)乘法器50輸出的同相支路信號(hào)進(jìn)行取符號(hào)運(yùn)算，硬限幅器51的輸出一方面輸入到載波同步模塊乘法器52進(jìn)行鑒相，另一方面作為載波同步模塊12輸出，輸出給位同步模塊13；載波同步模塊乘法器52，作為載波同步模塊12的鑒頻器，將同相支路信號(hào)硬限幅后的輸出和正交支路信號(hào)進(jìn)行相乘，完成對(duì)PSK輸入信號(hào)的鑒相，載波同步模塊乘法器52的輸出接入載波同步模塊環(huán)路濾波器53；載波同步模塊環(huán)路濾波器53，主要作用是濾除誤差信號(hào)中的高頻分量，并為鎖相環(huán)路提供一個(gè)短期的記憶，當(dāng)環(huán)路由于瞬時(shí)噪聲而失鎖時(shí)，可確保環(huán)路迅速重新捕獲信號(hào)，載波同步模塊環(huán)路濾波器53使用理想一階濾波器，結(jié)構(gòu)如圖2所示，由兩個(gè)支路直通支路和積分支路組成，直通支路只含有一個(gè)直通支路放大器100，將輸入信號(hào)放大指定的倍數(shù)即可，積分支路包括積分支路放大器110、積分支路延時(shí)單元112和積分支路加法器111組成，輸入的信號(hào)在進(jìn)入直通支路的同時(shí)會(huì)進(jìn)入積分支路，輸入通過(guò)積分支路的放大器放大后和經(jīng)過(guò)積分支路延時(shí)單元112延時(shí)后的結(jié)果相加，相加后的結(jié)果一方面作為積分支路延時(shí)單元112的輸入，另一方面作為積分支路的輸出，和直通支路的輸出通過(guò)環(huán)路濾波器加法器101相加，兩個(gè)支路相加后的結(jié)果作為載波同步模塊環(huán)路濾波器53的輸出，載波同步模塊環(huán)路濾波器53的輸出作為載波同步模塊NCO 54的輸入；載波同步模塊NCO 54，使用DDS算法實(shí)現(xiàn)，載波同步模塊NCO 54的固定頻率輸出為零，載波同步模塊環(huán)路濾波器53的輸出作為調(diào)節(jié)端的輸入，輸出的跟蹤載波進(jìn)入復(fù)數(shù)乘法器50和輸入信號(hào)相乘。
所述的位同步模塊13，使用“同相-中相”環(huán)實(shí)現(xiàn)，包括同相積分清零器60、中相積分清零器70、位同步模塊鑒相器80、位同步模塊環(huán)路濾波器81和位同步模塊NCO 82。載波同步模塊12的輸出同時(shí)輸入給同相積分清零器60和中相積分清零器70，同相積分清零器60，在PCM時(shí)鐘的上升沿處完成一次積分并清零，輸出一方面作為位同步模塊鑒相器80的輸入，同時(shí)可以作為PCM數(shù)據(jù)輸出；中相積分清零器70，滯后1/2個(gè)時(shí)鐘周期，在PCM時(shí)鐘的下降沿處完成積分并清零，中相積分清零器70的輸出作為位同步模塊鑒相器80的輸入；位同步模塊鑒相器80，同相積分清零器60和中相積分清零器70輸出的積分結(jié)果進(jìn)入位同步模塊鑒相器80，當(dāng)同相積分清零器60上次輸出和本次輸出符號(hào)相同時(shí)，沒(méi)有發(fā)生符號(hào)的反轉(zhuǎn)，此時(shí)不能計(jì)算相位誤差，位同步模塊鑒相器80輸出為0；當(dāng)同相積分清零器60上次輸出為負(fù)，本次輸出為正時(shí)，數(shù)據(jù)發(fā)生了從0到1的跳變，此時(shí)如果中相積分清零器70的值大于0，說(shuō)明中相積分清零器70中，數(shù)據(jù)為1的部分大于數(shù)據(jù)為0的部分，因此位同步模塊NCO 82相位滯后，說(shuō)明位同步模塊NCO 82輸出相位小于輸入相位，反之，表示位同步模塊NCO 82相位超前，此時(shí)位同步模塊鑒相器80輸出中相積分清零器70的值，當(dāng)同相積分清零器60上次輸出為正，本次輸出為負(fù)時(shí)，數(shù)據(jù)發(fā)生了從1到0的跳變，如果中相積分清零器70的值大于0，說(shuō)明中相積分清零器70中，數(shù)據(jù)為1的部分大于數(shù)據(jù)為0的部分，因此位同步模塊NCO 82相位超前，反之，表示位同步模塊NCO 82相位滯后，此時(shí)位同步模塊鑒相器80的輸出值為中相積分清零器70輸出值取反，位同步模塊鑒相器80的輸出作為位同步模塊環(huán)路濾波器81的輸入；位同步模塊環(huán)路濾波器81，主要作用是濾除鑒相后定時(shí)誤差信號(hào)中的高頻分量，并為鎖相環(huán)路提供一個(gè)短期的記憶，當(dāng)環(huán)路由于瞬時(shí)噪聲而失鎖時(shí)，可確保環(huán)路迅速重新捕獲信號(hào)，位同步模塊環(huán)路濾波器81的結(jié)構(gòu)和載波同步模塊環(huán)路濾波器53的結(jié)構(gòu)完全相同，位同步模塊環(huán)路濾波器81的輸出作為位同步模塊NCO 82的輸入；位同步模塊NCO 82，使用DDS算法實(shí)現(xiàn)，輸出的信號(hào)為脈沖，固定頻率輸出為PSK碼速率，位同步模塊NCO 82的輸出一方面作為跟蹤后的PCM時(shí)鐘輸出，另一方面作為同相積分清零器60和中相積分清零器清零70端的輸入。
下面將參考附圖并結(jié)合實(shí)施例，來(lái)詳細(xì)說(shuō)明本實(shí)用新型。
圖1給出了本實(shí)用新型的衛(wèi)星超低碼速率PSK解調(diào)器的結(jié)構(gòu)，具體工作流程如下； 輸入的PSK信號(hào)經(jīng)過(guò)采樣后可表示為
其中D(n)為基帶調(diào)制信息，ωc為載波角頻率，N(n)為信號(hào)中的噪聲。
經(jīng)過(guò)正交下變頻后，變?yōu)镮、Q兩路正交信號(hào)，可以表示為
其中ω′c為本地載波頻率。經(jīng)過(guò)采樣率變換模塊、低通FIR濾波、自動(dòng)增益控制調(diào)節(jié)后，輸入載波同步模塊的信號(hào)為
令Δω＝ωc-ω′c為輸入載波與本地晶振頻差，下變頻器的輸出頻率ω′c接近于ωc，使得輸出信號(hào)的頻率Δω接近與零。

M為抽取倍數(shù)，N為內(nèi)插倍數(shù)。

送入本地載波同步模塊12的I、Q信號(hào)變?yōu)閺?fù)數(shù)形式可寫(xiě)為
經(jīng)過(guò)復(fù)數(shù)乘法器50，乘以載波同步模塊NCO 54產(chǎn)生的本地相位誤差量后得到的I、Q兩路輸出為
當(dāng)載波同步模塊12同步時(shí)，

很小，接近于0，進(jìn)行近似后可得 A(k)和A1(k)都為正數(shù)，不會(huì)影響硬限幅后I支路的符號(hào)，I路信號(hào)包含解調(diào)出的調(diào)制信息，使用I路信號(hào)用進(jìn)行位同步，即可解調(diào)出所需信息。
圖2給出了載波同步模塊12和位同步模塊13的載波同步模塊環(huán)路濾波器53和位同步模塊環(huán)路濾波81結(jié)構(gòu)。
環(huán)路濾波器的主要作用是濾除誤差信號(hào)中的高頻分量，并為鎖相環(huán)路提供一個(gè)短期的記憶，當(dāng)環(huán)路由于瞬時(shí)噪聲而失鎖時(shí)，可確保環(huán)路迅速重新捕獲信號(hào)。環(huán)路的跟蹤特性、穩(wěn)定性主要是由載波同步模塊環(huán)路濾波器53決定，是載波同步模塊12設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。在該解調(diào)器中使用了一種環(huán)路參數(shù)可配置的理想積分環(huán)路濾波器，通過(guò)調(diào)整C1、C2可以調(diào)整環(huán)路帶寬，以使得遙控副載波解調(diào)器能夠根據(jù)需要調(diào)整環(huán)路參數(shù)。
權(quán)利要求1.一種用于衛(wèi)星通信系統(tǒng)的超低碼速率PSK解調(diào)器，其特征在于它由前端模數(shù)轉(zhuǎn)換A/D(10)、數(shù)字下變頻模塊(11)、載波同步模塊(12)和位同步模塊(13)組成；它們之間的連接關(guān)系是前端模數(shù)轉(zhuǎn)換A/D(10)的輸出連接到數(shù)字下變頻模塊(11)，數(shù)字下變頻模塊(11)的輸出連接到載波同步模塊(12)、載波同步模塊(12)的輸出連接到位同步模塊(13)；所述的前端模數(shù)轉(zhuǎn)換A/D(10)使用現(xiàn)成的產(chǎn)品即可；所述的數(shù)字下變頻模塊(11)包括數(shù)字下變頻模塊數(shù)控振蕩器即數(shù)字下變頻模塊NCO(40)、同相支路乘法器(20)、同相支路采樣率變換模塊(21)、同相支路FIR低通濾波器(22)、正交支路乘法器(30)、正交支路采樣率變換模塊(31)、正交支路FIR低通濾波器(32)和數(shù)字自動(dòng)增益控制模塊即數(shù)字AGC模塊(41)；，數(shù)字下變頻模塊NCO(40)的輸出和前端模數(shù)轉(zhuǎn)換A/D(10)輸出的本地載波作為同相支路乘法器(20)和正交支路乘法器(30)的輸入；同相支路乘法器(20)和正交支路乘法器(30)輸出的結(jié)果分別進(jìn)入同相支路采樣率變換模塊(21)和正交支路采樣率變換模塊(31)；同相支路采樣率變換模塊(21)和正交支路采樣率變換模塊(31)，由抽取和內(nèi)插倍數(shù)可程控的積分梳狀碼速率變換濾波器和有限頻率響應(yīng)抽取濾波器即FIR抽取濾波器級(jí)聯(lián)而成，同相支路采樣率變換模塊(21)和正交支路采樣率變換模塊(31)的輸出分別進(jìn)入結(jié)構(gòu)相同的同相支路FIR低通濾波器(22)和正交支路FIR低通濾波器(32)；同相支路FIR低通濾波器(22)和正交支路FIR低通濾波器(32)使用FIR濾波器，低通濾波后的結(jié)果進(jìn)入數(shù)字AGC模塊(41)，數(shù)字AGC模塊(41)的輸出的兩路信號(hào)作為載波同步模塊(12)的輸入；
所述的載波同步模塊包括復(fù)數(shù)乘法器(50)、硬限幅器(51)、載波同步模塊乘法器(52)、載波同步模塊環(huán)路濾波器(53)和載波同步模塊NCO(54)；復(fù)數(shù)乘法器(50)輸出的實(shí)部即同相支路輸入到硬限幅器(51)進(jìn)行硬限幅，虛部即正交支路輸入到載波同步模塊乘法器(52)；硬限幅器(51)的輸出一方面輸入到載波同步模塊乘法器(52)進(jìn)行鑒相，另一方面作為載波同步模塊(12)輸出，輸出給位同步模塊(13)；載波同步模塊乘法器(52)，將同相支路信號(hào)硬限幅后的輸出和正交支路信號(hào)進(jìn)行相乘，載波同步模塊乘法器(52)的輸出接入載波同步模塊環(huán)路濾波器(53)；載波同步模塊環(huán)路濾波器(53)使用理想一階濾波器，由兩個(gè)支路直通支路和積分支路組成，直通支路只含有一個(gè)直通支路放大器(100)，積分支路包括積分支路放大器(110)、積分支路延時(shí)單元(112)和積分支路加法器(111)組成，輸入的信號(hào)通過(guò)積分支路的放大器放大后和經(jīng)過(guò)積分支路延時(shí)單元(112)延時(shí)后的結(jié)果，相加后一方面作為積分支路延時(shí)單元(112)的輸入，另一方面作為積分支路的輸出，和直通支路的輸出通過(guò)環(huán)路濾波器加法器(101)相加，兩個(gè)支路相加后的結(jié)果作為載波同步模塊環(huán)路濾波器(53)的輸出，載波同步模塊環(huán)路濾波器(53)的輸出作為載波同步模塊NCO(54)的輸入；載波同步模塊環(huán)路濾波器(53)的輸出作為載波同步模塊NCO(54)調(diào)節(jié)端的輸入，輸出的跟蹤載波進(jìn)入復(fù)數(shù)乘法器(50)和輸入信號(hào)相乘；
所述的位同步模塊(13)，包括同相積分清零器(60)、中相積分清零器(70)、位同步模塊鑒相器(80)、位同步模塊環(huán)路濾波器(81)和位同步模塊NCO(82)；載波同步模塊(12)的輸出同時(shí)輸入給同相積分清零器(60)和中相積分清零器(70)，同相積分清零器(60)，輸出一方面作為位同步模塊鑒相器(80)的輸入，同時(shí)可以作為PCM數(shù)據(jù)輸出；中相積分清零器(70)的輸出作為位同步模塊鑒相器(80)的輸入；同相積分清零器(60)和中相積分清零器(70)輸出的積分結(jié)果進(jìn)入位同步模塊鑒相器(80)，位同步模塊鑒相器(80)的輸出作為位同步模塊環(huán)路濾波器(81)的輸入；位同步模塊環(huán)路濾波器(81)的結(jié)構(gòu)和載波同步模塊環(huán)路濾波器(53)的結(jié)構(gòu)完全相同，位同步模塊環(huán)路濾波器(81)的輸出作為位同步模塊NCO(82)的輸入；位同步模塊NCO(82)的輸出一方面作為跟蹤后的PCM時(shí)鐘輸出，另一方面作為同相積分清零器和中相積分清零器清零端的輸入。
專(zhuān)利摘要一種用于衛(wèi)星通信系統(tǒng)的超低碼速率PSK解調(diào)器，它由前端模數(shù)轉(zhuǎn)換A/D、數(shù)字下變頻模塊、載波同步模塊和位同步模塊組成；前端模數(shù)轉(zhuǎn)換A/D用現(xiàn)成產(chǎn)品，數(shù)字下變頻模塊、載波同步模塊和位同步模塊在FPGA中實(shí)現(xiàn)；其連結(jié)關(guān)系是前端模數(shù)轉(zhuǎn)換A/D的輸出連接到數(shù)字下變頻模塊，數(shù)字下變頻模塊的輸出連接到載波同步模塊、載波同步模塊的輸出連接到位同步模塊；信號(hào)走向是輸入的信號(hào)，經(jīng)過(guò)調(diào)理后進(jìn)入前端模數(shù)轉(zhuǎn)換A/D，前端模數(shù)轉(zhuǎn)換A/D采樣后的信號(hào)進(jìn)入數(shù)字下變頻模塊進(jìn)行處理，經(jīng)過(guò)數(shù)字下變頻模塊處理后的信號(hào)進(jìn)入載波同步模塊進(jìn)行載波同步處理，載波同步模塊處理后的信號(hào)進(jìn)入位同步模塊進(jìn)行位同步處理，位同步模塊處理后輸出的信號(hào)即為解調(diào)器的輸出；它有實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)H04L27/22GK201491030SQ200920110439
公開(kāi)日2010年5月26日 申請(qǐng)日期2009年7月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月27日
發(fā)明者馮文全, 劉蘇瀟, 朱楠, 劉曦, 趙琦, 尹佳, 陸國(guó)雷, 孫樺, 官秀梅, 趙洪博 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)