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1、目 录摘要IAbstractII第一章 绪论11.1 研究背景11.2 国内外应答机研究的发展历史及现状21.3星用扩频应答机的功能与工作原理31.3.1 功能31.3.2 工作原理31.4 现场可编程门阵列（FPGA）技术31.4.1 FPGA技术概述31.4.2 FPGA的基本结构51.4.3 FPGA的开发流程61.5 论文内容安排71.6 本人所做工作及成果8第二章 软件无线电在系统中的应用92.1 软件无线电的基本理论92.1.1 软件无线电的概念92.1.2 软件无线电的结构92.1.3 软件无线电的发展状况122.2 软件无线电思想在系统设计中的应用122.3 本章小结14第三章
2、 扩频应答机前向链路的设计153.1 前向链路简介153.2 数字下变频器设计153.2.1 正交下变频原理及其全数字化的性能153.2.2 数字下变频器的FPGA实现173.3 多路并行扩频短码快速捕获方案203.3.1 概述203.3.2 短码捕获原理203.3.3 实现方案213.3.4 捕获性能分析233.4 扩频码跟踪243.4.1 扩频码跟踪原理253.4.2 扩频码跟踪算法实现263.5 复合软环的载波捕获与跟踪273.5.1 载波恢复介绍273.5.2 鉴频算法283.5.3 残余频差相差补偿算法293.5.4 算法实现303.6 符号判决323.7 长码测距同步333.7.1
3、 伪码测距简介333.7.2 倍周期/倍速率引导原理333.7.3 捕获时间分析353.7.4 算法实现353.8 本章小结38第四章 扩频应答机返向链路设计394.1 返向链路简介394.2 遥测数据接收与编码394.2.1 RS编码与复杂度分析394.2.2 卷积编码与复杂度分析404.3 基带信号扩频调制414.4 射频信号生成424.5 本章小结43第五章 扩频接收系统仿真445.1短码快速捕获仿真445.2 短码跟踪仿真465.3 测距长码同步仿真475.4 载波恢复仿真485.5 本章小结49第六章 结束语50致谢52参考文献53作者硕士期间发表论文情况55图目录图1.1星用扩频接
4、收机功能框图4图1.2 FPGA的基本结构6图2.1理想软件无线电结构10图2.2 两种无线电体系结构比较11图2.3 射频低通采样数字化结构11图2.4 射频带通采样数字化结构11图2.5 宽带中频带通采样数字化结构11图2.6 解扩接收机功能框图13图3.1扩频接收系统结构框图16图3.2 正交下变频实现原理16图3.3数字下变频器原理图17图3.4 数字下变频流程18图3.5 下变频流水处理安排18图3.6 双端口只读存储器IP设计19图3.7 双通道低通滤波器IP设计19图3.8 PN码捕获原理图20图3.9 16位高速数字相关器结构图23图3.10 全时间超前滞后非相干跟踪环路25图
5、3.11 扩频接收机载波同步示意图27图3.12 复合环实现原理图28图3.13 载波恢复FPGA实现模块图30表3.1IP核设计滤波器的资源消耗30图3.14 相差的判决树31图3.15 符号判决流程32图3.16 倍周期/等速率长码与短码产生示意图36图3.17 倍周期/等速率快捕引导原理图37图3.18 测距长码多次逗留检测38图4.1 RS(255,223)编码器40图4.2 卷积编码器41图4.3扩频调制流程41图4.4 射频信号合成图42图4.5 DDS示意图43图5.1 扩频接收系统仿真流程44图5.2 最大相位改变次数与平均捕获时间的关系45图5.3 不同载噪比条件下的捕获时间
6、46图5.4 伪码跟踪结果图46图5.5 P=1024的短截码自相关函数47图5.6 载波跟踪仿真算法流程48图5.7 AFC调整的剩余频差49图5.8 正切逼近鉴相调整的剩余频差相差49表目录表3.1IP核设计滤波器的资源消耗30表5.1 N=(210-1)28长码的短截码的旁瓣统计特性47第iv页摘要我国目前航天测控体系采用统一载波体制，其传输有效性、抗干扰性、多路复用和多址通信能力都不能满足日益繁重的航天测控任务。直接序列扩频通信技术具有截获概率低、抗干扰性强、保密性高等优点，是一种有着优良电子对抗性能的通信方式。同时，伪码测距具有无模糊距离大、测量误差小、发射机效率高等优点，是深空测距
7、的主要方式。因此，我国航天测控体系转向统一扩频体制是必然的趋势。本文正是针对此趋势，展开星用扩频应答机的研究，以设计出通用性和灵活性都能满足要求的数字化应答机。现场可编程门阵列(FPGA)是一种适合实现软件无线电结构的数字信号处理器件。本文结合软件无线电思想，提出了基于中频采样数字化的扩频应答机接收方案，采用FPGA加DSP的系统结构实现了数字下变频器、伪码的快速捕获与跟踪、载波同步和跟踪、短码引导测距长码同步以及遥测信息卷积编码与RS编码等核心算法。在完整、高效的算法实现与适度的资源消耗是一对难以克服的矛盾。在研究过程中，结合器件结构与开发软件功能，对此问题做了有意义的探讨，并在两者之间取得
8、了令人满意的平衡。关键词：扩频应答机，软件无线电，伪码同步，载波恢复，伪码测距，现场可编程门阵第55页AbstractUnified Carrier Telemetering and Command System is made use of in spaceflight tasks now. However, its efficiency, anti-jamming ability and multiple-access ability cannot meet the demand of increasingly heavy spaceflight tasks. Meanwhile, Spr
9、ead-Spectrum technology has the ability of ensuring efficient data communication in the condition of powerful noise and low SNR, and is known as new communication method with low intercepting possibility, strong anti-jamming ability and high security. At the same time, PN code telemetering is the ma
10、in method in space telemetering with its various advantages. Thus, it is the inevitable trend that spaceflight telemetering and command system in our country will turn to unified spread-spectrum system. In this way, we have done some work on satellite-based spread-spectrum transponder to design one
11、sort of digital transponder, the universality and flexibility of which can satisfy the requirements.Field Programmable Gates Array(FPGA) is one of new digital processor which can be applicable in realizing software radio architecture. The thesis proposed one scheme of spread-spectrum receiver based
12、on IF sampling in light of software radio, and also the method of realizing such key algorithms, such as digital downconvertor, PN code synchronization, carrier recovery, very long telemeter PN code synchronization leaded by short PN code and so on, based on the architecture of FPGA plus DSP. Optimi
13、zation of hardware implementation in line with features of devices is also introduced.Keywords: Spread-Spectrum Transponder,Software Radio,Chip Synchronization,Carrier Recovery,PN Code Telemetering,FPGA第一章 绪论1.1 研究背景航天测控技术是航天技术的重要组成部分，是指对航天飞行目标进行测量和控制的综合技术。它包括的范围很广。在实际应用中，其主要内容由测控中心，测控站和专用通信网组成，是一个对
14、航天器进行跟踪、测量、控制的综合专用技术网络，包括跟踪、遥测、遥控、实时计算机处理、数据处理、监控显示和通信等方面。随着航天技术的发展,测控系统的任务从完成单一遥控功能向为整个航天器提供综合服务转变;遥控信息传输通道从国内地面站到航天器的单一途径向经由多国地面站、中继卫星的空间数据系统网的转变。卫星测控体制在战后大致经历了三个发展阶段,即分散测控体制、统一载波测控体制和统一扩频测控体制。分散测控体制中,遥测、遥控、多普勒测速定位(多站定位)、雷达测距测角定位(单站定位)、遥感图像传输各占一个频段，各用一套设备独立完成。这种体制明显的缺点是设备重复、效率低、浪费大、电磁兼容设计麻烦、操作维护困难
15、，特别是每一测控项目和图像传输都需要一套收、发信机和一套“天、伺、转”跟踪系统。统一载波测控体制就是对载波及其副载波进行角调制来实现各个测控项目信号的传输和测量。其主要特点是副载波采用频分复用技术，多个副载波复用信号再调制一个统一的载波，共用一套收发设备和跟踪系统，减少了运载器上电子设备的体积、重量和功耗，节省了频率资源。统一扩频测控体制中将遥控以及遥测数据都采用扩频传输。上行的遥控信息经过扩频调制发送给空间飞行器，扩频调制采用的扩频码又被称为上行测码，下行的遥测信息也进行扩频传输，可以使用与上行信号相同的扩频码，也可以使用不同的扩频码；地面站天线对航天器的跟踪测量无需航天器上发射跟踪载波，而是直接对宽带下信号进行宽带比相产生角误差信号完成跟踪测角。统一扩频测控体制具有扩频系统的一切优点，如抗干扰、信号隐蔽、便于实现CDMA多目标测控信号混合
