一種FSK地面接收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)*

摘 要：設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一款針對(duì)接收探空儀發(fā)射信號(hào)的FSK調(diào)制信號(hào)的地面接收系統(tǒng)，該地面接收系統(tǒng)通過接收天線、低噪放、基帶解調(diào)板，實(shí)現(xiàn)探空儀FSK信號(hào)的頻率鎖定、位同步、幀同步最終解調(diào)的功能。該地面接收系統(tǒng)能在探空儀發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度+10～-120 dBm范圍內(nèi)對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，同時(shí)針對(duì)探空儀發(fā)射信號(hào)源存在相位抖動(dòng)的問題，能快速鎖定頻點(diǎn)范圍內(nèi)±250 kHz范圍的信號(hào)。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，該地面接收系統(tǒng)具備在200 km的斜距范圍內(nèi)接收探空儀發(fā)射3 dBm的信號(hào)，數(shù)據(jù)誤碼率≤1×10^-5。

關(guān)鍵詞：FSK；探空儀；信號(hào)解調(diào)；地面接收系統(tǒng)

*基金項(xiàng)目：廣東省大灣區(qū)集成電路與系統(tǒng)應(yīng)用高水平創(chuàng)新研究院建設(shè)，項(xiàng)目編號(hào)2019B090909006；

廣東省 大灣區(qū)集成電路與系統(tǒng)應(yīng)用研究院高水平新型研發(fā)機(jī)構(gòu)建設(shè)，項(xiàng)目編號(hào)2019B090904015；

基于2X納米及以下 FDSOI 技術(shù)的先導(dǎo)工藝研究及低功耗物聯(lián)網(wǎng)特色引導(dǎo)芯片研發(fā)，項(xiàng)目編號(hào)2021B0101280002；

基于FDSOI工藝的物聯(lián)網(wǎng)智能感知與嵌入式存儲(chǔ)電路的核心技術(shù)研究，項(xiàng)目編號(hào)202103020001。

目前，高空氣象探測(cè)主要使用探空儀發(fā)射 FSK 信號(hào)進(jìn)行信息傳輸。探空儀作為信號(hào)發(fā)射源（以下簡(jiǎn)稱為信號(hào)源），發(fā)射的頻率范圍為 400 ～ 406 MHz，調(diào)制方 式為頻移鍵控 (frequency-shift keying, FSK)，該調(diào)制方式具有抗干擾能力強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)、低碼速率等特點(diǎn)，廣泛運(yùn)用在遠(yuǎn)距離傳輸 ^[1]。探空儀與地面接收系統(tǒng)之間 的距離為 10 m ～ 200 km，探空儀的發(fā)射源的發(fā)射功率在 200 mW±20 mW, 這就對(duì)地面接收系統(tǒng)具有高靈敏度和大動(dòng)態(tài)范圍的要求。同時(shí)，由于各個(gè)廠商之間的探 空儀之間存在比較大的頻偏，所以就需要地面接收系統(tǒng)在所接收頻點(diǎn) ±250 kHz 的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)快速鎖定解碼的功能。這就對(duì)地面接收系統(tǒng)整體性能提出很高的要求。

目前，針對(duì)探空儀地面接收系統(tǒng)有幾種方案設(shè)計(jì)，一種是使用專用的 ASIC 芯片進(jìn)行對(duì) FSK 地面接收系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，該方案具有可擴(kuò)展性低、不易改變和靈活性差等缺點(diǎn) ^[2]；另一種是使用非相干解調(diào)方法對(duì) FSK 進(jìn)行解調(diào) ^[3]，這種方案靈敏度達(dá)不到要求。

本FSK地面接收系統(tǒng)從功能及性能上進(jìn)行綜合考慮，通過天線、下變頻和基帶解調(diào)板實(shí)現(xiàn)高靈敏度、大動(dòng)態(tài)范圍以及 ±250 kHz 頻偏范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn) FSK 接收。其中，基帶解調(diào)板使用 FPGA 進(jìn)行算法設(shè)計(jì)，這樣有效提高了開發(fā)效率和系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求，便于將來功能拓展及二次開發(fā)。

本文根據(jù)信號(hào)源的無線信號(hào)發(fā)射特性，經(jīng)過對(duì)信號(hào)鏈路的詳盡預(yù)算，對(duì)地面接收系統(tǒng)進(jìn)行整體設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)

本地面接收系統(tǒng)即要求信號(hào)源的信號(hào)強(qiáng)度在 +10 dBm 的情況下系統(tǒng)能正常解調(diào)，也要求在信號(hào)源與地面接收系統(tǒng)直線距離≥ 200 km 時(shí)，接收到數(shù)據(jù)的誤 碼率≤ 1×10^-5。通過計(jì)算信號(hào)源與地面接收系統(tǒng)距離 200 km 時(shí)的系統(tǒng)鏈路預(yù)算（如表 1 所示），計(jì)算出系統(tǒng)的靈敏度需要達(dá)到 -120 dBm 才能滿足要求。于是系統(tǒng)硬件根據(jù)指標(biāo)計(jì)算由天線及低噪放、下變頻和基帶解調(diào)板 3 部分組成（如圖 1 所示）。

                    圖1 硬件設(shè)計(jì)框圖

1.1 天線及低噪放

由于地面接收系統(tǒng)在遠(yuǎn)距離接收探空儀信號(hào)時(shí)，需要使用低噪放放大信號(hào)。低噪放的增益滿足在信號(hào)源大增益環(huán)境下，基帶解調(diào)板上的 ADC 不至于飽和造成性能下降無法解調(diào)的現(xiàn)象；同時(shí)在微弱信號(hào)情況下，將小信號(hào)放大，保證噪聲控制，提高基帶解調(diào)板的接收靈敏度。本系統(tǒng)低噪放的增益為 40 dB，噪聲系數(shù)≤ 1，帶內(nèi)平坦度 ±0.5 dB。這樣，從天線接收到的信號(hào)在 +10 ～ -120 dBm 范圍內(nèi)的信號(hào)，經(jīng)過低噪放后輸出給下變頻的信號(hào)強(qiáng)度為 +20 ～ -80 dBm。

1.2 下變頻

下變頻通過模擬濾波、混頻和放大，將探空儀信號(hào)頻率轉(zhuǎn)換至 70 MHz 中頻，本系統(tǒng)的本振采用低本振方案（330 ～ 336）MHz。同時(shí)將低噪放放大的信號(hào)經(jīng)過濾波、數(shù)控衰減器及放大器輸出一個(gè)穩(wěn)定的中頻信號(hào)傳輸至軟件無線電平臺(tái)，方便 FPGA 進(jìn)行解調(diào)算法。下變頻的主要技術(shù)指標(biāo)如下：

a）中頻輸出帶寬：1 MHz；

b）小信號(hào)增益：≥ -50 dB；

c）鏡頻抑制：≥ 60 dBc；

d）動(dòng)態(tài)范圍：≥ 75 dB。

1.3 基帶解調(diào)板

基帶解調(diào)板負(fù)責(zé)處理中頻傳來的信號(hào)，特別是在低信噪比情況下的微弱信號(hào)，為了最大限度地保證能夠完成解調(diào)降低誤碼，本系統(tǒng)采用精度 16 位、采樣率為 160 MHz 的 AD 轉(zhuǎn)換芯片 ADC16DV160，在輸入信號(hào) 30 MHz 時(shí)的 SNR 為 78 dBFS, 輸入信號(hào) 97 MHz 時(shí) SNR 仍有 76 dBS，這就保證了基帶解調(diào)板在低信噪比情況下能解調(diào)信號(hào)。為了保證采樣時(shí)鐘信號(hào)在-40 ℃～85 ℃ 范圍內(nèi)相位噪聲與抖動(dòng)保持穩(wěn)定，系統(tǒng)采用溫補(bǔ)晶振提供采樣時(shí)鐘信號(hào)。

根據(jù)帶通采樣原理，本系統(tǒng)采用 100 MHz 采樣時(shí)鐘信號(hào)對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行欠采樣，通過時(shí)鐘芯片將采樣信號(hào)送至 FPGA 進(jìn)行算法解調(diào)。并將解調(diào)數(shù)據(jù)通過串口傳給上位機(jī)進(jìn)行顯示。

2 基帶解調(diào)板解調(diào)算法設(shè)計(jì)

2.1 信號(hào)源信號(hào)特性

FSK 類信號(hào)，可以表示為：

2.2 基帶解調(diào)算法設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)基帶算法分為 4 個(gè)模塊，分別為：數(shù)字 AGC 模塊、掃頻檢測(cè)模塊、解調(diào)解碼模塊和系統(tǒng)控制模塊四個(gè)程序模塊實(shí)現(xiàn)。其中，數(shù)字 AGC 模塊主要用于調(diào)整輸入中頻信號(hào)功率，保證后續(xù)處理的精度；掃頻檢測(cè)模塊負(fù)責(zé)在信號(hào)源頻點(diǎn)±250 kHz帶寬中找到信號(hào)，并且補(bǔ)償頻偏；基帶信號(hào)處理模塊對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行解調(diào)和解碼，恢復(fù)出二進(jìn)制數(shù)據(jù)流；系統(tǒng)控制模塊用于各模塊的參數(shù)配置，狀態(tài)監(jiān)控以及數(shù)據(jù)流程控制。通過有效的算法設(shè)計(jì)，不僅在功能和性能上滿足了系統(tǒng)要求，并且占用 FPGA 資源少，降低了系統(tǒng)的硬件成本。其算法結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。

圖3 解調(diào)算法結(jié)構(gòu)框圖

2.3 數(shù)字AGC模塊

數(shù)字 AGC 模塊主要用于調(diào)整輸入中頻信號(hào)功率，保證后續(xù)信號(hào)處理的精度 ^[4]。AGC 檢測(cè)下變頻頻點(diǎn) 70 MHz±250 kHz 有效帶寬信號(hào)的功率，并與參考功率作比較，并根據(jù)比較結(jié)果調(diào)整可變放大器（衰減器）的增益，輸出的增益值應(yīng)維持在一個(gè)穩(wěn)定的值。特別是在信號(hào)源輸入微弱信號(hào)的時(shí)候，由下變頻進(jìn)入基帶解調(diào)板的信號(hào)平均幅度相對(duì)較小，所以需要用 AGC 將增益調(diào)大；若信號(hào)源輸入信號(hào)較大時(shí)，又需要增益值迅速減小，以免造成器件的損壞。

數(shù)字 AGC 算法的增益值計(jì)算公式為：

2.4 掃頻檢測(cè)模塊

2.4.1 第1級(jí)數(shù)字下變頻

信號(hào)通過 DDS 頻率合成器進(jìn)行正交下變頻，然后經(jīng)過積分梳狀 CIC 濾波器、半帶濾波器和低通濾波器將采樣率作50倍抽取，變成2 MHz采樣率的復(fù)基帶信號(hào)^[5]。

2.4.2 掃頻檢測(cè)

圖5 掃頻信號(hào)流程

圖 6 所示為 FSK 信號(hào)的功率譜，只需要檢測(cè)到 FSK 信號(hào)能量最大的位置，然后在這個(gè)位置的左右兩邊間隔帶寬位置附近搜索第 2 高的信號(hào)能量。這樣兩個(gè)能量位置的中間點(diǎn)即為FSK信號(hào)的頻點(diǎn)。該算法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、鎖頻速度快、效率高、穩(wěn)定性高 ^[6]。

圖6 FSK信號(hào)功率譜

2.5 解調(diào)解碼模塊

2.5.1 第2級(jí)數(shù)字下變頻

第 2 級(jí)數(shù)字下變頻提取出調(diào)制信號(hào)，并進(jìn)一步減少信號(hào)采樣率，該采樣率只要大于 8 倍碼元速率即可。

2.5.2 FSK信號(hào)解調(diào)

如圖 7 所示，2FSK 信號(hào)誤碼率要求 1×10^-5 的情況下。采用相干和非相干算法的理論解調(diào)可以看出，相干解調(diào)算法優(yōu)于非相干解調(diào)算法 3 dB 以上。所以本系統(tǒng)采用相干解調(diào)算法。

圖7 不同解調(diào)方式誤碼率對(duì)比

對(duì)于相干解調(diào)算法，其原理框圖如圖所示。解調(diào)器采用自動(dòng)頻率跟蹤環(huán) AFC 完成頻偏跟蹤，采用基于 Gardner 算法的時(shí)鐘環(huán)路完成時(shí)鐘頻率跟蹤 ^[7]。解調(diào)器的主要特點(diǎn)如下：

a）輸入采樣率大于 8 倍采樣即可；

b）AFC 的跟蹤范圍為：

c）一階時(shí)鐘環(huán)可捕獲并跟蹤的發(fā)射與接收機(jī)之間的時(shí)鐘偏差為 ±500?10^?6 μs 。

圖8 相干解調(diào)器原理框圖

基于VHDL程序進(jìn)行仿真，輸入信號(hào)基本情況如下：調(diào)制方式為 2FSK，SNR 為 18 dB，相對(duì)于碼元速率的歸一化頻偏為 1。圖 10 和圖 11 分別為時(shí)鐘環(huán)和 AFC 的收斂曲線。

圖9 時(shí)鐘環(huán)收斂曲線

圖10 載波環(huán)收斂曲線

2.5.3 幀同步與解碼

由于信號(hào)源采用了 Bi-L 編碼，因此解碼之前需要確認(rèn)編碼起始位置。本系統(tǒng)采用了搜索獨(dú)特碼位置，根據(jù)信號(hào)源發(fā)送數(shù)據(jù)的固定碼元，每隔固定碼元后將出現(xiàn)一組獨(dú)特碼型，如果連續(xù)檢測(cè)到間隔為固定碼元的疑似獨(dú)特碼型，則確認(rèn)為幀同步，完成解碼 ^[8]。

幀同步模塊同時(shí)可以監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作是否正常，若發(fā)射源信號(hào)消失、解調(diào)失鎖都會(huì)導(dǎo)致異常，即會(huì)監(jiān)測(cè)不到均勻間隔的連續(xù)獨(dú)特碼型的情況，此時(shí)通知系統(tǒng)控制模塊對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位操作。

2.6 系統(tǒng)控制模塊

系統(tǒng)控制模塊主要完成參數(shù)配置，根據(jù)發(fā)射源信號(hào)的實(shí)際情況通過 RS232 反饋至上位機(jī)。

3 系統(tǒng)測(cè)試

通過信號(hào)源與地面接收系統(tǒng)用射頻線直連，發(fā)射 FSK 信號(hào)。當(dāng)信號(hào)源發(fā)送分別發(fā)送 +10 ～ -120 dBm 信號(hào)的時(shí)候，地面接收系統(tǒng)能夠很快鎖定信號(hào)，并解調(diào)數(shù)據(jù)，誤碼率≤ 1×10^-5。當(dāng)發(fā)送的頻點(diǎn)發(fā)生偏移時(shí)，在范圍 ±250 kHz 范圍內(nèi)能正常解調(diào)，不影響接收。

在實(shí)際測(cè)試過程中，信號(hào)源發(fā)射頻率為 403 MHz，頻偏 16 kHz，距離地面接收系統(tǒng)的斜距≥ 250 km，地面接收系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)的有效率≥ 95%。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種高性能通信信號(hào)地面接收系統(tǒng)，針對(duì)信號(hào)源信號(hào)速率低、頻偏大的特點(diǎn)，基于 FPGA 解決了低速信號(hào)高精度檢測(cè)的難題。特別是面對(duì)微弱信號(hào)，信噪比處于解調(diào)臨界值的時(shí)候，通過對(duì)解調(diào)算法的處理，減少了系統(tǒng)的誤碼率。本系統(tǒng)采用軟件無線電通用平臺(tái)處理解調(diào)算法，可編程性強(qiáng)，研發(fā)成本低等優(yōu)點(diǎn)。

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(注：本文轉(zhuǎn)載自《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年11月期)