CN110138470B - 一种usb测控应答机测音功率数字归一化***及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种USB测控应答机测音功率数字归一化***及方法，所述方法包括对接收信号进行低噪声放大、下变频、滤波、AGC放大或对数放大，并经过模数转换后进行输出；接收经过模数转换后的输出信号，实现主载波跟踪；对模数转换后的数据与所述主载波跟踪数据进行数字下变频处理，进行输出；对所述数字下变频处理的输出数据进行处理，以提取主测距音与次测距音；利用主载波锁频环积分清除结果对主测距音与次测距音进行实时功率估计；进行主测距音与次测距音的功率归一化处理。本发明实现简单，解决了USB测控应答机下行调制度在大小信号下的稳定性问题，同时避免了模拟测音滤波器群时延不一致导致的测距解模糊问题。

Description

一种USB测控应答机测音功率数字归一化***及方法
技术领域
本发明涉及一种USB测控应答机测音功率数字归一化***及方法。
背景技术
S频段统一载波***(USB)应用于国际上大多数卫星测控任务，能够为星地提供通信信道并完成卫星测定轨。USB测控***采用多测音实现距离模糊度解算，通过收发测音相位延时测量计算测控站与卫星之间的径向距离。USB测控应答机是安装在卫星上的信号转发设备，通过测音接收和转发配合测控站完成距离测量。USB测控应答机需要完成测音解调与功率归一化后，按照约定的测音调制度要求对下行载波进行相位调制。
传统的USB测控应答机一般使用两种方法实现测音解调与功率归一化，方法一是采用模拟电路实现载波跟踪与测音解调，并利用模拟自动增益控制(AGC)电路实现功率归一化，测距音不经过滤波，直接调制至下行载波信号形成下行信号。方法一因为未滤除遥控副载波，将影响下行信道功率分配，造成功率浪费，同时，因为主次测音未分开，上下行调制度相互关联，无法独立进行设计。方法二是在方法一的基础上，增加两路模拟滤波器，对主、次测音分别进行滤波，这样可以实现上下性调制度的独立配置，同时，避免了遥控测音对下行功率的浪费。但因为两路模拟滤波器的群时延特性存在差异，将影响主次测音的相位线性度，进而影响地面测控站的距离解算，甚至造成距离解模糊出错。此外，上述两种方法仅采用模拟自动增益控制(AGC)电路实现上行信号功率归一化，因受模拟滤波器带宽与放大器增益的双重限制，AGC电路的动态范围有限，当上行接收信号较小时，AGC电路输出功率中噪声功率占比较大，导致下行测距测音调制度降低，影响测控***的作用距离。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供一种USB测控应答机测音功率数字归一化方法，解决传统模拟功率归一化方法中存在的调制功率损失和小信号输入时的调制度误差，避免了测音相位线性度的恶化，有利于地面测控站进行距离模糊度解算。
有鉴于此，本发明提供的技术方案是：一种USB测控应答机测音功率数字归一化***，其特征在于，包括：
USB测控应答机接收机子***，用于实现接收信号的低噪声放大、下变频、滤波、AGC放大或对数放大，并经过模数转换后进行输出；
数字锁频锁相环，用于接收经过模数转换后的输出信号，实现主载波跟踪；
数字下变频单元，用于对模数转换后的数据与所述主载波跟踪数据进行数字下变频处理，进行输出；
提取单元，用于对所述数字下变频单元的输出进行处理，以提取主测距音与次测距音；
估计单元，用于利用主载波锁频环积分清除结果对主测距音与次测距音进行实时功率估计；
输出单元，用于进行主测距音与次测距音的功率归一化处理。
进一步地，所述USB测控应答机接收机子***，包括：射频滤波器、低噪声放大器、混频器、本振频率源、中频滤波器、AGC放大器或对数放大器、模数转换器、复杂可编程逻辑器件；射频滤波器与低噪声放大器连接，混频器与低噪声放大器、本振频率源、中频滤波器连接，中频滤波器与AGC放大器或对数放大器连接，模数转换器一端与放大器连接，另一端与复杂可编程逻辑器件连接。
进一步地，所述数字锁频锁相环由相互连接的锁频环数字控制振荡器、两个乘法器、两个积分清除单元、频率鉴别器、锁频环环路滤波器、相位鉴别器、锁相环数字控制振动器、锁相环环路滤波器、频率字加法器、载波跟踪数字控制振荡器以及测音解调模块组成。
进一步地，所述提取单元采用两个不同中心频率、相同阶数的FIR滤波器分别进行主测距音与次测距音的提取。
进一步地，所述数字下变频单元还连接低通滤波器。
本发明的另一目的还在于提供一种USB测控应答机测音功率数字归一化方法，其特征在于，包括：
对接收信号进行低噪声放大、下变频、滤波、AGC放大或对数放大，并经过模数转换后进行输出；
接收经过模数转换后的输出信号，实现主载波跟踪；
对模数转换后的数据与所述主载波跟踪数据进行数字下变频处理，进行输出；
对所述数字下变频处理的输出数据进行处理，以提取主测距音与次测距音；
利用主载波锁频环积分清除结果对主测距音与次测距音进行实时功率估计；
进行主测距音与次测距音的功率归一化处理。
本发明实现了以下显著的有益效果：
实现简单，包括：USB测控应答机接收机子***、数字锁频锁相环、数字下变频单元、提取单元、估计单元与输出单元，采用数字锁频锁相环完成载波频率跟踪，并利用锁频环积分清除数据完成了载波功率估计，完成了测音功率归一化处理，同时，使用相同阶数的FIR滤波器分别对主测距音与次测距音进行数字滤波，最大限度的减小了上行遥控测音与噪声对测音调制度的影响，同时保证了主测音与次测音的群时延一致性。解决了USB测控应答机下行调制度在大小信号下的稳定性问题，同时避免了模拟测音滤波器群时延不一致导致的测距解模糊问题。
附图说明
图1为本发明的USB测控应答机接收机硬件***组成结构示意图；
图2为本发明的数字锁频锁相环的结构示意图；
图3为本发明的USB测控应答机测音功率数字归一化方法流程图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图均采用非常简化的形式且均适用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
需要说明的是，为了清楚地说明本发明的内容，本发明特举多个实施例以进一步阐释本发明的不同实现方式，其中，该多个实施例是列举式而非穷举式。此外，为了说明的简洁，前实施例中已提及的内容往往在后实施例中予以省略，因此，后实施例中未提及的内容可相应参考前实施例。
虽然该发明可以以多种形式的修改和替换来扩展，说明书中也列出了一些具体的实施图例并进行详细阐述。应当理解的是，发明者的出发点不是将该发明限于所阐述的特定实施例，正相反，发明者的出发点在于保护所有给予由本权利声明定义的精神或范围内进行的改进、等效替换和修改。同样的元器件号码可能被用于所有附图以代表相同的或类似的部分。
请参照图1与图2，本发明的一种USB测控应答机测音功率数字归一化***，包括：USB测控应答机接收机子***，用于实现接收信号的低噪声放大、下变频、滤波、AGC放大或对数放大，并经过模数转换后进行输出；数字锁频锁相环，用于接收经过模数转换后的输出信号，实现主载波跟踪；数字下变频单元，用于对模数转换后的数据与所述主载波跟踪数据进行数字下变频处理，进行输出；提取单元，用于对所述数字下变频单元的输出进行处理，以提取主测距音与次测距音；估计单元，用于利用主载波锁频环积分清除结果对主测距音与次测距音进行实时功率估计；输出单元，用于进行主测距音与次测距音的功率归一化处理。
优选地，所述USB测控应答机接收机子***，包括：射频滤波器、低噪声放大器、混频器、本振频率源、中频滤波器、AGC放大器或对数放大器、模数转换器、复杂可编程逻辑器件；射频滤波器与低噪声放大器连接，混频器与低噪声放大器、本振频率源、中频滤波器连接，中频滤波器与AGC放大器或对数放大器连接，模数转换器一端与放大器连接，另一端与复杂可编程逻辑器件连接。
优选地，所述数字锁频锁相环由相互连接的锁频环数字控制振荡器、两个乘法器、两个积分清除单元、频率鉴别器、锁频环环路滤波器、相位鉴别器、锁相环数字控制振动器、锁相环环路滤波器、频率字加法器、载波跟踪数字控制振荡器以及测音解调模块组成。
优选地，所述提取单元采用两个不同中心频率、相同阶数的FIR滤波器分别进行主测距音与次测距音的提取。
优选地，所述数字下变频单元还连接低通滤波器。
请参照图3，本发明的另一目的还在于提供一种USB测控应答机测音功率数字归一化方法，其特征在于，包括：
步骤S1，对接收信号进行低噪声放大、下变频、滤波、AGC放大或对数放大，并经过模数转换后进行输出；
步骤S2，接收经过模数转换后的输出信号，实现主载波跟踪；
步骤S3，对模数转换后的数据与所述主载波跟踪数据进行数字下变频处理，进行输出；
步骤S4，对所述数字下变频处理的输出数据进行处理，以提取主测距音与次测距音；
步骤S5，利用主载波锁频环积分清除结果对主测距音与次测距音进行实时功率估计；
步骤S6，进行主测距音与次测距音的功率归一化处理。
本发明的一种USB测控应答机测音功率数字归一化方法的具体步骤为：
第一步 搭建USB测控应答机接收机***
USB测控应答机接收机***，包括：射频滤波器1、低噪声放大器2、混频器3、本振频率源8、中频滤波器4、AGC放大器或对数放大器5、模数转换器6、复杂可编程逻辑器件7；射频滤波器1与低噪声放大器2连接，混频器3与低噪声放大器2、本振频率源8、中频滤波器4连接，中频滤波器4与AGC放大器或对数放大器5连接，模数转换器6一端与AGC放大器或对数放大器5连接，另一端与复杂可编程逻辑器件7连接。
上行输入信号完成下变频、滤波、放大后，完成模拟信号到数字信号的变换，将中频数字信号交由复杂可编程逻辑器件7进行数字信号处理。
第二步 数字锁频锁相环实现载波跟踪
使用锁频锁相环实现载波跟踪，锁频锁相环由锁频环数字控制振荡器7、乘法器1、乘法器2、积分清除单元3、积分清除单元4、频率鉴别器5、锁频环环路滤波器6、相位鉴别器8、锁相环数字控制振动器9、锁相环环路滤波器10、频率字加法器11、载波跟踪数字控制振荡器12以及测音解调模块13组成。
第三步 DDC实现测音解调
模数转换器采集的数据与载波跟踪数字控制振荡器输出数据进行数字下变频(DDC)处理，处理结果通过低通滤波器进行滤波提取低频分量，测音解调后的信号rQ(n)的数学表达式如下：
Figure GDA0003000532120000071
其中：
Pr为接收信号功率，n为数据流位号；
mR1为上行主测距音调制度，wR1为上行主测距音频率，
Figure GDA0003000532120000072
为上行主测距音初相；
mR2为上行次测距音调制度，wR2为上行次测距音频率，
Figure GDA0003000532120000073
为上行次测距音初相；
mT为遥控音调制度，dT(n)为遥控数据，wT为遥控音频率，
Figure GDA0003000532120000074
为遥控音初相；
J0为零阶贝塞尔函数，J1为一阶贝塞尔函数。
第四步 FIR滤波器完成测距音提取
使用两个不同中心频率、相同阶数的FIR带通滤波器分别完成主测距音与次测距音的滤波。
滤波后的主测距音信号r1(n)的数学表达式为：
Figure GDA0003000532120000081
滤波后的次测距音信号r2(n)的数学表达式为：
Figure GDA0003000532120000082
第五步 利用主载波锁频环积分清除结果完成实时功率估计
根据主载波积分清除后的同相支路信号rImain(n)与正交支路信号rQmain(n)的数学表达式为：
Figure GDA0003000532120000083
Figure GDA0003000532120000084
计算主载波接收信号功率Power_main，计算公式如下：
Figure GDA0003000532120000085
第六步 完成测距音功率归一化处理
计算归一化后的主测距音信号rt1(n)及次测距音信号rt2(n)，计算公式如下：
Figure GDA0003000532120000086
Figure GDA0003000532120000087
步骤S1具体为使用模拟电路实现接收信号的低噪声放大、下变频、滤波、AGC放大或对数放大，并经过模数转换器后输出至复杂可编程器件。模拟电路将输入信号转换为复杂可编程器件能够处理的数字信号，同时，消除了输入信号幅度的大部分动态。
步骤S2中采用数字锁频锁相环实现主载波跟踪，锁频环通过积分清除降低了数据处理速率，锁相环进步一提高了主载波跟踪精度。
步骤S4所述主测距音滤波器与次测音滤波器采用阶数相同的FIR滤波器，主测距音与次测距音经过滤波器的时延相同，不会引起主测距音与次测距音相位关系的变化，有利于地面测控站进行距离模糊解算。
步骤S5利用锁频环积分清除结果进行实时功率估计，锁频环积分清除结果保留了输出信号功率特征，数据速率低，有利于节约资源。
本发明实现了以下显著的有益效果：
实现简单，包括：USB测控应答机接收机子***、数字锁频锁相环、数字下变频单元、提取单元、估计单元与输出单元，采用数字锁频锁相环完成载波频率跟踪，并利用锁频环积分清除数据完成了载波功率估计，完成了测音功率归一化处理，同时，使用相同阶数的FIR滤波器分别对主测距音与次测距音进行数字滤波，最大限度的减小了上行遥控测音与噪声对测音调制度的影响，同时保证了主测音与次测音的群时延一致性。解决了USB测控应答机下行调制度在大小信号下的稳定性问题，同时避免了模拟测音滤波器群时延不一致导致的测距解模糊问题。
根据本发明技术方案和构思，还可以有其他任何合适的改动。对于本领域普通技术人员来说，所有这些替换、调整和改进都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种USB测控应答机测音功率数字归一化***，其特征在于，包括：
USB测控应答机接收机子***，用于实现接收信号的低噪声放大、下变频、滤波、AGC放大或对数放大，并经过模数转换后进行输出；
数字锁频锁相环，用于接收经过模数转换后的输出信号，实现主载波跟踪；
数字下变频单元，用于对模数转换后的数据与主载波跟踪数据进行数字下变频处理，进行输出；
提取单元，用于对所述数字下变频单元的输出进行处理，以提取主测距音与次测距音；使用两个不同中心频率、相同阶数的FIR带通滤波器分别完成主测距音与次测距音的滤波，
滤波后的主测距音信号r1(n)的数学表达式为：
Figure FDA0003028547540000011
滤波后的次测距音信号r2(n)的数学表达式为：
Figure FDA0003028547540000012
其中：
Pr为接收信号功率，n为数据流位号；
mR1为上行主测距音调制度，wR1为上行主测距音频率，
Figure FDA0003028547540000013
为上行主测距音初相；
mR2为上行次测距音调制度，wR2为上行次测距音频率，
Figure FDA0003028547540000014
为上行次测距音初相；
mT为遥控音调制度，
Figure FDA0003028547540000015
为遥控音初相；
J0为零阶贝塞尔函数，J1为一阶贝塞尔函数；
估计单元，用于利用主载波锁频环积分清除结果对主测距音与次测距音进行实时功率估计；
输出单元，用于进行主测距音与次测距音的功率归一化处理。
2.根据权利要求1所述的USB测控应答机测音功率数字归一化***，其特征在于，所述USB测控应答机接收机子***，包括：射频滤波器、低噪声放大器、混频器、本振频率源、中频滤波器、AGC放大器或对数放大器、模数转换器、复杂可编程逻辑器件；射频滤波器与低噪声放大器连接，混频器与低噪声放大器、本振频率源、中频滤波器连接，中频滤波器与AGC放大器或对数放大器连接，模数转换器一端与放大器连接，另一端与复杂可编程逻辑器件连接。
3.根据权利要求2所述的USB测控应答机测音功率数字归一化***，其特征在于，所述数字锁频锁相环由相互连接的锁频环数字控制振荡器、两个乘法器、两个积分清除单元、频率鉴别器、锁频环环路滤波器、相位鉴别器、锁相环数字控制振动器、锁相环环路滤波器、频率字加法器、载波跟踪数字控制振荡器以及测音解调模块组成。
4.根据权利要求3所述的USB测控应答机测音功率数字归一化***，其特征在于，所述提取单元采用两个不同中心频率、相同阶数的FIR滤波器分别进行主测距音与次测距音的提取。
5.根据权利要求1所述的USB测控应答机测音功率数字归一化***，其特征在于，所述数字下变频单元还连接低通滤波器。
6.一种USB测控应答机测音功率数字归一化方法，其特征在于，包括：
对接收信号进行低噪声放大、下变频、滤波、AGC放大或对数放大，并经过模数转换后进行输出；
接收经过模数转换后的输出信号，实现主载波跟踪；
对模数转换后的数据与主载波跟踪数据进行数字下变频处理，进行输出；
对所述数字下变频处理的输出数据进行处理，以提取主测距音与次测距音，使用两个不同中心频率、相同阶数的FIR带通滤波器分别完成主测距音与次测距音的滤波，
滤波后的主测距音信号r1(n)的数学表达式为：
Figure FDA0003028547540000031
滤波后的次测距音信号r2(n)的数学表达式为：
Figure FDA0003028547540000032
其中：
Pr为接收信号功率，n为数据流位号；
mR1为上行主测距音调制度，wR1为上行主测距音频率，
Figure FDA0003028547540000033
为上行主测距音初相；
mR2为上行次测距音调制度，wR2为上行次测距音频率，
Figure FDA0003028547540000034
为上行次测距音初相；
mT为遥控音调制度，
Figure FDA0003028547540000041
为遥控音初相；
J0为零阶贝塞尔函数，J1为一阶贝塞尔函数；
利用主载波锁频环积分清除结果对主测距音与次测距音进行实时功率估计；
进行主测距音与次测距音的功率归一化处理。
7.根据权利要求6所述的USB测控应答机测音功率数字归一化方法，其特征在于，所述数字下变频处理后的信号rQ(n)采用算法：
Figure FDA0003028547540000042
其中：
Pr为接收信号功率，n为数据流位号；
mR1为上行主测距音调制度，wR1为上行主测距音频率，
Figure FDA0003028547540000043
为上行主测距音初相；
mR2为上行次测距音调制度，wR2为上行次测距音频率，
Figure FDA0003028547540000044
为上行次测距音初相；
mT为遥控音调制度，dT(n)为遥控数据，wT为遥控音频率，
Figure FDA0003028547540000045
为遥控音初相；
J0为零阶贝塞尔函数，J1为一阶贝塞尔函数。
8.根据权利要求6所述的USB测控应答机测音功率数字归一化方法，其特征在于，所述主测距音信号rt1(n)及次测距音信号rt2(n)功率归一化计算采用算法：
Figure FDA0003028547540000051
Figure FDA0003028547540000052
其中，Power_main为功率估计值；
mR1为上行主测距音调制度，mR2为上行次测距音调制度；
r1(n)为从输入信号中提取的主测距音信号，r2(n)从输入信号中提取的次测距音信号；
J0为零阶贝塞尔函数，J1为一阶贝塞尔函数。
9.根据权利要求6所述的USB测控应答机测音功率数字归一化方法，其特征在于，采用两个不同中心频率、相同阶数的FIR滤波器分别进行主测距音与次测距音的提取。
10.根据权利要求6所述的USB测控应答机测音功率数字归一化方法，其特征在于，所述功率估计根据主载波积分清除后的同相支路信号rImain(n)与正交支路信号rQmain(n)的数学表达式为：
Figure FDA0003028547540000053
Figure FDA0003028547540000054
计算主载波接收信号功率Power_main，计算公式如下：
Figure FDA0003028547540000061
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