卫星接收信号的同步设计性实验开发与教学实践_周冬跃.pdf

ISSN 1006 7167CN 31 1707/TESEACH AND EXPLOATION IN LABOATOY第 42 卷 第 1 期Vol 42 No12023 年 1 月Jan 2023DOI:10 19927/j cnki syyt 2023 01 038卫星接收信号的同步设计性实验开发与教学实践周冬跃，刘汉瑞，陈丽，温坤华，林福民，杨伯文(广东工业大学 物理与光电工程学院，广州 510006)摘要:为了提升本科生创新实践能力，开发了一个设计性实验项目 卫星接收信号的同步。该教学实验包括基带信号同步技术验证的方案设计、现场可编程门阵列(FPGA)的实现及系统测试。实验对信号进行采样处理;利用快速傅里叶变换(FFT)进行载波的粗同步;将信号的频点牵引到同相正交环(Costas 环)的捕捉范围中，通过 Costas 环进行精细同步;采用超前滞后位同步技术的方法，实现码元同步;并对星基信号检测。教学实践表明，这种渐进式的设计性实验教学方式，可以激发学生的实验兴趣和创新意识，增强学生解决工程问题的能力，从而提高实验教学质量。关键词:卫星接收信号;同步;同相正交环;设计性实验;创新能力中图分类号:TN 929.11文献标志码:A文章编号:1006 7167(2023)01 0195 06Designing Experiment Development and Practice ofSynchronization of Satellite eceived SignalsZHOU Dongyue，LIU Hanrui，CHEN Li，WEN Kunhua，LIN Fumin，YANG Bowen(School of Physics and Optoelectronic Engineering，Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006，China)Abstract:In order to improve the innovation and practice ability of the undergraduate，a designing experiment ofsynchronization of received satellite signals is developed The experiment includes the scheme design of baseband signalsynchronization，the realization of FPGA and the system tests In the experiment，the signal is down-sampled first Thenperform carrier synchronization It uses FFT(Fast Fourier Transformation)to perform coarse synchronization of thecarrier，and pulls the frequency points of the signal into the capture range of the Costas ring(in-phase quadrature ring)，and then lets the Costas ring perform fine synchronization The next step is the symbol synchronization，which adopts themethod of leading and lagging bit synchronization technology Finally，the experimental system is tested to detectsatellite-based signals Teaching practice has proved that this teaching method of synthetic and designing experiment canstimulate students experimental interest and innovative consciousness，enhance students ability to solve engineeringproblems，and thus improve the quality of experimental teachingKey words:received satellite signals;synchronization;costas ring;designing experiment;ability of innovation收稿日期:2022-02-25基金项目:国家自然科学基金项目(62175039);教育部产学研协同育人项目(202101142019)作者简介:周冬跃(1975 )，男，湖南邵东人，博士，讲师，主要从事无线通信和光通信研究。Tel:[phone];E-mail:zhoudongyue gdut edu cn通信作者:温坤华(1984 )，男，广东鹤山人，博士，副教授，研究方向为光纤传感、微纳光器件。Tel:[phone];E-mail:khwen gdut edu cn0引言开展综合性创新性实验教学是“新工科”建设的必然要求，电子信息类专业的实验内容很多，市场上提供的传统实验箱动辄可以开出几十个实验项目内容，这种传统教学模式由于实验讲义等配套服务资料成熟，教师上课方便，硬件成本比较低，这种模式在很多高校里被广泛复制。但是，问题是这些实验内容简单第 42 卷陈旧，大多数是器件或模块特性测试即验证性实验，学生常常在固有的模式下被动实验，没有自主性，与产业发展水平甚远，对学生的吸引力非常低，所谓的综合性设计性实验流于形式，谈不上什么创新能力培养1-2。与此同时，近年来电子信息技术突飞猛进，众多高技术已经走进千家万户，卫星通信等无线通信领域的新技术层出不穷，第五代移动通信(5G)已进入商用阶段，5G 相关的导航技术面临全新升级3，第六代移动通信系统(6G)可能与卫星通信相结合，也已经开始了前期研究，中兴和华为等通信业科技巨头非常重视创新性研究，大量具有前瞻性备选技术方案等待学界去进一步研究4，其中载波同步是通信系统不可或缺的重要技术环节，同步模块性能对系统整体稳定性有直接影响，然而目前很多高档产品中同步环节采用进口芯片，卫星导航领域同样如此5-8，这些已经影响到国家经济技术安全。高等学校是国家创新体系中的重要组成，高校的人才培养模式特别是本科实验教学要紧密联系产业界和国家发展的需求。开展创新能力培养的实践性教育，势在必行、形势紧迫。根据“新工科”建设实验教学的特点，本文以某卫星接收机中的同步技术实验为案例，基于国家级省级科研项目和省级实验教学示范中心平台，在参考了目前国内外最新研究成果基础上9-14，进行综合优化设计，探索了一个基于星基信号检测的载波同步实验教学方案，该方案采用自行设计和硬件系统验证，引导学生自主创新，掌握知识产权，利用相关专业理论结合仿真技术进行技术参数优化，在传统验证性实验的基础上增加创新性设计环节，把理论算法设计、仿真验证、参数优化、程序设计及硬件系统测试相结合，指导学生把科学研究的方法渗入本科教学。教学实践表明，这对于培养学生创新能力的效果明显。1实验原理该实验设计某卫星下行信号接收检测系统，首先向学生提供一个宏观性实验技术原理框图，如图 1 所示，但是，其具体实现方案由学生自主设计及 FPGA 编程实现。图 1实验系统设计原理框图二进制相移键控(BPSK)具有抗噪声性能高，频带利用率高，抗干扰和抗多径效应的特性。因此，通信卫星中广泛采用 BPSK 调制，其信号的时域表达式为:s(t)=m(t)sin ct+0(t)(1)式中:m(t)为基带数据 1 和 1;c为载波频率;0为初相位。卫星接收过程相当于二进制相移键控调制的相干解调，相干解调需要接收机产生一个与 BPSK 输入信号同频同相的本地载波，并与之混频实现下变频，再经过下采样，降低采样率，最后是同步和帧位定，输出数据，这其中用到同相正交环(Costas 环)。在本实验项目中，接收机的模拟前端把卫星的信号下变频到为2.9 MHz 的信号，经过采样率为25 MHz的 AD 转换，变成中频为 2.9 MHz、采样率为 25 MHz的数字信号，输入到 FPGA 进行数字信号的处理，FPGA 芯片可以实现实时信号处理15-16，这是本设计性实验的核心内容。下采样模块的作用就是把高采样率的信号抽样到适合的采样率，本设计中，就是把中频为 2.9 MHz、采样率为25 MHz 的信号下采样到中频为80 kHz、采样率为 195 kHz 的信号。模块 FFT 作用是粗同步，利用 768 个点的 FFT 对下采样后的信号求得粗略频点，然后供给 Costas 环进行进一步的载波同步。对信号进行载波同步后，还需要对信号进行最佳时刻判决，其中码位同步模块的作用就是获得信号的最佳判决时刻。由于 BPSK 调制和解调中，相位会出现模糊，所以利用已知的帧头，可以判断出信号的初始相位，从而获得正确的解调数据。2实验方案设计本设计性实验在教学中采取分布式模块设计办法，学生分组进行设计，整个实验体系分成 3 5 个模组，按照图 1 所示的系统，实验主要内容包括下采样、FFT 粗同步、Costas 环精细同步和码位同步等环节。分组后，各个小组内学生自主分工，自行开展创新性实验设计和研究。2.1数字下采样方案设计提供给本实验项目中的卫星信号频谱如图 2 所示。带宽为7.5 kHz，中频信号的工作频点在 2.9 MHz处，但在该信号附近 10 kHz 处有一个邻道信号。该图为实测天线接收该卫星信号频谱图，这个信号会对本项目的接收机同步产生影响，本方案设计必须消除领道干扰，这是本项目设计的难点。由于存在邻道干扰，为了实现同步消除干扰，学生所设计的优秀方案如图 3 所示，模拟信号经过模数转换(ADC)采样后，变成采样时钟频率为 25 MHz 的数字信号。经过数字震荡控制器(NCO)下变频后，变成中频为 80 kHz，采样时钟频率为 25 MHz 的数字信号。为了消除领道干扰信号，实验需要对该信号进行下采样，下采样滤波器的系数使用仿真软件工具中的滤波691第 1 期周冬跃，等:卫星接收信号的同步设计性实验开发与教学实践图 2接收信号实际测试频谱图 3下采样的设计方案器设计工具计算，第 1 级下采样滤波器核(LPF1)和第2 级的下采样滤波器(LPF2)的截止频率都为 20 kHz，最后一级的滤波器(BPF1)通带频率为 6.5 9.5 kHz，最后的采样率 fla=195 312 Hz。2.2FFT 载波粗同步方案设计实现载波同步的常规方法是使用锁相环，然而对于锁相环技术，如果初始频率偏差太大，超出环路的调节范围时，这些环就无法跟踪输入信号的频率，也就是无法产生与输入信号同频同相的载波信号。接收机的模拟下变频，容易受环境的影响，中心频率将产生几KHz 级的频率漂移，对锁相环是致命的。学生所设计的优秀解决方案是用 FFT 计算频域信号，这样就先获得输入信号的粗略频率17。基于 FFT 的载波粗同步的原理其实非常简单，由于 BPSK 调制信号是双边带脉冲信号s(t)=m(t)sin ct+1(t)将信号经过平方器后得到的信号为s(t)s(t)=m(t)sin ct+1(t)m(t)sin ct+1(t)=12m(t)2 1 cos 2(ct+1(t)(2)式中，m(t)=1，则平方后得到的信号为1212cos 2(ct+1(t)即输入信号平方后得到的信号为载波两倍频的单载波信号。选择了点数为 768 的 DFT 核，这时有 fla/768=254 Hz，主要后面的精细同步中锁相环的工作频率范围大于该频率值即可。在欠采样下，也能得到其镜像信号，大概处在 35kHz 处。设置锁相环中的直接数字频率合成器(DDS)的频率字位宽为 29 位，则频率字大小为=195 312 x768()195 312121195 312 229=1 x()768228(3)对于式(3)中求频率字，可转换成如下计算:=228218x 216x 214x 212x 21028x 26x 24x 22x 20 x(4)2.3Costas 环精细载波同步方案设计及 FPGA 实现2 3 1Costas 环提取载波方案设计在实验中，学生采用的 Costas 环提取载波的典型方案如图 4 所示。图 4Costas 环结构设计方案所要解调信号的调制方式为 BPSK 调制信号s(t)，令接收机的 NCO 的正交和同相支路输出为:voi(t)=sin ct+2(t)voq(t)=cos ct+2(t)(5)与 BPSK 输入信号相乘得到:Zi(t)=Kp1m(t)sin ct+1(t)sin ct+2(t)Zq(t)=Kp2m(t)sin ct+1(t)cos ct+2(t)(6)式中，Kp1、Kp2为相乘后的系数。设 e=1(t)2(t)，相乘后，同相和正交支路分别通过适当的低通滤波器，保留基带信号，把干扰的信号滤除后有:yi=12Kp1K11m(t)cos e(t)yq=12Kp2K12m(t)sin e(t)(7)式中，K11、K12分别为同相和正交支路低通滤波器的系数。两支路经过鉴相器和环路滤波器后，有:vc(t)=18KpKp1Kp2K11K12sin 2e(t)=Kdsin 2e(t)(8)式中，Kp和 Kd分别为鉴相器增益和环路滤波器增益。由上式表明，NCO 的输出受环路滤波器输出的控制电压控制。当 e 0 时，即输入信号的相位大于本地NCO 输出信号的相位18，这种相位差最终表现为两者的频率差。2 3 2Costas 环 FPGA 实现在 FPGA 中，设置输出位宽为 12 位，驱动时钟频791第 42 卷率为输入信号的采样频率 190.312 5 kHz，频率字位宽为 29 位，则输出频率与控制信号频率字的关系有:Kdds=2Tddsfclk/2Bdds(9)数字下变频器的增益有:fout=fclk/2Bdds=195 312 5229 kHz(10)在 Costas 环中低通滤波器的设置其实也就是确定其过渡带和截止频率。数字下变频后由下式可知，相乘后会引入倍频分量:fcddc=min f0+(m+1)fs，2f0 mfs Bf/2(11)理想的二阶环路滤波器的性能优良，FPGA 实现简单，所以在工程应用中，二阶环路滤波器常受工程师青睐。二阶环路滤波器的系统函数:F(z)=22+T21+T1Z11 Z1=C1+C2Z11 Z1(12)对于 Costas 环中的环路滤波器，学生所采用的优秀方案如图 5 所示15。图 5环路滤波器的结构设计案例环路滤波器的设计很重要，其中 C1和 C2系数的值如何设计，决定了整个 Costas 锁相环性能。可以引导学生按照以下 3 个步骤:步骤 1明确环路设计中开始参数，环路的输入数据的大小位宽为 7 bit，数据采样时钟即系统时钟频率为 195 kHz，已知粗同步的精确度为 254 Hz，所以环路的快捕带的带宽设计为 260 Hz，输入信号的带宽为7.5 kHz，信噪比最低为 6 dB。步骤 2根据已知的参数和工程实际需求，设计满足要求的自然角频率。已知:L2 n8()S/Ni()S/NLBi(13)在工程应用中通常让阻尼系数 =0 707，输入信号的信噪比()S/Ni6 dB，其中环路信噪比()S/NL6 dB，n/fs1 环路才能锁定。实际在工程应用中会根据经验来定下该值。步骤 3由满足要求的自然角频率，设计 C1和 C2的值。已知C1 2nT/KC2(nT)2/K(14)式中:K 为环路的总增益;T 为环路滤波器的更新周期。则选择 C1=26，C2=211和 C1=28，C2=213。2.4位同步的方案设计当前输入的二进制序列的跳变沿与当前模块产生的符号时钟跳变沿存在超前或者滞后的现象，然后产生超前或滞后的误差信号，控制器得到该信号后，对本地的位同步信号的时钟降低或调高占空比，以此来调整位同步信号。学生所设计的优秀位同步结构如图 6所示。图 6位同步实现的结构设计案例在图 6 中，当输入的基带数据超前时，pd _ aft 门打开，pd _ bef 门关闭，控制器中的单稳触发器分别产生高低 4 个 clk4 时钟周期的电平。pd _ after 产生 4个 clk4 时钟周期高电平脉冲，让 gate_close 门打开，与gate_open 门相或后，clk_in 增加一个脉冲的时钟，相当于加快分频器计数的时间，让本地的位同步时钟提前。当输入的基带数据滞后时，pd_aft 门关闭，pd_bef 门打开，控制器中的单稳触发器分别产生高低 4 个 clk4 时钟周期的电平，即 pd_bef 产生 4 个 clk4 时钟周期高电平脉冲，让 gate_open 门打开，与 gate_close 门相或后，clk_in 减少一个脉冲的时钟，相当于减慢分频器计数的时间，让本地的位同步时钟滞后。此外还要实现帧同步，接收到的数据是以帧为单位，每一帧都会包含一个帧头。实现方法的核心，每输入一个码元，都与已知的帧头进行异或，当帧头出现且不存在误码的情况下，求得的值为 0 或者 64。改变该值的判决大小，即可实现帧同步。当这些方案设计完成后，整个系统便可以进行测试。3教学效果通过卫星接收信号同步系统的方案设计和 FPGA实现实验的探索，学生获得了几个方面的收获。3.1增强了创新性设计能力实验所设计的是工程应用中的一个同步算法的信号处理方案，FPGA 编程下载后搭建的系统如图 7 所示，学生在实验中还需要利用示波器进行信号采集，然后进行离线分析。在硬件系统中，信号处理核心是在FPGA 芯片内实现的，全部的基带信号同步通过Verilog HDL 语言编程实现，Costas 环是实现载波同步891第 1 期周冬跃，等:卫星接收信号的同步设计性实验开发与教学实践的核心，其在前面的实验中已经完成方案设计，实验接下来还要仿真和硬件测试。(a)信号处理系统(b)接收天线图 7实验系统实物Costas 环的原理学习在理论课程中已经完成，学生通过本设计得到的载波同步实验结果如图 8 所示。图 8 表示 Costas 环正交和同相两个支路过程图，由输出波形可见，正交支路收敛到最小值(对应图 8 中最后一个输出波形)，同相支路输出去掉载波后的值，环路滤波器的系数经过 3 级调整，稳态相差也变得越来越小。图 9 表示在线仿真对 Costas 环载波同步输出信号进行监控，由图 9 中最后 3 个信号波形可知，本方案中的 Costas 环能很好恢复载波信号。通过这种仿真调试的方法，加深了 Costas 环在实现载波同步过程中的理解。学生经历了工程应用性实验项目后显得更加自信，从而激发其释放创新能力。图 8Costas 环正交和同相支路输出图 9同步后的输出信号3.2掌握了综合利用理论原理和仿真工具优化技术参数的方法滤波器的设计关键是抽头系数的优化，所以要引导学生考虑最佳接收机的设计，滤波器与发送机的滤波器组成匹配滤波器，要引导学生设计一个升余弦滤波器，作为发送机的匹配滤波器。引导学生学习如何优化所使用的滤波器类型和参数，恰当设计滤波器截止频率和衰减倍数。采用 Matlab 中的滤波器设计工具，设计系统所需要的滤波器系数。一个典型的滤波器的幅频响应和相频响应如图 10 所示，把滤波器设计仿真与 Costas 环同步实验相结合，从而确定合适的滤波器参数。通过实验，学生能够综合运用电子技术原理和仿真技术对应用电子系统的关键技术参数进行优化，并采用测试方法对其进行验证和定型，锁定了Costas 环中的技术参数最优值。3.3掌握专业实验仪器设备使用方法，并能用于硬件系统测试在实验中，学生一方面要使用仿真软件虚拟工具，(a)幅频响应(b)相频响应图 10滤波器幅频响应和相频响应另外还要综合利用逻辑分析仪、实时示波器和频谱仪等硬件仪器设备，实现对实验系统的输入和输出进行实时采集，频谱分析，数据的误码率和完整率等进行有效性和实时性进行分析。图 11 所示是对实际硬件系统输出的帧数据进行解码分析，得到的用户数据进行991第 42 卷完整率和误码率的统计，从图中的完整率和误码率反映出，该接收机对信号的同步性能良好，满足通信要求。通过实验，学生掌握了电子类常用实验仪器设备的使用方法，并能用于解决以卫星通信接收机为代表的电子系统方面的复杂工程问题。图 11数据解码后的完整率和误码率3.4增强了实用性体验，增加了专业认可实验方案设计完成后，还要组织学生进行实验扩展性分析，让学生明白自己的方案有哪些应用价值，写出实验总结报告。在这个环节可以认识卫星通信的应用范畴，对当前的热点应用进行分析。比如，北斗导航系统在民用和国防多个领域有广泛应用，是我们国家大国地位的重要标志，目前卫星通信还有巨大的发展空间，增强自己专业的发展信心。5G 商用后下一步进行 6G 研究，卫星通信将与下一代移动通信相结合，卫星通信具有广泛应用空间。未来需要创造更多自主知识产权的技术方案，把实验中的创新进一步拓展，开拓更多应用，这样能进一步激发学生进行项目后期研究和创新思考的兴趣。4结语在长期的实验实践与教学研究基础上，探讨了一种基于卫星接收机信号同步检测的实验方案，该方案利用算法优化和 FPGA 编程实现了对基带信号检测，完成创新性设计性实验项目。学生在实验中所设计方案包含下采样、FFT 粗同步以及 Costas 环和数字滤波器等环节。实验能助力学生加深了无线通信的基本框架理解，理解了卫星信号传输过程，掌握了同步算法的设计思路、关键参数优化方法及系统测试分析等。该实验能提高学生动手能力，激发学生创新意识，提高创新能力，为其以后更加深入开展科研工作夯实基础。参考文献(eferences):1彭丹，陈少昌 电子技术类课程实验实践教学改革探索J 实验室研究与探索，2021，40(11):181-1832石飞，冯龛，张莉，等 以学生为主体的分阶段引导式实践教学方法探索J 实验室研究与探索，2018，37(6):236-2383Kim E，Shin Y Feasibility analysis of LTE-based UAS navigation indeep urban areas and DSC augmentationJ Sensors，2019，19(19):41924Zhang Lin，Yingchang Liang，Dusit Niyato 6G 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