适用于扩跳频测控信号的信道动态模拟实现方法及系统

技术领域

本发明涉及一种适用于扩跳频测控信号的信道动态模拟实现方法及系统，属于通信技术领域。

背景技术

扩跳频应答机是卫星测控系统的重要组成部分，可有效提高卫星测控射频链路的抗干扰能力。扩跳频应答机地面测试设备是在地面对扩跳频应答机的测距、测速、遥测和遥控等功能和指标进行验证的测试设备。由于地面无法搭建卫星运行时实际的测控信道动态环境，地面测试设备一般通过信道动态模拟来测试扩跳频应答机的性能。在卫星测控系统中，应答机地面测试设备一般将测控信号生成和信道动态模拟耦合实现。在测控信号生成时，通过改变码NCO和载波NCO的频率控制字来模拟信道动态，该方法存在时延和动态模拟精度低，且实现方法与卫星测控信号体制紧密耦合的问题。若使用该方法来模拟扩跳频信号的信道动态，首先需要控制NCO生成直序扩频码多普勒、跳频码多普勒、跳频间隔多普勒和跳频载波多普勒，这使得控制NCO的方法变得极为复杂且无法确保扩跳频动态信号码相位和载波相位的相干性，从而影响信号的测距和测速性能；其次无法实现高精度的信道时延和动态模拟。

针对扩跳频应答机地面测试的需求和现有信道动态模拟方法的不足，本发明提出一种适用于扩跳频测控信号的信道动态模拟实现方法。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种适用于扩跳频测控信号的信道动态模拟实现方法，实现卫星扩跳频测控信号的高精度信道时延和动态模拟。

本发明的技术解决方案是：

一种适用于扩跳频测控信号的信道动态模拟实现方法，包括：

将采样的静态射频扩跳频信号下变频到零中频并抽取降速，得到零中频扩跳频信号；

分两级实现信道动态模拟，第一级采用可变小数时延滤波器实现零中频扩跳频信号的时延和动态模拟，第二级通过控制NCO输出射频载波中心频点对应的多普勒频偏信号；

将两级输出的零中频动态扩跳频信号和射频载波多普勒频偏信号进行正交上变频完成射频扩跳频信号的信道时延和动态模拟，得到携带射频动态的基带信号；

通过内插和上变频输出动态射频扩跳频信号。

进一步的，所述将采样的静态射频扩跳频信号下变频到零中频并抽取降速，得到零中频扩跳频信号，具体包括以下步骤：

(1.1)、获取星地初始距离d

(1.2)、根据星地初始距离d

(1.3)、对静态射频扩跳频信号进行采样、下变频、滤波和抽取得到零中频扩跳频信号。

进一步的，在步骤(1.2)中进行实时计算时，在系统全局时钟每个周期生成一组控制参数：

data_addr_in：零中频扩跳频信号按照数据缓存写入地址写入缓存RAM中；假设系统全局时钟周期为T

data_addr_in＝mod(n,addr_max)

上式中，mod表示求余函数，addr_max表示数据缓存RAM的最大存储地址；

data_addr_out：程序按照数据缓存读取地址从缓存RAM中取数作为可变小数时延滤波器的输入信号，t＝nT

上式中，c表示光速，

初始相位字frq_bias_phase和频率控制字frq_bias_code：t＝nT

上式中，f

进一步的，所述分两级实现信道动态模拟，第一级采用可变小数时延滤波器实现零中频扩跳频信号的时延和动态模拟，第二级通过控制NCO输出射频载波中心频点对应的多普勒频偏信号，具体为：

(2.1)、将I支路零中频扩跳频信号I(t)和Q支路零中频扩跳频信号Q(t)按照缓存写入地址data_addr_in写入数据缓存RAM中；

(2.2)、根据计算出的卫星基带信号读取地址data_addr_out，从数据缓存RAM中读取信号数据，如果data_addr_out增加1，则读取一个信号数据送入可变小数时延滤波器；如果data_addr_ou增加2，则读取两个信号数据送入可变小数时延滤波器；如果data_addr_ou不变，则送入可变小数时延的信号数据无效；在数据缓存和读取过程中模拟了时长为系统全局时钟周期的整数倍的信道时延变化；

(2.3)、可变小数时延滤波器根据计算出的小数时延小数μ，对从数据缓存RAM中读取出的信号数据进行滤波，生成基带动态模拟信号I

(2.4)、根据计算出的射频载波中心频率对应的多普勒频偏信号的初始相位字frq_bias_phase和频率控制字frq_bias_code，控制NCO生成射频载波多普勒频偏信号sin(2πf

进一步的，将可变小数延迟滤波器的输出信号I

进一步的，对携带射频信道时延和动态的基带信号进行内插和滤波来提高采样率，再通过上变频和DAC转换后生成动态射频扩跳频信号S

进一步的，本发明还提出一种适用于扩跳测控频信号的信道动态模拟实现系统，包括：

零中频扩跳频信号获取模块：将采样的静态射频扩跳频信号下变频到零中频并抽取降速，得到零中频扩跳频信号；

动态模拟模块：分两级实现信道动态模拟，第一级采用可变小数时延滤波器实现零中频扩跳频信号的时延和动态模拟，第二级通过控制NCO输出射频载波中心频点对应的多普勒频偏信号；

动态射频扩跳频信号获取模块：将两级输出的零中频动态扩跳频信号和射频载波多普勒频偏信号进行正交上变频完成射频扩跳频信号的信道时延和动态模拟，得到携带射频动态的基带信号；通过内插和上变频输出动态射频扩跳频信号。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明提出了信道动态分级模拟的方法，首先将射频扩跳频信号下变频为零中频扩跳频信号，使载波中心频点多普勒和跳频载波多普勒精确解耦分离，然后进行信道动态分级模拟。利用可变小数时延滤波器实现高精度信道动态模拟与被采样信号体制无关的优点，实现了扩跳频信号的信道时延和动态的精确模拟，确保了扩跳频动态信号码相位和跳频载波相位的相干性，不影响信号的测距和测速性能。

2)本发明通过下变频、抽取降速和信道动态分级模拟来降低信号的采样率，降低了利用可变小数时延滤波器实现信道模拟时的资源开销，更易于实现大时延和高动态信道模拟。

3)本发明可基于FPGA灵活实现，既可以开发独立的信道模拟器，也可以作为软件模块嵌入地面测试设备软件。

附图说明

图1一种适用于扩跳频测控信号的信道动态模拟实现方法总体框图；

图2动态模拟控制参数计算模块运行流程图；

图3可变小数时延滤波器结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。

如图1所示，本发明提出一种适用于扩跳频测控信号的信道动态模拟实现方法，包括如下步骤：

首先，将静态射频扩跳频信号进行采样、下变频和抽取降速，生成零中频扩跳频信号；

然后，根据设置的信道时延和动态模拟参数，实时计算信道时延和动态的变化，基于数据缓存-读取机制和可变小数时延滤波器实现零中频扩跳频信号的信道时延和动态模拟，同时控制数字NCO生成射频载波中心频点对应的多普勒频偏信号；

其次，将零中频动态扩跳频信号和射频载波多普勒频偏信号进行正交上变频完成射频扩跳频信号的信道时延和动态模拟；

最后，对信号进行内插提高采样率，经过数字上变频后经过DAC输出动态射频扩跳频信号。

用于扩跳频测控信号的信道动态模拟实现方法，具体包括如下步骤：

步骤一、获取星地初始距离d

步骤二、动态模拟控制参数计算模块根据星地初始距离d

动态模拟控制参数计算模块的运行流程图如图2所示。

程序开始运行后首先对时间计数器CountT和位移累加值d进行初始化，其中时间计数器表征星地/星间相对运动时间的变化，每经过一个全局时钟周期增加1，位移累加值表征星地/星间相对距离的变化；然后在全局时钟的每个周期对时间计数器和位移累加值进行更新，如果时间计数器不大于模拟时间门限，则在全局时钟的每个周期计算动态模拟控制参数，反之，结束动态模拟。

上述各参数计算步骤如下：

data_addr_in:在全局时钟驱动下，零中频扩跳频信号按照数据缓存写入地址写入缓存RAM中。假设系统全局时钟周期为T

data_addr_in＝mod(n,addr_max) (1)

上式中，mod表示求余函数，addr_max表示数据缓存RAM的最大存储地址。

data_addr_out:程序按照数据缓存读取地址从缓存RAM中取数作为可变小数时延滤波器的输入信号。t＝nT

上式中，c表示光速，

μ：小数滤波系数可以控制可变小数延迟滤波器实现大小为μT

frq_bias_phase和frq_bias_code：t＝nT

上式中，f

步骤三、对静态射频扩跳频信号进行采样、下变频、滤波和抽取得到零中频扩跳频信号。将静态射频扩跳频信号进行下变频得到零中频扩跳频信号，目的是使载波中心频点多普勒和跳频载波多普勒精确解耦分离，便于后续信道动态分级模拟。

将采样信号进行抽取降速，目的是降低信号的采样率，减少利用可变小数时延滤波器实现信道模拟时的资源开销，更易于实现大时延和高动态信道模拟。

静态射频扩跳频信号可表示为：

式中，Re{·}表示取信号实部，A表示信号幅度，D(t)表示数据信息，c(t)表示直扩伪码，T

该信号经过工作时钟为f

因为高采样率会增加步骤六中可变小数时延滤器工程实现所需的资源开销，所以先将射频采样信号下变频到零中频，再进行

第一级采用可变小数时延滤波器实现零中频扩跳频信号的时延和动态模拟，目的是利用可变小数时延滤波器实现高精度信道动态模拟与被采样信号体制无关的优点，实现扩跳频信号的信道时延和动态的精确模拟，确保扩跳频动态信号码相位和跳频载波相位的相干性，不影响信号的测距和测速性能；第二级通过控制NCO输出射频载波中心频点对应的多普勒频偏信号；将两级的输出进行正交上变频便得到携带射频动态的基带信号。

步骤四、将I支路零中频扩跳频信号I(t)和Q支路零中频扩跳频信号Q(t)按照缓存写入地址data_addr_in写入数据缓存RAM中。

步骤五、根据动态模拟控制参数计算模块计算出的卫星基带信号读取地址data_addr_ou，从数据缓存RAM中读取信号数据。如果data_addr_out增加1，则读取一个信号数据送入可变小数时延滤波器；如果data_addr_ou增加2，则读取两个信号数据送入可变小数时延滤波器；如果data_addr_ou，则输入可变小数时延的信号数据无效。在数据缓存和读取过程中模拟了时长为系统全局时钟周期的整数倍的信道时延变化。

步骤六、可变小数时延滤波器根据动态模拟控制参数计算模块计算出的小数时延小数μ，对从数据缓存RAM中读取出的信号数据进行滤波，生成基带动态模拟信号I

式中，τ

可变小数时延滤波器是通过对采样信号内插来实现信道时延和动态模拟，模拟精度只与滤波器阶数和小数时延系数的量化位宽有关，而与信号的体制无关。因此，通过步骤五、六实现零中频扩跳频信号的时延和动态的模拟，即第一级信道动态模拟。

可变小数时延滤波器采用Farrow结构来实现，下面说明其原理：

理想的可变小数时延滤波器的频率响应为：

H

上式对应的冲击响应为：

h

可以看到h

可变小数时延滤波器的实现如图3所示。Farrow多相结构滤波器的小数时延系数μ在全局时钟的每个周期下更新变化，而结构系数C

步骤七、根据动态模拟控制参数计算模块计算出的射频载波中心频率对应的多普勒频偏信号的初始相位字frq_bias_phase和频率控制字frq_bias_code，控制NCO生成射频载波多普勒频偏信号sin(2πf

步骤八、将可变小数延迟滤波器的输出信号I

步骤九、对携带射频信道时延和动态的基带信号进行内插、滤波、上变频和DAC转换后生成动态射频扩跳频信号S

本发明通过信道分级模拟，利用可变小数时延滤波器实现高精度信道动态模拟与被采样信号体制无关的优点，实现了扩跳频信号的信道时延和动态的精确模拟，确保了扩跳频动态信号码相位和跳频载波相位的相干性，不影响信号的测距和测速性能；通过下变频、抽取降速和信道动态分级模拟来降低信号的采样率，降低了利用可变小数时延滤波器实现信道模拟时的资源开销，更易于实现大时延和高动态信道模拟。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域技术人员的公知技术。