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:020-39322261;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:020-39322265;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