一種FSK地面接收系統的設計*

摘 要：設計實(shí)現了一款針對接收探空儀發(fā)射信號的FSK調制信號的地面接收系統，該地面接收系統通過(guò)接收天線(xiàn)、低噪放、基帶解調板，實(shí)現探空儀FSK信號的頻率鎖定、位同步、幀同步最終解調的功能。該地面接收系統能在探空儀發(fā)射信號強度+10～-120 dBm范圍內對信號進(jìn)行解調，同時(shí)針對探空儀發(fā)射信號源存在相位抖動(dòng)的問(wèn)題，能快速鎖定頻點(diǎn)范圍內±250 kHz范圍的信號。經(jīng)過(guò)現場(chǎng)測試，該地面接收系統具備在200 km的斜距范圍內接收探空儀發(fā)射3 dBm的信號，數據誤碼率≤1×10^-5。

關(guān)鍵詞：FSK；探空儀；信號解調；地面接收系統

*基金項目：廣東省大灣區集成電路與系統應用高水平創(chuàng )新研究院建設，項目編號2019B090909006；

廣東省 大灣區集成電路與系統應用研究院高水平新型研發(fā)機構建設，項目編號2019B090904015；

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

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

目前，高空氣象探測主要使用探空儀發(fā)射 FSK 信號進(jìn)行信息傳輸。探空儀作為信號發(fā)射源（以下簡(jiǎn)稱(chēng)為信號源），發(fā)射的頻率范圍為 400 ～ 406 MHz，調制方 式為頻移鍵控 (frequency-shift keying, FSK)，該調制方式具有抗干擾能力強、傳輸距離遠、低碼速率等特點(diǎn)，廣泛運用在遠距離傳輸 ^[1]。探空儀與地面接收系統之間 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, 這就對地面接收系統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(chǎng)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在所接收頻點(diǎn) ±250 kHz 的范圍內實(shí)現快速鎖定解碼的功能。這就對地面接收系統整體性能提出很高的要求。

目前，針對探空儀地面接收系統有幾種方案設計，一種是使用專(zhuān)用的 ASIC 芯片進(jìn)行對 FSK 地面接收系統進(jìn)行設計，該方案具有可擴展性低、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方法對 FSK 進(jìn)行解調 ^[3]，這種方案靈敏度達不到要求。

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

本文根據信號源的無(wú)線(xiàn)信號發(fā)射特性，經(jīng)過(guò)對信號鏈路的詳盡預算，對地面接收系統進(jìn)行整體設計。

1 系統原理設計

本地面接收系統即要求信號源的信號強度在 +10 dBm 的情況下系統能正常解調，也要求在信號源與地面接收系統直線(xiàn)距離≥ 200 km 時(shí)，接收到數據的誤 碼率≤ 1×10^-5。通過(guò)計算信號源與地面接收系統距離 200 km 時(shí)的系統鏈路預算（如表 1 所示），計算出系統的靈敏度需要達到 -120 dBm 才能滿(mǎn)足要求。于是系統硬件根據指標計算由天線(xiàn)及低噪放、下變頻和基帶解調板 3 部分組成（如圖 1 所示）。

                    圖1 硬件設計框圖

1.1 天線(xiàn)及低噪放

由于地面接收系統在遠距離接收探空儀信號時(shí)，需要使用低噪放放大信號。低噪放的增益滿(mǎn)足在信號源大增益環(huán)境下，基帶解調板上的 ADC 不至于飽和造成性能下降無(wú)法解調的現象；同時(shí)在微弱信號情況下，將小信號放大，保證噪聲控制，提高基帶解調板的接收靈敏度。本系統低噪放的增益為 40 dB，噪聲系數≤ 1，帶內平坦度 ±0.5 dB。這樣，從天線(xiàn)接收到的信號在 +10 ～ -120 dBm 范圍內的信號，經(jīng)過(guò)低噪放后輸出給下變頻的信號強度為 +20 ～ -80 dBm。

1.2 下變頻

下變頻通過(guò)模擬濾波、混頻和放大，將探空儀信號頻率轉換至 70 MHz 中頻，本系統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經(jīng)過(guò)濾波、數控衰減器及放大器輸出一個(gè)穩定的中頻信號傳輸至軟件無(wú)線(xiàn)電平臺，方便 FPGA 進(jìn)行解調算法。下變頻的主要技術(shù)指標如下：

a）中頻輸出帶寬：1 MHz；

b）小信號增益：≥ -50 dB；

c）鏡頻抑制：≥ 60 dBc；

d）動(dòng)態(tài)范圍：≥ 75 dB。

1.3 基帶解調板

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

根據帶通采樣原理，本系統采用 100 MHz 采樣時(shí)鐘信號對中頻信號進(jìn)行欠采樣，通過(guò)時(shí)鐘芯片將采樣信號送至 FPGA 進(jìn)行算法解調。并將解調數據通過(guò)串口傳給上位機進(jìn)行顯示。

2 基帶解調板解調算法設計

2.1 信號源信號特性

FSK 類(lèi)信號，可以表示為：

2.2 基帶解調算法設計結構

本系統基帶算法分為 4 個(gè)模塊，分別為：數字 AGC 模塊、掃頻檢測模塊、解調解碼模塊和系統控制模塊四個(gè)程序模塊實(shí)現。其中，數字 AGC 模塊主要用于調整輸入中頻信號功率，保證后續處理的精度；掃頻檢測模塊負責在信號源頻點(diǎn)±250 kHz帶寬中找到信號，并且補償頻偏；基帶信號處理模塊對基帶信號進(jìn)行解調和解碼，恢復出二進(jìn)制數據流；系統控制模塊用于各模塊的參數配置，狀態(tài)監控以及數據流程控制。通過(guò)有效的算法設計，不僅在功能和性能上滿(mǎn)足了系統要求，并且占用 FPGA 資源少，降低了系統的硬件成本。其算法結構如圖 3 所示。

圖3 解調算法結構框圖

2.3 數字AGC模塊

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

數字 AGC 算法的增益值計算公式為：

2.4 掃頻檢測模塊

2.4.1 第1級數字下變頻

信號通過(guò) DDS 頻率合成器進(jìn)行正交下變頻，然后經(jīng)過(guò)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采樣率的復基帶信號^[5]。

2.4.2 掃頻檢測

圖5 掃頻信號流程

圖 6 所示為 FSK 信號的功率譜，只需要檢測到 FSK 信號能量最大的位置，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 高的信號能量。這樣兩個(gè)能量位置的中間點(diǎn)即為FSK信號的頻點(diǎn)。該算法結構簡(jiǎn)單、鎖頻速度快、效率高、穩定性高 ^[6]。

圖6 FSK信號功率譜

2.5 解調解碼模塊

2.5.1 第2級數字下變頻

第 2 級數字下變頻提取出調制信號，并進(jìn)一步減少信號采樣率，該采樣率只要大于 8 倍碼元速率即可。

2.5.2 FSK信號解調

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

圖7 不同解調方式誤碼率對比

對于相干解調算法，其原理框圖如圖所示。解調器采用自動(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)射與接收機之間的時(shí)鐘偏差為 ±500?10^?6 μs 。

圖8 相干解調器原理框圖

基于VHDL程序進(jìn)行仿真，輸入信號基本情況如下：調制方式為 2FSK，SNR 為 18 dB，相對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(xiàn)。

圖9 時(shí)鐘環(huán)收斂曲線(xiàn)

圖10 載波環(huán)收斂曲線(xiàn)

2.5.3 幀同步與解碼

由于信號源采用了 Bi-L 編碼，因此解碼之前需要確認編碼起始位置。本系統采用了搜索獨特碼位置，根據信號源發(fā)送數據的固定碼元，每隔固定碼元后將出現一組獨特碼型，如果連續檢測到間隔為固定碼元的疑似獨特碼型，則確認為幀同步，完成解碼 ^[8]。

幀同步模塊同時(shí)可以監測系統工作是否正常，若發(fā)射源信號消失、解調失鎖都會(huì )導致異常，即會(huì )監測不到均勻間隔的連續獨特碼型的情況，此時(shí)通知系統控制模塊對系統進(jìn)行復位操作。

2.6 系統控制模塊

系統控制模塊主要完成參數配置，根據發(fā)射源信號的實(shí)際情況通過(guò) RS232 反饋至上位機。

3 系統測試

通過(guò)信號源與地面接收系統用射頻線(xiàn)直連，發(fā)射 FSK 信號。當信號源發(fā)送分別發(fā)送 +10 ～ -120 dBm 信號的時(shí)候，地面接收系統能夠很快鎖定信號，并解調數據，誤碼率≤ 1×10^-5。當發(fā)送的頻點(diǎn)發(fā)生偏移時(shí)，在范圍 ±250 kHz 范圍內能正常解調，不影響接收。

在實(shí)際測試過(guò)程中，信號源發(fā)射頻率為 403 MHz，頻偏 16 kHz，距離地面接收系統的斜距≥ 250 km，地面接收系統接收數據的有效率≥ 95%。

4 結束語(yǔ)

本文設計實(shí)現了一種高性能通信信號地面接收系統，針對信號源信號速率低、頻偏大的特點(diǎn)，基于 FPGA 解決了低速信號高精度檢測的難題。特別是面對微弱信號，信噪比處于解調臨界值的時(shí)候，通過(guò)對解調算法的處理，減少了系統的誤碼率。本系統采用軟件無(wú)線(xiàn)電通用平臺處理解調算法，可編程性強，研發(fā)成本低等優(yōu)點(diǎn)。

參考文獻：

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(注：本文轉載自《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年11月期)