CN102064853A

CN102064853A - 一种采用双dds在中频模拟射频信号频率动态的方法

Info

Publication number: CN102064853A
Application number: CN2010105276861A
Authority: CN
Inventors: 钱小平; 钟兴旺; 蒙艳松; 王子玉; 王登峰
Original assignee: China Academy of Space Technology CAST
Current assignee: China Academy of Space Technology CAST
Priority date: 2010-10-27
Filing date: 2010-10-27
Publication date: 2011-05-18
Anticipated expiration: 2030-10-27
Also published as: CN102064853B

Abstract

一种采用双DDS在中频模拟射频信号频率动态的方法，将卫星发射信号中伪码与载波的多普勒频率特性简化为用于产生伪码码钟时钟信号的第一DDS的输出信号频率与用于产生调制载波时钟信号的第二DDS的输出信号频率的线性比例关系。第一DDS的输出信号频率和第二DDS的输出信号频率可以通过频率控制字进行同步控制，动态模拟应用对象伪码码钟与载波的频率多普勒。第一DDS的输出信号送至扩频发射机产生发射伪码，并利用发射伪码对信息数据扩频调制后得到基带扩频信号。第二DDS的输出信号倍频后产生中频载波信号。采用中频载波信号对基带扩频信号进行直接调制，得到含有所要求的伪码和载波频率动态的中频信号。

Description

一种采用双DDS在中频模拟射频信号频率动态的方法

技术领域

本发明属于航天测控通信领域，涉及一种用双DDS同时模拟伪码码钟和载波多普勒频偏的方法。

背景技术

基于扩频技术的航天测控通信系统的重要设备是中频数字接收机。卫星的射频信号由天线接收，经低噪声前置放大器，被本地振荡器综合产生的本振信号下变频到中频。在混频过程之后保留了信号的多普勒频偏和伪码信息，只是载频降低了，而多普勒频偏仍以原来射频信号上的多普勒频偏为准。中频信号经模数转换后进入数字接收机通道处理。中频数字接收机需要完成对卫星发射信号的捕获和跟踪，即完成对伪码和载波的恢复。卫星和接收机之间的相对运动会使接收信号的载波频率和伪码速率都带有多普勒频偏，为了测试和评估接收机在多普勒动态情况下对信号的捕获和跟踪能力，必须设法使输入接收机的信号具有多普勒特性(包括伪码和载波)，模拟真实的动态环境。

目前，关于多普勒动态模拟技术主要分为三大类。

一是通过将发射机和接收机装载到实际载体上，用载体间的相对运动进行频率动态模拟。此方法需要特殊的场地和运动载体，而且受实际载体运动控制精度的影响，无法模拟真实动态环境中的各种运动状态。

二是用信道模拟器将发射机和接收机相连来进行频率动态模拟。此方法受信道模拟器模拟精度的限制，无法精确模拟真实动态，且成本高。

三是公开号为CN101252398A的中国专利申请(公开于2008年8月27日)，名称为“具有多普勒模拟功能的扩频信号源”所公开的一种多普勒动态模拟方法。该扩频信号源包括多普勒动态模拟、数据组帧格式编排和中频信号调制发射三部分。多普勒动态模拟部分实现处理机运动状态的动态模拟，从相邻时刻的载波相位增量推导载波NCO频率控制字，经过查表结合D/A生成包含多普勒的载波；从相邻时刻的伪码相位增量推导码NCO的频率控制字，经过查表结合D/A产生包含多普勒的码钟信号。此设备中的中频信号频率和伪码速率都是固定值，无法灵活的产生其它频率的伪码信号和中频调制信号，也无法模拟应用对象任意射频频率/伪码速率组合条件的频率动态。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种仅根据应用对象的射频载波频率和中频载波频率的比例关系，就能通过对两个DDS的输出频率控制，在中频模拟射频信号频率动态的方法。

本发明的技术解决方案是：一种采用双DDS在中频模拟射频信号频率动态的方法，步骤如下：

(1)采用第一直接数字频率合成器产生包含伪码多普勒频偏的时钟信号，所述第一直接数字频率合成器的频率控制字为

其中f₀为输入参考频率，

f_dc为伪码的多普勒频偏，R_c为伪码速率，N为频率控制字的位数，f_s为第一直接数字频率合成器内的采样时钟频率；

(2)采用第二直接数字频率合成器产生包含射频载波多普勒频偏的时钟信号，所述第二直接数字频率合成器的频率控制字为

其中f_r为射频载波频率，f_i为中频调制载波频率；

(3)将第一直接数字频率合成器的输出信号送至扩频发射机产生发射伪码，并利用所述发射伪码对信息数据扩频调制后得到基带扩频信号；

(4)将第二直接数字频率合成器的输出信号倍频后产生中频载波信号；

(5)采用步骤(4)的中频载波信号对步骤(4)的基带扩频信号进行直接调制，得到所要求的伪码和载波频率动态的中频信号。

所述的第一直接数字频率合成器的频率控制字或者第二直接数字频率合成器的频率控制字的输入参数包括控制频度f和频率控制精度S，且满足关系式ΔF_Dmax＝f×S，其中ΔF_Dmax为第一直接数字频率合成器或者第二直接数字频率合成器输出信号的最大频率多普勒变化率。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明采用双DDS在中频模拟射频信号频率动态的方法，将卫星发射信号中伪码与载波的多普勒频率特性简化为用于产生伪码码钟的时钟信号的DDS输出信号与用于产生调制载波的时钟信号的DDS输出信号频率的线性比例关系。模拟精度取决于DDS的频率控制精度，容易做高，设置参数简便，使用灵活，配合扩频发射机和中频调制器，就能根据应用对象要求，产生带有所要求的伪码和载波频率动态的中频调制信号。

附图说明

图1为本发明方法的原理框图；

图2为本发明射频载波频率多普勒模拟；

图3为本发明通过测距接收机跟踪接收的射频载波频率动态；

图4为本发明通过测距接收机测距值反映的射频载波频率动态与射频载波频率多普勒模拟值之间的差；

图5为本发明实施例中产生带有载波多普勒频偏的140MHz中频信号的系统组成框图。

具体实施方式

本发明将卫星发射信号中伪码与载波的多普勒频率特性简化为用于产生伪码码钟的时钟信号的第一DDS(Direct Digital Synthesizer直接数字频率合成器)与用于产生调制载波的时钟信号的第二DDS之间频率控制字的线性比例关系，采用双DDS同时模拟伪码码钟和载波多普勒频偏，结合扩频信号发射机和中频调制，就能产生模拟卫星射频信号多普勒特性的中频信号。原理如图1所示。通过本发明方法，可根据具体应用要求同时实现伪码码钟频率和中频载波频率的多普勒模拟。

由于卫星和接收机之间的相对运动引起的多普勒效应可以表示为：

f_{dr} = \frac{f_{r} v (t)}{c} - - - (1)

f_{dc} = \frac{R_{c} v (t)}{c} - - - (2)

式中：f_dr和f_dc分别为射频载波的多普勒频偏和伪码的多普勒频偏，c为光速，v(t)为卫星与接收机之间的径向相对速度，f_r和R_c分别为射频载波的频率和伪码速率。在同一采样时刻，由式(1)和式(2)得

\frac{f_{dr}}{f_{dc}} = \frac{f_{r}}{R_{c}} - - - (3)

由(3)可知，频率多普勒与信号频率成正比，

\frac{f_{d 1}}{f_{dc}} = \frac{f_{0}}{R_{c}}

即第一DDS输出信号的多普勒频偏应为：

f_{d 1} = \frac{f_{0} f_{dc}}{R_{c}} - - - (4)

式中：f₀为DDS输出的中心频率。

同理，第二DDS输出信号的多普勒频偏应为：

f_{d 2} = \frac{f_{0} f_{dr}}{f_{i}} - - - (5)

把式(3)和式(4)代入式(5)得：

f_{d 2} = \frac{f_{r} f_{d 1}}{f_{i}}

式中：f_i为中频调制载波频率。由此可见，两个DDS输出信号的多普勒频偏呈线性比例关系，且只与射频载波频率和中频载波频率的比值有关。

所以第一DDS和第二DDS输出信号的频率分别为：

f₁＝f₀+f_d1

f_{2} = f_{0} + f_{d 2} = f_{0} + f_{d 1} \frac{f_{r}}{f_{i}}

这样，就可以通过在对第一DDS的频偏控制量上乘一个系数得到给第二DDS的频偏控制量。

在每个更新时刻，第一DDS的频率控制字FCW1(n)和第二DDS的频率控制字FCW2(n)分别为：

FCW 1 (n) = f_{1} (n) \times \frac{2^{N}}{f_{s}} = (f_{0} + f_{d 1}) \times \frac{2^{N}}{f_{s}}

FCW 2 (n) = f_{2} (n) \times \frac{2^{N}}{f_{s}} = (f_{0} + f_{d 1} \frac{f_{r}}{f_{i}}) \times \frac{2^{N}}{f_{s}}

式中N为DDS频率控制字的位数，f_s为DDS内的采样时钟频率。

这样根据频率动态要求，对应每一更新时刻的频率计算得到每一更新时刻的伪码频率控制字输入第一DDS，第一DDS以基准时钟信号为参考，控制产生包含伪码多普勒频偏的时钟信号。根据射频频率与中频频率之间的比例因子得到每一更新时刻载波频率控制字输入第二DDS，第二DDS以基准时钟信号为参考，控制产生包含载波多普勒频偏的时钟信号。

第一DDS输出的包含伪码多普勒频偏的时钟信号输入扩频发射机，通过分频的方式产生包含伪码多普勒频偏的码时钟，码时钟通过驱动码生成多项式或查码表的方式产生发射伪码，发射伪码对信息数据扩频调制后得到基带扩频信号。将DDS2输出的包含载波多普勒频偏的时钟信号倍频后产生中频载波信号，对扩频发射机扩频调制后的基带扩频信号进行直接调制，最终得到伪码和载波都具有多普勒特性的中频信号。

频率动态的模拟，应在满足模拟精度的情况下，保证输出信号频率变化的连续性，避免由于产生的信号频率突变而导致接收机失锁，对DDS的控制频度要高，频率步进要小，频率控制分辨率要高。根据应用对象的射频频率与中频频率及DDS的中心频率，将射频载波的动态模拟要求(包括频率多普勒变化范围F_max和最大频率多普勒变化率ΔF_max)换算到DDS输出信号频率的动态模拟特性(包括频率多普勒变化范围F_Dmax和最大频率多普勒变化率ΔF_Dmax)，动态模拟特性要满足

ΔF_Dmax＝f×S

其中f为控制频度，S为DDS的频率步进(频率控制精度，一般取小于1mHz)，所以频率控制频度

f = \frac{Δ F_{D \max}}{S}

实际使用时需要考虑DDS器件的性能。

根据实际应用要求，基于对双DDS的频率控制，本发明方法实现了包括匀速直线运动模型(多普勒频率固定，可根据需要设置)、匀加速直线运动模型(多普勒频率变化率固定，可根据需要设置)和变加速直线运动模型(多普勒频率正弦变化，频率变化范围和周期可设置)的模拟。图2、图3、图4分别给出了射频载波多普勒频率在±5kHz内正弦变化，周期为70秒时的射频载波频率多普勒模拟曲线、用测距接收机跟踪接收的射频载波多普勒以及两者之间的差。将模拟产生的发射信号的多普勒频率和接收机实际跟踪解算的动态频率值进行了比对。图2中的正弦波曲线幅度为5kHz，周期为70秒，为射频载波频率动态的理论模拟，图3中的曲线为用测距接收机接收该方法产生的中频信号，并进行测距，从测距值的变化推算出跟踪到的射频载波多普勒变化，图4为动态模拟值与实际跟踪结果的差，从图4可以看出，射频载波频率多普勒跟踪误差在10Hz以内。由此可以看出，基于对双DDS的频率控制产生的发射信号的动态特性与理论计算的多普勒频偏一致。

实施例

下面以产生带有载波多普勒频偏的140MHz中频信号为例进行说明。

如图5所示，所涉及的系统由人机接口单元、DDS1、DDS2、扩频发射机和中频调制器组成。根据动态模拟要求和射频/中频频率在人机接口单元中设置频率参数和DDS比例系数，产生对应的频率动态模型，计算出10MHz频率的频率控制字，人机接口单元产生的频率控制字1控制DDS1以输入10MHz信号为参考，综合产生带有伪码多普勒频偏的10MHz信号。同时根据载波频率与伪码速率的线性关系，进行载波频率多普勒的模拟过程：计算出10MHz频率的频率控制字，人机接口单元产生的频率控制字2控制DDS2以输入10MHz信号为参考，综合产生带有载波多普勒频偏的10MHz信号。

DDS采用AD公司的数字频率合成器AD9852结合滤波器实现。滤波器根据输出信号的频率范围确定带宽。

本实施例中，对DDS的控制频度不少于20000次/秒，最小步进小于1mHz，频率控制分辨率优于0.1mHz。模拟频率小动态变化，10MHz信号频率变化率小于1mHz/秒；模拟频率大动态变化，可以平滑的模拟10MHz信号频率变化率大于20Hz/s。频率字量化精度最高为48位二进制数量化。

在电路设计方面，两个DDS的电路设计一致。此外，为保证伪码多普勒与载波多普勒的对应关系，要同时控制两个DDS。

DDS1输出的包含伪码多普勒的10MHz信号输入扩频发射机，产生包含多普勒的5MHz码钟，用于产生发射伪码，发射伪码对数据扩频调制后得到基带扩频信号。将DDS2输出的包含载波多普勒的10MHz信号14倍频后产生140MHz中频载波信号，对基带扩频信号进行直接调制，最终得到伪码和载波都具有多普勒特性的140MHz中频信号。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims

1.一种采用双DDS在中频模拟射频信号频率动态的方法，其特征在于步骤如下：

其中f₀为输入参考频率，

其中f_r为射频载波频率，f_i为中频调制载波频率；

2.根据权利要求1所述的一种采用双DDS在中频模拟射频信号频率动态的方法，其特征在于：所述的第一直接数字频率合成器的频率控制字或者第二直接数字频率合成器的频率控制字的输入参数包括控制频度f和频率控制精度S，且满足关系式ΔF_Dmax＝f×S，其中ΔF_Dmax为第一直接数字频率合成器或者第二直接数字频率合成器输出信号的最大频率多普勒变化率。