基于星历信息的星地链路补偿关键技术及FPGA实现

张 萌

基于星历信息的星地链路补偿关键技术及FPGA实现

张 萌

（中国电子科技集团公司第二十研究所，西安 710068）

针对星地链路中的多普勒频偏和采样点漂移问题，分析了多普勒频偏和采样点漂移产生的原因，提出了一种基于星历信息的补偿技术，采用Farrow滤波补偿采样点漂移，并在FPGA中进行实现验证，对滤波前后的波形进行对比，性能基本保持一致。

星地链路；多普勒频偏；采样点漂移；Farrow滤波器；FPGA

0 引言

低轨道（Low Earth Orbit，LEO）卫星移动通信系统因卫星运行轨道低、运动速度快，星地链路间的多普勒频偏和采样点漂移对星地通信性能产生了很大的影响[1]。

为解决这一问题，传统上一般采用频率测量的方法，通过分段估计实现对多普勒频率的逐步逼近；或采用锁相环方式对频率进行跟踪。本文针对固定区域内与卫星可靠通信的需求，提出了一种基于星历信息的多普勒补偿技术，在不改变地面终端成熟波形的前提下，将波形进行改造，使其能够运行在卫星载荷，无需实时测量或跟踪频率，采用基于星历信息和网络规划等态势预测手段，基于直接数字频率合成（Direct Digital Frequency Synthesis，DDS）和Farrow滤波，实现多普勒频偏和采样点漂移的动态补偿[2,3]。

1 卫星链路多普勒频偏及采样点漂移分析

多普勒频移一般由卫星和地面终端的相对速度决定，卫星端和地面端的相对位置关系图如图1所示。

图1 卫星与终端位置关系图

进一步可得：

对于星地链路，由于低轨卫星的高速移动，星地通信终端的位置距离实时发生变化，数字信号的采样点会根据星地切向距离的远近产生漂移，如图2所示。

图2 星地信号采样点漂移示意图

此偏移可以等效为采样钟漂移，由目标移动带来的采样钟漂移类似多普勒频偏[4]，即：

将载波频率换成采样频率，即可得到采样钟漂移。对信号进行重新采样即可得到采样钟漂移的信号。

2 基于星历信息的多普勒补偿关键技术

根据第1节分析可知，在不考虑噪声的前提下，星地链路的主要影响是多普勒频偏和采样点漂移。对于地面固定区域内（半径100 km）的用户， 1 200 MHz载波频率下，两个用户间的多普勒频偏变化范围仅为±175 Hz，由此可见，主要多普勒频偏为星地间多普勒频偏，且不同地面用户间频偏相差不大。因此，完全可以从卫星星历得到卫星的位置参数及角速率，根据卫导等手段，可以获得地面用户的位置信息，两者结合可以计算出星地用户间的多普勒频偏和固定时间内的采样点漂移。

星地链路通信时，地面终端用户正常收发，卫星终端在发射时对多普勒频偏和时延进行预补偿；在接收时，对多普勒频偏和时延进行频偏和时延校正，由此可以消除卫星引入的多普勒影响。

对于多普勒频偏，采用基于DDS的频偏补偿设计，根据实时计算出的频偏值，产生对应的频偏载波，在发送端进行预补偿或在接收端进行补偿；对于采样点漂移，采用基于Farrow滤波的补偿设计，根据频偏值计算对应的输入输出采样率及插值和抽取倍数，从而完成采样点漂移补偿。

为验证此方案的可行性，本文针对已经广泛应用的某300 km视距通信波形进行相应改造，该波形特点为：采用最小频移键控（Minimum Shift Keying，MSK）调制和非相干解调，每个脉冲持续13 μs，占空比50%，按脉冲进行高速跳频，没有任何频偏和相偏校正功能，每个时隙近8 ms，符号速率5 MBaud，基带采样率40 Msps。改造后，发送端将调制后的8倍插值改为10倍插值，将基带采样率由40 Msps改为50 Msps，增加Farrow滤波器，滤波后采样率40 Msps，同时预置多普勒频偏；在接收端，将AD采样率由40 Msps改为80 Msps，下变频后，经过Farrow滤波变为40 Msps，之后加频偏校正，再进行之后正常的接收过程。

发送端和接收端的组成分别如图3和图4所示。

图3 发射端改造前后组成框图

图4 接收端改造前后组成框图

3 基于Farrow滤波的采样点漂移校正及FPGA实现

图5 Farrow滤波器结构

Farrow结构直接计算内插估值点，而不需要计算中间的滤波器系数，实现起来相当简单。Farrow结构适于硬件实现，且其滤波器系数固定，每次只需根据内插估值点来调整采样值，因此特别适合需要动态调整采样值的场合。

具体实现方法为，先在高速时钟下进行插值，再在低速时钟下进行抽取[9,10]，本文针对具体波形的发射和接收采样速率不同，设计两种内插和抽取方式，其在不同采样漂移下对应的插值和抽取倍数分别如表1和表2所示。对于发送端，输入采样率固定，输出需要提前补偿采样点漂移，因此所需的输出采样率介于39.999～40.001 Msps之间。对于接收端，输出采样率固定，对应的实际输入信号由于星地链路影响，输入采样率在79.998～80.002 Msps之间。

表1 发送端不同频偏对应内插和抽取倍数

表2 接收端不同频偏对应内插和抽取倍数

具体设计的Farrow架构如图6所示。

图6 Farrow滤波器的FPGA实现架构

图6中，decim表示抽取倍数；inter表示内插倍数；wr_clk为双口RAM写时钟（在发送端，该时钟为50 MHz，在接收端，该时钟为80 MHz）；wr_addr为双口RAM写地址；wr_en为双口RAM写使能；wr_data为双口RAM写数据；rd_clk为双口RAM读时钟；rd_addr为双口RAM读地址；rd_data为双口RAM读数据；wr_null_flag为写操作拉低标志，用来判读写使能是否拉低。

工作时，读时钟域采用流水操作，读地址顺序累加，将RAM中的数据顺序读出。写地址需要根据插值和抽取倍数，连续写入几个数据后，空一格节拍，再写下一个数据，其时序关系如图7所示。

图7 写地址/使能控制时序

图7中，写使能wr_en根据wr_null_flag的正负判断为高还是为低。当wr_null_flag＞0时，则wr_en为高，写地址wr_addr顺序累加，将对应的数据顺序写入双口RAM，如图7中data0，data1……。当wr_null_flag≤0时，则wr_en为低。当wr_en为低时，写地址wr_data不再增加，保持不变，直到wr_en为高时，继续增加，如图7中的wr_addr=3，此时对应的data3写入双口RAM，data4不写入双口RAM。与此同时，读地址rd_addr顺序读出，则将不需要的点排除，如图7中data4和data8。

wr_null_flag工作在写时钟域，其值由插值和抽取倍数决定，若当前时刻，wr_null_flag＞0，则下一时刻其值为wr_null_flag+inter-decim；若当前时刻，wr_null_flag≤0，则下一时刻其值为wr_null_flag+inter，其中，inter为插值倍数，decim为抽取倍数。

在FPGA中实现后，可以看到波形经过Farrow滤波器前后的MSK调制信号的对比，如图8所示。

图8 Farrow滤波前后MSK调制信号对比图

图8中，前两行信号mskIdata_out和mskQdata_out为Farrow滤波前50 Msps下MSK调制的IQ信号，后两行mskIdata_farrow和mskQdata_farrow为Farrow滤波后40 Msps输出信号，从时域波形看，两者差别不大。

为进一步分析Farrow滤波的影响，将MSK调制信号换成5 MHz单载波信号，将Farrow滤波前后单载波信号导入Matlab，分析信噪比，得到信噪比分析结果分别如图9～图11所示。

图9 Farrow滤波前5 MHz单载波信噪比分析图

图10 Farrow滤波后低通滤波前5 MHz单载波信噪比分析图

图11 Farrow滤波后低通滤波后5 MHz单载波信噪比分析图

通过仿真分析可见，Farrow滤波前，单载波信噪比为98 dB，Farrow插值滤波后，由于谐波分量存在，单载波信噪比降为24 dB，为提升信噪比，只需在Farrow滤波后再加一级有限长单位冲激响应（Finite Impulse Response，FIR）低通滤波，滤除谐波分量，即可将信噪比恢复为97 dB，信噪比仅降低1 dB。谐波与主信号相差70 dB以上，不影响系统接收性能。

4 结语

本文针对星地链路间的多普勒频偏和采样点漂移问题，提出了基于星历信息的通用解决方案，采用Farrow滤波器解决了采样点漂移问题，并在FPGA中进行了实验验证。通过在线抓取实际波形，并导出进行数据分析，证明该方法可行，几乎不会降低信号性能。

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Key Technique and FPGA Implementation of Satellite-Ground Link Compensation Based on Handoverephemeris Information

ZHANG Meng

To solve the doppler frequency offset and sample drifting of the satellite-ground link, the generation of doppler frequency offset and sample drifting is analyzed. A compensation technique based on handoverephemeris information is proposed, farrow filter is used to compensate the sample drifting and it is verified in FPGA. The waveform before and after the filter is compared, and the performance is almost same.

Satellite-Ground Link; Doppler Frequency Offset; Sample Drifting; Farrow Filter; FPGA

TN791

A

1674-7976-(2022)-05-363-06

2022-04-08。张萌（1988.08—），河南郑州人，硕士研究生，工程师，主要研究方向为通信信号处理。