一种支持任意码率的PCM-FM遥测接收机设计

王仁智，吴江波，张春泽

一种支持任意码率的PCM-FM遥测接收机设计

王仁智，吴江波，张春泽

（天津讯联科技有限公司 天津 300308）

PCM-FM调制技术是遥测系统中应用最广泛的调制体制，遥测接收机是遥测系统的重要单机。针对目前遥测接收机系统复杂、体积笨重、操作不便、采购成本高昂的痛点，设计了一款通用便携遥测接收机，采用了任意采样率转换技术、坐标旋转数字计算方法CORDIC（Coordinate Rotation Digital Computer）鉴频、多普勒频移控制技术和位同步控制技术，具有硬件资源消耗少、支持任意码率可调、易于集成和小型化设计等优点。

遥测接收机；PCM-FM；零中频；CORDIC鉴频；自动频率控制

引 言

遥测接收机具有多次重复使用和多项目型号交叉使用的特点，除了参与飞行器的发射任务外，还参与飞行器的生产、验收、转场、试验过程的各个任务环节。飞行器的发射过程通常采用靶场提供的大型遥测接收系统，实现全过程的数据记录，但遥测接收系统通常无法实现遥测数据的实时解析和显示，项目组还需要配备具有实时解析功能的遥测接收机，进行飞行器发射初期的遥测数据的接收和实时解析显示，第一时间获得实验数据以方便做判断决策。

因此，研究一款性能稳定、体积便携、操作简单、通用经济的遥测接收机能在提高工作人员的效率、保障各个任务环节的时间节点情况下，有效降低项目研发成本。本文设计了一款通用便携式遥测接收机，该接收机采用了先进的零中频ZIF（Zero Intermediate Frequency）架构和软件定义无线电SDR（Software Defined Radio）思想，能够实现接收频点70 MHz～6 GHz任意可选，码速率10 kbps～10 Mbps任意可调。

1 PCM-FM遥测接收机

遥测系统包括遥测发射系统和遥测接收系统。遥测发射系统通常由采编调制器、功率放大器、遥测天线等构成；遥测接收系统由遥测天线、低噪声放大器、遥测接收机、显示系统、记录系统和时钟系统等构成。其中，遥测接收机作为遥测接收系统的关键单机对遥测接收系统性能影响很大。

PCM-FM遥测技术具有抗尾焰和相位噪声能力强的特点，是航空航天领域使用最广泛的通信技术，国内外对其研究很多。闫冬等人采用CORDIC鉴频算法实现了一款中频调频接收机[1]。何晓华等人在文献中介绍了一种利用差积和点积来求得信号的近似反正切值的鉴频方法[2]。杨明极和马琳采用软件无线电的思想对常见的解调算法进行了仿真分析[3]。郑忠楷等人采用包络检波的方法在FPGA中实现FSK解调[4]。赵军等人对FSK的差分解调方法进行了分析仿真[5]。张磊采用GC4016芯片设计了一款全数字鉴频器[6]。传统PCM-FM遥测接收机多采用超外差接收架构，超外差架构存在接收频点范围小、通用性差、体积笨重等缺点。零中频架构遥测接收机[7]随着集成电路工艺的进步，镜像抑制和本振泄露问题得到极大的改善，与超外差架构遥测接收机相比解调性能相当，但在体积、功耗和重量方面有明显优势。

2 关键技术

2.1 采样率转换

固定的过采样倍数对于接收机的解调同步至关重要，本文采用8倍过采样实现遥测解调。对于固定AD采样率接收机，实现任意码率可调的关键是数据在进入鉴频器之前完成任意采样率转换。例如，当AD采样速率为120 Msps，码率为10 Mbps时，需要完成120 Msps到80 Msps的1.5倍降采样。

通过可变时长积分器和小数分频器组合实现任意采样率转换。可变时长积分器的数学表达式为：

可变时长积分器的目的是降低噪声、提高信噪比。为了实现精确的采样率转换还需要配合小数分频器，小数分频器的数学表达式如下：

其中，是输入时钟频率，是输出时钟频率，a和b是分频因子，通过a和b的组合实现任意小数分频。小数分频器的算法如图2所示。

图2 小数分频器算法框图

图2中使用了2个D触发器、1个加法器和1个比较器完成了任意小数分频，分频系数为。

2.2 CORDIC鉴频

CORDIC算法由Volder. J于1959年首先提出。该算法将复杂的三角运算分解成加法和移位运算，方便在FPGA等硬件实现。CORDIC的迭代公式如下所示：

表1 CORDIC迭代次数与计算精度

由表1可知，随着迭代次数的增加，计算结果的精度也会不断地提高，选择合适的迭代次数完全能够满足鉴相、鉴频的要求。迭代10次以上即能满足解调精度的要求。

结合CORDIC算法的迭代特性，该算法用于硬件实现的算法框图如图3所示。一次迭代只需要2次移位运算、一次查表运算和3次加法运算即可完成。

图3 CORDIC算法单次迭代算法框图

数字域中微分关系可以由一阶差分代替，式（4）可以转换为：

2.3 多普勒频移控制

多普勒频移是发射频率与接收频率之差[8,9]，由于发射频率与接收频率固有频差与收发两端相对运动引起的频差特性一样，本文统称为多普勒频移。在PCM-FM中，数据“0”和数据“1”使用不同的频率表示，多普勒频移会引起解调器误判，产生误码。航空航天领域中飞行器具有运动速度快、加速度大和接收信号信噪比低的特点，从而加剧了多普勒频移的影响。找到一种简单、有效的自动频率控制AFC（Automatic Frequency Control）方法是提升调频接收机性能的关键。

图4 AFC算法框图

2.4 位同步算法

位同步采用DTTL环的定时同步方法，鉴频输出结果送入到位同步处理单元，分别经过同相和中相的积分。同相积分完成定时误差信息的符号判断，中相积分确定定时误差信息的数值。定时误差信息经过环路滤波器处理后通过调整采样时刻，从而改变同相和中相积分的积分时刻，直到误差越来越小。同相积分器结果经过符号检测硬判决后，输出位同步数据流。位同步算法如图5所示。

图5中，为算法的输入信号，为算法的结果输出。同相积分器在清洗时刻取样输出信号的极性只取决于输入码元的极性，而与是否同步、位同步时钟超前还是滞后没有关系。中相积分器在清洗时刻取样输出信号极性不仅与输入码元在其积分区间内的转换方向有关，而且还与本地估算时钟是超前还是滞后于输入码元方向有关。两者经过乘法器后能抵消符号跳变对鉴相的影响。

图5 位同步算法框图

3 设计仿真

设计采用Xilinx公司的XC7Z035芯片和ADI公司的AD9361芯片作为遥测接收机的主要处理芯片。XC7Z035集成PS端双核ARM Cortex-A9加上PL端Kintex-7架构28 nm可编程逻辑资源。可通过PS端配置及烧写PL端程序，且通过PS可以拥有丰富的外部端口。AD9361作为一款高集成度的器件，完成低噪声放大、下混频、AD正交采样的零中频接收机的通道功能，频率覆盖70 MHz～6.0 GHz的频率范围，从而大大简化了遥测接收机的设计。

采用Agilent E4438C信号源产生码率为10 Mbps，射频频点为2.4 GHz，使用119 Msps的采样率代替120 Msps的采样率，来模拟产生1 MHz码多普勒频移，通过设置频点的方式产生2 MHz多普勒频频移。AD9361输出的正交采样数据如图6所示。

由于存在噪声，采样信号有许多尖峰毛刺，对信号进行适当的滤波处理和采样率转换，再进行CORDIC鉴频运算，鉴频运算结果如图7所示。

图6 AD采样的正交数据

图7 CORDIC鉴频输出结果

由于存在多普勒频移，波形的中心进行了上移，将带有多普勒频移的鉴频结果，送入AFC处理模块，处理结果如图8所示。由图中可见，经过AFC模块处理之后的鉴频输出，已经不存在偏置，这样再进行后续的位同步和硬判决过程中能有效地降低误码率。

在位同步锁定的情况下，位同步模块产生了稳定的NCO控制信号，此控制信号的变化曲线如图9所示。

图8 经过AFC处理的鉴频输出

图9 位同步环路锁定过程

在仿真中，NCO控制信号经过短暂的快速爬升，迅速达到了一个动态平衡锁定状态，可见该位同步模块同步精度高、收敛速度快。

遥测接收机的实物外形尺寸如图10所示，实物（包括耳片,不包括外部连接器）尺寸为125 mm× 70 mm×12 mm，重量仅为139 g。在对遥测接收机进行了40 min拷机试验后，分析接收数据显示无丢帧错帧情况。详细指标测试情况见表2。

图10 遥测接收机实物图

表2 遥测接收机的指标测试情况

4 结束语

本文基于软件无线电的思想，采用了零中频硬件架构平台设计制造了一款PCM-FM遥测接收机。该接收机性能稳定、简单灵活、通用性好，以手机大小的体积和小于200 g的重量实现了传统遥测站的全部功能，并且已经在航天某院某部的遥测项目中获得交付使用，性能在实验室和靶场经过测试验证，性能满足用户需求且稳定可靠，获得用户肯定。

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YAN Dong, CHENG Yayong, SUN Dayuan. Demodulation of PCM-FM signal based on FPGA[J]. Radio Engineering, 2016, 46(6): 34–37, 56.

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XIE Shunqin, ZHONG Sheng, FAN Jing, et al. Carrier frequency synchronization for large dynamic PCM/FM signals[J]. Telecommunication Engineering, 2017, 57(3): 276–281.

Design of PCM-FM telemetry receiver supporting arbitrary bit rate

WANG Renzhi, WU Jiangbo, ZHANG Chunze

（Tianjin Xunlian Technology Co., Ltd., Tianjin 300308, China）

PCM-FM modulation is the most widely used modulation in telemetry system, and telemetry receiver is an important part of telemetry system. Aiming at the pain points of complex telemetry receiver system, bulky volume, inconvenient operation and high procurement cost, a portable general telemetry receiver is designed, which adopts arbitrary sampling rate conversion technology, CORDIC frequency discrimination technology, Doppler frequency shift control technology and bit synchronization control technology have many characteristics, such as less hardware resource consumption, supporting arbitrary bit rate adjustment, easy integration and miniaturization design.

Telemetry receiver; PCM-FM; Zero-IF; CORDIC frequency discrimination; AFC

Website: ycyk.brit.com.cn Email: ycyk704@163.com

V556.1

A

CN11-1780(2022)06-0089-07

10.12347/j.ycyk.20211220001

王仁智, 吴江波, 张春泽.一种支持任意码率的PCM-FM遥测接收机设计[J]. 遥测遥控, 2022, 43(6): 89–95.

10.12347/j.ycyk.20211220001

: WANG Renzhi, WU Jiangbo, ZHANG Chunze. Design of PCM-FM telemetry receiver supporting arbitrary bit rate[J]. Journal of Telemetry, Tracking and Command, 2022, 43(6): 89–95.

王仁智（wangrzh@yeah.net）

2021-12-20

2022-01-01

王仁智 1984年生，硕士，高级工程师，主要研究方向为遥测遥控、通信数据链、单脉冲跟踪接收。

吴江波 1987年生，硕士，工程师，主要研究方向为通信数据链、遥测技术、产品可靠性提升。

张春泽 1978年生，硕士，研究员，主要研究方向为信息传输与处理、卫星导航与应用。

(本文编辑：傅 杰)