一种FSK地面接收系统的设计*

摘 要：设计实现了一款针对接收探空仪发射信号的FSK调制信号的地面接收系统，该地面接收系统通过接收天线、低噪放、基带解调板，实现探空仪FSK信号的频率锁定、位同步、帧同步最终解调的功能。该地面接收系统能在探空仪发射信号强度+10～-120 dBm范围内对信号进行解调，同时针对探空仪发射信号源存在相位抖动的问题，能快速锁定频点范围内±250 kHz范围的信号。经过现场测试，该地面接收系统具备在200 km的斜距范围内接收探空仪发射3 dBm的信号，数据误码率≤1×10^-5。

关键词：FSK；探空仪；信号解调；地面接收系统

*基金项目：广东省大湾区集成电路与系统应用高水平创新研究院建设，项目编号2019B090909006；

广东省 大湾区集成电路与系统应用研究院高水平新型研发机构建设，项目编号2019B090904015；

基于2X纳米及以下 FDSOI 技术的先导工艺研究及低功耗物联网特色引导芯片研发，项目编号2021B0101280002；

基于FDSOI工艺的物联网智能感知与嵌入式存储电路的核心技术研究，项目编号202103020001。

目前，高空气象探测主要使用探空仪发射 FSK 信号进行信息传输。探空仪作为信号发射源（以下简称为信号源），发射的频率范围为 400 ～ 406 MHz，调制方 式为频移键控 (frequency-shift keying, FSK)，该调制方式具有抗干扰能力强、传输距离远、低码速率等特点，广泛运用在远距离传输 ^[1]。探空仪与地面接收系统之间 的距离为 10 m ～ 200 km，探空仪的发射源的发射功率在 200 mW±20 mW, 这就对地面接收系统具有高灵敏度和大动态范围的要求。同时，由于各个厂商之间的探 空仪之间存在比较大的频偏，所以就需要地面接收系统在所接收频点 ±250 kHz 的范围内实现快速锁定解码的功能。这就对地面接收系统整体性能提出很高的要求。

目前，针对探空仪地面接收系统有几种方案设计，一种是使用专用的 ASIC 芯片进行对 FSK 地面接收系统进行设计，该方案具有可扩展性低、不易改变和灵活性差等缺点 ^[2]；另一种是使用非相干解调方法对 FSK 进行解调 ^[3]，这种方案灵敏度达不到要求。

本FSK地面接收系统从功能及性能上进行综合考虑，通过天线、下变频和基带解调板实现高灵敏度、大动态范围以及 ±250 kHz 频偏范围内实现 FSK 接收。其中，基带解调板使用 FPGA 进行算法设计，这样有效提高了开发效率和系统实时性要求，便于将来功能拓展及二次开发。

本文根据信号源的无线信号发射特性，经过对信号链路的详尽预算，对地面接收系统进行整体设计。

1 系统原理设计

本地面接收系统即要求信号源的信号强度在 +10 dBm 的情况下系统能正常解调，也要求在信号源与地面接收系统直线距离≥ 200 km 时，接收到数据的误 码率≤ 1×10^-5。通过计算信号源与地面接收系统距离 200 km 时的系统链路预算（如表 1 所示），计算出系统的灵敏度需要达到 -120 dBm 才能满足要求。于是系统硬件根据指标计算由天线及低噪放、下变频和基带解调板 3 部分组成（如图 1 所示）。

                    图1 硬件设计框图

1.1 天线及低噪放

由于地面接收系统在远距离接收探空仪信号时，需要使用低噪放放大信号。低噪放的增益满足在信号源大增益环境下，基带解调板上的 ADC 不至于饱和造成性能下降无法解调的现象；同时在微弱信号情况下，将小信号放大，保证噪声控制，提高基带解调板的接收灵敏度。本系统低噪放的增益为 40 dB，噪声系数≤ 1，带内平坦度 ±0.5 dB。这样，从天线接收到的信号在 +10 ～ -120 dBm 范围内的信号，经过低噪放后输出给下变频的信号强度为 +20 ～ -80 dBm。

1.2 下变频

下变频通过模拟滤波、混频和放大，将探空仪信号频率转换至 70 MHz 中频，本系统的本振采用低本振方案（330 ～ 336）MHz。同时将低噪放放大的信号经过滤波、数控衰减器及放大器输出一个稳定的中频信号传输至软件无线电平台，方便 FPGA 进行解调算法。下变频的主要技术指标如下：

a）中频输出带宽：1 MHz；

b）小信号增益：≥ -50 dB；

c）镜频抑制：≥ 60 dBc；

d）动态范围：≥ 75 dB。

1.3 基带解调板

基带解调板负责处理中频传来的信号，特别是在低信噪比情况下的微弱信号，为了最大限度地保证能够完成解调降低误码，本系统采用精度 16 位、采样率为 160 MHz 的 AD 转换芯片 ADC16DV160，在输入信号 30 MHz 时的 SNR 为 78 dBFS, 输入信号 97 MHz 时 SNR 仍有 76 dBS，这就保证了基带解调板在低信噪比情况下能解调信号。为了保证采样时钟信号在-40 ℃～85 ℃ 范围内相位噪声与抖动保持稳定，系统采用温补晶振提供采样时钟信号。

根据带通采样原理，本系统采用 100 MHz 采样时钟信号对中频信号进行欠采样，通过时钟芯片将采样信号送至 FPGA 进行算法解调。并将解调数据通过串口传给上位机进行显示。

2 基带解调板解调算法设计

2.1 信号源信号特性

FSK 类信号，可以表示为：

2.2 基带解调算法设计结构

本系统基带算法分为 4 个模块，分别为：数字 AGC 模块、扫频检测模块、解调解码模块和系统控制模块四个程序模块实现。其中，数字 AGC 模块主要用于调整输入中频信号功率，保证后续处理的精度；扫频检测模块负责在信号源频点±250 kHz带宽中找到信号，并且补偿频偏；基带信号处理模块对基带信号进行解调和解码，恢复出二进制数据流；系统控制模块用于各模块的参数配置，状态监控以及数据流程控制。通过有效的算法设计，不仅在功能和性能上满足了系统要求，并且占用 FPGA 资源少，降低了系统的硬件成本。其算法结构如图 3 所示。

图3 解调算法结构框图

2.3 数字AGC模块

数字 AGC 模块主要用于调整输入中频信号功率，保证后续信号处理的精度 ^[4]。AGC 检测下变频频点 70 MHz±250 kHz 有效带宽信号的功率，并与参考功率作比较，并根据比较结果调整可变放大器（衰减器）的增益，输出的增益值应维持在一个稳定的值。特别是在信号源输入微弱信号的时候，由下变频进入基带解调板的信号平均幅度相对较小，所以需要用 AGC 将增益调大；若信号源输入信号较大时，又需要增益值迅速减小，以免造成器件的损坏。

数字 AGC 算法的增益值计算公式为：

2.4 扫频检测模块

2.4.1 第1级数字下变频

信号通过 DDS 频率合成器进行正交下变频，然后经过积分梳状 CIC 滤波器、半带滤波器和低通滤波器将采样率作50倍抽取，变成2 MHz采样率的复基带信号^[5]。

2.4.2 扫频检测

图5 扫频信号流程

图 6 所示为 FSK 信号的功率谱，只需要检测到 FSK 信号能量最大的位置，然后在这个位置的左右两边间隔带宽位置附近搜索第 2 高的信号能量。这样两个能量位置的中间点即为FSK信号的频点。该算法结构简单、锁频速度快、效率高、稳定性高 ^[6]。

图6 FSK信号功率谱

2.5 解调解码模块

2.5.1 第2级数字下变频

第 2 级数字下变频提取出调制信号，并进一步减少信号采样率，该采样率只要大于 8 倍码元速率即可。

2.5.2 FSK信号解调

如图 7 所示，2FSK 信号误码率要求 1×10^-5 的情况下。采用相干和非相干算法的理论解调可以看出，相干解调算法优于非相干解调算法 3 dB 以上。所以本系统采用相干解调算法。

图7 不同解调方式误码率对比

对于相干解调算法，其原理框图如图所示。解调器采用自动频率跟踪环 AFC 完成频偏跟踪，采用基于 Gardner 算法的时钟环路完成时钟频率跟踪 ^[7]。解调器的主要特点如下：

a）输入采样率大于 8 倍采样即可；

b）AFC 的跟踪范围为：

c）一阶时钟环可捕获并跟踪的发射与接收机之间的时钟偏差为 ±500∗10⁻⁶ µs 。

图8 相干解调器原理框图

基于VHDL程序进行仿真，输入信号基本情况如下：调制方式为 2FSK，SNR 为 18 dB，相对于码元速率的归一化频偏为 1。图 10 和图 11 分别为时钟环和 AFC 的收敛曲线。

图9 时钟环收敛曲线

图10 载波环收敛曲线

2.5.3 帧同步与解码

由于信号源采用了 Bi-L 编码，因此解码之前需要确认编码起始位置。本系统采用了搜索独特码位置，根据信号源发送数据的固定码元，每隔固定码元后将出现一组独特码型，如果连续检测到间隔为固定码元的疑似独特码型，则确认为帧同步，完成解码 ^[8]。

帧同步模块同时可以监测系统工作是否正常，若发射源信号消失、解调失锁都会导致异常，即会监测不到均匀间隔的连续独特码型的情况，此时通知系统控制模块对系统进行复位操作。

2.6 系统控制模块

系统控制模块主要完成参数配置，根据发射源信号的实际情况通过 RS232 反馈至上位机。

3 系统测试

通过信号源与地面接收系统用射频线直连，发射 FSK 信号。当信号源发送分别发送 +10 ～ -120 dBm 信号的时候，地面接收系统能够很快锁定信号，并解调数据，误码率≤ 1×10^-5。当发送的频点发生偏移时，在范围 ±250 kHz 范围内能正常解调，不影响接收。

在实际测试过程中，信号源发射频率为 403 MHz，频偏 16 kHz，距离地面接收系统的斜距≥ 250 km，地面接收系统接收数据的有效率≥ 95%。

4 结束语

本文设计实现了一种高性能通信信号地面接收系统，针对信号源信号速率低、频偏大的特点，基于 FPGA 解决了低速信号高精度检测的难题。特别是面对微弱信号，信噪比处于解调临界值的时候，通过对解调算法的处理，减少了系统的误码率。本系统采用软件无线电通用平台处理解调算法，可编程性强，研发成本低等优点。

参考文献：

[1] 刁晨昊,王成刚,严家德,等.基于GNSS的新型大气边界层探空仪[J].电子测量技术,2021,44(23):73-77.

[2] 毛志圣.基于STC12C2052的模拟FSK调制解调[J].电子制作,2013,(13):8.

[3] 李帅,李辉,漆志龙,等.一种2FSK非相干盲解调系统设计[J].无线电工程,2015,45(04):29-31.

[4] JAMES F. A simple, adaptable AGC circuit for the simple high-frequency communications receiver[J]. QST,2021,105(8):33-35.

[5] 吴云树,汪浩.基于FPGA的数字下变频技术研究[J].国外电子测量技术,2019,38(11):113-118.

[6] C M WATSON. Signal detection and digital modulation classification-based spectrum sensing for cognitive radio[J].Northeastern University,2013.

[7] 朱博文,韦玉峰,高洁,等.Gardner位同步算法及其在中继卫星模拟器中的应用[J].空间电子技术,2021,18(01):59-64.

[8] 唐平,赵文,高原,等.一种适用于突发通信的快速帧同步方法[J].电子技术与软件工程,2021(02):22-23.

(注：本文转载自《电子产品世界》杂志2022年11月期)