S頻段聯(lián)試應(yīng)答機(jī)的改進(jìn)設(shè)計(jì)

江曉鳳

(中國(guó)西南電子技術(shù)研究所,成都 610036)

S頻段聯(lián)試應(yīng)答機(jī)的改進(jìn)設(shè)計(jì)

江曉鳳

(中國(guó)西南電子技術(shù)研究所,成都 610036)

針對(duì)S頻段聯(lián)試應(yīng)答機(jī)提出了接收和發(fā)射頻綜共用的改進(jìn)設(shè)計(jì)方案,對(duì)改進(jìn)后的應(yīng)答機(jī)頻率關(guān)系、組合干擾、信號(hào)處理單元以及信道單元設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析、仿真和測(cè)試,結(jié)果表明其功能和性能指標(biāo)滿(mǎn)足S頻段測(cè)控系統(tǒng)的系統(tǒng)聯(lián)試要求。該設(shè)計(jì)在滿(mǎn)足接收和發(fā)射載波頻率相干轉(zhuǎn)發(fā)比的同時(shí)節(jié)省了一個(gè)頻綜,同以往的S頻段聯(lián)試應(yīng)答機(jī)相比具有硬件電路簡(jiǎn)單、成本低、可靠性更高的優(yōu)點(diǎn)。

航天測(cè)控系統(tǒng);S頻段應(yīng)答機(jī);相干轉(zhuǎn)發(fā)比;軟件無(wú)線(xiàn)電

1 引 言

測(cè)控任務(wù)的不斷增加以及測(cè)控系統(tǒng)的不斷更新,對(duì)相應(yīng)的星載設(shè)備及地面設(shè)備的要求也越來(lái)越高,除要求地面設(shè)備滿(mǎn)足各種功能指標(biāo)外,還需具備高可靠性。聯(lián)試應(yīng)答機(jī)在地面測(cè)控站中廣泛使用[1]。S頻段聯(lián)試應(yīng)答機(jī)是S頻段航天測(cè)控系統(tǒng)的重要配套設(shè)備,它主要用于模擬星上設(shè)備,在不執(zhí)行任務(wù)時(shí)與S頻段統(tǒng)一測(cè)控系統(tǒng)構(gòu)成閉環(huán),完成測(cè)控站的系統(tǒng)功能檢查和指標(biāo)測(cè)試[2]。為了滿(mǎn)足S頻段上、下行頻率相干轉(zhuǎn)發(fā)比(221/240)的要求,傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法是分別為應(yīng)答機(jī)接收信道和發(fā)射信道配置不同的頻綜,且滿(mǎn)足一定的頻率關(guān)系。頻綜是射頻信道的關(guān)鍵部件,設(shè)計(jì)復(fù)雜,指標(biāo)要求高,體積大,成本高。因此,如果能夠?qū)崿F(xiàn)接收和發(fā)射頻綜的共用,將對(duì)簡(jiǎn)化應(yīng)答機(jī)硬件配置、減小設(shè)備體積、降低成本具有重要意義,同時(shí)也有利于提高設(shè)備的可靠性。

本文提出了一種新的改進(jìn)電路設(shè)計(jì)。在基于與系統(tǒng)鐘同源的基礎(chǔ)上,對(duì)聯(lián)試應(yīng)答機(jī)的信道電路進(jìn)行簡(jiǎn)化設(shè)計(jì),通過(guò)對(duì)信號(hào)處理單元輸出頻率的預(yù)置,來(lái)滿(mǎn)足寬頻段輸出的要求,實(shí)現(xiàn)接收和發(fā)射頻綜的共用。同時(shí),在電路設(shè)計(jì)時(shí)采用了數(shù)字電路和軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù),從而大大提高了應(yīng)答機(jī)的綜合化能力,在工程中具有一定的適用性。

2 聯(lián)試應(yīng)答機(jī)方案的設(shè)計(jì)及工作原理[3-4]

傳統(tǒng)應(yīng)答機(jī)的原理框圖如圖1所示,主要由上變頻器、下變頻器、本振、信號(hào)處理單元、電源模塊、接收頻綜以及發(fā)射頻綜組成。應(yīng)答機(jī)內(nèi)部的模塊共用一個(gè)參考源,設(shè)備引入了寬帶頻綜,按照指令設(shè)置頻率,實(shí)現(xiàn)收、發(fā)信道的全頻段覆蓋[5]。

圖1 改進(jìn)前聯(lián)試應(yīng)答機(jī)原理框圖Fig.1 Principle diagram of unimproved transponder

從測(cè)控系統(tǒng)的要求考慮,希望設(shè)計(jì)出一種設(shè)備體積較小、成本較低、同時(shí)應(yīng)用范圍廣的應(yīng)答機(jī)。根據(jù)技術(shù)指標(biāo)要求,對(duì)可能實(shí)現(xiàn)的各種方案進(jìn)行了反復(fù)的論證。在基于與系統(tǒng)鐘同源的基礎(chǔ)上對(duì)信道電路進(jìn)行簡(jiǎn)化,省去了一個(gè)頻綜,其原理框圖如圖2所示。接收信號(hào)經(jīng)二次下變頻及AGC放大后獲得幅度穩(wěn)定的中頻信號(hào),在射頻信號(hào)沒(méi)有多普勒的情況下該中頻信號(hào)頻率fr是固定值。再進(jìn)行A/D采樣變換成為數(shù)字信號(hào),數(shù)字信號(hào)進(jìn)入信號(hào)處理單元中實(shí)現(xiàn)信號(hào)的解調(diào)、調(diào)制,產(chǎn)生發(fā)射中頻信號(hào) ft,由于射頻信號(hào)Fr在一定范圍內(nèi)變化,固發(fā)射中頻 ft在一定范圍內(nèi)可變。發(fā)射中頻信號(hào)再經(jīng)D/A輸出到上變頻器,在上變頻器中完成兩次上變頻、功率放大后輸出。

圖2 改進(jìn)后應(yīng)答機(jī)原理框圖Fig.2 Principle diagram of improved transponder

3 關(guān)鍵單元的設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)分析

在方案設(shè)計(jì)和電路實(shí)現(xiàn)中,主要考慮了以下關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

3.1 頻率關(guān)系的分析

由圖2可得:

在設(shè)計(jì)聯(lián)試應(yīng)答機(jī)內(nèi)部頻率關(guān)系時(shí)需要合理設(shè)計(jì)頻率關(guān)系并考慮本振的組合干擾。在設(shè)計(jì)時(shí),選擇接收、發(fā)射一本振FL1共用一個(gè)寬帶頻綜;接收二本振和發(fā)射二本振FL2為同一固定點(diǎn)頻信號(hào);接收中頻信號(hào)fr為一固定點(diǎn)頻,發(fā)射中頻信號(hào)ft為在一定范圍內(nèi)可變的中頻信號(hào),通過(guò)預(yù)置頻率和頻綜配合使用來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出全頻段的覆蓋。

仿真得到組合干擾如圖3所示,因涉及具體工程的頻率關(guān)系,圖中對(duì)相應(yīng)頻率進(jìn)行了處理。從圖中可知,合理選擇內(nèi)部頻率關(guān)系,信號(hào)的幅度和本振信號(hào)組合干擾的幅度之差至少有50 dB,滿(mǎn)足系統(tǒng)指標(biāo)要求。加強(qiáng)本振的抑制同樣是非常必要的,可通過(guò)加濾波器壓制(一混后的濾波器對(duì)二本振信號(hào)的抑制需達(dá)到50 dB以上)和增加本振隔離度(混頻器對(duì)本振的抑制通常能達(dá)到20 dB左右)來(lái)減少本振泄漏干擾。

圖3 組合干擾仿真結(jié)果Fig.3 Simulation results of combination interference

由于聯(lián)試應(yīng)答機(jī)在工作時(shí)與地面系統(tǒng)鐘同源,因此方案設(shè)計(jì)中無(wú)需考慮非相參的頻率分量,在S頻段范圍內(nèi)始終能實(shí)現(xiàn)相參轉(zhuǎn)發(fā)。

3.2 信號(hào)處理單元的設(shè)計(jì)[6]

信號(hào)處理單元采用軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)實(shí)現(xiàn):所有電路、算法以及FPGA配置程序、DSP程序文件和計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序保存在計(jì)算機(jī)中,將相應(yīng)用途的配置程序從計(jì)算機(jī)文件系統(tǒng)通過(guò)串口加載到FPGA或DSP配置芯片中,調(diào)用相應(yīng)用途的計(jì)算機(jī)處理軟件模塊,即可構(gòu)成相應(yīng)的信號(hào)處理單元。關(guān)機(jī)后,配置軟件保存在配置芯片中,再次開(kāi)機(jī)無(wú)需重新加載,操作控制簡(jiǎn)便。功能更換或設(shè)備升級(jí)時(shí),可對(duì)配置程序現(xiàn)場(chǎng)編程,重新下載,完成任務(wù)轉(zhuǎn)換。

信號(hào)處理單元能中頻數(shù)字化和所有的收發(fā)信號(hào)處理功能。信號(hào)處理單元的硬件電路主要由FPGA及其外圍器件、DSP及其外圍器件、模數(shù)變換和數(shù)模變換器等幾部分構(gòu)成。該基帶處理板采用了2片大容量FPGA、一片高速DSP和相關(guān)外圍電路。FPGA主要完成解調(diào)核心算法的實(shí)現(xiàn),DSP主要完成復(fù)雜運(yùn)算和控制功能。

信號(hào)處理單元的核心是數(shù)字鎖相環(huán)(DPLL),包括載波跟蹤環(huán)、主側(cè)音環(huán)、次側(cè)音環(huán)、遙控信號(hào)解調(diào)以及主、次側(cè)音調(diào)制度控制等電路,主要完成對(duì)上行殘留載波的跟蹤、相干解調(diào)及遙控指令解調(diào)、主、次側(cè)音解調(diào)的任務(wù)。恢復(fù)的載波經(jīng)送到DDS控制輸出的載波頻率,以實(shí)現(xiàn)相參轉(zhuǎn)發(fā)。解調(diào)的主、次側(cè)音經(jīng)調(diào)制度調(diào)節(jié)后與輸入的遙測(cè)信號(hào)相加,對(duì)輸出載波進(jìn)行調(diào)相轉(zhuǎn)發(fā)。

需要注意的是,在射頻信號(hào)沒(méi)有多普勒的情況下,輸入中頻信號(hào)是固定點(diǎn)頻,而發(fā)射中頻信號(hào)頻率ft是在一定范圍內(nèi)可變:ft=FT-FL1-FL3,由公式可知只要輸出射頻頻率Ft和一本振頻率FL1確定,那么發(fā)射中頻的頻率ft就確定了。通過(guò)預(yù)置發(fā)射中頻的頻率控制字來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出中頻頻率的變化,每一個(gè)輸出射頻頻率對(duì)應(yīng)一個(gè)發(fā)射中頻頻率。在射頻信號(hào)有多普勒的情況下,發(fā)射中頻是在一定范圍內(nèi)變化,變化的范圍等于多普勒頻率乘上轉(zhuǎn)發(fā)比。轉(zhuǎn)發(fā)比是一個(gè)無(wú)限小數(shù),由于中頻處理的數(shù)字化帶來(lái)的有限字長(zhǎng)效應(yīng),這樣就引入了轉(zhuǎn)發(fā)誤差。根據(jù)工作中的各種轉(zhuǎn)發(fā)比,頻率控制字取40位,轉(zhuǎn)發(fā)頻率誤差為1.23×10-4Hz,完全滿(mǎn)足系統(tǒng)測(cè)速精度的要求[7]。

3.3 信道的硬件設(shè)計(jì)[8]

3.3.1 噪聲系數(shù)估算

接收噪聲系數(shù)的計(jì)算主要考慮由接收信號(hào)背景噪聲和接收信號(hào)從進(jìn)入高放混頻模塊輸入端口到達(dá)中放輸入端口的過(guò)程中引入的噪聲總和。設(shè)這段信道的參照模型如圖6所示。

圖4 聯(lián)試應(yīng)答機(jī)噪聲等效模型Fig.4 Equivalent noise model of transponder

設(shè)接收噪聲系數(shù)為NF,預(yù)選器/濾波器的損耗為A1,高放的增益為G1,高放的噪聲系數(shù)為N1,一混頻損耗為A2,一混頻后的濾波器損耗為A3,二混頻損耗為A4,則

若取A1=1.58(2 dB),A2=A3=A4=5.012(7 dB),G1=1 000(30 dB),N1=2(3 dB),可以計(jì)算出

對(duì)3.36取對(duì)數(shù)得5.26,在預(yù)留余量的原則下,取NF=6 dB,即接收噪聲系數(shù)約為6 dB,滿(mǎn)足實(shí)際使用要求。

3.3.2 時(shí)延的估算[9]

由于信道所使用的放大、混頻器的寬帶足夠?qū)?對(duì)系統(tǒng)時(shí)延影響極小,信號(hào)通過(guò)電路的絕對(duì)時(shí)延可由下式估算:

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù),在溫度-30℃～+50℃范圍,時(shí)延變化10%,則Δτ=0.0175 ns。

由于通道中放大器、混頻器均為寬帶器件,由式(5)可見(jiàn)其時(shí)延變化很小。

在鏈路中,帶寬最小的器件為濾波器,濾波器引入的時(shí)延波動(dòng)在接收機(jī)的總時(shí)延波動(dòng)中起主要作用。因此,在濾波器的設(shè)計(jì)時(shí),為了減小濾波器的有用信息帶寬范圍內(nèi)的時(shí)延波動(dòng),在帶外抑制等技術(shù)指標(biāo)滿(mǎn)足要求的前提下,盡量展寬濾波器的帶寬。設(shè)備的輸出濾波器帶寬最窄,為200 MHz左右,時(shí)延 τ≈1.75 ns,Δτ1≈0.2 ns,考慮鏈路中放大、混頻級(jí)聯(lián)對(duì)帶寬的影響,在設(shè)計(jì)中按最?lèi)毫忧闆r考慮,并考慮一定余量,電路各級(jí)有源器件所產(chǎn)生的Δτ2按0.5 ns計(jì)算。總的時(shí)延變化是能滿(mǎn)足指標(biāo)要求。圖5和圖6為阻帶抑制和群時(shí)延波動(dòng)仿真圖,由仿真結(jié)果可知,阻帶抑制為45 dB@2 100MHz/2 400MHz,通帶內(nèi)最大群時(shí)延波動(dòng)為1.11ns@f0±3 MHz。

圖5 阻帶抑制Fig.5 Stopband rejection

圖6 群時(shí)延波動(dòng)Fig.6 Group delay ripple

3.3.3 接收信道增益分配

若中頻輸出電平取為-10 dBm,以接收靈敏度電平-70 dBm計(jì)算,接收信道的總增益為 G≥-10-(-70)=60 dB,增益取為60 dB。接收信道電平分配如圖7所示。

圖7 接收信道電平分配Fig.7 Level allocation of receiving channel

3.3.4 發(fā)射信道設(shè)計(jì)

發(fā)射信道的電平分配也是非常重要的,在實(shí)際工作中既要保證信號(hào)工作在線(xiàn)性狀態(tài),同時(shí)又要求不飽和。在設(shè)計(jì)時(shí)發(fā)射信道電平分配如圖8所示。

圖8 發(fā)射信道電平分配Fig.8 Level allocation of transmitting channel

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

改進(jìn)后的聯(lián)試應(yīng)答機(jī)在地面測(cè)控站上運(yùn)用,對(duì)聯(lián)試應(yīng)答機(jī)的主要指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試,測(cè)距、測(cè)速的均值和方差測(cè)試結(jié)果分別如圖9和圖10所示。

圖9 測(cè)距均值和方差值Fig.9 Mean and variance of ranging

圖10 測(cè)速的均值和方差值Fig.10 Mean and variance of velocity measurement

由圖9和圖10可知,改進(jìn)后的聯(lián)試應(yīng)答機(jī)與系統(tǒng)閉環(huán)后的測(cè)試結(jié)果完全滿(mǎn)足要求。因此,聯(lián)試應(yīng)答機(jī)的改進(jìn)是合理可行的。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文在傳統(tǒng)應(yīng)答機(jī)方案的基礎(chǔ)上,提出了接收、發(fā)射頻綜共用的方案。采用該方案使設(shè)備電路結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)化、合理,提高了設(shè)備的可靠性,降低了設(shè)備的成本。同時(shí),本文介紹了應(yīng)答機(jī)的設(shè)計(jì)方案,對(duì)其中的關(guān)鍵技術(shù)、工作原理進(jìn)行了論述。該應(yīng)答機(jī)主要指標(biāo)性能已經(jīng)在實(shí)踐中得到驗(yàn)證,技術(shù)成熟可行。聯(lián)試應(yīng)答機(jī)最重要的特點(diǎn)是基于應(yīng)答機(jī)與系統(tǒng)鐘同源的基礎(chǔ)上,通過(guò)本振頻率關(guān)聯(lián)和中頻數(shù)字處理,解決了相參轉(zhuǎn)發(fā)問(wèn)題;同時(shí)具備可方便加載不同信號(hào)體制、格式的功能,滿(mǎn)足系統(tǒng)與不同國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)兼容的要求。該方案也可以推廣應(yīng)用到其他頻段聯(lián)試應(yīng)答機(jī)的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)。

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JIANG Xiao-feng wasborn in Chongqing,in1983.She received the B.S.degree from Xidian University in 2006.She is now an assistant engineer.Her research concerns aerospace TT&C system technology.

Email:jiangxiaofeng1983888@yahoo.com.cn

Improved Design of S-band Unified Test Transponder

JIANG Xiao-feng
(Southwest China Institute of Electronic Technology,Chengdu 610036,China)

An improved design scheme with only one common frequency synthesizer used for RF receiving and transmitting channel of S-band unified test transponder is proposed in this paper.The improved transponder′s frequency flow,combined frequency interference,the design of signal processing unit and signal channel is analysed,simulated or tested.The results show that its functions and performance satisfy the test requirements of S-band TT&C system.One frequency synthesizer is saved in this design under the condition that the coherent turn-around ratio between receiving frequency and transmitting frequency is satisfied at the same time.Compared with the unimproved one,it has simplified hardware,lower cost and higher reliability.

space TT&C system;S-band transponder;coherent turn-around ratio;software defined radio

TN802;TN958.96

A

10.3969/j.issn.1001-893x.2012.06.008

1001-893X(2012)06-0873-05

2012-03-12;

2012-05-31

江曉鳳(1983—),女,重慶人,2006年于西安電子科技大學(xué)獲學(xué)士學(xué)位,現(xiàn)為助理工程師,主要從事航天測(cè)控技術(shù)方面的研究。