測控信號的動態(tài)模擬

蘭宏志

(中國西南電子技術(shù)研究所,成都 610036)

測控信號的動態(tài)模擬

蘭宏志

(中國西南電子技術(shù)研究所,成都 610036)

測控信號的動態(tài)模擬包括對距離、速度、加速度、傳輸損耗等狀態(tài)參數(shù)的模擬。以大容量存儲器為延時線,基于存儲轉(zhuǎn)發(fā)模式對測控信號進行高精度的動態(tài)模擬,可以解決遠距離、高精度與有限的存儲容量、讀寫速率之間的矛盾。載波解調(diào)后存儲和不解調(diào)直接存儲兩種處理方法可以解決高速調(diào)制和中低速調(diào)制兩種應(yīng)用場合測控信號的動態(tài)模擬。

測控系統(tǒng);標(biāo)校設(shè)備;動態(tài)模擬;存儲轉(zhuǎn)發(fā)模式

在測控系統(tǒng)的研制和應(yīng)用中,離不開一套具有動態(tài)模擬[1]功能的標(biāo)校設(shè)備來驗證系統(tǒng)在動態(tài)環(huán)境下的性能指標(biāo)和狀態(tài),特別是接收系統(tǒng)的捕獲門限[2]、誤碼率、距離、速度、加速度等參數(shù)在動態(tài)和靜態(tài)情況下的差異,需要在任務(wù)前充分認識。本文針對不同的應(yīng)用場景,對測控信號動態(tài)模擬在工程中的實現(xiàn)方法進行闡述,并分析了影響動態(tài)模擬精度的主要因素。

1 工作原理

測控信號的動態(tài)模擬包括回波信號的相位或者時延(即距離)、多普勒頻移或者頻移變化(即速度或者加速度)和幅度(即各種路徑損失)、角度偏移等。

運動物體的距離變化和速度的關(guān)系嚴格遵守運動方程,一般連續(xù)波測控信號的測距是用測相或者測時來實現(xiàn)的,目標(biāo)運動時距離發(fā)生變化,接收回波的相位也會發(fā)生變化,相關(guān)地產(chǎn)生回波多普勒頻移ωd,對應(yīng)的收/發(fā)信號間的相位差 φ=ωdt發(fā)生變化,等效為時延變化,亦即距離發(fā)生變化。

運動學(xué)中,點目標(biāo)的矢徑運動方程[3]為

工程中,進行距離速度的模擬,將目標(biāo)運動軌跡用一個冪級數(shù)來表示,一般用前三項近似就能夠反映目標(biāo)運動的動態(tài)特征,第一項為起始分量,第二項為速度分量,第三項為加速度分量。

將式(2)、(3)、(4)代入式(1)得:

式中,τ0為回波起始時延,φ0為對應(yīng)的相位(有模糊),f0為載波頻率,fm為測距信號頻率,f0d和fmd分別為載波和測距信號的多普勒頻率,﹒f0d和﹒fmd分別為載波和測距信號多普勒頻移的變化率。

2 動態(tài)模擬的實現(xiàn)

2.1 距離模擬

根據(jù)動態(tài)模擬的原理,模擬距離就是模擬測距信號的相位延時,模擬距離隨速度變化就是模擬測距信號的相位延時的同時其上面對應(yīng)的多普勒頻率及其變化,實現(xiàn)上述過程有原發(fā)和轉(zhuǎn)發(fā)兩種基本的方法。

2.1.1 原發(fā)模式

原發(fā)模式就是用相干產(chǎn)生相位[4]和多普勒頻率受控的目標(biāo)信號,其原理如圖1所示,根據(jù)軌道參數(shù)計算出速度和加速度參數(shù)對應(yīng)的多普勒頻率及其變化率,用統(tǒng)一的基準(zhǔn)頻標(biāo)產(chǎn)生模擬器需要的動態(tài)頻標(biāo),再用動態(tài)頻標(biāo)產(chǎn)生相干的中頻載波和相干的測距信號(側(cè)音或者測距碼)以及相干的本振,混頻后的射頻信號也與動態(tài)頻標(biāo)嚴格相關(guān),初始距離模擬可以通過對相干測距信號進行延時計數(shù)來實現(xiàn)。

圖1 相干產(chǎn)生動態(tài)模擬源Fig.1 Coherent generation of dynamic simulation source

2.1.2 轉(zhuǎn)發(fā)模式

轉(zhuǎn)發(fā)模式是動態(tài)模擬器接收目標(biāo)信號進行延時和多普勒頻率處理,分為解調(diào)和不解調(diào)兩種處理方法。直接把收中頻信號進行A/D,不做解調(diào),量化后的數(shù)字信號直接存儲在大容量的存儲器中進行透明轉(zhuǎn)發(fā),其原理框圖如圖2所示。

圖2 收中頻信號不解調(diào)動態(tài)模擬框圖Fig.2 Dynamic simulation diagram of receiving intermediate frequency signal without demodulation

根據(jù)軌道數(shù)據(jù)中的初始距離參數(shù)對應(yīng)的時延進行距離延時,模擬初始距離;根據(jù)軌道參數(shù)中的速度參數(shù)對應(yīng)的多普勒頻率對存儲器中的數(shù)據(jù)進行頻率拉伸和壓縮,使其在距離延時的同時帶上速度對應(yīng)的多普勒頻率,從而模擬目標(biāo)運動時距離隨速度發(fā)生變化。這種透明模式的存儲轉(zhuǎn)發(fā)動態(tài)模擬方式,中頻信號處理比較簡單,但中頻和信道混頻本振需要同時加載對應(yīng)的多普勒頻率,且要求存儲器的存儲容量大,讀寫時鐘高,一般適用于數(shù)據(jù)速率不很高的低中頻模擬的數(shù)字處理及上下行調(diào)制模式相同的測控系統(tǒng)。

轉(zhuǎn)發(fā)模式的另一種方法是對接收目標(biāo)信號先進行載波解調(diào),解調(diào)后的基帶信號進行延時和多普勒頻率處理,中頻載波只做多普勒頻率加載不做延時處理,完成相應(yīng)處理后的基帶信號和中頻載波重新調(diào)制,形成動態(tài)模擬信號,其原理框圖如圖3所示。根據(jù)軌道數(shù)據(jù)中的初始距離參數(shù)對應(yīng)的時延進行距離延時,模擬初始距離;根據(jù)軌道參數(shù)中的速度參數(shù)對應(yīng)的多普勒頻率分別控制載波頻率和大容量存儲器中的測距信號,使其帶上對應(yīng)的多普勒頻率,從而模擬目標(biāo)運動時距離隨速度發(fā)生變化。這種模擬方法要求存儲器的存儲容量相對較小,信道混頻本振不需要實時加載多普勒頻率,但中頻信號處理比較復(fù)雜,需要解調(diào)和重新調(diào)制轉(zhuǎn)發(fā),載波和測距信號上分別加多普勒頻率,一般適用于數(shù)據(jù)速率很高的高中頻模擬的數(shù)字處理及上下行調(diào)制模式不相同的測控系統(tǒng)。

圖3 收中頻信號解調(diào)存儲動態(tài)模擬框圖Fig.3 Dynamic simulation diagram of receiving intermediate frequency signal with demodulation

2.1.3 距離模擬精度

距離模擬的精度主要取決于時延控制的精度,系統(tǒng)時鐘穩(wěn)定度、信道時延波動等也是影響距離模擬精度的因素。距離模擬的范圍由存儲器的深度決定,設(shè)計存儲器的存儲容量時還要考慮最大多普勒頻率條件下,在一定時間內(nèi)存儲器不會被寫滿溢出或者讀空,合理設(shè)計存儲器的存儲空間大小和讀寫時鐘高低,可以實現(xiàn)大范圍高精度的動態(tài)模擬,當(dāng)前距離模擬精度可以優(yōu)于1 m。目前市面上的存儲器有雙口RAM、內(nèi)存條顆粒、DDR2、DDR3內(nèi)存條和固態(tài)硬盤等,讀寫速度可以達到100～400 Mbyte/s,可根據(jù)距離模擬的遠近和精度要求選擇。

2.2 速度及加速度模擬

測速的原理是測量收、發(fā)信號的載波多普勒頻移,速度及加速度模擬的方法就是使轉(zhuǎn)發(fā)信號的載波頻率按照速度及加速度對應(yīng)的多普勒頻率及其變化率改變,載波多普勒頻率變化的同時測距副載波或碼鐘上也要反映多普勒頻率及其變化率。

假設(shè)模擬器接收射頻頻率為 ft,模擬器發(fā)射射頻頻率為fr,中頻載波頻率為fI,本振頻率為fL,測距音(或者擴頻碼速率)為fm,光速為c,目標(biāo)徑向速度為v,加速度為a,轉(zhuǎn)發(fā)比為ρ,則單向多普勒頻率

雙向多普勒頻率及其變換率

一般通過改變DDS頻率控制字來實現(xiàn)多普勒頻率及其變化,若DDS的參考鐘為fclk,DDS的相位字長32 bit,則中頻載波頻率控制字

多普勒模擬頻率控制字

速度模擬是建立在頻率相關(guān)基礎(chǔ)上的,收發(fā)頻率和混頻本振都必須與同一個頻標(biāo)10 MHz嚴格相關(guān),DDS的相位字長足夠,速度模擬精度可以達到很高。

2.3 空間損耗模擬

無線電信號在傳輸過程中總會造成損耗,自由空間損耗是其主要的損耗形式,此外,還有大氣吸收、多徑、折射等損耗,本文主要討論自由空間損耗即距離遠近導(dǎo)致的信號電平變化。

距離遠近導(dǎo)致的信號電平變化可根據(jù)雷達方程式(12)來進行計算:

其中,Sr為目標(biāo)與雷達距離為R處的功率密度,Pt和Gt分別為發(fā)射功率和發(fā)射天線增益?？芍盘柕碾娖皆谝阎l(fā)射功率和天線增益(包括收天線增益)的情況下和距離的平方成反比關(guān)系[5]。

自由空間的損耗其中,Pt和Pr分別為發(fā)射和接收天線功率,At和Ar分別為發(fā)射和接收天線有效面積,f為信號頻率,R為傳輸距離,c為光速。

由以上推導(dǎo)可知,在信號頻率、收發(fā)功率和天線增益確定的情況下,信號在自由空間的損耗只與距離有關(guān)。在進行幅度模擬時,根據(jù)軌道參數(shù)計算出不同距離對應(yīng)的信號衰減量,通過控制數(shù)控衰減器的衰減量來控制已做距離速度及加速度模擬的動態(tài)目標(biāo)信號輸出幅度,模擬距離遠近變化引起的電平變化。幅度模擬的精度取決于數(shù)控衰減器的精度,高精度的幅度模擬要求衰減器幅度控制精度和幅相一致性都要高。

3 結(jié)束語

本文介紹了測控信號動態(tài)模擬在工程中的實現(xiàn)方法,對原發(fā)模式和存儲轉(zhuǎn)發(fā)模式的動態(tài)模擬方式的適應(yīng)場景以及兩種模式對距離速度、加速度以及自由空間損耗等參數(shù)的模擬實現(xiàn)方法進行了詳細闡述,分析了影響模擬精度的主要因素,但測控系統(tǒng)對動態(tài)模擬器的精度和逼真度要求越來越高,系統(tǒng)除了要求具有大的距離模擬范圍和高的模擬精度外,還要求對多徑、色散、雨衰等參數(shù)進行模擬,設(shè)計一套多功能、高精度、通用型的動態(tài)模擬器,需要在以后的工作中深入研究。

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LAN Hong-zhi was born in Santai,Sichuan Province,in 1966.He is now an engineer.His research concerns TT&C and satellite dynamic simulation.

Email:lanhongzhi666@163.com

Dynamic Simulation of TT&C Signal

LAN Hong-zhi
(Southwest China Institute of Electronic Technology,Chengdu 610036,China)

Dynamic simulation parameters of TT&C signal include distance,velocity,acceleration and propagation loss,etc.The proposed method based on high capacity storage as delay line and storage-transmission mode can solve the confliction among high precision,limited storage capacity and read-write rate.Storage after demodulation and direct storage without demodulation can realize the dynamic simulation of TT&C signal in high-speed data rate modulation and medium-low-speed data rate modulation application scenarios.

TT&C system;calibration equipment;dynamic simulation;storage-transmission mode

TN911;V556

A

10.3969/j.issn.1001-893x.2012.06.014

1001-893X(2012)06-0902-04

2012-04-25;

2012-06-08

蘭宏志(1966—),男,四川三臺人,工程師,主要從事測控通信、衛(wèi)星動態(tài)模擬研究。