飛船遙控同步技術研究與實現(xiàn)

林型勇　黃艷軍　辛峰

摘要：該文深入研究了飛船遙控設計中涉及的同步技術。分別從基本原理、電路實現(xiàn)、和同步性能描述等方面對載波同步解調技術和碼元同步技術進行了闡述。該設計的高可靠性已經過多次空間驗證，為飛船正常運行和安全返回提供了堅實的保障。

關鍵詞：遙控；解調；載波同步；碼元同步

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）07-0264-04

Abstract： The synchronous technology of Spacecraft telecontrol is deeply studied in the paper. Carrier synchronization and Symbol synchronization are explained in terms of basic principle， circuit implementation， synchronization performance， and so on. The high reliability of this design which provide the safeguard for normal operation and safe return of the Spaceship has been verified by several. Space Tests.

Key words： remote control； demodulation； Carrier synchronization； Symbol synchronization

1 引言

載人飛船遙控設備主要功能是完成地面遙控指令和飛船運行數(shù)據的注入，由地面指揮控制飛船的運行和返回。在天地鏈路通信中，同步是進行信息傳輸?shù)那疤?，為保證地面遙控指令與飛船運行數(shù)據注入的可靠傳輸，要求同步系統(tǒng)有更高的可靠性。遙控設備接收兩臺應答機輸出的8K BPSK副載波信號，要正確解調BPSK副載波信號，必須提取與輸入BPSK信號同頻同相的相干載波。BPSK副載波經解調輸出形成PCM碼流，為正確解析PCM碼流的數(shù)字信息，則必須提取碼元同步時鐘?；诖?，本文研究了飛船遙控設計中的載波同步解調與碼元同步技術，并給出了載波同步解調電路與碼元同步電路設計方案。

2 載波同步解調技術

2.1 基本原理

在BPSK相干檢測時，接收機需要產生一個本地相干載波，其頻率和相位必須與接收信號的載波頻率和相位嚴格保持一致。但是在BPSK信號中，載波分量已被抑制掉，不能用鎖相環(huán)或窄帶濾波器直接從調相信號中提取參考相位載波。因此，首先必須對調相信號進行某種非線性處理，消除相位調制信息來恢復含有參考相位信息的分量。然后加以提純，產生相干檢測所必須的參考相位載波，從而實現(xiàn)載波同步。本文采用反調制環(huán)鎖相技術提取相干載波，其原理圖1所示。

2.3 同步性能

利用反調制環(huán)解調電路提取同步相干載波的同時又完成BPSK的解調，恢復數(shù)字信息m（t）。并且反調制環(huán)可以有效地抑制調制連續(xù)譜對于相干載波的干擾，其性能優(yōu)于其他相干載波提取電路。本設計中鎖相環(huán)輸出中心頻率為32KHZ，常溫下的捕獲帶范圍為：26.7KHZ～37KHZ，常溫下的同步帶范圍為：25.6KHZ～37.8KHZ。

3 碼元同步技術

3.1 基本原理

數(shù)字鎖相環(huán)能夠產生頻率和相位完全同步于輸入信號的碼同步脈沖信號，其原理如圖6所示。它由晶體振蕩器，分頻器，鑒相器和控制器組成?？刂破靼▓D中的添門、或門和扣門。振蕩器產生的信號經窄脈沖形成器產生相位相反的a，b兩路窄脈沖，然后經過控制器再送入分頻器，輸出碼同步脈沖序列。若接收碼元速率為f波特，則碼同步脈沖頻率也為f HZ，晶振頻率設計在Mf HZ。當分頻器輸出的碼同步信號相位超前接收碼元相位，鑒相器送出一超前脈沖加到扣門的禁止端，扣掉一個b路脈沖。這樣，分頻器輸出脈沖的相位就推后1/M碼元周期。當分頻器輸出的碼同步信號相位滯后接收碼元相位，鑒相器送出一滯后脈沖加到添門，使a路輸出的一個脈沖通過或門插入原b路脈沖之間。這樣，分頻器的輸出相位就提前1/M碼元周期。經這樣反復調整相位即實現(xiàn)碼同步。

3.2 電路實現(xiàn)

實際電路設計如圖7所示。數(shù)字鎖相環(huán)的輸入信號NRZ_L碼流來自解調器解調后的基帶信號。輸出為32分頻器輸出的MT信號。a ，b為頻率相同的兩路相位相反的窄脈沖序列，其頻率為MT信號的32倍。由于它們相位相差180度，則一路脈沖在另一路相鄰脈沖的中點出現(xiàn)?；鶞市盘杊與分頻器輸出的f和[ f]進行相位比較實現(xiàn)鑒相功能，若相位超前，則YF1輸出脈沖控制扣門YF4扣除一個b路窄脈沖。若相位滯后，則YF2輸出脈沖控制添門YF7添加一個a路窄脈沖。如此反復調整相位，直至同步。

根據基準信號h與本地定時信號f 的相位關系，有以下四種情況：

1）基準信號h與本地定時信號f同步

基準信號h和本地定時信號f同步是指兩個信號的頻率和相位完全相同，這時基準信號h的中線對準f的下降沿和[ f] 的上升沿。此時各點的信號波形如圖8-a所示，扣門YF4并沒有扣除脈沖，添門YF7也沒有添加脈沖。總的輸入脈沖個數(shù)不變，于是分頻器輸出的定時信號f與基準信號h的同步繼續(xù)保持。

2）基準信號h與本地定時信號f相差180度

本地定時信號f和基準信號h相差180度時，基準信號h的中線對準f的上升沿和[ f] 的下降沿。此時各點的信號波形如圖8-b所示，基準信號h與[ f] 經超前面YF1產生一負脈沖信號d。信號d與b路窄脈沖經扣門YF4扣除一個窄脈沖得到信號g，則f信號向右移動一步（即相位推后1/32個碼元周期）。這樣，一直調整下去直到完全同步為止。

3）定時信號f超前基準信號h

定時信號f超前基準信號h時，基準信號h位于本地定時信號f下降沿的右側。此時各點的信號波形如圖8-c所示，基準信號h與[ f] 經超前面YF1產生一負脈沖信號d。信號d與b路窄脈沖經扣門YF4扣除一個窄脈沖得到信號g，則f信號向右移動一步（即相位推后1/32個碼元周期）。這樣，一直調整下去直到完全同步為止。

4）定時信號f滯后基準信號h

定時信號f滯后基準信號h時，基準信號h位于本地定時信號f下降沿的左側。此時各點的信號波形如圖8-d所示，基準信號h與f經滯后門YF2與YF3產生一正脈沖信號c。信號c與a路窄脈沖經添門YF7添加一個窄脈沖得到信號e，則f信號向左移動一步（即相位提前1/32個碼元周期）。這樣，一直調整下去直到完全同步為止。

綜上所述，接收的基準信號h和本地定時信號f之間的相位關系不論是上述四種情況中的哪一種，由于數(shù)字鎖相環(huán)的自動調整，最后都穩(wěn)定在正確的同步狀態(tài)。

3.3 同步性能

在電路設計中，考慮到同步靜差、同步建立時間、同步保持時間等多方面因素，為平橫各性能，設計分頻比為1/32。這樣同步靜差為。最大同步建立時間為8個碼元周期。同步保持時間為320個碼元周期。

4 結論

本文對飛船遙控設計中涉及的同步技術進行了詳細的總結與提煉，并通過試驗測試得到其同步性能指標。該同步設計電路可靠穩(wěn)定，從神舟一號到神舟七號飛船以及神舟八號飛船與天宮一號目標飛行器的交會對接，遙控設備均出色地完成了自身任務，為飛船和航天員的安全返回，飛船飛行期間各項科學任務的圓滿完成提供了堅實的保障。

隨著載人航天任務的不斷深入，進入空間站工程研制階段后，對于遙控設備又提出了更為復雜的應用要求，需要遙控設備處理完成的指令和數(shù)據量大大增加，這就對遙控設備中的同步設計及電路性能提出更高的要求。未來將進一步提高遙控設備的同步技術可靠性和靈活性，并將按照簡化電路，選用元器件少等要求將對其進行小型化設計。

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