鏈路時延差對測控設(shè)備跟蹤及解調(diào)性能影響分析

段慶光，吳有杏，魏連魁

(中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇 江陰 214431)

0 引言

無線電測控設(shè)備接收到衛(wèi)星下行信號后，依次經(jīng)過天線饋源、波導(dǎo)、場放、下變頻器、滑環(huán)及開關(guān)矩陣等送至基帶設(shè)備對信號進行分析處理，解調(diào)出相關(guān)數(shù)據(jù)及角誤差信號，完成目標(biāo)的數(shù)據(jù)處理及跟蹤[1-2]。以航天測量船S頻段統(tǒng)一測控系統(tǒng)為例，為了達到最大的使用效益，該系統(tǒng)具備標(biāo)準(zhǔn)TT&C、擴頻TT&C、調(diào)頻及測控數(shù)傳一體化等多種測控體制，通過加載不同的軟、硬件實現(xiàn)多種測控體制同時或分時工作，系統(tǒng)包括了較多的場放、下變頻器和基帶設(shè)備，并使用開關(guān)矩陣完成鏈路的靈活配置。理想情況下，不論鏈路中各器件如何交叉使用，下行信號通過各器件及傳輸線纜后應(yīng)同時到達基帶設(shè)備[3]。但是，由于器件性能的差異及傳輸路徑不同，衛(wèi)星下行信號經(jīng)過不同鏈路傳輸至基帶設(shè)備，鏈路時延必然存在差異，時延差異較大時，將影響相關(guān)數(shù)據(jù)的解調(diào)，嚴(yán)重時導(dǎo)致無法穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)[4]。針對鏈路差異對載波信號的影響，以往常常通過對標(biāo)校塔、施放信標(biāo)球等方式標(biāo)定出和、差鏈路相位，必要時進行相位修正，用來補償和、差通道信號的傳輸時延，和通道送來的參考信號需要在標(biāo)校的過程中通過相位校正單元進行相位修正，以保證本地參考信號信號差與和信號同頻同相[5-6]，但往往忽略了由于數(shù)據(jù)或偽碼碼率較高，鏈路時延差異會導(dǎo)致數(shù)據(jù)同步異常，從而影響對目標(biāo)的正常跟蹤[7]。

針對船載某測控設(shè)備在對塔標(biāo)校及任務(wù)過程中，曾經(jīng)出現(xiàn)的數(shù)傳模式下對塔相位值不可用、分集合成負增益以及FM模式下無法穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)等異?，F(xiàn)象，對實測數(shù)據(jù)進行了仿真分析，闡明了問題產(chǎn)生的原因，進而對不同測控體制下鏈路時延差異的影響進行了深入分析，提出了鏈路時延的測試方法及修正措施。

1 典型故障案例

1.1 下行數(shù)傳模式

測量船某測控設(shè)備在碼頭對塔標(biāo)校時，數(shù)傳模式下進行校相精度檢查，在單左旋、單右旋方式下，設(shè)備校相功能正常、校相數(shù)據(jù)可用、校相精度滿足指標(biāo)要求及跟蹤正常，但在分集合成方式下出現(xiàn)如下異?，F(xiàn)象：① 碼率較低時差模環(huán)失鎖；② 碼率較高時分集合成校相結(jié)果無法用于單旋向跟蹤，左旋相位值差異較大；③ 分集合成增益為負值。

通過分析排查及對左、右旋鏈路時延測試，發(fā)現(xiàn)在基帶入口處左、右旋和路鏈路存在約84 ns時延差，將左、右旋和路信號時延調(diào)整一致后，上述異?，F(xiàn)象均消失，時延調(diào)整前后測試結(jié)果如表1所示。

表1 時延差異影響測試數(shù)據(jù)
Tab.1 Data of affected by the delay inequalities

是否有差異單左旋單右旋分集合成相位/(°)Eb/N0/dB相位/(°)Eb/N0/dB左旋/(°)右旋/(°)Eb/N0/dB是42.199.617.939.4138.1622.55.8否55.29.7122.79.155.2121.9912.0

1.2 調(diào)頻模式

鏈路時延差異主要影響調(diào)頻模式分集合成效果，影響主要體現(xiàn)在2個方面：① 數(shù)據(jù)解調(diào)不穩(wěn)定，情況惡劣時會大量丟幀；② 誤差電壓會變化劇烈，嚴(yán)重時無法正常跟蹤。測量船某測控設(shè)備實測數(shù)據(jù)分析如圖1所示，可以看出，合成信噪比明顯低于單旋向信噪比，不僅沒有達到應(yīng)有的合成增益，反而比單旋向更差，導(dǎo)致設(shè)備無法穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)。通過對左、右旋時延測試，發(fā)現(xiàn)左、右旋和路存在約130 ns的時延差。圖2為左、右旋時延差調(diào)整一致后實測數(shù)據(jù)分析，合成信噪比明顯高于任一單旋向信噪比，且有效抑制了單旋向信號的突然衰落。左右旋時延差調(diào)整一致后的合成信噪比明顯高于存在時延差異時的合成信噪比，如圖3所示。

圖1 存在鏈路時延差異分集合成效果Fig.1 Comparison of SNR with delay inequalities

圖2 補償鏈路時延差異后分集合成效果Fig.2 Comparison of SNR no delay inequalities

圖3 補償時延差前后合成信噪比對比Fig.3 Comparison of synthesis SNR among diffirent delay inequalities

2 鏈路時延差對數(shù)據(jù)解調(diào)的影響分析

工作在單旋向方式時，鏈路時延差對數(shù)據(jù)解調(diào)無影響，鏈路時延差對數(shù)據(jù)解調(diào)的影響主要是工作在分集合成方式時。測控設(shè)備中使用最廣泛的是檢前或檢后最大比極化分集合成技術(shù)，由共模環(huán)和差模環(huán)2部分組成。其中共模環(huán)部分用于跟蹤輸入信號的公共頻率和相位變化，差模環(huán)部分用于跟蹤2路輸入信號之間的頻率和相位變化，并對稱控制2路輸入信號對應(yīng)的本振NCO頻率和相位，保證跟蹤的連續(xù)性[8]。

在分集合成模塊中，對輸入的左、右旋數(shù)字中頻信號進行正交混頻，得到IL，QL和IR，QR兩路基帶信號，送入差模環(huán)和共模環(huán)中進行閉環(huán)。2路差模NCOL，NCOR輸出對稱的處于共模環(huán)NCO兩側(cè)，并始終保證分別與左、右旋接收信號載波同頻同相，實現(xiàn)對2路信號載波的跟蹤，如圖4所示。

圖4 調(diào)頻模式信號處理流程Fig.4 The flow chart of FM mode signals process

極化合成方式時，分集合成模塊輸出左、右旋NCO實現(xiàn)對左、右旋接收信號載波頻率和相位的跟蹤，而左、右旋時延差無法消除。合成系數(shù)通過左、右旋信號符號信噪比計算，由于計算時采用的是同一路符號定時脈沖，當(dāng)左、右旋信號時延較大時，計算出的2路信號的信噪比差會增大，當(dāng)差值超過一定范圍則退出分集合成模式，信號接收流程如圖5所示。

圖5 信號接收流程Fig.5 The flow chart of signals received

從分集合成原理可以看出，最大比合成能夠調(diào)整左、右旋相位，使其滿足合成對左右旋相位同步的要求，當(dāng)和路左、右旋存在較大時延差時，由于數(shù)據(jù)跳變的影響，將出現(xiàn)合成增益下降，甚至出現(xiàn)負增益的情況。在相同時延差情況下，碼速率越高，相互抵消導(dǎo)致惡化的現(xiàn)象越明顯。根據(jù)理論分析及實驗驗證，當(dāng)左右旋信號大于碼元周期的5%時，會對分集合成產(chǎn)生影響。

3 鏈路時延差對角誤差解調(diào)影響分析

3.1 對調(diào)頻角誤差解調(diào)的影響

調(diào)頻模式角跟蹤為雙通道單脈沖跟蹤體制，角誤差解調(diào)采用檢前最大比極化分集合成技術(shù)，即左、右旋差路信號先進行分集合成，合成后的I，Q信號提取誤差信號。差路信號分集合成方式與和路相同，如圖4所示，但其AGC、共模環(huán)和差模環(huán)不自控，使用和路信號分集合成的控制信號，確保和、差解調(diào)信號的幅度相位一致性[9]。完成差差校相及和差校相后，角誤差解調(diào)流程如圖6所示，合成和I，Q，差I(lǐng)，差Q通過復(fù)數(shù)相關(guān)得到方位誤差電壓和俯仰誤差電壓。

圖6 調(diào)頻模式角誤差解調(diào)流程Fig.6 The angular error demodulatiaon of FM mode flow chart

經(jīng)過混頻、校相后的和路與差路信號表達式分別為[10]：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

經(jīng)過復(fù)數(shù)運算，得到方位和俯仰誤差電壓：

A=I1×I2+Q1×Q2 ，

(7)

E=I1×I3-Q1×Q3 。

(8)

從公式推導(dǎo)可以看出，對于分集合成模式下的角誤差解調(diào)，如果和、差路信號存在時延差，會影響相關(guān)值的大小，碼率越高影響越大。根據(jù)原理分析及實驗驗證，和差鏈路時延差大于碼元周期的10%時，會對跟蹤性能產(chǎn)生影響。同時，從前文分析可知，當(dāng)左、右旋信號存在時延差時，會對分集合成效果產(chǎn)生影響，同樣會對調(diào)頻模式角跟蹤產(chǎn)生影響。

3.2 對數(shù)傳角誤差解調(diào)的影響

以數(shù)傳BPSK體制為例，其角誤差解調(diào)為雙通道單脈沖體制，信號形式為[11]：

ΣIF=A×d×cos(ωc×t) ,

(9)

ΔIF=A×d×ΔA×cos(ωc×t)+

A×d×ΔE×sin(ωc×t) ,

(10)

式中，d為數(shù)據(jù)碼元的跳變。當(dāng)實現(xiàn)了載波的自動校相后，角誤差信號的解調(diào)流程如圖7所示。

圖7 數(shù)傳跟蹤角誤差解調(diào)流程Fig.7 The angular error demodulatiaon of DDT mode flow chart

通過載波環(huán)解調(diào)后的和路與差路信號形式如下：

Σ=d,

(11)

ΔI=d×ΔA,

(12)

ΔQ=d×ΔE。

(13)

利用和路信號對差路信號進行去碼元之后的差路信號形式如下：

ΔI1=ΔI×SGN(Σ)=ΔA,

(14)

ΔQ1=ΔQ×SGN(Σ)=ΔE。

(15)

從以上公式可以看出，由于數(shù)傳角誤差解調(diào)時使用和路數(shù)據(jù)對差路進行去數(shù)據(jù)化處理，如果和、差鏈路時延較大時，去數(shù)據(jù)化就會有誤差，影響接收機校相及跟蹤，碼率越高影響越大。根據(jù)原理分析及實驗驗證，和差鏈路時延差大于碼周期的10%時，會對角跟蹤性能產(chǎn)生影響。

3.3 對擴頻角誤差解調(diào)的影響

擴頻TT&C角跟蹤采用雙通道單脈沖體制，其信號形式為[12-13]：

ΣIF=d×pn×cos(ωc×t) ,

(16)

ΔIF=d×Pn×[ΔA×cos(ωc×t)+ΔE×sin(ωc×t)],

(17)

式中，d為數(shù)據(jù)碼元跳變；Pn為偽隨機碼。實現(xiàn)了載波和偽碼的自動校相后，其角誤差的解調(diào)、去數(shù)據(jù)化過程與數(shù)傳模式一致。該類型的角誤差解調(diào)也需要用和路信號對差路信號進行去數(shù)據(jù)化處理，但在擴頻體制中，符號速率較低，和差鏈路時延差對載波跟蹤性能的影響較小，可以忽略不計。其校相過程包括載波校相和偽碼校相，若和差鏈路時延差較大，會導(dǎo)致載波相位及偽碼相位模糊，載波相位模糊不影響角誤差解調(diào)的正確性，偽碼相位不允許存在整數(shù)倍周期的模糊，否則會對跟蹤性能造成影響，偽碼碼率越高，影響越嚴(yán)重。理論分析及實驗驗證表明，和差時延差異超過1/2個偽碼碼元時，將導(dǎo)致無法跟蹤目標(biāo)。

3.4 對單載波角誤差解調(diào)的影響

單載波的角誤差解調(diào)采用雙通道單脈沖體制，其信號形式為[14]：

ΣIF=A×cos[ωc×t+f(t)] ,

(18)

ΔIF=A×ΔA×cos[ωc×t+f(t)]+

A×ΔE×sin[ωc×t+f(t)] 。

(19)

角誤差信號的解調(diào)流程如圖8所示。

圖8 單載波跟蹤角誤差解調(diào)流程Fig.8 The angular error demodulatiaon of sigal carrier flow chart

和路信號載波鎖定后，由和通道信號恢復(fù)的本地數(shù)字載波參考信號和AGC增益控制電平輸出到差通道角誤差解調(diào)部分，作為和、差通道幅相歸一化的基準(zhǔn)。為補償和、差通道信息傳輸造成的同步時延，和通道送來的本振參考信號需要在校相過程中通過相位校正模塊進行相位修正，以保證差路輸入信號與本地參考信號同頻同相。該類型的角誤差解調(diào)不需要去除數(shù)據(jù)的影響，載波相位模糊不影響角誤差解調(diào)的正確性，所以鏈路時延差異對跟蹤性能的影響可以忽略不計。

4 鏈路時延測試方法及修正措施

由前文分析可知，鏈路時延差異對于不同測控體制、不同數(shù)據(jù)碼率的數(shù)據(jù)解調(diào)及角誤差跟蹤有不同程度的影響，特別是數(shù)據(jù)碼率較高時，要求下行各鏈路時延盡可能保持一致。在實際使用時，可以借助偏饋陣子及校零變頻器，通過啟用測控系統(tǒng)偏饋校零模式，對下行各測控鏈路分別進行偏饋距離零值標(biāo)校[15]，通過實測各鏈路距離值計算出各鏈路的時延差異，在下行鏈路中串入對應(yīng)長度的電纜，使各鏈路的實測距離值保持一致。

5 結(jié)束語

下行鏈路時延差異包括和路左、右旋時延差異及跟蹤和、差鏈路時延差異，和路左、右旋時延差異對分集合成方式的數(shù)據(jù)及角誤差解調(diào)均有影響；對于不同測控體制的雙通道單脈沖角誤差解調(diào)，和、差鏈路時延差異對角跟蹤的影響不同。下行鏈路時延差異對測控設(shè)備帶來的數(shù)據(jù)解調(diào)及跟蹤異常，故障部位隱蔽，分析定位困難，嚴(yán)重影響測控任務(wù)的圓滿完成。無線電測控設(shè)備研制(改造)時，應(yīng)充分關(guān)注電纜走向及器件差異等對鏈路時延的影響，分段對下行鏈路時延進行測試、調(diào)整，基帶設(shè)備應(yīng)具備一定的鏈路時延自動調(diào)整功能。船載測控設(shè)備測控模式較多，下行鏈路組合繁多，基帶設(shè)備位置不同，調(diào)整鏈路組合時，也需考慮鏈路時延差異帶來的影響。