FM遙測解調(diào)自動極性糾反功能的改進(jìn)設(shè)計?

劉洋，趙文華，何晶，??，鄒春華，王喜權(quán)

（1.中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇江陰214431；2.飛行器海上測量與控制聯(lián)合實驗室，江蘇江陰214431）

FM遙測解調(diào)自動極性糾反功能的改進(jìn)設(shè)計?

劉洋1，2，趙文華1，2，何晶1，2，??，鄒春華1，王喜權(quán)1

（1.中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇江陰214431；2.飛行器海上測量與控制聯(lián)合實驗室，江蘇江陰214431）

針對FM遙測解調(diào)在高誤碼條件下出現(xiàn)的極性誤反轉(zhuǎn)問題，從傳輸信道不同的高低差變頻方式會導(dǎo)致頻譜反轉(zhuǎn)進(jìn)而導(dǎo)致解調(diào)極性反轉(zhuǎn)出發(fā)，引出了自動極性糾反功能的設(shè)計背景。通過詳述幀極性檢測標(biāo)識在搜索和校核、鎖定兩種不同狀態(tài)下的判決邏輯，分析了原自動極性糾反功能的設(shè)計原理，結(jié)合模擬驗證試驗，揭示了原判決邏輯在幀極性檢測標(biāo)識第二次判1過程中不夠嚴(yán)格，未考慮到高誤碼也可造成反碼出現(xiàn)后幀極性檢測標(biāo)識被誤判1的設(shè)計缺陷。將幀極性檢測標(biāo)識第二次判1邏輯改進(jìn)為異或累加結(jié)果超過幀同步碼組長的一半而非滑動相關(guān)峰值，解決了缺陷問題又兼顧了檢測的快速性，通過改進(jìn)后的驗證試驗證明了改進(jìn)設(shè)計的正確性和有效性。

FM遙測解調(diào)；極性反轉(zhuǎn)；幀極性檢測標(biāo)識；鎖定容錯

1 引言

在某測控的FM遙測檢后位流數(shù)據(jù)中出現(xiàn)部分?jǐn)?shù)據(jù)幀的時間碼亂碼現(xiàn)象，仔細(xì)比對原數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：時間碼亂碼完全是由于部分幀的整個極性發(fā)生了誤反轉(zhuǎn)所致。但FM遙測解調(diào)作為一項成熟的技術(shù)在以往的航天測控數(shù)據(jù)中從未發(fā)生過極性誤反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，通過集中比較本數(shù)據(jù)與以往數(shù)據(jù)的不同發(fā)現(xiàn)，唯一的差別就是本數(shù)據(jù)的誤碼很高——誤碼率達(dá)到了10－2量級，因此需構(gòu)建模擬驗證試驗以及從FM遙測解調(diào)的自動極性糾反設(shè)計原理兩方面加以分析。

2 模擬驗證試驗

模擬驗證試驗進(jìn)行如下：為了分析問題的方便，基帶模擬源不模擬真實的動態(tài)數(shù)據(jù)，而是將遙測幀結(jié)構(gòu)全部設(shè)成固定形式，如表1所示：子幀同步碼設(shè)為3C6B（數(shù)據(jù)用十六進(jìn)制表示，以下同），子幀遙測字全部設(shè)為固定值A(chǔ)A，副幀方式設(shè)為反碼副幀。打開信道前端的低噪聲放大器引入信道噪聲，然后通過設(shè)置調(diào)制模塊的輸出電平使解調(diào)數(shù)據(jù)的誤碼率達(dá)到10－2量級。此時極性誤反轉(zhuǎn)現(xiàn)象復(fù)現(xiàn)出來：誤反轉(zhuǎn)發(fā)生在幀同步碼出現(xiàn)反碼（該數(shù)據(jù)的副幀同步方式為反碼副幀）后的第二幀，如表1中的N＋2幀所示，當(dāng)該幀的幀同步碼出現(xiàn)誤碼的個數(shù)大于幀同步鎖定容錯時，下一幀數(shù)據(jù)便會出現(xiàn)極性反轉(zhuǎn)。此驗證試驗說明當(dāng)前的遙測解調(diào)單元的自動極性糾反設(shè)計存在系統(tǒng)性缺陷，該缺陷在正常情況下不會暴露，必須在誤碼率超過10－2量級時才會出現(xiàn)。

表1 檢后位流數(shù)據(jù)極性反轉(zhuǎn)結(jié)果Table 1 Polarity reversal results of post demodulation bit-stream data

3 原自動極性糾反設(shè)計

對于FM遙測傳輸信道而言，箭載／彈載遙測發(fā)射機(jī)的上變頻器和地面測站接收機(jī)的下變頻器在變頻方式上可能不同——既可采用高差方式（變頻器的本振頻率比遙測信號頻率高）也可采用低差方式（變頻器的本振頻率比遙測信號頻率低）。如圖1所示，f0為FM遙測中頻信號的中心頻率，f1、f3分別為箭載／彈載遙測發(fā)射機(jī)的上變頻器在低差和高差時的本振信號頻率，f2為箭載／彈載遙測發(fā)射機(jī)發(fā)射的下行信號中心頻率（為了說明問題方便，這里將變頻方式都簡化成固定本振的一次變頻，實際變頻器通常由二次變頻的頻綜組成。同時FM遙測信號的頻譜也畫成不對稱形式，實際的信號頻譜是相對中心頻率左右對稱的連續(xù)譜）。由圖可知，f2－f1＝f3－f2＝f0，以中頻信號頻帶內(nèi)任意一根譜線（頻率為F）為例，若箭載／彈載遙測發(fā)射機(jī)采用低差方式進(jìn)行上變頻，則該譜線的頻率F將被變頻到F＋f1，若地面測站接收機(jī)也采用低差方式進(jìn)行下變頻，則接收機(jī)輸出的該譜線的頻率為F＋f1－f1＝F，因此輸出的遙測信號頻譜一定是原信號的頻譜，若地面測站接收機(jī)采用高差方式進(jìn)行下變頻，則接收機(jī)輸出的該譜線的頻率為f3－（F＋f1）＝f2＋f0－（F＋f1）＝2f0－F，可見輸出信號頻譜是原信號頻譜的反轉(zhuǎn)形式，如圖2所示。

圖1 箭載／彈載遙測發(fā)射機(jī)的上變頻器低差變頻方式下的頻譜圖Fig.1 Spectrum under the low difference mode in the up converting frequency mixer of the rocket／missile telemetry

圖2 地面測站下變頻器高差變頻方式下的頻譜圖Fig.2 Spectrum under the high difference mode in the down converting frequency mixer of the ground surveying station

頻譜的反轉(zhuǎn)必然導(dǎo)致解調(diào)過程中碼元判決的極性反轉(zhuǎn)——0碼元判成1碼元，1碼元判成0碼元。原因是：FM體制是用頻率相對載波頻率（即中心頻率）的正偏和負(fù)偏來表示0碼元和1碼元［1］，頻譜反轉(zhuǎn)就意味著代表碼元極性的正負(fù)頻偏發(fā)生了反轉(zhuǎn)。因此可以得出如下結(jié)論：只要FM遙測傳輸信道上、下變頻器采取相反的變頻方式，必然導(dǎo)致解調(diào)的極性發(fā)生反轉(zhuǎn)，使得數(shù)據(jù)不能正確還原，因此地面測站的遙測解調(diào)單元必須增加抗數(shù)據(jù)反轉(zhuǎn)的自動極性糾反功能。

該功能的設(shè)計思路是通過在幀同步過程中連續(xù)判幀同步碼的極性來實現(xiàn)的：首先設(shè)置一位幀同步極性檢測標(biāo)識，從而對每幀數(shù)據(jù)的幀同步極性檢測判決結(jié)果進(jìn)行標(biāo)記，標(biāo)記的方式與幀同步的狀態(tài)有關(guān)：在搜索狀態(tài)，用滑動相關(guān)運(yùn)算尋找?guī)酱a，若出現(xiàn)正相關(guān)峰值，判斷已檢測到幀同步碼，將標(biāo)識置0；若滑動相關(guān)運(yùn)算出現(xiàn)負(fù)相關(guān)峰值，也判斷檢測到了幀同步碼并且該碼已反轉(zhuǎn)，即檢測到了幀同步碼的反碼，將標(biāo)識置1。在校核和鎖定狀態(tài)，由于只是對搜索狀態(tài)檢測到的幀同步碼字能否保持作出判斷［2］，因此對幀同步碼的檢測方式和極性標(biāo)識方式與搜索狀態(tài)不同：用本地設(shè)置的幀同步碼組與數(shù)據(jù)幀中的幀同步碼字（該碼字是在搜索狀態(tài)下檢測到的，處于每幀數(shù)據(jù)中的固定位置上）進(jìn)行逐位異或運(yùn)算，并將每位異或結(jié)果進(jìn)行累加。當(dāng)幀同步碼出現(xiàn)誤碼的個數(shù)即異或累加結(jié)果小于或等于校核或鎖定容錯（通常將搜索、校核、鎖定容錯設(shè)為相同值）時，將標(biāo)識置0；當(dāng)幀同步碼誤碼個數(shù)大于校核或鎖定容錯時，還要根據(jù)上一幀的標(biāo)識值來決定當(dāng)前幀的標(biāo)識，當(dāng)上一幀的標(biāo)識為0時，并且異或累加結(jié)果等于滑動相關(guān)峰值時，當(dāng)前幀標(biāo)識才置1，否則都置0；而當(dāng)上一幀的標(biāo)識為1時，當(dāng)前幀標(biāo)識就保持上一幀的標(biāo)識值。若連續(xù)3幀中有2幀的標(biāo)識為1，就判定整個數(shù)據(jù)的極性已發(fā)生了反轉(zhuǎn)，因此從下一幀開始要先進(jìn)行求反運(yùn)算（數(shù)據(jù)幀逐字與FF進(jìn)行異或），同時將標(biāo)識置0。

表2 遙測解調(diào)單元自動極性糾反功能示意Table 2 Automatic polarity correction function of telemetry demodulation unit

這樣的設(shè)計還兼顧了反碼副幀方式——根據(jù)上述判決原則，在三態(tài)下幀同步位置出現(xiàn)反碼時標(biāo)識都置1，但由于反碼不會在連續(xù)3幀中出現(xiàn)兩次，因此不滿足極性反轉(zhuǎn)的判定條件，不會進(jìn)行數(shù)據(jù)極性反轉(zhuǎn)。

4 改進(jìn)設(shè)計

如上所述，解調(diào)單元自動極性糾反功能在正常情況下是不會出現(xiàn)誤反轉(zhuǎn)問題的。仔細(xì)比對遙測解調(diào)參數(shù)和問題出現(xiàn)的部位發(fā)現(xiàn)，誤反轉(zhuǎn)時要有3個特殊條件必須同時滿足：一是誤碼剛好出現(xiàn)在反碼副幀的下一子幀同步碼上（正常情況此發(fā)生概率很小，因此一定是高誤碼率情況）；二是較小的鎖定容錯（幀同步碼誤碼個數(shù)超過鎖定容錯）；三是較大的鎖定幀數(shù)（在幀同步碼誤碼較大時幀同步還保持）。如表1所示，反碼副幀后的下一幀——第N＋2幀同步碼為3C68，幀同步碼誤碼個數(shù)為2，大于鎖定容錯1，同時第N＋1幀標(biāo)識為1（第N＋1幀為正常的反碼副幀狀態(tài)），根據(jù)原判決邏輯，第N＋2幀標(biāo)識錯誤地保持了第N＋1幀標(biāo)識值1，因此從第N＋3幀開始數(shù)據(jù)極性發(fā)生了誤反轉(zhuǎn)，但如果后面數(shù)據(jù)的幀同步碼能連續(xù)保持正常（連續(xù)兩次保持反碼值C394），根據(jù)原判決邏輯，數(shù)據(jù)極性還會再次發(fā)生反轉(zhuǎn)，重新恢復(fù)正確極性（如N＋3～N＋6幀所示），這就是為什么原位流數(shù)據(jù)中只有部分?jǐn)?shù)據(jù)幀出現(xiàn)時碼亂碼，而未出現(xiàn)大片連續(xù)數(shù)據(jù)幀時碼亂碼的現(xiàn)象。從以上分析可見，原判決邏輯的問題出在校核與鎖定狀態(tài)的判斷：當(dāng)幀同步碼出現(xiàn)誤碼的個數(shù)大于校核或鎖定容錯并且上一幀的標(biāo)識為1時，將標(biāo)識保持為1（這樣做是為了保證在正常情況下解調(diào)單元能夠快速準(zhǔn)確地完成極性糾反，從而更多地獲取數(shù)據(jù)，事實也證明遙測數(shù)據(jù)誤碼率在10－4以下的正常情況時，從未出現(xiàn)極性誤反轉(zhuǎn)的情況）。為了保證試驗數(shù)據(jù)在高誤碼率時解調(diào)單元也能正確進(jìn)行極性糾反，可按如下方法改進(jìn)：滿足上述條件時標(biāo)識不再保持1，而是同樣根據(jù)幀同步的異或累加結(jié)果來決定當(dāng)前幀的標(biāo)識，但為了兼顧糾反的快速性，這里不必讓異或累加結(jié)果等于相關(guān)峰值，而是以幀同步碼碼長的一半為判決標(biāo)準(zhǔn)（以表2為例，相關(guān)檢測峰值為14～16，而幀同步碼碼長一半為8），當(dāng)異或累加結(jié)果大于幀同步碼碼長的一半時，當(dāng)前幀的標(biāo)識置1，否則均置0。這樣的判決設(shè)置是基于以下考慮：如果是由于數(shù)據(jù)的誤碼太高而導(dǎo)致了異或累加結(jié)果大于幀同步碼碼長的一半，數(shù)據(jù)極性仍會誤反轉(zhuǎn)，但這樣高的誤碼（誤碼在數(shù)據(jù)幀中的任意位置出現(xiàn)概率都是相同的［3］，若一幀數(shù)據(jù)中幀同步碼的一半都是誤碼，說明數(shù)據(jù)的誤碼已相當(dāng)高，基本無法從數(shù)據(jù)中獲取有效信息）說明該數(shù)據(jù)已不可用，極性是否誤反轉(zhuǎn)已不重要。

5 改進(jìn)后的驗證試驗

按照上述改進(jìn)方法對基帶FPGA代碼修改后進(jìn)行對比驗證試驗：修改基帶調(diào)制模擬源加載數(shù)據(jù)，令模擬數(shù)據(jù)中某個反碼副幀后的一個幀同步碼超過鎖定容錯（應(yīng)為3C6B，改為3C68），遙測解調(diào)單元進(jìn)行上述模擬源數(shù)據(jù)模飛和閉環(huán)自檢，啟動位流數(shù)據(jù)記錄，記錄后的位流數(shù)據(jù)回放并轉(zhuǎn)儲成PC能識別的二進(jìn)制文件，如圖3（b）所示（圖3（a）為代碼修改前記錄的位流數(shù)據(jù)回放并轉(zhuǎn)儲的二進(jìn)制文件）。從圖3可見代碼修改前數(shù)據(jù)極性發(fā)生了反轉(zhuǎn)，而修改后未發(fā)生反轉(zhuǎn)，數(shù)據(jù)極性保持正確。

圖3 代碼修改前后位流轉(zhuǎn)儲數(shù)據(jù)極性反轉(zhuǎn)比對結(jié)果Fig.3 Data comparison result before and after code changes

基帶進(jìn)行閉環(huán)自檢：設(shè)置模擬源模塊輸出信號的載噪比低于解調(diào)門限3 dB（載噪比在門限時對應(yīng)誤碼率小于1×10－4），模擬誤碼率達(dá)到10－2數(shù)量級時的狀態(tài)，啟動位流數(shù)據(jù)記錄并回放轉(zhuǎn)儲成PC能識別的二進(jìn)制文件，打開該文件觀察是否出現(xiàn)時碼亂碼，如圖4（b）所示（圖4（a）為代碼修改前記錄的位流數(shù)據(jù)回放并轉(zhuǎn)儲的二進(jìn)制文件）。從圖4可見代碼修改前時碼出現(xiàn)亂碼，而修改后在數(shù)據(jù)文件相同部位未出現(xiàn)時碼亂碼。

圖4 代碼修改前后位流轉(zhuǎn)儲數(shù)據(jù)時碼比對結(jié)果Fig.4 Time-code comparison result before and after code changes

6 結(jié)束語

高誤碼條件下的遙測數(shù)據(jù)有時比正常情況更加重要，因為高誤碼一般發(fā)生在飛行異常等特殊情況，此時如何從高誤碼的數(shù)據(jù)中獲取有效信息就顯得尤為重要。本文針對FM遙測解調(diào)自動極性糾反功能在高誤碼情況的設(shè)計缺陷，提出的改進(jìn)方法能夠徹底解決數(shù)據(jù)極性誤反轉(zhuǎn)問題，從而增強(qiáng)解調(diào)設(shè)備在高誤碼條件下的數(shù)據(jù)識別能力，但是對于極性反轉(zhuǎn)問題，還應(yīng)考慮基帶的位流回放模塊的功能設(shè)計，因為位流數(shù)據(jù)的回放存在一個二次解調(diào)的問題，而回放本身就是要確保已記錄在存儲器上的數(shù)據(jù)能原封不動地被還原出來，因此對于基帶的位流回放模塊不應(yīng)再有自動極性糾反功能。

［1］唐歌實.深空測控?zé)o線電測量技術(shù)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2012. TANG Ge-shi.Radiometric Measuring Techniques for Deep Space Navigation［M］.Beijing：National Defense Industry Press，2012.（in Chinese）

［2］孔冬.高速PCM／FM遙測解調(diào)技術(shù)研究［D］.成都：電子科技大學(xué)，2012. KONG Dong.Study on High-speed PCM／FM Telemetry Demodulation Technology［D］.Chengdu：University of Eletronic Science and Technology of China，2012.（in Chinese）

［3］劉嘉興.飛行器測控通信工程［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2010. LIU Jia-xing.Spacecraft TT＆C and Communication Engineering［M］.Beijing：National Defense Industry Press，2012.（in Chinese）

LIU Yang was born in Changchun，Jilin Province，in 1973.He received the M.S.degree in 2005.He is now a senior engineer.His research concerns space telemetry and digital transmitting.

趙文華（1965—），男，江蘇江陰人，2004年獲電子信息工程碩士學(xué)位，現(xiàn)為高級工程師，主要從事航天測控總體技術(shù)的研究；

ZHAO Wen-hua was born in Jiangyin，Jiangsu Province，in 1965.He received the M.S.degree in 2004.He is now a senior engineer.His research concerns aerospace TT＆C general technology.

何晶（1975—），女，吉林省吉林市人，2006年獲天體測量與天體力學(xué)專業(yè)碩士學(xué)位，現(xiàn)為高級工程師，主要從事航天測控數(shù)據(jù)處理技術(shù)的研究；

HE Jing was born in Jilin，Jilin Province，in 1975.She received the M.S.degree in 2006.She is now a senior engineer.Her research concerns orbit determination and data precision analysis.

Email：jialhhj＠163.com

鄒春華（1972—），男，浙江諸暨人，高級工程師，主要從事航天測控總體技術(shù)的研究；

ZOU Chun-hua was born in Zhuji，Zhejiang Province，in 1972. He is now a senior engineer.His research concerns aerospace TT＆C general technology.

王喜權(quán)（1975—），男，湖北武漢人，工程師，主要從事航天無線電遙測數(shù)傳技術(shù)的研究。

WANG Xi-quan was born in Wuhan，Hubei Province，in 1975.He is now an engineer.His research concerns space telemetry and digital transmitting technology.

An Improved Design for Auto Polarity Revising of FM Telemetry Demodulation

LIU Yang1，2，ZHAO Wen-hua1，2，HE Jing1，2，ZOU Chun-hua1，WANG Xi-quan1
（1.China Satellite Maritime Tracking and Control Department，Jiangyin 214431，China；2.Joint Laboratory of Ocean-based Flight Vehicle Measurement and Control，Jiangyin 214431，China）

This paper proposes the background of automatic polarity correction function of telemetry demodulation unit from the false polarity revising by high error code under the different channel frequency conversion mode. Then it analyzes the principle of automatic polarity correction design by two kinds of judge logic of identifying the frame polarity under the searching state and the chechout／lock state.With the evidence of the simulating test the bug has been found that high error code can result in error on the second identifying wheather the frame polarity equals 1 after the frame polarity synchronization reverse code emerges.Finally，the bug is removed by adopting the modification of identifying the frame polarity as 1 just by whether difference probability accumulation exceeds half length of frame synchronization code.By such modification it not only removes the bug but also assures the identifying′s speediness.As a result of the test after the modification，the new design has been approved to be correct and effective.

FM telemetry demodulation；polarity reversion；frame synchronization identifying code；locked error tolerance

date：2013－04－11；Revised date：2013－07－17

??通訊作者：jialhhj＠163.comCorresponding author：jialhhj＠163.com

TN76

A

1001－893X（2013）09－1234－04

劉洋（1973—），男，吉林長春人，2005年獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為高級工程師，主要從事航天無線電遙測數(shù)傳技術(shù)的研究；

10.3969／j.issn.1001－893x.2013.09.022

2013－04－11；

2013－07－17