機載衛(wèi)通天線載波相位誤差影響分析及補償

張明軍，丁鵲鵲，侯景華，趙 麗

(中國人民解放軍63629部隊，北京100162)

0 引言

機載衛(wèi)通天線自跟蹤接收機采用單脈沖跟蹤體制，饋電系統(tǒng)產(chǎn)生的和模信號主要用于通信并作為跟蹤系統(tǒng)的參考信號，差模信號作為跟蹤的誤差信號，其大小確定了目標偏離電軸多少，差信號與和信號的相位關(guān)系確定了目標的偏離電軸方向。自跟蹤接收機根據(jù)誤差電壓的大小實時調(diào)整天線位置和姿態(tài)動態(tài)跟蹤衛(wèi)星，誤差電壓的正確與否直接關(guān)系到跟蹤精度[1-3]。

自跟蹤接收機由于測量飛機平臺環(huán)境條件惡劣，和/差2路傳輸特性的差別和設備內(nèi)部溫度變化，以及飛行高度變化引起相位的溫度變化，常導致載波和/差2路信號基準相位發(fā)生變化，相對相移會變化較大，產(chǎn)生了附加相移，進而產(chǎn)生了附加的誤差電壓，接收機輸出的誤差電壓不能真實反映衛(wèi)通天線的偏離角，引起跟蹤誤差，易導致天線丟星，特別是在飛機起飛、拐彎等航段。因而，必須對跟蹤時載波的和差相位一致性進行準確地補償和預置，才能保證跟蹤系統(tǒng)的收斂特性，減少交叉耦合，提高跟蹤精度[4]。

本文分析了載波相位誤差對解調(diào)性能的影響，采用標定法和移相法對自跟蹤接收機相位進行補償，通過實時調(diào)整中頻接收機的鎖相環(huán)初始相位來消除附加相移，減小跟蹤誤差，提高天線跟蹤精度，分析了中頻接收機初始相位調(diào)整前后的交叉耦合變化情況，經(jīng)過驗證，改變跟蹤接收機初始相位，可有效減少交叉耦合，提高天線跟星穩(wěn)定性。

1 載波相位誤差對解調(diào)性能的影響分析

從天線饋電系統(tǒng)得到的和信號UΣ與差信號UΔ為：

式中，Φ0為和差信號相位差；A為信號幅度；μθ為軸角編碼器的角度與誤差電壓變換系數(shù)。

差信號UΔ經(jīng)0/π調(diào)相(調(diào)制信號為角頻率為Ω的方波信號)后的信號為：

cos[(ωs-kΩ)t+Φ0]}。

和差信號相加后經(jīng)放大、變頻、鎖相后的信號為：

U=kAcosωrt+

cos[(ωr-Ω)t+Φ0]}。

利用互相正交的2個相干載波信號U1r=Ur·cosωrt和U2r=Ursinωrt對信號U鑒相，濾去其高頻與直流成分，只選Ω分量后得：U1Ω=k′cos(Ωt+Φ0)和U2Ω=k′sin(Ωt+Φ0)，將U1Ω，U2Ω與時鐘基準信號進行同步檢波，濾除其高頻2Ωt分量，取其直流誤差電壓為：

UΔA=k″sinΦ0，

(1)

UΔE=k″cosΦ0，

(2)

將UΔA和UΔE送天線伺服系統(tǒng)即可實現(xiàn)對天線自動跟蹤。

環(huán)境條件和飛機姿態(tài)變化時，引起和/差2路載波信號基準相位發(fā)生了變化，產(chǎn)生了附加相移。設差支路產(chǎn)生的附加相移為φ，此種情況下，和差信號相位差為Φ0+φ，則差信號為：

UΔ=Aμθcos(ωst+Φ0+φ)。

對差信號UΔ經(jīng)0/π調(diào)相、和差信號相加后經(jīng)放大、變頻、鎖相后的信號為：

Uφ=kAcosωrt+

cos[(ωr-Ω)t+Φ0+φ]}。

對信號Uφ進行正交鑒相、同步檢波、濾波后，取其直流誤差電壓為：

UΔΑφ=k″sin(Φ0+φ)=

k″[sinΦ0cosφ+cosΦ0sinφ]，

(3)

UΔEφ=k″cos(Φ0+φ)=

k″[cosΦ0cosφ-sinΦ0sinφ] 。

(4)

對比式(1)～式(4)可以看出，由于附加相移φ的存在，跟蹤接收機解調(diào)出來的方位和俯仰直流誤差電壓發(fā)生了變化，產(chǎn)生了附加誤差電壓。

方位附加誤差電壓為：

ΔUΔA=UΔAφ-UΔA=

k″sinΦ0(cosφ-1)+k"cosΦ0sinφ。

俯仰附加誤差電壓為：

ΔUΔE=UΔEφ-UΔE=

k″cosΦ0(cosφ-1)-k"sinΦ0sinφ。

載波相位誤差對解調(diào)性能的主要影響有：

① 由于cosφ的存在，使鑒相后的調(diào)制信號的信噪比下降了cos2φ倍，提高了誤碼率。

② 在對調(diào)制信號進行解調(diào)時，附加相移產(chǎn)生了附加誤差電壓，當帶有附加誤差電壓的直流誤差電壓控制天線運動時，會使天線產(chǎn)生指向誤差，影響天線跟蹤精度。

③ 在式(3)和式(4)中，第二項是與原調(diào)制信號正交的項，該正交項使調(diào)制信號產(chǎn)生畸變，產(chǎn)生了交叉耦合，φ越大，畸變也越大，交叉耦合越大，收斂性能變差。由于交叉耦合的存在，天線不能穩(wěn)定跟蹤衛(wèi)星，降低了天線跟蹤精度。

方位交叉耦合：

俯仰交叉耦合：

若要改變附加相移對接收機解調(diào)出來的直流誤差電壓的影響，可采用載波相位補償方法改變相干載波的初始相位，消除附加相移φ的影響。在設計中，可通過實時改變中頻接收機的鎖相環(huán)初始相位來實現(xiàn)相位補償，以消除附加相移[5]。

2 載波相位補償方法

2.1 標定法

標定的主要目的是修正天線在使用過程中和差通道幅相發(fā)生的變化。為了進行標定，需要在跟蹤接收機內(nèi)加裝一個標定系統(tǒng)，利用該標定系統(tǒng)實時測量和通道與差通道的實測相位差Φ1，與存儲在跟蹤接收機EPROM內(nèi)的和差通道基準相位差Φ0進行比較計算，得到和差通道的基準相位差與實測相位差的差值，該相位差即為附加相移φ，在跟蹤接收機內(nèi)對該附加相移進行補償，減少附加誤差電壓，實現(xiàn)對天線的高精度跟蹤[6]。

2.1.1 標定系統(tǒng)設計

標定系統(tǒng)主要由基準信號源(如70 MHz)、上變頻模塊、信號處理模塊及和差通道切換開關(guān)[7-9]等組成。

基準信號源產(chǎn)生標定用的70 MHz基準信號。設計中也可直接使用跟蹤接收機內(nèi)部的70 MHz基準信號。上變頻模塊主要產(chǎn)生Ku頻段標定激勵信號，將70 MHz基準信號上變頻為工作頻率(如12.5 GHz射頻信號)。信號處理模塊將收到的70 MHz中頻信號與70 MHz基準信號進行變頻、AD采樣、鑒相等處理，計算和通道相位值、差通道相位值和2路信號的相位差。

在中頻信號處理中，可采用DSP和FPGA融合設計技術(shù)，提高信號處理速度。FPGA主要完成數(shù)字下變頻、快速傅里葉變換、數(shù)字鎖相和計算[10-12]，DSP主要完成誤差信號的同步解調(diào)、低通濾波和AGC控制功能。和差通道切換開關(guān)安裝在天線系統(tǒng)的饋源與LNA之間，在天線控制單元(ACU)控制下，和差通道切換開關(guān)分別將70 MHz基準信號輸入到天線的和通道與差通道中。

標定系統(tǒng)的70 MHz基準信號源、上變頻模塊、信號處理模塊安裝在衛(wèi)通站的跟蹤接收機內(nèi)。將跟蹤接收機測試口輸出的70 MHz信號作為標定用的載波輸出信號，輸入到標定系統(tǒng)的信號處理模塊。標定系統(tǒng)組成與連接方法如圖1所示。

圖1 標定系統(tǒng)組成與連接方法Fig.1 The composition and connection method of the calibration system

2.1.2 工作原理

標定系統(tǒng)的70 MHz基準信號變頻后產(chǎn)生12.5 GHz射頻信號，在ACU控制下，依次打開切換開關(guān)K1和K2，將12.5 GHz射頻信號輸入到天線的和通道與差通道中。

在跟蹤接收機的“70 MHz輸出測試口”分別將2路70 MHz中頻信號輸入到標定系統(tǒng)的信號處理模塊，經(jīng)過變頻、AD采樣、鑒相等處理，計算70 MHz基準信號與70 MHz輸出信號的和通道相位值、差通道相位值與和差信號相位差，并將計算結(jié)果輸入到ACU，對附加相移進行補償，減少附加誤差電壓和交叉耦合，實現(xiàn)對天線的高精度跟蹤。在天線裝機出廠時，利用標定系統(tǒng)(或暗室)得到和差2個通道的出廠相位差(基準相位差)Φ0=φ∑-φΔ作為天線和差通道的基準相位差，存儲于跟蹤接收機的EPROM內(nèi)。

在天線使用過程中，每次開機先將基準相位差Φ0從EPROM加載到FPGA內(nèi)部的RAM當中。在線實時標定時，將測得的實時和差相位φ1，φ2作為實測值也寫入到RAM當中，經(jīng)過RAM讀寫控制，一次并行讀出。在信號處理模塊中，計算出和通道與差通道實測相位差Φ1=φ1-φ2，相差φ=Φ0-Φ1，即為附加相移，將計算結(jié)果φ輸入到ACU單元，作為跟蹤接收機和差通道最終補償相位。在線實時標定時，和差通道相差計算流程如圖2所示。

圖2 和差通道相差計算流程Fig.2 Difference calculation procedure of sum-difference channel

2.2 移相法

2.2.1 相位補償方法

設跟蹤接收機相干載波的初始相位角為φ，則2路相互正交的相干載波的初始相位角也為φ。2路相互正交的相干載波信號為[13-15]：

U1rφ=Urcos(ωrt+φ)，

(5)

U2rφ=Ursin(ωrt+φ) 。

(6)

利用式(5)和式(6)對信號Uφ鑒相(Uφ分別與U1rφ和U2rφ相乘)，并濾去高頻與直流成分，則：

U1Ωφ=M1cosφ+M2{cos[(Ωt+Φ0)+(φ-φ)]+

cos[(-Ωt+Φ0)+(φ-φ)]}，

U2Ωφ=M1sinφ+M2{sin[(Ωt+Φ0)+(φ-φ)]-

sin[(Ωt-Φ0)+(φ-φ)]}。

只選其Ω分量后得：

U1Ωφ=M{cos[(Ωt+Φ0)+(φ-φ)]+
cos[(-Ωt+Φ0)+(φ-φ)]}，

U2Ωφ=M{sin[(Ωt+Φ0)+(φ-φ)]-
sin[(Ωt-Φ0)+(φ-φ)]}。

分別將U1Ωφ與U2Ωφ與時鐘基準信號進行同步檢波即(cosΩt)×(U1Ωφ)與(sinΩt)×(U2Ωφ)，濾除去其高頻2Ωt分量，取其直流的誤差電壓為：

UΔAφ=M′cos(Φ0+φ-φ)，

UΔEφ=M′sin(Φ0+φ-φ)。

將UΔAφ和UΔEφ送至伺服系統(tǒng)控制天線運動時，就會產(chǎn)生指向誤差。調(diào)整跟蹤接收機的初始相位φ，當φ=φ時，即可消除附加相移φ對誤差電壓的影響，消除指向誤差，實現(xiàn)衛(wèi)通天線對衛(wèi)星的連續(xù)、穩(wěn)定的自動跟蹤。

在跟蹤接收機的中頻跟蹤解調(diào)電路中增加中頻相移器，根據(jù)方位角誤差和俯仰角誤差的收斂性和交叉耦合大小，通過手動方式調(diào)整中頻移相器相位值，改變中頻接收機的鎖相環(huán)初始相位φ，減小初始相位φ與附加相移φ間的差值，實時對接收機相位進行補償。

中頻移相器相位值的調(diào)整會引起交叉耦合的變化，因此，在中頻移相器相位值調(diào)整時，應實時考慮方位、俯仰的交叉耦合大小和天線的收斂特性。

中頻移相器初始相位角調(diào)整。接收機環(huán)路鎖定后，對于衛(wèi)星的信標信號，在跟蹤接收機監(jiān)控單元中，根據(jù)方位角誤差和俯仰角誤差的收斂性和交叉耦合大小，以手動方式調(diào)整鎖相環(huán)初始相位值，實時對接收機相位進行補償，使各軸交叉耦合盡量趨近最小。根據(jù)工程經(jīng)驗，當方位交叉耦合LA=(ΔUE/ΔUA)≤1/3和俯仰交叉耦合LE=(ΔUA/ΔUE)≤1/3時，所得相位值是符合要求的相位值，此時，自跟蹤接收機能夠正常跟蹤衛(wèi)星，不易丟星。

2.2.2 應用效果分析

以某機載衛(wèi)通跟蹤接收機為例，跟蹤接收機鎖定后，對接收機中頻相位值調(diào)整前后的交叉耦合性能進行實例分析。

(1)跟蹤接收機初始相位角為28°

在跟蹤接收機角誤差電壓動態(tài)顯示界面上，分別沿UA軸和UE軸上、下、左、右將相位各拉偏0.5°，1.0°和1.5°，得到誤差電壓ΔUA和ΔUE，計算誤差電壓對應的交叉耦合LA或LE。當沿UA軸將相位上下拉偏時，LE=(ΔUA/ΔUE)，當沿UE軸將相位左右拉偏時，LA=(ΔUE/ΔUA)。

當中頻接收機相位角為28°時，誤差電壓與交叉耦合關(guān)系如表1所示。

表1 跟蹤接收機中頻相位角為28°時誤差電壓與交叉耦合關(guān)系

跟蹤接收機誤差電壓動態(tài)分布如圖3所示。

圖3 中頻相位角為28°時跟蹤接收機誤差電壓動態(tài)分布Fig.3 The dynamic distribution of tracking receiver’s error voltage when intermediate frequency phase angle is 28°

在圖3中，橫軸ΔUA表示衛(wèi)星偏離天線電軸的方位誤差電壓，縱軸ΔUE表示衛(wèi)星偏離天線電軸的俯仰誤差電壓。橫軸和縱軸的交點O表示天線電軸中心點，圖中的各點表示衛(wèi)星在天線電軸中的相對位置。

由圖3可以看出，向上、向下拉偏相位時，6個位置的誤差電壓都靠近數(shù)軸，誤差電壓小，天線收斂性好，交叉耦合數(shù)值較小，符合小于1/3的要求。在左右方向拉偏相位時，6個位置的誤差電壓離軸較遠，誤差電壓較大，交叉耦合值不滿足小于1/3的要求，方位誤差收斂性能差，存在發(fā)散現(xiàn)象，跟蹤衛(wèi)星過程中易丟星，需要進行相位值調(diào)整。

(2)中頻接收機相位角由28°調(diào)整為2.8°

中頻接收機相位角由28°調(diào)整為2.8°，再次進行交叉耦合檢查。中頻接收機相位角為2.8°時，誤差電壓與交叉耦合關(guān)系如表2所示。

表2 跟蹤接收機中頻相位角為2.8°時誤差電壓與交叉耦合關(guān)系

跟蹤接收機誤差電壓動態(tài)顯示如圖4所示。

圖4 中頻接收機相位角為2.8°時跟蹤接收機 誤差電壓動態(tài)分布Fig.4 The dynamic distribution of tracking receiver’s error voltage when intermediate frequency phase angle is 2.8°

由圖4可以看出，中頻接收機相位角由28°調(diào)整為2.8°后，當向上、向下、向左、向右拉偏相位時，各個位置的誤差電壓更靠近數(shù)軸，交叉耦合更小，天線收斂性好，交叉耦合值均滿足小于1/3的要求，天線能穩(wěn)定跟蹤衛(wèi)星。

3 結(jié)束語

本文提出的相位誤差補償方法可有效解決由和差通道相位誤差引起的天線跟蹤誤差，提高天線跟蹤精度，實現(xiàn)方案簡單、實用效果好，應用范圍大。在實際應用中，相位誤差補償可在衛(wèi)通天線控制單元進行補償，也可在衛(wèi)通站監(jiān)控單元進行補償。移相法已在機載衛(wèi)通天線中得到了驗證，例如，在飛機起飛前，在地面通過天線控制單元調(diào)整接收機初始相位，減少天線交叉耦合，使交叉耦合值優(yōu)于1/4，相位調(diào)整后，在飛機沿航路飛行中，天線跟星穩(wěn)定，在飛機轉(zhuǎn)彎階段天線丟星次數(shù)明顯減少。除應用于機載衛(wèi)通站外，2種補償方法均可用于車載和船載等其他機動平臺。標定法也可直接應用于衛(wèi)通相控陣天線和雷達相控陣天線的有源射頻通道校準，通過建立標定系統(tǒng)，檢查各有源通道的幅度、相位變化，判斷各通道工作狀態(tài)，并對其進行實時補償。為避免此類問題的產(chǎn)生，在單脈沖自跟蹤接收機設計中，建議增加相位校準功能，可實時對和差通道相位誤差進行自動校準 。