信號(hào)飽和對(duì)遙測(cè)設(shè)備自跟蹤影響的研究及應(yīng)用

張躍飛，趙翔宇，蘇 坦

(太原衛(wèi)星發(fā)射中心測(cè)量控制站，山西 忻州，036301)

0 引言

在遙測(cè)設(shè)備中廣泛采用比相單通道單脈沖測(cè)角方式[1-2],利用天線波束形成網(wǎng)絡(luò)輸出的角誤差信號(hào)(即方位誤差信號(hào)ΔA和俯仰誤差信號(hào)ΔE),經(jīng)過(guò)一組低頻信號(hào)調(diào)制后再與射頻Σ信號(hào)合并形成一個(gè)單通道信號(hào),接收機(jī)解調(diào)出的誤差電壓提供給伺服系統(tǒng)以完成對(duì)目標(biāo)的自跟蹤。

現(xiàn)階段，跟蹤接收機(jī)朝著數(shù)字化方向不斷發(fā)展，數(shù)字接收機(jī)一般在中頻直接進(jìn)行ADC(數(shù)模變換)，再由FPGA、DSP等可編程數(shù)字芯片對(duì)該中頻采樣進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，最終送出誤差電壓。整個(gè)過(guò)程中，采用軟件編程的方式實(shí)現(xiàn)跟蹤接收機(jī)的全部功能[3]，軟件編程采用軟件無(wú)線電[4]技術(shù)。

遙測(cè)信號(hào)過(guò)飽和會(huì)導(dǎo)致角誤差無(wú)法正確解調(diào)，影響設(shè)備自跟蹤。本文仿真了信號(hào)飽和影響角誤差電壓解調(diào)的機(jī)理，以實(shí)際具體遙測(cè)設(shè)備為例，給出了詳細(xì)測(cè)試方法，測(cè)試了一定使用條件下影響角誤差解調(diào)的信號(hào)強(qiáng)度。

1 單通道單脈沖角跟蹤原理

天線饋源將接收到的信號(hào)產(chǎn)生3路射頻信號(hào)：一路和信號(hào)、一路方位差信號(hào)和一路俯仰差信號(hào)。方位和俯仰差信號(hào)經(jīng)一組正交的調(diào)制信號(hào)，分別經(jīng)過(guò)0/π調(diào)制后，最后通過(guò)雙路耦合器按比例與和信號(hào)迭加，合成一路單通道單脈沖信號(hào)射頻信號(hào)，射頻信道對(duì)射頻信號(hào)進(jìn)行放大、濾波和變頻后處理后變?yōu)橹蓄l信號(hào)，由接收機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)和角誤差信號(hào)解調(diào)。單通道單脈沖跟蹤接收原理框圖如圖1所示。

圖1 單通道單脈沖跟蹤接收原理框圖Fig.1 Principle block diagram of single channel monopulse tracking and receiving

單脈沖單通道跟蹤接收機(jī)的和信號(hào)、方位差信號(hào)和俯仰差信號(hào)[5-6]可分別表示為：

EΣ(t)=Amcos(w0t)，

(1)

EΔA(t)=AmuθAcos(w0t)，

(2)

EΔE(t)=AmuθEcos(w0t)，

(3)

式中，u為差通道斜率；Am為和路信號(hào)強(qiáng)度；w0為接收信號(hào)的角頻率；θA為方位偏差角；θE為俯仰角誤差。

1.1 二相調(diào)制(0/π調(diào)制)

單通道單脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)預(yù)選濾波器、低噪聲場(chǎng)放、后選濾波器、下變頻器和中放AGC后，轉(zhuǎn)換為中頻信號(hào)，接收機(jī)對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行載波跟蹤和角誤差解調(diào)。單通道單脈沖的信號(hào)合成中，遙測(cè)信號(hào)采用二相調(diào)制合成(0/π調(diào)制)[7-9]。

二相調(diào)制又稱(chēng)0/π調(diào)制，即在低頻方波U(t)的作用下對(duì)差信號(hào)進(jìn)行調(diào)相，調(diào)相后的差信號(hào)與和信號(hào)相加成為一路信號(hào)[10]。該方法可用于單頻信號(hào)進(jìn)行跟蹤。角跟蹤接收機(jī)產(chǎn)生兩路相同的低頻方波：一路用于對(duì)差信號(hào)進(jìn)行調(diào)相；另一路作為角誤差信號(hào)解調(diào)的參考基準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)角誤差信號(hào)提取與分離。根據(jù)系統(tǒng)不同，U(t)的頻率從凡百赫茲到幾千赫茲不等，本文以遙測(cè)設(shè)備常用的1 kHz低頻方波為例。

1 kHz方波信號(hào)(周期T=1 ms)信號(hào)為：

(4)

其正交的方波信號(hào)為U(t-T/4),即延遲0.25 ms的1 kHz方波信號(hào)，方位差信號(hào)和俯仰差信號(hào)經(jīng)過(guò)相互正交的1 kHz低頻信號(hào)進(jìn)行0/π調(diào)制。

調(diào)制后相加后得到差路信號(hào)為：

SΔ=U(t)EΔA(t)+U(t-T/4)EΔE(t)=

AmuθAcos(w0t)EΔA(t)+

AmuθEcos(w0t)EΔE(t)。

(5)

差路信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)定向耦合器與和路信號(hào)合成單通道信號(hào)：

(6)

圖2 典型單通道單脈沖信號(hào)波形Fig.2 Typical single-channel monopulse waveform

1.2 角誤差的解調(diào)

接收機(jī)完成載波的提取和解調(diào)，提取差支路信號(hào)[11]，在利用與0/π調(diào)制相關(guān)的2路正交的1 kHz低頻信號(hào)解調(diào)出方位和俯仰差信息。

s中頻=K1Amcos(w0t)×

(7)

中頻信號(hào)經(jīng)過(guò)AGC控制，進(jìn)行相干載波提取，獲得相干載波：

S載波=cos(w0t)。

(8)

中頻信號(hào)與相干載波相乘，可得到和信號(hào)為1/2(K1Am)，再經(jīng)過(guò)帶通濾波器，得到差路信號(hào)：

(9)

差路信號(hào)中包含的方位差和俯仰差信號(hào)分別由U(t)，U(t-T/4)信號(hào)同步檢波得到。

方位角誤差電壓和俯仰角誤差電壓為：

(10)

(11)

式中，Kd為角誤差的定向靈敏度[12]。

2 信號(hào)強(qiáng)度對(duì)角誤差解調(diào)影響

2.1 單通道單脈沖信號(hào)特征

單通道單脈沖信號(hào)的調(diào)頻用于傳輸遙測(cè)數(shù)據(jù)，而調(diào)幅包絡(luò)攜帶角誤差信息[13]，角誤差信號(hào)會(huì)改變單通道單脈沖信號(hào)的幅度，相互正交的1 kHz的方波信號(hào)與單通道單脈沖信號(hào)的正常波形在Matlab中仿真如圖3所示[14]。

圖3 方波信號(hào)與單通道單脈沖信號(hào)的波形Fig.3 Waveform of square wave signal and single channel monopulse signal

相互正交方波的波形，在一個(gè)周期(0.001 s)內(nèi)，單通道單脈沖信號(hào)波形因正交方波值的不同呈4個(gè)值，對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 正交方波值與單通道單脈沖信號(hào)最大值關(guān)系

Tab.1Therelationshipbetweentheorthogonalsquarewavevalueandthemaximumvalueofsinglechannelmonopulsesignal

正交1 kHz方波值單通道單脈沖信號(hào)幅度最大值1,112K1Am+UΔA+UΔE-1,112K1Am-UΔA+UΔE-1,-112K1Am-UΔA-UΔE1,-112K1Am+UΔA-UΔE

2.2 信號(hào)強(qiáng)度影響角誤差機(jī)理

一般數(shù)字化中頻接收機(jī)[3]解調(diào)角誤差電壓的流程如圖4所示。

接收機(jī)輸入信號(hào)首先經(jīng)過(guò)中頻濾波器濾波和ADC轉(zhuǎn)換后送給AGC控制電路，AGC控制電路的功能是改變AGC控制電路增益，在輸入信號(hào)電壓變化很大時(shí)，保持輸出電壓恒定或基本不變[15]。AGC控制電路輸出電壓在一個(gè)固定范圍內(nèi)變化，當(dāng)AGC控制電路的值為最大值時(shí)，可認(rèn)為信號(hào)飽和，此時(shí)攜帶角誤差信息的調(diào)幅包絡(luò)[13]會(huì)變形，導(dǎo)致解調(diào)的角誤差電壓失真。遙測(cè)設(shè)備實(shí)際使用中，AGC輸出電壓剛達(dá)到最大值時(shí)不會(huì)使角誤差電壓失真，只有輸入信號(hào)強(qiáng)度持續(xù)增大到一定值使才會(huì)使角誤差電壓失真。

2.3 不同信號(hào)強(qiáng)度信號(hào)波形變化

接收機(jī)在接收到單通道單脈沖的信號(hào)時(shí)，將解調(diào)出的1/2(K1Am)送入到AGC控制電路，產(chǎn)生AGC電壓表示信號(hào)的強(qiáng)度。當(dāng)AGC電壓為5 V時(shí)(所用遙測(cè)設(shè)備AGC電壓最大值)，信號(hào)飽和。

通過(guò)和信號(hào)與俯仰、俯仰誤差信號(hào)公式可知，其大小均與遙測(cè)信號(hào)的強(qiáng)度大小相關(guān)，其信號(hào)的大小在射頻信號(hào)中控制輸出電壓的范圍為±10 V(根據(jù)設(shè)備不同，此值會(huì)有差異)，當(dāng)1/2(K1Am)+|UΔA|+|UΔE|的電壓值超過(guò)10 V時(shí)，也就是圖3中調(diào)制信號(hào)波形最大值超過(guò)10 V，波形會(huì)因削頂和削底而發(fā)生畸變，單通道單脈沖信號(hào)就不能正確反映方位和俯仰角誤差的大小，解調(diào)角誤差會(huì)存在失真，具體表現(xiàn)為方位和俯仰的角誤差較正常值偏小。此時(shí)的信號(hào)波形如圖5所示。

圖5 角誤差失真時(shí)單通道單脈沖信號(hào)的波形Fig.5 Waveform of single channel monopulse signal with angle error distortion

當(dāng)信號(hào)強(qiáng)度再增大到一定值后，1/2(K1Am)-|UΔA|-|UΔE|電壓值大于10 V時(shí)，單通道單脈沖信號(hào)的波形如圖6所示。此時(shí)方位和俯仰誤差解調(diào)出的電壓均為0。

圖6 角誤差電壓為零時(shí)單通道單脈沖信號(hào)波形Fig.6 Single channel monopulse signal waveform with zero angular error voltage

3 角誤差解調(diào)失真時(shí)信號(hào)強(qiáng)度測(cè)量及應(yīng)用

信號(hào)強(qiáng)度過(guò)大會(huì)使解調(diào)出角誤差失真，為使角誤差的正確解調(diào)，只需測(cè)量出引起角誤差解調(diào)失真的最小信號(hào)強(qiáng)度值，并在遙測(cè)設(shè)備跟蹤目標(biāo)時(shí)保持輸入給接收機(jī)的信號(hào)強(qiáng)度始終小于該值即可。

當(dāng)接收信號(hào)的碼速率、發(fā)射天線功率和距離等條件一定時(shí)，遙測(cè)設(shè)備天線接收的遙測(cè)信號(hào)強(qiáng)度一定，通過(guò)調(diào)節(jié)射頻信道中的下變頻器的衰減值，觀察角誤差的變化。遙測(cè)信號(hào)強(qiáng)度測(cè)試原理如圖7所示。

圖7 遙測(cè)信號(hào)強(qiáng)度測(cè)試原理Fig.7 Principle of telemetry signal nsity testing

測(cè)試在實(shí)時(shí)接收被測(cè)信號(hào)的條件下進(jìn)行，測(cè)試了多組信號(hào)，由于測(cè)試結(jié)果差異較小，在此僅列出某組測(cè)試結(jié)果。

頻譜儀測(cè)得射頻信號(hào)強(qiáng)度約為-51 dBm,角誤差解調(diào)結(jié)果如表2所示。

表2 下變頻器衰減值與角誤差電壓對(duì)應(yīng)關(guān)系

Tab.2Correspondingrelationshipbetweenattenuationvalueofdownconverterandangularerrorvoltage

下變頻器衰減值輸入接收機(jī)中頻信號(hào)電平/-dBm方位角誤差/V俯仰角誤差/V45-513.303.7040-463.303.7030-363.303.7026-323.303.7025-311.961.8723-290.500.9620-260.020.08

由表2可以看出，當(dāng)下變頻器的衰減值設(shè)置為26以上時(shí)，接收機(jī)能正常解調(diào)角誤差信息；當(dāng)衰減值設(shè)為26以下時(shí)，接收機(jī)解調(diào)角誤差信息無(wú)法反映實(shí)際值。通過(guò)設(shè)備信道計(jì)算，衰減值設(shè)置為25時(shí)，輸入給接收機(jī)的信號(hào)強(qiáng)度約為-31 dBm時(shí)，接收機(jī)無(wú)法正確解調(diào)角誤差信息。

由于設(shè)備噪聲和被測(cè)信號(hào)質(zhì)量的影響，測(cè)量值存在一定差異，但是差異較小，通過(guò)分析可知：當(dāng)輸入給接收機(jī)的信號(hào)強(qiáng)度達(dá)到約-31 dBm時(shí)，接收機(jī)解調(diào)出角誤差存在失真。因此在遙測(cè)設(shè)備使用中設(shè)置合理的下變頻器衰減值使輸入給接收機(jī)的值小于-31 dBm。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)分析比相單通道單脈沖的原理和信號(hào)飽和對(duì)角誤差解調(diào)的影響，分析測(cè)試得出當(dāng)輸入給接收機(jī)的遙測(cè)信號(hào)強(qiáng)度大于某一特定值時(shí)就會(huì)使角誤差的解調(diào)產(chǎn)生失真，影響遙測(cè)設(shè)備自跟蹤。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，本文給出了所用遙測(cè)設(shè)備射頻信道中下變頻衰減值設(shè)置的合理范圍，對(duì)遙測(cè)設(shè)備完成正常跟蹤測(cè)量任務(wù)具有重大的作用，該測(cè)量方式可為其他采用比相單通道單脈沖角跟蹤方式的設(shè)備使用提供重要參考。