高靈敏度接收機(jī)通道特性分析

司圣平，郭 強(qiáng)，楊 琳，周 春，王 瑞

（1.上海衛(wèi)星工程研究所，上海 201109；2.上海航天技術(shù)研究院，上海 201109）

0 引 言

面向單個型號任務(wù)的產(chǎn)品研制方式存在生產(chǎn)效率低、產(chǎn)品設(shè)計狀態(tài)多、接口不統(tǒng)一、質(zhì)量控制因人而異等諸多問題，面對航天高密度發(fā)射任務(wù)，航天科技集團(tuán)開展去型號化工作的探索與實(shí)踐，優(yōu)化產(chǎn)品的研制生產(chǎn)模式，提高產(chǎn)品應(yīng)用的靈活性，縮短研制周期，滿足不同型號與用戶的需求，從而能有效應(yīng)對型號高強(qiáng)度研制要求。高靈敏度接收機(jī)［1］是衛(wèi)星通信系統(tǒng)的重要組成部分，自開展去型號化［2］工作以來，已經(jīng)完成了組批投產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品功能、技術(shù)狀態(tài)、試驗(yàn)項(xiàng)目、試驗(yàn)條件的統(tǒng)一，可以適應(yīng)多衛(wèi)星型號的使用，產(chǎn)品具有通用化、一體化、小型化、輕型化的特點(diǎn)。采用雙接收通道、雙發(fā)射通道，共用數(shù)字基帶的形式，實(shí)現(xiàn)了功能，性能，機(jī)、電、熱接口要求的統(tǒng)一，面向不同承制單位形成了統(tǒng)一的通用技術(shù)要求。

為了檢驗(yàn)去型號化產(chǎn)品的設(shè)計、生產(chǎn)穩(wěn)定性，確定產(chǎn)品的工作邊界，需要針對產(chǎn)品的性能穩(wěn)定性通過環(huán)境試驗(yàn)進(jìn)行檢查。文獻(xiàn)［3］研究了航天產(chǎn)品的特點(diǎn)，探討了航天產(chǎn)品可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)方法，提出對于電子、機(jī)電類產(chǎn)品，可以利用溫度循環(huán)進(jìn)行產(chǎn)品可靠性檢驗(yàn)。文獻(xiàn)［4］研究了環(huán)境因素對產(chǎn)品可靠性的影響，提出了一種利用變環(huán)境試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性靈敏度分析方法，分析了環(huán)境因素的變化對可靠性的影響。文獻(xiàn)［5］通過建立多體動力學(xué)模型，對車載電磁彈射裝置在不同工況下的發(fā)射穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)［6］針對小樣本的慣性平臺系統(tǒng)貯存可靠性問題，引入最小二乘支持向量機(jī)的預(yù)測方法對慣性平臺系統(tǒng)貯存可靠度進(jìn)行預(yù)測。本文利用上述研究成果，針對組批投產(chǎn)的接收機(jī)，采用大數(shù)定理對大樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。目前，同一研制單位已經(jīng)生產(chǎn)了30多臺該款接收機(jī)，其中驗(yàn)收機(jī)交付了24 臺，經(jīng)過4 批次產(chǎn)品的研制獲得了多臺產(chǎn)品的地面試驗(yàn)數(shù)據(jù)。另外，隨著產(chǎn)品在軌飛行經(jīng)歷的增加，在軌狀態(tài)下樣本數(shù)據(jù)同樣增加，完成了不同產(chǎn)品地面試驗(yàn)數(shù)據(jù)和在軌數(shù)據(jù)的一致性分析。本文通過對地面試驗(yàn)、在軌數(shù)據(jù)的分析，對組批投產(chǎn)后的產(chǎn)品一致性與穩(wěn)定性進(jìn)行研究。

1 特性參數(shù)分析

1.1 參數(shù)選取

本文所述的高靈敏度接收機(jī)工作在S 波段，用于接收天鏈衛(wèi)星的前向信號，接收靈敏度指標(biāo)要求達(dá)到-124 dBm，接收機(jī)作為測控應(yīng)答機(jī)的模塊組件，與發(fā)射機(jī)一起作為整體參加的試驗(yàn)項(xiàng)目如表1［7］所示，地面實(shí)測指標(biāo)可以達(dá)到-126 dBm。

表1 電子類單機(jī)試驗(yàn)矩陣表Tab.1 Electronic unit test matrix

高靈敏度接收機(jī)對環(huán)境特性敏感，諸多通道特性參數(shù)與試驗(yàn)環(huán)境具有重大的關(guān)聯(lián)，在不同的熱、真空、電磁等環(huán)境下具有不同的測試數(shù)值［8］。高靈敏度接收機(jī)的主要遙測參數(shù)如表2所示。

表2 高靈敏度接收機(jī)遙測參數(shù)Tab.2 High-sensitivity receiver telemetry parameters

接收機(jī)遙測參數(shù)中，接收機(jī)溫度為熱敏電阻所測量的溫度，顯然不能夠反映接收機(jī)性能，但可以為通道性能參數(shù)提供參考，其余遙測量為數(shù)字量遙測，只能進(jìn)行“1”、“0”判斷；軟件按照門限進(jìn)行判斷，門限的閾值不能準(zhǔn)確反映通道性能的變化，屬于功能性判據(jù)。因此，能夠反映通道特性的參數(shù)為“遙控通道SNR”和“AGC 電平”，下文針對這兩個參數(shù)進(jìn)行原理分析。

1.2 原理分析

1.2.1AGC原理

由于衛(wèi)星和用戶的相對運(yùn)動，在距離變化過程中，對于接收方來說信號從小到大，再從大變小，信號不穩(wěn)定。高靈敏度接收機(jī)利用自動增益控制（automatic gain control，AGC）電路［9-10］，在接收弱信號時，接收機(jī)的增益高，而接收強(qiáng)信號時則增益低，AGC電路的作用就是使輸出信號保持適當(dāng)?shù)碾娖?，不至于因?yàn)檩斎胄盘柼《鵁o法正常工作，也不至于因?yàn)檩斎胄盘柼蠖菇邮諜C(jī)發(fā)生飽和或堵塞。因此高靈敏度接收機(jī)AGC 電路對信號的變化具有很好的敏感性，同樣，熱、真空、電磁等環(huán)境變化造成的信號變化也有可能被AGC 電路捕捉到，因此，可以將其在軌數(shù)據(jù)與地面測試數(shù)據(jù)進(jìn)行環(huán)境變化分析，從而確認(rèn)地面環(huán)境試驗(yàn)的有效性。

高靈敏度接收機(jī)通道工作的重要遙測參數(shù)“AGC”長期進(jìn)行下傳，本文中所述的接收機(jī)采用的AGC參數(shù)的電路原理如圖1［7］所示。

AGC電路屬于閉環(huán)控制系統(tǒng)，其目的是為了在輸入信號Vi發(fā)生變化時，輸出信號Vo保持基本不變。圖1 中的變量定義為：Vr為參考電壓，設(shè)置為常數(shù)；V1為信號檢波電壓；Vc為AGC 電壓；Vi為輸入信號電壓，由輸入信號功率轉(zhuǎn)化成電壓；A1為VGA 的增益，隨AGC電壓變化；Vo為輸出信號電壓。

圖1 AGC閉環(huán)控制原理圖Fig.1 Schematic diagram of AGC close-loop control

式中：a、b、K1、K2是由選用的器件決定的，為常數(shù)；F(s)在電路確定的情況下也不會發(fā)生變化，為常數(shù)。

上式中除了Pi，其余參數(shù)均為定值，因此將上式簡寫為

Pi表示對數(shù)形式的功率，可以看出，理想情況下AGC 電壓和輸入信號功率Pi呈線性關(guān)系。輸入信號的能量又可分為噪聲能量和信號能量，很明顯：

式中：Ps為信號能量；Pn為噪聲能量，是常數(shù)，僅與溫度有關(guān)，常溫下Pn的噪聲譜密度為-174 dBm/Hz。在衛(wèi)星中繼通道中，帶寬BW為6.138 MHz，系統(tǒng)噪聲系數(shù)NF按照2 dB 計算，可以計算出Pn的總能量為-174+10*lg（BW）+NF =-174+68+2=-104 dBm。

所以在信號很微弱的情況（Ps≤-107 dBm），輸入信號的總能量Pi主要是由Pn組成的，Ps的變化對Pi影響很小，此時的AGC電壓主要表現(xiàn)為噪聲電壓。

通過上述理論分析可知：由于AGC 電路對噪聲極其敏感，結(jié)合遙測參數(shù)“AGC”在軌長期對地下傳的便利性，使用AGC 對高靈敏度接收機(jī)環(huán)模試驗(yàn)充分性驗(yàn)證是可行的。

1.2.2SNR原理

接收機(jī)中頻處理算法主要實(shí)現(xiàn)對遙控信號和測距信號的分時處理，分別進(jìn)行載波跟蹤與鎖定、偽碼跟蹤與鎖定、載波剝離、碼剝離、數(shù)據(jù)位跟蹤和鎖定［11］，通過處理獲得所需參數(shù)并且配合系統(tǒng)其它部分的正常工作。跟蹤部分是在捕獲完成之后開始工作，在捕獲預(yù)測的碼相位和多普勒頻率的基礎(chǔ)上進(jìn)一步消除頻差并準(zhǔn)確預(yù)測碼相位，測得的多普勒與碼相位延時可用于測距和測速。完成跟蹤后，進(jìn)行信號位同步、數(shù)據(jù)解調(diào)和幀同步，分別得到位同步時鐘、數(shù)據(jù)流和幀同步信號，如圖2所示。

圖2 跟蹤功能框圖Fig.2 Block diagram of the tracking function

單通道擴(kuò)頻信號處理電路中［12］，在捕獲的的基礎(chǔ)上進(jìn)行偽碼相位跟蹤、載波跟蹤，跟蹤鎖定后進(jìn)行位同步、幀同步。在這些同步的基礎(chǔ)上進(jìn)行載波剝離、碼剝離和積分清除，再進(jìn)行相位旋轉(zhuǎn)得到I 路和Q 路信號［13］，這時認(rèn)為I路為信號能量，Q路為噪聲能量。

積分清除器是在載波剝離和碼剝離的基礎(chǔ)上按照一定的周期進(jìn)行信號累加，其有兩個作用：一是積分清除器相當(dāng)于一個低通濾波器，濾除混頻后的和頻成分；二是可以降采樣率，應(yīng)答機(jī)的輸入中頻信號的采樣率為64 MHz，對于測距通道積分清除器每累加6470 點(diǎn)輸出一次結(jié)果，即數(shù)據(jù)采樣率降為1 kHz（3 個偽碼周期的長度）。對遙控通道來說，按數(shù)據(jù)位進(jìn)行積分清除，在產(chǎn)品中數(shù)據(jù)采樣率為2 kHz（1.5 個偽碼周期的長度）。

I、Q兩個通道積分清除的結(jié)果可以近似表示為

積分清除后的信號經(jīng)過相位旋轉(zhuǎn)，采用鎖相環(huán)進(jìn)一步消除頻差和相位差，得到真正的I路和Q路信號。相位旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)過程為

位同步環(huán)由早門積分器、遲門積分器、數(shù)據(jù)位誤差鑒別器、環(huán)路濾波器和數(shù)控振蕩器（DCO）組成，如圖3所示。

圖3 位同步環(huán)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Bit synchronization ring structure diagram

位同步環(huán)的輸入信號是d(k)，數(shù)據(jù)率是采樣頻率。早門積分器積累再生位時鐘前半個周期內(nèi)的所有數(shù)據(jù)點(diǎn)，遲門積分器積累再生位時鐘后半個周期內(nèi)的所有數(shù)據(jù)。早門積分結(jié)果和遲門積分結(jié)果進(jìn)入數(shù)據(jù)位誤差鑒別器。鑒別器輸出鑒別誤差送入環(huán)路濾波器。濾波結(jié)果調(diào)節(jié)數(shù)控振蕩器，控制輸出再生位時鐘的相位，實(shí)現(xiàn)對輸入位時鐘的動態(tài)跟蹤。

如果再生位同步時鐘沒有誤差，則早門積分結(jié)果和遲門積分結(jié)果完全相等。一旦再生的位同步時鐘存在誤差，則早門積分結(jié)果和遲門積分結(jié)果就不相等，兩者的偏差與位時鐘誤差成同向比例。根據(jù)兩者的偏差，對位時鐘誤差進(jìn)行調(diào)整。

在環(huán)路跟蹤鎖定時，相位旋轉(zhuǎn)后的結(jié)果I′(k)≈d(k)?A+nI(k)，Q′(k)≈nQ(k)。

則信噪比為

通過上述理論分析可知，SNR 是反映通道性能的重要指標(biāo)，對高靈敏度接收機(jī)通道性能的一致性與穩(wěn)定性分析，必需包含對SNR的分析。

2 通道特性分析

利用試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)對通道的穩(wěn)定性分析從兩個方面開展：一是對于個體（單機(jī)）來說，分析其隨試驗(yàn)溫度的變化，通過數(shù)據(jù)的變化來確定個體的包絡(luò)范圍；二是通過多樣本（多臺單機(jī)）數(shù)據(jù)進(jìn)行概率學(xué)分析，分析其容差范圍，確定樣本的穩(wěn)定性。

2.1 地面試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

同一研制單位已經(jīng)生產(chǎn)了接收機(jī)30 多臺，經(jīng)過4批次產(chǎn)品的研制獲得了16臺產(chǎn)品的地面試驗(yàn)數(shù)據(jù)，每臺單機(jī)按照表1 的要求進(jìn)行了驗(yàn)收級的試驗(yàn)，即在某一溫度下，得到接收機(jī)AGC 值隨輸入信號功率變化的詳細(xì)數(shù)據(jù)。接收機(jī)全溫度試驗(yàn)在-15 ℃至50 ℃范圍間隔1 ℃采集AGC 電平值。為便于數(shù)據(jù)分析，取間隔為5 ℃的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如圖4所示。

由圖4可知：對于單臺接收機(jī)來說，同一溫度條件下，在不同的輸入信號下，AGC電平值不同，存在一定的線性；不同溫度下，AGC 電平隨輸入信號變化的趨勢相同；在不同溫度條件下，相同的輸入信號下，AGC電平呈現(xiàn)出隨溫度分布的特點(diǎn)，AGC 電平的均值在20℃附近。上述結(jié)論用數(shù)學(xué)語言可描述為

圖4 不同溫度下接收機(jī)AGC隨著輸入信號的變化情況Fig.4 Changes of receiver AGC with input signal at different temperatures

式中：x為輸入的信號強(qiáng)度大小；ft(x)為在溫度t℃情況下AGC 的電平值；ft=20(x)為在溫度20℃情況下AGC 的電平值，ft=20(x)的具體表達(dá)式可以通過曲線擬合［14］的方式得到；b為常值，可以為正負(fù)。由式（9）可知：b值范圍決定了通道AGC 的大小，是通道穩(wěn)定性的決定性因素。不同單機(jī)的b值不同，對16 臺單機(jī)的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果如圖5所示。

圖5 高靈敏度接收機(jī)偏離值|b|Fig.5 Deviation value |b| of high-sensitivity receiver

通過計算可以看出：對于單臺單機(jī)來說，|b|在0.06到0.16間，在輸入信號-124 dBm到-104 dBm間，|b|可認(rèn)為無變化，在信號輸入大于-104 dBm 后，|b|呈線性減小，在達(dá)到強(qiáng)信號-84 dBm 后，|b|減小到0.02 V；對于多臺單機(jī)來說，數(shù)據(jù)的變化趨勢一致，單機(jī)的一致性好。

圖6 為不同輸入信號下接收機(jī)SNR 隨著溫度的變化情況，在全溫度試驗(yàn)中，遍歷-15 ℃～50 ℃，SNR基本無變化，引起SNR 變化的只是接收機(jī)的輸入信號，可以得出結(jié)論：SNR 受溫度的影響較小。在強(qiáng)信號（≥-104 dBm）時，SNR 達(dá)到且維持最大值。實(shí)際上，在輸入-104 dBm信號時，射頻前端輸出到中頻通道的信號達(dá)到中頻放大器的飽和門限。SNR 的表現(xiàn)與實(shí)際狀態(tài)保持一致。對于單臺單機(jī)來說，SNR 的數(shù)據(jù)穩(wěn)定，即通道穩(wěn)定性好。

圖6 不同輸入信號下接收機(jī)SNR隨著溫度的變化情況Fig.6 Changes of receiver SNR with temperature under different input signals

圖7 是同一廠家多臺單機(jī)SNR 的全溫度試驗(yàn)數(shù)據(jù)，多臺接收機(jī)的SNR基本重合，通道的一致性好。

圖7 高靈敏度收機(jī)SNR一致性分析Fig.7 SNR consistency analysis of high-sensitivity receiver

2.2 在軌數(shù)據(jù)分析

接收機(jī)隨衛(wèi)星入軌后，按照既定程序接收中繼衛(wèi)星的信號，由于中繼衛(wèi)星與衛(wèi)星間的位置關(guān)系比較復(fù)雜，同時距離變化、不同的仰角、天線指向、衛(wèi)星姿態(tài)等因素導(dǎo)致高靈敏度接收機(jī)收到的信號強(qiáng)度動態(tài)變化［15］，因此本文考慮在無信號輸入的情況下，對通道的穩(wěn)定性、一致性進(jìn)行分析，如圖8所示。

圖8 整星狀態(tài)下AGC變化情況Fig.8 AGC change in whole satellite

圖8 分別為2 臺接收機(jī)在軌和地面的SNR、AGC數(shù)據(jù)，無論在軌還是在地面SNR均等于0，即中頻無法完成捕獲，無有用信號，與高靈敏度接收機(jī)入口無輸入信號的約束條件一致，SNR 一致且穩(wěn)定；AGC 在地面、在軌整星狀態(tài)下，表現(xiàn)出很好的一致性，但穩(wěn)定性存在0.2 V 的波動，主要原因?yàn)樵谲壄h(huán)境底噪低于地面環(huán)境底噪，高靈敏度接收機(jī)在大噪聲情況下表現(xiàn)出“飽和”的狀態(tài)。

3 結(jié)束語

從高靈敏度接收機(jī)的環(huán)境試驗(yàn)規(guī)范和遙測參數(shù)出發(fā)，選取了能夠檢測通道性能的遙測參數(shù)AGC 電平、通道SNR 作為分析手段，并在原理上進(jìn)行了可行性證明，實(shí)際上AGC 作為射頻前端電路，SNR 作為中頻解調(diào)電路，與通道性能緊密相關(guān)，與原理分析一致；通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析了組批投產(chǎn)的去型號化接收機(jī)的通道穩(wěn)定性。

1）經(jīng)過AGC 分析可以知道，在射頻前端，同一臺單機(jī)的通道性能隨著溫度變化有著略微差異，在不同溫度下通道性能的變化趨勢基本相同；集合了多批次的單機(jī)數(shù)據(jù)，通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知產(chǎn)品AGC 變化幅度控制在0.2 V 內(nèi)，產(chǎn)品的一致性較好；在軌無輸入信號情況下，通道的AGC 表現(xiàn)為隨機(jī)噪聲，噪聲幅度基本一致，通道特性一致。

2）中頻信號SNR 比較穩(wěn)定，對于個體單機(jī)來說SNR 隨溫度變化不明顯，通過大樣本數(shù)據(jù)比較發(fā)現(xiàn)每臺單機(jī)的SNR 基本一致；在軌情況下，無輸入信號時每臺單機(jī)SNR為0，與實(shí)際一致，穩(wěn)定性好。

去型號化的高靈敏度接收機(jī)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)組批投產(chǎn)，并且在多型號任務(wù)中得到使用，在軌和地面分別具有很好的通道一致性和穩(wěn)定性。