統一載波測控系統下行信道噪聲功率譜密度標定依據分析與探討

王 鑫,魯新龍,李 強

(中國衛星海上測控部,江蘇 江陰 214400)

統一載波測控系統下行信道噪聲功率譜密度標定依據分析與探討

王 鑫,魯新龍,李 強

(中國衛星海上測控部,江蘇 江陰 214400)

統一載波測控系統集跟蹤、測距、測速、遙測、遙控、通信、數傳等功能于一體；噪聲功率譜密度是測控設備下行信道的基本參數之一，反映了信道接收弱信號的能力，調節綜合基帶輸入端的噪聲功率譜密度至合理范圍是完成航天測控任務的前提；介紹了統一載波測控系統下行信道的基本組成及設計要求；分析了噪聲功率譜密度在下行信道中的傳遞特性，提出了在不同信號電平、不同測控體制下噪聲功率譜密度標定的基本依據和原則；結合某型號S頻段統一測控系統的工程實際，系統分析了噪聲功率譜密度的原理和具體標定方法，該方法根據不同應用環境和測控體制，充分考慮各級增益的分配標準，準確計算各級信號噪聲的電平，合理進行噪聲功率譜密度標定，以確保系統工作的可靠性和穩定性，為設備性能指標測試和航天測控任務參數設置提供參考和依據。

統一載波測控系統;下行信道;噪聲功率譜密度;綜合基帶

0 引言

統一載波測控系統集跟蹤、測距、測速、遙測、遙控、通信、數傳等功能于一體，設備簡單，可靠性高，測量精度適中，已在國內外航天測控中得到廣泛應用，工作頻率為S、C、X、Ka等頻段[1]。下行信道是統一載波測控系統的重要組成部分，主要完成在強噪聲背景中檢測出微弱信號，并能以最小的失真復現信號。噪聲和失真是接收技術中永恒的主題，降低系統噪聲溫度是設計接收系統的關鍵技術。與噪聲溫度相關的參數有噪聲系數和噪聲功率譜密度等，這些參數指標在系統指標測試過程中經常應用，在航天測控中必須了解和掌握。

目前，航天測控系統集成化程度越來越高，綜合信道技術和綜合基帶技術獲得了快速發展，并得到廣泛應用，以滿足不同測控體制航天器的測控任務需求。同時，標準化也在航天測控網中得到推廣，根據航天器軌道可以將測控設備分為中低軌測控設備和深空探測測控設備，同一類型設備的技術指標基本一致。因此，為滿足多種航天測控任務需求，統一載波測控系統下行信道必須具有大動態、寬頻帶等特點。如何在不同應用環境和測控體制下，合理確定綜合基帶輸入端的噪聲功率譜密度就顯得尤為重要。

1 噪聲功率譜密度的基本概念和應用

無線電噪聲在接收設備中對有用信號起到干擾作用，它也是接收系統靈敏度的最終限制因素，一般用系統的信號噪聲比(簡稱信噪比，可用S/N或SNR表示)來反映系統接收弱信號的能力。在統一載波測控系統中，常用等效噪聲溫度來表示內部和外部噪聲，一般以場放輸入端為參考面進行系統等效噪聲溫度計算，可用式(1)進行表示。

(1)

式中，Tn為系統等效噪聲溫度(場放輸入端)/K；Ta為天線的噪聲溫度/K；Tr為接收機等效噪聲溫度(場放輸入端)/K；Lr為饋源至場放輸入端的饋線損耗。

在航天測控工程實際應用中，通常用噪聲的功率譜密度作為研究對象，它表示在不同頻率下，噪聲源在1 Hz帶寬內的功率。對于熱噪聲，電子器件的散彈噪聲等于寬帶高斯隨機過程的噪聲，從低頻到10+12～10+13頻帶單位內為均勻分布，而與頻率無關[2]，可用式(2)表示。

(2)

式中：K為玻爾茲曼常數，取值-228.6dBW/Hz；N0為系統等效噪聲功率譜密度(場放輸入端)。

以某型號S頻段統一載波測控系統為例，天線的噪聲溫度Ta=65K(E≥100)、饋線損耗Lr=1.2dB、接收機等效噪聲溫度Tr=55K

根據式(1)、(2)可以得到：

Tn=176.25K=22.46dBK

N0=-206.14dBW/Hz

以上數值在設備不發生變化或故障的情況下，基本保持不變。

2 統一載波測控系統下行信道的基本組成

統一載波測控系統下行信道主要由低噪聲放大器(場放)、功分開關網絡、下變頻器、本振、電平調節、中頻開關矩陣、連接電纜、高中頻滑環等組成，其主要作用在于放大信號。因此在設計時，各級增益的分配標準及各級信號噪聲電平的計算就得充分考慮，以確保系統工作的可靠性和穩定性。以某型號S頻段統一載波測控系統為例，其設備組成及電平分配如圖1。

圖1 S頻段下行信道組成及電平分配圖

場放輸入端的接收信號電平為-139～-46 dBm，動態范圍為93 dB。綜合基帶輸入端接收信號電平為-60～0 dBm，動態范圍為60 dB。

為了保證下行信道的動態范圍與綜合基帶的動態范圍匹配，在設計時引入了可調衰減控制，分別在射頻設置了30 dB的可調衰減，步進10 dB；在中頻設置了10 dB的可調衰減，步進1 dB。以上指標均是在系統指標要求下，通過選擇合適的器件設計保證的。

3 噪聲功率譜密度定標依據分析

工程應用中，一般在綜合基帶輸入端對下行信道的噪聲功率譜密度進行標定，以確保綜合基帶輸入信號滿足輸入電平和信號噪聲功率譜密度比要求。由于下行信道和綜合基帶動態范圍的不匹配，必然導致噪聲功率譜密度在不同應用環境下的變化。以圖1所示測控系統的下行信道為研究對象，分析噪聲功率譜密度定標的依據。

3.1 噪聲功率譜密度的變化范圍

在系統設計完成后，場放輸入端的N0即為確定值，下行信道每個參考面的N0’與場放輸入端至該參考面的鏈路增益有關。從圖1可以看出，下行信道至綜合基帶輸入端的鏈路放大增益G的可調范圍為39～79dB，因此場放輸入端噪聲功率譜密度的定標范圍可用下式計算：

N0基帶=N0+G=-167.14～-127.14dBW/Hz

(3)

3.2 下行鏈路增益的選擇

為了確保下行信道工作的線性，鏈路設計時已進行了合理的電平分配，為了適應接收信號電平的大動態變化，在信道中引入了兩級可調衰減，其設置不同的值會引起下行鏈路增益的變化。因此，在實際應用中，需結合航天器發射信號的強度和測控體制，選擇不同的鏈路增益。

在擴頻TTC模式下，接收信號的動態范圍指標為93 dB。接收門限電平信號時，為了保證綜合基帶輸入端滿足最小輸入電平，一般設置鏈路增益最大，即兩級可調衰減設置為0 dB，此時N0基帶=-97.14 dBW/Hz；接收電平信號最強時，為了保證綜合基帶輸入端不飽和，一般設置鏈路增益最小，即兩級可調衰減設置為40 dB，此時N0基帶=-137.14 dBW/Hz。

對于測控數傳一體化體制，其場放輸入端的接收靈敏度P數傳靈敏度為-148dBW，因此鏈路增益必須保證在58dB以上，以滿足綜合基帶最低輸入電平要求，此時N0基帶=-118.14 dBW/Hz。

對于調頻(FM)遙測體制，其場放輸入端的接收靈敏度PFM靈敏度為-129dBW。當鏈路增益為最小值39dB時，可以滿足綜合基帶最低輸入電平要求，此時N0基帶=-137.14 dBW/Hz。

3.3 綜合基帶信號接收性能分析

綜合基帶在信號輸入后，需進行中頻信道放大和自動增益控制(AGC)，以確保A/D變換時，輸入信號電平保持不變。在下行鏈路增益設置時，需考慮噪聲引起非相干AGC起控的情況。非相干AGC控制電壓由中頻放大濾波器輸出經檢波放大產生，此電壓與輸入信號和噪聲信號之和成正比。檢波前的信噪比與中頻濾波器的帶寬有關，一般在信噪比大于10 dB時，AGC控制電壓與信號電平成正比，當信噪比為負值時，控制電壓主要取決于噪聲電平[2]。因此，需盡量確保在無信號輸入時噪聲不起控，否則會影響綜合基帶接收增益，也會導致系統應用人員誤判。

噪聲功率可用式(4)進行計算：

(4)

式中，N為噪聲功率；Bn為等效噪聲帶寬；N0由式(2)獲得。

綜合基帶為適應多種測控體制，中頻信道帶寬統一設計為24 MHz，因此N基帶的電平變化范圍為-63.84～-23.84 dBm。按照非相干AGC起控門限-60 dBm計算，則噪聲功率譜密度超過-134.3 dBmW/Hz會引起非相干AGC起控。目前，綜合基帶軟件界面僅在FM測控體制下顯示非相干AGC，其余均是在環路鎖定后顯示相關AGC，但實際非相干AGC已對中頻放大器進行了控制，只是未在界面顯示，因此在進行噪聲功率譜密度標定時需加以考慮。

另外，綜合基帶可通過加載不同的應用軟件實現不同測控體制功能，其指標要求輸入信號電平范圍為-60～0 dBm，在實際工程應用中發現，這是對任何測控體制均通用的指標，實際上也是AGC起控的電平范圍。在某些體制下其捕獲門限電平可以達到-75 dBm。因此，準確測定不同的測控體制下綜合基帶輸入端的最小信號電平顯得尤為重要。以S頻段標準TTC模式為例，其基帶最小輸入電平可達到-75 dBm，根據系統工作信號噪聲功率譜密度比S/N0≧43 dBm/Hz的指標要求，可以得到輸入電平為門限電平時，N0≦(-75-43)=-118 dBm/Hz。

3.4 噪聲功率譜密度定標依據

綜合上述分析，可以得出綜合基帶輸入端噪聲功率譜密度標定有以下幾類依據：

1)根據地面測控系統場放輸入端的信號強度，并結合綜合基帶最小輸入電平的要求，可以合理確定下行信道增益，進而得出噪聲功率譜密度的標定值。

2)根據綜合基帶在不同測控體制下的最小輸入電平要求，結合系統正常工作時的門限信號噪聲功率譜密度比S/N0，進而通過換算進行定標。

3)定標時，需考慮綜合基帶中頻信道噪聲非相干AGC起控的情況，以避免發生在無信號輸入時噪聲起控。

以上3個因素是相互制約的，需要根據實際情況綜合分析進行取舍，以確保系統能正常穩定工作。

4 結束語

綜合基帶輸入端噪聲功率譜密度定標是統一載波測控系統工程應用中的重要環節，其合理與否一定程度上會影響系統能否穩定可靠工作，因此，必須結合各種影響因素進行綜合考慮。本文結合某型號S頻段統一測控系統的工程實際，系統分析了噪聲功率譜密度的原理和標定方法，并提出了噪聲功率譜密度的定標依據和原則。根據該方法可以在不同應用環境和測控體制下合理進行噪聲功率譜密度標定。

[1] 瞿元新. 船載微波統一測控系統概論[M].北京：國防工業出版社，2015.

[2] 石書濟等. 統一載波測控系統講義[R]. 成都: 中國電科集團第十研究所, 1997.

[3] 劉嘉興. 飛行器測控與信息傳輸技術[M]. 北京: 國防工業出版社，2011.

[4] 周智敏，陸必應，宋 千. 航天無線電測控原理與系統[M]. 北京: 電子工業出版社，2008.

Analysis and Discussion on Calibration Basis for Noise Power Spectral Density of Downlink Channel of Unified Carrier TT&C System

Wang Xin, Lu Xinlong, Li Qiang

(China Satellite Maritime Tracking and Command Department, Jiangyin 214431, China)

Unified carrier TT&C system integrates tracking, ranging, speed measurement, telemetry, remote control, communication, data transmission and other functions in one. The noise power spectral density is one of the downlink channel basic parameters of the telemetry and tracking and command (TT&C) system equipment, which reflects the receiving ability of the channel for weak signal. Regulating the input noise power spectral density of baseband to a reasonable range is the prerequisite for completing aerospace TT&C task. The basic composition and design requirements of downlink channel of unified carrier TT&C system were introduced, and the transmission characteristic of noise power spectral density transferring in downlink channel was analyzed, then the fundamental reference and principle for demarcating noise power spectral density in different voltage levels and different command systems were proposed. Combining with a certain type of S-band unified carrier TT&C system practical engineering, the principle and specific calibration method of noise power spectral density were analyzed. In the method, according to different application environments and TT&C systems, noise power spectral density was calibrated reasonably, based on fully considering the allocation criteria of gain and accurate calculating the level of signal noise at all levels, in order to ensure the reliability and stability of the system. The method could provide the reference and basis for testing the indicators of the device and setting the aerospace TT&C mission parameters.

unified carrier TT&C system; downlink channel; noise power spectral density; integrated baseband

2016-07-22；

2016-09-06。

王 鑫(1980-)，男，江蘇鹽城人，中國衛星海上測控部測量船2大隊總工程師，碩士研究生，主要從事航天測控系統方向的研究。

1671-4598(2017)01-0170-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.01.048

V11

A