信號飽和對遙測設備自跟蹤影響的研究及應用

張躍飛，趙翔宇，蘇 坦

(太原衛星發射中心測量控制站，山西 忻州，036301)

0 引言

在遙測設備中廣泛采用比相單通道單脈沖測角方式[1-2],利用天線波束形成網絡輸出的角誤差信號(即方位誤差信號ΔA和俯仰誤差信號ΔE),經過一組低頻信號調制后再與射頻Σ信號合并形成一個單通道信號,接收機解調出的誤差電壓提供給伺服系統以完成對目標的自跟蹤。

現階段，跟蹤接收機朝著數字化方向不斷發展，數字接收機一般在中頻直接進行ADC(數模變換)，再由FPGA、DSP等可編程數字芯片對該中頻采樣進行數字信號處理，最終送出誤差電壓。整個過程中，采用軟件編程的方式實現跟蹤接收機的全部功能[3]，軟件編程采用軟件無線電[4]技術。

遙測信號過飽和會導致角誤差無法正確解調，影響設備自跟蹤。本文仿真了信號飽和影響角誤差電壓解調的機理，以實際具體遙測設備為例，給出了詳細測試方法，測試了一定使用條件下影響角誤差解調的信號強度。

1 單通道單脈沖角跟蹤原理

天線饋源將接收到的信號產生3路射頻信號：一路和信號、一路方位差信號和一路俯仰差信號。方位和俯仰差信號經一組正交的調制信號，分別經過0/π調制后，最后通過雙路耦合器按比例與和信號迭加，合成一路單通道單脈沖信號射頻信號，射頻信道對射頻信號進行放大、濾波和變頻后處理后變為中頻信號，由接收機進行數據和角誤差信號解調。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的和信號、方位差信號和俯仰差信號[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為和路信號強度；w0為接收信號的角頻率；θA為方位偏差角；θE為俯仰角誤差。

1.1 二相調制(0/π調制)

單通道單脈沖信號經過預選濾波器、低噪聲場放、后選濾波器、下變頻器和中放AGC后，轉換為中頻信號，接收機對中頻信號進行載波跟蹤和角誤差解調。單通道單脈沖的信號合成中，遙測信號采用二相調制合成(0/π調制)[7-9]。

二相調制又稱0/π調制，即在低頻方波U(t)的作用下對差信號進行調相，調相后的差信號與和信號相加成為一路信號[10]。該方法可用于單頻信號進行跟蹤。角跟蹤接收機產生兩路相同的低頻方波：一路用于對差信號進行調相；另一路作為角誤差信號解調的參考基準，實現角誤差信號提取與分離。根據系統不同，U(t)的頻率從凡百赫茲到幾千赫茲不等，本文以遙測設備常用的1 kHz低頻方波為例。

1 kHz方波信號(周期T=1 ms)信號為：

(4)

其正交的方波信號為U(t-T/4),即延遲0.25 ms的1 kHz方波信號，方位差信號和俯仰差信號經過相互正交的1 kHz低頻信號進行0/π調制。

調制后相加后得到差路信號為：

SΔ=U(t)EΔA(t)+U(t-T/4)EΔE(t)=

AmuθAcos(w0t)EΔA(t)+

AmuθEcos(w0t)EΔE(t)。

(5)

差路信號經過一個定向耦合器與和路信號合成單通道信號：

(6)

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

1.2 角誤差的解調

接收機完成載波的提取和解調，提取差支路信號[11]，在利用與0/π調制相關的2路正交的1 kHz低頻信號解調出方位和俯仰差信息。

s中頻=K1Amcos(w0t)×

(7)

中頻信號經過AGC控制，進行相干載波提取，獲得相干載波：

S載波=cos(w0t)。

(8)

中頻信號與相干載波相乘，可得到和信號為1/2(K1Am)，再經過帶通濾波器，得到差路信號：

(9)

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

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 信號強度對角誤差解調影響

2.1 單通道單脈沖信號特征

單通道單脈沖信號的調頻用于傳輸遙測數據，而調幅包絡攜帶角誤差信息[13]，角誤差信號會改變單通道單脈沖信號的幅度，相互正交的1 kHz的方波信號與單通道單脈沖信號的正常波形在Matlab中仿真如圖3所示[14]。

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

相互正交方波的波形，在一個周期(0.001 s)內，單通道單脈沖信號波形因正交方波值的不同呈4個值，對應關系如表1所示。

表1 正交方波值與單通道單脈沖信號最大值關系

Tab.1Therelationshipbetweentheorthogonalsquarewavevalueandthemaximumvalueofsinglechannelmonopulsesignal

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

2.2 信號強度影響角誤差機理

一般數字化中頻接收機[3]解調角誤差電壓的流程如圖4所示。

接收機輸入信號首先經過中頻濾波器濾波和ADC轉換后送給AGC控制電路，AGC控制電路的功能是改變AGC控制電路增益，在輸入信號電壓變化很大時，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固定范圍內變化，當AGC控制電路的值為最大值時，可認為信號飽和，此時攜帶角誤差信息的調幅包絡[13]會變形，導致解調的角誤差電壓失真。遙測設備實際使用中，AGC輸出電壓剛達到最大值時不會使角誤差電壓失真，只有輸入信號強度持續增大到一定值使才會使角誤差電壓失真。

2.3 不同信號強度信號波形變化

接收機在接收到單通道單脈沖的信號時，將解調出的1/2(K1Am)送入到AGC控制電路，產生AGC電壓表示信號的強度。當AGC電壓為5 V時(所用遙測設備AGC電壓最大值)，信號飽和。

通過和信號與俯仰、俯仰誤差信號公式可知，其大小均與遙測信號的強度大小相關，其信號的大小在射頻信號中控制輸出電壓的范圍為±10 V(根據設備不同，此值會有差異)，當1/2(K1Am)+|UΔA|+|UΔE|的電壓值超過10 V時，也就是圖3中調制信號波形最大值超過10 V，波形會因削頂和削底而發生畸變，單通道單脈沖信號就不能正確反映方位和俯仰角誤差的大小，解調角誤差會存在失真，具體表現為方位和俯仰的角誤差較正常值偏小。此時的信號波形如圖5所示。

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

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

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

3 角誤差解調失真時信號強度測量及應用

信號強度過大會使解調出角誤差失真，為使角誤差的正確解調，只需測量出引起角誤差解調失真的最小信號強度值，并在遙測設備跟蹤目標時保持輸入給接收機的信號強度始終小于該值即可。

當接收信號的碼速率、發射天線功率和距離等條件一定時，遙測設備天線接收的遙測信號強度一定，通過調節射頻信道中的下變頻器的衰減值，觀察角誤差的變化。遙測信號強度測試原理如圖7所示。

圖7 遙測信號強度測試原理Fig.7 Principle of telemetry signal nsity testing

測試在實時接收被測信號的條件下進行，測試了多組信號，由于測試結果差異較小，在此僅列出某組測試結果。

頻譜儀測得射頻信號強度約為-51 dBm,角誤差解調結果如表2所示。

表2 下變頻器衰減值與角誤差電壓對應關系

Tab.2Correspondingrelationshipbetweenattenuationvalueofdownconverterandangularerrorvoltage

下變頻器衰減值輸入接收機中頻信號電平/-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，當下變頻器的衰減值設置為26以上時，接收機能正常解調角誤差信息；當衰減值設為26以下時，接收機解調角誤差信息無法反映實際值。通過設備信道計算，衰減值設置為25時，輸入給接收機的信號強度約為-31 dBm時，接收機無法正確解調角誤差信息。

由于設備噪聲和被測信號質量的影響，測量值存在一定差異，但是差異較小，通過分析可知：當輸入給接收機的信號強度達到約-31 dBm時，接收機解調出角誤差存在失真。因此在遙測設備使用中設置合理的下變頻器衰減值使輸入給接收機的值小于-31 dBm。

4 結束語

通過分析比相單通道單脈沖的原理和信號飽和對角誤差解調的影響，分析測試得出當輸入給接收機的遙測信號強度大于某一特定值時就會使角誤差的解調產生失真，影響遙測設備自跟蹤。根據測試結果，本文給出了所用遙測設備射頻信道中下變頻衰減值設置的合理范圍，對遙測設備完成正常跟蹤測量任務具有重大的作用，該測量方式可為其他采用比相單通道單脈沖角跟蹤方式的設備使用提供重要參考。