航天箭載無線收發機遙測參數設計

陳 偉，趙錦瑾，李大全，寧高利

(北京宇航系統工程研究所，北京 100076)

0 引言

箭載無線收發系統是運載火箭的組成部分，同時也是航區測控系統的重要組成部分。箭載無線收發系統的故障定位除了涉及箭載無線收發設備、天饋設備、低噪放/功放單元及其連接狀態外，還涉及到地面站、無線信道、伺服跟蹤的工作狀態。由于涉及的產品、環節和部門較多，天線因屬于結構件又不便于狀態監測，導致故障定位的難度通常較大。

遙測參數是地面人員在火箭起飛后有效判斷箭載設備工作狀態的主要信息源，也是出現問題時開展故障排查的重要依據。若能在進行箭載無線收發機設計時就設置全面、合理的遙測參數，作為劃清與外部設備接口界面的依據，則可為系統故障定位提供更多有力支撐。本文從利于故障定位的角度，提出了遙測參數設置建議及原則，供后續開展設計時參考。

1 箭載無線收發機結構

按照功能劃分，航天箭載無線收發機主要包括安全指令接收機、遙測發射機、外測應答機和轉發器等產品。從設備實現原理和無線電架構角度講，箭載接收機主要為超外差接收機；遙測發射機有零中頻和二次變頻(又稱中頻調制變換)發射機兩種形式；應答機分為相參應答、非相參應答和混合型連續波應答機(同時包含相參應答和非相參應答形式)3種形式；轉發器的結構和非相參應答機類似，在其基礎上取消了基帶部分。為了后文闡述方便，本文以超外差接收機、二次變頻及零中頻發射機、混合型連續波應答機為例進行論述。

1.1 超外差接收機結構

超外差結構接收機將接收的射頻信號與設備內部的本振信號(local oscillator，LO)混頻得到中頻信號，并在中頻鏈路進行信道選擇、完成接收鏈路的大部分增益，再將中頻信號下變頻到基帶進行后續處理。采用超外差結構的接收機具有良好的接收靈敏度、選擇性和可靠性，抗干擾能力強，是當前航天箭載接收機的主流接收機形式。

圖1為超外差接收機的典型結構示意圖。信道部分按照工作頻率，分為前端、中頻鏈路和后端三部分。其中前端的兩級帶通濾波用于抑制遠離有用信號的各種寄生干擾效應，第一級混頻器將射頻信號下變頻至中頻；中頻鏈路中的濾波器濾除第一級混頻產生的干擾信號，并完成信號的大幅度放大；后端實現正交解調和基帶處理。信道信號經過采樣后生成數字信號，再經過希爾伯特變換(Hilbert變換)進入通用數字處理器件內進行數字解調，輸出數字基帶信號[1]。

圖1 超外差接收機結構框圖

1.2 二次變頻和零中頻發射機結構

二次變頻發射機通過第一混頻器得到數百兆赫茲的中頻信號，再經過帶通濾波器濾除本振信號后進入第二混頻器和功率放大器，得到最終的輸出信號。由于該結構有效解決了兩級本振牽引、鏡頻抑制等問題，且降低了中頻帶通濾波器高Q值的壓力，成為傳統遙測發射機首選的結構形式。

圖2為二次變頻發射機的典型結構框圖，基帶信號I(t)和Q(t)經過調制器，輸出一個位于中頻的組合信號S(t)；帶通濾波器1用于抑制中頻發射帶寬以外的所有干擾信號，如本振諧波、鏡像噪聲等；混頻器將中頻信號轉換成最終發射頻率的信號；帶通濾波器2用于濾除上變頻變換所產生的無用鏡像信號；功率放大器完成射頻信號的功率放大；低通濾波器用于抑制功率放大器的諧波；最后，射頻信號通過功分器和發射天線輻射到自由空間。

圖2 二次變頻發射機結構框圖

隨著半導體工藝技術的進步以及對無線測控設備小型化、集成化需求的不斷增強，基于正交調制的直接正交上變頻(direct quadrature up-conversion,DQUC)技術得到了迅速發展。通過采用IQ校準等方法，解決了零中頻發射機無用邊帶和本振泄露的難題，使零中頻發射機展現了良好的應用前景。近年來，部分航天箭載發射機開始采用零中頻發射機，圖3為其典型結構框圖。基帶信號I(t)和Q(t)與正交本振信號作用后直接變頻到最終的發射頻率fT，在調制器輸出端組合成信號S(t)，再經過功率放大器和帶通濾波器完成功率放大和諧波抑制；最后通過功分器和發射天線輻射到自由空間。

圖3 零中頻發射機結構框圖

與二次變頻方案相比，該發射機的電路結構更簡潔，省去了中頻和射頻本振源電路、中頻和射頻混頻器以及中頻濾波器電路等，大幅降低了發射機系統的復雜度、體積、重量和功耗。

1.3 混合型連續波應答機結構

圖4為混合型連續波應答機的典型結構示意圖。接收信號中有一路工作于相參狀態，該路接收信號經過兩次下變頻后進入中放單元進行濾波和中頻放大處理，接著進入鎖相環完成載波鎖定和側音解調，其轉發的已調信號與接收信號是相位相干的；另有兩路信號工作于非相參狀態，在中頻段與相參信號提取的載波信號進行第三次混頻，并傳輸至發射模塊的相加器，這兩路信號與接收信號的相位是不相干的。[2]接收單元主要對天線接收的微弱射頻信號進行低噪放放大、混頻，輸出中頻信號；中放單元對信號進行放大、AGC控制，壓縮動態范圍使其輸出電平基本恒定；鎖相解調單元完成側音信號解調放大，送發射單元重新調制；發射單元進行微波調制并對已調信號功率放大輸出。

圖4 混合型應答機結構框圖

2 主要遙測參數設計

2.1 接收設備遙測參數

2.1.1 靈敏度遙測

箭載接收機(或接收模塊)與其天饋的物理接口界面是連接兩者的TNC饋電座。為了分清接收設備和天饋的責任界面，理想情況下，應該在該TNC饋電座處設置一個遙測參數用以判定射頻信號電平強度是否滿足預定指標要求。但在此處設置遙測參數，存在電路實現上的困難：一是接收機的靈敏度通常都在-100 dBW以下，對如此微弱的信號難以進行直接檢測；二是由于濾波器器件的Q值限制，在射頻頻段上難以將信號帶寬外的噪聲濾除干凈，從而會影響判定的正確性。退而求其次，一般在中頻鏈路中進行輸入信號強度檢測。由于射頻端對信號的放大倍數是固定值，射頻輸入信號的電平強度與中頻鏈路輸入信號的電平強度成正比，通過對中頻信號電平強度進行檢測一定程度上也能反映射頻輸入信號電平強度是否合格。

為了適應不同的通信距離及通信環境中的信號衰落，設備接收射頻信號的電平范圍通常在60 dB以上。考慮到后端基帶電路需要穩定的電平輸入，通常在中頻鏈路進行自動增益控制(AGC)。AGC放大器對輸入的中頻信號進行信號強度檢測，并將表征信號強度的“AGC信號強度指示”參數送入到比較器中。當輸入中頻信號強度高于設備靈敏度時，比較器輸出高電平；當中頻信號強度低于設備靈敏度時，比較器輸出低電平，從而實現了對輸入信號電平的強度檢測。習慣上，將這種表征輸入信號是否高于設備靈敏度的遙測參數稱為“靈敏度遙測”。參數設置的位置見圖1、圖4中的序號①。

圖5為某接收設備靈敏度遙測電路示意圖。通過對中頻AGC放大器電路中的輸入信號進行檢波、放大，生成表征輸入信號電平強度的“AGC信號強度指示”參數，該電數值輸入到靈敏度遙測參數電路，并與運算放大器N19預先設定的“比較電壓”進行比較。當“AGC信號強度指示”大于“比較電壓”時，靈敏度遙測參數電路輸出高電平，表示輸入的射頻信號電平強度超過設備的靈敏度；反之，靈敏度遙測參數電路輸出低電平，表示輸入的射頻信號電平強度不滿足設備靈敏度要求。

圖5 靈敏度遙測參數電路示意圖

2.1.2 鎖定指示遙測

靈敏度遙測是從能量的角度對輸入信號電平強度進行檢測，該參數對于所有的接收設備都適用；對于存在數據解調環節的接收設備，還常用“鎖定指示遙測”參數來反饋設備接收射頻信號狀態。利用鎖相環在中頻鏈路產生與發射信號同頻同相的載波信號是所有接收設備進行相干解調中的必要環節，由于環路處于鎖定狀態和非鎖定狀態時，環路中的控制電壓數值存在差別，因此通過將環路中的控制電壓引出并進行調理、隔離和分壓，便得到表征主環鎖定狀態的“鎖定指示遙測”參數。

與“靈敏度遙測”參數容易受到中心頻率附近的強噪聲信號干擾而出現虛假指示不同，“鎖定指示遙測”參數表征接收設備鎖相環已經完成了對射頻信號的載波鎖定，其虛假指示概率極低。對于存在數據解調環節的接收設備，可以采用“鎖定指示遙測”替代“靈敏度遙測”。該參數設置的位置見圖1、圖4中的序號②。對于采用射頻捷變收發芯片的新型數字接收設備而言，這些射頻捷變芯片大多提供載波鎖定狀態，設計人員可以直接將該參數引出，對其進行數據處理即可得到“鎖定指示遙測”參數。

圖6為某接收設備鎖定指示遙測電路示意圖。當鎖相環路處于鎖定狀態時，環路控制電壓為X1±2.5(V),雙比較器集成電路LM193對其處理后輸出鎖定指示遙測參數，數值為4 V，表示輸入的射頻信號正常；當鎖相環路未鎖定時，由于控制電壓在X1±2.5(V)范圍外，比較器輸出0 V，表示輸入的射頻信號異常，或者信道、鎖相模塊異常。

圖6 鎖定指示遙測參數電路示意圖

2.2 發射設備遙測參數

發射機(或發射模塊)與其天饋的物理接口界面是連接兩者的TNC饋電座。在發射設備的射頻輸出口進行發射信號的電平強度檢測，設置表征設備輸出功率電平的“功率遙測參數”，可以有效判定發射設備與天饋的工作狀態是否正常。參數設置位置見圖2和圖3中的序號①，以及圖4中的序號③。

圖7是某發射設備功率遙測參數設置位置及信號耦合示意圖。通過將耦合器和檢波電路設置在射頻信號輸出端口，功率遙測參數可以真實反映設備輸出端口的功率。當地面站接收下行信號幅值電平異常時，若遙測參數可信且“功率遙測參數”異常，則問題出現在發射單元射頻信號輸出之前，可以排除發射天饋故障模式；若“功率遙測參數”正常，但地面站接收信號信噪比低且頻譜幅值異常，則可以排除發射設備故障模式。

圖7 功率遙測參數設置位置及信號耦合示意圖

圖8為“功率遙測參數”電路示意圖。耦合線耦合的射頻信號通過4R2～4R4組成的π型網絡，進入由4C1、4C2及4L1組成的高通濾波器，用于降低從射頻輸出端口饋入的低頻段射頻信號的影響，射頻信號進入檢波器后轉換為電壓信號完成射頻信號的功率檢測。

圖8 某發射機功率遙測參數電路示意圖

2.3 電壓監測參數

一次電源及二次電源電壓正常是無線收發設備正常工作的外部條件。在遙測傳輸設備信道容量允許的情況下，有必要對無線收發設備電源模塊的一次電源電壓和二次電壓監測參數進行采集并通過遙測設備進行下傳。當箭載無線收發設備出現問題時，可以利用上述電壓監測參數對設備供配電環節的情況進行判定。

2.4 其它參數

除上述參數外，無線收發設備所用的芯片也具備提供一些自身工作狀態參數的功能，設計人員可以根據需要對其進行采集。

對于接收設備，比較常用的有：

1)各模塊中表征芯片頻綜工作狀態是否正常的“本振鎖定”參數；

2)中頻模塊中，表征接收信號電平強度的“AGC控制電壓”參數；

3)解調模塊中，表征載波恢復鎖相環狀態的“載波鎖定”參數；

4)解調模塊中，表征接收信號質量的“信噪比SNR”參數。

對于發射設備，比較常用的為各模塊中表征芯片頻綜工作狀態是否正常的“本振鎖定”參數。為了使地面人員更加全面、詳細地掌握箭載收發設備工作情況，在遙測傳輸設備信道容量允許的情況下，設計人員可將以上述參數通過遙測設備下傳。[4-12]

3 遙測參數不合理案例

圖9為某箭載轉發器結構框圖及遙測參數設置情況。地面上行信號通過接收天線進入轉發器，經過低噪聲放大、濾波、放大、變頻、AGC等環節后，在分路器中被分為兩路，其中一路信號經過功放單元等環節后作為轉發信號發射至地面站。另一路通過檢波電路和運算放大器后得到兩個數值，“AGC放大器控制電壓”與射頻輸入信號成正比，用于控制AGC放大器的增益；“AGC功率檢測電壓”與檢波得到的信道功率電平成正比，作為轉發器唯一的遙測參數發送至地面站。

圖9 轉發器信號流向及遙測參數設置點

根據“AGC功率檢測電壓”遙測參數的設計原理，該路參數表征該單機中分路器輸出信號的功率強度。由于該轉發器設計時的目標接收信號為低于噪聲門限的擴頻信號，所以在沒有收到輸入信號的情況下，接收信道亦能將噪聲能量放大到預定值附近，因此該參數的數值不能反映輸入信號的是否正常；此外，由于該參數表征的是功放模塊前的信道功率強度，因而亦不能表征功放單元或設備射頻輸出口的功率。某次試驗中，地面站接收的下行數據信噪比異常，數據獲取時段顯著短于規定值，但是該轉發器“ AGC功率檢測電壓”遙測參數數值一直顯示正常，無法為故障定位有效信息支撐，對故障定位的工作量和準確性帶來了很大的挑戰。

4 遙測參數重新設計及實驗結果分析

對前述轉發器進行遙測參數重新設計：1)中頻鏈路中“AGC放大器控制電壓”與輸入射頻信號電平強度正相關，將其引出作為表征輸入信號電平強度的“靈敏度遙測”參數；2)在射頻信號輸出處，接入“耦合器”，將功放模塊輸出的信號中分出一部分射頻信號，經檢波器檢波后變成直流信號，該信號與設備最終輸出的轉發信號大小線性相關，將其作為“功率遙測參數”。經過遙測參數重新設計后的轉發器原理圖見圖10所示。

圖10 轉發器信號流向及遙測參數設置點

對重新設計后的轉發器開展轉發器“工作狀態與遙測參數對應關系”實驗。實驗數據如表1所示。

表1 轉發器設備工作狀態與遙測參數數值對應關系

根據表1可見，“靈敏度遙測”參數表征了接收信號的電平強度，當接收的射頻信號強度下降時該參數也會有所下降；當射頻信號強度下降至超出輸入動態范圍時，“靈敏度遙測”參數下降至0附近，此時表征地面站上行信號EIRP(Equivalent Isotropic Radiated Power，等效各向同性輻射功率)數值異常或箭上接收鏈路異常，可結合地面站的上行信號電平強度快速對接收天線狀態和轉發器的接收模塊做出判斷。“功率遙測”參數表征了箭上射頻輸出信號的功率大小，當輸出射頻信號的電平強度下降時該參數也會有所下降；當射頻輸出信號強度下降至噪聲水平時，“功率遙測”參數下降至0附近，此時表征箭上下行信號EIRP(equivalent isotropic radiated power，等效各向同性輻射功率)數值異常，可以將故障初步定為在箭上發射模塊、功放模塊、供電模塊及器件連接不良。正是因為有了關鍵的遙測數據作支撐，使得故障定位工作與之前相比變得事半功倍。

5 結束語

從利于故障定位的角度，提出了航天箭載無線收發設備遙測參數設置建議及原則。闡述了航天主流無線收發機的結構，在此基礎上提出了在接收機中設置“靈敏度遙測”、“鎖定指示遙測”參數和在發射機中設置“功率遙測”參數的建議；對于能夠設置更多遙測參數的無線收發機，可以進一步考慮設置“電壓監測”參數和“本振鎖定”、“信噪比SNR”等參數。結合案例分析了某轉發器遙測參數設置的不合理性，對其遙測參數進行重新設計后開展了實驗與結果分析，實驗結果表明，經過遙測參數重新設計后的轉發器能對故障定位提供關鍵的數據支撐。