测控信号的动态模拟

兰宏志

(中国西南电子技术研究所,成都 610036)

测控信号的动态模拟

兰宏志

(中国西南电子技术研究所,成都 610036)

测控信号的动态模拟包括对距离、速度、加速度、传输损耗等状态参数的模拟。以大容量存储器为延时线,基于存储转发模式对测控信号进行高精度的动态模拟,可以解决远距离、高精度与有限的存储容量、读写速率之间的矛盾。载波解调后存储和不解调直接存储两种处理方法可以解决高速调制和中低速调制两种应用场合测控信号的动态模拟。

测控系统;标校设备;动态模拟;存储转发模式

在测控系统的研制和应用中,离不开一套具有动态模拟[1]功能的标校设备来验证系统在动态环境下的性能指标和状态,特别是接收系统的捕获门限[2]、误码率、距离、速度、加速度等参数在动态和静态情况下的差异,需要在任务前充分认识。本文针对不同的应用场景,对测控信号动态模拟在工程中的实现方法进行阐述,并分析了影响动态模拟精度的主要因素。

1 工作原理

测控信号的动态模拟包括回波信号的相位或者时延(即距离)、多普勒频移或者频移变化(即速度或者加速度)和幅度(即各种路径损失)、角度偏移等。

运动物体的距离变化和速度的关系严格遵守运动方程,一般连续波测控信号的测距是用测相或者测时来实现的,目标运动时距离发生变化,接收回波的相位也会发生变化,相关地产生回波多普勒频移ωd,对应的收/发信号间的相位差 φ=ωdt发生变化,等效为时延变化,亦即距离发生变化。

运动学中,点目标的矢径运动方程[3]为

工程中,进行距离速度的模拟,将目标运动轨迹用一个幂级数来表示,一般用前三项近似就能够反映目标运动的动态特征,第一项为起始分量,第二项为速度分量,第三项为加速度分量。

将式(2)、(3)、(4)代入式(1)得:

式中,τ0为回波起始时延,φ0为对应的相位(有模糊),f0为载波频率,fm为测距信号频率,f0d和fmd分别为载波和测距信号的多普勒频率,﹒f0d和﹒fmd分别为载波和测距信号多普勒频移的变化率。

2 动态模拟的实现

2.1 距离模拟

根据动态模拟的原理,模拟距离就是模拟测距信号的相位延时,模拟距离随速度变化就是模拟测距信号的相位延时的同时其上面对应的多普勒频率及其变化,实现上述过程有原发和转发两种基本的方法。

2.1.1 原发模式

原发模式就是用相干产生相位[4]和多普勒频率受控的目标信号,其原理如图1所示,根据轨道参数计算出速度和加速度参数对应的多普勒频率及其变化率,用统一的基准频标产生模拟器需要的动态频标,再用动态频标产生相干的中频载波和相干的测距信号(侧音或者测距码)以及相干的本振,混频后的射频信号也与动态频标严格相关,初始距离模拟可以通过对相干测距信号进行延时计数来实现。

图1 相干产生动态模拟源Fig.1 Coherent generation of dynamic simulation source

2.1.2 转发模式

转发模式是动态模拟器接收目标信号进行延时和多普勒频率处理,分为解调和不解调两种处理方法。直接把收中频信号进行A/D,不做解调,量化后的数字信号直接存储在大容量的存储器中进行透明转发,其原理框图如图2所示。

图2 收中频信号不解调动态模拟框图Fig.2 Dynamic simulation diagram of receiving intermediate frequency signal without demodulation

根据轨道数据中的初始距离参数对应的时延进行距离延时,模拟初始距离;根据轨道参数中的速度参数对应的多普勒频率对存储器中的数据进行频率拉伸和压缩,使其在距离延时的同时带上速度对应的多普勒频率,从而模拟目标运动时距离随速度发生变化。这种透明模式的存储转发动态模拟方式,中频信号处理比较简单,但中频和信道混频本振需要同时加载对应的多普勒频率,且要求存储器的存储容量大,读写时钟高,一般适用于数据速率不很高的低中频模拟的数字处理及上下行调制模式相同的测控系统。

转发模式的另一种方法是对接收目标信号先进行载波解调,解调后的基带信号进行延时和多普勒频率处理,中频载波只做多普勒频率加载不做延时处理,完成相应处理后的基带信号和中频载波重新调制,形成动态模拟信号,其原理框图如图3所示。根据轨道数据中的初始距离参数对应的时延进行距离延时,模拟初始距离;根据轨道参数中的速度参数对应的多普勒频率分别控制载波频率和大容量存储器中的测距信号,使其带上对应的多普勒频率,从而模拟目标运动时距离随速度发生变化。这种模拟方法要求存储器的存储容量相对较小,信道混频本振不需要实时加载多普勒频率,但中频信号处理比较复杂,需要解调和重新调制转发,载波和测距信号上分别加多普勒频率,一般适用于数据速率很高的高中频模拟的数字处理及上下行调制模式不相同的测控系统。

图3 收中频信号解调存储动态模拟框图Fig.3 Dynamic simulation diagram of receiving intermediate frequency signal with demodulation

2.1.3 距离模拟精度

距离模拟的精度主要取决于时延控制的精度,系统时钟稳定度、信道时延波动等也是影响距离模拟精度的因素。距离模拟的范围由存储器的深度决定,设计存储器的存储容量时还要考虑最大多普勒频率条件下,在一定时间内存储器不会被写满溢出或者读空,合理设计存储器的存储空间大小和读写时钟高低,可以实现大范围高精度的动态模拟,当前距离模拟精度可以优于1 m。目前市面上的存储器有双口RAM、内存条颗粒、DDR2、DDR3内存条和固态硬盘等,读写速度可以达到100～400 Mbyte/s,可根据距离模拟的远近和精度要求选择。

2.2 速度及加速度模拟

测速的原理是测量收、发信号的载波多普勒频移,速度及加速度模拟的方法就是使转发信号的载波频率按照速度及加速度对应的多普勒频率及其变化率改变,载波多普勒频率变化的同时测距副载波或码钟上也要反映多普勒频率及其变化率。

假设模拟器接收射频频率为 ft,模拟器发射射频频率为fr,中频载波频率为fI,本振频率为fL,测距音(或者扩频码速率)为fm,光速为c,目标径向速度为v,加速度为a,转发比为ρ,则单向多普勒频率

双向多普勒频率及其变换率

一般通过改变DDS频率控制字来实现多普勒频率及其变化,若DDS的参考钟为fclk,DDS的相位字长32 bit,则中频载波频率控制字

多普勒模拟频率控制字

速度模拟是建立在频率相关基础上的,收发频率和混频本振都必须与同一个频标10 MHz严格相关,DDS的相位字长足够,速度模拟精度可以达到很高。

2.3 空间损耗模拟

无线电信号在传输过程中总会造成损耗,自由空间损耗是其主要的损耗形式,此外,还有大气吸收、多径、折射等损耗,本文主要讨论自由空间损耗即距离远近导致的信号电平变化。

距离远近导致的信号电平变化可根据雷达方程式(12)来进行计算:

其中,Sr为目标与雷达距离为R处的功率密度,Pt和Gt分别为发射功率和发射天线增益。可知信号的电平在已知发射功率和天线增益(包括收天线增益)的情况下和距离的平方成反比关系[5]。

自由空间的损耗其中,Pt和Pr分别为发射和接收天线功率,At和Ar分别为发射和接收天线有效面积,f为信号频率,R为传输距离,c为光速。

由以上推导可知,在信号频率、收发功率和天线增益确定的情况下,信号在自由空间的损耗只与距离有关。在进行幅度模拟时,根据轨道参数计算出不同距离对应的信号衰减量,通过控制数控衰减器的衰减量来控制已做距离速度及加速度模拟的动态目标信号输出幅度,模拟距离远近变化引起的电平变化。幅度模拟的精度取决于数控衰减器的精度,高精度的幅度模拟要求衰减器幅度控制精度和幅相一致性都要高。

3 结束语

本文介绍了测控信号动态模拟在工程中的实现方法,对原发模式和存储转发模式的动态模拟方式的适应场景以及两种模式对距离速度、加速度以及自由空间损耗等参数的模拟实现方法进行了详细阐述,分析了影响模拟精度的主要因素,但测控系统对动态模拟器的精度和逼真度要求越来越高,系统除了要求具有大的距离模拟范围和高的模拟精度外,还要求对多径、色散、雨衰等参数进行模拟,设计一套多功能、高精度、通用型的动态模拟器,需要在以后的工作中深入研究。

[1]刘嘉兴.飞行器测控通信过程[M].北京:国防工业出版社,2010.

LIU Jia-xing.Spacecraft TT&C and Communication Engineering[M].Beijing:National Defense Industry Press,2010.(in Chinese)

[2]樊昌信,张甫翊,徐炳祥,等.通信原理[M].北京:国防工业出版社,2001.

FAN Chang-xin,ZHANG Fu-yi,XU Bin-xiang,et al.Communication Principle[M].Beijing:National Defense Industry Press,2001.(in Chinese)

[3]电子工业部第十研究所.统一载波测控讲义[M].成都:《电讯技术》编辑部,1977.

The 10th Institute of Ministry Electronic Industry.The Teaching Materials of Unified Carrier TT&C[M].Chengdu:Telecommunication Engineering Agency,1997.(in Chinese)

[4]刘嘉兴.基于运动方程的动态模拟方法[J].电讯技术,2010,50(11):1-4.

LIU Jia-xing.Dynamic simulation method based on motion equation[J].Telecommunication Engineering,2010,50(11):1-4.(in Chinese)

[5]雷鸣,李珂.采用闭环双口RAM实现深空动态模拟源设计[J].电讯技术,2011,51(3):33-36.

LEI Ming,LI Ke.Design of dynamic simulator source for deep space communication by using close loop dual-port RAM[J].Telecommunication Engineering,2011,51(3):33-36.(in Chinese)

LAN Hong-zhi was born in Santai,Sichuan Province,in 1966.He is now an engineer.His research concerns TT&C and satellite dynamic simulation.

Email:lanhongzhi666@163.com

Dynamic Simulation of TT&C Signal

LAN Hong-zhi
(Southwest China Institute of Electronic Technology,Chengdu 610036,China)

Dynamic simulation parameters of TT&C signal include distance,velocity,acceleration and propagation loss,etc.The proposed method based on high capacity storage as delay line and storage-transmission mode can solve the confliction among high precision,limited storage capacity and read-write rate.Storage after demodulation and direct storage without demodulation can realize the dynamic simulation of TT&C signal in high-speed data rate modulation and medium-low-speed data rate modulation application scenarios.

TT&C system;calibration equipment;dynamic simulation;storage-transmission mode

TN911;V556

A

10.3969/j.issn.1001-893x.2012.06.014

1001-893X(2012)06-0902-04

2012-04-25;

2012-06-08

兰宏志(1966—),男,四川三台人,工程师,主要从事测控通信、卫星动态模拟研究。