码分多址测控系统的功率调节❋

肖小兵❋❋（中国西南电子技术研究所，成都610036）

码分多址测控系统的功率调节❋

肖小兵❋❋
（中国西南电子技术研究所，成都610036）

远近效应是码分多址测控系统中影响飞行器多址接收性能的重要因素。分析了远近效应在多站测控系统中对飞行器接收性能的影响，提出了在该系统中进行功率控制的必要性，给出了地面测控站功率调节的方法和策略，可作为多站应用的码分多址测控系统功率调节的参考思路。

扩频测控通信；码分多址；远近效应；码间干扰；功率调节

1 引言

在扩频测控通信系统的应用中，可利用不同的扩频码来实现多个地面站对同一飞行器目标的同时测控与通信。当多个地面站的发射机发送同频异码的信号到同一个飞行器目标时，飞行器载终端同时接收多路处于不同距离地面站发送码分多址信号，在发射端有效全向辐射功率（EIRP）相同的情况下，由于信号在不同距离的空间传输损耗引入各路信号的电平差，在电平差超过一定范围时，强电平链路信号会对弱信号接收链路形成干扰，即俗称的码分多址测控系统的“远近效应”［1－3］。

为了减少飞行载终端接收的各路码分多址信号之间可能形成的相互干扰，在多址测控应用中应将到达飞行器载终端接收端口的各路信号电平控制在一定的范围内，这就需要地面站具有相应的发射功率调节能力。特别是在对低轨高速飞行器的测控过程中，由于飞行器在每一个地面站作用范围内的跟踪、测量时间较短，采取人工功率控制的方式不能适应任务的快速响应需求，需要在系统监控软件内设置相应的程序，根据一定的策略来进行自动控制。

本文采取了闭环检测与控制的方式［4］，在各地面站中通过系统测量获得距离数据，结合飞行器载终端的相关遥测参数，来实现准确、实时、快速的地面站功率调节，以满足高速飞行器测控系统的应用需求。

2 多地面站发射功率控制的需求

2.1 多址接收性能及抗干扰容限分析

在多站发送单点接收的码分多址系统中，各路信号之间容许的电平差取决于接收信号路数、扩频增益、接收信号信噪比等一系列的参数。

对于接收多站（异步）信号的飞行器接收端，其他各路信号可以看作是对其中一路的干扰分量。一方面会使接收机接收相应信号的码元内能量与噪声密度比（Eb／No）降低；另一方面，当某一路信号电平与另一路电平差超过扩频接收机抗干扰容限时，会对弱信号支路的接收产生干扰。

假定第k个地面站的发射信号为

对于共计K个地面站的码分多址系统，飞行器端的接收信号为

其中，φk＝θk－ωcτk，n（t）表示双边功率谱密度为N0／2的高斯白噪声。在接收端经过相关处理后，对第i路发射信号相关匹配解扩后的信噪比为

其中，μk，i（n）为互相关参数，N为扩频增益。

当多址地面站采用｛＋1，－1｝均匀分布的随机序列时，可以近似得到

因此，式（3）可近似转化为

式（4）及式（5）中，K为多址地面站总数，N为扩频增益，（Eb／No）为接收单个信号时的码元能量与噪声密度比，设引入多址干扰损耗后的码元内能量与噪声密度比为（Eb／No）j，有

从式（6）可见，在系统中每路信号的（Eb／No）j都将小于单路信号应用时的（Eb／No）。当（Eb／No）j仍然大于接收端解调所需的解调门限（Eb／No）L时，该路信号即能正常解调。

当其中的一路或多路信号电平增强，相应的码元内能量与噪声密度比增强至（Eb／No）H，式（6）的关系将会发生变化，（Eb／No）j有进一步降低的趋势，与强信号的路数以及信号电平强度相关。同时，强信号的支路将会对其他多路较弱信号的干扰逐步增大，从定性的角度，一旦使强、弱信号电平之差ΔP＝［（Eb／No）H－（Eb／No）j］超过式（7）所示的扩频接收机抗干扰容限ΔPM后［1］，弱信号支路就会出现误码，甚至不能正常锁定。

式中，N为扩频增益，M为系统裕量以及信号定标的不准确性（由设备技术状态确定，对于不同的设备M取值不同，所以需要获得实测数据）。ΔPM是由设备的设计以及研制状态决定的，不受多目标或单目标的应用而变化。当N为30 dB（10 Mchip／s的扩频码对10 kb／s的信息进行扩频时），（Eb／No）L假设为10 dB，M取为5 dB，ΔPM的计算值约为15 dB。

ΔPM可以通过接收机的参数计算及仿真获得，也可以直接对接收机进行实测获得。计算或仿真得到的ΔPM值往往比较理想化，在实际工程中，由于受电路参数、设备调试状态以及应用环境等条件的约束和限制，扩频接收设备实际的抗干扰容限值往往低于计算或仿真获得的ΔPM值。因此，在工程应用中，不建议将ΔPM计算值作为实际操作的依据，而应根据飞行器载终端实际达到的技术状态（即实测数据）确定。

2.2 工程应用的多址功率调节需求

设定以地面站与飞行器最远作用距离为R（km）（视距范围内）、最近距离以R／10（km）（正过顶）的飞行状态为例，飞行器从最远端到过顶（或从过顶状态再到最远端）的飞行状态条件下，空间链路电平衰减变化在20 dB左右。

考虑某个地面站正处于飞行器过顶，而另一个地面站或多个地面站已处于或即将在离飞行器最远端的极端状态，如图1所示。在该应用场景下，如果地面站仍然都还以相同功率发射上行信号，到达飞行器载终端的信号电平差就有20 dB左右，再考虑到飞行器载天线在不同方向的增益差异以及飞行器姿态变化引入的损耗等，其电平差可能还会更大。

在多个地面站同时工作时，若不对上行发射信号进行实时调节，飞行器载终端接收到的任意两路信号电平差值就会超过飞行器载终端容许的ΔPL值，强信号对弱信号形成干扰，使其中一路或多路接收通道的测量精度下降或数据传输误码率增大。

3 上行功率实时调节处理时延与调节效果

对于多站同时测控的应用状态，需要通过调节各站扩频发射信号功率来减小到达飞行器接收端的电平差，将其控制在飞行器载终端允许的电平差范围内。

对于低轨高速飞行器，由于单站的有效测控时间较短，如果采取人工控制的方式来进行功率调节，将会增大调节误差，而达不到有效的调节效果。有效的途径是采取实时控制或定点（定时或根据距离段分段处理）控制的方式，两种方式在电平控制范围和处理复杂程度上各有侧重，需要根据系统应用需求来选择使用。

实时控制需要地面站对整个飞行过程中的状态进行实时闭环检测、计算与判决，将大大增加系统监控软件的运算量，严重时会影响系统功能的正常运行。因此，对于低轨高速飞行器，需要采取合理的策略实施功率控制，如可采取根据距离变化的定点控制方法，在既不影响系统正常运行的前提下，又能满足多址应用的功率调节需求。

如前文所述，飞行器载终端接收各路信号允许的电平差取决于信号路数、扩频增益、接收信号信噪比等一系列参数，也与飞行器载终端的技术实现状态密切相关，这是实施功率调节的主要决定参数。

为了保证飞行器载终端对距离最远端的地面站发射信号的正常接收，该地面站的等效辐射功率EIRPi应调节在满足飞行器载终端解调需求范围内，即到达飞行器接收端的（Eb／No）j应不小于（Eb／No）L。

当地面站发射为EIRPi时，飞行器载终端在最远端时的接收电平为PimindBm，该值不是指飞行器载终端的接收灵敏度，而是指在多站应用时，设定的在最远距离状态下飞行器载终端能够正常应用的接收电平值。随着飞行器与地面站之间距离的缩短，飞行器载终端接收某路信号的电平逐渐增强，而其他一些站与飞行器的距离又会逐渐增大，飞行器载终端接收这些支路的信号电平会逐渐减小。各地面站可根据相应的参数进行功率调节，调节原则就是使飞行器载终端接收各站信号之间的电平差小于ΔP。

飞行器载终端接收某站i的信号电平为

此时，目标接收电平Pi（t）是与空间传输损耗Ls（t，s）密切相关的，是随飞行时间t和距离s变化的参数；Ga（t，α，β）是由已知的飞行器载天线增益Ga和其他因素引入的变化ΔGa（t，α，β）组成，与飞行时间t（随着飞行时间变化，飞行器载天线方向图的覆盖范围也会发生变化，对相应地面站的增益也将有所改变）以及飞行器姿态的α及β角度相关。

由于飞行器载姿态的不确定性，飞行器载天线增益Ga（t，α，β）的变化通常无法直接获得定量的变化数据，在工程应用中，可把相应的变化通过下行信号AGC的变化（可能包含飞行器载姿态、距离变化等引入的分量）来反推。除距离的影响因素外，其他环节的影响都可以归纳在天线增益的变化内，可通过下行AGC反推得出增益变化参考值ΔGa（t，α，β），再以此推算出等效的Ga（t，α，β）。距离引入的空间损耗Ls（t，s）可以通过地面站i本站获得的实时测距数据计算获得（但有一定的滞后，包括扩频基带的测距处理时间、监控分系统数据采集及数据刷新时间、计算时间等）。

上行发射功率调节的响应时间主要由以下几个环节的时间决定。

（1）测距处理时间T1

地面站经过信号处理以及测距数据处理的时间，在硬件中的处理时间约为μs量级，基本可忽略，考虑软件的处理时间，到送出测距数据的时间为ms量级，暂以T1＝10ms考虑。

（2）AGC电压处理时间T2

地面站送出AGC电压的时间通常可以设置，分为1ms、10ms、100ms、1 s等多档量级，暂以T2＝1 s考虑。

飞行器载终端AGC的获得时间取决于飞行器载遥测采集时间、空间传输时延（极小，可忽略）、地面遥测接收时间、地面站数据采集刷新时间等，也可暂以1 s考虑。

（3）地面站采集测距数据以及AGC数据刷新时间T3

基本设置为1 s刷新一次，也就是说地面站系统得到的距离以及AGC数据最大时间可能是1 s以前的数据，暂以最大情况T3＝1 s考虑。

（4）功放功率调节时间T4

该时间在毫秒量级，根据工程经验初步估计为在300ms以内，暂以T4＝0.3 s考虑。

根据以上分析，以最恶劣的串行时间统计方式，地面站上行链路功率进行调节的最大处理时延约为

对于航天飞行器，飞行速度以6 km／s为例，在2.31 s时间内，最大距离变化约为13.8 km。以飞行器过顶最近端为50 km状态示例（过顶距离更高时，影响更小），飞行器在2.31 s时间内飞行距离变化了13.8 km，但由于此时飞行器的飞行方向与地面站波束径向基本垂直，在切线方向飞行了13.8 km时，与地面站的径向距离变化约为1.9 km，这一状态下的系统2.3 s处理时延引入的空间损耗变化约为0.4 dB，也就是说由功率调节处理时延ΔT引入的飞行器载终端接收电平变化约为0.4 dB，远远小于ΔP的范围，不会影响功率调节的效果。

而对于飞行器与地面站之间处于最远端时，基本上可以看成径向距离的变化，大约为13.8 km的距离变化，以400 km最大距离示例，引入的空间损耗变化约为0.3 dB，由此引入的飞行器载终端接收电平变化也约为0.3 dB。同样，这一状态下地面站处理时延对系统的功率调节效果基本不会产生影响。

因此，可设置系统处理时间（时延）引入的电平变化在1 dB范围内，在控制程序中进行预先设置提前量实时地抵消，能使功率调节效果满足系统应用要求。

4 上行功率实时调节方案与策略

考虑到飞行器载终端对多个地面站上行各路信号的电平差有一定的允许范围，即ΔP值一般都有较大的范围。如在4个站同时工作的状态下，假定飞行器载终端同时接收4路上行信号时任意两路接收信号的电平差ΔP为15 dB（暂定，需要根据计算或终端生产方提高数据），对地面站发射功率的控制就是要达到在一定时间段或飞行一段距离过程中使其发射的信号功率到达飞行器载终端接收机输入口的电平均保持在额定接收电平值（如设定的接收电平值Pimin）附近的一定范围内，若取控制值目标为ΔPS，则从本控制点到下一控制点的时间（或距离）段内的电平可以保持在（Pimin±ΔPS）的范围内，若取ΔPS为6 dB，则每两路信号之间的最大电平差可以控制在12 dB以内。

（1）考虑距离变化引入的电平变化的功率调节流程

由于无线电信号在空间传播引入的衰减与距离直接关联，当距离增加到初始距离的1倍时，电平变化6 dB，从最远端（暂定为距离R，单位为km）到过顶（暂定距离R／10）整个距离变化约10倍，电平变化20 dB，再考虑其他因素，最大电平变化可能达到30 dB，在400～500 km的飞行过程中可以分解为4段5个控制点来进行处理。因此，地面站首先可以通过测距数据来进行功率控制。

地面站上行功率控制的相应流程如图2所示，流程图中i需从0～4以及5～8执行完，才构成整个飞行段的控制，图中是以简化示意。与全程实时控制流程相比较，减少了不间断循环与连续计算环节，只需要9个点的判断和控制过程，系统监控软件的计算量和控制操作环节大大减少。

以上方案是以飞行器入站点距离S0为500 km为例的距离值和控制节点数设计，某站的S0发生变化，距离数值甚至控制节点数都要作相应调整。

（2）考虑其他因素变化引入的电平变化的功率调节补偿

对于飞行器姿态以及空间传输引入的额外电平差的修正，可以通过飞行器载终端AGC电压或地面站接收下行信号AGC电压值来计算获得。如果地面站不能直接获得飞行器遥测中终端的AGC参数（如本站未授权处理下行遥测数据时），只有采取通过下行信号的地面站AGC电平值来反推上行电平变化的方式，并以该反推数据来进行发射功率的调节，这一反推的方式与直接对飞行器载终端AGC参数进行判决与计算的方式有一定的误差，但可以预先标定、修正。处理流程如图3所示。

对于这一部分的衰减量，将在对发射功率调节值中扣除，即如果通过计算得出由于这些因素引入了约1 dB的衰减，那么每一档的衰减调节中将减掉1 dB的衰减量。

（3）定点实施功率调节的效果

根据前文分析，系统计算及处理时间引入的功率控制误差可以控制在0.4 dB（系统可按最大1 dB进行设计），不会影响整个功率控制的趋势，因此，在每一段控制范围，可以将飞行器载终端的每路接收功率控制在最大与标称值EIRPi有6 dB的偏差范围以内。

以飞行前半段（由进站远端到过顶）及飞行后半段（由过顶到出站远端）的整个过程为例，飞行器载终端对某一站接收信号的功率变化过程如图4示意，全程设置约9个控制点（具体点数与系统控制精度以及最大作用距离相关）。4个站同时这样进行功率控制后，在某一时刻飞行器载终端接收的四路信号的电平差最大不会超过12 dB，可以控制在飞行器载终端允许的电平差范围内（暂定飞行器载终端的ΔP大于15 dB）。

对发射功率的定点控制可以通过地面站系统监控软件按相应控制流程设计相应模块，嵌入到系统监控软件之中，根据需要启动程序实现自动控制。

当某地面站的S0发生变化（最大作用距离增大或缩短时），图4中S1到S8的距离数值及控制节点数需作相应调整。

5 结束语

扩频信号体制为测控系统的码分多址应用提供了有利的条件，但其多址应用时多用户之间的干扰是系统设计和工程应用必须考虑的关键因素，特别是码分多址系统必然存在的“远近效应”，如果不加以相应功率控制，就会影响系统性能的正常发挥。本文对码分多址系统功率控制需求与方法进行了分析，提出了消除远近效应的参考方案，在这一方案中，如何保证在极短的时间内进行各种参数的采集与计算是功率调节实现与应用的关键。由于飞行器姿态变化以及空间损耗引入的误差项的修正也是系统必须关注的重要环节。

［1］刘嘉兴.飞行器测控通信工程［M］.北京：国防工业出版社，2010. LIU Jia-xing.Spacecraft TT＆C and Communication Engineering［M］.Beijing：NationalDefense Industry Press，2010.（in Chinese）

［2］刘嘉兴.飞行器测控与信息传输技术［M］.北京：国防工业出版社，2011. LIU Jia-xing.Spacecraft TT＆C and Informationg Transmission Technology［M］.Beijing：National Defense Industry Press，2011.（in Chinese）

［3］朱明.功率控制在CDMA以及实际接收机中的应用［J］.中山大学研究生学刊（自然科学与医学版），2007，28（1）：45－50. ZHUMing.Power Control in CDMA and the Application in the Reciver［J］.Journalof the Graduates Sun YAT-SENUniversity（Natural Sciences and Medicine），2007，28（1）：45－50.（in Chinese）

［4］杨会玉，李雅梅.3G系统功率控制技术的研究与比较［J］.中国新通信，2009，11（13）：49－51. YANGHui-yu，LIYa-mei.Research and Comparison on Power Control Technology for 3G System［J］.China New Telecommunications，2009，11（13）：49－51.（in Chinese）

Power Control in CDMA TT＆C SysteMs

XIAO Xiao-bing
（Southwest China Instituted of Electronic Technology，Chengdu 610036，China）

Near-far effect is an important factor that affects the reception performance in CDMA（Code Division Multiple Access）TT＆C systems.The impactof near-far effect on the reception performance in themulti-station TT＆C systeMis analyzed，and the necessity of power control is presented.Finally，amethod and strategy of power control is given，which can be considered as a reference inmulti-station CDMA TT＆C system.

spread spectruMTT＆C；code division multiple access；near-far effect；inter-symbol interference；power control

the B.S.degree in 2002.He is now an engineer.His research concerns aerospace TT＆C technology.

TN914.4；V556

A

1001－893X（2013）06－0688－06

肖小兵（1979—），男，江西吉水人，2002年获学士学位，现为工程师，主要从事航天测控通信系统总体技术方面的研究。

10.3969／j.issn.1001－893x.2013.06.002

2013－03－19；

2013－05－08 Received date：2013－03－19；Revised date：2013－05－08

❋❋通讯作者：xzf0882＠sina.coMCorresponding author：xzf0882＠sina.com

XIAO Xiao-bing was born in Jishui，Jiangxi Province，in 1979.He

Email：xzf0882＠sina.com