统一载波测控系统下行信道噪声功率谱密度标定依据分析与探讨

王 鑫,鲁新龙,李 强

(中国卫星海上测控部,江苏 江阴 214400)

统一载波测控系统下行信道噪声功率谱密度标定依据分析与探讨

王 鑫,鲁新龙,李 强

(中国卫星海上测控部,江苏 江阴 214400)

统一载波测控系统集跟踪、测距、测速、遥测、遥控、通信、数传等功能于一体；噪声功率谱密度是测控设备下行信道的基本参数之一，反映了信道接收弱信号的能力，调节综合基带输入端的噪声功率谱密度至合理范围是完成航天测控任务的前提；介绍了统一载波测控系统下行信道的基本组成及设计要求；分析了噪声功率谱密度在下行信道中的传递特性，提出了在不同信号电平、不同测控体制下噪声功率谱密度标定的基本依据和原则；结合某型号S频段统一测控系统的工程实际，系统分析了噪声功率谱密度的原理和具体标定方法，该方法根据不同应用环境和测控体制，充分考虑各级增益的分配标准，准确计算各级信号噪声的电平，合理进行噪声功率谱密度标定，以确保系统工作的可靠性和稳定性，为设备性能指标测试和航天测控任务参数设置提供参考和依据。

统一载波测控系统;下行信道;噪声功率谱密度;综合基带

0 引言

统一载波测控系统集跟踪、测距、测速、遥测、遥控、通信、数传等功能于一体，设备简单，可靠性高，测量精度适中，已在国内外航天测控中得到广泛应用，工作频率为S、C、X、Ka等频段[1]。下行信道是统一载波测控系统的重要组成部分，主要完成在强噪声背景中检测出微弱信号，并能以最小的失真复现信号。噪声和失真是接收技术中永恒的主题，降低系统噪声温度是设计接收系统的关键技术。与噪声温度相关的参数有噪声系数和噪声功率谱密度等，这些参数指标在系统指标测试过程中经常应用，在航天测控中必须了解和掌握。

目前，航天测控系统集成化程度越来越高，综合信道技术和综合基带技术获得了快速发展，并得到广泛应用，以满足不同测控体制航天器的测控任务需求。同时，标准化也在航天测控网中得到推广，根据航天器轨道可以将测控设备分为中低轨测控设备和深空探测测控设备，同一类型设备的技术指标基本一致。因此，为满足多种航天测控任务需求，统一载波测控系统下行信道必须具有大动态、宽频带等特点。如何在不同应用环境和测控体制下，合理确定综合基带输入端的噪声功率谱密度就显得尤为重要。

1 噪声功率谱密度的基本概念和应用

无线电噪声在接收设备中对有用信号起到干扰作用，它也是接收系统灵敏度的最终限制因素，一般用系统的信号噪声比(简称信噪比，可用S/N或SNR表示)来反映系统接收弱信号的能力。在统一载波测控系统中，常用等效噪声温度来表示内部和外部噪声，一般以场放输入端为参考面进行系统等效噪声温度计算，可用式(1)进行表示。

(1)

式中，Tn为系统等效噪声温度(场放输入端)/K；Ta为天线的噪声温度/K；Tr为接收机等效噪声温度(场放输入端)/K；Lr为馈源至场放输入端的馈线损耗。

在航天测控工程实际应用中，通常用噪声的功率谱密度作为研究对象，它表示在不同频率下，噪声源在1 Hz带宽内的功率。对于热噪声，电子器件的散弹噪声等于宽带高斯随机过程的噪声，从低频到10+12～10+13频带单位内为均匀分布，而与频率无关[2]，可用式(2)表示。

(2)

式中：K为玻尔兹曼常数，取值-228.6dBW/Hz；N0为系统等效噪声功率谱密度(场放输入端)。

以某型号S频段统一载波测控系统为例，天线的噪声温度Ta=65K(E≥100)、馈线损耗Lr=1.2dB、接收机等效噪声温度Tr=55K

根据式(1)、(2)可以得到：

Tn=176.25K=22.46dBK

N0=-206.14dBW/Hz

以上数值在设备不发生变化或故障的情况下，基本保持不变。

2 统一载波测控系统下行信道的基本组成

统一载波测控系统下行信道主要由低噪声放大器(场放)、功分开关网络、下变频器、本振、电平调节、中频开关矩阵、连接电缆、高中频滑环等组成，其主要作用在于放大信号。因此在设计时，各级增益的分配标准及各级信号噪声电平的计算就得充分考虑，以确保系统工作的可靠性和稳定性。以某型号S频段统一载波测控系统为例，其设备组成及电平分配如图1。

图1 S频段下行信道组成及电平分配图

场放输入端的接收信号电平为-139～-46 dBm，动态范围为93 dB。综合基带输入端接收信号电平为-60～0 dBm，动态范围为60 dB。

为了保证下行信道的动态范围与综合基带的动态范围匹配，在设计时引入了可调衰减控制，分别在射频设置了30 dB的可调衰减，步进10 dB；在中频设置了10 dB的可调衰减，步进1 dB。以上指标均是在系统指标要求下，通过选择合适的器件设计保证的。

3 噪声功率谱密度定标依据分析

工程应用中，一般在综合基带输入端对下行信道的噪声功率谱密度进行标定，以确保综合基带输入信号满足输入电平和信号噪声功率谱密度比要求。由于下行信道和综合基带动态范围的不匹配，必然导致噪声功率谱密度在不同应用环境下的变化。以图1所示测控系统的下行信道为研究对象，分析噪声功率谱密度定标的依据。

3.1 噪声功率谱密度的变化范围

在系统设计完成后，场放输入端的N0即为确定值，下行信道每个参考面的N0’与场放输入端至该参考面的链路增益有关。从图1可以看出，下行信道至综合基带输入端的链路放大增益G的可调范围为39～79dB，因此场放输入端噪声功率谱密度的定标范围可用下式计算：

N0基带=N0+G=-167.14～-127.14dBW/Hz

(3)

3.2 下行链路增益的选择

为了确保下行信道工作的线性，链路设计时已进行了合理的电平分配，为了适应接收信号电平的大动态变化，在信道中引入了两级可调衰减，其设置不同的值会引起下行链路增益的变化。因此，在实际应用中，需结合航天器发射信号的强度和测控体制，选择不同的链路增益。

在扩频TTC模式下，接收信号的动态范围指标为93 dB。接收门限电平信号时，为了保证综合基带输入端满足最小输入电平，一般设置链路增益最大，即两级可调衰减设置为0 dB，此时N0基带=-97.14 dBW/Hz；接收电平信号最强时，为了保证综合基带输入端不饱和，一般设置链路增益最小，即两级可调衰减设置为40 dB，此时N0基带=-137.14 dBW/Hz。

对于测控数传一体化体制，其场放输入端的接收灵敏度P数传灵敏度为-148dBW，因此链路增益必须保证在58dB以上，以满足综合基带最低输入电平要求，此时N0基带=-118.14 dBW/Hz。

对于调频(FM)遥测体制，其场放输入端的接收灵敏度PFM灵敏度为-129dBW。当链路增益为最小值39dB时，可以满足综合基带最低输入电平要求，此时N0基带=-137.14 dBW/Hz。

3.3 综合基带信号接收性能分析

综合基带在信号输入后，需进行中频信道放大和自动增益控制(AGC)，以确保A/D变换时，输入信号电平保持不变。在下行链路增益设置时，需考虑噪声引起非相干AGC起控的情况。非相干AGC控制电压由中频放大滤波器输出经检波放大产生，此电压与输入信号和噪声信号之和成正比。检波前的信噪比与中频滤波器的带宽有关，一般在信噪比大于10 dB时，AGC控制电压与信号电平成正比，当信噪比为负值时，控制电压主要取决于噪声电平[2]。因此，需尽量确保在无信号输入时噪声不起控，否则会影响综合基带接收增益，也会导致系统应用人员误判。

噪声功率可用式(4)进行计算：

(4)

式中，N为噪声功率；Bn为等效噪声带宽；N0由式(2)获得。

综合基带为适应多种测控体制，中频信道带宽统一设计为24 MHz，因此N基带的电平变化范围为-63.84～-23.84 dBm。按照非相干AGC起控门限-60 dBm计算，则噪声功率谱密度超过-134.3 dBmW/Hz会引起非相干AGC起控。目前，综合基带软件界面仅在FM测控体制下显示非相干AGC，其余均是在环路锁定后显示相关AGC，但实际非相干AGC已对中频放大器进行了控制，只是未在界面显示，因此在进行噪声功率谱密度标定时需加以考虑。

另外，综合基带可通过加载不同的应用软件实现不同测控体制功能，其指标要求输入信号电平范围为-60～0 dBm，在实际工程应用中发现，这是对任何测控体制均通用的指标，实际上也是AGC起控的电平范围。在某些体制下其捕获门限电平可以达到-75 dBm。因此，准确测定不同的测控体制下综合基带输入端的最小信号电平显得尤为重要。以S频段标准TTC模式为例，其基带最小输入电平可达到-75 dBm，根据系统工作信号噪声功率谱密度比S/N0≧43 dBm/Hz的指标要求，可以得到输入电平为门限电平时，N0≦(-75-43)=-118 dBm/Hz。

3.4 噪声功率谱密度定标依据

综合上述分析，可以得出综合基带输入端噪声功率谱密度标定有以下几类依据：

1)根据地面测控系统场放输入端的信号强度，并结合综合基带最小输入电平的要求，可以合理确定下行信道增益，进而得出噪声功率谱密度的标定值。

2)根据综合基带在不同测控体制下的最小输入电平要求，结合系统正常工作时的门限信号噪声功率谱密度比S/N0，进而通过换算进行定标。

3)定标时，需考虑综合基带中频信道噪声非相干AGC起控的情况，以避免发生在无信号输入时噪声起控。

以上3个因素是相互制约的，需要根据实际情况综合分析进行取舍，以确保系统能正常稳定工作。

4 结束语

综合基带输入端噪声功率谱密度定标是统一载波测控系统工程应用中的重要环节，其合理与否一定程度上会影响系统能否稳定可靠工作，因此，必须结合各种影响因素进行综合考虑。本文结合某型号S频段统一测控系统的工程实际，系统分析了噪声功率谱密度的原理和标定方法，并提出了噪声功率谱密度的定标依据和原则。根据该方法可以在不同应用环境和测控体制下合理进行噪声功率谱密度标定。

[1] 瞿元新. 船载微波统一测控系统概论[M].北京：国防工业出版社，2015.

[2] 石书济等. 统一载波测控系统讲义[R]. 成都: 中国电科集团第十研究所, 1997.

[3] 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.

[4] 周智敏，陆必应，宋 千. 航天无线电测控原理与系统[M]. 北京: 电子工业出版社，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，江苏盐城人，中国卫星海上测控部测量船2大队总工程师，硕士研究生，主要从事航天测控系统方向的研究。

1671-4598(2017)01-0170-03

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

V11

A