信号饱和对遥测设备自跟踪影响的研究及应用

张跃飞，赵翔宇，苏 坦

(太原卫星发射中心测量控制站，山西 忻州，036301)

0 引言

在遥测设备中广泛采用比相单通道单脉冲测角方式[1-2],利用天线波束形成网络输出的角误差信号(即方位误差信号ΔA和俯仰误差信号ΔE),经过一组低频信号调制后再与射频Σ信号合并形成一个单通道信号,接收机解调出的误差电压提供给伺服系统以完成对目标的自跟踪。

现阶段，跟踪接收机朝着数字化方向不断发展，数字接收机一般在中频直接进行ADC(数模变换)，再由FPGA、DSP等可编程数字芯片对该中频采样进行数字信号处理，最终送出误差电压。整个过程中，采用软件编程的方式实现跟踪接收机的全部功能[3]，软件编程采用软件无线电[4]技术。

遥测信号过饱和会导致角误差无法正确解调，影响设备自跟踪。本文仿真了信号饱和影响角误差电压解调的机理，以实际具体遥测设备为例，给出了详细测试方法，测试了一定使用条件下影响角误差解调的信号强度。

1 单通道单脉冲角跟踪原理

天线馈源将接收到的信号产生3路射频信号：一路和信号、一路方位差信号和一路俯仰差信号。方位和俯仰差信号经一组正交的调制信号，分别经过0/π调制后，最后通过双路耦合器按比例与和信号迭加，合成一路单通道单脉冲信号射频信号，射频信道对射频信号进行放大、滤波和变频后处理后变为中频信号，由接收机进行数据和角误差信号解调。单通道单脉冲跟踪接收原理框图如图1所示。

图1 单通道单脉冲跟踪接收原理框图Fig.1 Principle block diagram of single channel monopulse tracking and receiving

单脉冲单通道跟踪接收机的和信号、方位差信号和俯仰差信号[5-6]可分别表示为：

EΣ(t)=Amcos(w0t)，

(1)

EΔA(t)=AmuθAcos(w0t)，

(2)

EΔE(t)=AmuθEcos(w0t)，

(3)

式中，u为差通道斜率；Am为和路信号强度；w0为接收信号的角频率；θA为方位偏差角；θE为俯仰角误差。

1.1 二相调制(0/π调制)

单通道单脉冲信号经过预选滤波器、低噪声场放、后选滤波器、下变频器和中放AGC后，转换为中频信号，接收机对中频信号进行载波跟踪和角误差解调。单通道单脉冲的信号合成中，遥测信号采用二相调制合成(0/π调制)[7-9]。

二相调制又称0/π调制，即在低频方波U(t)的作用下对差信号进行调相，调相后的差信号与和信号相加成为一路信号[10]。该方法可用于单频信号进行跟踪。角跟踪接收机产生两路相同的低频方波：一路用于对差信号进行调相；另一路作为角误差信号解调的参考基准，实现角误差信号提取与分离。根据系统不同，U(t)的频率从凡百赫兹到几千赫兹不等，本文以遥测设备常用的1 kHz低频方波为例。

1 kHz方波信号(周期T=1 ms)信号为：

(4)

其正交的方波信号为U(t-T/4),即延迟0.25 ms的1 kHz方波信号，方位差信号和俯仰差信号经过相互正交的1 kHz低频信号进行0/π调制。

调制后相加后得到差路信号为：

SΔ=U(t)EΔA(t)+U(t-T/4)EΔE(t)=

AmuθAcos(w0t)EΔA(t)+

AmuθEcos(w0t)EΔE(t)。

(5)

差路信号经过一个定向耦合器与和路信号合成单通道信号：

(6)

图2 典型单通道单脉冲信号波形Fig.2 Typical single-channel monopulse waveform

1.2 角误差的解调

接收机完成载波的提取和解调，提取差支路信号[11]，在利用与0/π调制相关的2路正交的1 kHz低频信号解调出方位和俯仰差信息。

s中频=K1Amcos(w0t)×

(7)

中频信号经过AGC控制，进行相干载波提取，获得相干载波：

S载波=cos(w0t)。

(8)

中频信号与相干载波相乘，可得到和信号为1/2(K1Am)，再经过带通滤波器，得到差路信号：

(9)

差路信号中包含的方位差和俯仰差信号分别由U(t)，U(t-T/4)信号同步检波得到。

方位角误差电压和俯仰角误差电压为：

(10)

(11)

式中，Kd为角误差的定向灵敏度[12]。

2 信号强度对角误差解调影响

2.1 单通道单脉冲信号特征

单通道单脉冲信号的调频用于传输遥测数据，而调幅包络携带角误差信息[13]，角误差信号会改变单通道单脉冲信号的幅度，相互正交的1 kHz的方波信号与单通道单脉冲信号的正常波形在Matlab中仿真如图3所示[14]。

图3 方波信号与单通道单脉冲信号的波形Fig.3 Waveform of square wave signal and single channel monopulse signal

相互正交方波的波形，在一个周期(0.001 s)内，单通道单脉冲信号波形因正交方波值的不同呈4个值，对应关系如表1所示。

表1 正交方波值与单通道单脉冲信号最大值关系

Tab.1Therelationshipbetweentheorthogonalsquarewavevalueandthemaximumvalueofsinglechannelmonopulsesignal

正交1 kHz方波值单通道单脉冲信号幅度最大值1,112K1Am+UΔA+UΔE-1,112K1Am-UΔA+UΔE-1,-112K1Am-UΔA-UΔE1,-112K1Am+UΔA-UΔE

2.2 信号强度影响角误差机理

一般数字化中频接收机[3]解调角误差电压的流程如图4所示。

接收机输入信号首先经过中频滤波器滤波和ADC转换后送给AGC控制电路，AGC控制电路的功能是改变AGC控制电路增益，在输入信号电压变化很大时，保持输出电压恒定或基本不变[15]。AGC控制电路输出电压在一个固定范围内变化，当AGC控制电路的值为最大值时，可认为信号饱和，此时携带角误差信息的调幅包络[13]会变形，导致解调的角误差电压失真。遥测设备实际使用中，AGC输出电压刚达到最大值时不会使角误差电压失真，只有输入信号强度持续增大到一定值使才会使角误差电压失真。

2.3 不同信号强度信号波形变化

接收机在接收到单通道单脉冲的信号时，将解调出的1/2(K1Am)送入到AGC控制电路，产生AGC电压表示信号的强度。当AGC电压为5 V时(所用遥测设备AGC电压最大值)，信号饱和。

通过和信号与俯仰、俯仰误差信号公式可知，其大小均与遥测信号的强度大小相关，其信号的大小在射频信号中控制输出电压的范围为±10 V(根据设备不同，此值会有差异)，当1/2(K1Am)+|UΔA|+|UΔE|的电压值超过10 V时，也就是图3中调制信号波形最大值超过10 V，波形会因削顶和削底而发生畸变，单通道单脉冲信号就不能正确反映方位和俯仰角误差的大小，解调角误差会存在失真，具体表现为方位和俯仰的角误差较正常值偏小。此时的信号波形如图5所示。

图5 角误差失真时单通道单脉冲信号的波形Fig.5 Waveform of single channel monopulse signal with angle error distortion

当信号强度再增大到一定值后，1/2(K1Am)-|UΔA|-|UΔE|电压值大于10 V时，单通道单脉冲信号的波形如图6所示。此时方位和俯仰误差解调出的电压均为0。

图6 角误差电压为零时单通道单脉冲信号波形Fig.6 Single channel monopulse signal waveform with zero angular error voltage

3 角误差解调失真时信号强度测量及应用

信号强度过大会使解调出角误差失真，为使角误差的正确解调，只需测量出引起角误差解调失真的最小信号强度值，并在遥测设备跟踪目标时保持输入给接收机的信号强度始终小于该值即可。

当接收信号的码速率、发射天线功率和距离等条件一定时，遥测设备天线接收的遥测信号强度一定，通过调节射频信道中的下变频器的衰减值，观察角误差的变化。遥测信号强度测试原理如图7所示。

图7 遥测信号强度测试原理Fig.7 Principle of telemetry signal nsity testing

测试在实时接收被测信号的条件下进行，测试了多组信号，由于测试结果差异较小，在此仅列出某组测试结果。

频谱仪测得射频信号强度约为-51 dBm,角误差解调结果如表2所示。

表2 下变频器衰减值与角误差电压对应关系

Tab.2Correspondingrelationshipbetweenattenuationvalueofdownconverterandangularerrorvoltage

下变频器衰减值输入接收机中频信号电平/-dBm方位角误差/V俯仰角误差/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，当下变频器的衰减值设置为26以上时，接收机能正常解调角误差信息；当衰减值设为26以下时，接收机解调角误差信息无法反映实际值。通过设备信道计算，衰减值设置为25时，输入给接收机的信号强度约为-31 dBm时，接收机无法正确解调角误差信息。

由于设备噪声和被测信号质量的影响，测量值存在一定差异，但是差异较小，通过分析可知：当输入给接收机的信号强度达到约-31 dBm时，接收机解调出角误差存在失真。因此在遥测设备使用中设置合理的下变频器衰减值使输入给接收机的值小于-31 dBm。

4 结束语

通过分析比相单通道单脉冲的原理和信号饱和对角误差解调的影响，分析测试得出当输入给接收机的遥测信号强度大于某一特定值时就会使角误差的解调产生失真，影响遥测设备自跟踪。根据测试结果，本文给出了所用遥测设备射频信道中下变频衰减值设置的合理范围，对遥测设备完成正常跟踪测量任务具有重大的作用，该测量方式可为其他采用比相单通道单脉冲角跟踪方式的设备使用提供重要参考。