多功能数字基带：残留载波与抑制载波数据调制解调技术

残留载波与抑制载波数据调制体制是深空任务应用中的主要调制体制。两种体制在频谱利用率、捕获跟踪灵敏度等方面有明显区别，各有优势，可以用于不同的应用背景。

残留载波调制在一个载波上，用n个副载波调角，实现频分复用的n路信号传输，每个副载波实现一个功能，从而实现测控中的遥控、测距、遥测、测速、跟踪等多功能综合，由于各种应用信号形式独立，采用频分方式进行调制，频谱利用率较低；另一方面，残留单载波更容易被捕获和跟踪，应用锁相技术，可实现对应答机转发信号多普勒频率变化的跟踪滤波。由于锁相环的带宽可以设计得很窄，大大提高信噪比，再加上利用锁相环的相干VCO进行低门限的相干检测，因而能在强噪声中检测出弱信号，实际设备中，可在载噪比低于-20dB时检测信号，实现了远距离捕获和跟踪测量。同时还采用了连续波雷达体制和伪码测距（或极低频率次侧音），因而作用距离可以很远并实现远距离无模糊测距，该体制在深空应用中有极大的优势。标准的TT&C（美国的CCSDS、欧洲的ESA等国际标准规定的TT&C）采用该信号形式。

抑制载波体制则通过BPSK、QPSK或其他高阶调制方式直接将数据调制在载波上。相比残留载波体制，抑制载波体制频谱利用率更高，对传输信息带宽和频谱利用率有较高要求的应用背景可选择该方式。抑制载波调制信号频谱分散在一定包络范围内，不利于发现、捕获信号，同时捕获跟踪均需恢复载波，恢复载波往往会引入平方损耗，因此，在信噪比极低情况下抑制载波体制的应用受到局限。抑制载波调制体制主要被用于数传，近年来随着扩频测控、扩跳测控、上面级测控等新测控体制的提出，抑制载波调制体制也可以实现测距、测速等测量功能，上面级测控可以同时兼顾宽带通信和测控功能，扩频测控与扩跳测控具有多用户码分复用和抗干扰的优良特性。上述测控体制工作于较高信噪比，在深空超远距离测控通信中应用受到限制。

信号形式

残留载波体制

由于采用不同的测距体制，残留载波调制体制有多种信号形式。

一、纯侧音与音码混合体制

纯侧音体制主音与次音均为正弦波形式：

式中　ϕ=ϕ₁（t）+ϕ₂（t），为调制信号对应的相位调制。

ϕ₁（t）为纯侧音调制：

ϕ₂（t）为遥控（上行）或遥测（下行）信号调制：

式中　d（t）——数据波形。

音码混合方式调制信号形式为

式中　S_u——信号功率；

f_tx——载波频率；

f_tc——遥控（遥测）副载波频率；

m_tc——遥控（遥测）信号对载波调制系数；

m_ru——测距信号对载波调制系数；

d（t）——数据流；

ϕ_tc——遥控（遥测）副载波相位；

f_r——主侧音频率；

ϕ_r——测距码对主侧音调制系数；

r_n（t）——高侧音分谐波得到的n级测距码。

二、再生复合码测距体制

上行信号形式，即深空应答机的输入信号形式如下：

式中　C——上行信号功率；

f_c——上行信号射频频率；

PN（t）——测距PN码；

β₁——测距调制度；

β₂——遥控副载波调制度；

D（t）——遥控数据；

φ_c——上行射频载波相位。

P（t）——遥控副载波。

若选择上行副载波形式为正弦波，可以得到上行信号残留载波、遥控信号、测距信号以及复合码测距时钟所分配的功率，分别为

若选择上行副载波形式为方波，可以得到上行信号残留载波、遥控信号、测距信号以及复合码测距时钟所分配的功率，分别为

下行信号形式（即地面站的输入信号形式）与上行信号形式完全相同，用同样的表达式可以得到下行信号残留载波、遥测信号、测距信号以及复合码测距时钟所分配的功率。

可再生复合码形式有两种：T4B与T2B。T4B与T2B具有类似的结构，其复合生成逻辑是由6个相同的具有周期性的成员序列通过一定的投票加权。其成员码如表5-8所示。T4B与T2B的测距序列长度周期均为L=2×7×11×15×19×23=1 009 470个码片。

表5-8　复合码成员码

复合码成员码

若将测距精度作为主要考虑因素，应当选择T4B。T4B具有较强的测距时钟成分，在相对T2B捕获时间较长的代价下，具有较高的测距精度。

每一个成员序列被置入长度与成员序列相等循环移位寄存器，并由Chip时钟（Fchip）驱动，移位寄存器的输出再被馈入移位寄存器的输入端。由于sgn函数决定输出复合码值，因此，每个复合码输出值可以看作是由6个成员码投票选举决定。C1有4张“选票”，而其他各个成员码仅有1张“选票”。由于C1码周期为f_RC=F_chip/2，因此，T4B具有较强的F_chip/2频率成分（将F_chip/2称为测距时钟，用f_RC表示）。

若将PN码捕获时间作为主要考虑因素，应当选择T2B。T2B具有较弱的测距时钟成分，相对T4B，其捕获时间较短，而代价是测距抖动较大，测距精度略差。

T2B与T4B具有几乎相同的生成结构，区别是C1的加权因子由4转变为2，因此，T2B具有较弱的测距时钟成分。

C1由于具有较强的周期特性，频谱分散在独立点频上，其+1、-1交替的特性，可称之为钟分量，利用钟分量可实现码相位快速捕获，然后利用各个子码实现距离解模糊。可再生复合码频谱截屏图如图5-94所示。

三、纯侧音、音码混合、可再生复合码调制体制比较

纯侧音测距或者音码混合测距技术应用中，应答机对测距信号进行透明转发，其处理部分主要包含对残留载波进行相位解调、对测距信号进行宽带滤波和电平控制，以及对下行载波进行再调相。因此，透明转发的下行信号除了测距信号外，还存在上行噪声积累。由于采用透明转发方式，星上处理部分相对简单。再生测距体制中，应答机可工作于两种模式：透明转发和可再生转发。可再生转发可以有效地消除上行噪声积累，但可再生转发须解调上行信号，应答机处理更复杂。

图5-94　可再生复合码频谱（截屏图）

可再生复合码在整个测量过程中各个子码持续发射，地面设备和应答机设备可随时解模糊，并可持续判断解模糊状态，距离捕获流程简单。纯侧音与音码混合体制解模糊需顺序发送次音，深空任务信号传输时延巨大，相关处理窗口设计受到距离预报误差的影响，需冗余设计，整个距离捕获流程复杂，距离捕获完成后无法持续判断距离捕获状态。

可再生复合码在整个测距任务过程中都会加调，频谱覆盖了上行遥控信号频谱，可再生复合码的伪随机特性可以减少对遥控信号解调的影响，但其对遥控信号的影响不可忽略。纯侧音体制中，次音频谱与遥控信号可能会发生重叠，但次音为点频信号，适当选择遥控信号可避免遥控解调受到影响。同时次音只在距离捕获过程中出现，适当选择工作区间也可以避免遥控与次音相互影响；音码混合体制码调制在主音附近，占用一定带宽，下行遥测副载波频点设计要避免频率混叠。

四、方波形式遥测副载波及其与正弦副载波比较

通常航天测控任务中，遥测副载波为正弦波形式。而方波形式副载波被深空应用广泛采用，其数学形式可表达为