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=ϕ1t)+ϕ2t),为调制信号对应的相位调制。

ϕ1t)为纯侧音调制:

ϕ2t)为遥控(上行)或遥测(下行)信号调制:

式中 dt)——数据波形。

音码混合方式调制信号形式为

式中 Su——信号功率;

ftx——载波频率;

ftc——遥控(遥测)副载波频率;

mtc——遥控(遥测)信号对载波调制系数;

mru——测距信号对载波调制系数;

dt)——数据流;

ϕtc——遥控(遥测)副载波相位;

fr——主侧音频率;

ϕr——测距码对主侧音调制系数;

rnt)——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;

fc——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;

Dt)——遥控数据;

φc——上行射频载波相位。

Pt)——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fRC=Fchip/2,因此,T4B具有较强的Fchip/2频率成分(将Fchip/2称为测距时钟,用fRC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。

可再生复合码频谱(截屏图)

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

式中 ——方波(幅度为1);

dt)——遥测信息;

α——调制指数相关参数;

PC——信号功率。

方波形式和正弦波形式副载波都会在载波附近产生谐波。正弦波副载波谐波按照贝塞尔函数展开,第1谐波为BPSK调制,可解调遥测数据。方波副载波谐波按照方波级数展开:

解调利用本地方波与方波副载波匹配可以有效利用高次谐波功率,相比正弦波副载波解调方式,方波副载波解调可有效节约0.9dB功率,在功率极其珍贵的深空任务背景下,方波副载波具有明显的优势。

五、PCM/PM调制方式

PCM/PM调制方式直接将数据调制于载波,与BPSK调制体制不同,PCM/PM调制方式往往残留一部分载波功率。其信号形式为

式中 PC——信号功率;

fc——载波频率;

α——调制度;

dt)——数据。

调整调制度可实现载波功率与数据功率分配,残留载波可用于信号捕获与跟踪,相比抑制载波调制,载波捕获与跟踪处理更容易,相比副载波体制调制具有更高的频谱利用率。

数据直接载波调相,数据频谱特性将影响载波相位跟踪质量,尤其数据0、1不平衡会在载波引入额外相位,引起载波与数据分量正交性变差,从而导致解调数据星座图不对称,影响解调性能。因此,在信号体制设计中往往要求数据伪随机化处理。

抑制载波体制

抑制载波调制包括BPSK、QPSK等常规调制方式,也包括QAM、8PSK等高阶调制方式。高阶调制方式具有更高频谱利用率,但解调门限更高,深空通信更注重的是信道功率利用效率,因此往往采用BPSK、QPSK等低阶调制体制。GMSK由于其优秀的频谱利用率性能,也被CCSDS推荐应用于航天测控系统中。

一、BPSK调制

BPSK调制信号形式为

式中 PC——信号功率;

fc——载波频率;

dt)——数据,取值为±1。

BPSK调制体制全部信号功率用于数据,载波功率被完全抑制,图5-95为BPSK调制信号频谱。

BPSK体制信号频谱

图5-95 BPSK体制信号频谱

二、QPSK调制

QPSK调制信号形式为:

式中 PC——信号功率;

fc——载波频率;

dt)——数据,取值范围为0,1,2,3。

相比BPSK,QPSK频谱利用效率提高了1倍,但QPSK载波恢复需要4次运算,引入损耗更为巨大,因此,QPSK一般应用于速率较高的场合。相比QPSK体制,BPSK体制可应用于低速率,但平方损耗的因素导致极低信噪比下BPSK处理也较困难,因此,更低速率处理采用残留载波体制实现。

QPSK体制可以分解为2路正交BPSK调制,如果2路BPSK符号交错调制可以避免QPSK星座图180°跳变引起幅度剧烈跳变,这种调制方式称为OQPSK,该调制方式具有良好的恒包络特性,被广泛采用。

抑制载波与残留载波体制信号接收处理比较

由于调制体制差异,残留载波与抑制载波在信号处理方面有较大差异,主要体现在信号捕获、信号跟踪解调等方面。

(1)信号捕获:有关残留载波与抑制载波信号捕获技术在5.5.1节已经介绍,这里不再重复。

(2)解调处理

①残留载波体制

残留载波体制的特点是载波残留功率,载波为单点频信号,捕获跟踪更容易,因此,残留载波体制信号解调首先须采用锁相环跟踪载波信号,然后进行下一步处理。单环锁相环结构见图5-79,多普勒测速信息提取见图5-83。

②抑制载波体制

BPSK、QPSK等抑制载波体制采用相位调制,须进行载波相位跟踪,然后解调数据信息。相比残留载波体制,抑制载波体制载波功率被抑制,为了恢复载波相位,需做平方处理消除数据影响。

与单载波相似,抑制载波体制也采用了锁相环结构。由于载波相位被调制,功率被抑制,根据调制阶数采用不同方式恢复载波相位,BPSK载波相位恢复通过进行平方处理实现,该结构称为科斯塔斯环路,QPSK载波相位恢复通过四次方实现,该结构称为松尾环。

BPSK、QPSK、OQPSK环路可以统一设计,改变相位误差恢复电路可以实现不同调制体制解调功能。抑制载波体制解调原理见图5-96。

抑制载波体制解调原理

图5-96 抑制载波体制解调原理