CN104601187B - 一种星载自动切换增益的锁相接收机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种星载自动切换增益的锁相接收机，包含常规的锁相接收机和自动增益放大器，自动增益放大器设置在主鉴相器前，其输出功率采用自动切换方法。接收信号锁定前控制自动增益放大器输出较小功率，此时环路鉴相增益较小因此环路带宽较窄，信号容易锁定；信号锁定后控制自动增益放大器输出较大功率，此时环路鉴相增益较大，环路带宽较宽，环路稳态相位误差较小，信号容易保持跟踪，从而提高了锁相接收机的跟踪灵敏度。自动增益放大器输出功率大小切换由锁定指示信号通过开关进行自动控制。该锁相接收机全部由模拟器件实现，电路简单可靠，可降低稳态相位误差，提高环路的动态性能和接收机灵敏度，特别适用于深空探测领域。

Description

一种星载自动切换增益的锁相接收机

技术领域

本发明涉及一种星载锁相接收机，特别涉及一种星载自动切换增益的锁相接收机。

背景技术

目前，宇航系统通过测量多普勒频率可以计算出卫星相对地球运动速度，由于接收功率很低，一般由锁相接收机完成多普勒频率的测量。卫星在飞行过程中与地面站的距离不断变化，天线接收到的信号功率并非固定不变，如月球探测器在飞行过程中，接收功率最大可以达到-50dBm，随着与地球距离的不断增加，接收功率将低于-125dBm，功率范围可以变化75dB，因此锁相接收中一般均采用自动增益切换的方法将信号强度控制在一固定电平，对小信号进行放大的同时可有效避免大信号饱和。

根据理论分析，锁相接收机中，模拟鉴相器的鉴相增益与其输入功率大小成正比，鉴相增益越大则环路增益越大，稳态相位误差越小，能实现的灵敏度越高。根据自动增益放大器增益控制方式的不同，锁相接收机中增益控制可分两种形式：相干自动增益和非相干自动增益。相干自动增益控制中自动增益放大器的增益控制电压与信号强度成正比，控制电压由副鉴相器产生，控制电压越大自动增益放大器增益越大，自动增益放大器输出功率也越大，非相干自动增益切换中自动增益放大器控制电压与信号、噪声、干扰强度总功率成正比，当信号功率比噪声小时自动增益放大器输出功率大小受噪声功率控制。

在卫星通信中，由于通信距离十分遥远，接收信号功率很低，一般都会被噪声淹没，此时若仅采用非相干自动增益切换，自动增益放大器增益受噪声控制，在输出总功率不变的情况下输入信号功率越小环路鉴相增益将越小从而导致环路带宽变窄，相应的环路稳态相位误差增大，环路容易失锁，进而影响接收机跟踪灵敏度。

一般情况下，对接收机灵敏度要求较高的场合，当输入信号功率比噪声功率低时，在信号锁定前接收机增益自动切换为非相干模式，此时环路带宽较窄，有利于信号锁定；信号锁定之后采用相干模式，此时环路等效增益变大，有利于信号的跟踪。由于相干模式下自动增益切换放大器的直流控制电压需要由副鉴相器输出信号经过平滑滤波后产生，控制方式较复杂，副鉴相器输出电压波动、电源纹波、环路噪声都可能造成自动增益切换放大器自激，从而造成环路失锁，地球轨道卫星使用的锁相接收机中一般不采用相干自动增益切换。

随着深空探测的不断开展，由于通信距离更加遥远，对卫星接收机灵敏度要求越来越高，如何提高卫星接收机灵敏度成为本领域需要解决的重要问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种星载自动切换增益的锁相接收机，以解决现有的深空探测中锁相接收机的灵敏度不高的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种星载自动切换增益的锁相接收机，包括接收前端变频器、自动增益放大器、功分器、主鉴相器、环路滤波器、压控晶振、移相器、副鉴相器、锁定指示产生器及开关；

所述压控晶振用于在控制电压的控制下产生变频参考信号并输出该变频参考信号至所述接收前端变频器、主鉴相器、副鉴相器及移相器；所述接收前端变频器用于输入接收信号，并根据所述变频参考信号将接收信号变频从而输出中频信号；所述自动增益放大器用于将所述中频信号进行自动增益放大，并输出放大信号至所述功分器；所述功分器用于将所述放大信号分为两路并分别输入所述主鉴相器与所述副鉴相器；所述主鉴相器用于根据变频参考信号对输入的放大信号进行鉴相，输出直流电压信号和交流差拍信号至所述环路滤波器；所述环路滤波器用于滤除所述交流差拍信号，并输出直流电压信号作为所述控制电压；所述移相器用于将所述变频参考信号进行移相并输出移相参考信号至所述副鉴相器；

所述副鉴相器根据所述移相参考信号对输入的放大信号进行鉴相，输出鉴相电压，当移相参考信号与该放大信号相位相同时，鉴相电压达到最大并输入至所述锁定指示产生器控制开关断开，否则所述锁定指示产生器控制开关闭合；

其中，所述开关与所述自动增益放大器相连，所述自动增益放大器输出功率在开关断开时大于开关闭合时的输出功率。

较佳地，当所述鉴相电压达到最大时，所述中频信号在接收机中锁定，经锁定指示产生器后产生锁定指示信号，此时锁定指示信号为高电平，控制所述开关断开，否则所述中频信号在接收机中失锁，锁定指示信号为低电平，控制所述开关闭合。

较佳地，所述开关与所述自动增益放大器的输出功率的调整电阻相连，所述调整电阻包括相互并联的第一电阻及第二电阻，所述开关与所述第一电阻串联。

较佳地，所述第一电阻的阻值小于所述第二电阻的阻值。

较佳地，所述中频信号为9MHz~11MHz。

本发明采用了一种增益自动切换的方法来设置锁相接收机以便适当提高接收机灵敏度：包含常规的锁相接收机和自动增益放大器，且自动增益放大器设置在主鉴相器前。自动增益放大器控制电压不受副鉴相器直接控制，通过锁定指示产生器控制开关从而控制自动增益放大器输出总功率调整电阻的大小实现改变环路带宽，提高接收机灵敏度。在这种增益自动切换方式中，信号功率较小被噪声淹没，在信号未锁定前自动增益放大器输出功率较小，环路带宽较窄，可以提高接收机捕获灵敏度；信号锁定后提高自动增益放大器输出总功率，此时噪声和信号功率均提高，鉴相增益仅受信号功率影响，此时环路带宽将变宽，环路稳态相位误差减小，信号跟踪范围将变宽，接收机跟踪灵敏度将提高。

本发明提供的星载自动切换增益的锁相接收机实现了以下技术效果：

1. 该锁相接收机在增益自动切换方式中，自动增益放大器控制电压并非受副鉴相器控制，而是通过改变自动增益放大器输出总功率来改变自动增益放大器的增益，通过这种间接的控制方法可以提高电路的可靠性和稳定性，并且提高接收机灵敏度。

2. 该锁相接收机采用纯模拟设计方法，内部无数字器件，无需软件设计，避免了大规模数字器件需要重点解决的抗单粒子风险，并且抗空间辐照能力强，成本、功耗低，简单可靠。

3. 该锁相接收机与非相干自动增益切换相比可以提高接收机灵敏度，与传统的相干自动增益切换相比电路简单，稳定可靠，具有较高的实用性。

4. 该锁相接收机可以应用到所有卫星通信接收机中，特别适合月球、火星等对灵敏度要求较高的深空探测应用场合。

附图说明

图1为本发明一种星载自动切换增益的锁相接收机组成结构示意图；

图2为本发明一种星载自动切换增益的锁相接收机增益自动切换控制结构图。

具体实施方式

下面将结合图1、图2更详细地描述本发明的一优选实施例。然而，本发明可以以许多不同形式实现，并且不应解释为受在此提出之实施例的限制。相反，提出这些实施例是为了达成充分及完整公开，并且使本技术领域的技术人员完全了解本发明的范围。这些附图中，为清楚起见，可能放大了层及区域的尺寸及相对尺寸。

如图1所示，本实施例所提供的星载自动切换增益的锁相接收机，包括接收前端变频器N1、自动增益放大器N2、功分器N3、主鉴相器N4、环路滤波器N5、压控晶振N6、移相器N10、副鉴相器N9、锁定指示产生器N8及开关N7。其中，接收前端变频器N1、自动增益放大器N2、功分器N3、主鉴相器N4、环路滤波器N5、压控晶振N6、移相器N10、副鉴相器N9、锁定指示产生器N8及开关N7依次相连。压控晶振N6同时与接收前端变频器N1及主鉴相器N4相连，压控晶振N6在控制电压的控制下产生变频参考信号，其输出的变频参考信号分别输入接收前端变频器N1、主鉴相器N4及移相器N10。

如图2所示，开关N7与位于自动增益放大器N2的输出功率控制端的调整电阻相连，调整电阻用于调整自动增益放大器N2的输出功率。其中，调整电阻包括相互并联的电阻R1及电阻R2，开关N7与电阻R2串联。本实施例中，R1的阻值为5.1kΩ，R2的阻值为1kΩ。

该锁相接收机工作时，接收信号输入接收前端变频器N1，接收前端变频器N1根据来自压控晶振N6的变频参考信号将接收信号进行下变频处理，得到10MHz左右的中频信号，并输出该中频信号至自动增益放大器N2。自动增益放大器N2对中频信号进行增益控制，使其输出的中频信号功率为某一固定值的放大信号，并输出该放大信号至功分器N3。功分器N3将放大信号分为相同的两路，并分别输入主鉴相器N4与副鉴相器N9。其中，主鉴相器N4根据来自压控晶振N6的变频参考信号对输入的放大信号进行鉴相处理，得到直流电压信号和交流差拍信号并将该两种信号输出至环路滤波器N5。环路滤波器N5滤除交流差拍信号，并输出剩余的直流电压信号作为控制电压，将该控制电压输入压控晶振以控制压控晶振的输出。移相器N10将自压控晶振N6的变频参考信号进行移相得到移相参考信号，并输出该移相参考信号至副鉴相器N9。

副鉴相器N9根据该移相参考信号对输入的放大信号进行鉴相处理，输出鉴相电压，当移相参考信号与该放大信号相位相同时，鉴相电压达到最大并输出该鉴相电压至锁定指示产生器N8，此时锁定指示产生器N8产生一高电平的锁定指示信号，该锁定指示信号控制开关N7断开；否则，锁定指示产生器N8产生一低电平的锁定指示信号，该锁定指示信号控制开关N7闭合。

其中，当鉴相电压达到最大时，中频信号在该锁相接收机中锁定，开关N7断开，此时调整电阻中的电阻R2所在支路断开，调整电阻的等效电阻阻值与电阻R1阻值相同，自动增益放大器N2的输出功率较大，即放大信号的功率较大，此时输出功率为+6dBm。当鉴相电压未达到最大时，中频信号在该锁相接收机中失锁，开关N7闭合，此时调整电阻中的电阻R2所在支路闭合，调整电阻的等效电阻阻值与电阻R1与电阻R2并联后的阻值相同，约为0.84kΩ，自动增益放大器N2的输出功率较小，即放大信号的功率较小，此时输出功率为-2dBm。

本实施例提供的锁相接收机，当开关由闭合转为断开时，自动增益放大器的输出功率增大约6倍，相应的环路带宽增加了2.5倍左右，相应的接收机灵敏度可增加2dB及以上。

当然本实施例中的中频信号可为9MHz~11MHz，调整电阻中各电阻的阻值也不以上述实施例为限，可根据接收信号的频率进行适应性调整。

综上所述，本发明所提供的一种星载自动切换增益的锁相接收机除具有基本的锁相接收机功能外，仅增加一级开关，利用锁定指示信号切换自动增益放大器输出功率的大小，从而改变环路带宽，可以有效提高接收机灵敏度。通过选取合适的电阻值，灵敏度可以增加2dB以上。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，对本发明所做的变形或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述的权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种星载自动切换增益的锁相接收机，其特征在于，包括接收前端变频器、自动增益放大器、功分器、主鉴相器、环路滤波器、压控晶振、移相器、副鉴相器、锁定指示产生器及开关；

所述压控晶振用于在控制电压的控制下产生变频参考信号并输出该变频参考信号至所述接收前端变频器、主鉴相器、副鉴相器及移相器；所述接收前端变频器用于输入接收信号，并根据所述变频参考信号将接收信号变频从而输出中频信号；所述自动增益放大器用于将所述中频信号进行自动增益放大，并输出放大信号至所述功分器；所述功分器用于将所述放大信号分为两路并分别输入所述主鉴相器与所述副鉴相器；所述主鉴相器用于根据变频参考信号对输入的放大信号进行鉴相，输出直流电压信号和交流差拍信号至所述环路滤波器；所述环路滤波器用于滤除所述交流差拍信号，并输出直流电压信号作为所述控制电压；所述移相器用于将所述变频参考信号进行移相并输出移相参考信号至所述副鉴相器；

所述副鉴相器根据所述移相参考信号对输入的放大信号进行鉴相，输出鉴相电压，当移相参考信号与该放大信号相位相同时，鉴相电压达到最大并输入至所述锁定指示产生器控制开关断开，否则所述锁定指示产生器控制开关闭合；

其中，所述开关与所述自动增益放大器相连，所述自动增益放大器输出功率在开关断开时大于开关闭合时的输出功率；

当所述鉴相电压达到最大时，所述中频信号在接收机中锁定，经锁定指示产生器后产生锁定指示信号，此时锁定指示信号为高电平，控制所述开关断开，否则所述中频信号在接收机中失锁，锁定指示信号为低电平，控制所述开关闭合。

2.根据权利要求1所述的星载自动切换增益的锁相接收机，其特征在于，所述开关与所述自动增益放大器的输出功率的调整电阻相连，所述调整电阻包括相互并联的第一电阻及第二电阻，所述开关与所述第一电阻串联。

3.根据权利要求2所述的星载自动切换增益的锁相接收机，其特征在于，所述第一电阻的阻值小于所述第二电阻的阻值。

4.根据权利要求1所述的星载自动切换增益的锁相接收机，其特征在于，所述中频信号为9MHz～11MHz。