CN109274617B - 一种同时同频全双工测控应答机 - Google Patents

一种同时同频全双工测控应答机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种同时同频全双工测控应答机，包括被动自干扰抵消模块、射频自干扰抵消模块、收发通道和数字信号处理模块；被动自干扰抵消模块利用空间信号衰减或器件隔离方式实现对进入接收机的自干扰信号进行衰减，射频自干扰抵消模块采用LMS算法或RLS算法在模拟域实现对自干扰信号的二级抵消；收发通道模块的发送通道实现对已调制的数字信号进行数模变换、滤波、上变频和功率放大功能，接收通道实现对接收信号的滤波、下变频和自动增益控制及模数变换等功能；数字信号处理模块在数字域实现对信号的数字处理，包括数字上下变频、数字调制解调、滤波和数字自干扰抵消等功能。本发明达到了节约了频带资源的目的。

Description

一种同时同频全双工测控应答机
技术领域
本发明涉及电通信技术，特别是一种同时同频全双工测控应答机。
背景技术
测控应答机是航天器测控分系统中的关键星载设备，是实现航天器与地面之间互联互通的纽带，主要完成测速、测距、遥控指令接收、遥测数据传输等功能。
测控应答机工作的频段需要与地面测控系统相匹配，一般工作于S频段、UHF频段或C频段等。测控应答机信道设计上，其遥测和遥控信号调制采用副载波调制且数据调制方式为BPSK或QPSK，其测距信号采用PM或FM调制。
当前主流测控应答机的上行与下行通道的中心载波频率不同，基于上下行通道异频全双工的方式实现与地面站实现全双工通信，导致测控应答机占用了较多的频谱资源。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种同时同频全双工测控应答机，保证发射机和接收机可以工作于相同载波频率。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种同时同频全双工测控应答机，包括：
调制模块，用于实现对遥测数据符号的调制和对接收到的测距音进行调制转发，并将调制信号送入数字自干扰抵消模块；
发送通道，与所述调制模块连接，用于对调制模块输出的调制信号进行数模转换，然后进行上变频、滤波、功率放大输出；
被动自干扰抵消模块，与射频耦合器和射频合路器连接，用于将射频耦合器输出的强信号经过天线辐射到自由空间，同时对进入接收通道的所述强信号进行衰减或将所述强信号与接收的远端信号进行一定程度的隔离；
射频自干扰抵消模块，与被动自干扰抵消模块、发送通道和接收通道相连，用于利用射频自干扰抵消模块的射频耦合器输出的弱信号与接收通道输入的反馈信号，采用模拟电路实现LMS算法或RLS算法，对即将进入接收通道的强自干扰信号进行抵消；
接收通道，与射频自干扰抵消模块中的射频合路器和自干扰抵消模块、数字自干扰抵消模块相连，用于对射频合路器输出信号进行放大、滤波、下变频、自动增益控制，将输出信号输出至数字自干扰抵消模块，同时输出自干扰抵消模块需要的反馈信号；
解调模块，与数字自干扰抵消模块相连，用于对数字自干扰模块的输出信号进行载波捕获与跟踪，数字滤波和数字下变频，以及遥控数据和测距音的解调；
数字自干扰抵消模块，与接收通道的模数转换器、调制模块相连，基于调制模块输出的已知调制信号与接收通道模数转换器输出的采样信号，采用LMS算法或RLS算法实现数字自干扰抵消功能。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：利用本发明的产品，航天器与地面测控网可以全双工的方式工作于相同的载波频率，与传统的测控应答机收发工作于不同载波频率相比，达到了节约了频带资源的目的。
附图说明
图1为本发明同时同频全双工测控应答机框图；
图2为本发明被动自干扰抵消模块的一种实现原理框图；
图3为本发明射频耦合器组组成框图及连接示意图；
图4为本发明自干扰抵消模块构成及连接示意图；
图5为本发明射频合路器组构成及连接示意图。
具体实施方式
图1是本发明同时同频全双工测控应答机的原理框图，一种同时同频全双工测控应答机，该应答机包括：
被动自干扰抵消模块4，本发明较佳的实现方式为可以采用环形器与收发共用天线的组合实现，利用环形器实现发射通道和接收通道信号的隔离，使进入到接收通道的发射信号衰减15dB以上，利用收发天线实现发射信号的辐射和对远端发送信号的接收，被动自干扰抵消模块实现原理框图如图2所示；
该应答机还包括射频自干扰抵消模块3，包括射频耦合器组31，自干扰抵消模块32和射频合路器组33，射频耦合器组31的输出与自干扰抵消模块32相连，自干扰抵消模块32的输出与射频合路器组33相连；
射频自干扰抵消模块3中，射频耦合器组31由多级射频耦合器和延时器组成，第一级射频耦合器与发送通道的功率放大器相连，射频耦合器组中射频耦合器和延时器的数量与自干扰抵消模块采用的LMS算法或RLS算法的抽头数相同，射频耦合器组的组成如图3所示；
射频自干扰抵消模块3中，射频耦合器组31的工作过程为，该耦合器组的第一级射频耦合器将发送通道功率放大器输出的信号xPA(t)耦合成信号功率电平不同的两路同频同相信号
Figure BDA0001800366750000031
其中高功率的一路信号
Figure BDA0001800366750000032
送入被动自干扰抵消模块4实现发射信号向自由空间的辐射和对该高功率信号的隔离，低功率的一路同频同相信号
Figure BDA0001800366750000033
输出至第二级射频耦合器输入端；射频耦合器组31的第二级耦合器再次将第一级耦合器输出的信号
Figure BDA0001800366750000034
耦合输出为两路功率电平不同的信号
Figure BDA0001800366750000035
其中一路信号
Figure BDA0001800366750000036
经过第一级延时器TD1后输出信号
Figure BDA0001800366750000037
送入自干扰抵消功能模块的第一个抽头，另一路信号
Figure BDA0001800366750000038
送入第三级射频耦合器；射频耦合器组31的第i级射频耦合器将第i-1级耦合器输出的信号
Figure BDA0001800366750000039
耦合输出为两路电平不同的信号
Figure BDA00018003667500000310
其中一路信号
Figure BDA00018003667500000311
经过第i级延时器TDi后输出信号
Figure BDA00018003667500000312
送入自干扰抵消模块的第i个抽头，另一路信号
Figure BDA00018003667500000313
送入第i+1级射频耦合器；射频耦合器组31的最后一级射频耦合器为第N级射频耦合器，将第N-1级耦合器输出的信号
Figure BDA00018003667500000314
耦合输出为两路电平不同的信号
Figure BDA00018003667500000315
其中一路信号
Figure BDA00018003667500000316
经过第N级延时器TDN后输出信号
Figure BDA00018003667500000317
送入自干扰抵消模块的第N个抽头，另一路信号
Figure BDA00018003667500000318
送入射频自干扰抵消功能模块3的第N+1个抽头。
射频自干扰抵消模块3中，自干扰抵消模块32由N+1个抽头和矢量调制器控制参数计算单元组成，自干扰抵消模块32的组成及连接关系如图3所示，自干扰抵消模块32的每个抽头由1个功分器电路、1个可调增益放大器电路、1个I/Q混频器电路、1个双通道ADC采样电路、1个矢量调制器电路和1个双通道DAC电路组成，自干扰抵消模块32的矢量调制器控制参数计算单元由1个FPGA或MCU电路、1个双通道ADC采样电路和1个I/Q混频电路组成，自干扰抵消模块32实现原理框图如图4所示；
射频自干扰抵消模块3中，自干扰抵消模块32的第i个抽头，其工作过程为，将射频耦合器组31的第i个耦合器输出信号
Figure BDA00018003667500000319
经过功分器输出两路同频同相的信号记为
Figure BDA00018003667500000320
其中的
Figure BDA00018003667500000321
输入矢量调制器，
Figure BDA00018003667500000322
输出到可变增益放大器VGA后再经过第i个抽头的I/Q混频器，并对I/Q混频器的同相支路信号和正交支路信号送第i个抽头的双通道ADC采样电路，输出基带复信号x(k-i)；
射频自干扰抵消模块3中，自干扰抵消模块32中矢量调制器控制参数计算单元，其工作过程为，接收通道功分器输出的其中一路信号送矢量调制器控制参数计算单元的I/Q混频器，I/Q混频器的I路和Q路输出信号经过双通道AD采样电路后作为误差信号ei(k)和eq(k)，误差信号ei(k)和eq(k)然后和自干扰抵消模块32的N+1个抽头的采样输出信号x＝[x(k-1),…,x(k-i),…x(k-N-1)]在FPGA或MCU中利用LMS算法或RLS算法计算矢量调制器的控制参数并用矢量w＝[w1,w2,…wi,…,wN+1]表示，其中wi＝wi(i)+jwq(i)为复参数；
射频自干扰抵消模块3中，射频合路器组33包括N+1个合路器，其第一个合路器与被动自干扰抵消模块相连，最后一个合路器和接收通道的低噪声放大器相连，射频合路器组33实现原理框图如图5所示；
射频自干扰抵消模块3中，射频合路器组33，其工作过程为，将各抽头矢量调制器输出的信号xVM(t-τi)通过合路器反相180度后与被动自干扰抵消模块输出至接收通道的信号yr(t)叠加，最终输出至接收通道的低噪放信号为
Figure BDA0001800366750000041
该应答机还包括收发通道模块2，包括接收通道22和发送通道21，其中接收通道22的低噪声放大器与射频合路器组33相连，发送通道21与射频自干扰抵消模块3中的射频耦合器组31相连；
在本优选实施方案中，收发通道模块工作于S波段，且收发通道模块2中，接收通道22和发送通道21采用超外差式的信道设计方式，并且接收通道22和发送通道21共用射频本振和中频本振；
收发通道模块2中，接收通道22包括低噪声放大器、功分器、射频下变频混频器及本振电路、混频镜像抑制滤波器、中频混频镜像抑制滤波器、中频下变频混频器及本振电路、AGC电路和高精度ADC采样电路等；
收发通道模块2中，发送通道21包括高精度DAC电路、中频上变频器，中频滤波器、射频上变频滤波器、功率放大器电路等；
该具体实施方案中，该应答机的数字信号处理模块1，包括调制模块11，数字自干扰抵消模块12和解调模块13；
数字信号处理模块1中，调制模块11对采集到的遥测PCM符号进行PCM-BPSK-PM/FM调制，遥测PCM符号的码型可以为NRZ码、RZ等，遥测PCM符号的码速率为4096bps，遥测副载波频率为256kHz；
数字信号处理模块1中，数字自干扰抵消模块12采用接收通道ADC采样数据和调制模块11输出的调制数字信号作为输入，采用LMS或RLS算法实现数字域的自干扰抵消功能；
数字信号处理模块1中，解调模块13对输入的采样信号进行数字下变频、数字滤波、载波捕获、跟踪和数据解调，载波捕获算法采用基于FFT的快速防误捕算法，跟踪过程采用传统的科斯塔跟踪环路实现，数据解调采用BPSk相干解调算法实现对遥控数据符号的解调，其中遥控数据符号速率为1000bps，遥控副载波频率为8kHz，遥控副载波调制方式为PCM-BPSK-PM。

Claims (9)

1.一种同时同频全双工测控应答机，其特征在于，包括：
调制模块，用于实现对遥测数据符号的调制和对接收到的测距音进行调制转发，并将调制信号送入数字自干扰抵消模块；
发送通道，与所述调制模块连接，用于对调制模块输出的调制信号进行数模转换，然后进行上变频、滤波、功率放大输出；
被动自干扰抵消模块，与射频耦合器和射频合路器连接，用于将射频耦合器输出的强信号经过天线辐射到自由空间，同时对进入接收通道的所述强信号进行衰减或将所述强信号与接收的远端信号进行隔离；
射频自干扰抵消模块，与被动自干扰抵消模块、发送通道和接收通道相连，用于利用射频耦合器输出的弱信号与接收通道输入的反馈信号，采用模拟电路实现LMS算法或RLS算法，对即将进入接收通道的强自干扰信号进行抵消；所述射频自干扰抵消模块包括：
射频耦合器组，与所述发送通道连接，用于将发送通道输出的信号分成功率不同的两路信号，即强信号和弱信号，其中一路强信号输出至被动自干扰抵消模块完成发射信号的对外辐射功能和第一级干扰抵消功能；另一路弱信号经射频耦合器组输出至自干扰抵消模块实现第二级自干扰抵消功能；
射频合路器组，与被动自干扰抵消模块、自干扰抵消模块、接收通道相连，用于将被动自干扰抵消模块输出的信号与自干扰抵消模块输出的信号相减，并将输出信号送至接收通道；
自干扰抵消模块，与射频耦合器组、射频合路器组连接，用于接收射频耦合器组输出的弱信号，并对所述弱信号进行相位和幅度调整后输出至射频合路器组；
所述射频耦合器组的工作过程包括：第一级射频耦合器将发送通道功率放大器输出的信号xPA(t)耦合成信号功率电平不同的两路同频同相信号
Figure FDA0003025993160000011
其中高功率的一路信号
Figure FDA0003025993160000012
送入被动自干扰抵消模块实现发射信号向自由空间的辐射和对该高功率信号的隔离，低功率的一路同频同相信号
Figure FDA0003025993160000013
输出至第二级射频耦合器输入端；第二级射频耦合器再次将第一级射频耦合器输出的信号
Figure FDA0003025993160000021
耦合输出为两路功率电平不同的信号
Figure FDA0003025993160000022
其中一路信号
Figure FDA0003025993160000023
经过第一级延时器TD1后输出信号
Figure FDA0003025993160000024
送入自干扰抵消模块的第一个抽头，另一路信号
Figure FDA0003025993160000025
送入第三级射频耦合器；依次类推，第i级射频耦合器将第i-1级射频耦合器输出的信号
Figure FDA0003025993160000026
耦合输出为两路电平不同的信号
Figure FDA0003025993160000027
其中一路信号
Figure FDA0003025993160000028
经过第i级延时器TDi后输出信号
Figure FDA0003025993160000029
送入自干扰抵消模块的第i个抽头，另一路信号
Figure FDA00030259931600000210
送入第i+1级射频耦合器；最后一级射频耦合器为第N级射频耦合器，将第N-1级射频耦合器输出的信号
Figure FDA00030259931600000211
耦合输出为两路电平不同的信号
Figure FDA00030259931600000212
其中一路信号
Figure FDA00030259931600000213
经过第N级延时器TDN后输出信号
Figure FDA00030259931600000214
送入自干扰抵消模块的第N个抽头，另一路信号
Figure FDA00030259931600000215
送入自干扰抵消模块的第N+1个抽头；
接收通道，与射频合路器、射频自干扰抵消模块和数字自干扰抵消模块相连，用于对射频合路器输出信号进行放大、滤波、下变频、自动增益控制，将输出信号输出至数字自干扰抵消模块，同时输出射频自干扰抵消模块需要的反馈信号；
数字自干扰抵消模块，与接收通道的模数转换器、调制模块相连，基于调制模块输出的已知调制信号与接收通道模数转换器输出的采样信号，采用LMS算法或RLS算法实现数字自干扰抵消功能；
解调模块，与数字自干扰抵消模块相连，用于对数字自干扰模块的输出信号进行载波捕获与跟踪，数字滤波和数字下变频，以及遥控数据和测距音的解调。
2.根据权利要求1所述的同时同频全双工测控应答机，其特征在于，所述被动自干扰抵消模块一种实现方式为利用收发共用天线和与所述收发共用天线连接的环形器实现发送通道和接收通道信号的隔离。
3.根据权利要求1所述的同时同频全双工测控应答机，其特征在于，所述射频耦合器组包括多个由射频耦合器和延时器组成的衰减延时单元，每一个衰减延时单元由射频耦合器与一个所述延时器连接；所述射频耦合器与延时器的数量均与自干扰抵消模块中采用的LMS算法或RLS算法的抽头数相同。
4.根据权利要求1所述的同时同频全双工测控应答机，其特征在于，所述自干扰抵消模块包括N+1个抽头和矢量调制器控制参数计算单元；所述自干扰抵消模块的每个抽头包括依次连接的功分器、可变增益放大器VGA、I/Q混频器、双通道ADC采样电路；所述双通道ADC采样电路接所述矢量调节控制参数计算单元；所述功分器电路与矢量调制器连接；所述矢量调制器通过双通道DAC电路接所述矢量调制器控制参数计算单元。
5.根据权利要求4所述的同时同频全双工测控应答机，其特征在于，所述自干扰抵消模块第i个抽头的工作过程包括：射频耦合器组的第i个射频耦合器输出信号
Figure FDA0003025993160000031
经过功分器输出两路同频同相的信号，记为
Figure FDA0003025993160000032
其中的
Figure FDA0003025993160000033
输入矢量调制器，
Figure FDA0003025993160000034
输出到可变增益放大器VGA后再经过第i个抽头的I/Q混频器，并将I/Q混频器的同相支路信号和正交支路信号送到第i个抽头的双通道ADC采样电路，输出基带复信号x(k-i)。
6.根据权利要求1所述的同时同频全双工测控应答机，其特征在于，所述射频合路器组包括N+1路合路器；所述N+1路合路器分别与自干扰抵消模块的N+1路抽头的矢量调制器相连，最后一路合路器和接收通道的低噪声放大器相连；所述射频合路器组将各抽头矢量调制器输出的信号xVM(t-τi)通过反相器反相180度后，与被动自干扰抵消模块输出至接收通道的信号yr(t)叠加，最终输出至接收通道的低噪放信号为
Figure FDA0003025993160000035
7.根据权利要求1所述的同时同频全双工测控应答机，其特征在于，所述接收通道为超外差式、低中频式或直接变频式；所述发送通道为超外差式、低中频式或直接变频式。
8.根据权利要求书1所述的同时同频全双工测控应答机，其特征在于，所述调制模块用于调制遥测PCM码元时，采用PCM-BPSK-PM/FM调制方式，BPSK调制下副载波频率不小于256kHz，所述遥测PCM码元速率不大于4096bps。
9.根据权利要求书1所述的同时同频全双工测控应答机，其特征在于，所述解调模块用于解调遥控PCM码元时，遥控PCM码元的调制方式为PCM-BPSK-PM/FM，遥控PCM码元调制的副载波频率为8kHz，遥控码元速率为1000bps或2000bps。
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