劉洋，趙文華，何晶，??，鄒春華，王喜權(quán)

（1.中國(guó)衛(wèi)星海上測(cè)控部，江蘇江陰214431；2.飛行器海上測(cè)量與控制聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，江蘇江陰214431）

FM遙測(cè)解調(diào)自動(dòng)極性糾反功能的改進(jìn)設(shè)計(jì)?

劉洋1，2，趙文華1，2，何晶1，2，??，鄒春華1，王喜權(quán)1

（1.中國(guó)衛(wèi)星海上測(cè)控部，江蘇江陰214431；2.飛行器海上測(cè)量與控制聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，江蘇江陰214431）

針對(duì)FM遙測(cè)解調(diào)在高誤碼條件下出現(xiàn)的極性誤反轉(zhuǎn)問(wèn)題，從傳輸信道不同的高低差變頻方式會(huì)導(dǎo)致頻譜反轉(zhuǎn)進(jìn)而導(dǎo)致解調(diào)極性反轉(zhuǎn)出發(fā)，引出了自動(dòng)極性糾反功能的設(shè)計(jì)背景。通過(guò)詳述幀極性檢測(cè)標(biāo)識(shí)在搜索和校核、鎖定兩種不同狀態(tài)下的判決邏輯，分析了原自動(dòng)極性糾反功能的設(shè)計(jì)原理，結(jié)合模擬驗(yàn)證試驗(yàn)，揭示了原判決邏輯在幀極性檢測(cè)標(biāo)識(shí)第二次判1過(guò)程中不夠嚴(yán)格，未考慮到高誤碼也可造成反碼出現(xiàn)后幀極性檢測(cè)標(biāo)識(shí)被誤判1的設(shè)計(jì)缺陷。將幀極性檢測(cè)標(biāo)識(shí)第二次判1邏輯改進(jìn)為異或累加結(jié)果超過(guò)幀同步碼組長(zhǎng)的一半而非滑動(dòng)相關(guān)峰值，解決了缺陷問(wèn)題又兼顧了檢測(cè)的快速性，通過(guò)改進(jìn)后的驗(yàn)證試驗(yàn)證明了改進(jìn)設(shè)計(jì)的正確性和有效性。

FM遙測(cè)解調(diào)；極性反轉(zhuǎn)；幀極性檢測(cè)標(biāo)識(shí)；鎖定容錯(cuò)

1 引言

在某測(cè)控的FM遙測(cè)檢后位流數(shù)據(jù)中出現(xiàn)部分?jǐn)?shù)據(jù)幀的時(shí)間碼亂碼現(xiàn)象，仔細(xì)比對(duì)原數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：時(shí)間碼亂碼完全是由于部分幀的整個(gè)極性發(fā)生了誤反轉(zhuǎn)所致。但FM遙測(cè)解調(diào)作為一項(xiàng)成熟的技術(shù)在以往的航天測(cè)控?cái)?shù)據(jù)中從未發(fā)生過(guò)極性誤反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，通過(guò)集中比較本數(shù)據(jù)與以往數(shù)據(jù)的不同發(fā)現(xiàn)，唯一的差別就是本數(shù)據(jù)的誤碼很高——誤碼率達(dá)到了10－2量級(jí)，因此需構(gòu)建模擬驗(yàn)證試驗(yàn)以及從FM遙測(cè)解調(diào)的自動(dòng)極性糾反設(shè)計(jì)原理兩方面加以分析。

2 模擬驗(yàn)證試驗(yàn)

模擬驗(yàn)證試驗(yàn)進(jìn)行如下：為了分析問(wèn)題的方便，基帶模擬源不模擬真實(shí)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，而是將遙測(cè)幀結(jié)構(gòu)全部設(shè)成固定形式，如表1所示：子幀同步碼設(shè)為3C6B（數(shù)據(jù)用十六進(jìn)制表示，以下同），子幀遙測(cè)字全部設(shè)為固定值A(chǔ)A，副幀方式設(shè)為反碼副幀。打開(kāi)信道前端的低噪聲放大器引入信道噪聲，然后通過(guò)設(shè)置調(diào)制模塊的輸出電平使解調(diào)數(shù)據(jù)的誤碼率達(dá)到10－2量級(jí)。此時(shí)極性誤反轉(zhuǎn)現(xiàn)象復(fù)現(xiàn)出來(lái)：誤反轉(zhuǎn)發(fā)生在幀同步碼出現(xiàn)反碼（該數(shù)據(jù)的副幀同步方式為反碼副幀）后的第二幀，如表1中的N＋2幀所示，當(dāng)該幀的幀同步碼出現(xiàn)誤碼的個(gè)數(shù)大于幀同步鎖定容錯(cuò)時(shí)，下一幀數(shù)據(jù)便會(huì)出現(xiàn)極性反轉(zhuǎn)。此驗(yàn)證試驗(yàn)說(shuō)明當(dāng)前的遙測(cè)解調(diào)單元的自動(dòng)極性糾反設(shè)計(jì)存在系統(tǒng)性缺陷，該缺陷在正常情況下不會(huì)暴露，必須在誤碼率超過(guò)10－2量級(jí)時(shí)才會(huì)出現(xiàn)。

表1 檢后位流數(shù)據(jù)極性反轉(zhuǎn)結(jié)果Table 1 Polarity reversal results of post demodulation bit-stream data

3 原自動(dòng)極性糾反設(shè)計(jì)

對(duì)于FM遙測(cè)傳輸信道而言，箭載／彈載遙測(cè)發(fā)射機(jī)的上變頻器和地面測(cè)站接收機(jī)的下變頻器在變頻方式上可能不同——既可采用高差方式（變頻器的本振頻率比遙測(cè)信號(hào)頻率高）也可采用低差方式（變頻器的本振頻率比遙測(cè)信號(hào)頻率低）。如圖1所示，f0為FM遙測(cè)中頻信號(hào)的中心頻率，f1、f3分別為箭載／彈載遙測(cè)發(fā)射機(jī)的上變頻器在低差和高差時(shí)的本振信號(hào)頻率，f2為箭載／彈載遙測(cè)發(fā)射機(jī)發(fā)射的下行信號(hào)中心頻率（為了說(shuō)明問(wèn)題方便，這里將變頻方式都簡(jiǎn)化成固定本振的一次變頻，實(shí)際變頻器通常由二次變頻的頻綜組成。同時(shí)FM遙測(cè)信號(hào)的頻譜也畫(huà)成不對(duì)稱形式，實(shí)際的信號(hào)頻譜是相對(duì)中心頻率左右對(duì)稱的連續(xù)譜）。由圖可知，f2－f1＝f3－f2＝f0，以中頻信號(hào)頻帶內(nèi)任意一根譜線（頻率為F）為例，若箭載／彈載遙測(cè)發(fā)射機(jī)采用低差方式進(jìn)行上變頻，則該譜線的頻率F將被變頻到F＋f1，若地面測(cè)站接收機(jī)也采用低差方式進(jìn)行下變頻，則接收機(jī)輸出的該譜線的頻率為F＋f1－f1＝F，因此輸出的遙測(cè)信號(hào)頻譜一定是原信號(hào)的頻譜，若地面測(cè)站接收機(jī)采用高差方式進(jìn)行下變頻，則接收機(jī)輸出的該譜線的頻率為f3－（F＋f1）＝f2＋f0－（F＋f1）＝2f0－F，可見(jiàn)輸出信號(hào)頻譜是原信號(hào)頻譜的反轉(zhuǎn)形式，如圖2所示。

圖1 箭載／彈載遙測(cè)發(fā)射機(jī)的上變頻器低差變頻方式下的頻譜圖Fig.1 Spectrum under the low difference mode in the up converting frequency mixer of the rocket／missile telemetry

圖2 地面測(cè)站下變頻器高差變頻方式下的頻譜圖Fig.2 Spectrum under the high difference mode in the down converting frequency mixer of the ground surveying station

頻譜的反轉(zhuǎn)必然導(dǎo)致解調(diào)過(guò)程中碼元判決的極性反轉(zhuǎn)——0碼元判成1碼元，1碼元判成0碼元。原因是：FM體制是用頻率相對(duì)載波頻率（即中心頻率）的正偏和負(fù)偏來(lái)表示0碼元和1碼元［1］，頻譜反轉(zhuǎn)就意味著代表碼元極性的正負(fù)頻偏發(fā)生了反轉(zhuǎn)。因此可以得出如下結(jié)論：只要FM遙測(cè)傳輸信道上、下變頻器采取相反的變頻方式，必然導(dǎo)致解調(diào)的極性發(fā)生反轉(zhuǎn)，使得數(shù)據(jù)不能正確還原，因此地面測(cè)站的遙測(cè)解調(diào)單元必須增加抗數(shù)據(jù)反轉(zhuǎn)的自動(dòng)極性糾反功能。

該功能的設(shè)計(jì)思路是通過(guò)在幀同步過(guò)程中連續(xù)判幀同步碼的極性來(lái)實(shí)現(xiàn)的：首先設(shè)置一位幀同步極性檢測(cè)標(biāo)識(shí)，從而對(duì)每幀數(shù)據(jù)的幀同步極性檢測(cè)判決結(jié)果進(jìn)行標(biāo)記，標(biāo)記的方式與幀同步的狀態(tài)有關(guān)：在搜索狀態(tài)，用滑動(dòng)相關(guān)運(yùn)算尋找?guī)酱a，若出現(xiàn)正相關(guān)峰值，判斷已檢測(cè)到幀同步碼，將標(biāo)識(shí)置0；若滑動(dòng)相關(guān)運(yùn)算出現(xiàn)負(fù)相關(guān)峰值，也判斷檢測(cè)到了幀同步碼并且該碼已反轉(zhuǎn)，即檢測(cè)到了幀同步碼的反碼，將標(biāo)識(shí)置1。在校核和鎖定狀態(tài)，由于只是對(duì)搜索狀態(tài)檢測(cè)到的幀同步碼字能否保持作出判斷［2］，因此對(duì)幀同步碼的檢測(cè)方式和極性標(biāo)識(shí)方式與搜索狀態(tài)不同：用本地設(shè)置的幀同步碼組與數(shù)據(jù)幀中的幀同步碼字（該碼字是在搜索狀態(tài)下檢測(cè)到的，處于每幀數(shù)據(jù)中的固定位置上）進(jìn)行逐位異或運(yùn)算，并將每位異或結(jié)果進(jìn)行累加。當(dāng)幀同步碼出現(xiàn)誤碼的個(gè)數(shù)即異或累加結(jié)果小于或等于校核或鎖定容錯(cuò)（通常將搜索、校核、鎖定容錯(cuò)設(shè)為相同值）時(shí)，將標(biāo)識(shí)置0；當(dāng)幀同步碼誤碼個(gè)數(shù)大于校核或鎖定容錯(cuò)時(shí)，還要根據(jù)上一幀的標(biāo)識(shí)值來(lái)決定當(dāng)前幀的標(biāo)識(shí)，當(dāng)上一幀的標(biāo)識(shí)為0時(shí)，并且異或累加結(jié)果等于滑動(dòng)相關(guān)峰值時(shí)，當(dāng)前幀標(biāo)識(shí)才置1，否則都置0；而當(dāng)上一幀的標(biāo)識(shí)為1時(shí)，當(dāng)前幀標(biāo)識(shí)就保持上一幀的標(biāo)識(shí)值。若連續(xù)3幀中有2幀的標(biāo)識(shí)為1，就判定整個(gè)數(shù)據(jù)的極性已發(fā)生了反轉(zhuǎn)，因此從下一幀開(kāi)始要先進(jìn)行求反運(yùn)算（數(shù)據(jù)幀逐字與FF進(jìn)行異或），同時(shí)將標(biāo)識(shí)置0。

表2 遙測(cè)解調(diào)單元自動(dòng)極性糾反功能示意Table 2 Automatic polarity correction function of telemetry demodulation unit

這樣的設(shè)計(jì)還兼顧了反碼副幀方式——根據(jù)上述判決原則，在三態(tài)下幀同步位置出現(xiàn)反碼時(shí)標(biāo)識(shí)都置1，但由于反碼不會(huì)在連續(xù)3幀中出現(xiàn)兩次，因此不滿足極性反轉(zhuǎn)的判定條件，不會(huì)進(jìn)行數(shù)據(jù)極性反轉(zhuǎn)。

4 改進(jìn)設(shè)計(jì)

如上所述，解調(diào)單元自動(dòng)極性糾反功能在正常情況下是不會(huì)出現(xiàn)誤反轉(zhuǎn)問(wèn)題的。仔細(xì)比對(duì)遙測(cè)解調(diào)參數(shù)和問(wèn)題出現(xiàn)的部位發(fā)現(xiàn)，誤反轉(zhuǎn)時(shí)要有3個(gè)特殊條件必須同時(shí)滿足：一是誤碼剛好出現(xiàn)在反碼副幀的下一子幀同步碼上（正常情況此發(fā)生概率很小，因此一定是高誤碼率情況）；二是較小的鎖定容錯(cuò)（幀同步碼誤碼個(gè)數(shù)超過(guò)鎖定容錯(cuò)）；三是較大的鎖定幀數(shù)（在幀同步碼誤碼較大時(shí)幀同步還保持）。如表1所示，反碼副幀后的下一幀——第N＋2幀同步碼為3C68，幀同步碼誤碼個(gè)數(shù)為2，大于鎖定容錯(cuò)1，同時(shí)第N＋1幀標(biāo)識(shí)為1（第N＋1幀為正常的反碼副幀狀態(tài)），根據(jù)原判決邏輯，第N＋2幀標(biāo)識(shí)錯(cuò)誤地保持了第N＋1幀標(biāo)識(shí)值1，因此從第N＋3幀開(kāi)始數(shù)據(jù)極性發(fā)生了誤反轉(zhuǎn)，但如果后面數(shù)據(jù)的幀同步碼能連續(xù)保持正常（連續(xù)兩次保持反碼值C394），根據(jù)原判決邏輯，數(shù)據(jù)極性還會(huì)再次發(fā)生反轉(zhuǎn)，重新恢復(fù)正確極性（如N＋3～N＋6幀所示），這就是為什么原位流數(shù)據(jù)中只有部分?jǐn)?shù)據(jù)幀出現(xiàn)時(shí)碼亂碼，而未出現(xiàn)大片連續(xù)數(shù)據(jù)幀時(shí)碼亂碼的現(xiàn)象。從以上分析可見(jiàn)，原判決邏輯的問(wèn)題出在校核與鎖定狀態(tài)的判斷：當(dāng)幀同步碼出現(xiàn)誤碼的個(gè)數(shù)大于校核或鎖定容錯(cuò)并且上一幀的標(biāo)識(shí)為1時(shí)，將標(biāo)識(shí)保持為1（這樣做是為了保證在正常情況下解調(diào)單元能夠快速準(zhǔn)確地完成極性糾反，從而更多地獲取數(shù)據(jù)，事實(shí)也證明遙測(cè)數(shù)據(jù)誤碼率在10－4以下的正常情況時(shí)，從未出現(xiàn)極性誤反轉(zhuǎn)的情況）。為了保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)在高誤碼率時(shí)解調(diào)單元也能正確進(jìn)行極性糾反，可按如下方法改進(jìn)：滿足上述條件時(shí)標(biāo)識(shí)不再保持1，而是同樣根據(jù)幀同步的異或累加結(jié)果來(lái)決定當(dāng)前幀的標(biāo)識(shí)，但為了兼顧糾反的快速性，這里不必讓異或累加結(jié)果等于相關(guān)峰值，而是以幀同步碼碼長(zhǎng)的一半為判決標(biāo)準(zhǔn)（以表2為例，相關(guān)檢測(cè)峰值為14～16，而幀同步碼碼長(zhǎng)一半為8），當(dāng)異或累加結(jié)果大于幀同步碼碼長(zhǎng)的一半時(shí)，當(dāng)前幀的標(biāo)識(shí)置1，否則均置0。這樣的判決設(shè)置是基于以下考慮：如果是由于數(shù)據(jù)的誤碼太高而導(dǎo)致了異或累加結(jié)果大于幀同步碼碼長(zhǎng)的一半，數(shù)據(jù)極性仍會(huì)誤反轉(zhuǎn)，但這樣高的誤碼（誤碼在數(shù)據(jù)幀中的任意位置出現(xiàn)概率都是相同的［3］，若一幀數(shù)據(jù)中幀同步碼的一半都是誤碼，說(shuō)明數(shù)據(jù)的誤碼已相當(dāng)高，基本無(wú)法從數(shù)據(jù)中獲取有效信息）說(shuō)明該數(shù)據(jù)已不可用，極性是否誤反轉(zhuǎn)已不重要。

5 改進(jìn)后的驗(yàn)證試驗(yàn)

按照上述改進(jìn)方法對(duì)基帶FPGA代碼修改后進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證試驗(yàn)：修改基帶調(diào)制模擬源加載數(shù)據(jù)，令模擬數(shù)據(jù)中某個(gè)反碼副幀后的一個(gè)幀同步碼超過(guò)鎖定容錯(cuò)（應(yīng)為3C6B，改為3C68），遙測(cè)解調(diào)單元進(jìn)行上述模擬源數(shù)據(jù)模飛和閉環(huán)自檢，啟動(dòng)位流數(shù)據(jù)記錄，記錄后的位流數(shù)據(jù)回放并轉(zhuǎn)儲(chǔ)成PC能識(shí)別的二進(jìn)制文件，如圖3（b）所示（圖3（a）為代碼修改前記錄的位流數(shù)據(jù)回放并轉(zhuǎn)儲(chǔ)的二進(jìn)制文件）。從圖3可見(jiàn)代碼修改前數(shù)據(jù)極性發(fā)生了反轉(zhuǎn)，而修改后未發(fā)生反轉(zhuǎn)，數(shù)據(jù)極性保持正確。

圖3 代碼修改前后位流轉(zhuǎn)儲(chǔ)數(shù)據(jù)極性反轉(zhuǎn)比對(duì)結(jié)果Fig.3 Data comparison result before and after code changes

基帶進(jìn)行閉環(huán)自檢：設(shè)置模擬源模塊輸出信號(hào)的載噪比低于解調(diào)門限3 dB（載噪比在門限時(shí)對(duì)應(yīng)誤碼率小于1×10－4），模擬誤碼率達(dá)到10－2數(shù)量級(jí)時(shí)的狀態(tài)，啟動(dòng)位流數(shù)據(jù)記錄并回放轉(zhuǎn)儲(chǔ)成PC能識(shí)別的二進(jìn)制文件，打開(kāi)該文件觀察是否出現(xiàn)時(shí)碼亂碼，如圖4（b）所示（圖4（a）為代碼修改前記錄的位流數(shù)據(jù)回放并轉(zhuǎn)儲(chǔ)的二進(jìn)制文件）。從圖4可見(jiàn)代碼修改前時(shí)碼出現(xiàn)亂碼，而修改后在數(shù)據(jù)文件相同部位未出現(xiàn)時(shí)碼亂碼。

圖4 代碼修改前后位流轉(zhuǎn)儲(chǔ)數(shù)據(jù)時(shí)碼比對(duì)結(jié)果Fig.4 Time-code comparison result before and after code changes

6 結(jié)束語(yǔ)

高誤碼條件下的遙測(cè)數(shù)據(jù)有時(shí)比正常情況更加重要，因?yàn)楦哒`碼一般發(fā)生在飛行異常等特殊情況，此時(shí)如何從高誤碼的數(shù)據(jù)中獲取有效信息就顯得尤為重要。本文針對(duì)FM遙測(cè)解調(diào)自動(dòng)極性糾反功能在高誤碼情況的設(shè)計(jì)缺陷，提出的改進(jìn)方法能夠徹底解決數(shù)據(jù)極性誤反轉(zhuǎn)問(wèn)題，從而增強(qiáng)解調(diào)設(shè)備在高誤碼條件下的數(shù)據(jù)識(shí)別能力，但是對(duì)于極性反轉(zhuǎn)問(wèn)題，還應(yīng)考慮基帶的位流回放模塊的功能設(shè)計(jì)，因?yàn)槲涣鲾?shù)據(jù)的回放存在一個(gè)二次解調(diào)的問(wèn)題，而回放本身就是要確保已記錄在存儲(chǔ)器上的數(shù)據(jù)能原封不動(dòng)地被還原出來(lái)，因此對(duì)于基帶的位流回放模塊不應(yīng)再有自動(dòng)極性糾反功能。

［1］唐歌實(shí).深空測(cè)控?zé)o線電測(cè)量技術(shù)［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2012. TANG Ge-shi.Radiometric Measuring Techniques for Deep Space Navigation［M］.Beijing：National Defense Industry Press，2012.（in Chinese）

［2］孔冬.高速PCM／FM遙測(cè)解調(diào)技術(shù)研究［D］.成都：電子科技大學(xué)，2012. KONG Dong.Study on High-speed PCM／FM Telemetry Demodulation Technology［D］.Chengdu：University of Eletronic Science and Technology of China，2012.（in Chinese）

［3］劉嘉興.飛行器測(cè)控通信工程［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2010. LIU Jia-xing.Spacecraft TT＆C and Communication Engineering［M］.Beijing：National Defense Industry Press，2012.（in Chinese）

LIU Yang was born in Changchun，Jilin Province，in 1973.He received the M.S.degree in 2005.He is now a senior engineer.His research concerns space telemetry and digital transmitting.

趙文華（1965—），男，江蘇江陰人，2004年獲電子信息工程碩士學(xué)位，現(xiàn)為高級(jí)工程師，主要從事航天測(cè)控總體技術(shù)的研究；

ZHAO Wen-hua was born in Jiangyin，Jiangsu Province，in 1965.He received the M.S.degree in 2004.He is now a senior engineer.His research concerns aerospace TT＆C general technology.

何晶（1975—），女，吉林省吉林市人，2006年獲天體測(cè)量與天體力學(xué)專業(yè)碩士學(xué)位，現(xiàn)為高級(jí)工程師，主要從事航天測(cè)控?cái)?shù)據(jù)處理技術(shù)的研究；

HE Jing was born in Jilin，Jilin Province，in 1975.She received the M.S.degree in 2006.She is now a senior engineer.Her research concerns orbit determination and data precision analysis.

Email：jialhhj＠163.com

鄒春華（1972—），男，浙江諸暨人，高級(jí)工程師，主要從事航天測(cè)控總體技術(shù)的研究；

ZOU Chun-hua was born in Zhuji，Zhejiang Province，in 1972. He is now a senior engineer.His research concerns aerospace TT＆C general technology.

王喜權(quán)（1975—），男，湖北武漢人，工程師，主要從事航天無(wú)線電遙測(cè)數(shù)傳技術(shù)的研究。

WANG Xi-quan was born in Wuhan，Hubei Province，in 1975.He is now an engineer.His research concerns space telemetry and digital transmitting technology.

An Improved Design for Auto Polarity Revising of FM Telemetry Demodulation

LIU Yang1，2，ZHAO Wen-hua1，2，HE Jing1，2，ZOU Chun-hua1，WANG Xi-quan1
（1.China Satellite Maritime Tracking and Control Department，Jiangyin 214431，China；2.Joint Laboratory of Ocean-based Flight Vehicle Measurement and Control，Jiangyin 214431，China）

This paper proposes the background of automatic polarity correction function of telemetry demodulation unit from the false polarity revising by high error code under the different channel frequency conversion mode. Then it analyzes the principle of automatic polarity correction design by two kinds of judge logic of identifying the frame polarity under the searching state and the chechout／lock state.With the evidence of the simulating test the bug has been found that high error code can result in error on the second identifying wheather the frame polarity equals 1 after the frame polarity synchronization reverse code emerges.Finally，the bug is removed by adopting the modification of identifying the frame polarity as 1 just by whether difference probability accumulation exceeds half length of frame synchronization code.By such modification it not only removes the bug but also assures the identifying′s speediness.As a result of the test after the modification，the new design has been approved to be correct and effective.

FM telemetry demodulation；polarity reversion；frame synchronization identifying code；locked error tolerance

date：2013－04－11；Revised date：2013－07－17

??通訊作者：jialhhj＠163.comCorresponding author：jialhhj＠163.com

TN76

A

1001－893X（2013）09－1234－04

劉洋（1973—），男，吉林長(zhǎng)春人，2005年獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為高級(jí)工程師，主要從事航天無(wú)線電遙測(cè)數(shù)傳技術(shù)的研究；

10.3969／j.issn.1001－893x.2013.09.022

2013－04－11；

2013－07－17