林型勇　黃艷軍　辛峰

摘要：該文深入研究了飛船遙控設(shè)計(jì)中涉及的同步技術(shù)。分別從基本原理、電路實(shí)現(xiàn)、和同步性能描述等方面對(duì)載波同步解調(diào)技術(shù)和碼元同步技術(shù)進(jìn)行了闡述。該設(shè)計(jì)的高可靠性已經(jīng)過多次空間驗(yàn)證，為飛船正常運(yùn)行和安全返回提供了堅(jiān)實(shí)的保障。

關(guān)鍵詞：遙控；解調(diào)；載波同步；碼元同步

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2015）07-0264-04

Abstract： The synchronous technology of Spacecraft telecontrol is deeply studied in the paper. Carrier synchronization and Symbol synchronization are explained in terms of basic principle， circuit implementation， synchronization performance， and so on. The high reliability of this design which provide the safeguard for normal operation and safe return of the Spaceship has been verified by several. Space Tests.

Key words： remote control； demodulation； Carrier synchronization； Symbol synchronization

1 引言

載人飛船遙控設(shè)備主要功能是完成地面遙控指令和飛船運(yùn)行數(shù)據(jù)的注入，由地面指揮控制飛船的運(yùn)行和返回。在天地鏈路通信中，同步是進(jìn)行信息傳輸?shù)那疤?，為保證地面遙控指令與飛船運(yùn)行數(shù)據(jù)注入的可靠傳輸，要求同步系統(tǒng)有更高的可靠性。遙控設(shè)備接收兩臺(tái)應(yīng)答機(jī)輸出的8K BPSK副載波信號(hào)，要正確解調(diào)BPSK副載波信號(hào)，必須提取與輸入BPSK信號(hào)同頻同相的相干載波。BPSK副載波經(jīng)解調(diào)輸出形成PCM碼流，為正確解析PCM碼流的數(shù)字信息，則必須提取碼元同步時(shí)鐘。基于此，本文研究了飛船遙控設(shè)計(jì)中的載波同步解調(diào)與碼元同步技術(shù)，并給出了載波同步解調(diào)電路與碼元同步電路設(shè)計(jì)方案。

2 載波同步解調(diào)技術(shù)

2.1 基本原理

在BPSK相干檢測(cè)時(shí)，接收機(jī)需要產(chǎn)生一個(gè)本地相干載波，其頻率和相位必須與接收信號(hào)的載波頻率和相位嚴(yán)格保持一致。但是在BPSK信號(hào)中，載波分量已被抑制掉，不能用鎖相環(huán)或窄帶濾波器直接從調(diào)相信號(hào)中提取參考相位載波。因此，首先必須對(duì)調(diào)相信號(hào)進(jìn)行某種非線性處理，消除相位調(diào)制信息來恢復(fù)含有參考相位信息的分量。然后加以提純，產(chǎn)生相干檢測(cè)所必須的參考相位載波，從而實(shí)現(xiàn)載波同步。本文采用反調(diào)制環(huán)鎖相技術(shù)提取相干載波，其原理圖1所示。

2.3 同步性能

利用反調(diào)制環(huán)解調(diào)電路提取同步相干載波的同時(shí)又完成BPSK的解調(diào)，恢復(fù)數(shù)字信息m（t）。并且反調(diào)制環(huán)可以有效地抑制調(diào)制連續(xù)譜對(duì)于相干載波的干擾，其性能優(yōu)于其他相干載波提取電路。本設(shè)計(jì)中鎖相環(huán)輸出中心頻率為32KHZ，常溫下的捕獲帶范圍為：26.7KHZ～37KHZ，常溫下的同步帶范圍為：25.6KHZ～37.8KHZ。

3 碼元同步技術(shù)

3.1 基本原理

數(shù)字鎖相環(huán)能夠產(chǎn)生頻率和相位完全同步于輸入信號(hào)的碼同步脈沖信號(hào)，其原理如圖6所示。它由晶體振蕩器，分頻器，鑒相器和控制器組成。控制器包括圖中的添門、或門和扣門。振蕩器產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)窄脈沖形成器產(chǎn)生相位相反的a，b兩路窄脈沖，然后經(jīng)過控制器再送入分頻器，輸出碼同步脈沖序列。若接收碼元速率為f波特，則碼同步脈沖頻率也為f HZ，晶振頻率設(shè)計(jì)在Mf HZ。當(dāng)分頻器輸出的碼同步信號(hào)相位超前接收碼元相位，鑒相器送出一超前脈沖加到扣門的禁止端，扣掉一個(gè)b路脈沖。這樣，分頻器輸出脈沖的相位就推后1/M碼元周期。當(dāng)分頻器輸出的碼同步信號(hào)相位滯后接收碼元相位，鑒相器送出一滯后脈沖加到添門，使a路輸出的一個(gè)脈沖通過或門插入原b路脈沖之間。這樣，分頻器的輸出相位就提前1/M碼元周期。經(jīng)這樣反復(fù)調(diào)整相位即實(shí)現(xiàn)碼同步。

3.2 電路實(shí)現(xiàn)

實(shí)際電路設(shè)計(jì)如圖7所示。數(shù)字鎖相環(huán)的輸入信號(hào)NRZ_L碼流來自解調(diào)器解調(diào)后的基帶信號(hào)。輸出為32分頻器輸出的MT信號(hào)。a ，b為頻率相同的兩路相位相反的窄脈沖序列，其頻率為MT信號(hào)的32倍。由于它們相位相差180度，則一路脈沖在另一路相鄰脈沖的中點(diǎn)出現(xiàn)。基準(zhǔn)信號(hào)h與分頻器輸出的f和[ f]進(jìn)行相位比較實(shí)現(xiàn)鑒相功能，若相位超前，則YF1輸出脈沖控制扣門YF4扣除一個(gè)b路窄脈沖。若相位滯后，則YF2輸出脈沖控制添門YF7添加一個(gè)a路窄脈沖。如此反復(fù)調(diào)整相位，直至同步。

根據(jù)基準(zhǔn)信號(hào)h與本地定時(shí)信號(hào)f 的相位關(guān)系，有以下四種情況：

1）基準(zhǔn)信號(hào)h與本地定時(shí)信號(hào)f同步

基準(zhǔn)信號(hào)h和本地定時(shí)信號(hào)f同步是指兩個(gè)信號(hào)的頻率和相位完全相同，這時(shí)基準(zhǔn)信號(hào)h的中線對(duì)準(zhǔn)f的下降沿和[ f] 的上升沿。此時(shí)各點(diǎn)的信號(hào)波形如圖8-a所示，扣門YF4并沒有扣除脈沖，添門YF7也沒有添加脈沖?？偟妮斎朊}沖個(gè)數(shù)不變，于是分頻器輸出的定時(shí)信號(hào)f與基準(zhǔn)信號(hào)h的同步繼續(xù)保持。

2）基準(zhǔn)信號(hào)h與本地定時(shí)信號(hào)f相差180度

本地定時(shí)信號(hào)f和基準(zhǔn)信號(hào)h相差180度時(shí)，基準(zhǔn)信號(hào)h的中線對(duì)準(zhǔn)f的上升沿和[ f] 的下降沿。此時(shí)各點(diǎn)的信號(hào)波形如圖8-b所示，基準(zhǔn)信號(hào)h與[ f] 經(jīng)超前面YF1產(chǎn)生一負(fù)脈沖信號(hào)d。信號(hào)d與b路窄脈沖經(jīng)扣門YF4扣除一個(gè)窄脈沖得到信號(hào)g，則f信號(hào)向右移動(dòng)一步（即相位推后1/32個(gè)碼元周期）。這樣，一直調(diào)整下去直到完全同步為止。

3）定時(shí)信號(hào)f超前基準(zhǔn)信號(hào)h

定時(shí)信號(hào)f超前基準(zhǔn)信號(hào)h時(shí)，基準(zhǔn)信號(hào)h位于本地定時(shí)信號(hào)f下降沿的右側(cè)。此時(shí)各點(diǎn)的信號(hào)波形如圖8-c所示，基準(zhǔn)信號(hào)h與[ f] 經(jīng)超前面YF1產(chǎn)生一負(fù)脈沖信號(hào)d。信號(hào)d與b路窄脈沖經(jīng)扣門YF4扣除一個(gè)窄脈沖得到信號(hào)g，則f信號(hào)向右移動(dòng)一步（即相位推后1/32個(gè)碼元周期）。這樣，一直調(diào)整下去直到完全同步為止。

4）定時(shí)信號(hào)f滯后基準(zhǔn)信號(hào)h

定時(shí)信號(hào)f滯后基準(zhǔn)信號(hào)h時(shí)，基準(zhǔn)信號(hào)h位于本地定時(shí)信號(hào)f下降沿的左側(cè)。此時(shí)各點(diǎn)的信號(hào)波形如圖8-d所示，基準(zhǔn)信號(hào)h與f經(jīng)滯后門YF2與YF3產(chǎn)生一正脈沖信號(hào)c。信號(hào)c與a路窄脈沖經(jīng)添門YF7添加一個(gè)窄脈沖得到信號(hào)e，則f信號(hào)向左移動(dòng)一步（即相位提前1/32個(gè)碼元周期）。這樣，一直調(diào)整下去直到完全同步為止。

綜上所述，接收的基準(zhǔn)信號(hào)h和本地定時(shí)信號(hào)f之間的相位關(guān)系不論是上述四種情況中的哪一種，由于數(shù)字鎖相環(huán)的自動(dòng)調(diào)整，最后都穩(wěn)定在正確的同步狀態(tài)。

3.3 同步性能

在電路設(shè)計(jì)中，考慮到同步靜差、同步建立時(shí)間、同步保持時(shí)間等多方面因素，為平橫各性能，設(shè)計(jì)分頻比為1/32。這樣同步靜差為。最大同步建立時(shí)間為8個(gè)碼元周期。同步保持時(shí)間為320個(gè)碼元周期。

4 結(jié)論

本文對(duì)飛船遙控設(shè)計(jì)中涉及的同步技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的總結(jié)與提煉，并通過試驗(yàn)測(cè)試得到其同步性能指標(biāo)。該同步設(shè)計(jì)電路可靠穩(wěn)定，從神舟一號(hào)到神舟七號(hào)飛船以及神舟八號(hào)飛船與天宮一號(hào)目標(biāo)飛行器的交會(huì)對(duì)接，遙控設(shè)備均出色地完成了自身任務(wù)，為飛船和航天員的安全返回，飛船飛行期間各項(xiàng)科學(xué)任務(wù)的圓滿完成提供了堅(jiān)實(shí)的保障。

隨著載人航天任務(wù)的不斷深入，進(jìn)入空間站工程研制階段后，對(duì)于遙控設(shè)備又提出了更為復(fù)雜的應(yīng)用要求，需要遙控設(shè)備處理完成的指令和數(shù)據(jù)量大大增加，這就對(duì)遙控設(shè)備中的同步設(shè)計(jì)及電路性能提出更高的要求。未來將進(jìn)一步提高遙控設(shè)備的同步技術(shù)可靠性和靈活性，并將按照簡化電路，選用元器件少等要求將對(duì)其進(jìn)行小型化設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 童詩白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2001.

[2] 華春，石玉.數(shù)字鎖相環(huán)路原理與應(yīng)用[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1990.

[3] 羅偉雄.鎖相技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，1990.