李春霞，何巍巍，王宏兵

(1.中國人民解放軍32021部隊，北京 100094；2.航空工業(yè)無線電電子研究所，上海 200241)

0 引言

信號功率標(biāo)定是衡量信號源發(fā)射功率準(zhǔn)確度、接收機功率估計準(zhǔn)確度的重要手段，是衛(wèi)星導(dǎo)航信號質(zhì)量監(jiān)測、星地對接和在軌測試等任務(wù)中必不可少的測試項目之一[1]。

傳統(tǒng)導(dǎo)航信號功率標(biāo)定采用頻譜分析儀，分為2種方法：① 單載波標(biāo)定方法；② 擴頻信號標(biāo)定方法[2]。單載波標(biāo)定方法要求信號源具備單載波發(fā)射能力，適用于BPSK，QPSK等各支路可以獨立發(fā)射的調(diào)制方式；傳統(tǒng)的擴頻信號標(biāo)定方法能標(biāo)定帶內(nèi)總功率，無法給出各支路的功率[3]。

BOC調(diào)制信號[4]是一種新型衛(wèi)星導(dǎo)航信號，在GPS M碼信號[5-6]、Galileo系統(tǒng)衛(wèi)星導(dǎo)航信號[7-8]設(shè)計中得到了廣泛應(yīng)用。BOC調(diào)制特別是AltBOC[9-10]，TD-AltBOC[11]，ACEBOC[12-13]等新型調(diào)制信號，相比于傳統(tǒng)的BPSK調(diào)制信號，帶寬增大且調(diào)制方式復(fù)雜，不能單支路獨立發(fā)射，實際應(yīng)用中信噪比低，信號功率無法每個支路單獨標(biāo)定。

針對上述問題，本文提出一種大信號-功率分配信號功率標(biāo)定方法，可應(yīng)用于BOC調(diào)制信號單支路功率標(biāo)定。該方法利用發(fā)射通道和接收通道的功率線性化特點，在大功率條件下標(biāo)定BOC調(diào)制(包含AltBOC，TDBOC，TMBOC等所有BOC調(diào)制子類[14-15])信號總功率；然后利用各支路信號的功率配比，通過計算分配得到各支路的功率。

1 功率分配標(biāo)定方法的原理及步驟

1.1 功率分配標(biāo)定方法的原理

由于傳輸距離遠、衰減大，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)接收到的通常是弱信號，其信噪比太低無法利用頻譜儀直接進行標(biāo)定。在星地對接、地檢系統(tǒng)測試中，對衛(wèi)星導(dǎo)航模擬信號功率標(biāo)定通常在高于正常工作電平的強信號條件下進行，信噪比較高，可以利用頻譜儀標(biāo)定帶內(nèi)信號總功率。對于BOC調(diào)制，通常還需要對各支路功率進行標(biāo)定。由于BOC調(diào)制參數(shù)一旦確定，其復(fù)用效率、各支路信號的功率占比是固定的，因此各支路的功率可通過計算實現(xiàn)。

根據(jù)上述分析，得出功率分配標(biāo)定方法的原理：首先在強信號條件下利用頻譜儀標(biāo)定信號總功率；然后在正常工作電平條件下根據(jù)所測信號調(diào)制方式中各支路的功率配比，計算各支路的電平，即得到了最終的各支路功率標(biāo)定值。

1.2 功率分配標(biāo)定方法的步驟

功率分配標(biāo)定方法包括以下4步。第1步：標(biāo)定強信號功率；第2步：降低信號功率至正常接收范圍；第3步：計算有用信號功率；第4步：分配計算各支路功率。

1.2.1 標(biāo)定強信號總功率

強信號總功率標(biāo)定設(shè)備連接圖如圖1所示，將高功率信號源、可調(diào)衰減器連接，構(gòu)成信號發(fā)射系統(tǒng)，再連接至頻譜儀。通過減少可調(diào)衰減器的衰減量提高信號發(fā)射系統(tǒng)的輸出功率，經(jīng)頻譜儀觀察，當(dāng)信號譜密度比噪聲譜密度高20 dBc以上時，記錄頻譜儀讀數(shù)P1(dBW)，以及信號發(fā)射功率配置參數(shù)、衰減器讀數(shù)。

圖1 強信號總功率標(biāo)定設(shè)備連接圖

測試中要求信號譜度比噪聲譜密度高20 dBc以上，其原因如下：① 信號譜高于噪聲譜，頻譜儀可測量信號功率譜；② 相差20 dB條件下，噪聲所致信號功率測量誤差為10×lg((102+1)/102) =0.04 dB，測量精度比常規(guī)的功率標(biāo)定精度指標(biāo)0.5 dB高一個數(shù)量級，符合常規(guī)測量要求。

1.2.2 降低信號功率至正常接收范圍

降低信號功率設(shè)備連接圖如圖2所示，將圖1中的可調(diào)衰減器輸出改接到接收機。提高可調(diào)衰減器的衰減量，觀察接收機工作狀態(tài)。當(dāng)接收機工作狀態(tài)正常，表明信號發(fā)射系統(tǒng)的輸出功率降低到了正常范圍之內(nèi)，記錄此時信號發(fā)射電路功率配置參數(shù)、衰減器讀數(shù)。將第1步記錄的信號發(fā)射功率配置參數(shù)、衰減器讀數(shù)，與這一步記錄作差，得出這一步的信號功率降低量Pd(dB)。

圖2 降低信號功率設(shè)備連接圖

1.2.3 計算有用信號總功率

記各支路獨立接收條件下多路復(fù)用的效率為η，計算有用信號總功率10(P1-Pd)/10η(W)，即為接收機所能接收的各支路信號功率總和。其中，多路復(fù)用的功率效率可以根據(jù)調(diào)制類型、調(diào)制參數(shù)計算得出。

以ACEBOC調(diào)制為例，當(dāng)同相通道、正交通道功率不同，但是上下邊帶總功率相等時，即PUQ∶PLQ∶PUI∶PLI=1∶1∶β2∶β2時，其中PUQ，PLQ，PUI，PLI依次表示上邊帶正交通道功率、下邊帶正交通道功率、上邊帶同相通道功率和上邊帶同相通道功率，ACEBOC調(diào)制可記為ACEBOC(β2)，其復(fù)用效率η計算表達式如下：

(1)

根據(jù)式(1)可以計算出不同功率比條件下的復(fù)用效率，如表1所示。當(dāng)β2=1，即調(diào)制方式為常見4分量AltBOC調(diào)制時，復(fù)用效率η(1)=85.36%。隨著β2的增加，復(fù)用效率η增大。當(dāng)β2=3時，η(3)=87.20%；當(dāng)β2=∞時，η(∞)=100%，對應(yīng)于2分量AltBOC調(diào)制?？梢姡恰蔥85.36%,100%]。

表1 不同功率比條件下的復(fù)用效率

I,Q支路功率比β2調(diào)制類型復(fù)用效率/%1ACEBOC85.3634分量AltBOC87.20∞2分量AltBOC100

1.2.4 分配計算各支路功率

根據(jù)各支路信號的發(fā)射功率比，分配計算各支路的功率。各支路發(fā)射功率比可以直接采用該調(diào)制方式的各支路發(fā)射功率比理論值；還可以在工作電平條件下，通過接收機估計不同支路的功率，進而測得各支路的發(fā)射功率比。

以ACEBOC調(diào)制為例，可以求得各個支路的PUQ，PLQ，PUI，PLI，單位dBW。

(2)

(3)

2 功率分配標(biāo)定方法使用要求

2.1 信號發(fā)射系統(tǒng)功率大范圍可調(diào)

上述測試方法第2步要求信號發(fā)射系統(tǒng)既可發(fā)射功率譜密度高于噪聲譜20 dB以上的強信號，又可發(fā)射正常功率電平下的信號。以4種新型衛(wèi)星導(dǎo)航信號(包括GPS L1C民用信號；Galileo E1，E6，E5民用信號)為例，表2給出了其對應(yīng)信號源(含衰減器)發(fā)射功率動態(tài)范圍要求。表2中，強信號功率按照正常信號提升50 dB左右計算，正常信號功率按照ICD文件公開的最大達到地面電平計算[17]。

表2 信號發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射功率動態(tài)范圍要求

信號帶寬/MHz強信號功率/dBm正常信號功率/dBm動態(tài)范圍/dBL1C20.460-68.4-11748.6E1 OS/ SoL24.552-67.6-11749.4E640.920-65.4-11549.6E551.150-64.4-11247.6

由表2數(shù)據(jù)可見，由于新型衛(wèi)星導(dǎo)航信號普遍帶寬較大，這要求信號發(fā)射系統(tǒng)輸出功率范圍50 dB可調(diào)，通過3種方法可實現(xiàn)：方法1是在信號源輸出功率動態(tài)范圍高達50 dB條件下，直接調(diào)節(jié)信號源輸出功率；方法2是在信號源可輸出高功率、衰減器最大衰減量不低于50 dB條件下，調(diào)節(jié)可調(diào)衰減器衰減值實現(xiàn)；方法3是信號源可輸出高功率且具備一定動態(tài)范圍、衰減器具備一定調(diào)節(jié)范圍條件下，同時條件信號源輸出功率、衰減器衰減量。其中方法2最簡單，是首選方法；方法3是方法一、方法2的結(jié)合。采用方法2，需要信號源能夠輸出比正常功率高50 dB的信號。

2.2 發(fā)射功率可線性調(diào)節(jié)

功率分配標(biāo)定方法在高功率條件下標(biāo)定總功率，在正常功率條件下分配支路功率，由于正常功率下的各支路功率是通過總功率分配計算而來，其總功率是通過對強信號進行功率調(diào)節(jié)(衰減)而來，這要求功率調(diào)節(jié)是線性的。根據(jù)上述分析，信號發(fā)射系統(tǒng)輸出功率調(diào)節(jié)通過信號源發(fā)射功率、調(diào)節(jié)衰減器衰減量，或者二者結(jié)合實現(xiàn)。衰減器的線性調(diào)節(jié)通過衰減器的定期計量檢核保障；信號源發(fā)射功率線性調(diào)節(jié)通過信號源設(shè)計保障，并通過接收機功率估計來檢核，確保當(dāng)改變信號源發(fā)射功率配置時，其輸出功率能線性反映其變化，例如配置信號源發(fā)射功率降低5 dB，其實際輸出功率降低5 dB?？梢?，發(fā)射功率可線性調(diào)節(jié)是容易保證的。

3 功率分配標(biāo)定方法應(yīng)用實例

以某測試任務(wù)中的Galileo E5信號發(fā)射功率標(biāo)定為例，驗證功率分配方法的可行性，并用標(biāo)準(zhǔn)接收機檢驗其標(biāo)定精度。

在信號發(fā)射系統(tǒng)輸出功率-110 dBm條件下標(biāo)定Galileo E5信號發(fā)射功率，如圖3所示，信號功率低于噪聲功率，無法準(zhǔn)確標(biāo)定。采用前文提出的功率分配標(biāo)定方法可進行信號發(fā)射系統(tǒng)輸出功率標(biāo)定。先將衰減器衰減量值減少50 dB，使信號發(fā)射系統(tǒng)輸出功率為-60 dBm，如圖4所示，在該電平條件下標(biāo)定帶內(nèi)信號總功率，記錄數(shù)值為-59.72 dBm。再將衰減器衰減量值增加50 dB，在該電平條件下分配計算各支路信號帶內(nèi)信號功率如下：Galileo E5信號為AltBOC調(diào)制，復(fù)用效率η=85.36%，4支路功率比1∶1∶1∶1，代入式(3)得4個支路的功率如下：

PUQ=PLQ=PUI=PLI=-59.72-50+

(4)

圖3 正常信號條件下功率標(biāo)定

圖4 強信號條件下功率標(biāo)定

至此完成Galileo E5信號發(fā)射功率標(biāo)定工作，標(biāo)定測得各支路信號發(fā)射功率均為-118.18 dBm。

為檢驗上述標(biāo)定精度，用某標(biāo)準(zhǔn)接收機標(biāo)定Galileo E5信號的功率。將標(biāo)定完畢的信號發(fā)射系統(tǒng)連接至標(biāo)準(zhǔn)接收機，該接收機已經(jīng)通過有線方式標(biāo)定過，具有高功率測量精度。觀察待其穩(wěn)定工作后，記錄接收機測得各支路信號的功率估計值。

功率分配方法標(biāo)定功率、標(biāo)準(zhǔn)接收機實測功率、以及標(biāo)定功率與實測功率相比的標(biāo)定誤差，如表3所示。結(jié)果表明，4個支路發(fā)射功率標(biāo)定誤差均≤0.3 dB。

表3 Galileo E5信號發(fā)射功率標(biāo)定精度

支路信號標(biāo)定功率/dBm實測功率/dBm誤差/dBPUIE5a_data-118.18-118.210.18PUQE5a_pilot-118.18-118.220.19PLIE5b_data-118.18-118.320.29PLQE5b_pilot-118.18-118.330.30

4 結(jié)束語

針對目前應(yīng)用廣泛的BOC調(diào)制方式，尤其是用查表法生成信號的AltBOC等調(diào)制方式，使用功率分配標(biāo)定方法，在發(fā)射功率線性可調(diào)的條件下可有效地在較大動態(tài)范圍內(nèi)對衛(wèi)星導(dǎo)航模擬信號單支路電平進行準(zhǔn)確標(biāo)定，且精度滿足常規(guī)的功率標(biāo)定誤差≤0.5 dB指標(biāo)要求。該方法已在多個工程項目中得到應(yīng)用，配合信號模擬源以及應(yīng)用系統(tǒng)將得到進一步推廣。