Обработка сигналов с фазовой манипуляцией способом прямого преобразования

Физический интерфейс передачи телеметрической информации (ТМИ) в структуре БИТС-2Т представлен потенциальным кодом (код Манчестер II). Код Манчестер II является кодом с избыточностью, логическая единица кодируется отрицательным перепадом сигнала в середине битового интервала, ноль положительным перепадом. На границах битового интервала сигнал, если это необходимо, меняет значение, “готовясь” к отображению очередного бита в середине следующего битового интервала. Форма модулирующего напряжения сигнала ТМИ представлена на рис. 1.

 

 

Рис. 1. Логические уровни в системе кодирования Манчестер-II

и несущая частота, модулированная входной последовательностью битов.

 

При переключении логических уровней модулирующего напряжения сигнала ТМИ, кроме изменения несущей частоты, происходит кратковременная сдвижка фазы несущих колебаний – фазовая манипуляция Фазовая манипуляция служит для синхронизации потока данных ТМИ. Длительность фазовой манипуляции мала и составляет порядка 0,2 от периода колебаний несущей частоты. При несущей частоте f_н = 70 Мгц это значение будет определяться как:

Малая длительность фазовой манипуляции делает качественную оцифровку сигнала ТМИ на частоте 70 МГц при  помощи аналого-цифровых преобразователей (АЦП) очень затруднительной. При приеме данных в потоковом режиме задержка обработки на несколько периодов несущей частоты неизбежно приведет к сбою синхронизации потоков, что сделает дальнейшую обработку программными средствами невозможной. Поэтому, для понижения несущей частоты используют устройства, производящие детектирование первичного сигнала на собственной несущей частоте с последующей модуляцией на требуемой частоте. Этот способ имеет ряд недостатков [1]:

-                        сложность исполнения широкополосного детектора ЧФМ

-                        На выходе отсутствует информация о начальной фазе сигнала;

-                        отсутствие возможности горячего резервирования;

-                        необходимость перезапускать систему для восстановления после ошибки;

-                        отсутствие цепи автоподстройки частоты гетеродина.

С точки зрения результата обработки информации это приводит к увеличению вероятности ошибок [2] и повышенному времени восстановления системы после сбоя.

Перехода на низкую частоту и вторичного модулирования сигнала можно избежать, если применить схему конвертера с непосредственными связями в смесителе. Отсутствие последовательных реактивных элементов на пути полезного сигнала позволяет обрабатывать без искажений ЧФМ сигналы. Смеситель с непосредственными связями реализован в некоторых моделях ИМС, предназначенных для радиоприемного оборудования.

Наземные станции обработки ТМИ космических аппаратов используют оборудование, подобное VertexRSI, выходная частота для которого составляет 70 МГц, согласно [4]. Для требуемого диапазона частот подходит микросхема S042P. На рис.2 представлена внутренняя схема S042P. Из рис.2 видно, что ИМС содержит двутактный автогенератор с автоматическим смещением, усилитель и смеситель. Типовая схема включения S042P представлена на рис.3. Несмотря на простоту обвязки, в исходном варианте эта схема не подходит для обработки ЧФМ сигналов, из-за внешних реактивных элементов в цепи смесителя и входной цепи, которые не позволяют передавать фазовую манипуляцию [3] (рис.3).

Рис.2. Внутренняя схема ИМС S042P.

 

Рис.3. Типовая схема включения.

 

Если исключить из обвязки ИМС проходные конденсаторы и задействовать внутренний генератор, то можно добиться передачи сигнала с кратковременной фазовой манипуляцией. Это позволяет обрабатывать сигнал телеметрической информации с борта космического аппарата. Схема данной конструкции приведена на рис. 4.

Рис.4. Принципиальная схема конвертера.

 

Обвязка каждого звена S042P минимальна и содержит лишь входной контур, выходной контур, подключенные непосредственно к выводам микросхем, контур сдвига частоты и конденсаторы, необходимые для работы интегрированного в ИМС гетеродина.

Входной сигнал на частоте 70МГц поступает на катушку связи L1 параллельного колебательного LC контура (далее по тексту – контура, т.к. последовательных не содержится) С2-L2. Связь между выходом МШУ и катушкой L1 непосредственная и потому не приводит к искажению фазы входного сигнала. L2-C2 – единственный контур, настроенный на частоту входного сигнала. После настройки конвертера его параметры не корректируются. Катушка L2 подключена непосредственно к входу микросхемы (выводы 1 и 11). С6 и L3 представляют собой контур сдвига частоты и настраиваются на частоту;

где:  f_г1 – частота первого гетеродина, f_в – частота входа (70 МГц), f_п1 – первая промежуточная частота (32 МГц). Таким образом, первый гетеродин настраивается на частоту:

На выходе первого звена конвертера (выводы 2 и 3) так же установлен параллельный контур L4-C10, причем катушка L4 выполнена с отводом от середины, это необходимо, чтобы осуществить питания микросхемы. Кроме того такое решение повышает нагрузочную способность выхода микросхемы в 1,5 раза благодаря тому, что колебания на выводах 2 и 3 противофазные (двутактный режим работы встроенного в микросхему УРЧ). На выводах 2 и 3 формируется ЧФМ сигнал, точно копирующий входной, но с частотой 32 МГц (первая промежуточная частота).

Через катушку связи L5 (для контура L4-C10) сигнал на первой промежуточной частоте поступает на вход второго звена конвертера, выполненного аналогично первому. Контур L6-C14 настроен на частоту 38,5 МГц. В результате на выходе смесителя формируется сигнал с несущей частотой 6,5 МГц. Этот сигнал так же точно копирует входной.

Катушка связи L8 контура L7-C17 является общей для подачи сигнала на выходной разъем конвертера и на вход сборки УПЧ3-2 (вывод 3).

Опорное напряжение системы АПЧГ формируется на выводе 5 сборки УПЧ3-2. Это напряжение подается через резисторы R6, R4, R3 на анод варикапа VD2. Катод VD2 соединен через развязывающие конденсаторы C4 и С9 c контуром сдвига частоты первого гетеродина. Резистор R9 представляет собой делитель напряжения, который через R7 позволяет в небольших пределах менять постоянный уровень напряжения на выводах варикапа и задавать тем самым «ноль» системы АПЧГ. Этот уровень так же настраивается один раз и остается постоянным на протяжении всей эксплуатации конвертера. Данные моточных узлов приведены в таблице 1.

Преобразователи питаются через резисторы R5 и R10 от общего источника постоянным напряжением 10,2 В. С11 и С18 – блокировочные  конденсаторы. УПЧ3-2 питается непосредственно от этого же источника (вывод 4 сборки). Схема источника питания представлена на рис. 5.

Таблица 1. Данные моточных узлов

Обозначение	L1	L2	L4	L5	L7	L8	L6	L3
Диаметр провода	0,3мм	0,3мм	0,5мм	0,5мм	0,3мм	0,5мм	0,3мм	0,3мм
Число витков	2	7	12	4	20	4	13	5
Материал сердечника	без сердечника		феррит
Диаметр оправки	6мм		5мм		7мм		6мм	4мм
частота	70МГц		32МГц		6,5МГц		38,5МГц	102МГц

 

Рис.5. Принципиальная схема блока питания конвертера

 

Два стабилизированных источника питания, необходимые для работы конвертера реализованы на ИМС К142ЕН12А. Напряжения стабилизации 10,2 В и 21 В можно подстраивать вращением движков потенциометров, добиваясь оптимального режима работы ИМС S042P и схемы подстройки частоты гетеродина. Рабочие характеристики реализованного конвертера приведены в таблице 2.

Таблица 2.

Вид сигнала ТМИ, модулированного входной последовательностью битов, снимаемого с выхода конвертера на частоте 6,5 МГц представлен на рис. 6.

Рис.6. Сигнал, модулированный входной последовательностью битов

на выходе конвертера.

 

Таким образом, конвертер понижает несущую частоту с 70 МГц до 6,5 МГц при охранении структуры сигнала. Минимальная длительность фазовой манипуляции при передачи ТМИ в структуре БИТС-2Т составляет:

Полученное значение длительность фазовой манипуляции позволяет обрабатывать сигнал ТМИ при помощи АЦП платы сбора данных (например, быстродействующая плата сбора данных БИн25-1201) в автоматическом режиме. При этом разница начальных фаз сигналов на входе и выходе конвертера постоянна. Схема конвертера содержит цепочку АПЧГ, что повышает отношение сигнал/шум приемной системы в целом и снижает требования к стабильности частоты исходного сигнала. Сборка УПЧ3-2 имеет низкочастотный выход, что позволяет использовать устройства автоматического включения резерва (АВР) в схемах с резервированием.

Таким образом, применение конвертера, построенного по изложенной конструкции, позволяет повысить надежность системы приема ТМИ и снизить вероятность появления ошибок.

 

Литература:

1.                  А.Корнэ, Ж. Дэвэйн. Оборудование узкополосной передачи. Энэртэк, август 2005 г., 256 C.

2.                  А.В. Петров, А.А. Яковлев. Анализ и синтез радиотехнических комплексов // М., Радио и связь, 1984 г., 246

3.                  Бернард Скляр. Цифровая связь // М. изд. Вильямс 2003 г., 1104 С.

4.                  Telemetry channel coding standard // ESA PSS-04-103 Issue 1, European space agency, september 1989 y., 38 P