一种测距信号和话音信号锁相接收机及其解调方法

摘要

一种测距信号和话音信号锁相接收机，包括：锁相环路、测距信号滤波器、话音信号滤波器、静噪开关和开关控制器；锁相环路的第一输出端与静噪开关的第一输入端连接，静噪开关的输出端分别与测距信号滤波器和话音信号滤波器的输入端连接，锁相环路的第二输出端与开关控制器的输入端连接，开关控制器的输出端与静噪开关的第二输入端连接；开关控制器用于根据锁相环路的锁定开启静噪开关，并根据锁相环路的失锁断开静噪开关；当静噪开关开启时，输出测距信号和话音信号。该接收机可以避免测距通道/话音通道相互干扰。通过控制测距支路/话音支路断开，来自接收通道的噪声不会进入测距通道从而恶化下行频谱，也不会进入话音通道从而干扰后续信号处理电路的正常工作。

说明书

技术领域

本发明涉及载人航天测控通信技术领域，具体涉及一种测距信号和话音信号锁相接收机及其解调方法。

背景技术

统一载波测控体制是航天器测控通信分系统中常用的一种测控体制。该体制利用频分复用技术，将多个副载波信号和测距信号调相调制到一个统一的载波上。我国载人航天工程各航天器(飞船、空间站等)也是采用统一载波测控体制。由于载人航天的特殊性，在上行测控信号中，除了测距信号和遥控信号外，还需要调制话音信号。

统一载波测控体制采用锁相接收机对上行信号进行解调，当锁相接收机锁定上行信号时，锁相接收机通过相干解调法解调出测距信号与话音信号。但由于测距信号和话音信号的频带比较接近，这就造成了测距和话音两个通道之间互相干扰的问题：首先是测距信号对话音通道的干扰：对载人航天器而言，上行测控信号调制了话音信号之后，总调制度要比一般航天器上行测控信号的总调制度更大，解调器工作在临近非线性区域，造成测距信号有较大的谐波，测距信号及其谐波将进入话音通道从而干扰话音信号；其次是话音信号及其谐波通过测距通道的转发而进入发射频谱，形成发射频谱的杂波而干扰临近频带。

当锁相接收机未锁定上行信号时，大量的噪声能量通过接收通道进入测距通道和话音通道。测距通道内的噪声会转发到下行频谱，造成下行功率的抑制效应，影响测控通信分系统的正常工作。而话音通道内的噪声则会造成后续信号处理电路的误判。

发明内容

针对锁相接收机解调上行信号过程中存在的问题，本申请提供一种测距信号和话音信号锁相接收机及其解调方法。

根据第一方面，一种实施例中提供一种上行信号锁相接收机，包括锁相环路、测距信号滤波器、话音信号滤波器、静噪开关和开关控制器；

锁相环路的第一输出端与静噪开关的第一输入端连接，静噪开关的输出端分别与测距信号滤波器和话音信号滤波的输入端连接，锁相环路的第二输出端与开关控制器的输入端连接，开关控制器的输出端与静噪开关的第二输入端连接；

开关控制器用于根据锁相环路的锁定状态开启所述静噪开关，并根据锁相环路的失锁状态断开静噪开关；

当静噪开关开启时，测距信号滤波器用于输出统一载波信号中的测距信号；话音信号滤波器用于输出统一载波信号中的话音信号。

一种实施例中，还包括用于对接收的上行信号对其进行下变频形成中频信号的射频前端，射频前端的输出端分别与锁相环路和开关控制器的输入端连接。

一种实施例中，锁相环路包括鉴相器、环路滤波器和压控晶振；

鉴相器的输出端与环路滤波器的输入端连接，环路滤波器的输出端与压控晶振的输入端连接，压控晶振的输出端与鉴相器的输入端连接；

鉴相器的输出端还连接于静噪开关的第一输入端，压控晶振的输出端还连接于开关控制器的输入端。

一种实施例中，开关控制器包括乘法器、移相器和比较器；

移相器的输入端连接于压控晶振的输出端，移相器的输出端连接于乘法器的第一输入端，乘法器的第二输入端连接于射频前端的输出端，乘法器的输出端连接于比较器的输入端，比较器的输出端连接于静噪开关的控制端；

乘法器用于输出与所述锁相环的工作状态电压，比较器用于比较工作状态电压和参考电压，根据比较结果开启或关断静噪开关。

一种实施例中，测距信号滤波器包括若干级低通有源滤波器，话音信号滤波器包括若干级带通有源滤波器。

根据第二方面，一种实施例中提供一种测距信号和话音信号锁相接收机的解调方法，锁相接收机包括锁相环路、测距信号滤波器、话音信号滤波器、静噪开关和开关控制器，包括步骤：

上行测控信号处理：通过射频接收通道接收射频信号并对其进行下变频形成中频信号；

中频信号解调：锁相环路处于锁定状态时，对中频信号进行相干解调；

测距、话音信号提取：在锁相环为锁定状态时，开关控制器开启静噪开关，测距信号滤波器提取相干解调后的测距信号及话音信号滤波器提取相干解调后的话音信号。

一种实施例中，锁相环处于锁定状态，具体为：锁相环路输出信号和中频信号的载波相位相干。

一种实施例中，测距、话音信号提取包括步骤：

将锁相环路的输出信号的相位进行90°移相，并作为开关控制器的参考信号；

所述据参考信号计算出锁相环路的工作状态电压；

将工作状态电压转化为锁定指示电压；

根据锁定指示电压开启或关断静噪开关；

静噪开关开启时，测距信号滤波器提取相干解调后的测距信号及话音信号滤波器提取相干解调后的话音信号。

依据上述实施例的锁相接收机解调方法，由于通过在锁相接收机的测距支路上增加测距信号滤波器来滤除频率较高的话音信号，从而避免了话音信号及其谐波通过测距通道的转发而进入发射频谱，形成发射频谱的杂波；及通过在话音支路上增加话音信号滤波器来滤除话音支路上频率较低的测距信号及其谐波分量，从而避免了测距信号及其谐波进入话音通道干扰话音信号；当锁相接收机未锁定上行信号时，开关控制器关断静噪开关，使锁相环路的解调输出与测距支路/话音支路断开，来自接收通道的噪声不会进入测距通道从而恶化下行频谱，也不会进入话音通道从而干扰后续信号处理电路的正常工作。

附图说明

图1为实施例一的上行信号锁相接收机电路结构示意图；

图2为实施例一的测距信号滤波器的电路结构示意图；

图3为实施例一的测距信号滤波器的局部电路示意图；

图4为实施例一的话音信号滤波器的电路结构示意图；

图5为实施例一的话音信号滤波器的局部电路示意图；

图6为实施例二的上行信号锁相接收机解调方法的流程图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。

实施例一：

本例提供一种上行信号锁相接收机，其结构示意图如图1所示，包括锁相环路1、测距信号滤波器2、话音信号滤波器3、静噪开关4和开关控制器5。

其中，锁相环路1的第一输出端与静噪开关4的第一输入端连接，静噪开关4的输出端分别与测距信号滤波器2和话音信号滤波器3的输入端连接，锁相环路1的第二输出端与开关控制器5的输入端连接，开关控制器5的输出端与静噪开关4的第二输入端连接；开关控制器5用于根据锁相环路的锁定状态开启静噪开关4，并根据锁相环路1的失锁状态断开静噪开关4；当静噪开关4开启时，测距信号滤波器2用于输出上行信号中的测距信号；话音信号滤波器3用于输出上行信号中的话音信号。

基于无线通信的基本原理，上行信号在射频段以电磁波的形式传播，锁相接收机接收到上行信号后，只有降到中频段才能解调，所以，本例的锁相接收机还包括射频前端6，射频前端6的输出端分别与锁相环路1和开关控制器5的输入端连接，射频前端6用于对接收的上行信号对其进行下变频形成中频信号，如，2GHz的上行信号输入射频前端6，则射频前端6可以输出9MHz的中频段信号。

具体的，锁相环路1包括鉴相器11、环路滤波器12和压控晶振13；鉴相器11的输出端与环路滤波器12的输入端连接，环路滤波器12的输出端与压控晶振13的输入端连接，压控晶振13的输出端与鉴相器11的输入端连接，所以，鉴相器11、环路滤波器12和压控晶振13构成锁相环路1。

锁相环路1对上行信号中的测距信号和话音信号进行相干解调，具体的，鉴相器11用于将压控晶振13的输出信号和上行信号的载波进行相位比较，产生反映两路信号相位差的比较电压；环路滤波器12通过积分方式将比较电压转变为压控晶振13的控制电压。其中，环路滤波器12的环路带宽设为2kHz，则可将该支路上的测距信号和话音信号全部滤除；压控晶振13产生鉴相器11解调所需的参考信号。由于鉴相器11的鉴相特性为余弦型，因此当锁相环路1处于锁定工作状态时，压控晶振13输出的参考信号和上行信号的载波为90°正交，鉴相器11将上行信号中的测距信号和话音信号进行相干解调。

进一步，为了在锁相环路1处于失锁状态时，开关控制器5断开静噪开关4，本例的鉴相器11的输出端还连接于静噪开关4的第一输入端，本例的压控晶振13的输出端还连接于开关控制器5的输入端。

进一步，开关控制器5包括乘法器51、移相器52和比较器53；移相器52的输入端连接于压控晶振13的输出端，移相器52的输出端连接于乘法器51的第一输入端，乘法器51的第二输入端连接于射频前端6的输出端，乘法器51的输出端连接于比较器53的输入端，比较器53的输出端连接于静噪开关4的第二输入端；乘法器51用于输出锁相环路1的工作状态电压，比较器53用于比较工作状态电压和参考电压，根据比较结果开启或关断静噪开关4。

具体的，移相器52用于将压控晶振13的输出信号进行90°移相后作为乘法器51的参考信号。乘法器51输出锁定环路1的工作状态电压，比较器53将乘法器51输出的工作状态电压转换为锁定指示电压Vs：由于上行信号载波与压控晶振13的输出信号为90°正交，因此经90°移相后，若乘法器51的两路输入信号相位相同，则表明锁定环路1的工作状态为锁定状态，此时，乘法器51输出一个高电压(+10V)，该电压大于比较器53的参考电压Vr＝+9V，则比较器53将乘法器51的输出电压转化为锁定指示电压Vs＝+5V；相反的，若乘法器53的两路输入信号相位不相干，则表明锁定环路1的工作状态为失锁状态，此时，乘法器51输出一个低电压(+8V)，该电压小于比较器53的参考电压Vr＝+9V，比较器53将乘法器51的输出电压转化为锁定指示电压Vs＝0V。

静噪开关4在锁定指示电压Vs的控制下，接通或关断鉴相器11输出与测距通道/话音通道的连接，如，当锁定环路1锁定上行信号时，锁定指示电压Vs为+5V，鉴相器11的输出端连通测距信号滤波器2和话音信号滤波器3，测距信号滤波器2输出测距信号，话音信号滤波器3输出话音信号；当锁定环路1未锁定上行信号时，锁定指示电压为0V，鉴相器11的输出端与测距信号滤波器2和话音信号滤波器3断开，来自接收通道的噪声不会进入测距通道和话音通道。

进一步，测距信号滤波器2用于提取测距信号，并滤除测距支路上的的话音信号，话音信号滤波器3用于提取话音信号，并滤除话音支路上的测距信号及其谐波分量，为了验证测距信号滤波器2和话音信号滤波器3各自的滤除功能，本例中以测距信号为单音信号，频率为100kHz，则其二次谐波为200kHz，话音信号的频谱范围为220kHz～280kHz为例进行如下说明。

本例的测距信号滤波器2包括若干级低通有源滤波器，话音信号滤波器3包括若干级带通有源滤波器，具体的，如图2所示，测距信号滤波器2包括六级低通有源滤波器21，如图3所示，低通有源滤波器21由运算放大器A1、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电容C1与电容C2组成；其中，电阻R1一端为输入信号，另一端连接R2、R3、C1；电阻R2一端连接R1、R3、C1，另一端连接运算放大器A1的反相输入端；电阻R3一端连接R1、R2、C1，另一端连接运算放大器A1输出端；电容C1一端连接R1、R2、R3，另一端接地；电容C2一端连接运算放大器A1反相输入端，另一端连接运算放大器A1输出端。

每一级低通有源滤波器21的阻值和容值如下：

第一级：R1＝100kΩ，R2＝47kΩ，R3＝82kΩ，C1＝68pF，C2＝4.7pF；

第二级：R1＝110kΩ，R2＝47kΩ，R3＝91kΩ，C1＝39pF，C2＝6.8pF；

第三级：R1＝75kΩ，R2＝47kΩ，R3＝91kΩ，C1＝33pF，C2＝8.2pF；

第四级：R1＝82kΩ，R2＝30kΩ，R3＝39kΩ，C1＝330pF，C2＝3.3pF；

第五级：R1＝62kΩ，R2＝33kΩ，R3＝91kΩ，C1＝33pF，C2＝12pF；

第六级：R1＝62kΩ，R2＝39kΩ，R3＝91kΩ，C1＝33pF，C2＝10pF。

采用上述阻值和容值后，测距信号滤波器2的3dB带宽为150kHz，100kHz的测距信号可以可靠通过。测距信号滤波器2在频率大于220kHz处抑制40dB以上，有效地滤除了测距支路上的220kHz-280kHz话音信号及其谐波分量；在滤波器带宽和带外抑制既定的情况下，采用上述阻值和容值还可以获得较好的稳定性。

如图4所示，本例的话音信号滤波器3包括七级带通有源滤波器31，如图5所示，带通有源滤波器31由运算放大器A2、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电容C3与电容C4组成；其中，电阻R4一端为输入信号，另一端连接C3、C4、R5；电阻R5一端连接C3、C4、R4，另一端接地；电容C3一端连接R4、R5、C4，另一端连接运算放大器A2输出端；电容C4一端连接R4、R5、C3，另一端连接运算放大器A2的反相输入端；电阻R6一端连接运算放大器A2反相输入端，另一端连接运算放大器A2输出端。

每一级带通有源滤波器31的阻值和容值如下：

第一级：R4＝9.1kΩ，R5＝1kΩ，R6＝91kΩ，C3＝220pF，C4＝22pF；

第二级：R4＝7.5kΩ，R5＝680Ω，R6＝91kΩ，C3＝270pF，C4＝27pF；

第三级：R4＝7.5kΩ，R5＝750Ω，R6＝100kΩ，C3＝270pF，C4＝27pF；

第四级：R4＝6.2kΩ，R5＝330Ω，R6＝91kΩ，C3＝330pF，C4＝33pF；

第五级：R4＝4.3kΩ，R5＝300Ω，R6＝91kΩ，C3＝470pF，C4＝47pF；

第六级：R4＝3.3kΩ，R5＝36Ω，R6＝91kΩ，C3＝1000pF，C4＝100pF；

第七级：R4＝1.1kΩ，R5＝43Ω，R6＝100kΩ，C3＝1200pF，C4＝120pF。

采用上述阻值和容值后，话音信号滤波器3的中心频率为250kHz，3dB带宽为80kHz，话音信号可以可靠通过，话音信号滤波器3在频率小于200kHz处抑制20dB以上，频率小于100kHz处抑制100dB以上，有效地滤除了话音支路上100kHz的测距信号及其谐波分量；在滤波器带宽和带外抑制既定的情况下，采用上述阻值和容值还可以获得较好的稳定性。

因此，本实施例的锁相接收机通过在测距支路上增加测距信号滤波器2来滤除220kHz-280kHz的话音信号，从而避免了话音信号及其谐波通过测距通道的转发而进入发射频谱，形成发射频谱的杂波；通过在话音支路上增加话音信号滤波器3来滤除话音支路上100kHz的测距信号及其谐波分量，从而避免了测距信号及其谐波进入话音通道干扰话音信号；另外，当锁相接收机未锁定上行信号时，鉴相器11的解调输出与测距支路/话音支路断开，来自接收通道的噪声不会进入测距通道从而恶化下行频谱，也不会进入话音通道从而干扰后续信号处理电路的正常工作。

实施例二：

基于实施例一，本例提供一种上行信号锁相接收机的解调方法，锁相接收机包括：锁相环路、测距信号滤波器、话音信号滤波器、静噪开关和开关控制器，其解调方法包括如下步骤，其流程图如图6所示。

S100：上行测控信号处理：通过射频接收通道接收射频信号并对其进行下变频形成中频信号。

由于上行信号在射频段以电磁波的形式传播，锁相接收机接收到上行信号后，只有降到中频段才能解调。

S200：中频信号解调：锁相环路处于锁定状态时，对中频信号进行相干解调。

锁相环路处于锁定状态是指锁相环路输出信号和中频信号的载波相位相干；具体判断方法是：根据实施例一的锁相环路的构成，鉴相器将压控晶振输出的参考信号和上行信号进行相位比较，若相位相干，则锁相环路处于锁定状态；若不相干，则鉴相器产生反映两路信号相位差的比较电压；环路滤波器通过积分方式将比较电压转变为压控晶振的控制电压；压控晶振产生鉴相器解调所需的参考信号；然后，鉴相器继续比较两路信号相位是否相同。

步骤S200之后，还包括分别滤除测距信号中的话音信号和滤除话音信号中的测距信号及测距信号产生的谐波信号，其具体的滤除过程请参考实施例一中的测距信号滤波器和话音信号滤波器。

S300：测距、话音信号提取：在锁相环为锁定状态时，开关控制器开启静噪开关，测距信号滤波器提取相干解调后的测距信号及话音信号滤波器提取相干解调后的话音信号。

本步骤具体包括：将锁相环路的输出信号的相位进行90°移相，并作为开关控制器的参考信号；根据参考信号计算出锁相环路的工作状态电压；将工作状态电压转化为锁定指示电压；根据锁定指示电压开启或关断静噪开关；静噪开关开启时，测距信号滤波器提取相干解调后的测距信号及话音信号滤波器提取相干解调后的话音信号。

其中，将工作状态电压转化为锁定指示电压具体包括：当锁相接收机锁定上行信号时，乘法器两路输入信号相位相干，乘法器输出电压高于比较器参考电压，比较器输出的锁定指示电压为高电平；当锁相接收机未锁定上行信号时，乘法器两路输入信号相位不相干，乘法器输出电压低于比较器参考电压，比较器输出的锁定指示电压为低电平。

根据锁定指示电压开启或关断静噪开关，具体是：锁定指示电压为高电平时，静噪开关导通，锁相接收机输出测距信号和话音信号；锁定指示电压为低电平时，静噪开关断开，来自接收通道的噪声不会进入测距通道和话音通道。

因此，本实施例的解调方法不仅避免了话音信号及其谐波通过测距通道的转发而进入发射频谱，形成发射频谱的杂波；还避免了测距信号及其谐波进入话音通道干扰话音信号；另外，通过控制测距支路/话音支路断开，来自接收通道的噪声不会进入测距通道从而恶化下行频谱，也不会进入话音通道从而干扰后续信号处理电路的正常工作。

以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。