碼分多址測控系統(tǒng)的功率調(diào)節(jié)?

肖小兵??（中國西南電子技術(shù)研究所，成都610036）

碼分多址測控系統(tǒng)的功率調(diào)節(jié)?

肖小兵??
（中國西南電子技術(shù)研究所，成都610036）

遠近效應(yīng)是碼分多址測控系統(tǒng)中影響飛行器多址接收性能的重要因素。分析了遠近效應(yīng)在多站測控系統(tǒng)中對飛行器接收性能的影響，提出了在該系統(tǒng)中進行功率控制的必要性，給出了地面測控站功率調(diào)節(jié)的方法和策略，可作為多站應(yīng)用的碼分多址測控系統(tǒng)功率調(diào)節(jié)的參考思路。

擴頻測控通信；碼分多址；遠近效應(yīng)；碼間干擾；功率調(diào)節(jié)

1 引言

在擴頻測控通信系統(tǒng)的應(yīng)用中，可利用不同的擴頻碼來實現(xiàn)多個地面站對同一飛行器目標的同時測控與通信。當多個地面站的發(fā)射機發(fā)送同頻異碼的信號到同一個飛行器目標時，飛行器載終端同時接收多路處于不同距離地面站發(fā)送碼分多址信號，在發(fā)射端有效全向輻射功率（EIRP）相同的情況下，由于信號在不同距離的空間傳輸損耗引入各路信號的電平差，在電平差超過一定范圍時，強電平鏈路信號會對弱信號接收鏈路形成干擾，即俗稱的碼分多址測控系統(tǒng)的“遠近效應(yīng)”［1－3］。

為了減少飛行載終端接收的各路碼分多址信號之間可能形成的相互干擾，在多址測控應(yīng)用中應(yīng)將到達飛行器載終端接收端口的各路信號電平控制在一定的范圍內(nèi)，這就需要地面站具有相應(yīng)的發(fā)射功率調(diào)節(jié)能力。特別是在對低軌高速飛行器的測控過程中，由于飛行器在每一個地面站作用范圍內(nèi)的跟蹤、測量時間較短，采取人工功率控制的方式不能適應(yīng)任務(wù)的快速響應(yīng)需求，需要在系統(tǒng)監(jiān)控軟件內(nèi)設(shè)置相應(yīng)的程序，根據(jù)一定的策略來進行自動控制。

本文采取了閉環(huán)檢測與控制的方式［4］，在各地面站中通過系統(tǒng)測量獲得距離數(shù)據(jù)，結(jié)合飛行器載終端的相關(guān)遙測參數(shù)，來實現(xiàn)準確、實時、快速的地面站功率調(diào)節(jié)，以滿足高速飛行器測控系統(tǒng)的應(yīng)用需求。

2 多地面站發(fā)射功率控制的需求

2.1 多址接收性能及抗干擾容限分析

在多站發(fā)送單點接收的碼分多址系統(tǒng)中，各路信號之間容許的電平差取決于接收信號路數(shù)、擴頻增益、接收信號信噪比等一系列的參數(shù)。

對于接收多站（異步）信號的飛行器接收端，其他各路信號可以看作是對其中一路的干擾分量。一方面會使接收機接收相應(yīng)信號的碼元內(nèi)能量與噪聲密度比（Eb／No）降低；另一方面，當某一路信號電平與另一路電平差超過擴頻接收機抗干擾容限時，會對弱信號支路的接收產(chǎn)生干擾。

假定第k個地面站的發(fā)射信號為

對于共計K個地面站的碼分多址系統(tǒng)，飛行器端的接收信號為

其中，φk＝θk－ωcτk，n（t）表示雙邊功率譜密度為N0／2的高斯白噪聲。在接收端經(jīng)過相關(guān)處理后，對第i路發(fā)射信號相關(guān)匹配解擴后的信噪比為

其中，μk，i（n）為互相關(guān)參數(shù)，N為擴頻增益。

當多址地面站采用｛＋1，－1｝均勻分布的隨機序列時，可以近似得到

因此，式（3）可近似轉(zhuǎn)化為

式（4）及式（5）中，K為多址地面站總數(shù)，N為擴頻增益，（Eb／No）為接收單個信號時的碼元能量與噪聲密度比，設(shè)引入多址干擾損耗后的碼元內(nèi)能量與噪聲密度比為（Eb／No）j，有

從式（6）可見，在系統(tǒng)中每路信號的（Eb／No）j都將小于單路信號應(yīng)用時的（Eb／No）。當（Eb／No）j仍然大于接收端解調(diào)所需的解調(diào)門限（Eb／No）L時，該路信號即能正常解調(diào)。

當其中的一路或多路信號電平增強，相應(yīng)的碼元內(nèi)能量與噪聲密度比增強至（Eb／No）H，式（6）的關(guān)系將會發(fā)生變化，（Eb／No）j有進一步降低的趨勢，與強信號的路數(shù)以及信號電平強度相關(guān)。同時，強信號的支路將會對其他多路較弱信號的干擾逐步增大，從定性的角度，一旦使強、弱信號電平之差ΔP＝［（Eb／No）H－（Eb／No）j］超過式（7）所示的擴頻接收機抗干擾容限ΔPM后［1］，弱信號支路就會出現(xiàn)誤碼，甚至不能正常鎖定。

式中，N為擴頻增益，M為系統(tǒng)裕量以及信號定標的不準確性（由設(shè)備技術(shù)狀態(tài)確定，對于不同的設(shè)備M取值不同，所以需要獲得實測數(shù)據(jù)）。ΔPM是由設(shè)備的設(shè)計以及研制狀態(tài)決定的，不受多目標或單目標的應(yīng)用而變化。當N為30 dB（10 Mchip／s的擴頻碼對10 kb／s的信息進行擴頻時），（Eb／No）L假設(shè)為10 dB，M取為5 dB，ΔPM的計算值約為15 dB。

ΔPM可以通過接收機的參數(shù)計算及仿真獲得，也可以直接對接收機進行實測獲得。計算或仿真得到的ΔPM值往往比較理想化，在實際工程中，由于受電路參數(shù)、設(shè)備調(diào)試狀態(tài)以及應(yīng)用環(huán)境等條件的約束和限制，擴頻接收設(shè)備實際的抗干擾容限值往往低于計算或仿真獲得的ΔPM值。因此，在工程應(yīng)用中，不建議將ΔPM計算值作為實際操作的依據(jù)，而應(yīng)根據(jù)飛行器載終端實際達到的技術(shù)狀態(tài)（即實測數(shù)據(jù)）確定。

2.2 工程應(yīng)用的多址功率調(diào)節(jié)需求

設(shè)定以地面站與飛行器最遠作用距離為R（km）（視距范圍內(nèi)）、最近距離以R／10（km）（正過頂）的飛行狀態(tài)為例，飛行器從最遠端到過頂（或從過頂狀態(tài)再到最遠端）的飛行狀態(tài)條件下，空間鏈路電平衰減變化在20 dB左右。

考慮某個地面站正處于飛行器過頂，而另一個地面站或多個地面站已處于或即將在離飛行器最遠端的極端狀態(tài)，如圖1所示。在該應(yīng)用場景下，如果地面站仍然都還以相同功率發(fā)射上行信號，到達飛行器載終端的信號電平差就有20 dB左右，再考慮到飛行器載天線在不同方向的增益差異以及飛行器姿態(tài)變化引入的損耗等，其電平差可能還會更大。

在多個地面站同時工作時，若不對上行發(fā)射信號進行實時調(diào)節(jié)，飛行器載終端接收到的任意兩路信號電平差值就會超過飛行器載終端容許的ΔPL值，強信號對弱信號形成干擾，使其中一路或多路接收通道的測量精度下降或數(shù)據(jù)傳輸誤碼率增大。

3 上行功率實時調(diào)節(jié)處理時延與調(diào)節(jié)效果

對于多站同時測控的應(yīng)用狀態(tài)，需要通過調(diào)節(jié)各站擴頻發(fā)射信號功率來減小到達飛行器接收端的電平差，將其控制在飛行器載終端允許的電平差范圍內(nèi)。

對于低軌高速飛行器，由于單站的有效測控時間較短，如果采取人工控制的方式來進行功率調(diào)節(jié)，將會增大調(diào)節(jié)誤差，而達不到有效的調(diào)節(jié)效果。有效的途徑是采取實時控制或定點（定時或根據(jù)距離段分段處理）控制的方式，兩種方式在電平控制范圍和處理復(fù)雜程度上各有側(cè)重，需要根據(jù)系統(tǒng)應(yīng)用需求來選擇使用。

實時控制需要地面站對整個飛行過程中的狀態(tài)進行實時閉環(huán)檢測、計算與判決，將大大增加系統(tǒng)監(jiān)控軟件的運算量，嚴重時會影響系統(tǒng)功能的正常運行。因此，對于低軌高速飛行器，需要采取合理的策略實施功率控制，如可采取根據(jù)距離變化的定點控制方法，在既不影響系統(tǒng)正常運行的前提下，又能滿足多址應(yīng)用的功率調(diào)節(jié)需求。

如前文所述，飛行器載終端接收各路信號允許的電平差取決于信號路數(shù)、擴頻增益、接收信號信噪比等一系列參數(shù)，也與飛行器載終端的技術(shù)實現(xiàn)狀態(tài)密切相關(guān)，這是實施功率調(diào)節(jié)的主要決定參數(shù)。

為了保證飛行器載終端對距離最遠端的地面站發(fā)射信號的正常接收，該地面站的等效輻射功率EIRPi應(yīng)調(diào)節(jié)在滿足飛行器載終端解調(diào)需求范圍內(nèi)，即到達飛行器接收端的（Eb／No）j應(yīng)不小于（Eb／No）L。

當?shù)孛嬲景l(fā)射為EIRPi時，飛行器載終端在最遠端時的接收電平為PimindBm，該值不是指飛行器載終端的接收靈敏度，而是指在多站應(yīng)用時，設(shè)定的在最遠距離狀態(tài)下飛行器載終端能夠正常應(yīng)用的接收電平值。隨著飛行器與地面站之間距離的縮短，飛行器載終端接收某路信號的電平逐漸增強，而其他一些站與飛行器的距離又會逐漸增大，飛行器載終端接收這些支路的信號電平會逐漸減小。各地面站可根據(jù)相應(yīng)的參數(shù)進行功率調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)原則就是使飛行器載終端接收各站信號之間的電平差小于ΔP。

飛行器載終端接收某站i的信號電平為

此時，目標接收電平Pi（t）是與空間傳輸損耗Ls（t，s）密切相關(guān)的，是隨飛行時間t和距離s變化的參數(shù)；Ga（t，α，β）是由已知的飛行器載天線增益Ga和其他因素引入的變化ΔGa（t，α，β）組成，與飛行時間t（隨著飛行時間變化，飛行器載天線方向圖的覆蓋范圍也會發(fā)生變化，對相應(yīng)地面站的增益也將有所改變）以及飛行器姿態(tài)的α及β角度相關(guān)。

由于飛行器載姿態(tài)的不確定性，飛行器載天線增益Ga（t，α，β）的變化通常無法直接獲得定量的變化數(shù)據(jù)，在工程應(yīng)用中，可把相應(yīng)的變化通過下行信號AGC的變化（可能包含飛行器載姿態(tài)、距離變化等引入的分量）來反推。除距離的影響因素外，其他環(huán)節(jié)的影響都可以歸納在天線增益的變化內(nèi)，可通過下行AGC反推得出增益變化參考值ΔGa（t，α，β），再以此推算出等效的Ga（t，α，β）。距離引入的空間損耗Ls（t，s）可以通過地面站i本站獲得的實時測距數(shù)據(jù)計算獲得（但有一定的滯后，包括擴頻基帶的測距處理時間、監(jiān)控分系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)刷新時間、計算時間等）。

上行發(fā)射功率調(diào)節(jié)的響應(yīng)時間主要由以下幾個環(huán)節(jié)的時間決定。

（1）測距處理時間T1

地面站經(jīng)過信號處理以及測距數(shù)據(jù)處理的時間，在硬件中的處理時間約為μs量級，基本可忽略，考慮軟件的處理時間，到送出測距數(shù)據(jù)的時間為ms量級，暫以T1＝10ms考慮。

（2）AGC電壓處理時間T2

地面站送出AGC電壓的時間通常可以設(shè)置，分為1ms、10ms、100ms、1 s等多檔量級，暫以T2＝1 s考慮。

飛行器載終端AGC的獲得時間取決于飛行器載遙測采集時間、空間傳輸時延（極小，可忽略）、地面遙測接收時間、地面站數(shù)據(jù)采集刷新時間等，也可暫以1 s考慮。

（3）地面站采集測距數(shù)據(jù)以及AGC數(shù)據(jù)刷新時間T3

基本設(shè)置為1 s刷新一次，也就是說地面站系統(tǒng)得到的距離以及AGC數(shù)據(jù)最大時間可能是1 s以前的數(shù)據(jù)，暫以最大情況T3＝1 s考慮。

（4）功放功率調(diào)節(jié)時間T4

該時間在毫秒量級，根據(jù)工程經(jīng)驗初步估計為在300ms以內(nèi)，暫以T4＝0.3 s考慮。

根據(jù)以上分析，以最惡劣的串行時間統(tǒng)計方式，地面站上行鏈路功率進行調(diào)節(jié)的最大處理時延約為

對于航天飛行器，飛行速度以6 km／s為例，在2.31 s時間內(nèi)，最大距離變化約為13.8 km。以飛行器過頂最近端為50 km狀態(tài)示例（過頂距離更高時，影響更?。?，飛行器在2.31 s時間內(nèi)飛行距離變化了13.8 km，但由于此時飛行器的飛行方向與地面站波束徑向基本垂直，在切線方向飛行了13.8 km時，與地面站的徑向距離變化約為1.9 km，這一狀態(tài)下的系統(tǒng)2.3 s處理時延引入的空間損耗變化約為0.4 dB，也就是說由功率調(diào)節(jié)處理時延ΔT引入的飛行器載終端接收電平變化約為0.4 dB，遠遠小于ΔP的范圍，不會影響功率調(diào)節(jié)的效果。

而對于飛行器與地面站之間處于最遠端時，基本上可以看成徑向距離的變化，大約為13.8 km的距離變化，以400 km最大距離示例，引入的空間損耗變化約為0.3 dB，由此引入的飛行器載終端接收電平變化也約為0.3 dB。同樣，這一狀態(tài)下地面站處理時延對系統(tǒng)的功率調(diào)節(jié)效果基本不會產(chǎn)生影響。

因此，可設(shè)置系統(tǒng)處理時間（時延）引入的電平變化在1 dB范圍內(nèi)，在控制程序中進行預(yù)先設(shè)置提前量實時地抵消，能使功率調(diào)節(jié)效果滿足系統(tǒng)應(yīng)用要求。

4 上行功率實時調(diào)節(jié)方案與策略

考慮到飛行器載終端對多個地面站上行各路信號的電平差有一定的允許范圍，即ΔP值一般都有較大的范圍。如在4個站同時工作的狀態(tài)下，假定飛行器載終端同時接收4路上行信號時任意兩路接收信號的電平差ΔP為15 dB（暫定，需要根據(jù)計算或終端生產(chǎn)方提高數(shù)據(jù)），對地面站發(fā)射功率的控制就是要達到在一定時間段或飛行一段距離過程中使其發(fā)射的信號功率到達飛行器載終端接收機輸入口的電平均保持在額定接收電平值（如設(shè)定的接收電平值Pimin）附近的一定范圍內(nèi)，若取控制值目標為ΔPS，則從本控制點到下一控制點的時間（或距離）段內(nèi)的電平可以保持在（Pimin±ΔPS）的范圍內(nèi)，若取ΔPS為6 dB，則每兩路信號之間的最大電平差可以控制在12 dB以內(nèi)。

（1）考慮距離變化引入的電平變化的功率調(diào)節(jié)流程

由于無線電信號在空間傳播引入的衰減與距離直接關(guān)聯(lián)，當距離增加到初始距離的1倍時，電平變化6 dB，從最遠端（暫定為距離R，單位為km）到過頂（暫定距離R／10）整個距離變化約10倍，電平變化20 dB，再考慮其他因素，最大電平變化可能達到30 dB，在400～500 km的飛行過程中可以分解為4段5個控制點來進行處理。因此，地面站首先可以通過測距數(shù)據(jù)來進行功率控制。

地面站上行功率控制的相應(yīng)流程如圖2所示，流程圖中i需從0～4以及5～8執(zhí)行完，才構(gòu)成整個飛行段的控制，圖中是以簡化示意。與全程實時控制流程相比較，減少了不間斷循環(huán)與連續(xù)計算環(huán)節(jié)，只需要9個點的判斷和控制過程，系統(tǒng)監(jiān)控軟件的計算量和控制操作環(huán)節(jié)大大減少。

以上方案是以飛行器入站點距離S0為500 km為例的距離值和控制節(jié)點數(shù)設(shè)計，某站的S0發(fā)生變化，距離數(shù)值甚至控制節(jié)點數(shù)都要作相應(yīng)調(diào)整。

（2）考慮其他因素變化引入的電平變化的功率調(diào)節(jié)補償

對于飛行器姿態(tài)以及空間傳輸引入的額外電平差的修正，可以通過飛行器載終端AGC電壓或地面站接收下行信號AGC電壓值來計算獲得。如果地面站不能直接獲得飛行器遙測中終端的AGC參數(shù)（如本站未授權(quán)處理下行遙測數(shù)據(jù)時），只有采取通過下行信號的地面站AGC電平值來反推上行電平變化的方式，并以該反推數(shù)據(jù)來進行發(fā)射功率的調(diào)節(jié)，這一反推的方式與直接對飛行器載終端AGC參數(shù)進行判決與計算的方式有一定的誤差，但可以預(yù)先標定、修正。處理流程如圖3所示。

對于這一部分的衰減量，將在對發(fā)射功率調(diào)節(jié)值中扣除，即如果通過計算得出由于這些因素引入了約1 dB的衰減，那么每一檔的衰減調(diào)節(jié)中將減掉1 dB的衰減量。

（3）定點實施功率調(diào)節(jié)的效果

根據(jù)前文分析，系統(tǒng)計算及處理時間引入的功率控制誤差可以控制在0.4 dB（系統(tǒng)可按最大1 dB進行設(shè)計），不會影響整個功率控制的趨勢，因此，在每一段控制范圍，可以將飛行器載終端的每路接收功率控制在最大與標稱值EIRPi有6 dB的偏差范圍以內(nèi)。

以飛行前半段（由進站遠端到過頂）及飛行后半段（由過頂?shù)匠稣具h端）的整個過程為例，飛行器載終端對某一站接收信號的功率變化過程如圖4示意，全程設(shè)置約9個控制點（具體點數(shù)與系統(tǒng)控制精度以及最大作用距離相關(guān)）。4個站同時這樣進行功率控制后，在某一時刻飛行器載終端接收的四路信號的電平差最大不會超過12 dB，可以控制在飛行器載終端允許的電平差范圍內(nèi)（暫定飛行器載終端的ΔP大于15 dB）。

對發(fā)射功率的定點控制可以通過地面站系統(tǒng)監(jiān)控軟件按相應(yīng)控制流程設(shè)計相應(yīng)模塊，嵌入到系統(tǒng)監(jiān)控軟件之中，根據(jù)需要啟動程序?qū)崿F(xiàn)自動控制。

當某地面站的S0發(fā)生變化（最大作用距離增大或縮短時），圖4中S1到S8的距離數(shù)值及控制節(jié)點數(shù)需作相應(yīng)調(diào)整。

5 結(jié)束語

擴頻信號體制為測控系統(tǒng)的碼分多址應(yīng)用提供了有利的條件，但其多址應(yīng)用時多用戶之間的干擾是系統(tǒng)設(shè)計和工程應(yīng)用必須考慮的關(guān)鍵因素，特別是碼分多址系統(tǒng)必然存在的“遠近效應(yīng)”，如果不加以相應(yīng)功率控制，就會影響系統(tǒng)性能的正常發(fā)揮。本文對碼分多址系統(tǒng)功率控制需求與方法進行了分析，提出了消除遠近效應(yīng)的參考方案，在這一方案中，如何保證在極短的時間內(nèi)進行各種參數(shù)的采集與計算是功率調(diào)節(jié)實現(xiàn)與應(yīng)用的關(guān)鍵。由于飛行器姿態(tài)變化以及空間損耗引入的誤差項的修正也是系統(tǒng)必須關(guān)注的重要環(huán)節(jié)。

［1］劉嘉興.飛行器測控通信工程［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2010. LIU Jia-xing.Spacecraft TT＆C and Communication Engineering［M］.Beijing：NationalDefense Industry Press，2010.（in Chinese）

［2］劉嘉興.飛行器測控與信息傳輸技術(shù)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2011. LIU Jia-xing.Spacecraft TT＆C and Informationg Transmission Technology［M］.Beijing：National Defense Industry Press，2011.（in Chinese）

［3］朱明.功率控制在CDMA以及實際接收機中的應(yīng)用［J］.中山大學(xué)研究生學(xué)刊（自然科學(xué)與醫(yī)學(xué)版），2007，28（1）：45－50. ZHUMing.Power Control in CDMA and the Application in the Reciver［J］.Journalof the Graduates Sun YAT-SENUniversity（Natural Sciences and Medicine），2007，28（1）：45－50.（in Chinese）

［4］楊會玉，李雅梅.3G系統(tǒng)功率控制技術(shù)的研究與比較［J］.中國新通信，2009，11（13）：49－51. YANGHui-yu，LIYa-mei.Research and Comparison on Power Control Technology for 3G System［J］.China New Telecommunications，2009，11（13）：49－51.（in Chinese）

Power Control in CDMA TT＆C SysteMs

XIAO Xiao-bing
（Southwest China Instituted of Electronic Technology，Chengdu 610036，China）

Near-far effect is an important factor that affects the reception performance in CDMA（Code Division Multiple Access）TT＆C systems.The impactof near-far effect on the reception performance in themulti-station TT＆C systeMis analyzed，and the necessity of power control is presented.Finally，amethod and strategy of power control is given，which can be considered as a reference inmulti-station CDMA TT＆C system.

spread spectruMTT＆C；code division multiple access；near-far effect；inter-symbol interference；power control

the B.S.degree in 2002.He is now an engineer.His research concerns aerospace TT＆C technology.

TN914.4；V556

A

1001－893X（2013）06－0688－06

肖小兵（1979—），男，江西吉水人，2002年獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為工程師，主要從事航天測控通信系統(tǒng)總體技術(shù)方面的研究。

10.3969／j.issn.1001－893x.2013.06.002

2013－03－19；

2013－05－08 Received date：2013－03－19；Revised date：2013－05－08

??通訊作者：xzf0882＠sina.coMCorresponding author：xzf0882＠sina.com

XIAO Xiao-bing was born in Jishui，Jiangxi Province，in 1979.He

Email：xzf0882＠sina.com