技术大牛逆向工程阿波罗飞船调频电台并剖析其原理

逆向工程阿波罗飞船的调频电台

文：KEN SHIRRIFF

美国宇航局是如何与距离地球几十万英里的阿波罗宇航员联络的呢？预调制处理器1（下图）是阿波罗飞船上的通信系统的核心。它的多种功能包括一个用于与宇航员通信的调频电台，由语音检测器实现，该模块位于顶部第二位。在这篇博文中，我对该模块的电路进行了逆向工程，并解释了它的工作原理。

拆除预调制处理器的外壳后，其内部模块和线束都可以看到。

阿波罗的通信系统很复杂，而且充满了冗余性。大多数通信是通过HF无线电链路进行的，支持音频、遥测、科学数据和电视图像。2 NASA巨大的85英尺碟形天线以2106.4兆赫的S波段频率向航天器传输信号，因此该系统被命名为 “统一S波段”。这些无线电信号使用相位调制进行编码；3 在航天器上，一个被称为转发器的复杂盒子接收S波段信号并对其进行解码。

来自地球的语音和数据信号通过第二层调制结合起来：语音被频率调制（FM）到一个30千赫兹的副载波上，而数据则在一个70千赫兹的副载波上，因此这两个信号不会发生冲突。这些语音信号被送到另一个盒子里，即音频中心设备，这样宇航员就可以听到来自地面的信息。数据信号由上行数据链路解码，允许NASA向阿波罗指导计算机发送命令，控制机载继电器，或设置航天器的时钟。

许多系统一起工作进行通信，但我专注于一个单一的模块：预调制处理器内的语音检波器，执行调频解调。下面的方框图显示了语音检波器的操作；我把数据检波器涂成了灰色。6 输入包含不同频率的语音信号和数据信号；一个带通滤波器（绿色）分离出30千赫兹的语音信号。接下来，蓝色三角形7使用一个 “削波鉴别器 “电路解调调频信号。青色三角形是一个放大器，产生 “上行语音 “输出信号（红色），所谓的 “上行 “是因为它是从地面站传输过来的。下面我将详细解释这个电路。

数据和语音检波器的方框图，其中数据检测器为灰色。每个 “Q “表示电路中的一个晶体管。点击此图（或任何其他图）可获得更大的版本。根据《指挥/服务模块系统手册》第63页。

下面的照片显示了预调制处理器的外壳。1预调制处理器（PMP）重14.5磅，尺寸为4.7英寸×6英寸×10.5英寸。它使用8.5瓦的功率，由航天器的氢/氧燃料电池或银氧化锌电池以28伏的直流电供应。PMP与大多数电子设备一起被安装在指挥舱的设备舱内。8它被固定在一个 “冷板 “上，由水-乙二醇循环冷却，通过散热器和水蒸发器带走热量。

预调制处理器是一个淡蓝色的盒子，上面有四个圆形的连接器。

结构

预调制处理器中的模块不使用印刷电路板，而是由焊接在金属钉上的元件构成，形成一个混乱的布线。圆形晶体管被倒置安装，并有颜色编码的接线：黄色为发射器，绿色为基极，蓝色为集电极。电容器是银色的圆柱体或灰色的方块，而橙色条纹的圆柱体是一个二极管。电阻器有彩色的条纹，表示它们的数值。点对点布线提供了额外的连接，由彩色编码的绝缘线、裸线和透明套筒中的电线混合而成。

预调制处理器中的布线特写。这些连接是焊接的，但其他连接是点焊的。

由于组件和线路是可见的，看起来这些模块应该很容易逆向工程，但这比看起来要棘手。这些组件被大量覆盖在看起来像热胶的东西上，但可能是硅胶。(我怀疑这只是用于地面测试的设备，而用于太空飞行的模块是完全密封的，以防止短路）。许多线路都被遮住了，所以我不得不用万用表探测出许多连接。因此，我的逆向工程可能有一些错误。

模块的两面都有电路，这增加了密度。下面的照片显示了模块的顶面。这个模块包括一些较大的元件，直接安装在底盘上，而不是安装在电路板上。顶部的大金属盒是带通滤波器，由宝路华电子公司制造，该公司是手表公司的一个部门，生产石英晶体、振荡器、滤波器、伺服放大器和其他部件。这个带通滤波器是为预调制处理器的制造商柯林斯Collins Radio制造的，估计包含一个石英滤波器，选择30千赫兹的语音子波段，拒绝其他频率。在右下方是一个较小的黑盒子，是一个切换信号的机电继电器。两个灰色的盒子是音频变压器，用来耦合模块的输出信号。左边的连接器的线路完全被硅胶覆盖，不方便反向工程。

语音检波器模块的俯视图。

电路板底面的电路有序地排列成列，与另一面不同。我不知道为什么两边的设计风格会如此不同。然而，在一些地方，他们把元件放在其他元件下面，所以电路并不像看上去那样有序。在底部可以看到带通滤波器的背面。模块的两边是由几根灰色的电线连接的。

语音检波器模块的底视图。

调频解调器如何工作

调频广播有一段悲惨的历史。它是由多产的无线电技术发明家埃德温-阿姆斯特朗于1933年发明的（与第一个登上月球的尼尔-阿姆斯特朗没有关系）。调频是AM（振幅调制）的一个优越替代品，AM是一种较早的无线电传输系统。不幸的是，RCA（美国无线电公司）在调幅无线电中投入了大量资金，并游说阻止调频的引入。阿姆斯特朗花了多年时间在法庭上与RCA抗争，但收效甚微，导致他在1954年自杀。几乎一年后，他的妻子从RCA获得了一百万美元的赔偿（按现在的美元计算约为800万美元），随后成功地进行了专利诉讼，使阿姆斯特朗被承认为调频的发明者。最终，在20世纪60年代，调频广播取得了商业上的成功，并在太空计划中得到应用。

在调频信号中，载波信号的频率根据输入信号而改变（调制）。也就是说，传输信号的变化频率表明了输入信号的水平。调频解调电路撤销这一过程，将变化的频率输入转换为相应的电压，以恢复原始信号。许多调频接收机的设计都采用了线性、噪声抑制和电路复杂性的权衡。9简单但不准确的斜率检波器使用一个高通滤波器，在较高频率下产生更多的输出。有几种技术使用了与载波频率相调谐的电路，因此输出随着频率偏差而增加：可追溯到1936年的老式福斯特-塞利鉴别器、比率检测器以及简单而流行的正交检测器。复杂的锁相环（PLL）方法使一个振荡器锁定在输入频率上，同时产生相应的电压。

然而，预调制处理器使用了一个脉冲平均鉴别器，这是一个高质量但昂贵的解调器，用于宽带应用，如遥测。下图说明了调频调制和解调过程。顶部的红线显示的是音频输入信号，它对紫色信号进行调制：当输入信号较高时，紫色信号的频率也较高。调频的紫色信号被传送到航天器上。为了解调该信号，预调制处理器首先放大并剪辑信号（绿色）。接下来，它产生短的、固定宽度的脉冲（灰色），由每个绿色脉冲触发；随着输入频率的增加，这些脉冲将更加接近。应用一个低通滤波器使脉冲变得平滑，当脉冲接近时，输出电平会更高。

在不同处理阶段的调频信号：输入、调频调制信号、削波信号、固定宽度的脉冲和输出。

看一下预调制处理器的电路，第一步是放大和剪辑输入信号，把输入变成方波。这一步消除了输入信号电平的任何变化，减少了噪音的影响，并为下一阶段创造一个干净的信号。削波是通过一对二极管完成的。一个二极管会在大约0.6伏时开启，所以结果是信号被限制在-0.6伏至0.6伏之间。你可以把削波看作是切断正弦波的峰值并进行放大，因此你最终得到的是尖锐的过渡，而不是一个平滑的波。晶体管对输入进行放大，使用的是基本的NPN晶体管放大电路。中间的两个二极管对信号进行削波。电容阻断了信号的直流分量，确保它在0的中心位置进行对称削波。

削波器的一个阶段的示意图。

削波器之后是一个双晶体管脉冲发生器，一个 “单发单稳态多振子”。每个输入脉冲都对其电容器放电，然后通过一个电阻重新充电。这种电阻-电容延迟产生了一个固定宽度的脉冲，然后电路等待下一个输入脉冲。下一个阶段是一个双晶体管低通滤波器，使用少量的电容器将脉冲变成一个平滑的输出。接下来是一个晶体管放大器（可以根据需要关闭）。这就为两个音频变压器提供了电源，以产生通往音频中心的语音输出，从而为宇航员服务。

更多特点

在基本配置中，语音检波器提取的是语音信号，而数据检波器提取的是数据信号，使用的是类似的电路。然而，在语音通信电路发生故障的情况下，系统提供了一个 “向上语音备份 “电路，这是地面站向航天器发送语音的一种冗余方式。备用路径在数据子波段上传输语音，而数据检波器进行调频解调。通过翻转一个开关，数据检波器的输出被路由到语音电路，为紧急情况提供一个语音路径。(后备语音是完全模拟的，尽管它使用了数据检测器模块）。在阿波罗13号事件中，宇航员使用备用语音来节省电力，当时电力严重不足。

如果语音通信完全失败，宇航员可以切换到 “紧急键 “模式，并使用脐带电缆上的按压式通话按钮传送莫尔斯电码。大部分的紧急按键电路都在其他地方，但语音检测器有一个紧急按键音的输入，以混入宇航员听到的音频。

宇航员腰带上的XMIT按钮可以在紧急情况下作为传输莫尔斯电码的电键。摘自阿波罗操作手册。

通讯系统还包括 “静噪”，如果信号强度下降得太低，这个功能可以使音频静止。(“静噪 “是一个奇怪的词，是一个17世纪的拟声词，意思是 “压碎”，后来被比喻为 “压制”，然后在1930年代被用作抑制噪音的无线电线路。) S波段无线电最初不包括静噪，但美国宇航局很快发现，载波信号的损失会产生高噪音水平，可能会干扰其他音频通道。为了避免这个问题，在登月前，无线电中加入了静噪功能。

静噪电路检测载波信号的电平，就像AM收音机一样，使用一个二极管来整流正弦波并跟踪峰值。它使用两个晶体管放大信号，第三个晶体管禁用音频，如果载波电平过低则触发静噪。提供了一个静噪禁用开关，以确保在必要时，即使在低信号水平下也能使用语音。此外，一些宇航员喜欢禁用静噪，这样他们就可以使用信道噪音来确定信道的状态。

冗余的另一个重要特征是中继支持。例如，如果登月舱的S波段无线电发生故障，指挥舱可以使用VHF无线电与地面进行中继通信，如下图所示。从地面中继通信的电路使用了一个巧妙的实施技巧。通过翻转一个开关，地面上的声音信号取代了指挥舱飞行员的麦克风（2号，中间座位），因此地面通信可以像宇航员的讲话一样传输，例如通过VHF电台信号发送至登月舱。下图说明了两种情况：从地面到舱外活动或从地面到登月舱，通过指挥舱中继。

说明从地面（MSFN，载人航天飞行网络）到舱外活动（EVA）以及到登月舱（LM）的中继模式如何工作。改编自阿波罗CSM后勤培训。

语音中继电路是通过语音解码模块中的机电中继器实现的–不要被这个系统中 “中继 “的两个完全不同的含义所混淆。拨动一个开关，机电继电器就会将麦克风信号换成向上的语音信号。

宇航员们坐在一个充满开关和仪表的复杂控制板前。预调制处理器的控制装置与其他通信开关组合在控制台的右下角。下图显示了控制语音检测器功能的开关：静噪、备用语音和语音继电器，用黄色标出。

指挥舱的控制面板，相关开关被突出显示。根据《指挥/服务模块系统手册》第208页绘制的图表。

示意图

详细方框图显示了语音检波器和数据检波器模块的结构。每个三角形对应着一个晶体管。我将数据检波器涂成灰色，并将外部开关电路涂成蓝色；这些开关与上面的开关一致。你可以看到备份的上行声音如何来自数据检波器模块，然后在 “数据/上行声音BU “开关的控制下，合并到语音检波器的输出。在底部，当从地球上转发语音时，继电器会切换语音信号以取代麦克风2号信号。(“AC “是音频控制台，是连接宇航员耳机和麦克风的音频系统。)

语音检波器和数据检波器模块的详细框图，数据检波器为灰色。基于阿波罗电信系统培训。

在追踪了模块的电路后，我生成了下面的原理图。你可以将原理图与方框图进行比对，看看功能块是如何实现的，14每个功能使用相对简单的电路，有一到两个晶体管。

我的语音检波器模块的逆向工程原理图。预计会有一些错误。

下面的照片显示了电路如何映射到语音检波器模块中的电路板的物理布局。信号处理从右边的调频电路（削波器和脉冲发生器）和静噪电路开始。低通滤波器和输出电路在左边的电路板上。

标有主要功能块的语音检波器。

结论

从外面看，预调制处理器是一个神秘的蓝色盒子。打开它，可以看到相对简单的晶体管电路，以一种令人惊讶的杂乱无章的结构技术实现。

虽然我逆向设计这个模块部分是出于好奇，但主要动机是为了发现我们的文档中缺少的一个引脚，特别是控制静噪的引脚，因为静噪在设计中添加得比较晚，所以就没有了。我们计划使用Eric正在设计的一个复杂的 “分线板 “来连接预调制处理器。然后，我们可以使用预调制处理器，就像它在执行任务时一样，把它连接到转发器上，给它提供无线电信号。

关于预调制处理器的概述，见我以前的博文。也请看好奇的Marc的视频，其中预调制处理器被拆解了（如下）。感谢Mike Stewart、好奇的Marc和Eric Schlaepfer在预调制处理器调查中的作用。感谢Marcel提供的预调制处理器。

注释和参考资料

1. 关于预调制处理器的详细规格，见《指挥/服务舱系统手册》第73页。

2. 阿波罗音频系统的设计标准是主链路的单词可懂度为90%，备用链路为70%。这个标准似乎出乎意料的差，10个单词中就有一个无法理解，但由于到月球的距离极远，达到这个标准是很有挑战性的。有关语音通信系统的详细信息，请参见《阿波罗经验报告–语音通信技术和性能》。该报告讨论了阿波罗通信系统的性能要求，以及该系统是如何设计以达到可懂度要求的。

3. 相位调制（PM）改变了载波信号的相位，而不是像频率调制（FM）那样改变频率。这些技术非常相似，因为增加相位会压缩波形，增加频率。具体来说，输入的相位调制与输入的导数的频率调制相同。阿波罗号对整个信号使用相位调制，因为它保持频率（大部分）不变，所以可以用多普勒测距来测量航天器的速度。

4. 应答器之所以得名，是因为它在转移频率后还将信号送回地球，所以可以准确地确定与航天器的距离；见我在这里的讨论。

5. 来自地球的数据信号有第三层调制：二进制数据以2千赫兹的相移键控进行调制，以产生一个音频信号进行传输。在预调制处理器解调了调频层之后，另一个盒子，即上行数据链路对这个信号进行解调和解码。我有另一篇博文描述了这一点。

6. 在这篇博文中，我不涉及数据检波器，但由于它与语音检波器关系密切，我将给出一个概述。它的电路与语音检波器相似，但更简单，因为它没有静噪或继电器。它有一个类似的带通滤波器模块，但频率是70千赫兹而不是30千赫兹，反映了数据副载波的频率。

数据检波器模块。

7. 为了防止有人仔细研究框图，我将解释诸如 “Q1-6V “这样的标签。这表示语音模块中的晶体管1到6。”Q8D”，另一方面，表示数据模块中的晶体管8。

8. 预调处理器是装在航天器中的许多电子电路箱之一，由粗大的电缆连接。下图强调了它安装在阿波罗指挥舱下部设备舱的位置。

预调处理器是指挥舱下层设备舱中的许多电子盒之一。图自《指挥/服务舱系统手册》第212页。

9. 这里描述了各种调频检波器电路。

10. 使用变化的数字脉冲来产生模拟信号的技术与Arduino上用于模拟输出的PWM（脉宽调制）技术类似。不同的是，Arduino使用的是固定频率和变化宽度的脉冲，而调频鉴别器使用的是变化频率和固定宽度的脉冲。

11. 削波过程保留了 “零交叉点”，即波形的电压过零的点。这就抛开了振幅波动和信号中可能存在的大部分噪声。

12. 备用语音的想法是为紧急情况提供一个耗电较少的语音通道，其代价是乱码高达30%的单词。爆炸发生后，阿波罗13号使用了备用语音系统，这样他们就可以关闭登月舱的功率放大器，节省电力。(见阿波罗13号任务操作报告第N-2和N-7页，以及文字记录）。在阿波罗16号期间，由于登月舱的可转向S波段天线发生故障，也曾使用过备用语音；见阿波罗16号任务报告第7-3页，其中称这种模式为 “向下语音备份”。我应该指出，这些备用语音事件涉及登月舱，所以指挥舱的预调制处理器没有参与其中）。

13. 继电器电路比我预期的要复杂一些。它的主要任务是在麦克风输入和语音信号之间进行切换。然而，如果不使用语音信号，它也会在变压器上切换一个50Ω的电阻，大概是为了使阻抗保持不变，音频控制台的电平不会跳动。换句话说，这个电阻让未使用的语音信号有地方可去。

14. 框图和我的原理图之间的主要区别是，框图显示变压器连接到地，而我发现它们是连接到+18V。

source：www.righto.com

小叔来啦：

能逆向工程这样的设备，也就只剩膜拜了！

来源：业余无线电