逆向工程阿波羅飛船的調頻電臺

文：KEN SHIRRIFF

美國宇航局是如何與距離地球幾十萬英里的阿波羅宇航員聯絡的呢？

預調製處理器

1（下圖）是阿波羅飛船上的通訊系統的核心。它的多種功能包括一個用於與宇航員通訊的調頻電臺，由語音檢測器實現，該模組位於頂部第二位。在這篇博文中，我對該模組的電路進行了逆向工程，並解釋了它的工作原理。

拆除預調製處理器的外殼後，其內部模組和線束都可以看到。

阿波羅的通訊系統很複雜，而且充滿了冗餘性。大多數通訊是透過HF無線電鏈路進行的，支援音訊、遙測、科學資料和電檢視像。

2 NASA巨大的85英尺碟形天線以2106。4兆赫的S波段頻率向航天器傳輸訊號，因此該系統被命名為 “統一S波段”。這些無線電訊號使用相位調製進行編碼；3 在航天器上，一個被稱為轉發器的複雜盒子接收S波段訊號並對其進行解碼。

來自地球的語音和資料訊號透過第二層調製結合起來：

語音被頻率調製（FM）到一個30千赫茲的副載波上，而資料則在一個70千赫茲的副載波上，因此這兩個訊號不會發生衝突。

這些語音訊號被送到另一個盒子裡，即音訊中心裝置，這樣宇航員就可以聽到來自地面的資訊。資料訊號由上行資料鏈路解碼，允許NASA向阿波羅指導計算機發送命令，控制機載繼電器，或設定航天器的時鐘。

許多系統一起工作進行通訊，但我專注於一個單一的模組：預調製處理器內的語音檢波器，執行調頻解調。下面的方框圖顯示了語音檢波器的操作；我把資料檢波器塗成了灰色。6 輸入包含不同頻率的語音訊號和資料訊號；一個帶通濾波器（綠色）分離出30千赫茲的語音訊號。接下來，藍色三角形7使用一個 “削波鑑別器 ”電路解調調頻訊號。青色三角形是一個放大器，產生 “上行語音 ”輸出訊號（紅色），所謂的 “上行 ”是因為它是從地面站傳輸過來的。下面我將詳細解釋這個電路。

資料和語音檢波器的方框圖，其中資料檢測器為灰色。每個 “Q ”表示電路中的一個電晶體。點選此圖（或任何其他圖）可獲得更大的版本。根據《指揮/服務模組系統手冊》第63頁。

下面的照片顯示了預調製處理器的外殼。1預調製處理器（PMP）重14。5磅，尺寸為4。7英寸×6英寸×10。5英寸。它使用8。5瓦的功率，由航天器的氫/氧燃料電池或銀氧化鋅電池以28伏的直流電供應。PMP與大多數電子裝置一起被安裝在指揮艙的裝置艙內。8它被固定在一個 “冷板 ”上，由水-乙二醇迴圈冷卻，透過散熱器和水蒸發器帶走熱量。

預調製處理器是一個淡藍色的盒子，上面有四個圓形的聯結器。

結構

預調製處理器中的模組不使用印刷電路板，而是由焊接在金屬釘上的元件構成，形成一個混亂的佈線。

圓形電晶體被倒置安裝，並有顏色編碼的接線：黃色為發射器，綠色為基極，藍色為集電極。電容器是銀色的圓柱體或灰色的方塊，而橙色條紋的圓柱體是一個二極體。電阻器有彩色的條紋，表示它們的數值。點對點佈線提供了額外的連線，由彩色編碼的絕緣線、裸線和透明套筒中的電線混合而成。

預調製處理器中的佈線特寫。這些連線是焊接的，但其他連線是點焊的。

由於元件和線路是可見的，看起來這些模組應該很容易逆向工程，但這比看起來要棘手。這些元件被大量覆蓋在看起來像熱膠的東西上，但可能是

矽膠

。（我懷疑這只是用於地面測試的裝置，而用於太空飛行的模組是完全密封的，以防止短路）。許多線路都被遮住了，所以我不得不用萬用表探測出許多連線。因此，我的逆向工程可能有一些錯誤。

模組的兩面都有電路，這增加了密度。

下面的照片顯示了模組的頂面。這個模組包括一些較大的元件，直接安裝在底盤上，而不是安裝在電路板上。頂部的大金屬盒是帶通濾波器，由寶路華電子公司製造，該公司是手錶公司的一個部門，生產石英晶體、振盪器、濾波器、伺服放大器和其他部件。這個帶通濾波器是為預調製處理器的製造商柯林斯Collins Radio製造的，估計包含一個石英濾波器，選擇30千赫茲的語音子波段，拒絕其他頻率。在右下方是一個較小的黑盒子，是一個切換訊號的機電繼電器。兩個灰色的盒子是音訊變壓器，用來耦合模組的輸出訊號。左邊的聯結器的線路完全被矽膠覆蓋，不方便反向工程。

語音檢波器模組的俯檢視。

電路板底面的電路有序地排列成列，與另一面不同。我不知道為什麼兩邊的設計風格會如此不同。然而，在一些地方，他們把元件放在其他元件下面，所以電路並不像看上去那樣有序。在底部可以看到帶通濾波器的背面。模組的兩邊是由幾根灰色的電線連線的。

語音檢波器模組的底檢視。

調頻解調器如何工作

調頻廣播有一段悲慘的歷史。

它是由多產的無線電技術發明家埃德溫-阿姆斯特朗於1933年發明的（與第一個登上月球的尼爾-阿姆斯特朗沒有關係）。調頻是AM（振幅調製）的一個優越替代品，AM是一種較早的無線電傳輸系統。不幸的是，RCA（美國無線電公司）在調幅無線電中投入了大量資金，並遊說阻止調頻的引入。阿姆斯特朗花了多年時間在法庭上與RCA抗爭，但收效甚微，導致他在1954年自殺。幾乎一年後，他的妻子從RCA獲得了一百萬美元的賠償（按現在的美元計算約為800萬美元），隨後成功地進行了專利訴訟，使阿姆斯特朗被承認為調頻的發明者。最終，在20世紀60年代，調頻廣播取得了商業上的成功，並在太空計劃中得到應用。

在調頻訊號中，載波訊號的頻率根據輸入訊號而改變（調製）。

也就是說，傳輸訊號的變化頻率表明了輸入訊號的水平。調頻解調電路撤銷這一過程，將變化的頻率輸入轉換為相應的電壓，以恢復原始訊號。

許多調頻接收機的設計都採用了線性、噪聲抑制和電路複雜性的權衡。

9簡單但不準確的斜率檢波器使用一個高通濾波器，在較高頻率下產生更多的輸出。有幾種技術使用了與載波頻率相調諧的電路，因此輸出隨著頻率偏差而增加：可追溯到1936年的老式福斯特-塞利鑑別器、比率檢測器以及簡單而流行的正交檢測器。

複雜的鎖相環（PLL）方法使一個振盪器鎖定在輸入頻率上，同時產生相應的電壓。

然而，預調製處理器使用了一個脈衝平均鑑別器，這是一個高質量但昂貴的解調器，用於寬頻應用，如遙測。

下圖說明了調頻調製和解調過程。

頂部的紅線顯示的是音訊輸入訊號，它對紫色訊號進行調製：當輸入訊號較高時，紫色訊號的頻率也較高。調頻的紫色訊號被傳送到航天器上。為了解調該訊號，預調製處理器首先放大並剪輯訊號（綠色）。接下來，它產生短的、固定寬度的脈衝（灰色），由每個綠色脈衝觸發；隨著輸入頻率的增加，這些脈衝將更加接近。應用一個低通濾波器使脈衝變得平滑，當脈衝接近時，輸出電平會更高。

在不同處理階段的調頻訊號：輸入、調頻調製訊號、削波訊號、固定寬度的脈衝和輸出。

看一下預調製處理器的電路，

第一步是放大和剪輯輸入訊號，把輸入變成方波。

這一步消除了輸入訊號電平的任何變化，減少了噪音的影響，併為下一階段創造一個乾淨的訊號。削波是透過一對二極體完成的。一個二極體會在大約0。6伏時開啟，所以結果是訊號被限制在-0。6伏至0。6伏之間。你可以把削波看作是切斷正弦波的峰值並進行放大，因此你最終得到的是尖銳的過渡，而不是一個平滑的波。電晶體對輸入進行放大，使用的是基本的NPN電晶體放大電路。中間的兩個二極體對訊號進行削波。電容阻斷了訊號的直流分量，確保它在0的中心位置進行對稱削波。

削波器的一個階段的示意圖。

削波器之後是

一個雙電晶體脈衝發生器，一個 "單發單穩態多振子"

。每個輸入脈衝都對其電容器放電，然後透過一個電阻重新充電。這種電阻-電容延遲產生了一個固定寬度的脈衝，然後電路等待下一個輸入脈衝。

下一個階段是一個雙電晶體低通濾波器，使用少量的電容器將脈衝變成一個平滑的輸出。

接下來是一個電晶體放大器（可以根據需要關閉）。這就為兩個音訊變壓器提供了電源，以產生通往音訊中心的語音輸出，從而為宇航員服務。

更多特點

在基本配置中，語音檢波器提取的是語音訊號，而資料檢波器提取的是資料訊號，使用的是類似的電路。然而，在語音通訊電路發生故障的情況下，系統提供了一個 “向上語音備份 ”電路，這是地面站向航天器傳送語音的一種冗餘方式。備用路徑在資料子波段上傳輸語音，而資料檢波器進行調頻解調。透過翻轉一個開關，資料檢波器的輸出被路由到語音電路，為緊急情況提供一個語音路徑。（後備語音是完全模擬的，儘管它使用了資料檢測器模組）。在阿波羅13號事件中，宇航員使用備用語音來節省電力，當時電力嚴重不足。

如果語音通訊完全失敗，宇航員可以切換到 “緊急鍵 ”模式，並使用臍帶電纜上的按壓式通話按鈕傳送莫爾斯電碼。大部分的緊急按鍵電路都在其他地方，但語音檢測器有一個緊急按鍵音的輸入，以混入宇航員聽到的音訊。

宇航員腰帶上的XMIT按鈕可以在緊急情況下作為傳輸莫爾斯電碼的電鍵。摘自阿波羅操作手冊。

通訊系統還包括 “靜噪”，如果訊號強度下降得太低，這個功能可以使音訊靜止。（“靜噪 ”是一個奇怪的詞，是一個17世紀的擬聲詞，意思是 “壓碎”，後來被比喻為 “壓制”，然後在1930年代被用作抑制噪音的無線電線路。） S波段無線電最初不包括靜噪，但美國宇航局很快發現，載波訊號的損失會產生高噪音水平，可能會干擾其他音訊通道。為了避免這個問題，在登月前，無線電中加入了靜噪功能。

靜噪電路檢測載波訊號的電平，就像AM收音機一樣，使用一個二極體來整流正弦波並跟蹤峰值。它使用兩個電晶體放大訊號，第三個電晶體禁用音訊，如果載波電平過低則觸發靜噪。提供了一個靜噪禁用開關，以確保在必要時，即使在低訊號水平下也能使用語音。此外，一些宇航員喜歡禁用靜噪，這樣他們就可以使用通道噪音來確定通道的狀態。

冗餘的另一個重要特徵是中繼支援。

例如，如果登月艙的S波段無線電發生故障，指揮艙可以使用VHF無線電與地面進行中繼通訊

，如下圖所示。從地面中繼通訊的電路使用了一個巧妙的實施技巧。透過翻轉一個開關，地面上的聲音訊號取代了指揮艙飛行員的麥克風（2號，中間座位），因此地面通訊可以像宇航員的講話一樣傳輸，例如透過VHF電臺訊號傳送至登月艙。

下圖說明了兩種情況：從地面到艙外活動或從地面到登月艙，透過指揮艙中繼。

說明從地面（MSFN，載人航天飛行網路）到艙外活動（EVA）以及到登月艙（LM）的中繼模式如何工作。改編自阿波羅CSM後勤培訓。

語音中繼電路是透過語音解碼模組中的機電中繼器實現的——不要被這個系統中 “中繼 ”的兩個完全不同的含義所混淆。撥動一個開關，機電繼電器就會將麥克風訊號換成向上的語音訊號。

宇航員們坐在一個充滿開關和儀表的複雜控制板前。預調製處理器的控制裝置與其他通訊開關組合在控制檯的右下角。下圖顯示了控制語音檢測器功能的開關：靜噪、備用語音和語音繼電器，用黃色標出。

指揮艙的控制面板，相關開關被突出顯示。根據《指揮/服務模組系統手冊》第208頁繪製的圖表。

示意圖

詳細方框圖顯示了語音檢波器和資料檢波器模組的結構。每個三角形對應著一個電晶體。我將資料檢波器塗成灰色，並將外部開關電路塗成藍色；這些開關與上面的開關一致。你可以看到備份的上行聲音如何來自資料檢波器模組，然後在 “資料/上行聲音BU ”開關的控制下，合併到語音檢波器的輸出。在底部，當從地球上轉發語音時，繼電器會切換語音訊號以取代麥克風2號訊號。（“AC ”是音訊控制檯，是連線宇航員耳機和麥克風的音訊系統。）

語音檢波器和資料檢波器模組的詳細框圖，資料檢波器為灰色。基於阿波羅電信系統培訓。

在追蹤了模組的電路後，我生成了下面的原理圖。你可以將原理圖與方框圖進行比對，看看功能塊是如何實現的，14每個功能使用相對簡單的電路，有一到兩個電晶體。

我的語音檢波器模組的逆向工程原理圖。預計會有一些錯誤。

下面的照片顯示了電路如何對映到語音檢波器模組中的電路板的物理佈局。訊號處理從右邊的調頻電路（削波器和脈衝發生器）和靜噪電路開始。低通濾波器和輸出電路在左邊的電路板上。

標有主要功能塊的語音檢波器。

結論

從外面看，預調製處理器是一個神秘的藍色盒子。開啟它，可以看到相對簡單的電晶體電路，以一種令人驚訝的雜亂無章的結構技術實現。

雖然我逆向設計這個模組部分是出於好奇，但主要動機是為了發現我們的文件中缺少的一個引腳，特別是控制靜噪的引腳，因為靜噪在設計中新增得比較晚，所以就沒有了。我們計劃使用Eric正在設計的一個複雜的 “分線板 ”來連線預調製處理器。然後，我們可以使用預調製處理器，就像它在執行任務時一樣，把它連線到轉發器上，給它提供無線電訊號。

關於預調製處理器的概述，見我以前的博文。也請看好奇的Marc的影片，其中預調製處理器被拆解了（如下）。感謝Mike Stewart、好奇的Marc和Eric Schlaepfer在預調製處理器調查中的作用。感謝Marcel提供的預調製處理器。

註釋和參考資料

1。 關於預調製處理器的詳細規格，見《指揮/服務艙系統手冊》第73頁。

2。 阿波羅音訊系統的設計標準是主鏈路的單詞可懂度為90%，備用鏈路為70%。這個標準似乎出乎意料的差，10個單詞中就有一個無法理解，但由於到月球的距離極遠，達到這個標準是很有挑戰性的。有關語音通訊系統的詳細資訊，請參見《阿波羅經驗報告——語音通訊技術和效能》。該報告討論了阿波羅通訊系統的效能要求，以及該系統是如何設計以達到可懂度要求的。

3。 相位調製（PM）改變了載波訊號的相位，而不是像頻率調製（FM）那樣改變頻率。這些技術非常相似，因為增加相位會壓縮波形，增加頻率。具體來說，輸入的相位調製與輸入的導數的頻率調製相同。阿波羅號對整個訊號使用相位調製，因為它保持頻率（大部分）不變，所以可以用多普勒測距來測量航天器的速度。

4。 應答器之所以得名，是因為它在轉移頻率後還將訊號送回地球，所以可以準確地確定與航天器的距離；見我在這裡的討論。

5。 來自地球的資料訊號有第三層調製：二進位制資料以2千赫茲的相移鍵控進行調製，以產生一個音訊訊號進行傳輸。在預調製處理器解調了調頻層之後，另一個盒子，即上行資料鏈路對這個訊號進行解調和解碼。我有另一篇博文描述了這一點。

6。 在這篇博文中，我不涉及資料檢波器，但由於它與語音檢波器關係密切，我將給出一個概述。它的電路與語音檢波器相似，但更簡單，因為它沒有靜噪或繼電器。它有一個類似的帶通濾波器模組，但頻率是70千赫茲而不是30千赫茲，反映了資料副載波的頻率。

資料檢波器模組。

7。 為了防止有人仔細研究框圖，我將解釋諸如 “Q1-6V ”這樣的標籤。這表示語音模組中的電晶體1到6。“Q8D”，另一方面，表示資料模組中的電晶體8。

8。 預調處理器是裝在航天器中的許多電子電路箱之一，由粗大的電纜連線。下圖強調了它安裝在阿波羅指揮艙下部裝置艙的位置。

預調處理器是指揮艙下層裝置艙中的許多電子盒之一。圖自《指揮/服務艙系統手冊》第212頁。

9。 這裡描述了各種調頻檢波器電路。

10。 使用變化的數字脈衝來產生模擬訊號的技術與Arduino上用於模擬輸出的PWM（脈寬調製）技術類似。不同的是，Arduino使用的是固定頻率和變化寬度的脈衝，而調頻鑑別器使用的是變化頻率和固定寬度的脈衝。

11。 削波過程保留了 “零交叉點”，即波形的電壓過零的點。這就拋開了振幅波動和訊號中可能存在的大部分噪聲。

12。 備用語音的想法是為緊急情況提供一個耗電較少的語音通道，其代價是亂碼高達30%的單詞。爆炸發生後，阿波羅13號使用了備用語音系統，這樣他們就可以關閉登月艙的功率放大器，節省電力。（見阿波羅13號任務操作報告第N-2和N-7頁，以及文字記錄）。在阿波羅16號期間，由於登月艙的可轉向S波段天線發生故障，也曾使用過備用語音；見阿波羅16號任務報告第7-3頁，其中稱這種模式為 “向下語音備份”。我應該指出，這些備用語音事件涉及登月艙，所以指揮艙的預調製處理器沒有參與其中）。

13。 繼電器電路比我預期的要複雜一些。它的主要任務是在麥克風輸入和語音訊號之間進行切換。然而，如果不使用語音訊號，它也會在變壓器上切換一個50Ω的電阻，大概是為了使阻抗保持不變，音訊控制檯的電平不會跳動。換句話說，這個電阻讓未使用的語音訊號有地方可去。

14。 框圖和我的原理圖之間的主要區別是，框圖顯示變壓器連線到地，而我發現它們是連線到+18V。

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小叔來啦：

能逆向工程這樣的裝置，也就只剩膜拜了！