Apollo VHF Ranging System

8/6/2019 Apollo VHF Ranging System

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BELLCO*iM. ' INC.1100 Seventeenth street, N.W.SUBJECT: D e s c r i p t i o n o f t h e A p ol lo VHF DATE: A p r i l 5 , 1 9 6 8

Washington, D.C. 20036

Ranging System - Case 3 2 0FROM: K . H . Schmid

ABSTRACT

The Apollo V W a n g i n g s ys te m c o n s i s t s o f aD i g i t a l R an gi ng G e n e r a t o r aboa rd t h e Command and S e r v i c eModule, a Range Tone Tr an sf er Assembly abo ard t h e LunarModule, and VHF t r a n s c e i v e r s t o e s t a b l i s h t h e two-wayc o mm u ni c at io n s l i n k be t we e n t h e tw o v e h i c l e s . T h i smemorandum d e s c r i b e s t h e o p e r a t i o n of t h e r a n g i n gsys tem as i t i s p r e s e n t l y b e i n g i m p le m e nt e d . V o i ceo p e r a t i o n o f t h e s y s t e m i s not t r e a t e d e x p l i c i t l y i nt h i s d e s c r i p t i o n .


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BELLCOMM.N C .1100 Seventeenth Street, N.W. Washington, D. C. 20036SUBJECT: D e s c r i p t i o n of t h e Apollo VHFRanging Sys tem - Case 3 2 0 DATE: A p r i l 5 , 1 9 6 8

K . H . Schmid

MEMORANDUM FOR PILE

I . I n t r o d u c t i o nI n t h e p l an n e d m i s s i on c o n f i g u r a t i o n t h e ApolloLunar Module (LM) w i l l b e r e q u i r e d t o r en d ez v ou s w i t h t h eo r b i t i n g Command and S e r v i c e Module (CSM). O p t i c a l te ch -n i q u e s , a n d a n X-band r a d a r h a v i ng r a n g e , r a n g e r a t e anda n g l e r e a d o u t s a b oa rd t h e LM, w i l l be used to a c c o m p l i s h

t h e r end ezvou s . I n an em ergency , however , t h e CSM m ay b er e q u i r e d t o r en de zv ou s w i t h t h e LM. A VHF r a n g i n g sys te m,p r o v i d i n g a ran ge re ad ou t aboa rd t h e CSM i s b e i n g d e v e l o p e dt o add t h i s c a p a b i l i t y to t h e o v e r a l l s y s te m . The p u r -po se of t h i s memorandum i s to d e s c r ib e t h i s s ys te m a s i tp r e s e n t l y e x i s t s . 1

The new r a n g i n g s y s t e m c o n s i s t s o f a D i g i t a lRanging Generator (DRG) which i s to i n t e r f a c e w i t h am o d i f i e d VHF t r a n s c e i v e r ab oa rd t h e CSM ( s e e F i g u r e 1)and a Range Tone T r a n s f e r Assembly (RTTA) which i s toi n t e r f a c e w i t h a s i m i l a r t r a n s c e i v e r a bo ar d t h e LM ( s e eF i g u r e 2 ) . T h e t r a n s c e i v e r s w i l l b e u s e d to e s t a b l i s ht h e two-way communicat ions l i n k be tween t h e LM and CSM.

The DRG g e n e r a t e s c o a r s e (low f r e q u e n c y ) , m id(medium f r e q u e n c y ) , a nd f i n e ( h i g h f r e q u e n c y ) s q u a r e wavet o n e s w h i c h a r e u s e d to ON-OFF key ( 1 0 0 % AM ) t h e CSMt r a n s m i t c a r r i e r . Tones a r e s e l e c t e d a c co r d in g to ap a r t i c u l a r s e qu en ce most s u i t a b l e f o r a c q u i s i t i o n a nd l oc k -up o f t h e r an g i ng s y st em ; t h e s e q u e n t i a l s e l e c t i o n of t o n e si s p er fo rm ed a u t o m a t i c a l l y i n t h e DRG.

The LM V'HF r a n g i ng t r a n s p o n d e r , c o n s i s t i n g o f t h eVHF t r a n s c e i v e r a n d t h e RTTA, r e c e i v e s a nd d e t e c t s t h e t o n e sfro m t h e CSM. I t s h o u l d be n o t e d t h a t t h e c o a r s e to n e i sa d d e d (modulo-2) to t h e m id t o n e when t h e c o a r s e t o n e i st r a n s m i t t e d o v e r t h e VHF l i n k s ; t h i s c ombined t o n e i s r e f e r r e dt o a s t h e m i d a nd c o a r s e t o n e . I f a m i d t o n e or m i d andc o a r s e t o n e i s d e t e c t e d a t t h e LM, i t i s s i m p l y r e m o d u l a t e do n t h e r e t u r n VHF l i n k to t h e CSM. If t h e f i n e t o n e i sr e c e i v e d a t t h e LM, however, a f i n e t o ne t r a c k i n g l oo p i n t h eRTTA i s employed to r e g e n e ra t e t h e f i n e t o n e p r i o r t o modula-' "Apol lo VHF Ranging C r i t i c a l Des i gn Review," RCA , Camden,N e w J e r s e y , F e b r u a r y 2 8 - March 1, 1 9 6 8 .


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BELLCOMM. I NC . - 2 -

t i o n o f t h e r e t u r n l i n k t o th e CSM. By us in g t h i s nar rowba nd l o o p t o p h as e l o c k t h e l o c a l v o l t a g e c o n t r o l l e d c r y s t a lo s c i l l a t o r (VCXO) t o t h e r e ce i ve d f i n e t o n e s i g n a l , ar e l a t i v e l y n o i s e- f r e e f i n e to n e , which i s c o h e r e n t w i t h t h er e c e i ve d f i n e t o n e , ca n b e g e n er a te d f o r t r a n sm i s s io n t o t h eCSM.The D RG com pares the phase be tween i t s t r a n s m i t t e dt o n e s a n d t h e t o n e s r e c e i v e d f r o m t h e LM. T he DRG d e r i v e st h e range number from t h i s c o m pa r is o n a n d p r e s e n t s a r a n g er e a d o u t t o t h e e x t e r n a l d i s p l a y a n d c o m p u t e r . A maximumunambiguous range of 32 7 n . m i l e s i s a t t a i n a b l e u s i ng t h e DRG.I n a d d i t i o n t o t h e r a n g i ng a l o n e mode d e s c r i b e dabov e , t h e new sys t em pro v id es a v o i c e p l u s r a n g i n g mode.S i m u l t a n e o u s v o i c e a n d r a n g i n g i s a c h i e v e d b y c l i p p i n g t h e

v o ic e i n t h e k e y e r a n d u s i n g t h e r e s u l t a n t b i p o l a r waveformt o g a t e t h e r a n g i n g f i n e t o n e o n and o f f . V oi ce t r a n s m i s s i o ni s n o t a l l o w e d w h i l e t h e m i d t o n e or m i d a nd c o a r s e t o n e i sb e i n g t r a n s m i t t e d d u r i n g t h e a c q u i s i t i o n ph as e o f t h e r a n g i n gs e q u e n c e .

V oi ce p l u s r a n g i ng o p e r a t i o n d e g r a d e s t h e r e c e i v ev o ic e and ra ng in g SNRs; however , t h e t h e o r y o f o a e r a t i o n o ft h e DRG and RTTA r e m ai n s t h e sam e. T hu s, no d i f f e r e n t i a t i o nbetween t h e s e two modes i s c o n si d er e d f o r t h e p u r p os e s o fd e s c r i b i n g t h e r a n g i n g s y s t e m .

11. D i g i t a l Ranging Genera tor ( DRG )A . Range Tone Generator

A s shown i n F i g u r e 3 , t h r e e b a s i c r a n g i ng t o n ef r e q u e n c i e s a r e d e r i v e d i n a 1 3 -s t ag e d i v i d e r c h a i n wh ic h, i nt u r n , i s d r i v e n b y a s t a b l e r a n g e c l o c k . The b a s i c s q u a rewave t o n e f r e q u e n c i e s a r e t a b u l a t e d b el ow .T a b l e I. Bas ic Tone Frequenc ies

F in e Tone 31.6kHzMid Tone 3 - 95kHzCo ar se Tone 247Hz

Note t h a t t h e f i n e t o n e i s d el ay ed p r i o r t o t r a n s -m i s s i o n . D e t e c t i o n of t h e mid t o n e or t h e m i d a n d c o a r s et o n e ( a t t h e LM and CSM) i s per fo rm ed a t t h e r e c e i v e r e n ve lo ped e t e c t o r w hich f o l l o ws t h e I F , w h i l e d e t e c t i o n of t h e f i n e t o n eo c c u r s a t t h e r e c e i v e r g a t e w h i c h p r e c e d e s t h e I F . The a d d i -


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t i o n a l d e l a y of t h e f i n e to ne i n c u r r e d a t t h e r a n g e t o n eg e n e r a t o r i s r e q u i r e d s o t h a t t o t a l r ound t r i p equipmentd e l a y i s t h e same f o r a l l t h r e e t o n e s .B e f or e t r a n s m i s s i o n , t h e c o a r s e t o n e i s added(modu lo -2 ) t o t h e m i d t on e ; t h i s i s e q u i v a l en t t o 1 / 2 c y c l ephase modu l a t i on o f t h e m i d t o n e b y t h e c o a r s e t o n e . Byu s i n g t h i s PM t e c h n i q u e i t i s p o s s i b l e t o s en d b o th t h e m i da nd c o a r s e f r e q u e n c i e s s i m ul t an e o u sl y . T h i s f e a t u r e o f f e r scons i de r ab l e advan t age when l ock i ng -up t h e r e c e i v e p o r t i o no f t h e r a n g i n g s y st em . The t o n e s a v a i l a b l e f o r t r a n s m i s s i o na r e shown below.T a b l e 11. Transmi t Tone Frequencies

Fine Tone 31.6kHzMid Tone 3.95kHzCoarse and Mid Tone 2 4 7 H z $ 3 . 9 5 kHz

Each of t h e t o n e s i s s e l e c t e d a c c or d in g t o t h e p r ed e te rm i ne ds e q ue n c e i n t h e programmer. Op era t io n of t h e t on e s e l e c ts w i t c h i s c o n t r o l l e d by t h e p ro gr am me r; t h e s e l e c t e d t o n ek e y s t h e t r a n s m i t t e r ON-OFF. Timing f o r t h e programmer i sp r o v i d e d by a 2 4 7 Hz s i g n a l f rom t h e d i v i d e r c ha i n.T h e sequence and t i m e d u r a t i o n o f t h e t o n e s h a v ebeen chosen to a l l o w for p ro pe r a c q u i s i t i o n a nd t r a c k i n g o ft h e r a n g i n g t o n e s i n t h e RTTA and DRG . The programmer sequence,

a nd f u n c t i o n s p e r fo r me d b y t h e s y s t e m d u r i n g e a c h t i m e i n t e r -v a l , a r e shown i n T a b l e 111. I t s h o u l d b e n o t e d t h a t t h es y s t e m w i l l b e c l e a r e d a u t o m a t ic a l l y i f r a n g e r a t e i n e x c es so f 1 9 0 0 f t / s e c o c cu r s, o r i f p r o pe r a c q u i s i t i o n of t h e r a n g i n gt o n e s d u r i n g t h e a l l o t t e d t i m e i n t e r v a l i s no t ach i ev ed . Oncet h e sys t em i s c l e a r e d , m a n u a l r e - s t a r t o f t h e r a n g i n g s e q u e n c ei s n e c e s s a r y i f a d d i t i o n a l r a n g e m e as ur em en ts a r e d e s i r e d .B . Three Tone Tracker

1, GefieralThe t h r e e tone' t r a c k e r c o n s i s t s o f a 1 3 - s t a g e

d i v i d e r c h a in s i m i l a r t o t h e d i v i d e r c h a i n i n t h e r a n g e t o n eg e n e r a t o r ( s e e F i g u r e 1). The t r a c k e r i s d r i v e n by t h esame r a n g e c l o c k s i g n a l . P u l s e l o g i c and p h a se l o c k l o o p sa r e i n t e g r a t e d w i th t h e d i v i d e r c h a i n su ch t h a t t h e b a s i ct o n e f r e q u e nc i e s ge ne r at ed i n t h e d i v i d e r c an b e a l i g n e d i n -p h a s e w i t h t h e r e c e i v e d r a n gi n g t o n e s . The p u l s e l o g i c ca ns h i f t t h e p h a s e of t h e t r a c k e r g e n e r at e d t o n e s by a d d i n g ord e l e t i n g p u l se s t o t h e d i v i d e r c h a i n u n t i l a n i n- ph as e con-d i t i o n o cc u rs . A d e l a y l i n e p r o v i d e s v e r n i e r a d ju s t m en t o f


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cu cu cu c u c u ocn cu 0cn

u3zw3c3wv:Wz0Eac5z4o=

E

HHHQ)rlP(dE

4 40u40uDa z z4 w 4 w 4 wn o n o n ozz E s

w w wz z zn n 0 0 0B E Ez z a w w w

k ! % kH E H E H B 5 5_- I -- -. -

w w Wz0

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X I w wz a0 0B EH Hn oE Z

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UI& 4 00 E d0 4d

f2H W kz2 E

?c z0HmHPwu4

E0r0z4?cu4P=B

?cV4EEw20I 3

F43Ik4V0d

mmFw20HEHrn

wPI00J wzHk

m 0r lI--..-


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t h e p h a s e s u c h t h a t a r e s o l u t i o n of 0 . 0 1 n . mile i s a t t a i n a b l e .Once t h e t o n e s ha v e be e n a c q u i r e d , r a n g e c a n be de te rm ined byc om pa ri ng t h e d i g i t a l r e ad o u t o f t h e t r a c k e r d i v i d e r s t a t e tot h e d i g i t a l r ea do u t o f t h e r an ge t o n e g e n e r a t o r d i v i d e r s t a t e ;t h i s i s a c c o m p li s h e d i n t h e d a t a o u tp u t p o r t i o n o f t h e DRG.

The a c q u i s i t i o n a nd t r a c k i n g p r o c es s i s d e s c r i b e ds t e p - b y - s t e p b e lo w a c c o r d i n g to t h e s eq u en ce o f t o n e s r e c e i v e dby t h e t r a c k e r .2 . Mid Tone Tracking Loop

A s shown i n Table I11 t h e t r a c k e r f i r s t r e c e i v e st h e m i d t o ne f o r a p e r i o d o f 2 s e c o n d s . R e f e r to F i g u r e 4 f o ra d iagram o f t h e m i d t o n e lo o p. A c q u i s i t i o n a nd t r a c k o f t h em i d t o n e i s accom pl i shed as f o l l o w s .T h e r e c e i v e d m i d t one f rom t h e r e c e i v e r e n v e l o p ed e t e c t o r i s t h e r e f e r e n c e i n p u t to t h e p ro du ct d e t e c t o r . The3.95 kHz Q s i g n a l f r o m t h e t r a c k e r d i v i d e r i s s e l e c t e d by t h eprogrammer to b e t h e s e c o n d i n p u t to t h e p r o d u c t d e t e c t o r .I n i t i a l l y t h e t r a c k e r s i g n a l i s a t some a r b i t r a r y p h a s e a n g l ew i t h r e s p e c t t o t h e r e f e r e n c e .The p ro du ct d e t e c t o r a c t s as a p ha se d e t e c t o r f o rt h e ab ov e tw o s i g n a l s . A DC e r r o r v o l t a ge i s produced a t t h eo u t p u t o f t h e low pass f i l t e r . The p o l a r i t y a n d m ag n it u de o ft h e e r r o r v o l t a g e c o r re sp on d to t h e p h a se d i f f e r e n c e be tw ee nt h e two s i g n a l s .The D C- to -p ul se c o n v e r t e r p r o d u c e s p u l s e s a t a r a t ep r o p o r t i o n a l to t h e magni tude of t h e e r r o r v o l t a g e . I f t h ee r r o r v o l t a g e i s o f on e p o l a r i t y , p u l s e s a r e g e n e r a t e d a t a no u t p u t w hich i n c r e a s e s t h e s e t t i n g o f t h e f or wa rd -b ac kw ar d(FB) c o u n t e r . I f t h e e r r o r v o l t ag e i s o f t h e o w o s i t e p o l a r -i t y , p u l s e s a r e g e n e r a t e d a t a n o u t p u t w h i c h d e c r e a s e s t h es e t t i n g o f t h e FB c o u n t e r .I f t h e FB c o u n t e r o v er f lo w s i n t h e l lf or wa rd ll d i r e c -t ? . = ~ h e p u l s e l o g l c i n s e r t s an e x t r a p u l s e b et we en t h e c l o c kp u l s e s a t t h e i n p u t to t h e t r a c k e r d i v i d e r c h a i n . The e f f e c to f t h e e x t r a p u l se i s t o a d v an c e t h e o u t p u t w a ve fo rm s by0.4911 sec.in t i m e ( on e c l o c k p e r i o d ) . I f t h e FB c o u n t e r o v e r -f l o w s i n t h e "backward" d i r e c t i o n t h e p u l s e l o g i c d e l e t e s ac l o c k p u l s e a t t h e i n pu t to t h e t r a c k e r d i v i d e r c h a in . Thee f f e c t o f t h e d e l e t e d p u l s e i s t o d el ay t h e ou tpu t wavefo rm sby 0.49~ e c .


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Thus t h e phase o f t h e m i d t o n e g e n e r a t e d b y t h et r a c k e r i s a d j u s t e d t o w a r d a n i n - p h a s e c o n d i t i o n w i t h r e s p e c tt o t h e r e c e i v e d mid t o n e . P r o pe r l o c k o f t h e l oo p o c c u r swhen the 3 . 9 5 kH z Q s i g n a l i s i n q u a dr a t ur e w i t h t h e r e f e r -e n c e m i d t o n e ; a t t h i s t i m e no e r r o r v o l t a g e i s produceda n d t h e l o o p w i l l r e ma i n i n a q u i e s c e n t c o n d i t i o n . Thus t h et r a c k e r 3 . 9 5 kHz I s i g n a l ( w h i c h i s 90" out o f phase w i t ht h e 3 . 9 5 kHz Q s i g n a l ) i s i n - p h a s e w i t h t h e r e c e iv e d m i dt o n e .

It s h o u l d be n o t e d t h a t a f a l s e l o c k c o n d i t i o nc o u l d o c c u r ? . e . t h e 3 . 9 5 kH z Q s i g n a l c o u ld l oc k- up 180"f rom t h e p r o p e r lo ck -u p p o i n t . W hile t h i s i s a n u n s t a b l el oc k -u p p o i n t d u e to t h e s l o p e o f t h e e r r o r c h a r a c t e r i s t i c ,a f a l s e l o c k i s p o s s i b l e when t h e i n i t i a l a r b i t r a r y p h a s eo f t h e t r a c k e r i s n e a r l y 180 o u t o f ph a s e w i t h t h e p r o p e rlock-up p o i n t , and when t h e s y s t e m i s " q u i e t " i . e . o p e r a t i n gu n d e r h i g h s i g n a l - t o - n o i s e c o n d i t i o n s . Under t h e s e c o n d i t i o n sz e r o l o op e r r o r v o l ta g e i s p r o d u c e d . An a m b i g u i t y i n d i c a t o ra nd good t r a c k d e t e c t o r ( s e e F i g u r e 5 ) a r e p r o v i d e d to a i di n p r ev e n t i ng f a l s e lock-up o f t h e l oop and to v e r i f y c o r r e c tl o c k r e s p e c t i v e l y . The a mb ig ui ty i n d i c a t o r c o n t a i n s an e g a t iv e t h r e s h o l d d e t e c t o r u s e d a s a n a c q u i s i t i o n a i d f o ra c q u i r i n g t h e c o a r s e a n d m i d t o n e s . The good t r a c k d e t e c t o rc o n t a i n s a p o s i t i v e t h r e sh o l d d e t e c t o r u se d f o r good t r a c kv e r i f i c a t i o n o f a l l t o n e s .

The a c q u i s i t i o n a i d f o r m i d t o n e l o o p l o c k - u p i sshown i n F i g u r e 5 . The r e f e re n c e s i g n a l i n p ut to t h e p r o d u c td e t e c t o r i s t h e 3 .9 5 kHz r e c e i v e d s i g n a l . D u ri ng t h e i n i t i a lp o r t i o n o f t h e m i d t o n e a c q u i s i t i o n p e r i o d , t h e programmers e l e c t s t h e 3 . 9 5 kHz I s i g n a l as t h e i n pu t to t h e p r o d u c td e t e c t o r . The p ro d uc t d e t e c t o r a c t s as a c o h e r e n t a m p l i t u d ed e t e c t o r f o r t h e 3 .9 5 kHz I t r a c k e r s i g n a l a nd t h e r e c e i v e d3 . 95 kHz s i g n a l . I f t h e t w o s i g n a l s a re n e a r l y 180" ou t -o f -p h a s e a t t h e s t a r t o f t h e a c q u i s i t i o n p r o c e d u r e , t h e a m b i g u i t yi n d i c a t o r r e c e iv e s a n e g a t i v e v o l t a g e fro m t h e c o h e r e n t a m p l i -t u d e d e t e c t o r . I f t h e n e g a t i v e v o l t a g e e x ce ed s a c e r t a i nn e g a t i v e t h r e s h o l d v a l u e , t h e am b ig ui ty i n d i c a t o r s en d s at r i g g e r p u l s e t o t h e l a s t d i v i d e r s t a g e o f t h e m i d + - - -W 1 1 C l---W U L J .T h i s adds 180" to t h e t r a c k e r m i d t o n e p h a s e ; t h e t r a c k e r m i dt o n e t h e n s h o u ld b e n e a r t h e c o r r e c t l oc k- up p o i n t o f t h e lo o p .The l o o p now ca n e f f e c t r a p i d a c q u i s i t i o n o f t h e m i d t o n e .T h u s , a t t h e c o n c l u s i o n o f t h e m i d t o ne a c q u i s i t i o n p e r i o d ,t h e 3 . 9 5 kHz I ( t r a c k e r ) t o n e sh o u ld b e i n -phase w i t h t h er e ce iv ed 3 . 95 kHz to ne .


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BELLCOMM. NC. - 7 -

2 4 7 Hz @ 3 . 9 5 kHz s i g n a l . S i n c e t h e 3 . 9 5 kHz I s i g n a l i sIn-phase w i t h t h e 3 . 9 5 kHz r e c e i v e s i g n a l d ue t o t h e p r e-c e d in g mid t o n e a c q u i s i t i o n p r o c e d u r e , t h e p r o d u c t d e t e c t o ra c t s as a p ha se d e t e c t o r f o r t h e 2 4 7 Hz Q s i g n a l a nd t h er e c e i v e d 2 4 7 Hz s i g n a l . The c o a r s e t o n e l o o p r e s p o n d s t oan e r r o r vo l t ag e i n t h e same manner a s t h e mid t o n e l o o p .

The a c q u i s i t i o n a id f o r c o a rs e to n e l o o p lock-upi s shown i n Figurse 5 . The r e f e r e n c e s i g n a l i n p u t t o t h ep r o d u c t d e t e c t o r i s t h e 2 4 7 Hz @ 3 . 9 5 kHz r e c e i v e d s i g n a l .Dur ing t h e i n i t i a l p o r t i o n o f t h e c o a rs e t o ne a c q u i s i t i o np e r i o d , t h e programmer s e l e c t s t h e 2 4 7 Hz I @ 3.95 kHz Is i g n a l as t h e i n p u t t o t h e p r od u ct d e t e c t o r . S i n c e t h e3 . 95 kHz I s i g n a l i s i n -phase w i t h t h e 3 . 9 5 kHz receiveds i g n a l , t h e p r od u ct d e t e c t o r a c t s as a c o h e r e n t a m p l i t u d ed e t e c t o r f o r t h e 2 4 7 Hz I t r a c k e r s i g n a l and t h e r e c e i v e d247 Hz s i g n a l . I f t h e t w o s i g n a l s a r e n e a r l y 180 out-of-p h a s e a t t h e s t a r t of t h e a c q u i s i t i o n p r oc e du r e, t h e ambi-g u i t y i n d i c a t o r s e nd s a t r i g g e r p u l se to t h e l a s t d i v i d e rs t a g e o f t h e c o a r s e t o n e l o o p . T h i s adds 180" t o t h et r a c k e r c o a r s e t o n e p ha se ; t h e t r a c k e r c o a r s e t o n e t h ens h o u l d b e n e a r t h e c o r r e c t l oc k- up p o i n t o f t h e l o o p . Thel o o p now c a n e f f e c t r a p i d a c q u i s i t i o n of t h e c o ar s e t o n e .Thus , a t t h e c o n c l u s i o n o f t h e c o a rs e t on e a c q u i s i t i o np e r i o d , t h e 2 4 7 Hz I t r a c k e r t o n e s h o u ld b e i n -phase w i t ht h e re ce iv ed 247 Hz to ne .

Any c o a r s e t o n e l o o p c o r r e c t i o n p u l s e s d u r i n g t h ef i n a l p o r t i o n o f t h e a c q u i s i t i o n pe r i od r e s u l t i n c l e a r i n go f t h e s ys te m. C o r r e c t i o n p u l s e s i n d i c a t e t h a t t h e l o opi s s t i l l h u n t i n g a t t h e end o f t h e t i m e i n t e r v a l a l l o t t e dfor a c q u i s i t i o n .

5 . Mid and Coarse Tone TrackThe mid t o n e l o o p i s r e - e n a b l e d a n d t h e m i dt o n e l o o p an d c o a rs e t o n e l o o p t r a c k t h e r e c e i v ed m i d andc o a r s e t o n e f o r t h e s u c c e e d i n g 2 s ec on d p e r i o d . T h i sp e r i o d a l l o w s f o r u p d at i n g of t h e m i d t o n e l o o p w h i c h i sr e q u i r e d if' r a n g e has changed dur ing t h e p r e c e e d i n g 2 secondc o a r s e t o n e a c q u i s i t i o n p e ri o d . A t t h e c o n c l u s i o n o f t h i ss i m ul t a ne o u s t r a c k t h e 4 d i v i d e r s t a g e s o f t h e c o a r s e t o n el o o p a n d t h e l a s t 6 d i v i d e r s t a g e s o f t h e m i d t o n e l o o p shou ldbe s e t c o r r e c t l y . T h u s , t h e l a s t 1 0 d i v i d e r s t a g e s o f t h et r a c k e r d i v i d e r c h a i n , a s shown i n F ig ur e 1, s h o u l d b e s e tc o r r e c t l y .


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R E L L C O M M , I N C . - 8 -

6 . Ac qu is i t io n Good Track T e s t (Coa r se Tone )An a c q u i s i t i o n g oo d t r a c k t e s t i s pe r fo rmed

d u r i n g t h e f i n a l p o r t i o n o f t h e mid and c o a r s e t o n e t r a c kp e r i o d t o a s s u r e t h a t t h e c o ar se t o n e i s l ocked a t t h ec o r r e c t p o i n t . A ga in , t h e good t r a c k d e t e c t o r ( s e e F i g u r e 5 )i s u se d f o r t h i s t e s t .The p rogrammer s e l e c t s t h e 2 4 7 Hz I @ 3 . 9 5 kHz It r a c k e r s i g n a l a s o ne i n p u t to t h e p ro du ct d e t e c t o r ; t h er e f e r e n c e i n p u t i s t h e r e c ei v e d 2 4 7 H z $ 3 . 9 5 kHz s igna l .S i n c e t h e 3 . 9 5 kHz I s i g n a l i s i n -p h as e w i t h t h e r e c e i v e d3 . 9 5 kHz s i g n a l , t h e pr o d uc t d e t e c t o r a c t s as a c o h e r e n ta m pl i t u de d e t e c t o r f o r t h e 2 4 7 Hz I t r a c k e r s i g n a l a nd t h e2 4 7 Hz r e c e i v e s i g n a l .I f t h e two c o a r s e to n e s a r e i n -phase , a p o s i t i v ev o l t a g e i s p ro du ce d wh ich e x c e ed s t h e p o s i t i v e t h r e s h o l ds e t t i n g o f t h e good t r a c k d e t e c t o r . T hi s r e s u l t s i n a goodt r a c k o u tp ut s i g n a l to t h e programm er a n d t h e a c q u i s i t i o ns e q u e n c e i s a l l owed to c o n t i n u e .I f t h e tw o c o a r s e t o n e s a r e 180 out of phase( f a l s e l o c k ) , a n e g a t i v e v o l t a g e i s produced which cannote xc ee d t h e p o s i t i v e t h r e s h o l d s e t t i n g o f t h e good t r a c kd e t e c t o r . T h u s , a good t r a c k s i g n a l i s n o t g e n e r a t e d a n dt h e s y s t e m i s c l e a r e d .7 . Fine Tone Tracking Loop

I n o rd er t o s e t t h e f i r s t f e w s t a g e s of t h ed i v i d e r t r a c k e r c h a in and t h e d e l a y l i n e , t h e programmers e l e c t s t h e f i n e t o n e f o r t r an s m is s io n . An i n i t i a l p e r i o dof 2 seconds i s a l l o c a t e d f o r l ock-up o f t h e LM f i n e t o net r a c k i n g l o o p ( s e e S e c t i o n 111). A t t h e e nd o f t h i s p e r i o d ,t h e p rogram mer e n a b l e s b o t h t h e CSM r e c e i v e r g a t e a n d t h et r a c k e r f i n e t o n e l o o p . The s u c ce e d in g 2 seconds a r e a l l o -c a t e d f o r a c q u i s i t i o n o f t h e t r a c k e r f i n e t o n e l o o p ; t h e l o o pi s shown i n F i gu re 7 .

The f i n e to n e l oo p o p e r a t e s i n a c o n s i d e r a b l yd i f f e r e n t f a s h i o n from t h e mid or c o a r s e t o n e l o o p s . S i n c et h e f i n e t o n e f r e q u e nc y may n o t p a s s t h r o u g h t h e I F f i l t e r ,p h a se d e t e c t i o n of t h e f i n e t o n e must p r e ce d e t h e I F . T h i si s accompl i shed by phase modu l a t i ng t h e 3 1 . 6 kH z I s i g n a lf ro m t h e t r a c k e r by + 1 / 1 6 c y c le a t a s w i t c h i n g f r e q u e n cy o f5 . 2 7 kHz. T h i s l o c a i l y g e n e r a t e d r e f e r e n c e s i g n a l p a s s e st h r o u g h t h e d e la y l i n e t o t h e r e c e l v e r w here i t i s used t og a t e t h e r e c e i v e d f i n e t o n e on and o f f ,


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B E L L C OMM . INC. - 1 0 -I f t h e t r a c k e r f i n e t o n e i s c o r r e c t l y l oc ke d tot h e r e c e i v e f i n e t o ne a p o s i t i v e DC v o l t a g e i s g e n e r a t e da t t h e o u t p u t of t h e l o w p a s s f i l t e r . The v o l t a g e e xc ee ds

t h e p o s i t i v e v o l t ag e t h r es h ol d s e t t r n g o f t h e g o o d t r a c kd e t e c t o r . T h i s r e s u l t s i n a good t r a c k o ut p ut s i g n a l tot h e programmer and a d a t a good s i g n a l to t h e c o m p u t e r .I f t h e t r a c k e r f i n e t o n e i s f a l s e l o c k e d to t h er e c e iv e d f i n e t on e , a n e g a t i v e DC v o l t a g e i s g e n e r a t e d a tt h e o u t p u t of t h e low pass f i l t e r a n d t h u s t h e p o s i t i v ev o l t a g e t h r es h o l d s e t t i n g o f t h e good t r a c k d e t e c t o r c a n no tb e e x c e e d e d . S i n c e a g o o d t r a c k s i g n a l i s n o t g e n e r a t e d i nt h e a l l o t t e d t i m e i n t e r v a l t h e sys t em i s c l e a r e d , a n d r e -s t a r t o f t h e a c q u i s i t i o n s eq ue nc e i s n e c e s s a r y .

C . Data OutputOnce t h e f i n e t o n e l o o p i s p r o p e r1 t r a c k i n g , t h ed a t a o u t p u t p o r t i o n o f t h e DRG ( s e e F i g u r e 1 can f e e d r a n g ed a t a to t h e e x t e r n a l d i s p l a y a nd c o mp u te r. F i r s t t h e i n t e r n a ld i s p l a y c o u n t e r and c om pu te r o u t p u t r e g i s t e r a r e c l e a r e d . Thes t a t e of t h e r a ng e t o n e g e n e r a t o r 1 3 -s t ag e b i n a r y d i v i d e r c h a i n

i s c o n t i n u a l l y m o n it o re d by t h e r e c o g n i t i o n g a t e . When t h e1 3 -s t ag e b i n a r y d i v i d e r c h a i n p a s s e s t h r o u g h a p a r t i c u l a rs t a t e , i . e . a p r e d e t e r m i n e d 1 3 b i t s e q u e n c e w hi ch a l l o w s f o rs u b t r a c t i o n o f c o a r s e e q ui pm en t d e l a y , t h e r e c o g n i t i o n g a t ep u l s e s t h e t r a n s f e r g a t e . The s t a t e o f t h e t r a c k e r d i v i d e rc h a i n ( 1 5 b i t s ) i s sampled at t h i s i n s t a n t p r o v i d e d t h e t r a n s -f e r g a t e r e c e i v e s a command from t h e programmer.The sampled d a t a i s f e d to t h e i n t e r n a l d i s p l a yc o u n t e r where t he r ange num ber i s down counted to s u b t r a c tf i n e e qu ip me nt d e l a y . T hu s, t h e a c t u a l r a n g e number c o r -r e s p o n d i n g to round t r i p p r o p a g a t i o n t i m e i s s t o r e d i n t h ei n t e r n a l d i s p l a y c o u nt e r . A d a t a good t e s t i s performed a tt h i s t i m e . P r o v i d e d t h e t e s t r e s u l t i s s a t i s f a c t o r y , t h erange number i s "dumped" a t a 3 1 . 6 kBPS r a t e v i a t h e d i s p l a yo u t p u t to t h e e x t e r n a l d i s p la y where i t i s p r e s e nt e d v i s u a l l y .E ac h o u t p u t p u l s e to t h e d i s p l a y c o rr e sp o n ds t o a 0 . 0 1 n . m i l er a n g e I n c r e m e n t . The e x t e r n a l d f s p i a y i s - - - -p-da ted by 5nci.e-m en ta l d i s p l a y p u l s e s d e ri v ed f ro m t h e f i n e t o n e t r a c k i n gl o o p .A d a t a g o o d s i g n a l i s t h e n s e n t to t h e com pute r t oi n i t i a t e r a n g e r e a d o u t t o t h e compu ter . Upon lf ec ei pt of ac om pu te r r a n g e s t r o b e , t h e data o u t p u t c f r c u E t r y of" the DRG

i s a c t i v a t e d . The i n t e r n a l d i s p l a y down c o u n t e r a n d c om pu te ro u t p u t r e g i s t e r a re c l e a r e d . A range number c15 b i t s ) f romt h e t r a c k e r i s t r a n s f e r r e d t o t h e i n t e r n a l d i s p l a y c ou n t e ri n a cc or da n ce w i t h t h e p r o c e du r e d e s c r i b e d a bo v e. A ga in t h erange number i s down-counted to s u b t r a c t f i n e eq ui pm en t d e l a y .


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BELLCOMM. NC . - 11 -

The a c t u a l r a n g e number i s t h e n t r a n s f e r r e d t o t h e computero u tp u t r e g i s t e r . A d a t a good t e s t i s per fo rm ed a t t h i s t i m e .P ro v id e d t h e t e s t r e s u l t i s s a t i s f a c t o r y t h e command r e a d o u tfr om t h e c o m pu t er , c o n s i s t i n g o f 15 p u l s e s a t a 3 . 2 k B P S r a t e ,c l o c k s o u t t h e 15 b i t s o f r a n g e d a t a t o t h e c om pu te r. T h i sp r o c e s s i s r e p e a t e d a t a r a t e of one measurement per minuteto p r o v i d e ra n g e r e a d o u t data to t h e c o m p u t e r .111. Range Tone T i> an s fe r Assembly (RTTA)

t r a n s c e i v e r and RTTA ( s e e F i g u r e 2 ) . Two t r a ns po nd er l oo psa r e p ro v id e d i n t h e RTTA. One loop i s u t i l i z e d t o d e t e c tand r e s h ap e e i t h e r t h e m i d t o n e o r t h e m i d a nd c o a r s e t o n ef o r k ey in g t h e LM t r a n s m i t t e r . The o t h e r l oo p i s u t i l i z e dt o p h a s e l o c k a l o c a l l y g en e ra t e d f i n e t o n e t o t h e r e c e i v e df i n e t on e s o t h a t a r e l a t i v e l y n o i s e - f r ee f i n e t o n e can bet r a n s m i t t e d on t h e r e t u r n l i n k to t h e CSM.

The LM VHF ran g in g t r an sp on de r c o n s i s t s o f t h e VJ3F

S e l e c t i o n of t h e p r o p e r lo o p and a c t i v a t i o n o f t h ee a r l y / l a t e g a t e i n t h e LM r a n g i n g t r a n s p on d e r a r e c o n t r o l l e dby t h e s i g n a l s e n s o r a s summarized i n T a b l e I V .T a b l e I V S i g n a l S e n s o r LoRir: F u n c t i o n s

LM R e c e i v e s Loop S e l e c t E a r l y / L a t e GateNo Ranging Tone F i n e A c t i v a t eMid Tone M id De-ac t iva teMid and C oa rs e Tone Mid D e - a c t i v a t eF ine Tone F i n e A c t i v a t e

P r i o r t o r e c e p t i o n of r a ng i n g t o n e s a t t h e LM, t h es i g n a l s e n s o r do e s n o t d e t e c t e n e rg y a t t h e 3 . 9 5 kHz f r e q u e n c y .The s i g n a l s e n s o r a c t i v a t e s t h e LM r e c e i v e r e a r l y / l a t e g a t ea na s e i e c t s t h e i o c a i i y generated r lne t o n e for modulat ioi?o f t h e l i n k t o t h e CSM ( s e e T a b l e I V ) i n o r d er t o m a in t a i n t h e50% RF d u t y c y c l e . S i n c e t r a n s m i s s i o n of ra n g i n g t o n e s t o t h eLM and a c q u i s i t i o n of t h e s e t o n e s h a s n o t be en i n i t i a t e d a tt h e CSM, t h e DRG i g n o r e s t h e r e c e i v e d f i n e t o ne f ro m t h e LMa n d e r r o n e o u s r a n g e d a t a i s n o t p r o d u c e d .

Once t h e a c q u i s i t i o n s e qu e nc e i s i n i t i a t e d a t t h eCSM, t h e LM f i r s t r e c e i v e s t h e m i d t o ne f o r a p e r i o d o f 2s e c on d s ( s e e T a b l e 111). D e s pi te t h e e f f e c t o f t h e a c t i v e LM


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BELLCOMM. N C . - 13 -

r e c e i v e r g a t e , t h e s i g n a l s e n so r d e t e c t s en er gy a t t h e 3 . 9 5kHz mid t o n e f r e q u e n c y . The s e n s o r p e r f o r m s t h e 3-ogic shown. i n T a b l e I V . T h u s , t h e m i d t o n e i s s i m p l y r e s h a p e d a n d t r a n s -m i t t e d to t h e CSM.

The mid a nd c o a r s e t o n e i s r e c e i v e d a t t h e LM f o rt h e s u c c e e d i n g 4 s ec on d i n t e r v a l . S i n c e a l a r g e p r o t i o n o ft h e s i g n a l e n er gy c an pass t h e 3 . 9 5 kHz f i l t e r , t h e s i g n a ls e n s or m a i n ta i n s t h e e x i s t i n g c o n f i g u r a t i o n du r in g t h i s t i m ei n t e r v a l as shown i n T ab le I V . T h u s , t h e mid a n d c o a r s et o n e i s r e s h a p e d a n d r e p e a t e d o n t h e r e t u r n l i n k to t h e CSM.A t t h e c o n c l u s i o n o f t h i s i n t e r v a l t h e f i n e t o ne i sr e c e i v e d a t t h e LM.a t 3 . 9 5 kHz, and i t t h e r e f o r e a c t i v a t e s t he e a r l y / l a t e g a t eand s e l e c t s t h e l o c a l l y ge n er a te d f i n e t o ne f o r t r a n s m i s s i o n

to t h e CSM. The g a t e d e r i ve s an e r r o r s i g n a l i n t h e e x a c tmanner a s t h a t d e s c ri b e d i n S e c t i o n 11. S i n c e t h e l o c a l l yg e n e r a t e d f i n e t o n e f r e qu en c y i s s l i g h t l y d i f f e r e n t from t h er e c e i v e d f i n e t o n e fr e qu e nc y a p e r i o d o f 2 seconds i s a l lowedf o r lo ck -u p o f t h e LM f i n e t o ne t r a c k i n g l oo p i n t h e RTTA.Due to t h e d i f f e r e n c e i n f re qu en cv , t h e two waveforms grad-u a l l y d r i f t i n t o a n i n - p h as e c o n d i t i o n . When t h i s o c c u r s ,t h e t r a c k i n g l o op e r r o r s i g n a l n ha se l o c k s t h e l o c a l l yg en er a t ed f i n e t o m t o t h e r e c e i v e f i n e t o n e . T hus , a coher -ent syskern i s e s t a b l i s h e d to r e g e n e r a t e t h e f i n e t o ne a t t h eLM

The s i g n a l s e n s or no l o n g e r d e t e c t s e n er gy

A t t h e c o n c l u s i o n o f t h i s t i m e i n t e r v a l , t h e DRGp ro gr am me r i n t h e CSM e n a b l e s t h e DRG f i n e t o n e t r a c k i ngl o o p . I f t h e RTTA l o o p , i n f a c t , i s l o c k e d u p , t h e DRG f i n et o n e t r a c k i n g l o o p c an loc k-u p c o r r e c t l y a nd v a l i d r a ng e da tac a n b e o b t a i n e d .

If t h e RTTA l o o p d i d n o t l o c k up d u r i n g i t s a l l o c a t e dt i m e i n t e r v a l , i t s t r a n s m i t t e d f i n e t o n e f r eq u en c y i s n o tc o h e r e n t w i t h t h e DRG t r a c k e r f i n e t o n e f re qu en cy . T h i s con-d i t i o n c a u se s an e x ce s s i v e r a t e of c o r r e c t i o n p u l s e s t o b eg e n e ra t e d i n t h e DRG f i n e t o n e t r a c k i n g l oo p as it a t t e m p t st o t r a c k t h e r e c e i v e d no n- co he re nt f i n e t o n e . An e x c e s s i v er a t e o f c o r r e c t i o n p u l s e s , w hich would b e i n t e r p r e t e d a s al a r g e r a n g e r a t e , r e s u l t s i n a u to m a t i c c l e a r i n g of t h e s y s t e m( s e e S e c t i o n 11) a nd t h e a c q u i s i t i o n s eq ue nc e mus t b e r e -i n i t i a t e d t o o b t a i n r a ng e d a t a .


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BELLCOMM, N C . - 13 -IV. Concluding Remarks

The system description presented in this memorandumattempts t o delineate the gross operation of the Apollo VHFranging system as it is presently conceived. Additionalinformation on the theory of operation of this system isavailable from the author.

2034-KHS-dlb K. H. SchmidAttachmentFigures 1 through 7


16/23

l I 0 1 3 3 U a 3 d 0 13 A N3 l I A 3 1 W O N

I - - 131113r * iZH X LZ'S1. A-H311MS -W

Lz aow wns 10133ua+ 1 3 n a 0 1 d3iavsiaA 4,~~~- D+ZH Y S6'E t Y1311 d

SSVd M o lI ZH LPZ

cnh,ux 1 0 1 1 3 A N 0 3 +I 3 S l f l dN -0 i -3a -d

l N 3 WA

11 3N n03ZH Y S6'& - a W M I O 3- - 1VMY3VfJIt 0"

&Z f7 - -13013 S l n dZH LPZ PZ +W% W

-I =VII

I ZH LPZ I ZH Y S6'E I

1311 4SSVdMol

-11 6'E D Z H LPZt

+1 0 1 1 3 A N0 3

3 S l f l dw 3

I I

31901I X 3 0 1 3ZHW Z O' Z( 1 3 Y 3 V l I l 3 N 0 1 3 3 1 H l )-------1Ii n d u o v iva ?---+-lNV 1 0 1 V 1 3 N 3 3 3 N O 1 3 3 N V Y l

I33SNVYlI

I1V 3N0111N90331II -3 N V I IIWP t '

S l l 9 9WzVI ItNvwwo3 Id o 0 1 3 N O l 3 N I d W O1 J 4 ; cz + -N W3 13N A V ltS la pz i

131Nfl03 -l V A 1 3 l N - 0'0z aow VI-c1i 7wns I3+- N4yz 1 3 W W V 1 3 0 1 d 1m a+ +

i L1v313 4 ~ 13313s 3NOl A v i 3 aW31SAS 11WX 011 1 V l S1 V f l N V W

Y 30133 3 N V 1

is31 aoos v iva - i3a13313s 3NOl

3SWO3 a N V a l W - 313313s ~NO aiw - w133135 I N 0 1 N I3 - 3-0.xIN

1


17/23

III

~II

rr)

Q:JWa fi t IIIIII

IIIIII

.LICWnZ0n2a&I-(3Z(3ZQ-&

zAI(vW4(3-LL


18/23

NI

2txiI(3Zi-I-Nr

I--mw2(3Z0

(30

0

-cfMrrI-

I - I -ucM M Z M

U Z U5z55

rrW(3

0(3Z

I-Lu

arrImurr3(3G


19/23

*RANGET.02 MHZ

3* * + 22ULSELOGIC +3.95 KHZ IJ I iI

FORWARD-BACKWARDC O UNTER

DC-TO PULSECONVERTOR

PRODUCTDETECTOR

LO W P A S SFILTER

4 1 SELECT 4-9 C3.95 KHZ Qb+-DGT

tI L - 5 . 2 7 K H Z

3.95 KHZ RECEIVE TONE L - 3 . 9 5 KHZ Q

TACQUlSlTlO N AID

3.95 KHZ Q

F - FIN E TONE SELECTM - M ID TONE SELECTC - M ID A ND COARSE TONE SELECTDGT - D AT A G O O D TEST SELECT 1FROMPROGRAMMERFIGURE 4 - M ID TONE TRACKING LOOP


20/23

LOW PASSFILTER

L

G O O D TRACK

b tAID TO M ID ORCOARSE LOO P

C M

C - M ID AN D COARSE TONE SELECT FROM PROGRAMMERM - M ID TONE SELECTDGT - DATA GO OD TEST SELECTFIGURE 5 - AMBIGUITY INDICATOR A ND G O O D TRACK DETECTOR.


21/23

TO TRANSFER GATEf 4 BITS

A I3.95 KHZ I PULSELOGIC )I+ 24 -247 HZ I

v

FORWARD-BACKWARDCOUNTER4 Ab DC-TOPULSECONVERTOR

T

A

f

LOW PASSFI LTER

A

I L +S U M M O D 2 3.95 KHZ IDETECTOR FROMTRACKER

L d L3.95 KHZ @ 247 HZFROM ENVELOPE DETECTOR C

C - MI D AN D COARSE TONE ENABLE ( FRO M PROGRAMMER).

ACQUIS IT I0NAI D

247 HZ Q

FIGURE 6 =COARSE TONE TRACKING LOOP.


22/23

RANGEC LOC K

ic>

TO TRANSFER GATE2 B ITS 6 BITS1

PULSELOGIC '

IFORWARD-BACKWARD.-COUNTER

A A

kC-TO-PULSE fiCONVERTOR EA U

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Apollo VHF Ranging System

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