趙賽果，姚玉維

?目標(biāo)特性與探測跟蹤技術(shù)?

一種微小型USB測控應(yīng)答機測距音功率解耦方法*

趙賽果1，姚玉維2，3

（1.北京遙感設(shè)備研究所，北京 100854； 2.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 100013； 3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013）

在航天統(tǒng)一S波段（unified S-band，USB）測控系統(tǒng)中，地面測控站通過星上的USB測控應(yīng)答機轉(zhuǎn)發(fā)的測距音相位延遲提取距離信息，考慮到測距音提取濾波器以及信道噪聲對下行調(diào)制度的影響，下行測距音的調(diào)制度會發(fā)生非預(yù)期的起伏，從而影響整個測控系統(tǒng)的功率效率與通信距離。提到了一種微小型USB測控應(yīng)答機測距音功率解耦方法，在簡化上行接收機設(shè)計的同時，通過進行接收功率歸一化，消除上行接收信號強度對調(diào)制度的不利影響，保障了測控應(yīng)答機調(diào)制信號的功率效率，并通過產(chǎn)品實測對方法的可行性與效果進行了驗證。

統(tǒng)一S波段；測控應(yīng)答機；相位調(diào)制；調(diào)制度；解耦方法

0　引言

在航天統(tǒng)一S波段（unified S-band，USB）測控系統(tǒng)中，發(fā)射信號通過相位調(diào)制度的設(shè)計，在殘留載波、測距音、數(shù)據(jù)側(cè)音（上行的遙控側(cè)音、下行的遙測側(cè)音）之間實現(xiàn)最佳功率分配，從而使系統(tǒng)在有限的發(fā)射功率下，實現(xiàn)盡可能大的傳輸距離［1-2］。然而，在星載應(yīng)答機發(fā)射的下行信號中，參與調(diào)制的測距音是從上行信號中提取得到的，受到上行接收信號的信號強度、殘留遙控副載波等因素的影響，提取的測距音幅值經(jīng)常發(fā)生較大的波動，從而影響下行信號的相位調(diào)制度，并最終對功率分配形成不利影響［3］。

本文以某“星載微小型USB測控應(yīng)答機”研制項目為例，在簡化上行接收機設(shè)計的同時，在采用窄帶測距音線性相位濾波器消除副載波殘留調(diào)制的基礎(chǔ)上，通過采用一種全新的功率解耦方法，消除上行接收信號強度對調(diào)制度的不利影響，保障了測控應(yīng)答機發(fā)射信號的質(zhì)量與各側(cè)音的功率分配，并通過系統(tǒng)實現(xiàn)對方法的可行性與效果進行了驗證。

1　USB測控系統(tǒng)信號形式與測距原理

USB測控系統(tǒng)在20世紀(jì)60年代起源于美國，作為“阿波羅”登月任務(wù)中測定軌、遙測、遙控、通信一體的無線電測控系統(tǒng)，并很快成為國際標(biāo)準(zhǔn)，我國的載人工程等重大工程任務(wù)，也采用USB測控系統(tǒng)［4］。

USB測控系統(tǒng)地面站與星載應(yīng)答機在發(fā)射端將各種信息分別調(diào)制在不同頻率的副載波上，然后多個副載波疊加共同對載波相位進行調(diào)制；在接收端線對載波進行解調(diào)，然后通過不同的濾波器將各副載波分開，并進一步對副載波進行解調(diào)提取相關(guān)有用信息。USB測控系統(tǒng)的測距信號是一組測距音（也可稱為測距副載波），其中主側(cè)音為100 kHz，次側(cè)音為20 kHz，4 kHz，800 Hz，160 Hz，32 Hz及8 Hz，側(cè)音經(jīng)頻譜折疊處理后，實際參與載波相位調(diào)制的側(cè)音變?yōu)?00，20，16，16.8，16.16，16.032，16.008 kHz［5］。

USB測控系統(tǒng)測控信號的通用數(shù)學(xué)表達式為

2　測控應(yīng)答機接收機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

測控應(yīng)答機是星載測控設(shè)備，在測距環(huán)路中，負(fù)責(zé)測距音接收與轉(zhuǎn)發(fā)。本文提到微小型USB測控系統(tǒng)采用了數(shù)字化接收機架構(gòu)［7］。數(shù)字化接收機架構(gòu)一般分射頻直接帶寬采樣架構(gòu)、寬帶中頻帶通采樣架構(gòu)和零中頻采樣架構(gòu)3種［8］。其中，射頻直接采樣架構(gòu)最符合軟件無線電的設(shè)計思想，但對模數(shù)轉(zhuǎn)換器（analog-to-digital converter，ADC）與數(shù)字信號處理機性能要求非常高，同時不太適合大動態(tài)范圍應(yīng)用［9-10］；零中頻采樣架構(gòu)在多媒體、高清影像等大帶寬的通信系統(tǒng)應(yīng)用中擁有較大的優(yōu)勢，對提高產(chǎn)品集成度、降低產(chǎn)品功耗非常有利，但正交失配所帶來的誤差矢量幅度（error vector magnitude，EVM）惡化，高的低頻噪聲與直流偏移都不利于高靈敏度應(yīng)用場景，因此在靈敏度與動態(tài)范圍均要求高的制導(dǎo)雷達、衛(wèi)星通信等領(lǐng)域應(yīng)用較少［11-12］。寬帶中頻帶通采樣架構(gòu)是一種折中方案，不但保留了傳統(tǒng)超外差接收機高動態(tài)與高靈敏度的優(yōu)勢，而且通過對中頻進行直接帶通采樣，相比傳統(tǒng)模擬接收機架構(gòu)，更有利于系統(tǒng)的集成化和小型化，同時對ADC與數(shù)字信號處理電路的性能要求合理，便于工程實現(xiàn)。

微小型USB測控應(yīng)答機采取的外差式中頻數(shù)字接收機架構(gòu)如圖1所示。

圖1 　微小型USB測控應(yīng)答機接收機架構(gòu)

接收機采用小型化介質(zhì)濾波器提供大的收發(fā)隔離，超外差式接收兼顧了低噪聲和優(yōu)秀的帶外抑制性能，AGC放大電路消除了接收信號的大部分動態(tài)，中頻帶通采樣降低了信號處理速率，完成采用后的數(shù)據(jù)送大型可編程邏輯器件進行載波跟蹤、數(shù)字下變頻和后續(xù)基帶處理。

應(yīng)答機接收信號的頻譜如圖2所示。

圖2 　應(yīng)答機接收信號頻譜（跟蹤測距階段）

完成載波跟蹤與數(shù)字下變頻的數(shù)字信號使用有限脈沖響應(yīng)（finite impulse response，F(xiàn)IR）濾波器進行線性相位濾波，無相位失真地提取測距主側(cè)音與測距次側(cè)音，并參與下行信號的相位調(diào)制，最終配合地面測控系統(tǒng)完成距離測量。

3　轉(zhuǎn)發(fā)測距音的提取與下行信號功率分配

USB測控應(yīng)答機接收機完成載波跟蹤與載波剝離后，接收信號的離散形式為

通過測距主音濾波器、測距次音濾波器后，輸出到下行相位調(diào)制器的測距信號表達式變?yōu)?/p>

上述信號直接在數(shù)字基帶處理中完成相位調(diào)制，調(diào)制后的下行信號數(shù)學(xué)表達式為

式中：

從式（5）～（7）可知，下行測距音的調(diào)制度不但與上行信號的副載波數(shù)量、調(diào)制指數(shù)有關(guān)，還與應(yīng)答機接收功率有關(guān)，并隨著接收信號強度的變化而發(fā)生起伏，從而導(dǎo)致下行信號各副載波以及殘余載波功率發(fā)生非預(yù)期的起伏，這不但對系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性不利，也不利于充分利用有限的發(fā)射功率資源，進而對通信距離造成不利影響。

4　功率解耦方法

為了實現(xiàn)接收功率與調(diào)制度的解耦，將公式（6），（7）表示成下面這種形式：

利用正交下變頻得到的I，Q兩路信號可以提取信號功率為

利用式（12），即可實現(xiàn)接收功率與調(diào)制度的解耦，最終得到解耦后的下行信號為

上述算法通過利用接收信號提取信號功率，并對轉(zhuǎn)發(fā)信號進行歸一化，實現(xiàn)了下行測距音調(diào)制度與上行接收信號強度的解耦。

5　測試驗證

5.1　測試工況與方法

在本文涉及的工程項目中，測控系統(tǒng)對微小型USB測控應(yīng)答機調(diào)制度的技術(shù)要求如表1所示。

在工程項目中，依據(jù)本文所述方法，完成了測控應(yīng)答機的硬件與軟件的設(shè)計與實現(xiàn)，并按照表2所列工況開展下行信號側(cè)音調(diào)制度驗證。

表1 　調(diào)制度技術(shù)要求

表2 　工況約定

測試前，提前完成接收信號強度標(biāo)定，并采用專用測試設(shè)備完成工作模式設(shè)置。測試時，待應(yīng)答機鎖定并轉(zhuǎn)發(fā)時，使用頻譜儀測試應(yīng)答機下行輸出信號頻譜，記錄各側(cè)音功率與殘留載波功率的比值（如圖3所示），并通過查表法得到各下行信號各側(cè)音調(diào)制度。

圖3 　通過側(cè)音與殘留載波比值獲取側(cè)音調(diào)制度

5.2　測試結(jié)果

在上述工況下，下行信號各側(cè)音調(diào)制度均在技術(shù)指標(biāo)范圍內(nèi)，最大誤差不高于3.4%，具體指標(biāo)見表3所示。

表3 　下行信號調(diào)制度測試結(jié)果

6　結(jié)束語

驗證結(jié)果表明，本文論述的方法在USB測控應(yīng)答機的測距音轉(zhuǎn)發(fā)處理中擁有較好的功率解耦性能，解決了下行信號測距音調(diào)制度隨上行接收信號強度影響的問題，適用于數(shù)字接收機架構(gòu)的USB測控應(yīng)答機系統(tǒng)。理論還表明，該方法不但適合測距音上行調(diào)制度與下行調(diào)制度一致的系統(tǒng)，也適應(yīng)于上下行調(diào)制度不同的系統(tǒng)，對數(shù)字測控應(yīng)答機系統(tǒng)的設(shè)計具有一定的借鑒意義。

［1］ Johson Space Center.Apollo Experience Report：S-Band System Signal Design and Analysis［R］.NASA-TN-D-6723，1972.

［2］ CCSDS 401.0-B-21 Radio Frequency and Modulation Systems-Part 1：Earth Stations and Spacecraft［S］.Washington D.C.：CCSDS Secretariat，2001：205-212.

［3］ 吳學(xué)英.統(tǒng)一S波段測控信道調(diào)制指數(shù)設(shè)計方程［J］.遙測遙控，1999，3（2）：1-9.

WU Xueying.Equations for the Selection of the Modulation Indices of Unified S Band Communication Channel［J］. Telemetry & Telecontrol， 1999，3（2）：1-9.

［4］ 張慶君，余孝昌，左莉華，等，神舟載人飛船測控與通信分系統(tǒng)的研制［J］.航天器工程，2004，3（1）：97-103.

ZHANG Qingjun，YU Xiaochang，ZUO Lihua，et al. Development of Shenzhou Manned Spacecraft T&C Subsystem［J］. Spcacecraft & Engineering， 2004，3（1）：97-103.

［5］ 韓魁選，忻鼎勇，柴肇坤，等.微波統(tǒng)一測控系統(tǒng)設(shè)計導(dǎo)論［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1984.

HAN Kuixuan，XIN Dingyong，CHAI Zhaokun， et al. Introduction to the Design of TT&C System［M］.Beijing： National Defense Industry Press， 1984.

［6］ 黨赟，周亮.基于應(yīng)用的多測距音測距改進技術(shù)［J］.測控遙感與導(dǎo)航定位， 2011， 41（8）： 21-24.

DANG Yun，ZHOU Liang. Improved Technique of Multi Tone Ranging Based on Application［J］. Radio Engineering of China， 2011， 41（8）： 21-24.

［7］ 張麗，常力，郭虹，等. PM/BPSK 復(fù)合調(diào)制信號的數(shù)字解調(diào)技術(shù)研究［J］.通信技術(shù)， 2006（6）： 28-30.

ZHANG Li，CHANG Li，GUO Hong，et al.Research on Digital Signal Processing for PM/BPSK Demodulation［J］.Communications Techmology， 2006（6）： 28-30.

［8］ 荊波，丁偉強. 基于軟件無線電的中頻數(shù)字接收機［J］.無線電技術(shù)，2005（33）：43-52.

JING Bo，DING Weiqiang.Software-Defined Radio-Based IF Digital Receiver［J］.Radio Technics， 2005（33）：43-52.

［9］ 丁晟，孫友禮.采用射頻直采技術(shù)的超寬帶軟件無線電平臺［J］.電訊技術(shù)， 2022， 62（12）：1792-1801.

DING Sheng，SUN Youli. An Ultra-Wideband Soft Defined Radio Platform Using RF Direct Sampling［J］.Telecommunication Engineering，2022，62（12）：1792-1801.

［10］ 魯長來，倪文飛，夏丹.基于軟件無線電的射頻直采數(shù)字接收機研究［J］.火控雷達技術(shù)， 2018，47（3）：51-55.

LU Changlai，NI Wenfei，XIA Dan. Study on SDR-Based RF Direct Sampling Digital Receiver［J］.Fire Control Radar Technology，2018，47（3）：51-55.

［11］ 郭慧民，閻躍鵬.零中頻接收機的直流偏移消除和自動增益校準(zhǔn)［J］.湖南大學(xué)學(xué)報， 2022，49（2）：160-168.

GUO Huimin，YAN Yuepeng. DC Offset Cancellation and Gain Mismatch Auto-Calibration in Zero Intermediate Frequency Receiver［J］. Journal of Hunan University， 2022，49（2）：160-168.

［12］ 王紅舉.窄帶零中頻接收機IQ不平衡校準(zhǔn)技術(shù)研究［J］.現(xiàn)代導(dǎo)航，2018，9（2）：114-118.

WANG Hongju. Research on IQ Imbalance Calibration Technology for Narrowband Zero-IF Receiver［J］.Modern Navigation，2018，9（2）：114-118.

A Decoupling Method of Ranging Tone Power for a Miniaturized USB TT&C Transponder

ZHAOSaiguo1，YAOYuwei2，3

（1.Beijing Institute of Remote Sensing Equipment， Beijing 100854， China； 2.China Coal Research Institute， Beijing 100013， China； 3.State Key Laboratory of Efficient Mining and Clean Utilization of Coal Resource， Beijing 100013， China）

In the unified S-band （USB） tracking telemetering and control （TT&C） system，the ground station extracts the range information through the phase delay of the ranging tone transmitted by the satellite TT&C transponder. Considering the influence of the ranging tone extraction filter and channel noise on the downlink modulation system， the modulation index of the downlink ranging tone will fluctuate unexpectedly. So the system efficiency and communication distance of the whole TT&C system are affected. This paper introduces a ranging sound power decoupling method for a miniaturized USB TT&C transponder， which simplifies the design of the uplink receiver while eliminating the adverse effect of the uplink received signal strength on the modulation system through the normalisation of the received power， so as to guarantee the power efficiency of the modulation signal of the measurement and control transponders. The feasibility and effect of the method are verified by product measurement.

unified S-band（USB）；tracking telemetering and control（TT&C） transponder；modulation；phase modulation index；decoupling method

10.3969/j.issn.1009-086x.2023.04.008

TJ768.3

A

1009-086X（2023）-04-0063-06

趙賽果, 姚玉維.一種微小型USB測控應(yīng)答機測距音功率解耦方法[J].現(xiàn)代防御技術(shù),2023,51(4):63-68.

ZHAO Saiguo,YAO Yuwei.A Decoupling Method of Ranging Tone Power for a Miniaturized USB TT&C Transponder[J].Modern Defence Technology,2023,51(4):63-68.

2021 -12 -21 ;

2023 -03 -23

趙賽果(1982-)，男，湖南長沙人。高工，碩士，研究方向為通信與信息系統(tǒng)。

100854 北京市142信箱205分箱 E-mail：zhaosaiguo@163.com