一種微小型USB測(cè)控應(yīng)答機(jī)測(cè)距音功率解耦方法*

趙賽果，姚玉維

?目標(biāo)特性與探測(cè)跟蹤技術(shù)?

一種微小型USB測(cè)控應(yīng)答機(jī)測(cè)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(kāi)采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013）

在航天統(tǒng)一S波段（unified S-band，USB）測(cè)控系統(tǒng)中，地面測(cè)控站通過(guò)星上的USB測(cè)控應(yīng)答機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)的測(cè)距音相位延遲提取距離信息，考慮到測(cè)距音提取濾波器以及信道噪聲對(duì)下行調(diào)制度的影響，下行測(cè)距音的調(diào)制度會(huì)發(fā)生非預(yù)期的起伏，從而影響整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)的功率效率與通信距離。提到了一種微小型USB測(cè)控應(yīng)答機(jī)測(cè)距音功率解耦方法，在簡(jiǎn)化上行接收機(jī)設(shè)計(jì)的同時(shí)，通過(guò)進(jìn)行接收功率歸一化，消除上行接收信號(hào)強(qiáng)度對(duì)調(diào)制度的不利影響，保障了測(cè)控應(yīng)答機(jī)調(diào)制信號(hào)的功率效率，并通過(guò)產(chǎn)品實(shí)測(cè)對(duì)方法的可行性與效果進(jìn)行了驗(yàn)證。

統(tǒng)一S波段；測(cè)控應(yīng)答機(jī)；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(cè)控系統(tǒng)中，發(fā)射信號(hào)通過(guò)相位調(diào)制度的設(shè)計(jì)，在殘留載波、測(cè)距音、數(shù)據(jù)側(cè)音（上行的遙控側(cè)音、下行的遙測(cè)側(cè)音）之間實(shí)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(shí)現(xiàn)盡可能大的傳輸距離［1-2］。然而，在星載應(yīng)答機(jī)發(fā)射的下行信號(hào)中，參與調(diào)制的測(cè)距音是從上行信號(hào)中提取得到的，受到上行接收信號(hào)的信號(hào)強(qiáng)度、殘留遙控副載波等因素的影響，提取的測(cè)距音幅值經(jīng)常發(fā)生較大的波動(dòng)，從而影響下行信號(hào)的相位調(diào)制度，并最終對(duì)功率分配形成不利影響［3］。

本文以某“星載微小型USB測(cè)控應(yīng)答機(jī)”研制項(xiàng)目為例，在簡(jiǎn)化上行接收機(jī)設(shè)計(jì)的同時(shí)，在采用窄帶測(cè)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(guò)采用一種全新的功率解耦方法，消除上行接收信號(hào)強(qiáng)度對(duì)調(diào)制度的不利影響，保障了測(cè)控應(yīng)答機(jī)發(fā)射信號(hào)的質(zhì)量與各側(cè)音的功率分配，并通過(guò)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)方法的可行性與效果進(jìn)行了驗(yàn)證。

1　USB測(cè)控系統(tǒng)信號(hào)形式與測(cè)距原理

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

USB測(cè)控系統(tǒng)地面站與星載應(yīng)答機(jī)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(gè)副載波疊加共同對(duì)載波相位進(jìn)行調(diào)制；在接收端線對(duì)載波進(jìn)行解調(diào)，然后通過(guò)不同的濾波器將各副載波分開(kāi)，并進(jìn)一步對(duì)副載波進(jìn)行解調(diào)提取相關(guān)有用信息。USB測(cè)控系統(tǒng)的測(cè)距信號(hào)是一組測(cè)距音（也可稱為測(cè)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(shí)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(cè)控系統(tǒng)測(cè)控信號(hào)的通用數(shù)學(xué)表達(dá)式為

2　測(cè)控應(yīng)答機(jī)接收機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

測(cè)控應(yīng)答機(jī)是星載測(cè)控設(shè)備，在測(cè)距環(huán)路中，負(fù)責(zé)測(cè)距音接收與轉(zhuǎn)發(fā)。本文提到微小型USB測(cè)控系統(tǒng)采用了數(shù)字化接收機(jī)架構(gòu)［7］。數(shù)字化接收機(jī)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(wú)線電的設(shè)計(jì)思想，但對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（analog-to-digital converter，ADC）與數(shù)字信號(hào)處理機(jī)性能要求非常高，同時(shí)不太適合大動(dòng)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(shì)，對(duì)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(lái)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(chǎng)景，因此在靈敏度與動(dòng)態(tài)范圍均要求高的制導(dǎo)雷達(dá)、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(jī)高動(dòng)態(tài)與高靈敏度的優(yōu)勢(shì)，而且通過(guò)對(duì)中頻進(jìn)行直接帶通采樣，相比傳統(tǒng)模擬接收機(jī)架構(gòu)，更有利于系統(tǒng)的集成化和小型化，同時(shí)對(duì)ADC與數(shù)字信號(hào)處理電路的性能要求合理，便于工程實(shí)現(xiàn)。

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

圖1 　微小型USB測(cè)控應(yīng)答機(jī)接收機(jī)架構(gòu)

接收機(jī)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(hào)的大部分動(dòng)態(tài)，中頻帶通采樣降低了信號(hào)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(jìn)行載波跟蹤、數(shù)字下變頻和后續(xù)基帶處理。

應(yīng)答機(jī)接收信號(hào)的頻譜如圖2所示。

圖2 　應(yīng)答機(jī)接收信號(hào)頻譜（跟蹤測(cè)距階段）

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

3　轉(zhuǎn)發(fā)測(cè)距音的提取與下行信號(hào)功率分配

USB測(cè)控應(yīng)答機(jī)接收機(jī)完成載波跟蹤與載波剝離后，接收信號(hào)的離散形式為

通過(guò)測(cè)距主音濾波器、測(cè)距次音濾波器后，輸出到下行相位調(diào)制器的測(cè)距信號(hào)表達(dá)式變?yōu)?/p>

上述信號(hào)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(hào)數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中：

從式（5）～（7）可知，下行測(cè)距音的調(diào)制度不但與上行信號(hào)的副載波數(shù)量、調(diào)制指數(shù)有關(guān)，還與應(yīng)答機(jī)接收功率有關(guān)，并隨著接收信號(hào)強(qiáng)度的變化而發(fā)生起伏，從而導(dǎo)致下行信號(hào)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(duì)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(jìn)而對(duì)通信距離造成不利影響。

4　功率解耦方法

為了實(shí)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(hào)可以提取信號(hào)功率為

利用式（12），即可實(shí)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(hào)為

上述算法通過(guò)利用接收信號(hào)提取信號(hào)功率，并對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)進(jìn)行歸一化，實(shí)現(xiàn)了下行測(cè)距音調(diào)制度與上行接收信號(hào)強(qiáng)度的解耦。

5　測(cè)試驗(yàn)證

5.1　測(cè)試工況與方法

在本文涉及的工程項(xiàng)目中，測(cè)控系統(tǒng)對(duì)微小型USB測(cè)控應(yīng)答機(jī)調(diào)制度的技術(shù)要求如表1所示。

在工程項(xiàng)目中，依據(jù)本文所述方法，完成了測(cè)控應(yīng)答機(jī)的硬件與軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，并按照表2所列工況開(kāi)展下行信號(hào)側(cè)音調(diào)制度驗(yàn)證。

表1 　調(diào)制度技術(shù)要求

表2 　工況約定

測(cè)試前，提前完成接收信號(hào)強(qiáng)度標(biāo)定，并采用專用測(cè)試設(shè)備完成工作模式設(shè)置。測(cè)試時(shí)，待應(yīng)答機(jī)鎖定并轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)，使用頻譜儀測(cè)試應(yīng)答機(jī)下行輸出信號(hào)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(guò)查表法得到各下行信號(hào)各側(cè)音調(diào)制度。

圖3 　通過(guò)側(cè)音與殘留載波比值獲取側(cè)音調(diào)制度

5.2　測(cè)試結(jié)果

在上述工況下，下行信號(hào)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(jiàn)表3所示。

表3 　下行信號(hào)調(diào)制度測(cè)試結(jié)果

6　結(jié)束語(yǔ)

驗(yàn)證結(jié)果表明，本文論述的方法在USB測(cè)控應(yīng)答機(jī)的測(cè)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(hào)測(cè)距音調(diào)制度隨上行接收信號(hào)強(qiáng)度影響的問(wèn)題，適用于數(shù)字接收機(jī)架構(gòu)的USB測(cè)控應(yīng)答機(jī)系統(tǒng)。理論還表明，該方法不但適合測(cè)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(duì)數(shù)字測(cè)控應(yīng)答機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有一定的借鑒意義。

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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(cè)控應(yīng)答機(jī)測(cè)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(zhǎng)沙人。高工，碩士，研究方向?yàn)橥ㄐ排c信息系統(tǒng)。

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