赵赛果，姚玉维

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一种微小型USB测控应答机测距音功率解耦方法*

赵赛果1，姚玉维2，3

（1.北京遥感设备研究所，北京 100854； 2.煤炭科学技术研究院有限公司，北京 100013； 3.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京 100013）

在航天统一S波段（unified S-band，USB）测控系统中，地面测控站通过星上的USB测控应答机转发的测距音相位延迟提取距离信息，考虑到测距音提取滤波器以及信道噪声对下行调制度的影响，下行测距音的调制度会发生非预期的起伏，从而影响整个测控系统的功率效率与通信距离。提到了一种微小型USB测控应答机测距音功率解耦方法，在简化上行接收机设计的同时，通过进行接收功率归一化，消除上行接收信号强度对调制度的不利影响，保障了测控应答机调制信号的功率效率，并通过产品实测对方法的可行性与效果进行了验证。

统一S波段；测控应答机；相位调制；调制度；解耦方法

0　引言

在航天统一S波段（unified S-band，USB）测控系统中，发射信号通过相位调制度的设计，在残留载波、测距音、数据侧音（上行的遥控侧音、下行的遥测侧音）之间实现最佳功率分配，从而使系统在有限的发射功率下，实现尽可能大的传输距离［1-2］。然而，在星载应答机发射的下行信号中，参与调制的测距音是从上行信号中提取得到的，受到上行接收信号的信号强度、残留遥控副载波等因素的影响，提取的测距音幅值经常发生较大的波动，从而影响下行信号的相位调制度，并最终对功率分配形成不利影响［3］。

本文以某“星载微小型USB测控应答机”研制项目为例，在简化上行接收机设计的同时，在采用窄带测距音线性相位滤波器消除副载波残留调制的基础上，通过采用一种全新的功率解耦方法，消除上行接收信号强度对调制度的不利影响，保障了测控应答机发射信号的质量与各侧音的功率分配，并通过系统实现对方法的可行性与效果进行了验证。

1　USB测控系统信号形式与测距原理

USB测控系统在20世纪60年代起源于美国，作为“阿波罗”登月任务中测定轨、遥测、遥控、通信一体的无线电测控系统，并很快成为国际标准，我国的载人工程等重大工程任务，也采用USB测控系统［4］。

USB测控系统地面站与星载应答机在发射端将各种信息分别调制在不同频率的副载波上，然后多个副载波叠加共同对载波相位进行调制；在接收端线对载波进行解调，然后通过不同的滤波器将各副载波分开，并进一步对副载波进行解调提取相关有用信息。USB测控系统的测距信号是一组测距音（也可称为测距副载波），其中主侧音为100 kHz，次侧音为20 kHz，4 kHz，800 Hz，160 Hz，32 Hz及8 Hz，侧音经频谱折叠处理后，实际参与载波相位调制的侧音变为100，20，16，16.8，16.16，16.032，16.008 kHz［5］。

USB测控系统测控信号的通用数学表达式为

2　测控应答机接收机系统结构

测控应答机是星载测控设备，在测距环路中，负责测距音接收与转发。本文提到微小型USB测控系统采用了数字化接收机架构［7］。数字化接收机架构一般分射频直接带宽采样架构、宽带中频带通采样架构和零中频采样架构3种［8］。其中，射频直接采样架构最符合软件无线电的设计思想，但对模数转换器（analog-to-digital converter，ADC）与数字信号处理机性能要求非常高，同时不太适合大动态范围应用［9-10］；零中频采样架构在多媒体、高清影像等大带宽的通信系统应用中拥有较大的优势，对提高产品集成度、降低产品功耗非常有利，但正交失配所带来的误差矢量幅度（error vector magnitude，EVM）恶化，高的低频噪声与直流偏移都不利于高灵敏度应用场景，因此在灵敏度与动态范围均要求高的制导雷达、卫星通信等领域应用较少［11-12］。宽带中频带通采样架构是一种折中方案，不但保留了传统超外差接收机高动态与高灵敏度的优势，而且通过对中频进行直接带通采样，相比传统模拟接收机架构，更有利于系统的集成化和小型化，同时对ADC与数字信号处理电路的性能要求合理，便于工程实现。

微小型USB测控应答机采取的外差式中频数字接收机架构如图1所示。

图1 　微小型USB测控应答机接收机架构

接收机采用小型化介质滤波器提供大的收发隔离，超外差式接收兼顾了低噪声和优秀的带外抑制性能，AGC放大电路消除了接收信号的大部分动态，中频带通采样降低了信号处理速率，完成采用后的数据送大型可编程逻辑器件进行载波跟踪、数字下变频和后续基带处理。

应答机接收信号的频谱如图2所示。

图2 　应答机接收信号频谱（跟踪测距阶段）

完成载波跟踪与数字下变频的数字信号使用有限脉冲响应（finite impulse response，FIR）滤波器进行线性相位滤波，无相位失真地提取测距主侧音与测距次侧音，并参与下行信号的相位调制，最终配合地面测控系统完成距离测量。

3　转发测距音的提取与下行信号功率分配

USB测控应答机接收机完成载波跟踪与载波剥离后，接收信号的离散形式为

通过测距主音滤波器、测距次音滤波器后，输出到下行相位调制器的测距信号表达式变为

上述信号直接在数字基带处理中完成相位调制，调制后的下行信号数学表达式为

式中：

从式（5）～（7）可知，下行测距音的调制度不但与上行信号的副载波数量、调制指数有关，还与应答机接收功率有关，并随着接收信号强度的变化而发生起伏，从而导致下行信号各副载波以及残余载波功率发生非预期的起伏，这不但对系统的工作稳定性不利，也不利于充分利用有限的发射功率资源，进而对通信距离造成不利影响。

4　功率解耦方法

为了实现接收功率与调制度的解耦，将公式（6），（7）表示成下面这种形式：

利用正交下变频得到的I，Q两路信号可以提取信号功率为

利用式（12），即可实现接收功率与调制度的解耦，最终得到解耦后的下行信号为

上述算法通过利用接收信号提取信号功率，并对转发信号进行归一化，实现了下行测距音调制度与上行接收信号强度的解耦。

5　测试验证

5.1　测试工况与方法

在本文涉及的工程项目中，测控系统对微小型USB测控应答机调制度的技术要求如表1所示。

在工程项目中，依据本文所述方法，完成了测控应答机的硬件与软件的设计与实现，并按照表2所列工况开展下行信号侧音调制度验证。

表1 　调制度技术要求

表2 　工况约定

测试前，提前完成接收信号强度标定，并采用专用测试设备完成工作模式设置。测试时，待应答机锁定并转发时，使用频谱仪测试应答机下行输出信号频谱，记录各侧音功率与残留载波功率的比值（如图3所示），并通过查表法得到各下行信号各侧音调制度。

图3 　通过侧音与残留载波比值获取侧音调制度

5.2　测试结果

在上述工况下，下行信号各侧音调制度均在技术指标范围内，最大误差不高于3.4%，具体指标见表3所示。

表3 　下行信号调制度测试结果

6　结束语

验证结果表明，本文论述的方法在USB测控应答机的测距音转发处理中拥有较好的功率解耦性能，解决了下行信号测距音调制度随上行接收信号强度影响的问题，适用于数字接收机架构的USB测控应答机系统。理论还表明，该方法不但适合测距音上行调制度与下行调制度一致的系统，也适应于上下行调制度不同的系统，对数字测控应答机系统的设计具有一定的借鉴意义。

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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

赵赛果, 姚玉维.一种微小型USB测控应答机测距音功率解耦方法[J].现代防御技术,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

赵赛果(1982-)，男，湖南长沙人。高工，硕士，研究方向为通信与信息系统。

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