一種星地頻標同步技術的研究

吉磊　王永濤

摘要：針對SMA地面多波束形成FDM變換對相干導頻的需求，研究了一種對星上擴頻遙測信號地面進行高精度跟蹤與恢復出頻標的實現方案，突破了低相噪頻率綜合技術和窄帶鎖相環路快速捕獲技術。

關鍵詞：頻標同步；快速捕獲與跟蹤技術

中圖分類號：TN914.42 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）04-0095-02

0 引言

中繼衛星測控系統[1]SMA（S-band Multiple Access，S頻段多址）業務利用中繼星上的陣列天線探測目標，多個陣元接收的信號利用FDM體制傳送到地面。在星地傳輸過程中，因中繼衛星的運動和雨雪云霧的影響，地面接收的信號將引入多普勒、各種噪聲和電平幅度的變化。為了在地面接收時不失真地恢復星上多個陣元接收的信號，FDM的所有頻率變換都必須相干地鎖定在中繼星的下行導頻信號上，使地面FDM分路梳狀本振信號與星上FDM梳狀本振信號相位相干，實現多普勒抵消，濾出噪聲，以保證多個陣元信號準確同頻。導頻信號作為地面本振信號的頻率源，要求與星上本振信號相干，噪聲小、穩定度高。因此，高精度恢復與跟蹤星上頻標信號是項目迫切需要解決的問題。在SMA業務中，盡管相關文獻描述了采用導頻恢復技術，并未給出具體實現的方法和達到的指標。基于國內外相關技術研究現狀，開展這一項目的研究顯得非常必要。

1 系統原理

本文重點介紹數字處理終端利用同步星下行擴頻遙測信號恢復頻標的同步技術。數字處理終端是根據輸入信號與本地恢復時鐘之間的相位誤差，將信號送入數字環路濾波器中對相位誤差信號進行平滑濾波，并生成控制壓控振蕩器（VCXO）的控制電平，根據電平調節內部高速振蕩器的振蕩頻率，通過連續不斷的反饋調節，使其輸出時鐘的相位跟蹤輸入信號的相位。數字處理終端遙測擴頻信號接收原理圖如圖1所示。

設下行遙測信號經信道變頻為70MHz中頻信號[2]為，

（1）

其中為信號功率，為各路信號的偽碼，為遙測數據，為70MHz載波。以100MHz時鐘對70MHz中頻信號AD采樣，得到30MHz鏡像，與本地NCO產生30MHz的正交信號進行數字下變頻處理，得到I、Q兩路正交信號為，

其中：為信號與NCO頻差，為信號與NCO相差，為數據率。

1.1 偽碼和頻率捕獲

對擴頻信號的捕獲性能（捕獲靈敏度和捕獲時間）產生影響的因素[3]包括：載波多普勒頻率、擴頻碼速率、碼鐘多普勒頻率、數據速率、輸入信號信噪比等。其中載波頻率漂移和數據速率對信號檢測的影響均體現在解擴損失上，理論分析可知，若不能合理處理載波頻偏和擴頻數據源的影響，由于數據符號翻轉或載波相位的變化，相關器的增益會造成嚴重的損失，甚至不能得到解擴增益，即不能檢測信號。擴頻捕獲原理如圖2所示。

整個偽碼搜索過程如下：在無先驗值的條件下，先將整個多普勒頻率范圍分段，對每個段的不同多普勒頻點的數據進行采集，接著用本地偽碼序列與存儲的數據進行相關解擴和積累運算，最后比較每次的相關峰找出最大的相關峰位置對應的多普勒頻點，然后以此頻點為中心對偽碼多普勒頻率進行預置，加大非相干積累長度再次進行精搜索，搜索確定偽碼相位位置，移動本地碼進行偽碼同步，最后將載波環和偽碼環閉環，開始跟蹤。

1.2 偽碼和載波跟蹤

擴頻信號的跟蹤環包括偽碼環和載波環[4]，偽碼環完成偽碼相位的精確跟蹤，載波環完成載波相位的精確跟蹤。擴頻信號的信噪比一般較低，無法在碼跟蹤以前進行載波跟蹤，所以首先進入碼跟蹤環，待偽碼跟蹤上以后，再進行載波環跟蹤，因此偽碼環又稱非相干碼跟蹤環，而載波環則是相干載波跟蹤環。由于多普勒動態的影響，偽碼捕獲后載波可能存在較大的頻偏，需要用鎖頻環輔助，當鎖頻環鎖定后換到載波鎖相環。

偽碼延遲鎖定環及載波Costas鎖相環采用理想二階環?；镜难訒r鎖定環見如圖3，它產生兩個具有時間延時+τ和-τ的本地參考信號。

在偽碼捕獲結束后，完成信號的解擴，采用Costas環進行載波恢復。由于輸入信號多普勒頻率動態，需要鑒頻環輔助環路快速捕獲，在頻差較大時使用鑒頻環來消除頻差。經過數字下變頻和解擴后數字正交信號為：

由于c（n-1）和c（n）異號發生在碼元翻轉處，如果遠大于信息速率，通過積分可消除異號的影響。采用上述方式實現鑒頻，與鑒相值相加一起作用于環路，可解決大動態多普勒的跟蹤問題。在頻差很小時鑒頻不起作用，不影響跟蹤解調性能。

2 系統仿真與驗證

通過Matlab建立擴頻捕獲模型，輸入信號S/φ=37dBHz，數據調制2kbit/s，多普勒變化率4kHz/s，多普勒±40KHz。仿真圖形如圖4所示。

在上述條件下，取1024點實現復數FFT運算時，可以得到信號的包絡頻譜或峰值頻譜，從而采用本方案的捕獲方法可以很好的滿足需求。

3 結語

本文提出了一種星地頻標同步方案。主要完成擴頻遙測信號接收、載波恢復，并產生10MHz頻標信號任務，為地面SMA設備各單元提供相干頻率源，以達到星地同源的目的。

參考文獻

[1]Comparetto G M. Future space/ground link alternatives for the AFSCN[C].Military Communications Conference，1995. MILCOM95，Conference Record，IEEE，1995，2：809-813.

[2]周春果.擴頻通信系統中頻數字化接收技術的研究[D].重慶：重慶大學，2006.

[3]劉大林.擴頻碼的快速捕獲技術研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2004.

[4]許明.基于擴頻通信系統的接收機跟蹤技術研究.電子技術，2007.