一种星地频标同步技术的研究

1、一种星地频标同步技术的研究 摘要：针对 SMA 地面多波束形成 FDM 变换对相干导 频的需求，研究了一种对星上扩频遥测信号地面进行高精度 跟踪与恢复出频标的实现方案，突破了低相噪频率综合技术 和窄带锁相环路快速捕获技术。 关键词：频标同步；快速捕获与跟踪技术 中图分类号： TN914.42 文献标识码： A 文章编号： 1007-9416（2018）04-0095-02 0 引言 中继卫星测控系统 1SMA （ S-band Multiple Access ， S 频段多址）业务利用中继星上的阵列天线探测目标，多个阵 元接收的信号利用 FDM 体制传送到地面。在星地传输过程 中，因中继卫星的

2、运动和雨雪云雾的影响，地面接收的信号 将引入多普勒、各种噪声和电平幅度的变化。为了在地面接 收时不失真地恢复星上多个阵元接收的信号， FDM 的所有频 率变换都必须相干地锁定在中继星的下行导频信号上，使地 面 FDM 分路梳状本振信号与星上 FDM 梳状本振信号相位相 干，实现多普勒抵消，滤出噪声，以保证多个阵元信号准确 同频。导频信号作为地面本振信号的频率源，要求与星上本 振信号相干，噪声小、稳定度高。因此，高精度恢复与跟踪 星上频标信号是项目迫切需要解决的问题。 在 SMA 业务中， 尽管相关文献描述了采用导频恢复技术，并未给出具体实现 的方法和达到的指标。基于国内外相关技术研究现状，开展

3、 这一项目的研究显得非常必要。 1 系统原理 本文重点介绍数字处理终端利用同步星下行扩频遥测 信号恢复频标的同步技术。数字处理终端是根据输入信号与 本地恢复时钟之间的相位误差，将信号送入数字环路滤波器 中对相位误差信号进行平滑滤波，并生成控制压控振荡器 （VCXO ）的控制电平，根据电平调节内部高速振荡器的振 荡频率，通过连续不断的反馈调节，使其输出时钟的相位跟 踪输入信号的相位。数字处理终端遥测扩频信号接收原理图 如图 1 所示。 设下行遥测信号经信道变频为 70MHz 中频信号 2 为， （1） 其中为信号功率，为各路信号的伪码，为遥测数据，为 70MHz 载波。以 100MHz 时钟对

4、70MHz 中频信号 AD 采样， 得到 30MHz 镜像，与本地 NCO 产生 30MHz 的正交信号进 行数字下变频处理，得到 I、 Q 两路正交信号为， 其中：为信号与 NCO 频差，为信号与 NCO 相差，为数 据率。 1.1 伪码和频率捕获 对扩频信号的捕获性能（捕获灵敏度和捕获时间）产生 影响的因素 3 包括：载波多普勒频率、扩频码速率、码钟多 普勒频率、数据速率、输入信号信噪比等。其中载波频率漂 移和数据速率对信号检测的影响均体现在解扩损失上，理论 分析可知，若不能合理处理载波频偏和扩频数据源的影响， 由于数据符号翻转或载波相位的变化，相关器的增益会造成 严重的损失，甚至不能得到

5、解扩增益，即不能检测信号。扩 频捕获原理如图 2 所示。 整个伪码搜索过程如下：在无先验值的条件下，先将整 个多普勒频率范围分段，对每个段的不同多普勒频点的数据 进行采集，接着用本地伪码序列与存储的数据进行相关解扩 和积累运算，最后比较每次的相关峰找出最大的相关峰位置 对的多普勒频点，然后以此频点为中心对伪码多普勒频率进 行预置，加大非相干积累长度再次进行精搜索，搜索确定伪 码相位位置，移动本地码进行伪码同步，最后将载波环和伪 码环闭环，开始跟踪。 1.2 伪码和载波跟踪 扩频信号的跟踪环包括伪码环和载波环 4 ，伪码环完成 伪码相位的精确跟踪，载波环完成载波相位的精确跟踪。扩 频信号的信噪比

6、一般较低，无法在码跟踪以前进行载波跟 踪，所以首先进入码跟踪环，待伪码跟踪上以后，再进行载 波环跟踪，因此伪码环又称非相干码跟踪环，而载波环则是 相干载波跟踪环。由于多普勒动态的影响，伪码捕获后载波 可能存在较大的频偏，需要用锁频环辅助，当锁频环锁定后 换到载波锁相环。 伪码延迟锁定环及载波 Costas 锁相环采用理想二阶环。 基本的延时锁定环见如图 3,它产生两个具有时间延时 + T和 -T的本地参考信号。 在伪码捕获结束后，完成信号的解扩，采用Costas环进 行载波恢复。由于输入信号多普勒频率动态，需要鉴频环辅 助环路快速捕获，在频差较大时使用鉴频环来消除频差。经 过数字下变频和解扩后

7、数字正交信号为： 由于c（ n-1 ）和c（ n）异号发生在码元翻转处，如果远 大于信息速率，通过积分可消除异号的影响。采用上述方式 实现鉴频，与鉴相值相加一起作用于环路，可解决大动态多 普勒的跟踪问题。在频差很小时鉴频不起作用，不影响跟踪 解调性能。 2 系统仿真与验证 通过Matlab建立扩频捕获模型，输入信号S/$ =37dBHz , 数据调制2kbit/s，多普勒变化率 4kHz/s，多普勒土 40KHz。 仿真图形如图 4 所示。 在上述条件下，取 1024 点实现复数 FFT 运算时，可以 得到信号的包络频谱或峰值频谱，从而采用本方案的捕获方 法可以很好的满足需求。 3 结语 本文提出了一种星地频标同步方案。主要完成扩频遥测 信号接收、载波恢复，并产生 10MHz 频标信号任务，为地 面 SMA 设备各单元提供相干频率源，以达到星地同源的目 的。 参考文献 1Comparetto G M. Future space/ground link alternatives for the AFSCNC.Military Communications Conference ，1995. MILCOM 95，Conference Record，IEEE ，1995，2：809-813. 2