一种星地频标同步技术的研究

吉磊　王永涛

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[1]SMA（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應的多普勒频点，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+τ和-τ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/φ=37dBHz，数据调制2kbit/s，多普勒变化率4kHz/s，多普勒±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

[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.扩频通信系统中频数字化接收技术的研究[D].重庆：重庆大学，2006.

[3]刘大林.扩频码的快速捕获技术研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2004.

[4]许明.基于扩频通信系统的接收机跟踪技术研究.电子技术，2007.