何 釤，王 淦，竇 驕，寧金枝

本振信號(hào)相位噪聲對(duì)星載擴(kuò)頻應(yīng)答機(jī)影響研究*

何 釤，王 淦，竇 驕，寧金枝

（航天東方紅衛(wèi)星有限公司 北京 100094）

擴(kuò)頻微波統(tǒng)一測(cè)控系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于我國(guó)航天測(cè)控領(lǐng)域，其中擴(kuò)頻應(yīng)答機(jī)是衛(wèi)星測(cè)控系統(tǒng)的重要組成設(shè)備。由于擴(kuò)頻應(yīng)答機(jī)中的本振電路需要為其中的數(shù)字基帶、接收通道、發(fā)射通道提供高穩(wěn)本振信號(hào)，因此擴(kuò)頻應(yīng)答機(jī)中本振信號(hào)的好壞，尤其是其相位噪聲特性的好壞，將直接影響擴(kuò)頻應(yīng)答機(jī)的功能和性能。通過對(duì)本振信號(hào)相位噪聲特性的變化對(duì)擴(kuò)頻應(yīng)答機(jī)性能的影響進(jìn)行理論和仿真分析，以及通過模擬本振信號(hào)相位噪聲干擾試驗(yàn)驗(yàn)證，表明相位噪聲特性變化會(huì)對(duì)擴(kuò)頻應(yīng)答機(jī)的遙控遙測(cè)造成影響，相位噪聲越大，遙控遙測(cè)通道的誤碼率會(huì)越高，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致上下行遙控遙測(cè)通道失鎖。

本振信號(hào)；相位噪聲；擴(kuò)頻應(yīng)答機(jī)；衛(wèi)星；測(cè)控系統(tǒng)；誤碼率

引 言

近年來，擴(kuò)頻微波統(tǒng)一測(cè)控系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于我國(guó)航天測(cè)控領(lǐng)域[1]。擴(kuò)頻應(yīng)答機(jī)作為衛(wèi)星擴(kuò)頻測(cè)控系統(tǒng)的重要組成設(shè)備，其通過與地面測(cè)控站配合工作完成衛(wèi)星的遙控遙測(cè)任務(wù)。擴(kuò)頻應(yīng)答機(jī)硬件組成包括接收通道、數(shù)字基帶、發(fā)射通道和下位機(jī)四個(gè)部分，本振電路負(fù)責(zé)為數(shù)字基帶、接收通道、發(fā)射通道提供高穩(wěn)時(shí)鐘信號(hào)[2]。擴(kuò)頻應(yīng)答機(jī)中本振信號(hào)的好壞，尤其是相位噪聲特性的好壞，將直接影響擴(kuò)頻應(yīng)答機(jī)的功能和性能。本文重點(diǎn)研究本振信號(hào)相位噪聲的特性變化對(duì)擴(kuò)頻應(yīng)答機(jī)性能的影響。

本文首先對(duì)本振信號(hào)相位噪聲特性的變化對(duì)擴(kuò)頻應(yīng)答機(jī)性能的影響進(jìn)行了理論和仿真分析，然后模擬相位噪聲干擾試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，最后對(duì)降低本振信號(hào)相位噪聲提出了設(shè)計(jì)建議。

1 相位噪聲的特性

在擴(kuò)頻應(yīng)答機(jī)中，相位噪聲是在傳輸過程中由調(diào)制信號(hào)相位不穩(wěn)定性所導(dǎo)致的信號(hào)解調(diào)等效噪聲損耗。具體地講，相位噪聲可能是由線路上的各種振蕩器引入的，如接收機(jī)本振、發(fā)射機(jī)頻率合成器和接收混頻器等。

對(duì)于振蕩器來說，頻率穩(wěn)定度是最重要的一個(gè)指標(biāo)，相位噪聲用來表征一個(gè)信號(hào)源的短期頻率穩(wěn)定度[3]。對(duì)于一個(gè)理想的正弦波振蕩器，其輸出電壓為

其頻譜為1在0處的無限沖激函數(shù)，在實(shí)際振蕩器中，由于有源器件和無源器件中噪聲源的存在，會(huì)對(duì)輸出信號(hào)的幅度和相位都造成擾動(dòng)，其輸出電壓可以表示為

其中，()表示幅度擾動(dòng)，振蕩器有一個(gè)幅度限制機(jī)制，幅度擾動(dòng)會(huì)受到很大的衰減，可忽略不計(jì)；()表示隨機(jī)相位擾動(dòng)，也就是相位噪聲，其頻譜也不再是無限沖激函數(shù)，而是在振蕩頻率0處出現(xiàn)邊帶，即引起頻譜擴(kuò)散，如圖1所示。

圖1 振蕩頻率邊帶頻譜擴(kuò)散

圖2 相位噪聲頻域圖

在頻域中，相位噪聲表征噪聲對(duì)輸出信號(hào)相位的擾動(dòng)[4]，定義為在偏移載波頻率D()處的單位帶寬內(nèi)的單邊帶噪聲譜與載波功率之比(D)，如圖2所示。為了比較噪聲性能的方便，相位噪聲表示為分貝的形式，其單位為dBc/Hz，其中carrier表示載波功率，SSB表示單邊帶噪聲譜密度。

2 相位噪聲的影響分析及仿真

2.1 相位噪聲對(duì)擴(kuò)頻應(yīng)答機(jī)的影響分析

擴(kuò)頻應(yīng)答機(jī)采用非相干擴(kuò)頻體制，信號(hào)形式為PCM-CDMA- BPSK（Pulse Code Modulation-Code Division Multiple Access-Binary Phase Shift Keying）。擴(kuò)頻信號(hào)的接收分為兩個(gè)過程，首先是擴(kuò)頻信號(hào)的捕獲跟蹤過程，提取載波頻率和偽碼相位信息，輸出載波和偽碼鎖定指示；其次是位流信號(hào)跟蹤解調(diào)過程，提取位同步信息，輸出位同步和幀同步鎖定指示[5]。

2.1.1 捕獲過程

信號(hào)捕獲的過程為：應(yīng)答機(jī)自身產(chǎn)生與地面設(shè)備相同的擴(kuò)頻PN碼（Pseudo-Noise Code），本地載波NCO（numerically controlled oscillator）對(duì)準(zhǔn)初始頻率估計(jì)值，使產(chǎn)生的信號(hào)對(duì)準(zhǔn)一個(gè)頻率搜索單元，通過移動(dòng)PN碼相位計(jì)算相關(guān)峰值并比較所有的相關(guān)峰值，找出其最大值，從而求出信噪比。然后改變頻率搜索點(diǎn)，執(zhí)行同樣的計(jì)算過程。分析最終全部的計(jì)算結(jié)果（對(duì)每一個(gè)頻率和每一個(gè)位碼相位計(jì)算出的相關(guān)值），若最大值和信噪比大于設(shè)定的檢測(cè)門限，則表明信號(hào)捕獲，給出信號(hào)所在位置的碼相位和載頻，進(jìn)入信號(hào)跟蹤階段。如果最大值小于門限，則表明信號(hào)未捕獲。捕獲到偽碼相位和載波后，即轉(zhuǎn)入跟蹤模塊。載波環(huán)采用FLL（Frequency Locked Loop）環(huán)路輔助PLL（Phase Locked Loop）環(huán)路，碼環(huán)采用DLL（Delay Locked Loop）環(huán)路。捕獲模塊流程如圖3所示。

2.1.2 跟蹤過程

跟蹤過程是在已知初始偽碼相位和載波多普勒的情況下，實(shí)現(xiàn)對(duì)上行遙控和測(cè)量信道的載波跟蹤、偽碼跟蹤、位同步、提取時(shí)鐘等[6]。

信號(hào)跟蹤的過程為：應(yīng)答機(jī)轉(zhuǎn)入跟蹤模塊后，用FLL環(huán)路對(duì)載波進(jìn)行跟蹤，當(dāng)載波頻率鎖定后，過渡到PLL環(huán)路。在跟蹤的過程中，若能量下降太大或相位噪聲太大，則應(yīng)答機(jī)轉(zhuǎn)為跟蹤失鎖狀態(tài)，轉(zhuǎn)入等待狀態(tài)60ms。如果60ms內(nèi)能量達(dá)到預(yù)設(shè)門限，則重新進(jìn)行轉(zhuǎn)入FLL環(huán)路進(jìn)行跟蹤；如果60ms內(nèi)能量不能達(dá)到預(yù)設(shè)門限，則應(yīng)答機(jī)退出跟蹤過程，轉(zhuǎn)為重新捕獲。跟蹤程序的工作流程如圖4所示。

圖3 捕獲模塊流程

圖4 跟蹤模塊流程

其中跟蹤失鎖的判據(jù)有三個(gè)：

①相位噪聲

根據(jù)解擴(kuò)模塊相關(guān)器輸出的正交信號(hào)I支路能量和Q支路能量（I路為同相支路，反映調(diào)制信息，Q路為正交支路，反映底噪信息）計(jì)算出數(shù)字化的相位噪聲，如果相位噪聲過大，則認(rèn)為環(huán)路失鎖。

②能量估計(jì)器

對(duì)相關(guān)器的輸出IQ支路進(jìn)行幅度平方，然后進(jìn)行低通濾波，計(jì)算出能量，如果能量下降過大，則認(rèn)為環(huán)路失鎖。

③報(bào)文監(jiān)視器

當(dāng)捕獲完成后，進(jìn)行信息解調(diào)。在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，沒有找到某種特殊的關(guān)鍵字，則認(rèn)為是錯(cuò)誤鎖定。

綜上所述，從捕獲跟蹤過程可以看出擴(kuò)頻應(yīng)答機(jī)在接收到上行信號(hào)時(shí)，首先進(jìn)行擴(kuò)頻信號(hào)捕獲跟蹤，提取載波頻率和偽碼相位信息并輸出偽碼和載波鎖定指示，只有當(dāng)偽碼和載波鎖定時(shí)，才會(huì)進(jìn)入位流信號(hào)解調(diào)過程，提取位同步信息，并且相位噪聲對(duì)位同步影響更大。如果擴(kuò)頻應(yīng)答機(jī)受時(shí)鐘信號(hào)近端頻率干擾的影響，接收解調(diào)信號(hào)后含有低頻干擾的I、Q路信息，低頻干擾將導(dǎo)致I路積分能量變小，Q路積分能量變大。當(dāng)二者變化到一定程度時(shí)，則應(yīng)答機(jī)的跟蹤模塊通過跟蹤失鎖的判據(jù)判斷為相位噪聲過大，應(yīng)答機(jī)轉(zhuǎn)為失鎖狀態(tài)。

2.2 相位噪聲對(duì)信號(hào)解調(diào)影響仿真分析

進(jìn)入擴(kuò)頻應(yīng)答機(jī)數(shù)字基帶的信號(hào)波形可表示為[7,8]

由圖5~圖7可見，在Eb/N0一定的情況下，相位噪聲越大，誤碼率越高；在相位噪聲一定的情況下，Eb/N0越低，誤碼率越高。

圖5 相位噪聲與誤碼率關(guān)系（Eb/N0=11dB）

圖6 相位噪聲與誤碼率關(guān)系（Eb/N0=15dB）

3 試驗(yàn)驗(yàn)證及設(shè)計(jì)建議

3.1 試驗(yàn)驗(yàn)證

星載擴(kuò)頻應(yīng)答機(jī)中常用晶振為溫補(bǔ)晶振，其在工作電源驅(qū)動(dòng)下，產(chǎn)生高穩(wěn)時(shí)鐘信號(hào)輸出。由于該溫補(bǔ)晶振內(nèi)部使用的壓電晶體是一種高Q值（Q值是指晶體的品質(zhì)因數(shù)）的壓電芯片，Q值越高，噪聲引起的振蕩信號(hào)的頻率波動(dòng)越小，頻率穩(wěn)定性越好，從頻域角度即相位噪聲越好。晶振中近端的相位噪聲主要來源于晶體，但對(duì)于高Q值的晶體而言，很難產(chǎn)生較高的近端噪聲，因此在本試驗(yàn)中，通過對(duì)擴(kuò)頻應(yīng)答機(jī)內(nèi)部晶振的+3.3V供電電源上引入不同強(qiáng)度、不同頻率的低頻干擾信號(hào)來模擬時(shí)鐘信號(hào)的相噪惡化情況。

圖7 相位噪聲與誤碼率關(guān)系（Eb/N0=21dB）

試驗(yàn)儀器設(shè)備連接圖如圖8所示，主要儀器設(shè)備包括：地面測(cè)試設(shè)備、低頻干擾源、數(shù)字示波器、筆記本電腦。各設(shè)備功能如下：

①地面測(cè)試基帶設(shè)備：發(fā)射上行信號(hào)、接收下行信號(hào)；

②低頻干擾源：外部標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源，提供電源紋波干擾信號(hào)；

③數(shù)字示波器：通過應(yīng)答機(jī)自檢口觀測(cè)應(yīng)答機(jī)遙控通道和上行測(cè)量通道鎖定指示；

④筆記本電腦：接收應(yīng)答機(jī)狀態(tài)遙測(cè)參數(shù)。

圖8 試驗(yàn)儀器設(shè)備連接圖

試驗(yàn)步驟：

①按照儀器設(shè)備連接圖連接儀器設(shè)備；

②地面設(shè)備發(fā)送上行遙控+測(cè)量信號(hào)；

③在晶振供電電源上引入不同幅度（60~150mV）和不同頻率（100~450Hz）的干擾信號(hào)，觀察應(yīng)答機(jī)遙控、測(cè)量通道鎖定情況，試驗(yàn)結(jié)果詳見表1。

表1 引入低頻干擾的試驗(yàn)情況

由表1可見，隨著干擾信號(hào)幅度由100mV逐漸增大至150mV，擴(kuò)頻應(yīng)答機(jī)的遙控和測(cè)量通道逐漸出現(xiàn)閃鎖現(xiàn)象，遙控通道和測(cè)量通道信噪比也逐步下降，當(dāng)遙控通道和測(cè)量通道信噪比分別降至38dB和8dB，所對(duì)應(yīng)Eb/N0降至為11dB、相噪為22°時(shí)，測(cè)試誤碼率結(jié)果為10–3，與圖5仿真結(jié)果基本一致；隨著干擾信號(hào)幅度和頻率的減小，擴(kuò)頻應(yīng)答機(jī)的遙控和測(cè)量通道出現(xiàn)閃鎖現(xiàn)象逐漸減弱，遙控通道和測(cè)量通道信噪比分別升至42dB和18dB，所對(duì)應(yīng)Eb/N0為15dB、相噪為20°時(shí)，測(cè)試誤碼率結(jié)果為10–4，與圖6仿真結(jié)果基本一致；直至干擾信號(hào)頻率和幅度降低分別降低至100Hz和60mV以下時(shí)，遙控通道和測(cè)量通道才恢復(fù)正常鎖定狀態(tài)，遙控通道和測(cè)量通道信噪比分別升至53dB和30dB，所對(duì)應(yīng)Eb/N0為21dB、相噪為17°時(shí)，測(cè)試誤碼率結(jié)果為10–6，與圖7仿真結(jié)果基本一致。

通過上述試驗(yàn)及與仿真結(jié)果比對(duì)表明，改變晶振供電電源的紋波特性和頻率特性，晶振輸出信號(hào)相噪特性會(huì)隨著發(fā)生變化，甚至變差，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響應(yīng)答機(jī)上下行遙控遙測(cè)信號(hào)的鎖定情況。

3.2 設(shè)計(jì)建議

①晶振供電電路設(shè)計(jì)時(shí)，選用低噪聲穩(wěn)壓輸出供電電源芯片，降低供電電源輸出帶給晶振的低頻紋波噪聲；

②盡量縮短晶振供電電路與晶振之間的距離、減少不必要的飛線設(shè)計(jì)，以避免將外界低頻干擾信號(hào)耦合進(jìn)入晶振供電電路中；

③將晶振供電電路單獨(dú)放置在獨(dú)立密閉金屬殼體中，減少外界環(huán)境電磁干擾。

4 結(jié)束語

本文針對(duì)時(shí)鐘信號(hào)的相位噪聲對(duì)擴(kuò)頻應(yīng)答機(jī)性能的影響進(jìn)行了理論和仿真分析，并通過模擬相位噪聲干擾試驗(yàn)進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。仿真分析和模擬試驗(yàn)表明本振信號(hào)的相位噪聲特性變化會(huì)對(duì)擴(kuò)頻應(yīng)答機(jī)的遙控遙測(cè)造成影響，相位噪聲越大，遙控遙測(cè)通道的誤碼率會(huì)越高，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致上下行遙控遙測(cè)通道失鎖。本文在分析本振信號(hào)相位噪聲對(duì)擴(kuò)頻應(yīng)答機(jī)影響的同時(shí)，也對(duì)擴(kuò)頻應(yīng)答機(jī)本振電路的設(shè)計(jì)提出了建議，為衛(wèi)星其他射頻設(shè)備的時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)提供參考。

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Research on impact of phase noise of local oscillator signal on spaceborne spread spectrum transponder

HE Shan, WANG Gan, DOU Jiao, NING Jinzhi

（DFH Satellite Co., Ltd, Beijing 100094, China）

The spread spectrum microwave unified TT&C system is widely used in our country space TT&C field, the spread spectrum transponder is an important component of the satellite TT&C system. Since the local oscillator circuit in the spread spectrum transponder needs to provide a high-stability local oscillator signal for the digital baseband, the receiving channel, and the transmitting channel, the local oscillator signal is good or bad, especially its phase noise , will directly affect the function and performance of the spread spectrum transponder. In this paper, the theoretical and simulation analysis of the influence of the phase noise characteristics of the local oscillator signal on the performance of the spread spectrum transponder is carried out, and the phase noise interference test of the local oscillator signal is verified. It shows that the phase noise characteristic change will influence the TT&C system, the greater the phase noise, the higher the bit error rate of the TT&C channel, which will cause the uplink and downlink TT&C channels to lose lock.

Local oscillator signal; Phase noise; Spread spectrum transponder; Satellite; TT&C system; Bit error rate

TN911.4

A

CN11-1780(2019)05-0028-06

Email:ycyk704@163.com TEL:010-68382327 010-68382557

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（11773004）

2019-03-29

2019-07-09

何 釤 1985年生，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)楹教炱魍ㄐ畔到y(tǒng)設(shè)計(jì)。

王 淦 1988年生，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)楹教炱魍ㄐ畔到y(tǒng)設(shè)計(jì)。

竇 驕 1979年生，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)楹教炱魍ㄐ畔到y(tǒng)、空間信息網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。

寧金枝 1980年生，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)楹教炱魍ㄐ畔到y(tǒng)、空間信息網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。