朱愛民，賈占彪

(陸軍軍事交通學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引 言

星間鏈路是連接相鄰衛(wèi)星之間的通信鏈路。它將星座中的各衛(wèi)星有機地聯(lián)結(jié)為一體，使得系統(tǒng)內(nèi)任何用戶通信鏈路的建立都不需要地面通信網(wǎng)的支持。目前存在的衛(wèi)星星座中，Iridium系統(tǒng)和Globalstar系統(tǒng)建立了星間鏈路[1-2]，此外GPS衛(wèi)星具有相互通信、跟蹤的能力[3]。星間鏈路大大提高了系統(tǒng)的抗干擾和抗摧毀能力，擴大了系統(tǒng)的覆蓋范圍，便于管理和組成全球無縫網(wǎng)絡(luò)。對于星座內(nèi)的衛(wèi)星來說，一般需要建立的星間鏈路包括與同一個軌道平面內(nèi)衛(wèi)星之間的星間鏈路和與相鄰軌道平面內(nèi)的衛(wèi)星之間的星間鏈路。如果星座是立體多層次的，還有可能需要建立與不同層次軌道內(nèi)衛(wèi)星之間的星間鏈路。在星座運行過程中，建立星間鏈路的衛(wèi)星間的星間距離、方位角與仰角是隨時間變化的。星間鏈路能否建立與衛(wèi)星間的空間距離、方位角和仰角相關(guān)。而星間鏈路能否保持，則與衛(wèi)星間的空間距離、方位角和仰角隨時間的變化率相關(guān)[4]。

直接序列擴頻通信系統(tǒng)具有很強的抗干擾能力和通信的隱蔽性，特別適合星間鏈路應用。本論文針對某工程項目的需要，設(shè)計了一種星間鏈路傳輸體制，以期可靠地實現(xiàn)星間測控和數(shù)據(jù)傳輸。該體制通過直接序列擴頻通信的方案，大大增強了抗干擾能力。編碼調(diào)制方式采用卷積編碼正交相移鍵控(QPSK)信號，采用數(shù)據(jù)輔助的方法實現(xiàn)對接收信號頻偏和碼相位的估計，并對接收信號進行校正。仿真結(jié)果表明，該算法在低信噪比下能夠有效實現(xiàn)信號同步與傳輸。

1 傳輸體制設(shè)計

用戶信號體制的選擇直接取決于用戶星的需求，包括信號的產(chǎn)生方式、調(diào)制方式、解調(diào)方式等。星間通信信道是頻帶受限和功率受限的非線性信道，要求選擇頻帶利用率和功率利用率都較高的傳輸體制。

1.1 星間鏈路通信系統(tǒng)信號設(shè)計

根據(jù)電波在空間的傳播特性，星間鏈路信道建模如圖1所示。該模型將信道分為空間損耗、多普勒頻移、噪聲3個模塊。信號設(shè)計的目標是在該信道模型下，減小信息時延，擴大通信容量，提高星間鏈路通信的可靠性。

圖1 星間鏈路信道噪聲模型

為滿足星間鏈路通信多普勒變化率和誤碼率的要求，便于信號的捕獲和跟蹤，對信號進行設(shè)計，如圖2所示。

圖2 星間鏈路通信信號設(shè)計

由信號體制設(shè)計可知，I支路為導頻支路，導頻支路發(fā)全1。導頻支路又分為高低速碼。低速碼段用于碼序列的初捕，高速碼段用于擴頻碼的精確跟蹤。Q支路為數(shù)據(jù)支路，信息經(jīng)過卷積編碼后擴頻輸出。

1.2 星間鏈路通信系統(tǒng)發(fā)端設(shè)計

星間通信使用全向天線，接收機靈敏度較低。星間鏈路采用內(nèi)置導頻的方法實現(xiàn)碼片同步和載波同步，并通過使用卷積碼和正交相移鍵控(QPSK)調(diào)制滿足誤碼率要求。

如圖3所示，I路發(fā)送導頻數(shù)據(jù)，之后與擴頻碼進行擴頻，得到擴頻序列，并經(jīng)過異步內(nèi)插成形濾波器實現(xiàn)成形，最后通過數(shù)模轉(zhuǎn)換(DAC)將數(shù)據(jù)輸出。Q路為數(shù)據(jù)支路，數(shù)據(jù)經(jīng)過卷積編碼后與擴頻碼進行擴頻，得到擴頻序列，經(jīng)過異步內(nèi)插成形濾波器實現(xiàn)成形，最后通過DAC將數(shù)據(jù)輸出。

圖3 發(fā)端實現(xiàn)框

1.3 星間鏈路通信系統(tǒng)收端設(shè)計

完成軌道間鏈路目標的捕獲及跟蹤，是星間鏈路建立的基礎(chǔ)，是確保中繼星與用戶星通信服務(wù)的關(guān)鍵。收端設(shè)計的目標是對擴頻碼進行準確的捕獲和跟蹤，同時實現(xiàn)載波同步，最終得到正確的譯碼輸出。如圖4所示，中頻數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換(ADC)采樣后進行中頻采樣，經(jīng)過定頻數(shù)字下變頻(DDC)，然后通過積分梳狀級聯(lián)(CIC)(1/4)抽取濾波器，經(jīng)過Farrow異步內(nèi)插修正并下變頻，之后經(jīng)過匹配濾波后將數(shù)據(jù)分為2路：一路為高速碼，用于數(shù)字鎖相環(huán)(DLL)和載波環(huán)；另一路為低速碼，用于捕獲。信號捕獲后，可以得到載波頻率和碼相位。此時，啟動DLL閉環(huán)跟蹤。數(shù)據(jù)送到載波環(huán)處進行精確跟蹤。載波環(huán)跟蹤誤差和捕獲的頻偏共同反饋到DDC處，消除多普勒頻移。鎖相環(huán)相位與I、Q數(shù)據(jù)復乘后，得到精確的Q路數(shù)據(jù)，然后通過串轉(zhuǎn)并，將數(shù)據(jù)送入維特比譯碼器進行譯碼。

圖4 收端實現(xiàn)框圖

2 偽碼捕獲與載波同步的實現(xiàn)

針對偽碼同步的實現(xiàn)，本論文設(shè)計的傳輸體制結(jié)合了幾種傳統(tǒng)捕獲方法的優(yōu)點，進行信號的優(yōu)選，設(shè)計了特殊且巧妙的捕獲結(jié)構(gòu)。如圖5所示，組合序列通過2次相關(guān)后進行積分取模等操作，可以同時得到載波頻率與碼相位。

圖5 信號捕獲電路

對偽碼信號的捕獲進行仿真，得到信噪比在19 dB時的偽碼捕獲結(jié)果，如圖6所示。由圖6可知，偽碼捕獲點處的信號能量明顯大于其他位置。可見，該方案可有效完成捕獲操作。

圖6 信噪比為19 dB時的捕獲結(jié)果

針對載波同步的實現(xiàn)，本論文使用分離的二階鎖頻環(huán)輔助三階鎖相環(huán)的結(jié)構(gòu)。為了減少環(huán)路時延，將傳統(tǒng)的鎖頻環(huán)與鎖相環(huán)誤差同時反饋改為鎖相環(huán)內(nèi)部反饋，減小了環(huán)路時延。最后，給出了不同載噪比下環(huán)路的收斂過程。

由于接收衛(wèi)星信號的偽碼相位未知，相干積分值I和Q可分別表達成：

I(n)=aD(n)R(τ)sinc(feTcoh)cosφe+nI

(1)

Q(n)=aD(n)R(τ)sinc(feTcoh)sinφe+nQ

(2)

(3)

如果舍去噪聲項nI與nQ，則I(n)+jQ(n)的幅值為：

(4)

式(4)表明，接收載波與復制載波之間的相位差異φe不影響非相干檢測[5]。

內(nèi)插之后的數(shù)據(jù)，經(jīng)過匹配濾波后，每個符號2個樣點。經(jīng)過碼相位搜索后，找到真正的碼相位。通過超前與滯后之間的差值鑒相，鑒相誤差進入二階環(huán)路濾波器，其輸出誤差信號反饋到內(nèi)插NCO處，調(diào)整環(huán)路濾波器參數(shù)后[6]，如圖7所示。二階環(huán)路濾波器的收斂曲線，其中Alpha可以看到環(huán)路明顯收斂曲線，Beta在0附近抖動。

圖7 DLL環(huán)收斂曲線

由上述載波環(huán)開環(huán)，有剩余頻偏時，輸入載波環(huán)的導頻I支路為余弦，數(shù)據(jù)Q支路為正弦。此時，環(huán)路要鎖定。要確切知道這一時刻的相差和頻差，需要對IQ數(shù)據(jù)進行鑒相鑒頻。其中：

I=cos(φe)

(5)

Q=sin(φe)

(6)

若使用arctan(Q/I)鑒相器可得相位誤差：

φe=φe

(7)

由式(7)可以得出，鑒相器保持線性工作，其實際鑒相結(jié)果如圖8所示，鑒頻結(jié)果如圖9所示。可見，它的鑒相結(jié)果保持線性輸出，鑒頻輸出接近線性。

圖8 鎖相環(huán)鑒相輸出

圖9 鎖頻環(huán)鑒頻輸出

3 結(jié)束語

星間鏈路通信是跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星最重要的組成部分，其可靠的通信能力是完成星間測控和數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕A(chǔ)。由于星間通信信噪比很低、動態(tài)范圍大[7]，如何提高通信系統(tǒng)的可靠性成為本論文研究的重點。本論文在相關(guān)文獻以及項目的基礎(chǔ)上，研究星間通信系統(tǒng)信號處理部分，其中最主要的是偽碼捕獲與載波同步的實現(xiàn)。

本文方案已經(jīng)過modelsim仿真和硬件下載驗證。處理平臺采用Xilinx公司Virtex-4現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)系列產(chǎn)品中的XC4VSX55，開發(fā)軟件選擇ISE14.7。捕獲的最大頻偏為1.6 kHz，頻率搜索帶寬fbin可達采樣速率的2/3，捕獲時間不超過6 s，捕獲靈敏度可以達到-141 dBm。