何 釤，王 淦，竇 驕，寧金枝

本振信號相位噪聲對星載擴頻應答機影響研究*

何 釤，王 淦，竇 驕，寧金枝

（航天東方紅衛(wèi)星有限公司 北京 100094）

擴頻微波統(tǒng)一測控系統(tǒng)已廣泛應用于我國航天測控領域，其中擴頻應答機是衛(wèi)星測控系統(tǒng)的重要組成設備。由于擴頻應答機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，因此擴頻應答機中本振信號的好壞，尤其是其相位噪聲特性的好壞，將直接影響擴頻應答機的功能和性能。通過對本振信號相位噪聲特性的變化對擴頻應答機性能的影響進行理論和仿真分析，以及通過模擬本振信號相位噪聲干擾試驗驗證，表明相位噪聲特性變化會對擴頻應答機的遙控遙測造成影響，相位噪聲越大，遙控遙測通道的誤碼率會越高，嚴重時會導致上下行遙控遙測通道失鎖。

本振信號；相位噪聲；擴頻應答機；衛(wèi)星；測控系統(tǒng)；誤碼率

引 言

近年來，擴頻微波統(tǒng)一測控系統(tǒng)已廣泛應用于我國航天測控領域[1]。擴頻應答機作為衛(wèi)星擴頻測控系統(tǒng)的重要組成設備，其通過與地面測控站配合工作完成衛(wèi)星的遙控遙測任務。擴頻應答機硬件組成包括接收通道、數(shù)字基帶、發(fā)射通道和下位機四個部分，本振電路負責為數(shù)字基帶、接收通道、發(fā)射通道提供高穩(wěn)時鐘信號[2]。擴頻應答機中本振信號的好壞，尤其是相位噪聲特性的好壞，將直接影響擴頻應答機的功能和性能。本文重點研究本振信號相位噪聲的特性變化對擴頻應答機性能的影響。

本文首先對本振信號相位噪聲特性的變化對擴頻應答機性能的影響進行了理論和仿真分析，然后模擬相位噪聲干擾試驗進行了驗證，最后對降低本振信號相位噪聲提出了設計建議。

1 相位噪聲的特性

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

對于振蕩器來說，頻率穩(wěn)定度是最重要的一個指標，相位噪聲用來表征一個信號源的短期頻率穩(wěn)定度[3]。對于一個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)，在實際振蕩器中，由于有源器件和無源器件中噪聲源的存在，會對輸出信號的幅度和相位都造成擾動，其輸出電壓可以表示為

其中，()表示幅度擾動，振蕩器有一個幅度限制機制，幅度擾動會受到很大的衰減，可忽略不計；()表示隨機相位擾動，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，即引起頻譜擴散，如圖1所示。

圖1 振蕩頻率邊帶頻譜擴散

圖2 相位噪聲頻域圖

在頻域中，相位噪聲表征噪聲對輸出信號相位的擾動[4]，定義為在偏移載波頻率D()處的單位帶寬內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 相位噪聲對擴頻應答機的影響分析

擴頻應答機采用非相干擴頻體制，信號形式為PCM-CDMA- BPSK（Pulse Code Modulation-Code Division Multiple Access-Binary Phase Shift Keying）。擴頻信號的接收分為兩個過程，首先是擴頻信號的捕獲跟蹤過程，提取載波頻率和偽碼相位信息，輸出載波和偽碼鎖定指示；其次是位流信號跟蹤解調過程，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

信號捕獲的過程為：應答機自身產(chǎn)生與地面設備相同的擴頻PN碼（Pseudo-Noise Code），本地載波NCO（numerically controlled oscillator）對準初始頻率估計值，使產(chǎn)生的信號對準一個頻率搜索單元，通過移動PN碼相位計算相關峰值并比較所有的相關峰值，找出其最大值，從而求出信噪比。然后改變頻率搜索點，執(zhí)行同樣的計算過程。分析最終全部的計算結果（對每一個頻率和每一個位碼相位計算出的相關值），若最大值和信噪比大于設定的檢測門限，則表明信號捕獲，給出信號所在位置的碼相位和載頻，進入信號跟蹤階段。如果最大值小于門限，則表明信號未捕獲。捕獲到偽碼相位和載波后，即轉入跟蹤模塊。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，實現(xiàn)對上行遙控和測量信道的載波跟蹤、偽碼跟蹤、位同步、提取時鐘等[6]。

信號跟蹤的過程為：應答機轉入跟蹤模塊后，用FLL環(huán)路對載波進行跟蹤，當載波頻率鎖定后，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，則應答機轉為跟蹤失鎖狀態(tài)，轉入等待狀態(tài)60ms。如果60ms內能量達到預設門限，則重新進行轉入FLL環(huán)路進行跟蹤；如果60ms內能量不能達到預設門限，則應答機退出跟蹤過程，轉為重新捕獲。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：

①相位噪聲

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

②能量估計器

對相關器的輸出IQ支路進行幅度平方，然后進行低通濾波，計算出能量，如果能量下降過大，則認為環(huán)路失鎖。

③報文監(jiān)視器

當捕獲完成后，進行信息解調。在規(guī)定的時間內，沒有找到某種特殊的關鍵字，則認為是錯誤鎖定。

綜上所述，從捕獲跟蹤過程可以看出擴頻應答機在接收到上行信號時，首先進行擴頻信號捕獲跟蹤，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，只有當偽碼和載波鎖定時，才會進入位流信號解調過程，提取位同步信息，并且相位噪聲對位同步影響更大。如果擴頻應答機受時鐘信號近端頻率干擾的影響，接收解調信號后含有低頻干擾的I、Q路信息，低頻干擾將導致I路積分能量變小，Q路積分能量變大。當二者變化到一定程度時，則應答機的跟蹤模塊通過跟蹤失鎖的判據(jù)判斷為相位噪聲過大，應答機轉為失鎖狀態(tài)。

2.2 相位噪聲對信號解調影響仿真分析

進入擴頻應答機數(shù)字基帶的信號波形可表示為[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系（Eb/N0=11dB）

圖6 相位噪聲與誤碼率關系（Eb/N0=15dB）

3 試驗驗證及設計建議

3.1 試驗驗證

星載擴頻應答機中常用晶振為溫補晶振，其在工作電源驅動下，產(chǎn)生高穩(wěn)時鐘信號輸出。由于該溫補晶振內部使用的壓電晶體是一種高Q值（Q值是指晶體的品質因數(shù)）的壓電芯片，Q值越高，噪聲引起的振蕩信號的頻率波動越小，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，因此在本試驗中，通過對擴頻應答機內部晶振的+3.3V供電電源上引入不同強度、不同頻率的低頻干擾信號來模擬時鐘信號的相噪惡化情況。

圖7 相位噪聲與誤碼率關系（Eb/N0=21dB）

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

①地面測試基帶設備：發(fā)射上行信號、接收下行信號；

②低頻干擾源：外部標準信號源，提供電源紋波干擾信號；

③數(shù)字示波器：通過應答機自檢口觀測應答機遙控通道和上行測量通道鎖定指示；

④筆記本電腦：接收應答機狀態(tài)遙測參數(shù)。

圖8 試驗儀器設備連接圖

試驗步驟：

①按照儀器設備連接圖連接儀器設備；

②地面設備發(fā)送上行遙控+測量信號；

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，觀察應答機遙控、測量通道鎖定情況，試驗結果詳見表1。

表1 引入低頻干擾的試驗情況

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

通過上述試驗及與仿真結果比對表明，改變晶振供電電源的紋波特性和頻率特性，晶振輸出信號相噪特性會隨著發(fā)生變化，甚至變差，嚴重時會影響應答機上下行遙控遙測信號的鎖定情況。

3.2 設計建議

①晶振供電電路設計時，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計，以避免將外界低頻干擾信號耦合進入晶振供電電路中；

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

4 結束語

本文針對時鐘信號的相位噪聲對擴頻應答機性能的影響進行了理論和仿真分析，并通過模擬相位噪聲干擾試驗進行了試驗驗證。仿真分析和模擬試驗表明本振信號的相位噪聲特性變化會對擴頻應答機的遙控遙測造成影響，相位噪聲越大，遙控遙測通道的誤碼率會越高，嚴重時會導致上下行遙控遙測通道失鎖。本文在分析本振信號相位噪聲對擴頻應答機影響的同時，也對擴頻應答機本振電路的設計提出了建議，為衛(wèi)星其他射頻設備的時鐘電路設計提供參考。

[1] 劉嘉興.飛行器測控通信工程[M].北京: 國防工業(yè)出版社, 2010.

[2] 于為健.數(shù)字化擴頻應答機基帶設計與實現(xiàn)[D].西安: 西安電子科技大學, 2013. YU Weijian. Design and implementation of baseband for digital spread-spectrum transponder[D]. Xi’an: Xidian University of Electronic Technology, 2013.

[3] 鄭曉光.相位噪聲測量系統(tǒng)的設計[D].南京: 東南大學, 2016.ZHENG Xiaoguang. The design of phase noise measurement system[D]. Nanjing: Southeast University, 2016.

[4] 李智鵬. 振蕩器中的相位噪聲研究[D].成都: 電子科技大學, 2010. LI Zhipeng. Phase noise research in oscillator[D]. Chengdu: University of Electronic Science and Technology, 2010.

[5] 譚震. 衛(wèi)星擴頻測控偽碼捕獲跟蹤技術研究與實現(xiàn)[D]. 西安: 西安電子科技大學, 2012.TAN Zhen. Research and implementation of the PN code capture and tracking technique in satellite spread spectrum TT&C system[D]. Xi’an: Xidian University of Electronic Technology, 2012.

[6] 王永慶, 高磊, 吳嗣亮. 航天器擴頻測控應答機偽碼跟蹤環(huán)設計[J]. 北京郵電大學學報, 2010, 33(4): 49–53.WANG Yongqing, GAO Lei,WU Siliang. Design of code tracking loop for spacecraft TT&C transponder[J]. Journal of Beijing University of Posts and Telecommunications, 2010, 33(4): 49–53.

[7] 吳向宇, 龔航, 朱祥維,等. 振蕩器相位噪聲對GNSS接收機載波跟蹤數(shù)字鎖相環(huán)性能的影響[J]. 國防科技大學大學學報, 2012, 34(1): 128–131.WU Xiangyu, GONG Hang,ZHU Xiangwei, et al.Impact of oscillator phase noise on carrier DPLL tracking performance in GNSS receiver[J]. Journal of National University of Defense Technology, 2012, 34(1): 128–131.

[8] 周玉冰, 屈晨陽. 本振相位噪聲及其對GMSK解調性能的影響[J]. 測控技術, 2015, 34(2): 62–65.ZHOU Yubing, QU Chenyang. Analysis of local oscillator phase noise and its effect on the demodulation performance of GMSK[J]. Measurement and Control Technology, 2015, 34(2): 62–65.

[9] 朱良彬. 相位噪聲對QPSK解調性能的影響[J].無線電工程, 2015, 45(10): 38–40.ZHU Liangbin. Effect of phase noise on demodulation performance of QPSK system[J]. Radio Engineering, 2015, 45(10): 38–40.

[10] 王永建, 趙洪林, 李明江. 相位噪聲對QPSK系統(tǒng)性能的影響分析[J].南京航空航天大學學報, 2010, 42(1): 68–71.WANG Yongjian, ZHAO Honglin, LI Mingjiang.Effect analysis of phase noise on QPSK system performance[J].Journal of Nanjing University of Aeronautics & Astronautics, 2010, 42(1): 68–71.

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

國家自然科學基金資助項目（11773004）

2019-03-29

2019-07-09

何 釤 1985年生，碩士，工程師，主要研究方向為航天器通信系統(tǒng)設計。

王 淦 1988年生，碩士，工程師，主要研究方向為航天器通信系統(tǒng)設計。

竇 驕 1979年生，碩士，高級工程師，主要研究方向為航天器通信系統(tǒng)、空間信息網(wǎng)絡設計。

寧金枝 1980年生，碩士，高級工程師，主要研究方向為航天器通信系統(tǒng)、空間信息網(wǎng)絡設計。