本振信号相位噪声对星载扩频应答机影响研究*

何 钐，王 淦，窦 骄，宁金枝

本振信号相位噪声对星载扩频应答机影响研究*

何 钐，王 淦，窦 骄，宁金枝

（航天东方红卫星有限公司 北京 100094）

扩频微波统一测控系统已广泛应用于我国航天测控领域，其中扩频应答机是卫星测控系统的重要组成设备。由于扩频应答机中的本振电路需要为其中的数字基带、接收通道、发射通道提供高稳本振信号，因此扩频应答机中本振信号的好坏，尤其是其相位噪声特性的好坏，将直接影响扩频应答机的功能和性能。通过对本振信号相位噪声特性的变化对扩频应答机性能的影响进行理论和仿真分析，以及通过模拟本振信号相位噪声干扰试验验证，表明相位噪声特性变化会对扩频应答机的遥控遥测造成影响，相位噪声越大，遥控遥测通道的误码率会越高，严重时会导致上下行遥控遥测通道失锁。

本振信号；相位噪声；扩频应答机；卫星；测控系统；误码率

引 言

近年来，扩频微波统一测控系统已广泛应用于我国航天测控领域[1]。扩频应答机作为卫星扩频测控系统的重要组成设备，其通过与地面测控站配合工作完成卫星的遥控遥测任务。扩频应答机硬件组成包括接收通道、数字基带、发射通道和下位机四个部分，本振电路负责为数字基带、接收通道、发射通道提供高稳时钟信号[2]。扩频应答机中本振信号的好坏，尤其是相位噪声特性的好坏，将直接影响扩频应答机的功能和性能。本文重点研究本振信号相位噪声的特性变化对扩频应答机性能的影响。

本文首先对本振信号相位噪声特性的变化对扩频应答机性能的影响进行了理论和仿真分析，然后模拟相位噪声干扰试验进行了验证，最后对降低本振信号相位噪声提出了设计建议。

1 相位噪声的特性

在扩频应答机中，相位噪声是在传输过程中由调制信号相位不稳定性所导致的信号解调等效噪声损耗。具体地讲，相位噪声可能是由线路上的各种振荡器引入的，如接收机本振、发射机频率合成器和接收混频器等。

对于振荡器来说，频率稳定度是最重要的一个指标，相位噪声用来表征一个信号源的短期频率稳定度[3]。对于一个理想的正弦波振荡器，其输出电压为

其频谱为1在0处的无限冲激函数，在实际振荡器中，由于有源器件和无源器件中噪声源的存在，会对输出信号的幅度和相位都造成扰动，其输出电压可以表示为

其中，()表示幅度扰动，振荡器有一个幅度限制机制，幅度扰动会受到很大的衰减，可忽略不计；()表示随机相位扰动，也就是相位噪声，其频谱也不再是无限冲激函数，而是在振荡频率0处出现边带，即引起频谱扩散，如图1所示。

图1 振荡频率边带频谱扩散

图2 相位噪声频域图

在频域中，相位噪声表征噪声对输出信号相位的扰动[4]，定义为在偏移载波频率D()处的单位带宽内的单边带噪声谱与载波功率之比(D)，如图2所示。为了比较噪声性能的方便，相位噪声表示为分贝的形式，其单位为dBc/Hz，其中carrier表示载波功率，SSB表示单边带噪声谱密度。

2 相位噪声的影响分析及仿真

2.1 相位噪声对扩频应答机的影响分析

扩频应答机采用非相干扩频体制，信号形式为PCM-CDMA- BPSK（Pulse Code Modulation-Code Division Multiple Access-Binary Phase Shift Keying）。扩频信号的接收分为两个过程，首先是扩频信号的捕获跟踪过程，提取载波频率和伪码相位信息，输出载波和伪码锁定指示；其次是位流信号跟踪解调过程，提取位同步信息，输出位同步和帧同步锁定指示[5]。

2.1.1 捕获过程

信号捕获的过程为：应答机自身产生与地面设备相同的扩频PN码（Pseudo-Noise Code），本地载波NCO（numerically controlled oscillator）对准初始频率估计值，使产生的信号对准一个频率搜索单元，通过移动PN码相位计算相关峰值并比较所有的相关峰值，找出其最大值，从而求出信噪比。然后改变频率搜索点，执行同样的计算过程。分析最终全部的计算结果（对每一个频率和每一个位码相位计算出的相关值），若最大值和信噪比大于设定的检测门限，则表明信号捕获，给出信号所在位置的码相位和载频，进入信号跟踪阶段。如果最大值小于门限，则表明信号未捕获。捕获到伪码相位和载波后，即转入跟踪模块。载波环采用FLL（Frequency Locked Loop）环路辅助PLL（Phase Locked Loop）环路，码环采用DLL（Delay Locked Loop）环路。捕获模块流程如图3所示。

2.1.2 跟踪过程

跟踪过程是在已知初始伪码相位和载波多普勒的情况下，实现对上行遥控和测量信道的载波跟踪、伪码跟踪、位同步、提取时钟等[6]。

信号跟踪的过程为：应答机转入跟踪模块后，用FLL环路对载波进行跟踪，当载波频率锁定后，过渡到PLL环路。在跟踪的过程中，若能量下降太大或相位噪声太大，则应答机转为跟踪失锁状态，转入等待状态60ms。如果60ms内能量达到预设门限，则重新进行转入FLL环路进行跟踪；如果60ms内能量不能达到预设门限，则应答机退出跟踪过程，转为重新捕获。跟踪程序的工作流程如图4所示。

图3 捕获模块流程

图4 跟踪模块流程

其中跟踪失锁的判据有三个：

①相位噪声

根据解扩模块相关器输出的正交信号I支路能量和Q支路能量（I路为同相支路，反映调制信息，Q路为正交支路，反映底噪信息）计算出数字化的相位噪声，如果相位噪声过大，则认为环路失锁。

②能量估计器

对相关器的输出IQ支路进行幅度平方，然后进行低通滤波，计算出能量，如果能量下降过大，则认为环路失锁。

③报文监视器

当捕获完成后，进行信息解调。在规定的时间内，没有找到某种特殊的关键字，则认为是错误锁定。

综上所述，从捕获跟踪过程可以看出扩频应答机在接收到上行信号时，首先进行扩频信号捕获跟踪，提取载波频率和伪码相位信息并输出伪码和载波锁定指示，只有当伪码和载波锁定时，才会进入位流信号解调过程，提取位同步信息，并且相位噪声对位同步影响更大。如果扩频应答机受时钟信号近端频率干扰的影响，接收解调信号后含有低频干扰的I、Q路信息，低频干扰将导致I路积分能量变小，Q路积分能量变大。当二者变化到一定程度时，则应答机的跟踪模块通过跟踪失锁的判据判断为相位噪声过大，应答机转为失锁状态。

2.2 相位噪声对信号解调影响仿真分析

进入扩频应答机数字基带的信号波形可表示为[7,8]

由图5~图7可见，在Eb/N0一定的情况下，相位噪声越大，误码率越高；在相位噪声一定的情况下，Eb/N0越低，误码率越高。

图5 相位噪声与误码率关系（Eb/N0=11dB）

图6 相位噪声与误码率关系（Eb/N0=15dB）

3 试验验证及设计建议

3.1 试验验证

星载扩频应答机中常用晶振为温补晶振，其在工作电源驱动下，产生高稳时钟信号输出。由于该温补晶振内部使用的压电晶体是一种高Q值（Q值是指晶体的品质因数）的压电芯片，Q值越高，噪声引起的振荡信号的频率波动越小，频率稳定性越好，从频域角度即相位噪声越好。晶振中近端的相位噪声主要来源于晶体，但对于高Q值的晶体而言，很难产生较高的近端噪声，因此在本试验中，通过对扩频应答机内部晶振的+3.3V供电电源上引入不同强度、不同频率的低频干扰信号来模拟时钟信号的相噪恶化情况。

图7 相位噪声与误码率关系（Eb/N0=21dB）

试验仪器设备连接图如图8所示，主要仪器设备包括：地面测试设备、低频干扰源、数字示波器、笔记本电脑。各设备功能如下：

①地面测试基带设备：发射上行信号、接收下行信号；

②低频干扰源：外部标准信号源，提供电源纹波干扰信号；

③数字示波器：通过应答机自检口观测应答机遥控通道和上行测量通道锁定指示；

④笔记本电脑：接收应答机状态遥测参数。

图8 试验仪器设备连接图

试验步骤：

①按照仪器设备连接图连接仪器设备；

②地面设备发送上行遥控+测量信号；

③在晶振供电电源上引入不同幅度（60~150mV）和不同频率（100~450Hz）的干扰信号，观察应答机遥控、测量通道锁定情况，试验结果详见表1。

表1 引入低频干扰的试验情况

由表1可见，随着干扰信号幅度由100mV逐渐增大至150mV，扩频应答机的遥控和测量通道逐渐出现闪锁现象，遥控通道和测量通道信噪比也逐步下降，当遥控通道和测量通道信噪比分别降至38dB和8dB，所对应Eb/N0降至为11dB、相噪为22°时，测试误码率结果为10–3，与图5仿真结果基本一致；随着干扰信号幅度和频率的减小，扩频应答机的遥控和测量通道出现闪锁现象逐渐减弱，遥控通道和测量通道信噪比分别升至42dB和18dB，所对应Eb/N0为15dB、相噪为20°时，测试误码率结果为10–4，与图6仿真结果基本一致；直至干扰信号频率和幅度降低分别降低至100Hz和60mV以下时，遥控通道和测量通道才恢复正常锁定状态，遥控通道和测量通道信噪比分别升至53dB和30dB，所对应Eb/N0为21dB、相噪为17°时，测试误码率结果为10–6，与图7仿真结果基本一致。

通过上述试验及与仿真结果比对表明，改变晶振供电电源的纹波特性和频率特性，晶振输出信号相噪特性会随着发生变化，甚至变差，严重时会影响应答机上下行遥控遥测信号的锁定情况。

3.2 设计建议

①晶振供电电路设计时，选用低噪声稳压输出供电电源芯片，降低供电电源输出带给晶振的低频纹波噪声；

②尽量缩短晶振供电电路与晶振之间的距离、减少不必要的飞线设计，以避免将外界低频干扰信号耦合进入晶振供电电路中；

③将晶振供电电路单独放置在独立密闭金属壳体中，减少外界环境电磁干扰。

4 结束语

本文针对时钟信号的相位噪声对扩频应答机性能的影响进行了理论和仿真分析，并通过模拟相位噪声干扰试验进行了试验验证。仿真分析和模拟试验表明本振信号的相位噪声特性变化会对扩频应答机的遥控遥测造成影响，相位噪声越大，遥控遥测通道的误码率会越高，严重时会导致上下行遥控遥测通道失锁。本文在分析本振信号相位噪声对扩频应答机影响的同时，也对扩频应答机本振电路的设计提出了建议，为卫星其他射频设备的时钟电路设计提供参考。

[1] 刘嘉兴.飞行器测控通信工程[M].北京: 国防工业出版社, 2010.

[2] 于为健.数字化扩频应答机基带设计与实现[D].西安: 西安电子科技大学, 2013. YU Weijian. Design and implementation of baseband for digital spread-spectrum transponder[D]. Xi’an: Xidian University of Electronic Technology, 2013.

[3] 郑晓光.相位噪声测量系统的设计[D].南京: 东南大学, 2016.ZHENG Xiaoguang. The design of phase noise measurement system[D]. Nanjing: Southeast University, 2016.

[4] 李智鹏. 振荡器中的相位噪声研究[D].成都: 电子科技大学, 2010. LI Zhipeng. Phase noise research in oscillator[D]. Chengdu: University of Electronic Science and Technology, 2010.

[5] 谭震. 卫星扩频测控伪码捕获跟踪技术研究与实现[D]. 西安: 西安电子科技大学, 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] 王永庆, 高磊, 吴嗣亮. 航天器扩频测控应答机伪码跟踪环设计[J]. 北京邮电大学学报, 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] 吴向宇, 龚航, 朱祥维,等. 振荡器相位噪声对GNSS接收机载波跟踪数字锁相环性能的影响[J]. 国防科技大学大学学报, 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, 屈晨阳. 本振相位噪声及其对GMSK解调性能的影响[J]. 测控技术, 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. 相位噪声对QPSK解调性能的影响[J].无线电工程, 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, 赵洪林, 李明江. 相位噪声对QPSK系统性能的影响分析[J].南京航空航天大学学报, 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

国家自然科学基金资助项目（11773004）

2019-03-29

2019-07-09

何 钐 1985年生，硕士，工程师，主要研究方向为航天器通信系统设计。

王 淦 1988年生，硕士，工程师，主要研究方向为航天器通信系统设计。

窦 骄 1979年生，硕士，高级工程师，主要研究方向为航天器通信系统、空间信息网络设计。

宁金枝 1980年生，硕士，高级工程师，主要研究方向为航天器通信系统、空间信息网络设计。