星間鏈路傳輸體制設計與仿真

朱愛民，賈占彪

(陸軍軍事交通學院，江蘇 鎮江 212003)

0 引 言

星間鏈路是連接相鄰衛星之間的通信鏈路。它將星座中的各衛星有機地聯結為一體，使得系統內任何用戶通信鏈路的建立都不需要地面通信網的支持。目前存在的衛星星座中，Iridium系統和Globalstar系統建立了星間鏈路[1-2]，此外GPS衛星具有相互通信、跟蹤的能力[3]。星間鏈路大大提高了系統的抗干擾和抗摧毀能力，擴大了系統的覆蓋范圍，便于管理和組成全球無縫網絡。對于星座內的衛星來說，一般需要建立的星間鏈路包括與同一個軌道平面內衛星之間的星間鏈路和與相鄰軌道平面內的衛星之間的星間鏈路。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衛星之間的星間鏈路。在星座運行過程中，建立星間鏈路的衛星間的星間距離、方位角與仰角是隨時間變化的。星間鏈路能否建立與衛星間的空間距離、方位角和仰角相關。而星間鏈路能否保持，則與衛星間的空間距離、方位角和仰角隨時間的變化率相關[4]。

直接序列擴頻通信系統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，設計了一種星間鏈路傳輸體制，以期可靠地實現星間測控和數據傳輸。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。編碼調制方式采用卷積編碼正交相移鍵控(QPSK)信號，采用數據輔助的方法實現對接收信號頻偏和碼相位的估計，并對接收信號進行校正。仿真結果表明，該算法在低信噪比下能夠有效實現信號同步與傳輸。

1 傳輸體制設計

用戶信號體制的選擇直接取決于用戶星的需求，包括信號的產生方式、調制方式、解調方式等。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 星間鏈路通信系統信號設計

根據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，對信號進行設計，如圖2所示。

圖2 星間鏈路通信信號設計

由信號體制設計可知，I支路為導頻支路，導頻支路發全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支路為數據支路，信息經過卷積編碼后擴頻輸出。

1.2 星間鏈路通信系統發端設計

星間通信使用全向天線，接收機靈敏度較低。星間鏈路采用內置導頻的方法實現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)調制滿足誤碼率要求。

如圖3所示，I路發送導頻數據，之后與擴頻碼進行擴頻，得到擴頻序列，并經過異步內插成形濾波器實現成形，最后通過數模轉換(DAC)將數據輸出。Q路為數據支路，數據經過卷積編碼后與擴頻碼進行擴頻，得到擴頻序列，經過異步內插成形濾波器實現成形，最后通過DAC將數據輸出。

圖3 發端實現框

1.3 星間鏈路通信系統收端設計

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，是確保中繼星與用戶星通信服務的關鍵。收端設計的目標是對擴頻碼進行準確的捕獲和跟蹤，同時實現載波同步，最終得到正確的譯碼輸出。如圖4所示，中頻數據經過數模轉換(ADC)采樣后進行中頻采樣，經過定頻數字下變頻(DDC)，然后通過積分梳狀級聯(CIC)(1/4)抽取濾波器，經過Farrow異步內插修正并下變頻，之后經過匹配濾波后將數據分為2路：一路為高速碼，用于數字鎖相環(DLL)和載波環；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閉環跟蹤。數據送到載波環處進行精確跟蹤。載波環跟蹤誤差和捕獲的頻偏共同反饋到DDC處，消除多普勒頻移。鎖相環相位與I、Q數據復乘后，得到精確的Q路數據，然后通過串轉并，將數據送入維特比譯碼器進行譯碼。

圖4 收端實現框圖

2 偽碼捕獲與載波同步的實現

針對偽碼同步的實現，本論文設計的傳輸體制結合了幾種傳統捕獲方法的優點，進行信號的優選，設計了特殊且巧妙的捕獲結構。如圖5所示，組合序列通過2次相關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時的捕獲結果

針對載波同步的實現，本論文使用分離的二階鎖頻環輔助三階鎖相環的結構。為了減少環路時延，將傳統的鎖頻環與鎖相環誤差同時反饋改為鎖相環內部反饋，減小了環路時延。最后，給出了不同載噪比下環路的收斂過程。

由于接收衛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]。

內插之后的數據，經過匹配濾波后，每個符號2個樣點。經過碼相位搜索后，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路濾波器，其輸出誤差信號反饋到內插NCO處，調整環路濾波器參數后[6]，如圖7所示。二階環路濾波器的收斂曲線，其中Alpha可以看到環路明顯收斂曲線，Beta在0附近抖動。

圖7 DLL環收斂曲線

由上述載波環開環，有剩余頻偏時，輸入載波環的導頻I支路為余弦，數據Q支路為正弦。此時，環路要鎖定。要確切知道這一時刻的相差和頻差，需要對IQ數據進行鑒相鑒頻。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，其實際鑒相結果如圖8所示，鑒頻結果如圖9所示。可見，它的鑒相結果保持線性輸出，鑒頻輸出接近線性。

圖8 鎖相環鑒相輸出

圖9 鎖頻環鑒頻輸出

3 結束語

星間鏈路通信是跟蹤與數據中繼衛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據傳輸的基礎。由于星間通信信噪比很低、動態范圍大[7]，如何提高通信系統的可靠性成為本論文研究的重點。本論文在相關文獻以及項目的基礎上，研究星間通信系統信號處理部分，其中最主要的是偽碼捕獲與載波同步的實現。

本文方案已經過modelsim仿真和硬件下載驗證。處理平臺采用Xilinx公司Virtex-4現場可編程門陣列(FPGA)系列產品中的XC4VSX55，開發軟件選擇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。