第35卷第2期2021年4月空军预警学院学报
Journal of Air Force Early Warning Academy
V ol.35No.2Apr.2021
收稿日期：2021-03-21作者简介：马
骏(1975-)，男，高级工程师，主要从事雷达、通信接收机与频率源设计研究． 马
骏，方立军，郭雪锋，张焱，丁勇
（中国电子科技集团公司第38研究所，合肥230088）
摘要：为了解决卫星与地面电子设备之间超远程的频率、相位同步问题，给出了一种基于锁相环技术的频
率相位同步接收系统．根据锁相接收机的工作原理，对环路带宽与微波链路传输电平等关键参数进行了设计；基于星-地实际链路的实验方法，进行了验证．实验结果表明，系统锁相接收机的环路噪声带宽约为20Hz ，环路带内10Hz 处相位噪声为-116dBc/Hz ．该系统实现了36000km 星-地频率基准的实时精确相位同步，具备自适应多普勒频率跟踪能力．
关键词：频率相位同步；星-地链路；锁相接收；多普勒频率跟踪中图分类号：TN91
文献标识码：A
文章编号：2095-5839(2021)02-0125-04
现代电子系统功能日益复杂，多基地分布式综合电子系统已广泛应用于国防和经济建设的发展．随着对系统综合性能要求越来越高，对多基地分布式综合电子系统之间信息融合处理和任务协同要求更加苛刻，远程多站电子设备之间频率、相位同步成为协同工作和实现高性能的必要条件与瓶颈技术．对异地多站电子系统而言，可以选择电缆、光纤、微波与导航卫星授时这几种方式进行频率同步．其中，电缆和光纤可实现超大带宽传输，相位同步精度高，但电缆和光纤传输需要有线链路，仅适用于
电极丝
固定平台的同步应用，并且损耗较大(对于10MHz 频率，电缆百公里损耗约10000dB ，光纤百公里损耗约40dB)．导航卫星授时系统覆盖面宽、距离远，但采用秒脉冲同步，同步带宽窄、相位精度差，无法应用于高性能系统．无线微波链路同步方式具有同步距离远、精度高、平台适用范围宽等诸多优点，是多基地分布式电子系统之间频率相位同步的优选方式，特别是对于星-地协同综合电子系统．为此，本文给出了一种应用于地球同步卫星与地面设备之间的超远程频率相位同步系统，该系统基于超远程微波同步锁相接收技术，同步距离达到了3.6×104km ．该系统已服务于我国新一代卫星通信系统，实现了星-地频率基准的实时精确同步，并具有自适应跟踪、补偿卫星下行频分复用(FDM)多载波信号之间多普勒频率偏差的功能． 1系统工作原理
超远程星-地频率相位同步系统由地面设备和卫星载荷组成，其框图如图1所示．卫星载荷内部的频率综合器以高稳定恒温晶体振荡器为基准频率，通过直接频率合成(倍频、混频、分频等)和锁相频率合成方式实现相参条件下的频率变换，为系统提供各种本振和时钟信号．如果将频率综合器内部的频率传输通道由闭路的电缆变成开路的空间传输，就可将频率综合的概念外延到相隔几万公里的两台电子设备之间．
卫星电子系统
地面电子系统
空间微波传输
广东科学技术职业学院图书馆图1超远程星-地频率相位同步系统组成框图
卫星导频信号通过遥远星-地空间微波辐射传输，到达目的地面站的信号非常微弱，同时星-地相对运动还会附加多普勒频率偏差，因此地面站频率综合器的接收电路适合采用锁相接收机来实现．利用锁相环的窄带特性可以从接收机噪声中提取微弱的信号，锁相环的频率跟踪特性还可以实时跟踪多普勒频率偏移[1]
．
锁相接收机的工作原理框图如图2所示．锁相接收机是以锁相环为核心架构的外差式接收机，在端口采用预选滤波对空间各种干扰信号进行分选，接收机采用多级变频使卫星导频信号逐次逼近压控晶体振荡器基准源(VCXO)，然后在鉴相器(PD)中与VCXO 进行频率相位比较，误差电压经环路滤波器(LPF)滤波后对地面VCXO
DOI:10.3969/j.issn.2095-5839.2021.02.010
空军预警学院学报2021年126
基准源进行频率和相位控制，地面系统再以
VCXO为基准进行频率合成，为地面综合系统提
供各种本振和时钟信号，从而实现星-地频率相
位同步．
图2锁相接收机的工作原理框图
2系统关键参数设计
锁相接收机的2个关键特性是频率相位同
步性能与噪声性能．频率相位同步特性要求接
收机可以跟踪导频信号的频率变化，实时保持频
率同步状态；噪声性能要求接收机输出基准频率
的信噪比高，具有较高的频谱纯度．这2个关键
特性互有制约，涉及到锁相接收机的带宽设计与
导频信号空间传输链路电平设计．
锁相接收机的环路带宽是首先需要确定的
重要参数．较窄的带宽有利于滤除导频信号相
位噪声与接收机的热噪声，提高信噪比，但是不
利于对导频信号频率变化的跟踪，使输出基准信
号频率滞后于导频信号甚至失锁．较宽的环路
带宽则与之相反，有利于环路的跟踪性能，但是
劣化了输出信号的信噪比．因此环路带宽设计
的基本原则是在满足导频信号频率跟踪的前提
下，尽可能地降低环路带宽．
同步卫星下传的导频信号频率变化有2个
主要来源：①卫星频率基准源的稳定度，②卫星
与地面站之间的径向运动引入的多普勒频率偏
差．卫星的频率基准采用的是高稳定恒温晶振，
在舱内环控条件下，每天的最大频率变化不大于
±0.05´10-6．同步卫星与地面并非完全静止，会
存在一定的轨道摄动，摄动范围大约是±74km的
南北向“8”字运动，每天1个周期．因此卫星的
平均运动速度为3.4m/s[2]，按最高速度为平均速
度的3倍且相对地面站为径向运动的最坏情况估
算．多普勒频率计算公式为
f d =V
r
/λ=V
r
f
/c(1)
式中，f
d 为多普勒频率(单位为Hz)，V
r
为卫星与
地面接收天线之间的径向速度(单位为m/s)，λ为载波波长(单位为m)，f
为载波频率(单位为Hz)，c=3´108m/s为真空中光速常数．
由式(1)计算出最大多普勒频率为±0.034´
10-6f
[2]．
同时，假设卫星晶振的频率漂移在最坏情况下与多普勒频偏也刚好同向叠加，因此最大日间
频率偏差为±0.084´10-6f
，相对于20GHz的卫星下行导频信号而言，频率偏差绝对值为1680Hz．卫星“8”字运动每24h做2个圆周，即每6h速度方向反转一次，那么卫星导频信号频率变化的平均速率为0.16Hz/s．因此锁相接收机的环路自
然谐振频率f
n
必须远远大于0.16Hz才能保证锁相接收机可以很好的跟踪卫星导频信号频率变化，并具有较小的稳态相位误差[3]．实际按照
10Hz的f
n
来设计锁相环路．锁相环另一个重要参数是阻尼系数ζ，决定环路的动态相位响应是迟钝还是过于敏感，一般折中选择在0.5~1.0之间，实际设计值为0.7．
根据f
n
与ζ值，可以计算出环路滤波器的元件参数值．有源环路滤波器具有开环增益高、环路跟踪性能好等优点，其电路如图3所示，关
键元件参数满足R
1
=R
3
、R
2
廉政风暴=R
4
与C
1
=C
2
=C．图3中运算放大器的2个输入端口PD+、PD-连接前级鉴相器差分输出2个端口，运算放大器的输出端口连接后级VCXO的频率调谐输入端口．
Ｐ
ＰＣＸＯ
图3有源环路滤波器电路
由于环路带宽较窄，因此环路电容C预设值较大，为10μF．各电阻计算公式为
R
1
=R
3
=2πK
v
K
ϕ
/[(2πf
n
)2NC](2)
R
2
=R
4
=2ζ/(2πf
n
C)(3)
式中，K
v
是VCXO的频率压控增益(取5Hz/V)；
K
ϕ
是鉴相器的鉴相增益，常用的COMS数字鉴相器在+3.3V工作电源条件下理想鉴相增益为3.3 V/2π rad=0.525V/rad；N为锁相环路分频比，以20GHz输入频率、10MHz输出频率为例，N=1/ 2000．
由式(2)、式(3)计算得到R
1
=R
3
=836kΩ，R
2
=
R
4
=2.23kΩ．
根据f
n
与ζ，锁相接收机的噪声带宽B
L
[4-5]计算公式为
B
L
=f
n
[2ζ2+1+((2ζ2+1)2+1)1/2]1/2(4)
由式(4)可以计算出B
L
玩笑莫泊桑
»20Hz．
锁相接收机等效为一个带宽20Hz的窄带跟踪滤波器，可滤除卫星导频信号中20Hz以外的相位噪声和接收机热噪声．而20Hz带宽内的噪
第2期马骏，等：一种超远程星-地频率相位同步系统127声，则取决于卫星基准信号自身的相位噪声以及
接收机的热噪声．前者取决于卫星晶振自身的
稳定性，无法进行干预改善．而后者则可以通过
对信号传输链路的电平设计进行优化．
同步卫星的轨道高度约3.6×104km，按20GHz
下行导频信号频率计算，空间传输损耗为210dB．
为了高质量传输导频信号，对星-地收发天线增
益以及卫星发射机的功率都有很高的要求．因此
需要合理设计链路信号传输电平，既要保证基准
信号的信噪比满足任务要求，又要避免浪费链路
资源[6-8]．卫星基准采用10MHz恒温晶振在近载
频的相位噪声信噪比为120dBc/Hz@10Hz，因此地
面锁相接收机输出热噪声信噪比以130dBc/Hz进
行设计，基本就不会恶化相位噪声[9]，更高的指
标设计只会浪费链路资源而无益于输出信噪比
的改善．
设EIRP为卫星发射导频信号的等效全向辐
射功率(单位为dBm)，则锁相接收机输出热噪声
信噪比的链路EIRP计算公式为
P EIR =L
S
-G/T-20lg N-1+L
r
+130dBc/Hz(5)
式中，L
S
为导频信号空间传输损耗；G/T为地面站接收系统优值，按A型标准卫星地面站的下限
值为35dB/K，即在单位温度1K(按波尔滋曼常数换算成噪声功率密度对应-198.6dBm/Hz)条件下
接收系统增益为35dB；L
r
为信道传输大气损耗、
雨衰以及综合链路裕量．已知L
S
=210dB，N=
10MHz/20GHz=1/2000 L
r
=10dB．由式(5)计算可知卫星发射导频信号的EIRP不应低于50.4dBm．3实验验证
基于上述系统原理和关键参数的设计，研制了星-地锁相同步跟踪接收机．由于卫星产品的特殊性，星-地频率相位同步跟踪的有效实验验证是复杂且必须的，使用某型已在轨服务的同步中继通信卫星作为验证平台，利用同步卫星地面站的任务间歇期进行了实际地-星-地频率相位跟踪验证实验．
3.1实验系统
由于该在轨型号中继卫星本身没有导频信号，所以使用该卫星的一个微波转发信道进行实验验证，该微波转发信道上行通道频率为26GHz，下行通道频率为20GHz．将一个高稳定恒温晶体振荡器(OCXO)输出频率变换至26GHz，通过卫星地面站发射到同步卫星，经卫星转发器变换至20GHz，再通过空间微波辐射到地面站，作为地面站系统的导频信号，锁相同步跟踪接收机的VCXO对该导频信号进行频率相位锁定，并输出10MHz信号作为地面系统基准源．采用高性能矢量网络分析仪对锁相同步跟踪接收机内部鉴相器输入的10MHz(等效参考)信号和研制样机VCXO输出的10MHz信号进行相位
比较与稳定性分析．由于同步卫星转发器内部晶振频率是独立于地面实验系统的非相参频率，加上星-地相对运动的多普勒效应，下传回地面的信号频率与上注实验信号频率并不相参．即锁相同步跟踪接收机输出的10MHz频率包含了星上与地面频率基准的频差和星-地多普勒频率偏移，所以锁相同步跟踪接收机输出的10MHz频率与产生26GHz的基准源OCXO输出的10MHz频率是不相参的，不可以相互进行相位比较．锁相同步跟踪接收机对20GHz的下行导频信号进行频率相位跟踪，而不是对26GHz上行信号进行频率相位跟踪，实验框图如图4所示．
图4锁相同步跟踪接收机实验框图
地-星-地频率相位跟踪验证系统附加多普勒频率为单程传输的2倍，空间传输距离为双程星-地距离，
太原电视台新闻频道也是实际星-地距离的2倍，即7.2×104km，实验验证条件的严苛程度远高于实际应用场合，因此该验证结果有效、可信．实验通过相位分析仪
(矢量网络分析仪)实时监测来自外部通道的导频频率与内部晶振频率之间的相位稳定度，判断锁相同步跟踪接收机是否一直处于相位锁定状态，同时通过频谱分析仪测量锁相同步跟踪接收机输出频率基准信号的频谱纯度．实验系统地面设备实物如图5所示．
频谱分析仪
矢量网络分析仪
锁相接收机
控制
计算机
信号源
(a)卫星地面站天线(b)实验平台设备与仪表
图5实验系统地面设备
3.2实验结果
为了验证全天候条件下锁相同步跟踪接收机的性能，在多种天气条件下，每次持续数天时间进行实验，期间矢量网络分析仪不间断测量并
空军预警学院学报2021年
128存储2路10MHz 信号的相位差(1路为等效超远程参考信号，1路为输出基准信号)，实验采集的数据量非常大，其处理方式是通过秒量级的数据平滑过滤测量系统的随机噪声影响，得到秒量级相位差变化的统计结果．锁相同步跟踪接收机一直保持良好的相位锁定状态，矢量网络分析仪的2路10MHz 信号在秒量级的相位误差仅为0.1°左右．锁相同步跟踪接收机输出10MHz 基准信号的相位噪声特性优良，相位噪声功率谱密度如图6所示．
１：１Ｈｚ-８８．５ｄＢｃ／Ｈｚ
２：１０Ｈｚ-１１６．７ｄＢｃ／Ｈｚ３：１００Ｈｚ-１４２．８ｄＢｃ／Ｈｚ４：１ｋＨｚ-１５０．３ｄＢｃ／Ｈｚ５：１０ｋＨｚ-１５１．５ｄＢｃ／Ｈｚ６：１００ｋＨｚ-１５１．８ｄＢｃ／Ｈｚ７：１ＭＨｚ-１４１．０ｄＢｃ／Ｈｚ
１-９０-１００-１２０-１６０
１０１０
６频率／Ｈｚ
功率谱密度／
ｄＢｃ -１４０１０５１０４１０３１０
２１２
３
资本运营４
５
６
７
-７０
图610MHz 基准信号相位噪声功率谱密度
由图6可知，环路的噪声带宽大约20Hz ，环路带外相位噪声取决于锁相接收机内部晶振本底相噪；环路带内10Hz 处相位噪声为-116dBc/Hz ，完全符合设计预期．
4结束语
星-地协同工作，特别是波束形成和相干处
理，对星-地系统频率相位同步提出了较高的要求．本文提出的超远程星-地同步锁相接收方法已成功地应用于新一代同步通信卫星的型号产品．星上产生的导频信号与星载相控阵天线
的星-地FDM 馈电链路一起下行，地面站锁相接收机从导频信号中恢复与卫星相参的频率基准，并对星-地馈电链路的多普勒频偏进行补偿，最终在地面合成了稳定的星间通信波束．目前该系统已连续工
作了近2年的时间，运行稳定可靠．本文提出的这种超远程星-地同步锁相接收技术具有很强的适应性，可广泛应用于其他多基地分布式综合电子系统．
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An ultralong-range satellite-ground frequency and
phase synchronization system
MA Jun,
FANG Lijun,GUO Xuefeng,ZHANG Yan,DING Yong
(No.38Research Institute,China Electronics Technology Group Corporation,Hefei 230088,China)
Abstract ：In order to implement frequency and phase synchronization between satellite and ground-based electronic equipment,this paper presents a frequency-phase synchronous receiving system based on phase-locked loop (PLL)technology.Then,according to the working principle of pha
se-locked receiver,the paper designs the key parameters of loop bandwidth and microwave link transmission level.Finally,the paper is based on the experi-mental method of satellite-ground actual link to make a verification.The experimental results show that the loop noise bandwidth of the system phase-locked receiver is about 20Hz,and the phase noise at 10Hz in the loop band is -116dBc/Hz.The system realizes the real-time accurate phase synchronization of 36000km satellite-ground fre-quency reference,and has the adaptive Doppler frequency tracking ability.
Key words ：frequency-phase synchronization ；satellite-ground link ；phase-locked receiver ；Doppler frequen-cy tracking
豫公网安备41160202000603
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