一種QPSK載波恢復(fù)環(huán)防錯(cuò)鎖優(yōu)化方法

朱云鵬

(中國(guó)人民解放軍駐北京地區(qū)軍事代表室，北京100191)

0 引言

現(xiàn)代數(shù)字調(diào)制技術(shù)無(wú)論是在民用通信還是軍事通信中都起著舉足輕重的作用。其中，正交相移鍵控調(diào)制信號(hào)(QPSK)因其具有抗干擾能力強(qiáng)、頻譜利用率高以及實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度小等優(yōu)點(diǎn)而在軍事通信中得到了廣泛的應(yīng)用。

為了以較低的復(fù)雜度獲得較好的接收性能，QPSK信號(hào)接收機(jī)通常采用鎖相環(huán)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)載頻的捕獲、跟蹤和相干解調(diào)。

相干解調(diào)中要求收發(fā)兩端的載波嚴(yán)格同頻同相，但當(dāng)載波跟蹤環(huán)錯(cuò)鎖后，會(huì)造成后端信號(hào)相關(guān)解調(diào)的失效，相應(yīng)地，正確的調(diào)制信息就無(wú)法通過(guò)解調(diào)得到。因此，在QPSK的鎖相接收系統(tǒng)中，必須采用有效的防錯(cuò)鎖措施，確保鎖相載波跟蹤環(huán)能自動(dòng)地正確鎖定在所接收到的信號(hào)上。

1 產(chǎn)生錯(cuò)鎖的原因分析

如圖1所示，QPSK相干解調(diào)器所采用的載波恢復(fù)環(huán)路均為Costas環(huán)路。

圖1 QPSK解調(diào)器中的Costas環(huán)

圖中，環(huán)路的輸入為QPSK信號(hào)，取其正交展開(kāi)式:

式中，ak、bk是2路基帶數(shù)字信號(hào)，取值為±1;ωc為載波角頻率。經(jīng)過(guò)環(huán)路后，最后一個(gè)鑒相器PD5的輸出為:

一般可寫成下述形式:

圖2 鑒相器鑒相特性

Kd稱為鑒相靈敏度，ud(t)是基帶處理器的輸出，正比于恢復(fù)載波和已調(diào)QPSK載波的相位誤差θ。圖2給出了其波形，圖中，在(－π，π)內(nèi)每隔π/2有一個(gè)穩(wěn)定點(diǎn)，即鑒相曲線為正斜率，輸出電壓ud(t)趨向于零的點(diǎn)。在這些點(diǎn)，環(huán)路的輸入載波可趨于鎖定。在θ不等于零的點(diǎn)，會(huì)引起QPSK解調(diào)輸出數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤。在(－π，π)內(nèi)具有4個(gè)穩(wěn)定的鎖定點(diǎn)，稱為四重相位模糊度。

圖3 QPSK數(shù)字Costas環(huán)(松尾環(huán))

圖4 載波恢復(fù)環(huán)路主要特性

圖3是采用數(shù)字信號(hào)基帶處理的Costas環(huán)，其基帶處理器輸出波形見(jiàn)圖4(a)，為矩形鑒相特性。環(huán)路中鎖相環(huán)的典型“頻率-電壓”傳輸特性如圖4(b)所示。當(dāng)環(huán)路輸入信號(hào)頻率由低向高變化時(shí)，開(kāi)始環(huán)路對(duì)輸入信號(hào)不響應(yīng)，直到f=f1時(shí)，環(huán)路鎖定于該頻率上，引起環(huán)路誤差電壓負(fù)的跳躍。接著環(huán)路誤差電壓ud以VCO的Kv的倒數(shù)(1/Kv)的斜率隨頻率改變，在這期間VCO的頻率一直跟蹤輸入載頻頻率，直至f=f2時(shí)，環(huán)路失鎖，誤差電壓降為0。這時(shí)再由高向低改變頻率，在f=f3處又重新入鎖，到f=f4又失鎖。把f1～f3這段頻率范圍稱為捕捉帶，它表示環(huán)路由失鎖到鎖定的頻率范圍;把f2～f4稱為同步帶，它表示環(huán)路由鎖定到失鎖的頻率范圍。

同步帶總是大于捕捉帶，因?yàn)榄h(huán)路在鎖定后，環(huán)路濾波器輸出的直流電壓是由其中的電容所維持，頻差增大該電壓也逐漸增大。當(dāng)頻率偏移，雖然超過(guò)了捕捉帶，但直流電壓仍能維持一段時(shí)間，直至頻差很大，產(chǎn)生了幅度較大的差頻信號(hào)，其幅度大于直流電壓值時(shí)，環(huán)路才失鎖。

由上述分析可知，NCO進(jìn)入捕捉帶可以正常捕獲載波頻率，進(jìn)入鎖定狀態(tài)。然而從圖2和圖4(a)中可以看出，當(dāng)NCO的初始頻率設(shè)定在的整數(shù)倍，即為、－、π、等值時(shí)，其鑒相特性也會(huì)進(jìn)入極小值點(diǎn)，則其相位會(huì)穩(wěn)定在此相位附近。在鎖相環(huán)中信噪比較低時(shí)，載波環(huán)中的NCO輸出的頻率是隨機(jī)的，當(dāng)NCO的初始中心頻率與信號(hào)中心頻率的偏差正好等于符號(hào)速率的1/4的整數(shù)倍時(shí)，即:

鎖相環(huán)以符號(hào)周期工作，接收信號(hào)的載波頻率為fc，則鑒相器前后采樣點(diǎn)的相位差為:

鑒相器輸出的相位誤差正好在極小值點(diǎn)，鑒相誤差使鎖相環(huán)鎖定在這個(gè)極小值點(diǎn)上，鎖相環(huán)就會(huì)穩(wěn)定地鎖定在錯(cuò)誤的頻率上，導(dǎo)致出現(xiàn)錯(cuò)誤現(xiàn)象。

2 防錯(cuò)鎖的優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 防錯(cuò)鎖的常用方法

從總的設(shè)計(jì)思路講，防錯(cuò)鎖采用數(shù)字處理方式最簡(jiǎn)潔且首選方法是頻域處理法，即對(duì)輸入的數(shù)字信號(hào)，經(jīng)FFT變換后在頻域內(nèi)做防錯(cuò)鎖的各項(xiàng)工作。

頻域變換法可分為2種思路:① 寬帶防錯(cuò)鎖;②頻率掃描。這2種方案的選擇受限于信號(hào)輸入的帶寬。隨著全數(shù)字化中頻接收機(jī)的實(shí)現(xiàn)，接收機(jī)信號(hào)的處理帶寬將遠(yuǎn)大于多普勒頻率的變化范圍。

對(duì)于寬帶防錯(cuò)鎖，采用FFT變換可求解防錯(cuò)鎖。接收機(jī)處理帶寬的設(shè)計(jì)略大于待解調(diào)信號(hào)的帶寬。該方法的優(yōu)點(diǎn)是處理速度快，只需經(jīng)幾次FFT運(yùn)算(對(duì)應(yīng)每一次的錯(cuò)頻譜搬移)，經(jīng)簡(jiǎn)單的比對(duì)處理即可求解出載波頻率;將求解出的載頻正確值置入載波環(huán)路中，從而達(dá)到防錯(cuò)鎖的目的。但缺點(diǎn)是錯(cuò)鎖概率大，不能很好地解決影響防錯(cuò)鎖性能的因素。但該方法提供了解決防錯(cuò)鎖問(wèn)題的基本思路。

頻率掃描防錯(cuò)鎖是在第1種思路基礎(chǔ)上的一種改進(jìn)型。掃頻防錯(cuò)鎖法是對(duì)信號(hào)帶寬內(nèi)的整個(gè)頻譜進(jìn)行全面分析，然后根據(jù)所設(shè)置的防錯(cuò)鎖判決準(zhǔn)則進(jìn)行錯(cuò)鎖判斷。該方法中主要是采用直接數(shù)字合成(DDS)完成對(duì)所接收到的信號(hào)的整個(gè)信息帶寬的掃描，從而實(shí)現(xiàn)鎖相載波環(huán)防錯(cuò)鎖所必需的頻譜分析。該方法的優(yōu)點(diǎn)是錯(cuò)鎖出現(xiàn)的概率較低，且可以改善信號(hào)系統(tǒng)的其他指標(biāo);缺點(diǎn)是系統(tǒng)捕獲時(shí)間較長(zhǎng)，設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，要求硬件平臺(tái)的性能要高。

這2種方法雖然可以使得錯(cuò)鎖概率有效降低，但由于其系統(tǒng)捕獲時(shí)間長(zhǎng)、設(shè)計(jì)復(fù)雜，同時(shí)對(duì)硬件要求較高，不利于工程實(shí)踐中的廣泛應(yīng)用，特別是當(dāng)系統(tǒng)捕獲時(shí)間是一項(xiàng)很重要的技術(shù)指標(biāo)時(shí)，更難以滿足高實(shí)時(shí)性的需求。

2.2 防錯(cuò)鎖方法的改進(jìn)措施

這里是針對(duì)某實(shí)際工程項(xiàng)目中QPSK信號(hào)的鎖相接收系統(tǒng)中曾出現(xiàn)的載波捕獲錯(cuò)鎖的問(wèn)題，研究了相應(yīng)的防錯(cuò)鎖方法，下面將主要介紹分析和解決該問(wèn)題的過(guò)程。

由于該系統(tǒng)中采用的是數(shù)字相干正交解調(diào)方式。當(dāng)QPSK解調(diào)器出現(xiàn)錯(cuò)鎖問(wèn)題時(shí)，工程技術(shù)人員通過(guò)對(duì)鎖相環(huán)路的仔細(xì)分析，發(fā)現(xiàn):只有當(dāng)設(shè)定中心頻率與信號(hào)中心頻率的偏差正好等于符號(hào)速率1/4倍符號(hào)速率的整數(shù)倍時(shí)，鎖相環(huán)就會(huì)穩(wěn)定地鎖定在錯(cuò)誤的頻率上，導(dǎo)致出現(xiàn)錯(cuò)誤現(xiàn)象。

首先采取的檢測(cè)錯(cuò)鎖措施如下:將這個(gè)可疑頻點(diǎn)暫定為載波信號(hào)，利用系統(tǒng)監(jiān)控的預(yù)置調(diào)制頻率等信息在頻譜上做分析，運(yùn)用輸入?yún)⒘壳笞C載波錯(cuò)鎖現(xiàn)象的復(fù)現(xiàn)。將可疑頻點(diǎn)送入載波的跟蹤鎖相環(huán)，進(jìn)行疑點(diǎn)頻率的跟蹤處理，同時(shí)對(duì)已知邊帶信號(hào)進(jìn)行相干正交解調(diào)，解調(diào)后正交信號(hào)做幅度檢波，發(fā)現(xiàn)該可疑頻點(diǎn)確實(shí)為造成錯(cuò)鎖的主要原因。因此，如何在鎖相環(huán)路的輸入中將該可疑點(diǎn)頻刪除，或防止其進(jìn)入載波捕獲的支路，成為該QPSK接收系統(tǒng)中必須要解決的主要問(wèn)題。

基于上述對(duì)載波捕獲錯(cuò)鎖原因的分析，提出了如下幾點(diǎn)防錯(cuò)鎖方法的改進(jìn)措施。

(1)對(duì)數(shù)字鎖相環(huán)載波頻率增加限制條件

即當(dāng)數(shù)控振蕩器(NCO)的輸出頻率fo的絕對(duì)值大于符號(hào)速率 Rs的5%時(shí)，強(qiáng)制將 fo設(shè)定為 fo=±0.05Rs，保證NCO的輸出頻率在限定的范圍內(nèi)，無(wú)法輸出導(dǎo)致錯(cuò)鎖的頻率。這樣，通過(guò)增加限制條件的約束方法，相當(dāng)于刪除或?yàn)V除了造成錯(cuò)鎖的可疑頻點(diǎn)。

(2)優(yōu)化相位跟蹤和頻率跟蹤的工作流程

①為了避免相位跟蹤對(duì)頻率跟蹤的影響(可能會(huì)導(dǎo)致頻率跟蹤不收斂)，在頻率未同步時(shí)，將相位支路從環(huán)路中斷開(kāi)，或讓相位偏差檢測(cè)器輸出強(qiáng)制為0;

②在頻率同步以后(即頻率鎖定檢測(cè)指示器為“1”)，連通相位支路，允許環(huán)路進(jìn)行相位跟蹤;

③相位跟蹤階段，頻率支路既可以斷開(kāi)，也可以保持連通，可以通過(guò)工作模式設(shè)置;

④相位同步后，需要斷開(kāi)頻率支路;需要使用頻率鎖定檢測(cè)指示器和相位鎖定檢測(cè)指示器來(lái)判斷環(huán)路是否己經(jīng)鎖定。

3 仿真試驗(yàn)與性能分析

3.1 仿真試驗(yàn)

試驗(yàn)條件:采用信號(hào)源Agilent E4438C作為仿真信號(hào)輸入，設(shè)置信號(hào)參數(shù)為:調(diào)制樣式QPSK，符號(hào)速率Rs=2 048 ksps，射頻頻率 fc=2 690.512 MHz。在QPSK接收機(jī)監(jiān)控軟件上設(shè)置解調(diào)頻率=2 690 MHz，即人為地將信號(hào)源的射頻頻率和接收機(jī)接收頻率相差512 kHz(即Rs/4)，此時(shí)解調(diào)器已經(jīng)穩(wěn)定地鎖定在虛假的頻率點(diǎn)上，解出的碼流與原始比特流不能完全對(duì)應(yīng)，如圖5所示。

圖5 可能產(chǎn)生的錯(cuò)鎖點(diǎn)

對(duì)載波環(huán)路中增加了NCO的輸出頻率范圍的限制后，再次進(jìn)行測(cè)試，如圖6所示。將NCO的初始頻率與實(shí)際載波頻率值的偏差分別設(shè)置為符號(hào)速率的1/4、1/2和本身時(shí)分別進(jìn)行測(cè)試，NCO都會(huì)被強(qiáng)制拉回載波頻率附近，解決了載波恢復(fù)環(huán)路進(jìn)入其他錯(cuò)誤極小值點(diǎn)的問(wèn)題。

圖6 改進(jìn)后避免進(jìn)入錯(cuò)鎖點(diǎn)曲線

3.2 性能分析

該系統(tǒng)中通過(guò)采用對(duì)數(shù)字鎖相環(huán)載波頻率增加限制條件和優(yōu)化相位跟蹤及頻率跟蹤的工作流程，確保了數(shù)字鎖相環(huán)路從接收的數(shù)字中頻信號(hào)中提取出正確的相干載波信號(hào)。該防錯(cuò)鎖優(yōu)化方法在可靠性、抗擾度和經(jīng)濟(jì)性等方面都有效地提升了QPSK信號(hào)解調(diào)器的性能。

4 結(jié)束語(yǔ)

相干解調(diào)中載波環(huán)路的設(shè)計(jì)將直接影響解調(diào)器的性能。由于環(huán)路噪聲的存在，鑒相器初始頻率的隨機(jī)性會(huì)影響鑒相器進(jìn)入錯(cuò)誤的極小值點(diǎn)，導(dǎo)致鎖相環(huán)發(fā)生錯(cuò)誤鎖定，不能完成載波頻率的正?；謴?fù)。通過(guò)對(duì)載波恢復(fù)環(huán)路鑒相特性的分析優(yōu)化工作流程設(shè)計(jì)，并對(duì)數(shù)字鎖相環(huán)載波頻率增加限制條件，彌補(bǔ)了解調(diào)器載波恢復(fù)環(huán)路的設(shè)計(jì)缺陷。通過(guò)仿真試驗(yàn)和工程測(cè)試，驗(yàn)證了該防錯(cuò)鎖優(yōu)化方法的有效性和可行性。

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