一種軟件雙環(huán)鎖相同步方法研究

張 東， 顧祥龍， 孟君澤

(1中國人民解放軍63850部隊(duì) 白城 137000 2中國人民解放軍裝備學(xué)院 北京 101416 3中國人民解放軍65044部隊(duì) 大連 116000)

引 言

在分集接收系統(tǒng)中，為了實(shí)現(xiàn)最大的輸出增益，在信號合并前必須先完成同頻同相調(diào)整，使各路信號的瞬時(shí)相位和頻率達(dá)到一致。雙環(huán)鎖相同步法，由于實(shí)現(xiàn)簡單、性能穩(wěn)定，被廣泛應(yīng)用于分集接收系統(tǒng)中[1]。本文在前人研究鎖相同步的基礎(chǔ)上，研究軟件雙環(huán)鎖相同步方法的實(shí)現(xiàn)[2]。用軟件實(shí)現(xiàn)的雙環(huán)鎖相同步方法，可以更充分有效地利用數(shù)據(jù)，避免硬件實(shí)現(xiàn)的研發(fā)周期長、成本高等缺點(diǎn)，更具備靈活性與通用性。文中介紹了雙環(huán)鎖相同步中的差模環(huán)與共模環(huán)原理，并進(jìn)行了仿真分析，論證了軟件雙環(huán)鎖相同步方法的可行性。

1 軟件雙環(huán)鎖相同步技術(shù)原理

雙環(huán)鎖相結(jié)構(gòu)由差模環(huán)和共模環(huán)構(gòu)成，差模環(huán)的作用是完成左、右旋兩路信號的同步，共模環(huán)的作用是消除信號的頻率偏移。雙環(huán)鎖相同步原理如圖1所示。

該方法可有效地完成兩路信號的同頻同相[1]，下面分別對雙環(huán)鎖相中差模環(huán)、共模環(huán)的實(shí)現(xiàn)展開研究。

圖1 雙環(huán)鎖相同步原理

1.1 差模環(huán)原理

差模環(huán)的原理如圖2所示，兩路信號分別經(jīng)過正交下變頻后，由低通濾波器將零中頻以外的數(shù)據(jù)濾除掉，然后對四路信號進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算(見圖3)，將計(jì)算出的I、Q信號進(jìn)行反正切求出兩路的相位差，所得的相位差值送入環(huán)路濾波器，再將濾波器輸出以相反的極性送到各自通道的NCO中，使兩路信號的相位向中間靠攏，進(jìn)而達(dá)到兩路信號相位同步的目的。基于互相關(guān)的同頻同相方法原理如圖3所示。

圖2 差模環(huán)原理

根據(jù)圖3所示，對算法進(jìn)行以下推導(dǎo)[3]:

假設(shè)接收到的兩路信號分別為SL(t)和SR(t)，由于輸入基帶事后處理設(shè)備的信號已經(jīng)經(jīng)過自動(dòng)增益控制(AGC)調(diào)制，因此可設(shè)兩路信號幅值均為A，有

圖3 互相關(guān)運(yùn)算

式中，ωL、ωR分別為左、右旋信號的中心頻率，θL、θR分別為左、右旋信號的初始相位，nL、nR分別為疊加在左、右旋信號上的高斯白噪聲，Φ代表調(diào)制數(shù)據(jù)信息。根據(jù)Φ物理意義不同，接收信號可以代表BPSK、QPSK、FSK、FM等各種信號形式。

左、右旋本地信號同相支路可表示為

正交支路為

式中ω為本地載波頻率，在這里認(rèn)為本地載波初始相位為零。

左旋信號經(jīng)過下變頻并濾波后，同相信號變?yōu)?/p>

正交信號為

右旋信號經(jīng)過下變頻并濾波后，同相信號變?yōu)?/p>

正交信號為

對左、右旋兩路信號作互相關(guān)，可得

式中，nL、nR為噪聲。

將式(9)、式(10)聯(lián)立，二者相除，求出反正切的值，則誤差分量將含有(ωR-ωL)t+θR-θL的信息，再將該信號送入環(huán)路濾波器，得到控制信號，分別控制左、右旋信號的NCO，使得(ωL-ω)t+θL和(ωR-ω)t+θR相等，從而達(dá)到左、右旋兩路信號同頻同相的目的。而且，從式(9)、式(10)可以看出這種方法適用于各種類型的調(diào)制信號[4]。

1.2 共模環(huán)原理

在事后基帶數(shù)據(jù)處理的過程中，極化分集合成主要是完成兩路信號的同頻同相以及最大比合并[5]。共模環(huán)的作用是消除多普勒頻移以及載波的頻率偏差[6]。在兩路信號經(jīng)過差模環(huán)的同頻同相并相加后，進(jìn)入共模環(huán)。共模環(huán)路利用二階鎖相環(huán)的低通特性，將緩慢變化的頻偏信號保留，并將其作為相位誤差信號送入NCO，最后送入混頻器閉環(huán)。NCO跟蹤輸入信號的頻率，鎖定誤差信號頻率，并消除頻偏分量[7]。共模環(huán)原理如圖4所示。

DPLL中環(huán)路濾波器的參數(shù)如下

其中，Ts=1/fs，fs為系統(tǒng)采樣頻率，ωn為自然頻率，η為阻尼因子。

DPLL在該參數(shù)下的幅頻特性曲線如圖5。由于在事后處理的過程中還要對高頻頻偏進(jìn)行處理，因此在共模環(huán)部分能夠消除緩慢變化的頻偏分量即可。從圖5中可以看出DPLL可將較緩慢變化的低頻頻偏分量濾除，產(chǎn)生的誤差信號即為頻差。

圖4 共模環(huán)原理

圖5 DPLL幅頻特性曲線

2 仿真分析

2.1 差模環(huán)仿真

根據(jù)圖2的原理，進(jìn)行了差模環(huán)在Matlab下的仿真，輸入信號的采樣率fs=56MHz，載波頻率fc=70MHz，碼速率Rb=1.28Mb/s，頻率分辨率為100kHz。信號類型為FM調(diào)頻信號?；祛l器采用兩個(gè)乘法器來實(shí)現(xiàn)正交下變頻，并采用低通濾波器進(jìn)行濾波。

圖6為兩路信號輸入相差為π/4、頻差為0時(shí)相位反饋信號的幅度值。圖6幅度己對π進(jìn)行單位化，根據(jù)差模環(huán)原理，兩路信號各自得到π/8的反饋量，總相位差調(diào)整量為π/4，實(shí)現(xiàn)了兩路信號的同相調(diào)整。

圖7為當(dāng)兩路信號相差為π/4、頻差為10kHz時(shí)相位反饋信號的幅度值。相位反饋信號斜升代表頻率差的存在，說明差模環(huán)能夠跟蹤相位頻率的差值，從而完成同相調(diào)整。

圖6 相位差為π/4、頻差為0時(shí)相位反饋示意圖

圖7 相位差為π/4、頻差為10kHz時(shí)相位反饋示意圖

通過實(shí)驗(yàn)論證和分析可以看出，互相關(guān)法的差模環(huán)能夠有效地使左、右旋信號同步，起到消除兩路相差頻差的作用。

2.2 共模環(huán)仿真

經(jīng)過共模環(huán)處理前后的反饋信號波形如圖8、圖9所示。

圖8 頻偏未消除時(shí)反饋信號仿真圖

圖9 頻偏消除后反饋信號仿真圖

圖8 為沒有經(jīng)過共模環(huán)作用時(shí)的鑒相器輸出，圖中碼型為帶有直流偏移的碼序列，所以其碼型并不關(guān)于幅值為0的軸線對稱，碼型幅值在-0.4V～0.6V之間。圖9所示為共模環(huán)作用后鑒相器誤差傳遞函數(shù)輸出，可見其直流偏移量被抑制，碼型逐步關(guān)于幅值0軸對稱，碼型幅值在-0.5V～0.5V之間。由此可以看出，在共模環(huán)作用后頻偏已被消除。

2.3 雙環(huán)鎖相同步仿真

為了驗(yàn)證雙環(huán)鎖相結(jié)構(gòu)的有效性，將C語言程序處理過的數(shù)據(jù)載入Matlab中，對輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖。數(shù)據(jù)格式分別為BPSK和FM信號，采樣率為56MHz，載波頻率為70MHz，頻偏為100kHz，測試數(shù)據(jù)為基帶記錄設(shè)備回放數(shù)據(jù)。為了明顯看出同步效果，各取一段測試數(shù)據(jù)。BPSK信號的Ⅰ路同步效果對比圖如圖10、圖11所示。

圖10 BPSK左、右旋Ⅰ路信號(未同步)

圖11 BPSK左、右旋Ⅰ路信號(已同步)

BPSK信號的Q路同步效果對比圖如圖12、圖13所示。

圖12 BPSK左、右旋Q路信號(未同步)

圖13 BPSK左、右旋Q路信號(已同步)

由圖10～圖13可以看出，對于BPSK信號I、Q兩支路都能較好地完成信號同步。從圖10、圖11的對比中可以看出，在兩路信號相位差較大時(shí)，需要有數(shù)十個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的相位跟蹤。在圖12中左旋Q路信號較弱的情況下，雙環(huán)鎖相結(jié)構(gòu)仍能較為有效地完成兩路信號的同頻同相。

FM信號的I路同步效果對比如圖14、圖15所示。

圖14 FM左、右旋Ⅰ路信號(未同步)

圖15 FM左、右旋Ⅰ路信號(已同步)

FM信號的Q路同步效果對比如圖16、圖17所示。

由圖14～圖17可以看出，對于FM制式的信號，軟件雙環(huán)鎖相結(jié)構(gòu)仍可以有效地完成兩路信號的同頻同相。

圖16 FM左、右旋Q路信號(未同步)

圖17 FM左、右旋Q路信號(已同步)

3 結(jié)束語

本文對軟件實(shí)現(xiàn)的雙環(huán)鎖相技術(shù)進(jìn)行研究，雙環(huán)鎖相結(jié)構(gòu)由基于互相關(guān)運(yùn)算的差模環(huán)以及基于DPLL二階鎖相的共模環(huán)構(gòu)成。從仿真結(jié)果看出，軟件實(shí)現(xiàn)的雙環(huán)鎖相結(jié)構(gòu)的性能滿足需求。這種雙環(huán)鎖相結(jié)構(gòu)不受信號類型的限制，可以在高性能計(jì)算機(jī)上靈活實(shí)現(xiàn)，隨著高性能計(jì)算機(jī)平臺(tái)的發(fā)展，軟件實(shí)現(xiàn)的雙環(huán)鎖相同步方法將有更強(qiáng)的通用性、適用性。

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