高動態(tài)環(huán)境載波跟蹤環(huán)路的設(shè)計

吳毅杰 李帆

【摘要】 為了滿足高動態(tài)環(huán)境下對測軌定位的需求，對數(shù)字中頻接收機載波同步跟蹤關(guān)鍵技術(shù)進行了研究。針對高動態(tài)環(huán)境下載波同步需要解決的捕獲帶寬、捕獲速度與跟蹤精度的矛盾，綜合利用了傳統(tǒng)數(shù)字鎖頻環(huán)路和數(shù)字鎖相環(huán)路 的優(yōu)點，設(shè)計了一種適合高動態(tài)環(huán)境下數(shù)字中頻接收機的鎖頻聯(lián)合鎖相環(huán)工作的環(huán)路方案。仿真和測試結(jié)果表明：改進算法解決了環(huán)路跟蹤精度和動態(tài)性能不能兼顧的矛盾，信號跟蹤環(huán)路能在高動態(tài)環(huán)境中實現(xiàn)對信號的穩(wěn)定跟蹤。

【關(guān)鍵詞】 高動態(tài) 中頻接收機 載波跟蹤環(huán) 鎖頻環(huán) 鎖相環(huán)

一、引言

本文對高動態(tài)環(huán)境下中頻接收機的載波跟蹤算法進行研究，通過對載波跟蹤環(huán)路的設(shè)計、仿真與測試，充分利用二階數(shù)字鎖頻環(huán)路和三階數(shù)字鎖相環(huán)路的優(yōu)點，形成一種鎖頻鎖相環(huán)聯(lián)合工作的方法[1]，解決較大的載波捕獲帶寬、捕獲速度和較高的跟蹤精度之間的矛盾，建立了適合在高動態(tài)環(huán)境下進行載波跟蹤算法模型。

二、三階鎖相跟蹤環(huán)路設(shè)計

2.1模擬三階鎖相環(huán)環(huán)路結(jié)構(gòu)

模擬鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)[2]原理框圖如圖1：

2.2數(shù)字三階鎖相環(huán)環(huán)路結(jié)構(gòu)

三階鎖相環(huán)環(huán)路濾波器離散表達形式[3]：

式中的T為環(huán)路濾波器的更新間隔。

四、高動態(tài)環(huán)境下二階FLL輔助三階PLL載波跟蹤環(huán)路設(shè)計

高動態(tài)環(huán)境下，鎖頻環(huán)輔助鎖相環(huán)[4][5]是一種較為合理的載波環(huán)設(shè)計方案，將鎖頻環(huán)和鎖相環(huán)結(jié)合使用可以充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢；當數(shù)字中頻接收機剛開始工作時，載波頻偏有可能處于一個較大的偏差之上，此時采用FLL 實現(xiàn)頻率跟蹤，PLL 貢獻比較少，當頻率被牽引到一定范圍內(nèi)時，此時PLL 開始工作，實現(xiàn)相位的精細同步。當動態(tài)增強時，由FLL 實現(xiàn)頻率跟蹤牽引，實現(xiàn)動態(tài)性的變化，環(huán)路自動實現(xiàn)PLL 和FLL 跟蹤方式的配合跟蹤。

4.1 載波跟蹤環(huán)切換策略

在載波環(huán)工作過程中，依據(jù)頻差和相差的大小可以區(qū)分出以下三種情況：頻差較大；頻差較小且相差較大；頻差較小且相差較小。因此，鎖頻環(huán)與鎖相環(huán)之間的切換策略以頻率和相位的判決量作為依據(jù)[6]。

設(shè)置頻率判決表達式為

為了模擬多普勒效應(yīng)對載波跟蹤環(huán)的影響，仿真中設(shè)定環(huán)路的輸入載噪比為40（dB·Hz），在輸入載波環(huán)的中頻信號上分別疊加模擬的頻率階躍信號、頻率斜升信號和頻率二次曲線信號；各仿真條件下疊加在中頻信號上的模擬信號如表1所示。以動態(tài)最高的仿真條件4為例，在300ms處輸入信號和本地復現(xiàn)載波之間開始疊加模擬信號，該條件對應(yīng)的載波環(huán)跟蹤結(jié)果如圖8所示。

由圖8（a）可知，環(huán)路開始工作時頻率判決量低于門限，載波環(huán)以純鎖頻環(huán)形式工作；在大約380ms處，頻率判決量高于門限且相位判決量低于門限，載波環(huán)開始以鎖頻環(huán)輔助鎖相環(huán)形式工作；650ms后，頻率判決量和相位判決量均高于其門限，載波環(huán)開始以純鎖相環(huán)形式工作。由圖8（b）可知，載波環(huán)能穩(wěn)定跟蹤第4組仿真條件下的高動態(tài)信號，經(jīng)數(shù)據(jù)分析得到穩(wěn)定跟蹤后載波相位的均方誤差為2.97°。

五、結(jié)束語

載波跟蹤環(huán)路的設(shè)計與實現(xiàn)是高動態(tài)環(huán)境下中頻接收機能否成功研制的關(guān)鍵因素之一。本文對高動態(tài)環(huán)境下中頻接收機的載波跟蹤算法進行了研究，最終形成了跟蹤算法模型并對載波跟蹤環(huán)路的性能進行了仿真測試。結(jié)果表明：載波跟蹤環(huán)的設(shè)計能夠在高動態(tài)環(huán)境下實現(xiàn)對信號的穩(wěn)定跟蹤。

參 考 文 獻

[1]王蘭芳，吳長奇，高秀英.基于 FLL 與 PLL 級聯(lián)的高動態(tài)載波跟蹤技術(shù)[J].電子測量技術(shù).2009，35（4）：61-64

[2]張厥盛，鄭繼禹，萬心平.鎖相技術(shù)[M].西安：西安電子科技大學出版社，1994.

[3]王光鼎，游福初，房建成.基于 FLL 與 PLL 級聯(lián)的高動態(tài)載波跟蹤技術(shù)[J].戰(zhàn)術(shù)導彈技術(shù).2012，3（5）：01-07.

[4]魯郁. GPS全球定位接收機——原理與軟件實現(xiàn)[M]. 北京： 電子工業(yè)出版社， 2009.

[5]P. W. Ward. Performance Comparisons Between FLL， PLL and a Novel FLL-Assisted-PLL Carrier Tracking Loop Under RF Interference Conditions[J]. Proceedings of the 11th International Technical Meeting of the Satellite Division of the Institute of Navigation， Nashville， 1998： 783-795.

[6]馮曉明， 廉保旺， 何偉. 一種改進的高動態(tài)GPS載波組合跟蹤環(huán)路算法[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù)， 2012， 35（5）： 39-42..