基于鎖頻環(huán)+FFT+鎖相環(huán)的載波跟蹤方法

趙國豹，李春祎

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所， 河北 石家莊 050081；2.河北工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 河北 石家莊 050000)

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基于鎖頻環(huán)+FFT+鎖相環(huán)的載波跟蹤方法

趙國豹1，李春祎2

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所， 河北 石家莊 050081；2.河北工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 河北 石家莊 050000)

針對低信噪比條件下傳統(tǒng)載波跟蹤方法實(shí)現(xiàn)載波捕獲轉(zhuǎn)跟蹤困難的問題，提出了一種基于鎖頻環(huán)+FFT+鎖相環(huán)的載波跟蹤方法?；诳焖俑道锶~變換(Fast Fourier Transform，F(xiàn)FT)分析，減小了鎖頻環(huán)轉(zhuǎn)鎖相環(huán)時(shí)剩余的載波頻差，提高了載波捕獲轉(zhuǎn)跟蹤的成功概率。闡明了提出的跟蹤方法的工作原理，仿真結(jié)果表明，基于提出的方法可以使捕獲轉(zhuǎn)跟蹤的成功概率達(dá)到100%。

載波跟蹤；鎖頻環(huán)；FFT；鎖相環(huán)

0　引言

在BPSK信號調(diào)制體制中，要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的解調(diào)，首先要實(shí)現(xiàn)載波的捕獲和跟蹤。載波跟蹤一般利用鎖頻環(huán)+鎖相環(huán)的方法實(shí)現(xiàn)。載波捕獲完成后，本地載波與接收信號載波的頻差進(jìn)入鎖頻環(huán)的捕獲帶內(nèi)，利用鎖頻環(huán)跟蹤載波頻率，進(jìn)一步縮小本地載波與接收信號載波的頻差，當(dāng)鎖頻環(huán)跟蹤穩(wěn)定以后，頻差進(jìn)入鎖相環(huán)的捕獲帶內(nèi)，最后利用鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)載波頻率和相位的精密跟蹤，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的解調(diào)。在實(shí)際工程中，接收信號信噪比往往比較低，鎖頻環(huán)跟蹤載波頻率時(shí)振蕩較大，鎖頻環(huán)跟蹤穩(wěn)定后轉(zhuǎn)鎖相環(huán)時(shí)，無法保證頻差百分百處于鎖相環(huán)的捕獲帶內(nèi)，導(dǎo)致鎖相環(huán)無法入鎖，需要重新進(jìn)行載波捕獲，增加了載波同步的時(shí)間。文獻(xiàn)[1-8]提出了幾種低信噪比、大動(dòng)態(tài)條件下的信號跟蹤方法，但沒有涉及到捕獲轉(zhuǎn)跟蹤的方法。本文通過采用鎖頻環(huán)+FFT+鎖相環(huán)的載波跟蹤方法，減小了鎖頻環(huán)轉(zhuǎn)鎖相環(huán)時(shí)本地載波與接收信號載波的頻差，大大提高了載波由捕獲轉(zhuǎn)跟蹤的成功概率，減小了載波同步的時(shí)間。

1　傳統(tǒng)載波跟蹤方法分析

傳統(tǒng)載波跟蹤方法一般利用鎖頻環(huán)+鎖相環(huán)的方式，首先利用鎖頻環(huán)實(shí)現(xiàn)載波頻率的粗跟蹤，然后轉(zhuǎn)到鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)載波頻率和相位的精密跟蹤。這種載波跟蹤方法成功的關(guān)鍵，在于鎖頻環(huán)轉(zhuǎn)鎖相環(huán)時(shí)，本地載波與接收信號載波的頻差處于鎖相環(huán)的捕獲帶內(nèi)。下面從理論和仿真兩方面分析傳統(tǒng)載波跟蹤方法的性能。

通過理論推導(dǎo)可知，由熱噪聲引起的鎖頻環(huán)顫動(dòng)為[9]：

(1)

式中，T為預(yù)檢測積分時(shí)間(s)；在高C/N0時(shí)F=1，接近接收門限時(shí)F=2；Bn為載波環(huán)噪聲帶寬(Hz)；C/N0為載噪比(Hz)。

本文接收信號條件為：BPSK信號調(diào)制體制，數(shù)據(jù)速率為4 kbps，載噪比為36 dBHz，多普勒變化率最大為2 kHz/s。

由式(1)可知，在本文的接收信號條件下，由熱噪聲引起的鎖頻環(huán)顫動(dòng)為221 Hz。

下面在本文的接收信號條件下，用傳統(tǒng)的載波跟蹤方法仿真鎖頻環(huán)轉(zhuǎn)鎖相環(huán)時(shí)剩余的頻差大小，以及鎖頻環(huán)轉(zhuǎn)鎖相環(huán)的成功概率。

鎖頻環(huán)轉(zhuǎn)鎖相環(huán)時(shí)剩余頻差的仿真結(jié)果如圖1所示。通過仿真統(tǒng)計(jì)，傳統(tǒng)載波跟蹤方法鎖頻環(huán)轉(zhuǎn)鎖相環(huán)的成功概率約為74%。

圖1　傳統(tǒng)載波跟蹤方法轉(zhuǎn)鎖相環(huán)時(shí)的剩余頻差

通過理論分析以及仿真結(jié)果可知，傳統(tǒng)載波跟蹤方法鎖頻環(huán)轉(zhuǎn)鎖相環(huán)時(shí)剩余頻差振蕩較大，導(dǎo)致在低信噪比條件下，鎖相環(huán)不能入鎖，載波由捕獲轉(zhuǎn)跟蹤的成功概率較低。

2　基于鎖頻環(huán)+FFT+鎖相環(huán)載波跟蹤方法

為了提高低信噪比條件下載波捕獲轉(zhuǎn)跟蹤的成功概率，提出了鎖頻環(huán)+FFT+鎖相環(huán)的載波跟蹤方法，如圖2所示。其基本思想是鎖頻環(huán)跟蹤穩(wěn)定后，利用FFT方法進(jìn)一步分析剩余頻差，減小鎖頻環(huán)轉(zhuǎn)鎖相環(huán)時(shí)的頻差。

圖2　鎖頻環(huán)+FFT+鎖相環(huán)載波跟蹤方法原理

2.1工作原理

傳統(tǒng)載波跟蹤方法導(dǎo)致鎖頻環(huán)轉(zhuǎn)鎖相環(huán)的成功概率低的主要因是鎖頻環(huán)轉(zhuǎn)鎖相環(huán)時(shí)剩余頻差大，鎖相環(huán)無法入鎖。為了減小轉(zhuǎn)鎖相環(huán)時(shí)的剩余頻差，基于鎖頻環(huán)+FFT+鎖相環(huán)的載波跟蹤方法，在鎖頻環(huán)和鎖相環(huán)之間加了FFT分析模塊，利用FFT分析方法，對鎖頻環(huán)跟蹤穩(wěn)定后的剩余頻差進(jìn)行精細(xì)化分析，然后把分析結(jié)果反饋到本地NCO單元，可以大大縮小轉(zhuǎn)鎖相環(huán)時(shí)的載波頻差。

基于鎖頻環(huán)+FFT+鎖相環(huán)的載波跟蹤方法，工作流程主要分為3步：

① 接收信號經(jīng)過正交下變頻后送到鎖頻環(huán)，鎖頻環(huán)對下變頻后的2路數(shù)據(jù)進(jìn)行積分清洗，然后進(jìn)行鑒頻，鑒頻結(jié)果經(jīng)過環(huán)路濾波器后控制本地NCO的輸出，從而實(shí)現(xiàn)對接收信號載波頻率的跟蹤。環(huán)路濾波公式為[9-11]：

fll_x(n)=fll_x(n-1)+c1*dfreq(n)，

(2)

fll_y(n)=fll_x(n)+fll_y(n-1)+c2*dfreq(n)。

(3)

式中，c1和c2表示環(huán)路濾波器系數(shù)；dfreq表示鑒頻結(jié)果。

② 鎖頻環(huán)跟蹤穩(wěn)定后，把下變頻后的2路數(shù)據(jù)同時(shí)送到FFT模塊，對鎖頻環(huán)跟蹤穩(wěn)定后剩余的頻差進(jìn)行估計(jì)，然后把頻差估計(jì)結(jié)果反饋到本地NCO單元。與此同時(shí)，鎖頻環(huán)的鑒頻結(jié)果dfreq置為0，即環(huán)路濾波公式變?yōu)椋?/p>

fll_y(n)=fll_x(N)+fll_y(n-1)。

(4)

式中，N表示鑒相結(jié)果dfreq置0的時(shí)刻。

③ FFT模塊把估計(jì)的頻差反饋到本地NCO單元后，鎖頻環(huán)和FFT模塊停止工作，由鎖相環(huán)對載波頻率和相位實(shí)施精密跟蹤。

2.2算法仿真與分析

鎖頻環(huán)+FFT+鎖相環(huán)載波跟蹤方法是否有效關(guān)鍵在于2點(diǎn)：① 鎖頻環(huán)估計(jì)的多普勒變化率的精度，如果精度低，在FFT分析階段，由剩余多普勒變化率帶來的頻差變化就會(huì)比較大，導(dǎo)致FFT分析剩余頻差不準(zhǔn)；② FFT分析剩余頻差的精度，如果分析精度不夠，轉(zhuǎn)鎖相環(huán)時(shí)頻差仍然會(huì)比較大。下面分別對鎖頻環(huán)分析的多普勒變化率精度和FFT分析的剩余頻差的精度進(jìn)行仿真。

仿真1：在本文的接收信號條件下，仿真鎖頻環(huán)估計(jì)的多普勒變化率的精度，仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3　多普勒變化率估計(jì)誤差

由圖3可以看出，鎖頻環(huán)估計(jì)的多普勒變化率最大誤差為780 Hz/s，本文FFT分析的數(shù)據(jù)長度為50 ms，在FFT分析階段，由多普勒估計(jì)誤差導(dǎo)致的載波頻差為780 Hz/s×50 ms=39 Hz。

仿真2：在本文的接收信號條件下，仿真FFT分析補(bǔ)償后，轉(zhuǎn)鎖相環(huán)時(shí)的載波頻差，仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4　多普勒變化率估計(jì)誤差

由圖4可以看出，經(jīng)過FFT分析補(bǔ)償后，轉(zhuǎn)鎖相環(huán)時(shí)載波頻差控制在20 Hz以內(nèi)。

仿真3：在本文的接收信號條件下，分別仿真多普勒變化率為0和2 kHz/s條件下載波的跟蹤曲線，仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5　多普勒變化率估計(jì)誤差

經(jīng)過仿真統(tǒng)計(jì)，應(yīng)用本文提出的載波跟蹤方法，鎖頻環(huán)轉(zhuǎn)鎖相環(huán)的成功概率為100%。

3　結(jié)束語

在低信噪比條件下，載波捕獲轉(zhuǎn)載波跟蹤變的困難，如果轉(zhuǎn)跟蹤失敗，就需要重新捕獲，增加了載波同步的時(shí)間。本文提出的鎖頻環(huán)+FFT+鎖相環(huán)的載波跟蹤方法可以有效提高載波捕獲轉(zhuǎn)跟蹤的成功概率，減小載波同步的時(shí)間。

在硬件上實(shí)現(xiàn)了本文提出的載波跟蹤方法，測試結(jié)果與仿真結(jié)果一致，進(jìn)一步驗(yàn)證了本方法的正確性。

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趙國豹男，(1982—)，碩士研究生。主要研究方向：航天測控技術(shù)、信號與信息處理。

李春祎女，(1980—)，講師。主要研究方向：信號處理。

Carrier Tracking Method Based on FLL+FFT+PLL

ZHAO Guo-bao1，LI Chun-yi2

(1.The54thResearchInstituteofCETC，ShijiazhuangHebei050081，China；2.HebeiCollegeofIndustryandTechnology，ShijiazhuangHebei050000，China)

Aiming at the problem that the traditional method is difficult to achieve the transformation from the carrier capture to the carrier tracking under the condition of low SNR,a method of carrier tracking based on FLL+FFT+PLL is presented.The method based on FFT can reduce the frequency offset when the tracking mode is transited from FLL to PLL,improving the success probability of transformation from the carrier capture to the carrier tracking.The principle of the proposed method is elaborated.The simulation results show that the success probability can reach up to 100% based on the proposed method.

carrier tracking；FLL；FFT；PLL

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.10.17

2016-07-05

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(“863”計(jì)劃)基金資助項(xiàng)目(2013AA122105)。

TN81

A

1003-3106(2016)10-0069-04

引用格式：趙國豹，李春祎.基于鎖頻環(huán)+FFT+鎖相環(huán)的載波跟蹤方法[J].無線電工程,2016,46(10):69-72.