低誤碼率鎖相解調(diào)器的設(shè)計和驗證

張學(xué)斌， 劉 輝， 郭 琴， 陳春芳

(1. 海軍駐上海地區(qū)航天系統(tǒng)軍事代表室， 上海 201109； 2. 上海無線電設(shè)備研究所, 上海 200090)

0 引言

鎖相接收機(jī)廣泛應(yīng)用于通信、雷達(dá)、航天、航海、測量、儀表、計算機(jī)、激光、原子能、電視、立體聲、馬達(dá)控制以及工業(yè)和地址等技術(shù)領(lǐng)域中[1]。采用鎖相接收機(jī)進(jìn)行指令信息解調(diào),具有靈敏度高、跟蹤性能好、能從噪聲信號中提取出微弱指令信息等一系列優(yōu)點(diǎn)。在解調(diào)器產(chǎn)品設(shè)計和研制過程中，為提高鎖相解調(diào)器對信號的截獲能力，通常采用寬帶鎖相接收機(jī)，但寬帶引入的噪聲使接收機(jī)的信息解調(diào)誤碼率偏高。采用窄帶鎖相接收機(jī)，又不能滿足解調(diào)器對截獲能力的需求。為解決這一問題，本文根據(jù)鎖相接收機(jī)原理，優(yōu)選了鎖相解調(diào)器的中頻放大電路、鑒相器，并在現(xiàn)有環(huán)路濾波的基礎(chǔ)上，增加窄帶環(huán)路濾波通道，應(yīng)用寬、窄帶濾波切換技術(shù)，在原有性能不變的基礎(chǔ)上降低了解調(diào)誤碼率，通過了仿真和試驗驗證。

1 鎖相解調(diào)原理

鎖相解調(diào)器本質(zhì)上是一個采用移頻混頻鎖相體制的超外差接收機(jī)[2]，由混頻器、鑒相器、環(huán)路濾波器、射頻本振、信息解調(diào)組成，其原理框圖如圖1所示。

鎖相解調(diào)器的工作過程可以分捕捉和解調(diào)兩個階段。

在鎖相接收機(jī)的捕捉階段，主要完成天線輸入信號頻率的捕捉。具體過程如下：鎖相解調(diào)器通過天線接收射頻信號，經(jīng)過混頻和中頻放大，再與中頻參考信號進(jìn)行比相，比相輸出信號經(jīng)過環(huán)路濾波器、射頻本振和混頻器閉合成鎖相環(huán)路。當(dāng)外部天線信號在該移頻混頻鎖相環(huán)捕捉帶寬范圍時，進(jìn)入鎖相環(huán)的入鎖過程，直至環(huán)路鎖定。鎖相解調(diào)器鎖定后，從鑒相器輸出信號節(jié)點(diǎn)分出環(huán)路誤差信號進(jìn)行信息檢測，完成信息解調(diào)功能。

鎖相解調(diào)器依靠鎖相環(huán)路的捕捉能力搜索、截獲和鎖定天線接收的射頻信號。環(huán)路帶寬是鎖相解調(diào)器設(shè)計的關(guān)鍵，太窄將影響鎖相解調(diào)器的接收功能；太寬將引入大量的噪聲，使解碼誤碼的發(fā)生概率大幅度提高。本文在鎖相解調(diào)器設(shè)計的基礎(chǔ)上，進(jìn)行環(huán)路參數(shù)的計算，應(yīng)用寬、窄帶雙環(huán)路濾波自動切換技術(shù)，實現(xiàn)鎖相解調(diào)器的低誤碼、寬帶截獲的設(shè)計。

2 解調(diào)器設(shè)計

如圖1，鎖相解調(diào)器主要由鑒相器，射頻本振和低通濾波器組成的基本環(huán)路完成鎖相功能，由混頻器、中頻放大實現(xiàn)移頻，滿足系統(tǒng)動態(tài)的需求。

2.1 中頻放大設(shè)計

在鎖相解調(diào)器中，中頻放大電路對混頻輸出信號進(jìn)行放大，保證環(huán)路鑒相器工作在最佳狀態(tài)。中頻放大電路必須確保解調(diào)器在最小信號輸入和最大信號輸入時，解調(diào)器的鑒相器都能夠正常工作。常見的中頻放大器有自動增益控制電路和對數(shù)放大電路。

為降低鎖相解調(diào)器的誤碼概率，采用放大限幅電路，將輸入信號飽和放大，采用零值比較器整形成TTL方波信號，可作為異或門輸入。限幅器是一個非線性器件，對信號中的幅度噪聲具有較強(qiáng)的抗干擾能力。當(dāng)信號受到幅度噪聲干擾，只要噪聲幅度小于信號單峰值，就不會影響中放限幅的信號輸出，具有較好的抗噪聲能力。

2.2 鑒相器設(shè)計

目前主要使用四種鑒相器：線性乘法器(也叫四象限乘法器)、門電路(如異或門)、邊沿觸發(fā)器(如JK觸發(fā)器)以及鑒頻/鑒相器(PFD)[3]。為降低靈敏度附近的干擾噪聲，鎖相解調(diào)器選用異或門鑒相器進(jìn)行比相，在器件上選用異或門74LS86。

異或門鑒相器以兩個TTL周期脈沖信號作為比相輸入，當(dāng)兩個輸入信號存在相位差Δθ時，輸出端F的波形的占空比與Δθ有關(guān)。不同的相位差Δθ，有不同的鑒相輸出電壓直流分量Ud，其相互關(guān)系可用圖2來描述。

從圖2中可知，兩者呈簡單線形關(guān)系：Ud=KdΔθ，Kd為鑒相靈敏度。 根據(jù)實際電路測試結(jié)果，本文鑒相器靈敏度Kd取0.56 V/rad。

2.3 射頻本振設(shè)計

射頻本振是鎖相解調(diào)器所使用的微波源，在鎖相環(huán)路中起著壓控振蕩器的作用。射頻本振振蕩瞬時角頻率ω0可以表示為

ω0(t)=ωom(t)+Ko×UF(t)

式中：ωom為射頻本振基準(zhǔn)振蕩頻率；Ko為射頻本振控制特性曲線的斜率，或稱壓控靈敏度；UF為射頻本振控制電壓輸出。

射頻本振控制特性曲線的斜率可以由寬帶調(diào)諧電壓掃描試驗獲取，通過記錄電壓和輸出頻率，繪制出頻率—電壓變化曲線。根據(jù)實際電路測試結(jié)果，本文壓控斜率Ko取0.75 MHz/V。

2.4 寬、窄帶環(huán)路濾波器設(shè)計

寬、窄通道所使用的環(huán)路濾波器為無源比例積分濾波器，如圖3所示。

其傳遞函數(shù)為

其中：

τ1=(R1+R2)C1

τ2=R2C1

窄通道環(huán)路濾波器設(shè)計參數(shù)：R1=100 Ω，R2=10 Ω，C=9.5 μF。寬通道環(huán)路濾波設(shè)計參數(shù)：R1=12.1 kΩ，R2=220 Ω，C=0.01 μF。根據(jù)圖4所示電路圖建立MATLAB仿真模型[4]，進(jìn)行幅頻特性和相頻特性進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖4所示。

圖4(a)中，寬通道濾波3 dB截止頻率在10 kHz附近，而窄通道3 dB截止頻率則小于10 Hz。窄通道濾波器在10 kHz附近的抑制能力比寬通道強(qiáng)45 dB左右。因此，窄帶濾波器在環(huán)路噪聲抑制能力上大大增強(qiáng)。

圖4(b)中，寬通道濾波對輸入信號相移曲線的變化從1 kHz左右開始，而窄通道濾波則從0.1 Hz開始就有相移。因此，窄通道濾波對環(huán)路相位裕量、捕捉能力有較大的影響，不適合作為鎖相環(huán)的捕捉環(huán)路濾波。

2.5 帶寬切換設(shè)計

帶寬切換的鎖相解調(diào)器原理如圖5所示[5]。

鑒相器輸出的環(huán)路誤差信息被分為三路，分別進(jìn)入寬帶環(huán)路濾波、窄帶環(huán)路濾波和信息解調(diào)電路。信息解調(diào)電路對環(huán)路誤差信息進(jìn)行解調(diào)，解調(diào)成功后送出開關(guān)控制信號和信息；寬帶環(huán)路濾波輸出接入開關(guān)，加電默認(rèn)接通寬帶環(huán)路濾波；窄帶環(huán)路濾波輸出也接入選擇開關(guān)，初始上電并不接入鎖相環(huán)路，由信息解調(diào)成功后，送出開關(guān)控制信號，切換鎖相解調(diào)器的環(huán)路濾波器，進(jìn)入窄帶工作模式。

3 鎖相解調(diào)特性仿真

鎖相解調(diào)器的解調(diào)特性取決于鎖相環(huán)的誤差傳遞函數(shù)。根據(jù)上述鑒相器、VCO、寬窄通道濾波等環(huán)路參數(shù)，在MATLAB中建立鎖相環(huán)路仿真模型，誤差傳遞函數(shù)的仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6(a)中，窄通道鎖相環(huán)路傳遞函數(shù)的幅頻特性與高通濾波基本一致，3 dB截止頻率在1 kHz左右；只要解調(diào)信息，大于10 kHz，鎖相環(huán)路的誤差輸出的幅度沒有任何衰減。而寬通道鎖相環(huán)路則對1 MHz以下的信號均存在不同程度的衰減。調(diào)制信息中1 MHz以下的頻率分量均受到不同程度的損耗，從而在一定概率上影響鎖相解調(diào)性能。

圖6(b)中，窄通道鎖相環(huán)路對大于100 kHz信號，其誤差傳遞函數(shù)在相位上趨近于0。而寬通道鎖相環(huán)路為了保證其捕捉性能，在1 kHz～1 MHz范圍內(nèi)，其誤差傳遞函數(shù)的相位隨頻率變化。當(dāng)解調(diào)信號存在復(fù)雜頻率成分時，該傳遞函數(shù)相位的變化將在一定概率上影響鎖相解調(diào)性能。

因此，在寬帶完成環(huán)路捕捉后，切換到窄帶進(jìn)行信息解調(diào)，將大大抑制寬帶噪聲，降低寬帶鎖相環(huán)環(huán)路對信息解調(diào)的影響，從而降低誤碼率。

4 試驗驗證

為驗證設(shè)計正確性，進(jìn)行以下三個狀態(tài)的試驗：

a) 狀態(tài)1，僅采用寬通道濾波器的鎖相解調(diào)器；

b) 狀態(tài)2，僅采用窄通道濾波器的鎖相解調(diào)器；

c) 狀態(tài)3，采用寬、窄通道濾波器自動切換的鎖相解調(diào)器。

試驗結(jié)果如表1所示。

表1 信息解調(diào)性能對比試驗結(jié)果

結(jié)果表明僅采用寬通道濾波的試驗狀態(tài)，其誤碼概率較高；僅采用窄通道濾波的試驗狀態(tài)，其鎖相環(huán)路不能截獲；寬窄通道濾波自動切換的試驗狀態(tài)具有較低的誤碼率，同時保持了寬通道濾波的截獲性能。

5 結(jié)束語

本文從鎖相解調(diào)器誤碼率偏高的實際問題出發(fā)，設(shè)計了低誤碼鎖相解調(diào)器。通過恰當(dāng)選擇鎖相解調(diào)器的中頻放大電路、鑒相器，減小噪聲對環(huán)路的影響；通過寬、窄帶濾波切換，壓縮信息解調(diào)時的噪聲帶寬，在原有性能不變的基礎(chǔ)上降低了解調(diào)誤碼率。試驗結(jié)果表明，該設(shè)計解決了窄通道的截獲能力不足、寬通道解調(diào)誤碼率偏高的問題。該設(shè)計方法對低誤碼鎖相解調(diào)器產(chǎn)品的設(shè)計具有重要的參考價值。