朱云鵬

(中國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)制技術無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(QPSK)因其具有抗干擾能力強、頻譜利用率高以及實現(xiàn)復雜度小等優(yōu)點而在軍事通信中得到了廣泛的應用。

為了以較低的復雜度獲得較好的接收性能，QPSK信號接收機通常采用鎖相環(huán)技術來實現(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)兩端的載波嚴格同頻同相，但當載波跟蹤環(huán)錯鎖后，會造成后端信號相關解調(diào)的失效，相應地，正確的調(diào)制信息就無法通過解調(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鎖措施，確保鎖相載波跟蹤環(huán)能自動地正確鎖定在所接收到的信號上。

1 產(chǎn)生錯鎖的原因分析

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，取其正交展開式:

式中，ak、bk是2路基帶數(shù)字信號，取值為±1;ωc為載波角頻率。經(jīng)過環(huán)路后，最后一個鑒相器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有一個穩(wěn)定點，即鑒相曲線為正斜率，輸出電壓ud(t)趨向于零的點。在這些點，環(huán)路的輸入載波可趨于鎖定。在θ不等于零的點，會引起QPSK解調(diào)輸出數(shù)據(jù)的錯誤。在(－π，π)內(nèi)具有4個穩(wěn)定的鎖定點，稱為四重相位模糊度。

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

圖4 載波恢復環(huán)路主要特性

圖3是采用數(shù)字信號基帶處理的Costas環(huán)，其基帶處理器輸出波形見圖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。當環(huán)路輸入信號頻率由低向高變化時，開始環(huán)路對輸入信號不響應，直到f=f1時，環(huán)路鎖定于該頻率上，引起環(huán)路誤差電壓負的跳躍。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，環(huán)路失鎖，誤差電壓降為0。這時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，因為環(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。當頻率偏移，雖然超過了捕捉帶，但直流電壓仍能維持一段時間，直至頻差很大，產(chǎn)生了幅度較大的差頻信號，其幅度大于直流電壓值時，環(huán)路才失鎖。

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

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

鑒相器輸出的相位誤差正好在極小值點，鑒相誤差使鎖相環(huán)鎖定在這個極小值點上，鎖相環(huán)就會穩(wěn)定地鎖定在錯誤的頻率上，導致出現(xiàn)錯誤現(xiàn)象。

2 防錯鎖的優(yōu)化設計

2.1 防錯鎖的常用方法

從總的設計思路講，防錯鎖采用數(shù)字處理方式最簡潔且首選方法是頻域處理法，即對輸入的數(shù)字信號，經(jīng)FFT變換后在頻域內(nèi)做防錯鎖的各項工作。

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

對于寬帶防錯鎖，采用FFT變換可求解防錯鎖。接收機處理帶寬的設計略大于待解調(diào)信號的帶寬。該方法的優(yōu)點是處理速度快，只需經(jīng)幾次FFT運算(對應每一次的錯頻譜搬移)，經(jīng)簡單的比對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，從而達到防錯鎖的目的。但缺點是錯鎖概率大，不能很好地解決影響防錯鎖性能的因素。但該方法提供了解決防錯鎖問題的基本思路。

頻率掃描防錯鎖是在第1種思路基礎上的一種改進型。掃頻防錯鎖法是對信號帶寬內(nèi)的整個頻譜進行全面分析，然后根據(jù)所設置的防錯鎖判決準則進行錯鎖判斷。該方法中主要是采用直接數(shù)字合成(DDS)完成對所接收到的信號的整個信息帶寬的掃描，從而實現(xiàn)鎖相載波環(huán)防錯鎖所必需的頻譜分析。該方法的優(yōu)點是錯鎖出現(xiàn)的概率較低，且可以改善信號系統(tǒng)的其他指標;缺點是系統(tǒng)捕獲時間較長，設計較為復雜，要求硬件平臺的性能要高。

這2種方法雖然可以使得錯鎖概率有效降低，但由于其系統(tǒng)捕獲時間長、設計復雜，同時對硬件要求較高，不利于工程實踐中的廣泛應用，特別是當系統(tǒng)捕獲時間是一項很重要的技術指標時，更難以滿足高實時性的需求。

2.2 防錯鎖方法的改進措施

這里是針對某實際工程項目中QPSK信號的鎖相接收系統(tǒng)中曾出現(xiàn)的載波捕獲錯鎖的問題，研究了相應的防錯鎖方法，下面將主要介紹分析和解決該問題的過程。

由于該系統(tǒng)中采用的是數(shù)字相干正交解調(diào)方式。當QPSK解調(diào)器出現(xiàn)錯鎖問題時，工程技術人員通過對鎖相環(huán)路的仔細分析，發(fā)現(xiàn):只有當設定中心頻率與信號中心頻率的偏差正好等于符號速率1/4倍符號速率的整數(shù)倍時，鎖相環(huán)就會穩(wěn)定地鎖定在錯誤的頻率上，導致出現(xiàn)錯誤現(xiàn)象。

首先采取的檢測錯鎖措施如下:將這個可疑頻點暫定為載波信號，利用系統(tǒng)監(jiān)控的預置調(diào)制頻率等信息在頻譜上做分析，運用輸入?yún)⒘壳笞C載波錯鎖現(xiàn)象的復現(xiàn)。將可疑頻點送入載波的跟蹤鎖相環(huán)，進行疑點頻率的跟蹤處理，同時對已知邊帶信號進行相干正交解調(diào)，解調(diào)后正交信號做幅度檢波，發(fā)現(xiàn)該可疑頻點確實為造成錯鎖的主要原因。因此，如何在鎖相環(huán)路的輸入中將該可疑點頻刪除，或防止其進入載波捕獲的支路，成為該QPSK接收系統(tǒng)中必須要解決的主要問題。

基于上述對載波捕獲錯鎖原因的分析，提出了如下幾點防錯鎖方法的改進措施。

(1)對數(shù)字鎖相環(huán)載波頻率增加限制條件

即當數(shù)控振蕩器(NCO)的輸出頻率fo的絕對值大于符號速率 Rs的5%時，強制將 fo設定為 fo=±0.05Rs，保證NCO的輸出頻率在限定的范圍內(nèi)，無法輸出導致錯鎖的頻率。這樣，通過增加限制條件的約束方法，相當于刪除或濾除了造成錯鎖的可疑頻點。

(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頻率跟蹤的影響(可能會導致頻率跟蹤不收斂)，在頻率未同步時，將相位支路從環(huán)路中斷開，或讓相位偏差檢測器輸出強制為0;

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

③相位跟蹤階段，頻率支路既可以斷開，也可以保持連通，可以通過工作模式設置;

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

3 仿真試驗與性能分析

3.1 仿真試驗

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

圖5 可能產(chǎn)生的錯鎖點

對載波環(huán)路中增加了NCO的輸出頻率范圍的限制后，再次進行測試，如圖6所示。將NCO的初始頻率與實際載波頻率值的偏差分別設置為符號速率的1/4、1/2和本身時分別進行測試，NCO都會被強制拉回載波頻率附近，解決了載波恢復環(huán)路進入其他錯誤極小值點的問題。

圖6 改進后避免進入錯鎖點曲線

3.2 性能分析

該系統(tǒng)中通過采用對數(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)字中頻信號中提取出正確的相干載波信號。該防錯鎖優(yōu)化方法在可靠性、抗擾度和經(jīng)濟性等方面都有效地提升了QPSK信號解調(diào)器的性能。

4 結(jié)束語

相干解調(diào)中載波環(huán)路的設計將直接影響解調(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性會影響鑒相器進入錯誤的極小值點，導致鎖相環(huán)發(fā)生錯誤鎖定，不能完成載波頻率的正?；謴?。通過對載波恢復環(huán)路鑒相特性的分析優(yōu)化工作流程設計，并對數(shù)字鎖相環(huán)載波頻率增加限制條件，彌補了解調(diào)器載波恢復環(huán)路的設計缺陷。通過仿真試驗和工程測試，驗證了該防錯鎖優(yōu)化方法的有效性和可行性。

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