張 健， 季燕青， 徐興源

(中國衛(wèi)星海上測控部 江陰 214431)

引 言

無論在民用通信還是軍用通信中，正交相移鍵控調制(QPSK)[1]信號因其抗干擾能力強、頻譜利用率高及實現(xiàn)復雜度小等優(yōu)點而得到廣泛應用。統(tǒng)一測控系統(tǒng)在數(shù)傳模式下，接收機采用QPSK載波鎖相環(huán)技術接收中頻數(shù)傳信號，經過增益控制、載波解調、碼元同步和數(shù)據(jù)譯碼后，得到碼流數(shù)據(jù)[2]。雖然數(shù)傳接收機已采取一定的方法防止錯鎖，但是在實際運用過程中，仍經常會出現(xiàn)載波錯鎖現(xiàn)象。通過對日常使用過程中出現(xiàn)的錯鎖現(xiàn)象進行分析發(fā)現(xiàn)，載波錯鎖發(fā)生在Rs/4(Rs為信息速率)整數(shù)倍頻率點上的概率較高，同時還會出現(xiàn)遙測幀不同步、自動增益控制AGC(Automatic Gain Control)電壓降低、I/Q支路信噪比(Eb/N0)下降的現(xiàn)象。而一旦發(fā)生載波錯鎖，會導致跟蹤信號丟失或遙測解調異常，需要操作人員進行人工判斷并實施處理[3]，這些都將影響信號的正常捕獲和測控數(shù)據(jù)的獲取。本文首先對數(shù)傳接收機錯鎖在Rs/4整數(shù)倍頻率點上的原因進行分析，然后對捕獲過程中的防錯鎖措施進行改進設計，確保數(shù)傳接收機鎖相載波跟蹤環(huán)[4]能自動地正確鎖定在所接收到的載波信號上。

1 產生錯鎖的原因

統(tǒng)一測控系統(tǒng)在數(shù)傳模式下，接收機載波同步分載波捕獲和載波跟蹤兩個步驟進行。接收機處于捕獲狀態(tài)時，F(xiàn)PGA中FFT采樣模塊將采樣后的I/Q支路基帶數(shù)據(jù)發(fā)送到DSP，在DSP內對此數(shù)據(jù)進行FFT頻譜分析[5]，獲得載波多普勒頻率，并將捕獲到的載波多普勒頻率置入FPGA內部，轉入跟蹤狀態(tài)。載波同步過程如圖1所示。進入跟蹤狀態(tài)后，接收機不再作FFT分析，而是根據(jù)I/Q支路基帶信號進行載波鑒相，得到的鑒相誤差經過環(huán)路濾波器濾波后，送載波數(shù)控振蕩器(NCO)[6]，控制本地載波，完成載波閉環(huán)跟蹤過程。

對于QPSK信號，在從抑制載波信號中恢復出載波信號的過程中，鑒相器中會包含非線性操作。非線性操作會從沒有載波分量的信號中再生出載波分量，同時非線性的交叉解調也會在載波中心頻率兩側的Rs/4整數(shù)倍頻率點上再生出離散譜分量。若數(shù)傳接收機在距離中心頻率整數(shù)倍Rs/4的位置存在再生的譜線分量，則該點的信號能量雖弱于中心頻率點，但已滿足載波鎖定條件，載波可以在此頻點穩(wěn)定鎖定。在數(shù)傳接收機完成鎖定過程中，將對整個捕獲范圍內的頻譜進行多次FFT分段分析，每次FFT分析范圍為21kHz，分析精度為31Hz，分析段數(shù)為19段，將多次FFT結果統(tǒng)一比對，得到能量最強的頻點，就認為是中心頻率。

基于上述分析，對于穩(wěn)定信號，中心頻率的能量強于再生譜線分量的能量，F(xiàn)FT分析可以正確找到中心頻率點。但是當數(shù)傳信號抖動較大時[7]，可能出現(xiàn)如下情況:FFT搜索到包含正確中心頻率的頻段時，數(shù)據(jù)能量較弱;FFT搜索到包含Rs/4整數(shù)倍頻率的頻段時，數(shù)據(jù)能量較強。這樣就導致再生譜線能量強于正確中心頻率，使得搜索到的能量最強的頻率不是信號的實際中心頻率。由于載波恢復使用的Costas環(huán)路的帶寬小于Rs/4，如果鎖相環(huán)調諧到其中任何一個有充分幅度的譜分量上，那么鎖相環(huán)將鎖定到這個譜分量的頻率上，而不會跳轉到正確的中心頻率點。

綜上所述，當數(shù)傳信號抖動較大時，F(xiàn)FT分析得到的中心頻率可能不是信號的實際中心頻率，即出現(xiàn)錯鎖，這將導致按照此中頻進行的載波跟蹤、數(shù)據(jù)解調處理出現(xiàn)故障，幀不能正確同步，并且AGC電壓降低，I/Q支路信噪比下降。

2 防錯鎖措施的改進設計

2.1 防錯鎖的常用方法

載波鎖相環(huán)是正確地鎖定在下行載波上，還是錯誤地鎖定在所調制的副載波或者其他頻點上，必須通過對接收信號進行頻譜分析，并根據(jù)調制信號的頻譜特性進行判斷。當前，為了防錯鎖采用的最簡捷且首選的方法是頻域處理法，即對輸入的數(shù)字信號，經FFT變換后在頻域內做防錯鎖的各項工作。頻域處理法可分寬帶防錯鎖法和頻率掃描法兩種[8]。寬帶防錯鎖法采用FFT變換，利用頻譜的對稱性分析和最大值判斷等方法實現(xiàn)防止載波錯鎖。該方法的優(yōu)點是處理速度快，只需經幾次FFT運算(對應每一次的錯誤頻譜搬移)，簡單的比對處理，即可求解出載波中心頻率并完成鎖定。頻率掃描法是上述思路基礎上的一種改進型，它首先對信號帶寬內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。該方法主要是采用直接數(shù)字合成技術完成對接收信號整個信息帶寬的掃描，從而得到鎖相環(huán)防錯鎖所必需的頻譜分析。雖然應用頻率掃描法發(fā)生錯鎖的概率較低，但它對于硬件性能要求高且捕獲時間長。在實際應用中，當信號頻譜中存在干擾的雜波信號，導致下行信號頻譜不對稱，或者下行信號抖動，亦或是信號比較微弱時，上述兩種頻域處理方法均存在一定的局限性，它們都還存在一定的錯鎖概率。一旦發(fā)生錯鎖，必須要做出相應的處理，快速退出載波錯鎖，并進行重捕。

2.2 防錯鎖措施的改進

在原設計中，F(xiàn)FT分析只在載波捕獲過程中進行，將每次FFT分析得到的中心頻率與前一次FFT分析值進行比較。若兩次FFT分析差值在允許范圍內，則認為此時FFT分析得到的中心頻率為正確值，按照此中心頻率進行載波跟蹤;若兩次FFT分析差值超出允許范圍，則重新進行FFT分析。

在數(shù)傳接收機未接收到信號時，會反復進行捕獲操作。若在某次捕獲過程中信號突然出現(xiàn)，F(xiàn)FT分析將只包含部分正確數(shù)據(jù)，這可能導致將錯誤頻率誤認為是正確的中心頻率。一般情況下，即使第一次FFT分析得到錯誤的中心頻率點，由于第二次FFT分析時信號已經穩(wěn)定，兩次FFT分析不會都判定在錯鎖點，差值比對會有較大差異，而進入載波重捕環(huán)節(jié)，不會造成錯鎖。但當數(shù)傳信號抖動較大時，可能會出現(xiàn)兩次FFT分析的中心頻率值均為錯誤值。當兩次FFT分析判定的中心頻率值同時出現(xiàn)錯誤且都在同一錯鎖頻率點附近時，兩次FFT分析結果比較將不能糾正載波捕獲錯誤，數(shù)傳接收機將會鎖定在錯誤頻點上。

由于錯鎖現(xiàn)象主要涉及數(shù)傳接收機的FPGA、DSP程序，因此可以對FPGA、DSP加載文件進行有針對性的改進來解決載波錯鎖問題。

2.2.1 固有頻點錯鎖的防錯鎖措施

當載波頻率錯鎖在Rs/4整數(shù)倍頻率點上時，錯鎖點 ±Rs/4頻率處能量將出現(xiàn)不平衡，而當接收機處于正常工作狀態(tài)時，鎖定點 ±Rs/4頻率處能量應該平衡，因此在信號捕獲完成后，首先采取能量平衡判決的方法檢測捕獲頻率是否正確。具體步驟如下:

①信號捕獲完成后，設捕獲到的中心頻率為f0，將輸入信號進行f0±Rs/4頻率混頻，即對輸入信號頻譜進行上下搬移;

②對混頻后的上、下兩個頻點的信號進行低通濾波，并求出濾波后的信號能量;

③將兩個頻點信號能量求差，若能量差小于門限值，則認為捕獲正確，開始環(huán)路跟蹤;若能量差大于門限值，則判定為捕獲頻點錯誤，將捕獲中心頻率修正為能量大的頻點f0+Rs/4或f0-Rs/4;

④將修正后的中心頻率設為新的捕獲頻率，重復上述步驟，直至上、下兩個頻點能量平衡，載波捕獲頻率修正完成。

采取上述能量平衡判決的方法需要在FPGA內增加上、下頻點能量計算模塊，包括混頻、低通濾波和相關能量計算等操作。能量判決和流程控制在DSP內完成。該方法能快速檢測出由于鑒相的非線性操作帶來的固定錯鎖，適用于各種數(shù)傳體制，檢測時間為幾毫秒。

2.2.2 隨機頻點錯鎖的防錯鎖措施

針對在無信號的時候出現(xiàn)信號閃爍或者干擾信號，也會導致信號鎖定在錯誤頻率點，而當真正的信號到來時，跟蹤環(huán)路不能退出的情況，本文新增了FFT分析模塊，對信號進行實時捕獲，將捕獲的信號頻率與環(huán)路跟蹤頻率進行比對，檢測是否發(fā)生載波錯鎖。

具體防錯鎖措施為:在FPGA中增加FFT比對數(shù)據(jù)采樣模塊，載波同步流程圖如圖2所示。定時將采樣數(shù)據(jù)發(fā)送到DSP，而DSP程序中增加FFT定時比對模塊，在判決載波鎖定之后，進行定時FFT分析。FFT定時比對模塊的參數(shù)設置與載波同步模塊中參數(shù)設置相同，按照界面設置的中心頻率、捕獲范圍等參數(shù)獨立工作，不受載波同步模塊當前跟蹤狀態(tài)的影響。DSP將分析得到的新中心頻率點與當前載波跟蹤的中心頻率點做比對，若連續(xù)多次出現(xiàn)比對差值大于設定門限值，則判定原載波捕獲得到的中心頻率點錯誤，重新進行載波捕獲。比對門限值由DSP設置，考慮最大多普勒頻率變化率和定時FFT分析間隔，可以設置門限值為10kHz，錯鎖容錯數(shù)設置為5，只有當連續(xù)出現(xiàn)5次判定錯鎖后才進行載波重捕，避免因偶然誤判而重捕。FFT分析間隔大約為200ms，5次分析總時間可保證在1s以內。

圖2 更改后載波同步流程圖

3 性能分析和試驗驗證

3.1 性能分析

3.1.1 FPGA軟件更改性能分析

FPGA軟件修改內容為:①增加能量平衡判決模塊，與載波同步模塊并行工作，輸入為混頻后的數(shù)傳基帶信號，輸出為中心頻率點f0、錯鎖頻率點f0+Rs/4和f0-Rs/4對應的信號能量;②增加FFT比對模塊，與載波同步模塊并行工作，輸入為AD采樣中頻信號，輸出為FFT分析采樣數(shù)據(jù)。增加的這兩個模塊均為獨立模塊，它們與設備其他模塊沒有接口關系，不會對FPGA其他模塊的處理流程和工作情況產生影響。

由于增加了兩個FPGA模塊，其中能量平衡判決模塊使用1343個邏輯寄存器、16個9×9乘法器，F(xiàn)FT比對模塊使用12196個邏輯寄存器、102個9×9乘法器，因此更改后，在設備端檢查出FPGA資源使用情況為:邏輯寄存器57539/143520，占40%左右，9×9乘法器266/768，占35%左右?？梢钥闯?，F(xiàn)PGA資源占用率不高，能夠滿足測控設備正常使用要求。

3.1.2 DSP 軟件更改性能分析

DSP軟件修改內容為:①增加能量平衡判決程序，在捕獲完成后進行能量檢測，在幾毫秒的時間內快速檢測出由于故障現(xiàn)象導致的錯鎖，重新進行載波捕獲;②增加FFT比對程序，只在比對結果超出設定門限、判定載波錯鎖時，重新進行載波捕獲。增加的兩個程序均要對載波進行錯鎖判斷，這對DSP的捕獲跟蹤處理流程有一定影響，防錯鎖判斷時間將會有所增加，但對于整個捕獲過程而言可以忽略不計，并且增加的程序與其他程序沒有接口和交互關系，不會影響數(shù)據(jù)解調程序的工作。

在DSP程序改進設計中，能量平衡判決程序代碼量很少，對DSP運行機時影響可以忽略不計，而FFT比對程序需要占用DSP少量機時，但是在當前設備中，DSP運行機時余量較大，增加的程序不會影響DSP的運行性能。雖然程序的修改需要增加一定代碼，但DSP程序的存儲空間充足，不會產生其他影響。

3.2 試驗驗證

使用更改后的FPGA、DSP加載文件在統(tǒng)一測控系統(tǒng)數(shù)傳模式環(huán)境中測試，通過反復通斷信號的方式，模擬數(shù)傳信號出現(xiàn)、載波入鎖的過程。當錯鎖現(xiàn)象出現(xiàn)時，F(xiàn)FT比對模塊可以及時發(fā)現(xiàn)錯鎖，并使載波重新鎖定在正確頻率點，證明修改措施有效。當故障現(xiàn)象復現(xiàn)時，更改后的數(shù)傳接收機可以快速自動跳出錯鎖狀態(tài)，恢復正常工作。接下來測試更改后的數(shù)傳接收機在解調門限時的性能。當數(shù)傳接收機正常工作在解調門限時，不會出現(xiàn)FFT比對誤判，未導致載波重捕，解調性能無惡化。下面測試更改后的數(shù)傳接收機在最大多普勒動態(tài)時的性能。當數(shù)傳接收機正常工作在最大多普勒頻率變化率時，不會出現(xiàn)FFT比對誤判，未導致載波重捕，載波跟蹤正常。針對此改進方法，還進行了多普勒動態(tài)測試、低Eb/N0測試等測試項目，測試結果如表1和表2所示。從測試結果可以看出，改進防錯鎖機制后，在高動態(tài)條件和低Eb/N0條件下，不同碼速率下設備均能夠正常捕獲，未出現(xiàn)載波錯鎖或載波鎖存無法退出的現(xiàn)象，較原設計有了較大的改善。

表1 多普勒動態(tài)條件下的測試結果

表2 低Eb/N0條件下的測試結果

4 結束語

統(tǒng)一測控系統(tǒng)設備端軟件具有嵌入式多、實時性強、時序關系嚴格、可靠性和安全性及精度要求高、抗干擾能力強等特點，發(fā)生錯鎖現(xiàn)象將嚴重影響載波接收解調及測控數(shù)據(jù)的獲取。本文針對數(shù)傳接收機錯鎖問題，分析其原因，提出改進措施，可進一步提高統(tǒng)一測控系統(tǒng)數(shù)傳模式工作的可靠性，降低數(shù)傳接收機的錯鎖概率，提高設備測控工作的成功率。

[1]季仲梅，楊洪生，王大鳴.通信中的同步技術及應用[M].北京:清華大學出版社，2008.

[2]張賢達，保 錚.通信信號處理[M].北京:國防工業(yè)出版社，2000.

[3]張延平，劉 偉，陳星伊，雷 磊.統(tǒng)一測控系統(tǒng)接收機錯鎖智能識別與自主處理[J].飛行器測控學報，2010，29(5):16～19.

[4]郗洪杰.一種簡單可靠的高速寬帶混頻環(huán)防錯鎖方案及工程設計[J].電訊技術，2004，44(1):98～101.

[5]梁保衛(wèi)，陳仕進，何源潔，高紅濤.大頻偏低信噪比條件下QPSK載波環(huán)的設計[J].無線電工程，2009，39(9):51～54.

[6]裴 軍，杜曉輝.基準振蕩器相位噪聲對載波鎖相環(huán)的影響[J].現(xiàn)代電子技術，2009，32(19):1～3.

[7]裴 軍，胡正群，張 杰.高動態(tài)載波鎖相環(huán)設計和性能分析[J].測繪科學，2012，37(3):127～128.

[8]朱云鵬.一種QPSK載波恢復環(huán)防錯鎖優(yōu)化方法[J].無線電通信技術，2012，38(1):63～65.