吳　健，崔　森，吳必旗

（南京熊貓漢達(dá)科技有限公司，江蘇 南京 210014）

高動態(tài)通信接收機(jī)載波同步技術(shù)研究

吳健，崔森，吳必旗

（南京熊貓漢達(dá)科技有限公司，江蘇 南京 210014）

高機(jī)動性造成的多普勒效應(yīng)給高機(jī)動平臺的無線通信產(chǎn)生較大的多普勒頻偏和多普勒頻偏變化率，嚴(yán)重影響接收機(jī)的相干解調(diào)性能。文章通過對高動態(tài)信號、三階鎖相環(huán)和二階鎖頻環(huán)進(jìn)行建模仿真分析，提出了FLL和PLL輔助結(jié)合的解調(diào)方式方案，能夠滿足捕獲及時性與跟蹤精確性要求。

無線通信；高動態(tài)；接收機(jī)；載波同步

1　實(shí)際通信系統(tǒng)存在的問題

在實(shí)際通信系統(tǒng)中，造成頻率偏移的原因主要有：（1）接收端接收機(jī)本振不穩(wěn)定引起的頻偏［1］；（2）發(fā)送端發(fā)射機(jī)的載頻（ 包括載頻發(fā)生器和本振信號）不穩(wěn)定引起的頻偏；（3）信道傳輸中多普勒效應(yīng)引起的頻偏在接收端產(chǎn)生的偏移。這些頻偏將會對接收數(shù)據(jù)造成嚴(yán)重的影響。通信系統(tǒng)中常用到相干解調(diào)，而相干解調(diào)的關(guān)鍵是恢復(fù)出與載波同頻同相的相干載波［2］。高動態(tài)環(huán)境下，不僅有多普勒頻偏，而且多普勒頻率變換率很大，接收機(jī)的載波同步難度非常大。

2　高動態(tài)信號建模

高機(jī)動通信系統(tǒng)中存在著較大的加速度及加加速，在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，衛(wèi)星和載體的相對運(yùn)動可用下面公式表示［3］。

初始速度用v0表示，衛(wèi)星和載體之間相對的加速度和加加速度分別用a，b表示。如果存在較大的加速度和加加速度，則會出現(xiàn)多普勒頻率偏移量，公式如下：

衛(wèi)星和載體之間的相對速度用V表示，光速用C表示，載波頻率用fcarr表示，多普勒偏差用fd表示，公式如下：

可以看出衛(wèi)星和載體之間的高動態(tài)運(yùn)動導(dǎo)致較大的多普勒，這對調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)中的載波跟蹤造成巨大的影響。

3　鎖相環(huán)的建模分析

3.1高動態(tài)載波跟蹤同步能力分析

鎖相環(huán)跟蹤解調(diào)系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1　鎖相環(huán)系統(tǒng)框圖

圖1中，鑒相增益表示為Kd（V/Rad），壓控振蕩器的增益表示為Ko（Rad/V）。

從圖1可得環(huán)路的系統(tǒng)函數(shù)以及誤差傳遞函數(shù)：

相位誤差函數(shù)的傳遞函數(shù)為：

其中k是環(huán)路總增益，k=kd×k0。

通常選取二象限反正切鑒相器，因?yàn)檫@種的鑒相器具有很好的鑒相性能。

3.2高機(jī)動載體接收信號載波同步分析

高機(jī)動運(yùn)動載體的運(yùn)動狀態(tài)整體分成2種，相對勻速運(yùn)動和相對加速度運(yùn)動。

相對勻速運(yùn)動時，輸入信號（零中頻）為頻率階躍信號，輸入信號相位θi=ωtu（t），進(jìn)行拉普拉斯變換后利用三階鎖相環(huán)（Phase Locked Loop, PLL）對該信號進(jìn)行穩(wěn)定跟蹤后，由終值定理可得穩(wěn)態(tài)后誤差為：

當(dāng)F（s）為二階濾波器（PLL環(huán)為3階）時，θe,∞=0。

當(dāng)F（s）為二階濾波器（PLL環(huán)為3階）時，θe,∞=0。

圖2—3為假設(shè)多普勒變化率為7 kHz/s時，業(yè)務(wù)速率為2.4 kbps，信噪比為CNR=70 dB,環(huán)路帶寬Bn=18 Hz時三階PLL環(huán)跟蹤性能。

圖2　鎖相環(huán)誤差檢測結(jié)果曲線

圖3　鎖相環(huán)跟蹤結(jié)果曲線

從以上分析可以看出，3階PLL環(huán)具有跟蹤大動態(tài)運(yùn)動狀態(tài)載波跟蹤能力。

4　鎖頻環(huán)建模

鎖頻環(huán)（Frequency Locked Loop, FLL）的拉普拉斯域系統(tǒng)框圖如圖4所示。

圖4　FLL系統(tǒng)框圖

其中，鑒相增益表示為Kd（V/Hz），壓控振蕩器的增益表示為Ko（Rad/Hz）。FLL的階數(shù)決定了FLL的跟蹤性能。

從圖4可得環(huán)路的系統(tǒng)函數(shù)以及誤差傳遞函數(shù)：

其中k是環(huán)路總增益，k=kd×k0。

當(dāng)載波環(huán)路常用的2階鎖相環(huán)為例（即環(huán)路濾波器為1階）時，F(xiàn)（s）可以表示為：

其中的τ1、τ2是濾波器的濾波系數(shù)。誤差傳遞函數(shù)可以為：

鑒頻器一般采用選用四象限反正切鑒頻器，這是一種最大似然估計(jì)器，其頻率牽引范圍為，在高低信噪比下都具有比較好的鑒別性能。但在實(shí)際工程化中，一般采用改進(jìn)的反正切鑒頻器，即反正弦頻偏估計(jì)鑒頻器，其頻率索引搜索范圍與四象限反正切鑒頻器索引范圍相同。

相對勻速運(yùn)動時，輸入信號為頻率階躍信號，在載體接收到的信號頻率為f0u（t），其拉普拉斯變換為利用二階FLL對該信號進(jìn)行穩(wěn)定跟蹤后，由終值定理可得穩(wěn)態(tài)后誤差為：

圖5—6為假設(shè)多普勒變化率為7KHz/s時，業(yè)務(wù)速率為2.4 kbps，信噪比為CNR=70 dB，環(huán)路帶寬Bn=5 Hz時二階FLL環(huán)跟蹤性能。

圖5　鎖頻環(huán)鑒別結(jié)果曲線

圖6　鎖頻環(huán)跟蹤結(jié)果曲線

從以上分析可以看出：2階FLL載波跟蹤環(huán)能以零穩(wěn)態(tài)誤差跟蹤加速度引起的頻率斜率升信號。

5　結(jié)語

在低動態(tài)的通信系統(tǒng)中，采用鎖相環(huán)（PLL）能夠帶來較好的抗噪聲性能和較好的解調(diào)精度性能?？墒牵?dāng)有著較大的多普勒頻偏情況下，只有增加環(huán)路帶寬才能對載波進(jìn)行跟蹤解調(diào)。此時，由于環(huán)路帶寬的增加，導(dǎo)致混入更多的噪聲，這樣跟蹤精度又會被降低。相反，如果只是用鎖相環(huán)（FLL）進(jìn)行跟蹤解調(diào)，雖然能夠具有較好的動態(tài)適應(yīng)性能，但是跟蹤精度上往往達(dá)不到要求。

高動態(tài)接收機(jī)載波跟蹤環(huán)路通常采用鎖頻環(huán)（FLL）和鎖相環(huán)（PLL）來結(jié)合實(shí)現(xiàn)。鎖相環(huán)PLL估計(jì)輸入信號的準(zhǔn)確頻率和相位完成載波與數(shù)據(jù)的剝離，鎖頻環(huán)FLL則用復(fù)現(xiàn)近似的頻率以完成載波的同步。由于鎖頻環(huán)FLL具有良好的抗動態(tài)應(yīng)力性能，而且對于I和Q支路信號的180°翻轉(zhuǎn)不敏感，因此在初始同步時，鎖頻環(huán)FLL比鎖相環(huán)PLL更容易保持載波頻率的鎖定。DuLL工作在FLL工作模式。等到FLL鎖定了以后，DuLL切換至FLL和PLL相結(jié)合的工作模式；在實(shí)時解調(diào)的過程中，還可以進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測動態(tài)調(diào)整。即發(fā)現(xiàn)當(dāng)前動態(tài)變小，則可切換DuLL至PLL模式，這樣能夠帶來更好的跟蹤精度。

[1]沈鋒，徐定杰，薛冰.基于FLL/PLL相結(jié)合的載波跟蹤在導(dǎo)航接收機(jī)中的應(yīng)用[J].中國航海，2004（2）：51-54.

[2]黃振，陸建華，楊士中.衛(wèi)星通信中多普勒頻移的快速捕獲[J].電子學(xué)報(bào)，2003（7）：1052-1056.

[3]劉高，黃國策，袁小剛.移動衛(wèi)星通信信道多普勒頻移特性研究[J].信息技術(shù)，2006（9）：19-21.

Research on carrier synchronization technology of high dynamic communication receiver

Wu Jian, Cui Sen, Wu Biqi
（Nanjing Panda Handa Electronic Co., Ltd., Nanjing 210014, China）

Large Doppler frequency offset and Doppler frequency shift rate on wireless communication of high mobility platform for moving terrace from Doppler effect caused by high motility, seriously influencing coherent demodulation.This paper puts forward a demodulation scheme of aided combination of FLL and PLL through modeling and simulation, and making analysis of high dynamic signal, three order and two order frequency locked loop PLL, the scheme can be able to meet the requirement of timeliness and tracking accuracy.

wireless communication; high dynamic; receiver; carrier synchronization

吳健（1978— ），男，江蘇鹽城；研究方向：衛(wèi)星通信領(lǐng)域設(shè)計(jì)。