摘 要： 為了同時(shí)滿足高動(dòng)態(tài)USB應(yīng)答機(jī)" title="應(yīng)答機(jī)">應(yīng)答機(jī)動(dòng)態(tài)性能和跟蹤精度兩方面的需求，提出了一種FFT頻率引導(dǎo)、FLL輔助PLL的載波捕獲跟蹤方案，詳細(xì)設(shè)計(jì)了環(huán)路濾波器" title="環(huán)路濾波器">環(huán)路濾波器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，分析了環(huán)路帶寬、載噪比對(duì)載波頻率跟蹤和載波相位跟蹤性能的影響,并介紹了相關(guān)硬件結(jié)構(gòu)。根據(jù)此方案研制的應(yīng)答機(jī)，經(jīng)動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)檢驗(yàn)，其動(dòng)態(tài)范圍已達(dá)±120kHz，多普勒頻移" title="多普勒頻移">多普勒頻移一次變化率32kHz/s，二次變化率200Hz/s2，初始捕獲時(shí)間小于1s。
關(guān)鍵詞： 軟件無線電； USB(統(tǒng)一S波段) 應(yīng)答機(jī)； FLL+PLL； 環(huán)路濾波器
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我國USB(統(tǒng)一S波段)測控體系采用線性調(diào)相頻分多路體制，高動(dòng)態(tài)環(huán)境下, 載體的機(jī)動(dòng)范圍和機(jī)動(dòng)強(qiáng)度都很大，對(duì)精確提取測距信號(hào)提出了很高的要求。對(duì)相位敏感的連續(xù)調(diào)相信號(hào)（PM）實(shí)現(xiàn)更為困難，該信號(hào)的載波多普勒頻移變化范圍為±120kHz，一次變化率32kHz/s，二次變化率200Hz/s2，在沒有慣導(dǎo)輔助的情況下, 通用載波鎖相環(huán)很難可靠地工作。美國噴氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室JPL（Jet Propulsion laboratory）
在高動(dòng)態(tài)信號(hào)跟蹤技術(shù)方面做了較深入的研究[1-2]，提出了最大似然估計(jì)算法(MLE)、擴(kuò)展卡爾曼濾波算法(EKF)、叉積自動(dòng)頻率跟蹤環(huán)算法、頻率擴(kuò)展卡爾曼濾波算法(FEKF)等。但基于這些算法的實(shí)現(xiàn)都具有較高的復(fù)雜性，如何在信噪比跟蹤門限、頻率估計(jì)誤差和算法復(fù)雜性方面找到平衡點(diǎn)已經(jīng)成為高動(dòng)態(tài)接收機(jī)設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)。
本文提出一種基于FPGA+DSP軟件無線電技術(shù)的全數(shù)字、模塊化的高動(dòng)態(tài)USB應(yīng)答機(jī)設(shè)計(jì)方案。其中，載波跟蹤" title="載波跟蹤">載波跟蹤采用FLL輔助PLL的方式，該模式比單純的FLL或PLL能更好地滿足跟蹤精度和動(dòng)態(tài)性能的需求，并降低了硬件實(shí)現(xiàn)的難度。
1 應(yīng)答機(jī)總體設(shè)計(jì)方案
圖1給出了高動(dòng)態(tài)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)測距、測速、遙控、遙測功能的S波段USB應(yīng)答機(jī)的組成框圖，其核心部分采用FPGA+DSP芯片的全數(shù)字結(jié)構(gòu)。該應(yīng)答機(jī)主要由射頻前端模塊、中頻信號(hào)處理模塊" title="處理模塊">處理模塊和數(shù)管模塊組成。①射頻前端模塊，采用英國的Novella上、下變頻器，主要完成上行信號(hào)的寬帶濾波，低噪放大，模擬下變頻和自動(dòng)增益控制，可有效地抑制多徑干擾和帶外干擾，將上行射頻信號(hào)變換為信號(hào)處理模塊所需的中頻信號(hào)；同時(shí)對(duì)信號(hào)處理模塊送來的下行中頻信號(hào)進(jìn)行濾波，模擬上變頻，功率放大，并通過天線發(fā)射出去；②中頻信號(hào)處理模塊，主要完成上行信號(hào)載波捕獲、跟蹤、測距音提取、遙控信號(hào)解調(diào)以及遙測和測距信號(hào)的發(fā)射；③數(shù)管模塊，用于信號(hào)處理模塊與仿真計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)配置、遙控指令譯碼、遙控解密、遙測數(shù)據(jù)的組幀和數(shù)管任務(wù)的模擬仿真等功能。
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下面對(duì)中頻信號(hào)處理模塊的原理和設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹，重點(diǎn)討論為適應(yīng)高動(dòng)態(tài)環(huán)境而采用的幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。
2 中頻信號(hào)處理模塊設(shè)計(jì)
中頻信號(hào)處理模塊設(shè)計(jì)采用了全數(shù)字化處理技術(shù)，如圖2所示。圖中，F(xiàn)PGA采用Xilinx公司V4系列500萬門的芯片XC4VSX55-11FF1148C，DSP采用TI公司高速具有浮點(diǎn)運(yùn)算功能的TMS320C6713芯片。
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應(yīng)答機(jī)中頻模塊接收70MHz信號(hào)，經(jīng)變換成為兩路正交數(shù)字信號(hào)；為盡量減小頻譜混疊,數(shù)字下變頻采用正交復(fù)下變頻，去除鏡頻，下變頻至零中頻基帶信號(hào)(但還受多普勒頻移調(diào)制)，數(shù)字下變頻中的濾波器為有限沖擊響應(yīng)(FIR)濾波器，LPF1濾除數(shù)字下變頻后的高頻分量，LPF2截止帶寬為5kHz，濾除載波調(diào)制的測距音和副載波信號(hào)，濾波后的輸出用于載波捕獲跟蹤；異步FIFO用來提高FPGA和DSP兩個(gè)異步器件的接口速率，保證每個(gè)中斷傳送更多數(shù)據(jù)；數(shù)字下變頻中的NCO模塊輸出兩路正交的本地載波信號(hào)，其頻率受捕獲模塊和載波跟蹤環(huán)路控制；載波同步后發(fā)射模塊將提取的測距音與遙測副載波合成完成下行信號(hào)的發(fā)射。
整個(gè)應(yīng)答機(jī)設(shè)計(jì)過程中，在高動(dòng)態(tài)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)載波的快速捕獲和精密跟蹤是其中的關(guān)鍵。本方案設(shè)計(jì)了由數(shù)字下變頻、載波NCO、FFT捕獲引導(dǎo)和FLL輔助PLL精密跟蹤等幾個(gè)模塊組成的復(fù)合軟環(huán)來適應(yīng)高動(dòng)態(tài)要求。
3 復(fù)合軟環(huán)的載波跟蹤技術(shù)
高動(dòng)態(tài)環(huán)境下，采用傳統(tǒng)PLL環(huán)跟蹤的高動(dòng)態(tài)接收機(jī)必須承受環(huán)路帶寬與動(dòng)態(tài)性能之間的折衷，即噪聲引入跟蹤誤差隨環(huán)路帶寬降低而增加，較難同時(shí)滿足跟蹤精度與動(dòng)態(tài)性能的要求。相比之下，非相干解調(diào)FLL則具有較好的動(dòng)態(tài)性能，但跟蹤精度比PLL低，二者存在一定的矛盾，實(shí)際設(shè)計(jì)中必須采用折衷的原則解決上述矛盾[3][6]。針對(duì)上述問題，本文提出了一種二階FLL環(huán)輔助三階PLL環(huán)的載波跟蹤方法，其中FLL環(huán)鑒頻算法采用一種四象限反正切叉積鑒頻算法，整個(gè)環(huán)路由FPGA配合DSP軟件編程完成。
3.1 四象限反正切叉積鑒頻算法
常用的叉積鑒頻算法有：符號(hào)叉積鑒頻算法，反正切叉積鑒頻算法。其中，符號(hào)叉積鑒頻算法運(yùn)算量比較小，且對(duì)符號(hào)模糊不敏感，但由于接收不同頻率的信號(hào)其幅度可能不同，符號(hào)叉積鑒頻算法無法消除它的影響。反正切鑒頻算法消除了信號(hào)幅度和信息數(shù)據(jù)符號(hào)變化的影響，但鑒頻范圍僅有1/4T(T為積分時(shí)間)。高動(dòng)態(tài)環(huán)境下，鑒頻范圍的大小是選擇鑒頻算法的一個(gè)重要依據(jù)。本文采用一種鑒頻范圍為1/2T的四象限反正切叉積鑒頻算法，它在高低信噪比下性能均最佳，雖然其運(yùn)算量較大，但隨著集成電路的發(fā)展，選用高性能的數(shù)字器件完全可以滿足要求。圖3和圖4分別給出了四象限反正切鑒頻算法結(jié)構(gòu)框圖及其同符號(hào)叉積鑒頻、反正切叉積鑒頻曲線的比較。
根據(jù)圖3叉積鑒頻算法，可得單點(diǎn)叉積鑒頻估計(jì)出頻差的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：
將頻差估計(jì)
轉(zhuǎn)化為頻差控制量，以改變NCO的頻率控制字，從而達(dá)到自動(dòng)頻率控制的目的?？紤]到噪聲對(duì)系統(tǒng)的影響，采取滑動(dòng)窗取N點(diǎn)頻差求平均的方法，在一定程度上改善了叉積鑒頻的噪聲性能，提高了后續(xù)解調(diào)質(zhì)量。
3.2 FLL輔助PLL載波跟蹤環(huán)路設(shè)計(jì)
理想的載波跟蹤環(huán)是以FLL環(huán)結(jié)合較大帶寬的環(huán)路濾波器跟蹤動(dòng)態(tài)變化，然后轉(zhuǎn)入PLL環(huán)跟蹤，在允許預(yù)期動(dòng)態(tài)影響的前提下，盡量采用窄的濾波器噪聲帶寬以維持環(huán)路的跟蹤狀態(tài)，當(dāng)動(dòng)態(tài)增強(qiáng)時(shí)，轉(zhuǎn)入FLL跟蹤。參考文獻(xiàn)[4]、[5]也對(duì)FLL+PLL環(huán)的跟蹤方法做了相應(yīng)的研究，但大都是通過檢測鑒頻器、鑒相器輸出的頻差和相差來設(shè)定相應(yīng)的門限，從而進(jìn)行兩個(gè)環(huán)路的切換，且切換過程可能會(huì)導(dǎo)致相位不連續(xù)或應(yīng)答機(jī)失鎖。本文采用一種FLL環(huán)輔助PLL 環(huán)的載波跟蹤方法，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)環(huán)路的自動(dòng)切換，原理如圖5所示。
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FLL環(huán)對(duì)頻率進(jìn)行鎖定，PLL環(huán)在 FLL環(huán)頻率壓縮的基礎(chǔ)上對(duì)載波相位進(jìn)行進(jìn)一步的跟蹤。由圖5可以看出，鑒相算法后的PLL輸入誤差置為0時(shí)，環(huán)路變?yōu)榧僃LL環(huán)。典型的環(huán)路閉合過程是以純FLL的形式閉合，然后FLL輔助PLL環(huán)對(duì)來自兩個(gè)鑒別器的誤差輸入信號(hào)同時(shí)加以作用，直到獲得相位鎖定，再轉(zhuǎn)為純PLL環(huán)，如果相位失鎖，則自動(dòng)返回FLL環(huán)輔助PLL環(huán)工作。圖6、圖7給出了FLL環(huán)輔助PLL環(huán)的工作過程。
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初始，F(xiàn)FT模塊捕獲后，載波頻差還比較大，頻率尚未鎖定，鑒相算法的輸出經(jīng)圖5的濾波器積分后輸出為零，此時(shí)FLL起主導(dǎo)作用。頻率鎖定后，鑒頻器輸出為零，鎖相環(huán)占主導(dǎo)地位。從而避免了設(shè)置門限來判斷FLL環(huán)向PLL環(huán)的轉(zhuǎn)換，且該方法在轉(zhuǎn)換過程中相位連續(xù)平滑。合理地設(shè)計(jì)環(huán)路濾波器的階數(shù)和系數(shù)，選擇合適的環(huán)路帶寬即可滿足動(dòng)態(tài)范圍與跟蹤精度的要求[6]。
3.2.1 環(huán)路濾波器的設(shè)計(jì)
環(huán)路濾波器的功能是對(duì)鑒頻、鑒相器輸出的誤差信號(hào)進(jìn)行濾波，抑制噪聲和高頻分量，其對(duì)動(dòng)態(tài)的響應(yīng)主要由其階數(shù)和環(huán)路帶寬決定，適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)濾波器參數(shù)可提高環(huán)路對(duì)高動(dòng)態(tài)環(huán)境的適應(yīng)能力[7]。考慮到本系統(tǒng)無外界導(dǎo)航系統(tǒng)輔助，且存在32kHz/s的多普勒頻移變化率，F(xiàn)LL環(huán)選擇可以跟蹤一定多普勒頻移變化率的二階環(huán)，PLL環(huán)選擇對(duì)加速度應(yīng)力不敏感的三階環(huán)。圖5給出了環(huán)路濾波器的設(shè)計(jì)框圖。
鎖頻環(huán)環(huán)路濾波器傳遞函數(shù)的表達(dá)式為：
鎖相環(huán)環(huán)路濾波器傳遞函數(shù)的表達(dá)式為：
3.2.2 環(huán)路帶寬對(duì)跟蹤性能的影響
環(huán)路帶寬是決定高動(dòng)態(tài)環(huán)境下載波跟蹤性能最重要的因素，它一般根據(jù)頻率和相位跟蹤誤差來決定[7]。 取積分時(shí)間T=1/1000，載體加加速度2g/s，在載噪比C/N0分別為35、45、55和65dB時(shí)，環(huán)路帶寬對(duì)熱噪聲和動(dòng)態(tài)誤差的影響如圖8～圖13所示。
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由仿真結(jié)果可以看出，F(xiàn)LL環(huán)和PLL環(huán)由熱噪聲引起的誤差均隨環(huán)路帶寬的增加而增加，而由高階動(dòng)態(tài)引起的誤差隨環(huán)路帶寬的增大而減小，且PLL環(huán)的動(dòng)態(tài)應(yīng)力性能比FLL環(huán)差。根據(jù)仿真結(jié)果，F(xiàn)LL環(huán)的環(huán)路帶寬可選在3～8Hz之間，實(shí)際應(yīng)用時(shí)采取變帶寬策略，根據(jù)鑒頻器的結(jié)果實(shí)時(shí)地調(diào)整環(huán)路帶寬值來適應(yīng)不同的動(dòng)態(tài)。PLL環(huán)總的相位誤差隨環(huán)路帶寬的增加而減小，但根據(jù)蒙特卡洛實(shí)驗(yàn)和工程實(shí)踐驗(yàn)證，環(huán)路帶寬≥18Hz時(shí)跟蹤穩(wěn)定性會(huì)變差，因此PLL環(huán)路帶寬可選為18Hz。
FLL環(huán)可以跟蹤多普勒頻移變化率，PLL環(huán)可以精確跟蹤載波相位。本文提出的FLL環(huán)輔助PLL環(huán)的方法能同時(shí)滿足高動(dòng)態(tài)性能和相位精度的需求，且環(huán)路自動(dòng)轉(zhuǎn)換，相位連續(xù)變化。根據(jù)此方案研制的應(yīng)答機(jī)經(jīng)某所地面基帶設(shè)備驗(yàn)證，動(dòng)態(tài)范圍已達(dá)±120kHz，多普勒頻移一次變化率為32kHz/s，二次變化率為200Hz/s2；高動(dòng)態(tài)條件下，初始捕獲時(shí)間＜1s，雙向捕獲時(shí)間＜2s，速度隨機(jī)誤差優(yōu)于0.005m/s，測距時(shí)延隨機(jī)抖動(dòng)優(yōu)于2ns，具有很好的實(shí)用性能。
參考文獻(xiàn)
[1] ?HINEDI S, STATMAN J I. High-dynamic GPS trackingfinal report. Jet Propulsion Laboratory. December 15,
?1988.
[2] ?HINEDI S, STATMAN J I. Digital accumulators in?phase and frequency tracking loops. IEEE Trans on
?Aerospace and Electronic Systems.1990,26(1):169-180.
[3] ?邱致和. GPS原理與應(yīng)用. 北京：電子工業(yè)出版社，2002.
[4] ?程乃平，任宇飛，呂金飛. 高動(dòng)態(tài)擴(kuò)頻信號(hào)的載波跟蹤技術(shù)研究. 電子學(xué)報(bào)，2003，(z1).
[5] ?田明坤，邵定蓉.高動(dòng)態(tài)GPS接收機(jī)的一種設(shè)計(jì)方案.遙測遙控，2002,23(3):15-20.
[6] ?唐小妹. 高性能導(dǎo)航接收機(jī)中的載波恢復(fù)與載噪比估計(jì)研究. 長沙：國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文. 2005,12.
[7] ?賈東升. 導(dǎo)航接收載波恢復(fù)技術(shù)研究. 長沙：國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文,2003,11.