一種單鎖相環(huán)最大比極化分集合成算法的FPGA實(shí)現(xiàn)*

李湘魯，黃 強(qiáng)

(中國(guó)工程物理研究院電子工程研究所 綿陽(yáng)621900)

1 引言

對(duì)于4種基本分集方式（極化分集、頻率分集、空間分集、時(shí)間分集），在遙測(cè)接收系統(tǒng)中主要應(yīng)用極化分集方式，它經(jīng)濟(jì)可靠、技術(shù)成熟。在測(cè)控應(yīng)用中，下行信號(hào)中存在著兩個(gè)相互正交的極化波。由于目標(biāo)的姿態(tài)變化、多徑效應(yīng)等因素的影響，兩種極化分量相對(duì)大小可能隨時(shí)變化，因此在測(cè)控接收機(jī)中應(yīng)有相應(yīng)的極化分集接收能力[1]，以抗起伏衰落、提高輸入信號(hào)S/N并且克服天線單極化存在的深零點(diǎn)影響。

目前，國(guó)內(nèi)外采用最普遍的方案為三環(huán)路鎖相分集接收方案。它由3個(gè)鎖相環(huán)路組成，1個(gè)主環(huán)，2個(gè)副環(huán)，3個(gè)鎖相環(huán)均采用同一個(gè)參考源為基準(zhǔn)。主環(huán)跟蹤合成載波，兩個(gè)副環(huán)分別跟蹤兩個(gè)極化支路的載波，以保證兩支路相加時(shí)相位保持一致。另外，還有兩種方案也有采用：共模與差模環(huán)極化合成方案以及左旋、右旋雙環(huán)合成方案[2,3]。這3種方案的不足在于：至少需要2套鎖相環(huán)電路，并且需要一個(gè)參考源為基準(zhǔn)才能工作。

針對(duì)以上3種方案在中頻實(shí)現(xiàn)相對(duì)比較復(fù)雜，本文提出一種基于復(fù)基帶的檢前最大比分集合成算法，該方案不需要參考源，只需要1套鎖相環(huán)電路，性能優(yōu)良，工程實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單。

2 最大比分集合成算法

極化分集合成的關(guān)鍵技術(shù)是最大比值合成器和分集鎖相環(huán)。分集鎖相環(huán)保證兩正交極化分量同相相加,而最大比值合成器則保證輸出的S/N為最佳。

最大比合成(MRC)，就是在接收端有D個(gè)分集支路，經(jīng)過相位調(diào)整之后，按照適當(dāng)?shù)脑鲆嫦禂?shù)，同相相加進(jìn)行合并。結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際，就是分別有左旋極化支路和右旋極化支路2個(gè)分集支路參與合成。最大比值的合成器實(shí)現(xiàn)如下的運(yùn)算：S=SRCR+SLCL，其中SR和SL分別為右旋和左旋信號(hào)的幅度，CR和CL為各自的加權(quán)因子。測(cè)出SR和SL(可利用其AGC電壓來求得)就可以計(jì)算出CR和CL，從而實(shí)現(xiàn)上面的計(jì)算，它的輸出就是最大比合成。圖1所示就是一個(gè)最大比合成圖。

最大比例系數(shù)的計(jì)算為：

極化分集合成另一關(guān)鍵技術(shù)的分集鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)如圖2所示。由于此方案建立在同相合成基礎(chǔ)上，因此它保留了同相合成的所有優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具有最佳的合成信噪比輸出，在實(shí)現(xiàn)方式上，同相的方案實(shí)現(xiàn)是采用兩路叉積鑒相的方式，此方式具有控制精度高，控制速度快，電路穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)。

設(shè)通道R、通道L輸入復(fù)基帶信號(hào)為：

式中：rR、rL、nR、nL分別為通道 R 和通道 L 信號(hào)和噪聲的幅度，ΦfdR（t）、ΦnR（t）分別為通道 R 多普勒頻率產(chǎn)生的相位、通道 R噪聲產(chǎn)生的相位，θR為通道 R的初始相位，ΦfdL（t）、ΦnL（t）分別為通道 L 多普勒頻率產(chǎn)生的相位、通道L 噪聲產(chǎn)生的相位，θL為通道 L 的初始相位，Φs（t）為調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生的相位。

通過叉積鑒相，得到環(huán)路濾波器輸入信號(hào)為：

可以看出，檢相輸出中完全消除了調(diào)制信號(hào)分量Φs（t），因此環(huán)路濾波器的設(shè)計(jì)可以不考慮信號(hào)帶寬的影響，為了跟蹤較大的頻率差或相位差，同時(shí)提高鎖定速度，可以適當(dāng)增大環(huán)路濾波器的帶寬。

3 仿真分析

針對(duì)一個(gè)復(fù)基帶線性調(diào)頻信號(hào)，設(shè)兩通道初始頻差20 Hz，初始相差110°，信噪比為 10 dB，得到處理前后的結(jié)果如圖3所示。

可見兩路信號(hào)經(jīng)過分集算法處理后，其頻率和相位已經(jīng)調(diào)整到一致并且用時(shí)很短。

4 FPGA硬件實(shí)現(xiàn)

圖4為整個(gè)分集合成鎖相環(huán)電路RTL原理圖，主要分為鑒相器、環(huán)路濾波器、左旋支路NCO和右旋支路NCO 4個(gè)模塊。

本電路使用Xilinx公司的Virtex4系列XC4VLX200芯片進(jìn)行綜合，使用了Slice 1 207個(gè)，占全部的1.3%，RAMB16s資源使用8個(gè)，占全部3%。整個(gè)電路可以工作到252 MHz。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)復(fù)基帶信號(hào)，提出了檢前最大比分集合成算法。由于相位調(diào)整鎖相環(huán)采用叉積鑒相，消除了調(diào)頻信號(hào)的影響，因此環(huán)路帶寬不受信號(hào)帶寬的限制，簡(jiǎn)化鎖相環(huán)的工程實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度，且能夠跟蹤較大的頻率差，鎖定速度快。該算法已成功實(shí)現(xiàn)并運(yùn)用于某數(shù)傳接收機(jī)中，性能穩(wěn)定優(yōu)良，經(jīng)過測(cè)試可以達(dá)到2.8 dB左右的靈敏度增益。

1 劉嘉興.載人航天USB測(cè)控系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù).宇航學(xué)報(bào),2005,26(11)

2 張睿.數(shù)字分集接收機(jī)的研究.重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文,2005

3 吳初輝,李宗利.遙測(cè)信號(hào)數(shù)字極化分集接收機(jī)的建模和仿真.第二屆中國(guó)系統(tǒng)建模與仿真技術(shù)高層論壇,2007