高動態通信接收機載波同步技術研究

吳　健，崔　森，吳必旗

（南京熊貓漢達科技有限公司，江蘇 南京 210014）

高動態通信接收機載波同步技術研究

吳健，崔森，吳必旗

（南京熊貓漢達科技有限公司，江蘇 南京 210014）

高機動性造成的多普勒效應給高機動平臺的無線通信產生較大的多普勒頻偏和多普勒頻偏變化率，嚴重影響接收機的相干解調性能。文章通過對高動態信號、三階鎖相環和二階鎖頻環進行建模仿真分析，提出了FLL和PLL輔助結合的解調方式方案，能夠滿足捕獲及時性與跟蹤精確性要求。

無線通信；高動態；接收機；載波同步

1　實際通信系統存在的問題

在實際通信系統中，造成頻率偏移的原因主要有：（1）接收端接收機本振不穩定引起的頻偏［1］；（2）發送端發射機的載頻（ 包括載頻發生器和本振信號）不穩定引起的頻偏；（3）信道傳輸中多普勒效應引起的頻偏在接收端產生的偏移。這些頻偏將會對接收數據造成嚴重的影響。通信系統中常用到相干解調，而相干解調的關鍵是恢復出與載波同頻同相的相干載波［2］。高動態環境下，不僅有多普勒頻偏，而且多普勒頻率變換率很大，接收機的載波同步難度非常大。

2　高動態信號建模

高機動通信系統中存在著較大的加速度及加加速，在衛星通信系統中，衛星和載體的相對運動可用下面公式表示［3］。

初始速度用v0表示，衛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，則會出現多普勒頻率偏移量，公式如下：

衛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：

可以看出衛星和載體之間的高動態運動導致較大的多普勒，這對調制解調系統中的載波跟蹤造成巨大的影響。

3　鎖相環的建模分析

3.1高動態載波跟蹤同步能力分析

鎖相環跟蹤解調系統框圖如圖1所示。

圖1　鎖相環系統框圖

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可得環路的系統函數以及誤差傳遞函數：

相位誤差函數的傳遞函數為：

其中k是環路總增益，k=kd×k0。

通常選取二象限反正切鑒相器，因為這種的鑒相器具有很好的鑒相性能。

3.2高機動載體接收信號載波同步分析

高機動運動載體的運動狀態整體分成2種，相對勻速運動和相對加速度運動。

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

當F（s）為二階濾波器（PLL環為3階）時，θe,∞=0。

當F（s）為二階濾波器（PLL環為3階）時，θe,∞=0。

圖2—3為假設多普勒變化率為7 kHz/s時，業務速率為2.4 kbps，信噪比為CNR=70 dB,環路帶寬Bn=18 Hz時三階PLL環跟蹤性能。

圖2　鎖相環誤差檢測結果曲線

圖3　鎖相環跟蹤結果曲線

從以上分析可以看出，3階PLL環具有跟蹤大動態運動狀態載波跟蹤能力。

4　鎖頻環建模

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

圖4　FLL系統框圖

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的階數決定了FLL的跟蹤性能。

從圖4可得環路的系統函數以及誤差傳遞函數：

其中k是環路總增益，k=kd×k0。

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

其中的τ1、τ2是濾波器的濾波系數。誤差傳遞函數可以為：

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。但在實際工程化中，一般采用改進的反正切鑒頻器，即反正弦頻偏估計鑒頻器，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對該信號進行穩定跟蹤后，由終值定理可得穩態后誤差為：

圖5—6為假設多普勒變化率為7KHz/s時，業務速率為2.4 kbps，信噪比為CNR=70 dB，環路帶寬Bn=5 Hz時二階FLL環跟蹤性能。

圖5　鎖頻環鑒別結果曲線

圖6　鎖頻環跟蹤結果曲線

從以上分析可以看出：2階FLL載波跟蹤環能以零穩態誤差跟蹤加速度引起的頻率斜率升信號。

5　結語

在低動態的通信系統中，采用鎖相環（PLL）能夠帶來較好的抗噪聲性能和較好的解調精度性能。可是，當有著較大的多普勒頻偏情況下，只有增加環路帶寬才能對載波進行跟蹤解調。此時，由于環路帶寬的增加，導致混入更多的噪聲，這樣跟蹤精度又會被降低。相反，如果只是用鎖相環（FLL）進行跟蹤解調，雖然能夠具有較好的動態適應性能，但是跟蹤精度上往往達不到要求。

高動態接收機載波跟蹤環路通常采用鎖頻環（FLL）和鎖相環（PLL）來結合實現。鎖相環PLL估計輸入信號的準確頻率和相位完成載波與數據的剝離，鎖頻環FLL則用復現近似的頻率以完成載波的同步。由于鎖頻環FLL具有良好的抗動態應力性能，而且對于I和Q支路信號的180°翻轉不敏感，因此在初始同步時，鎖頻環FLL比鎖相環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相結合的工作模式；在實時解調的過程中，還可以進行實時監測動態調整。即發現當前動態變小，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相結合的載波跟蹤在導航接收機中的應用[J].中國航海，2004（2）：51-54.

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

[3]劉高，黃國策，袁小剛.移動衛星通信信道多普勒頻移特性研究[J].信息技術，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：衛星通信領域設計。