張 健， 季燕青， 徐興源

(中國(guó)衛(wèi)星海上測(cè)控部 江陰 214431)

引 言

無(wú)論在民用通信還是軍用通信中，正交相移鍵控調(diào)制(QPSK)[1]信號(hào)因其抗干擾能力強(qiáng)、頻譜利用率高及實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度小等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。統(tǒng)一測(cè)控系統(tǒng)在數(shù)傳模式下，接收機(jī)采用QPSK載波鎖相環(huán)技術(shù)接收中頻數(shù)傳信號(hào)，經(jīng)過(guò)增益控制、載波解調(diào)、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(jī)已采取一定的方法防止錯(cuò)鎖，但是在實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中，仍經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)載波錯(cuò)鎖現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)日常使用過(guò)程中出現(xiàn)的錯(cuò)鎖現(xiàn)象進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，載波錯(cuò)鎖發(fā)生在Rs/4(Rs為信息速率)整數(shù)倍頻率點(diǎn)上的概率較高，同時(shí)還會(huì)出現(xiàn)遙測(cè)幀不同步、自動(dòng)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(cuò)鎖，會(huì)導(dǎo)致跟蹤信號(hào)丟失或遙測(cè)解調(diào)異常，需要操作人員進(jìn)行人工判斷并實(shí)施處理[3]，這些都將影響信號(hào)的正常捕獲和測(cè)控?cái)?shù)據(jù)的獲取。本文首先對(duì)數(shù)傳接收機(jī)錯(cuò)鎖在Rs/4整數(shù)倍頻率點(diǎn)上的原因進(jìn)行分析，然后對(duì)捕獲過(guò)程中的防錯(cuò)鎖措施進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，確保數(shù)傳接收機(jī)鎖相載波跟蹤環(huán)[4]能自動(dòng)地正確鎖定在所接收到的載波信號(hào)上。

1 產(chǎn)生錯(cuò)鎖的原因

統(tǒng)一測(cè)控系統(tǒng)在數(shù)傳模式下，接收機(jī)載波同步分載波捕獲和載波跟蹤兩個(gè)步驟進(jìn)行。接收機(jī)處于捕獲狀態(tài)時(shí)，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(nèi)對(duì)此數(shù)據(jù)進(jìn)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(nèi)部，轉(zhuǎn)入跟蹤狀態(tài)。載波同步過(guò)程如圖1所示。進(jìn)入跟蹤狀態(tài)后，接收機(jī)不再作FFT分析，而是根據(jù)I/Q支路基帶信號(hào)進(jìn)行載波鑒相，得到的鑒相誤差經(jīng)過(guò)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(guò)程。

對(duì)于QPSK信號(hào)，在從抑制載波信號(hào)中恢復(fù)出載波信號(hào)的過(guò)程中，鑒相器中會(huì)包含非線(xiàn)性操作。非線(xiàn)性操作會(huì)從沒(méi)有載波分量的信號(hào)中再生出載波分量，同時(shí)非線(xiàn)性的交叉解調(diào)也會(huì)在載波中心頻率兩側(cè)的Rs/4整數(shù)倍頻率點(diǎn)上再生出離散譜分量。若數(shù)傳接收機(jī)在距離中心頻率整數(shù)倍Rs/4的位置存在再生的譜線(xiàn)分量，則該點(diǎn)的信號(hào)能量雖弱于中心頻率點(diǎn)，但已滿(mǎn)足載波鎖定條件，載波可以在此頻點(diǎn)穩(wěn)定鎖定。在數(shù)傳接收機(jī)完成鎖定過(guò)程中，將對(duì)整個(gè)捕獲范圍內(nèi)的頻譜進(jìn)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(jié)果統(tǒng)一比對(duì)，得到能量最強(qiáng)的頻點(diǎn)，就認(rèn)為是中心頻率。

基于上述分析，對(duì)于穩(wěn)定信號(hào)，中心頻率的能量強(qiáng)于再生譜線(xiàn)分量的能量，F(xiàn)FT分析可以正確找到中心頻率點(diǎn)。但是當(dāng)數(shù)傳信號(hào)抖動(dòng)較大時(shí)[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(shí)，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(shí)，數(shù)據(jù)能量較強(qiáng)。這樣就導(dǎo)致再生譜線(xiàn)能量強(qiáng)于正確中心頻率，使得搜索到的能量最強(qiáng)的頻率不是信號(hào)的實(shí)際中心頻率。由于載波恢復(fù)使用的Costas環(huán)路的帶寬小于Rs/4，如果鎖相環(huán)調(diào)諧到其中任何一個(gè)有充分幅度的譜分量上，那么鎖相環(huán)將鎖定到這個(gè)譜分量的頻率上，而不會(huì)跳轉(zhuǎn)到正確的中心頻率點(diǎn)。

綜上所述，當(dāng)數(shù)傳信號(hào)抖動(dòng)較大時(shí)，F(xiàn)FT分析得到的中心頻率可能不是信號(hào)的實(shí)際中心頻率，即出現(xiàn)錯(cuò)鎖，這將導(dǎo)致按照此中頻進(jìn)行的載波跟蹤、數(shù)據(jù)解調(diào)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(cuò)鎖措施的改進(jìn)設(shè)計(jì)

2.1 防錯(cuò)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(cuò)誤地鎖定在所調(diào)制的副載波或者其他頻點(diǎn)上，必須通過(guò)對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，并根據(jù)調(diào)制信號(hào)的頻譜特性進(jìn)行判斷。當(dāng)前，為了防錯(cuò)鎖采用的最簡(jiǎn)捷且首選的方法是頻域處理法，即對(duì)輸入的數(shù)字信號(hào)，經(jīng)FFT變換后在頻域內(nèi)做防錯(cuò)鎖的各項(xiàng)工作。頻域處理法可分寬帶防錯(cuò)鎖法和頻率掃描法兩種[8]。寬帶防錯(cuò)鎖法采用FFT變換，利用頻譜的對(duì)稱(chēng)性分析和最大值判斷等方法實(shí)現(xiàn)防止載波錯(cuò)鎖。該方法的優(yōu)點(diǎn)是處理速度快，只需經(jīng)幾次FFT運(yùn)算(對(duì)應(yīng)每一次的錯(cuò)誤頻譜搬移)，簡(jiǎn)單的比對(duì)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(chǔ)上的一種改進(jìn)型，它首先對(duì)信號(hào)帶寬內(nèi)的整個(gè)頻譜進(jìn)行全面分析，然后根據(jù)所設(shè)置的防錯(cuò)鎖判決準(zhǔn)則進(jìn)行錯(cuò)鎖判斷。該方法主要是采用直接數(shù)字合成技術(shù)完成對(duì)接收信號(hào)整個(gè)信息帶寬的掃描，從而得到鎖相環(huán)防錯(cuò)鎖所必需的頻譜分析。雖然應(yīng)用頻率掃描法發(fā)生錯(cuò)鎖的概率較低，但它對(duì)于硬件性能要求高且捕獲時(shí)間長(zhǎng)。在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)信號(hào)頻譜中存在干擾的雜波信號(hào)，導(dǎo)致下行信號(hào)頻譜不對(duì)稱(chēng)，或者下行信號(hào)抖動(dòng)，亦或是信號(hào)比較微弱時(shí)，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(cuò)鎖概率。一旦發(fā)生錯(cuò)鎖，必須要做出相應(yīng)的處理，快速退出載波錯(cuò)鎖，并進(jìn)行重捕。

2.2 防錯(cuò)鎖措施的改進(jìn)

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

在數(shù)傳接收機(jī)未接收到信號(hào)時(shí)，會(huì)反復(fù)進(jìn)行捕獲操作。若在某次捕獲過(guò)程中信號(hào)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(dǎo)致將錯(cuò)誤頻率誤認(rèn)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(cuò)誤的中心頻率點(diǎn)，由于第二次FFT分析時(shí)信號(hào)已經(jīng)穩(wěn)定，兩次FFT分析不會(huì)都判定在錯(cuò)鎖點(diǎn)，差值比對(duì)會(huì)有較大差異，而進(jìn)入載波重捕環(huán)節(jié)，不會(huì)造成錯(cuò)鎖。但當(dāng)數(shù)傳信號(hào)抖動(dòng)較大時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)兩次FFT分析的中心頻率值均為錯(cuò)誤值。當(dāng)兩次FFT分析判定的中心頻率值同時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤且都在同一錯(cuò)鎖頻率點(diǎn)附近時(shí)，兩次FFT分析結(jié)果比較將不能糾正載波捕獲錯(cuò)誤，數(shù)傳接收機(jī)將會(huì)鎖定在錯(cuò)誤頻點(diǎn)上。

由于錯(cuò)鎖現(xiàn)象主要涉及數(shù)傳接收機(jī)的FPGA、DSP程序，因此可以對(duì)FPGA、DSP加載文件進(jìn)行有針對(duì)性的改進(jìn)來(lái)解決載波錯(cuò)鎖問(wèn)題。

2.2.1 固有頻點(diǎn)錯(cuò)鎖的防錯(cuò)鎖措施

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

①信號(hào)捕獲完成后，設(shè)捕獲到的中心頻率為f0，將輸入信號(hào)進(jìn)行f0±Rs/4頻率混頻，即對(duì)輸入信號(hào)頻譜進(jìn)行上下搬移;

②對(duì)混頻后的上、下兩個(gè)頻點(diǎn)的信號(hào)進(jìn)行低通濾波，并求出濾波后的信號(hào)能量;

③將兩個(gè)頻點(diǎn)信號(hào)能量求差，若能量差小于門(mén)限值，則認(rèn)為捕獲正確，開(kāi)始環(huán)路跟蹤;若能量差大于門(mén)限值，則判定為捕獲頻點(diǎn)錯(cuò)誤，將捕獲中心頻率修正為能量大的頻點(diǎn)f0+Rs/4或f0-Rs/4;

④將修正后的中心頻率設(shè)為新的捕獲頻率，重復(fù)上述步驟，直至上、下兩個(gè)頻點(diǎn)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(nèi)增加上、下頻點(diǎn)能量計(jì)算模塊，包括混頻、低通濾波和相關(guān)能量計(jì)算等操作。能量判決和流程控制在DSP內(nèi)完成。該方法能快速檢測(cè)出由于鑒相的非線(xiàn)性操作帶來(lái)的固定錯(cuò)鎖，適用于各種數(shù)傳體制，檢測(cè)時(shí)間為幾毫秒。

2.2.2 隨機(jī)頻點(diǎn)錯(cuò)鎖的防錯(cuò)鎖措施

針對(duì)在無(wú)信號(hào)的時(shí)候出現(xiàn)信號(hào)閃爍或者干擾信號(hào)，也會(huì)導(dǎo)致信號(hào)鎖定在錯(cuò)誤頻率點(diǎn)，而當(dāng)真正的信號(hào)到來(lái)時(shí)，跟蹤環(huán)路不能退出的情況，本文新增了FFT分析模塊，對(duì)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)捕獲，將捕獲的信號(hào)頻率與環(huán)路跟蹤頻率進(jìn)行比對(duì)，檢測(cè)是否發(fā)生載波錯(cuò)鎖。

具體防錯(cuò)鎖措施為:在FPGA中增加FFT比對(duì)數(shù)據(jù)采樣模塊，載波同步流程圖如圖2所示。定時(shí)將采樣數(shù)據(jù)發(fā)送到DSP，而DSP程序中增加FFT定時(shí)比對(duì)模塊，在判決載波鎖定之后，進(jìn)行定時(shí)FFT分析。FFT定時(shí)比對(duì)模塊的參數(shù)設(shè)置與載波同步模塊中參數(shù)設(shè)置相同，按照界面設(shè)置的中心頻率、捕獲范圍等參數(shù)獨(dú)立工作，不受載波同步模塊當(dāng)前跟蹤狀態(tài)的影響。DSP將分析得到的新中心頻率點(diǎn)與當(dāng)前載波跟蹤的中心頻率點(diǎn)做比對(duì)，若連續(xù)多次出現(xiàn)比對(duì)差值大于設(shè)定門(mén)限值，則判定原載波捕獲得到的中心頻率點(diǎn)錯(cuò)誤，重新進(jìn)行載波捕獲。比對(duì)門(mén)限值由DSP設(shè)置，考慮最大多普勒頻率變化率和定時(shí)FFT分析間隔，可以設(shè)置門(mén)限值為10kHz，錯(cuò)鎖容錯(cuò)數(shù)設(shè)置為5，只有當(dāng)連續(xù)出現(xiàn)5次判定錯(cuò)鎖后才進(jìn)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(shí)間可保證在1s以?xún)?nèi)。

圖2 更改后載波同步流程圖

3 性能分析和試驗(yàn)驗(yàn)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(nèi)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(hào)，輸出為中心頻率點(diǎn)f0、錯(cuò)鎖頻率點(diǎn)f0+Rs/4和f0-Rs/4對(duì)應(yīng)的信號(hào)能量;②增加FFT比對(duì)模塊，與載波同步模塊并行工作，輸入為AD采樣中頻信號(hào)，輸出為FFT分析采樣數(shù)據(jù)。增加的這兩個(gè)模塊均為獨(dú)立模塊，它們與設(shè)備其他模塊沒(méi)有接口關(guān)系，不會(huì)對(duì)FPGA其他模塊的處理流程和工作情況產(chǎn)生影響。

由于增加了兩個(gè)FPGA模塊，其中能量平衡判決模塊使用1343個(gè)邏輯寄存器、16個(gè)9×9乘法器，F(xiàn)FT比對(duì)模塊使用12196個(gè)邏輯寄存器、102個(gè)9×9乘法器，因此更改后，在設(shè)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?？梢钥闯觯現(xiàn)PGA資源占用率不高，能夠滿(mǎn)足測(cè)控設(shè)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(nèi)容為:①增加能量平衡判決程序，在捕獲完成后進(jìn)行能量檢測(cè)，在幾毫秒的時(shí)間內(nèi)快速檢測(cè)出由于故障現(xiàn)象導(dǎo)致的錯(cuò)鎖，重新進(jìn)行載波捕獲;②增加FFT比對(duì)程序，只在比對(duì)結(jié)果超出設(shè)定門(mén)限、判定載波錯(cuò)鎖時(shí)，重新進(jìn)行載波捕獲。增加的兩個(gè)程序均要對(duì)載波進(jìn)行錯(cuò)鎖判斷，這對(duì)DSP的捕獲跟蹤處理流程有一定影響，防錯(cuò)鎖判斷時(shí)間將會(huì)有所增加，但對(duì)于整個(gè)捕獲過(guò)程而言可以忽略不計(jì)，并且增加的程序與其他程序沒(méi)有接口和交互關(guān)系，不會(huì)影響數(shù)據(jù)解調(diào)程序的工作。

在DSP程序改進(jìn)設(shè)計(jì)中，能量平衡判決程序代碼量很少，對(duì)DSP運(yùn)行機(jī)時(shí)影響可以忽略不計(jì)，而FFT比對(duì)程序需要占用DSP少量機(jī)時(shí)，但是在當(dāng)前設(shè)備中，DSP運(yùn)行機(jī)時(shí)余量較大，增加的程序不會(huì)影響DSP的運(yùn)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(chǔ)空間充足，不會(huì)產(chǎn)生其他影響。

3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

使用更改后的FPGA、DSP加載文件在統(tǒng)一測(cè)控系統(tǒng)數(shù)傳模式環(huán)境中測(cè)試，通過(guò)反復(fù)通斷信號(hào)的方式，模擬數(shù)傳信號(hào)出現(xiàn)、載波入鎖的過(guò)程。當(dāng)錯(cuò)鎖現(xiàn)象出現(xiàn)時(shí)，F(xiàn)FT比對(duì)模塊可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)鎖，并使載波重新鎖定在正確頻率點(diǎn)，證明修改措施有效。當(dāng)故障現(xiàn)象復(fù)現(xiàn)時(shí)，更改后的數(shù)傳接收機(jī)可以快速自動(dòng)跳出錯(cuò)鎖狀態(tài)，恢復(fù)正常工作。接下來(lái)測(cè)試更改后的數(shù)傳接收機(jī)在解調(diào)門(mén)限時(shí)的性能。當(dāng)數(shù)傳接收機(jī)正常工作在解調(diào)門(mén)限時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)FFT比對(duì)誤判，未導(dǎo)致載波重捕，解調(diào)性能無(wú)惡化。下面測(cè)試更改后的數(shù)傳接收機(jī)在最大多普勒動(dòng)態(tài)時(shí)的性能。當(dāng)數(shù)傳接收機(jī)正常工作在最大多普勒頻率變化率時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)FFT比對(duì)誤判，未導(dǎo)致載波重捕，載波跟蹤正常。針對(duì)此改進(jìn)方法，還進(jìn)行了多普勒動(dòng)態(tài)測(cè)試、低Eb/N0測(cè)試等測(cè)試項(xiàng)目，測(cè)試結(jié)果如表1和表2所示。從測(cè)試結(jié)果可以看出，改進(jìn)防錯(cuò)鎖機(jī)制后，在高動(dòng)態(tài)條件和低Eb/N0條件下，不同碼速率下設(shè)備均能夠正常捕獲，未出現(xiàn)載波錯(cuò)鎖或載波鎖存無(wú)法退出的現(xiàn)象，較原設(shè)計(jì)有了較大的改善。

表1 多普勒動(dòng)態(tài)條件下的測(cè)試結(jié)果

表2 低Eb/N0條件下的測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

統(tǒng)一測(cè)控系統(tǒng)設(shè)備端軟件具有嵌入式多、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、時(shí)序關(guān)系嚴(yán)格、可靠性和安全性及精度要求高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，發(fā)生錯(cuò)鎖現(xiàn)象將嚴(yán)重影響載波接收解調(diào)及測(cè)控?cái)?shù)據(jù)的獲取。本文針對(duì)數(shù)傳接收機(jī)錯(cuò)鎖問(wèn)題，分析其原因，提出改進(jìn)措施，可進(jìn)一步提高統(tǒng)一測(cè)控系統(tǒng)數(shù)傳模式工作的可靠性，降低數(shù)傳接收機(jī)的錯(cuò)鎖概率，提高設(shè)備測(cè)控工作的成功率。

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