高动态多进制扩频信号的载波跟踪技术研究

锁频环通常采用叉积 自动频率跟踪算 法 （ Ｐ Ｆ ） Ｃ Ａ Ｃ
了广泛应用。扩频通信 中最重要 的问题是对 载波和伪码 来实现对载波频率的跟踪 ， 其基本原理框 图如图 １ 所示 。
家和学者围绕 载波 的捕获和跟踪进行 了大量研究 ， 但多是 围绕低动态 、 低码率的信号展开 。
常用 的载 波跟 踪 方 法 主要 是 Ｃ ｓ ｓ环 和 锁 相 环 ｏｔ ａ
【 ｅ ｏｄ】ｈ ｈｄｎｍｃ Ｍ—ｒ ｓｒ ｄｓｅｔ ｍ； ａ ｉ ａｋｎ； Ｌ ； Ｌ Ｋ ｙｗ ｒｓ ｉ ｙａ ｉ； ａ ｐ ａ ｐｃ ｕ ｃｒｅ ｔ ｃｉ Ｆ Ｌ Ｐ Ｌ ｇ ｙ ｅ ｒ ｒ ｒｒ ｇ
由于扩谱技术具有很强抗 的干扰 、 低截获概率性等优 １１ 锁 频 环 ．
点 ， 因而其在军用通信 、 武器制导 系统等军事 领域得 到 的捕获与跟踪 。在高动态环境 中， 由于载体机动引起 的多 普勒频偏对载波 的捕获和跟踪带来 了许多问题 ， 国内外专
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【 本文献信息】黄烈超 ， 张天骐， 谭方青， ． 等 高动态多进制扩频信号的载波跟踪技术研究［］ 电视技术， １ ， （ ） Ｊ． ２ ２３ ３ ０ ６
高动态多进制扩频信号的载波跟踪技术研究
黄 烈超 ， 张天骐 ， 谭方青 ， 余 熙
（ 重庆邮电大学 信 号与信息处理重庆市重点 实验室， 重庆 ４０ ６ ） ００ ５
【 要】针对高动态环境下多进制扩频信号的载波同步问题 ， 摘 在分析锁相环（ Ｉ ） ＰＪ 和锁频环（ Ｌ ） Ｌ Ｆ Ｌ 环路各 自 优点的基础上， 研 究 了采用锁 频环 和锁相环相 结合的方 式进行 载波信号跟 踪。利用 Ｆ Ｌ动 态适应 能力较 强和 ＰＬ具有 较好 跟踪精 度 的特 点， Ｌ Ｌ 实
Ｃ
一
１
８
Ｔ
式 中： Ｔ为采样周期 ； 为载波频率 ； 为载波初始相位 ；
（ Ｔ 为 时 刻本 地 载 波 的估 计 相 位 。令 （ Ｔ ＝ ｋ） ｋ）
．
４＋４ Ｔ＋（
）
（４ １）
（Ｔ 一 （ Ｔ 是 时刻本地载波和输入信号的误差相 ｋ ） ｋ）
）
Ｃ 使 跟踪输人载波 ， 当 （ Ｔ 一 ０时 ， ｋ） 认为 ・ ｌ ＇ 时，ｉ 订 《了 ｒ ｒ ｓ ｅ（ × 去控制 Ｎ Ｏ， ｎ 一 。由此误差控制量
叮 ）一 １，ｉ（ 一 Ｔ ｓ ￣ ｎ
１２ 锁相环 ．
来控制载波 Ｖ Ｏ调整频率产生 ， Ｃ 以达到跟踪 频率 的 目的。
为 了便于分析 ， 不考虑 噪声 的影响 ， 假Fra Baidu bibliotek输 入信号是
幅度为 １的中频载波信号 ， Ａ Ｄ采样后为 经 ／
５ｋ ）＝ｅｓ ｗ Ｔ＋ ｌｋ ） （ｒ ｏ（ ｋ （ Ｔ ） ，ｋ ）＝Ｃ Ｓ （Ｔ Ｏ（ ＋ （Ｔ ） ２ｋ ） （） ６ （） ７ （） ８
图 ３ 理 想二 阶 数 字环 路滤 波器 的基本 原 理 框 图
Ｖ １＝ｓｋ ）・ （Ｔ ＝ （ Ｔ ，ｋ ）
去
ｏ
（５ １）
位。
式 中： ∞ 为环路 固有振荡频率 ， 通常在设计时用滤波器 的
ＣＳ Ｏ（
—
＋ ｌｋ ） ｃ ｓ∞ ＋ （ Ｔ ）＝ （ Ｔ ）・ ｏ（ ２ ｋ ）
噪声带宽 曰 来取代 ， ＝ （ ）； Ｂ １＋ Ｔ为相干积
［ｏ（ ￣ Ｔ＋ ｌｋ ）＋ （ Ｔ ）＋ ｃｓ２ ｋ （ Ｔ ２ｋ ） ｏ （） ９
分时间 ； 为阻尼 因子 ， 常取经验值 ＝０ ７７； ｄ， ０ ．０ Ｋ Ｋ 分
别为鉴别器 和压控振荡器的增益 。
ｅ ｓｑ （ Ｔ ） ｏ（￣ ｋ ） ］ 。
＝Ｓｋ ）・ （ Ｔ （Ｔ ｐ ｋ ）＝
（Ｌ） ， Ｐ Ｌ 前者也是锁相环 的一种 。Ｐ Ｌ直接跟踪载 波相 Ｌ
位， 具有 良好 的相位跟踪精度 和抗 噪声 能力 ， 但是在 高动
态 的情 况下 ， 由于多普勒频 移的影响较 大 ，Ｌ Ｐ Ｌ的跟 踪精
图 １ ｃ ＡＦ 基 本 原 理 图 Ｐ Ｃ
度将会降低 ， 只能通过增加 环路带宽来应对。而环路带宽
ＨＵ ＡＮＧ Ｌ ｅ ｈ ｏ，Ｚ ｉｅ ａ ＨＡＮＧ Ｔｉｎ ｉ ＡＮ ａ ｇ ｉｇ，ＹＵ ａ ｑ ，Ｔ Ｆ ｎ ｑｎ ｘｉ
（ ｈｎｑ ｇＫｙＬｂｒ ｏ ｎｌ ｎ ｆｒ ａｏ ｒ ｅ ｉ ， ｈｎｑ ｇＵ ｉ ｒｔ ｏ ｓ ｎ ｅ ｃ ｍ ｎ ａ ｏｓ Ｃ ｏｇ ｉ ０６ ， ｈ ａ Ｃ ｏ ｉ ｅ ｏ ｔ ｙ ｆ ￣ ｄ ｎ ｍ ｔｎＰｏ ｓｎ Ｃ ｏｇ ｉ ｎ ｅ ｉ Ｐ ｔａ Ｔ ｅ ｍ ｕ ｉ ｔ ｎ ， ｈｎｑ ｇ ００ ５ Ｃ ｉ ） ｇｎ ａ ａ ｒｏｓ ａ ａ Ｉ ｏ ｉ ｃｓ ｇ ｎ ｖ ｓｙ ｏ ｓ ｄ ｌ ｏ ｆ ｃｉ ｎ４ ｎ
现 动态信号 的快速 、 精确跟 踪。理论分析 和仿真结果表 明， 该方 法具有 良好 的跟 踪效果。
【 关键词 】高 动态 ； 制扩频 ； 多进 载波跟踪 ； 频环 ； 相环 锁 锁
Ｓｔ ｄｙ ｏ ｒ ｉｒ Ｔｒ ｃ ｉ ｇ ｆ ｒ Ｈｉ ｈ ｎ ｍｉ － ｙ Ｓ ｅ ｄ Ｓ ｃ ｒ ｍ ｉ ｎａ ｓ ｕ ｆ Ｃａ ｒ ｅ ａ ｋ ｎ ｏ ｇ Ｄｙ ａ ｃ Ｍ ａｒ ｐｒ ａ ｐｅ ｔ ｕ Ｓ ｇ ｌ
（） ５
＝￣ ｓ （ （Ｔ ） － ｎ ｋ ） ｌ
式 中： 假设 ｏ（ ）＝ｏ ｋ一 ）， Ｏ ｋ Ｄ ｋ １ ｋ （ １ 则 （ ） （ 一 ）＝１； 为 多普勒角频率残差 ， 且 ＝ （）一 （ 一１ ）； ＝ ×＋ ｔ 。， 连续采样相位变化为 一
的增大必然会 引起 噪声 的增加 ， 因此还会 影响跟踪 精度 。 锁频环 （ Ｌ ） Ｆ Ｌ 只是跟踪载波频率 ， 鉴频 器的输 出是载波频 率跟踪误差 ， 具有较 好 的动态性 。基 于 Ｐ Ｌ和 Ｆ Ｌ的优 Ｌ Ｌ
设输 中频信号经混频 ， 积分清除后得到 的信号为 ， ）一Ａ ｋ ｓ ｃ （ ）・Ｔ ］・ （ Ｄ（ ）ｉ ［ ｋ １ ｎ
图中 ｃ ， ， Ｃ 是滤波器两个重要的参数 ， 这两个参数是 由滤波器的噪声带宽、 时间周期和阻尼因子决定的， １ ） 式（４
本地载波振荡器产生 的同相支路 和正交支路分 别为
Ｑ（ Ｔ ｋ ）＝ｓ （ ｋ ２ｋ ） ｉ ｗ Ｔ＋ （ Ｔ ） ｎ
和式（５ 为 Ｃ ， １） １ ｃ 的计算公式 ， 详细推 导见文献［ ］ ７。
１ 锁 频环 和锁 相环 的数 学模 型及 基本
原 理
扩频通信 中载波的同步包括载波的捕获和跟踪 ， 载波
的捕获通 常 采用 ＦＴ 得粗 略 的载 波频 率 ， 利用 Ｆ ｒ获 再
Ｆ Ｌ和 Ｐ Ｌ实现 载波 的频率跟踪 和相位跟踪 。 Ｌ Ｌ
Ｃ Ａ Ｃ的误差控制 函数可以表示 为 ＰＦ
悲－
（１ １）
（２ １）
ｋ ）＝ｓｎ Ｄ ｔ ）・ ｒｓ（ ｇ （ ｏ（ ） Ｃ ｏｓ ）＝ ｓｎ Ｄ ｔ ）・ 后 Ｄ（ 一１ ｇ （ ｏ（ ） Ａ Ｄ（ ） ）・
÷ｃｓ （Ｔ ） ｏ（ ｋ ）
１
ｓ ｅ（ ｉ ｎ
×叮 ）Ｘｓ （ 一 一）＋ Ｔ ｉ １ （ ） ｒ ， ｎ
所 以误差信号 为
１
＝ × ＝ ｉ ２ ｋ） 寺ｓ （ ￣ Ｔ） ｎ ｑ（
（） １ ３
＝［ （ 一 式 中： ） 输出信 号与 ｓ （￣ （ Ｔ ）成正 比， ｉ ２ ｋ ） ｎ 经环 路滤波 后 ， 实现载波同步。
Ａ ｋ １］ Ｌ（ 一 ）Ｔ＝
； Ｉ 当
锁相环直接 跟踪 载波 的相位 ， 由于 Ｃ ｓ ｓ 对载 波 ｏｔ 环 ａ
２ 环路 滤 波器 （ Ｆ Ｌ）
环路滤 波器 在载 波 跟踪 环路 中有着 非 常重 要 的作 用， 不仅具有低通滤波作用 ， 更重要 的是对环路参 数调整 起着决定性作用 。文献 ［ ］ ６ 对各 种常用 的环路 滤 波器做
ｃ ｓ￣ ）＋ｒ（ ） ｏ（ （ ） ｔ ｋ ， （） １
Ｑ（ ） Ａ ｋ ｓ ｅ ａ （ ）・ ｋ Ｄ（ ）ｉ ［ｆ ｋ 盯 ］． ｎ
ｓ （ ｋ ）＋ｎ （ ） ｉ （ ） ｎ ｏ ｋ （） ２
点 以及高动态环境 中的多进制扩频信号 的特性 ， 笔者提 出
了 Ｆ Ｌ和 Ｐ Ｌ相结合 的载波 跟踪方 案 ， Ｌ Ｌ 建立 了基 于 Ｆ Ｌ 式 中： ｋ 为数据位 ； 厂 Ｌ Ｄ（ ） △（ ）为输入 载波信 号 与本 地载 和 Ｐ Ｌ的多进 制扩频 系统 的载波跟 踪数学 模型 ， 后利 波信号的频偏 ； Ｌ 最 Ｔ预检积分时间 ；ｔ 七 ｎ （） ｆ（）， Ｑ七 分别为 同 Ｉ 用 Ｍ ｔｂ对整体环路进行仿真 ， ａａ ｌ 分析环路 的跟踪性 能。
相和正交支路的噪声 。 两路 正 交 信 号 的 点 积 Ｄ ｔｋ ｏ（ ）和叉 积 Ｃ ｏｓ ｒｓ（ ）分
别为 Ｄｔ ｏ（ ）＝， 一１， （ ）（ ）＋Ｑ ｋ一１ Ｑ ｋ （ ） （） Ｃｏｓ ｒｓ（ ）＝， 一１ Ｑ ｋ （ ） （ ）一， 后 Ｑ ｋ一１ （） （ ） （） ３ （） ４
Ｆｌｌ ｅ ｔ ｏ ｆｃ ｒｉｒｔａ ｋｎ ｏ ｉ ｉｇＦＬ ｔ Ｌ ｓｐｅ ｅ ｔｄ ｉ ｈｓｐ ｐ ｒ Ｔ ｅ ｄ ｎ ｍｉｓｏ ｈ ｉｎ ｌｃ ｎ ｂ ｅ ｖ ｄ ｂ Ｌ．ｎ ｈ Ｊ．ａｎ ｗ ｍｅｈ ｄ ｏ ａ ｒｅ ｒｃ ｉｇ ｃ ｍｂｎｎ Ｌ ｗｉｈ Ｐ Ｌ ｉ ｒｓｎ ｅ ｎ ｔｉ ａ ｅ． ｈ ｙ ａ ｃ ｆｔｅ ｓｇ ａ ａ ｅｒｍｏ ｅ ｙＦＬ ａ ｄ ｔｅ Ｊ ｐ ａｅ ｃ ｎ ｂ ｒｃ ｅ ｒ ｃｓ ｌ ｙＰＬ Ｔｈ ｏｙ ａ ａｙ ｉ ｎ ｉ ｌｔｏ ｅｕ ｔ ｈ ｗ ｈ ｔｔ ｓｍｅｈ ｄｈａ ｈ ａ ｏａ ｌ ｆｅ ｔ ｈ ｓ ａ ｅ ｔａ ｋ ｄ ｐ ｅ ｉｅｙ ｂ Ｌ． ｅ ｒ ｎ ｌｓｓａ ｄｓｍｕａｉｎ ｒｓ ｌｓｓ ｏ ｔａ ｈｉ ｔｏ ｓｔｅ ｆｖ ｒｂｅ ｅｆｃ．
１ ４ 《 视 术 第３卷第 期 总 ７期 稿网 ｔ： ｗ ． ｅＥ ａ １ 电 技 》 ６ ３ （ 第３ ｊ ８ Ｉ 投 址ｈ ／ ｗ ｉｏ． ｔ／ Ｖ ｐｗ ｄ ｃ
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＝
调制数据不 敏感而在扩频接 收机 中得到广泛应用 ， 其原理
框 图如图 ２所示 。
了详细介绍 。根据锁频环和锁相 环原理部分 的分 析和高
广 ’ 臣
Ｌ ］
—
动态环境的特点 ， 本文采用理想 二 阶数字 滤波器 ， 其原理 框 图如 图 ３ 所示 。
占 母 中
图 ２ Ｃ ｓ ｓ 基本 原理 图 ｏａ 环 ｔ
３ 多进制扩频系统载波跟踪方案
对 于多进制扩 频 系统 ， 在高 动态环 境下 由于加 速度
引起的多普勒 频偏 变化 ， 在初 始捕 获 时无法 仅通 过 ＦＴ Ｆ ｒ
【 ｂｔ ｃ】 ｏ ｔ ｕｓｏ ｒｅ ｎｈ ｎ ａｏ ｉ － ）ａ ｉ Ｍ ａｙ ｐｅｄｓｅｔ ｉ ａ ， ａｅ ｎ ｎｌｉｇ ｈ ｄａｔ ｅ ｆ Ｌ ｎ Ａ ｓ ａｔ Ｆｒｈ ｑｅｉ ｏ ｃ ｒｒ ｙｃｒ ｉ ｔｎｏ ｈ ｈ ｄｎｍｃ —ｒ ｓｒ ｐｅ ｒ ｅ ｔｎ ｆ ａ ｉ ｓ ｏ ｚ ｉ ｆ ｇ ａ ｍｍｓ ｎｌ ｂｓｄｏ ａ ｚ ｅａｖｎ ｇｓ Ｌａｄ ｇ ｓ ａ ｙｎ ｔ ａ ｏＰ