一种高动态USB应答机的设计与实现
2008-12-17
作者：刘 亮， 李署坚， 邵定蓉
摘 要：为了同时满足高动态USB应答机" title="应答机">应答机动态性能和跟踪精度两方面的需求，提出了一种FFT频率引导、FLL辅助PLL的载波捕获跟踪方案，详细设计了环路滤波器" title="环路滤波器">环路滤波器的结构和参数，分析了环路带宽、载噪比对载波频率跟踪和载波相位跟踪性能的影响,并介绍了相关硬件结构。根据此方案研制的应答机，经动态模拟试验检验，其动态范围已达±120kHz，多普勒频移" title="多普勒频移">多普勒频移一次变化率32kHz/s，二次变化率200Hz/s2，初始捕获时间小于1s。
关键词：软件无线电； USB(统一S波段) 应答机； FLL+PLL； 环路滤波器
我国USB(统一S波段)测控体系采用线性调相频分多路体制，高动态环境下, 载体的机动范围和机动强度都很大，对精确提取测距信号提出了很高的要求。对相位敏感的连续调相信号（PM）实现更为困难，该信号的载波多普勒频移变化范围为±120kHz，一次变化率32kHz/s，二次变化率200Hz/s2，在没有惯导辅助的情况下, 通用载波锁相环很难可靠地工作。美国喷气动力实验室JPL（Jet Propulsion laboratory）
在高动态信号跟踪技术方面做了较深入的研究[1-2]，提出了最大似然估计算法(MLE)、扩展卡尔曼滤波算法(EKF)、叉积自动频率跟踪环算法、频率扩展卡尔曼滤波算法(FEKF)等。但基于这些算法的实现都具有较高的复杂性，如何在信噪比跟踪门限、频率估计误差和算法复杂性方面找到平衡点已经成为高动态接收机设计中的难点。
本文提出一种基于FPGA+DSP软件无线电技术的全数字、模块化的高动态USB应答机设计方案。其中，载波跟踪" title="载波跟踪">载波跟踪采用FLL辅助PLL的方式，该模式比单纯的FLL或PLL能更好地满足跟踪精度和动态性能的需求，并降低了硬件实现的难度。
1 应答机总体设计方案
图1给出了高动态环境下实现测距、测速、遥控、遥测功能的S波段USB应答机的组成框图，其核心部分采用FPGA+DSP芯片的全数字结构。该应答机主要由射频前端模块、中频信号处理模块" title="处理模块">处理模块和数管模块组成。①射频前端模块，采用英国的Novella上、下变频器，主要完成上行信号的宽带滤波，低噪放大，模拟下变频和自动增益控制，可有效地抑制多径干扰和带外干扰，将上行射频信号变换为信号处理模块所需的中频信号；同时对信号处理模块送来的下行中频信号进行滤波，模拟上变频，功率放大，并通过天线发射出去；②中频信号处理模块，主要完成上行信号载波捕获、跟踪、测距音提取、遥控信号解调以及遥测和测距信号的发射；③数管模块，用于信号处理模块与仿真计算机的数据交互，实现系统配置、遥控指令译码、遥控解密、遥测数据的组帧和数管任务的模拟仿真等功能。
下面对中频信号处理模块的原理和设计进行介绍，重点讨论为适应高动态环境而采用的几项关键技术。
2 中频信号处理模块设计
中频信号处理模块设计采用了全数字化处理技术，如图2所示。图中，FPGA采用Xilinx公司V4系列500万门的芯片XC4VSX55-11FF1148C，DSP采用TI公司高速具有浮点运算功能的TMS320C6713芯片。
应答机中频模块接收70MHz信号，经变换成为两路正交数字信号；为尽量减小频谱混叠,数字下变频采用正交复下变频，去除镜频，下变频至零中频基带信号(但还受多普勒频移调制)，数字下变频中的滤波器为有限冲击响应(FIR)滤波器，LPF1滤除数字下变频后的高频分量，LPF2截止带宽为5kHz，滤除载波调制的测距音和副载波信号，滤波后的输出用于载波捕获跟踪；异步FIFO用来提高FPGA和DSP两个异步器件的接口速率，保证每个中断传送更多数据；数字下变频中的NCO模块输出两路正交的本地载波信号，其频率受捕获模块和载波跟踪环路控制；载波同步后发射模块将提取的测距音与遥测副载波合成完成下行信号的发射。
整个应答机设计过程中，在高动态环境中实现载波的快速捕获和精密跟踪是其中的关键。本方案设计了由数字下变频、载波NCO、FFT捕获引导和FLL辅助PLL精密跟踪等几个模块组成的复合软环来适应高动态要求。
3 复合软环的载波跟踪技术
高动态环境下，采用传统PLL环跟踪的高动态接收机必须承受环路带宽与动态性能之间的折衷，即噪声引入跟踪误差随环路带宽降低而增加，较难同时满足跟踪精度与动态性能的要求。相比之下，非相干解调FLL则具有较好的动态性能，但跟踪精度比PLL低，二者存在一定的矛盾，实际设计中必须采用折衷的原则解决上述矛盾[3][6]。针对上述问题，本文提出了一种二阶FLL环辅助三阶PLL环的载波跟踪方法，其中FLL环鉴频算法采用一种四象限反正切叉积鉴频算法，整个环路由FPGA配合DSP软件编程完成。
3.1 四象限反正切叉积鉴频算法
常用的叉积鉴频算法有：符号叉积鉴频算法，反正切叉积鉴频算法。其中，符号叉积鉴频算法运算量比较小，且对符号模糊不敏感，但由于接收不同频率的信号其幅度可能不同，符号叉积鉴频算法无法消除它的影响。反正切鉴频算法消除了信号幅度和信息数据符号变化的影响，但鉴频范围仅有1/4T(T为积分时间)。高动态环境下，鉴频范围的大小是选择鉴频算法的一个重要依据。本文采用一种鉴频范围为1/2T的四象限反正切叉积鉴频算法，它在高低信噪比下性能均最佳，虽然其运算量较大，但随着集成电路的发展，选用高性能的数字器件完全可以满足要求。图3和图4分别给出了四象限反正切鉴频算法结构框图及其同符号叉积鉴频、反正切叉积鉴频曲线的比较。
根据图3叉积鉴频算法，可得单点叉积鉴频估计出频差的数学表达式为：
将频差估计
转化为频差控制量，以改变NCO的频率控制字，从而达到自动频率控制的目的。考虑到噪声对系统的影响，采取滑动窗取N点频差求平均的方法，在一定程度上改善了叉积鉴频的噪声性能，提高了后续解调质量。
3.2 FLL辅助PLL载波跟踪环路设计
理想的载波跟踪环是以FLL环结合较大带宽的环路滤波器跟踪动态变化，然后转入PLL环跟踪，在允许预期动态影响的前提下，尽量采用窄的滤波器噪声带宽以维持环路的跟踪状态，当动态增强时，转入FLL跟踪。参考文献[4]、[5]也对FLL+PLL环的跟踪方法做了相应的研究，但大都是通过检测鉴频器、鉴相器输出的频差和相差来设定相应的门限，从而进行两个环路的切换，且切换过程可能会导致相位不连续或应答机失锁。本文采用一种FLL环辅助PLL 环的载波跟踪方法，实现两个环路的自动切换，原理如图5所示。
FLL环对频率进行锁定，PLL环在 FLL环频率压缩的基础上对载波相位进行进一步的跟踪。由图5可以看出，鉴相算法后的PLL输入误差置为0时，环路变为纯FLL环。典型的环路闭合过程是以纯FLL的形式闭合，然后FLL辅助PLL环对来自两个鉴别器的误差输入信号同时加以作用，直到获得相位锁定，再转为纯PLL环，如果相位失锁，则自动返回FLL环辅助PLL环工作。图6、图7给出了FLL环辅助PLL环的工作过程。
初始，FFT模块捕获后，载波频差还比较大，频率尚未锁定，鉴相算法的输出经图5的滤波器积分后输出为零，此时FLL起主导作用。频率锁定后，鉴频器输出为零，锁相环占主导地位。从而避免了设置门限来判断FLL环向PLL环的转换，且该方法在转换过程中相位连续平滑。合理地设计环路滤波器的阶数和系数，选择合适的环路带宽即可满足动态范围与跟踪精度的要求[6]。
3.2.1 环路滤波器的设计
环路滤波器的功能是对鉴频、鉴相器输出的误差信号进行滤波，抑制噪声和高频分量，其对动态的响应主要由其阶数和环路带宽决定，适当地设计滤波器参数可提高环路对高动态环境的适应能力[7]。考虑到本系统无外界导航系统辅助，且存在32kHz/s的多普勒频移变化率，FLL环选择可以跟踪一定多普勒频移变化率的二阶环，PLL环选择对加速度应力不敏感的三阶环。图5给出了环路滤波器的设计框图。
锁频环环路滤波器传递函数的表达式为：
锁相环环路滤波器传递函数的表达式为：
3.2.2 环路带宽对跟踪性能的影响
环路带宽是决定高动态环境下载波跟踪性能最重要的因素，它一般根据频率和相位跟踪误差来决定[7]。 取积分时间T=1/1000，载体加加速度2g/s，在载噪比C/N0分别为35、45、55和65dB时，环路带宽对热噪声和动态误差的影响如图8～图13所示。
由仿真结果可以看出，FLL环和PLL环由热噪声引起的误差均随环路带宽的增加而增加，而由高阶动态引起的误差随环路带宽的增大而减小，且PLL环的动态应力性能比FLL环差。根据仿真结果，FLL环的环路带宽可选在3～8Hz之间，实际应用时采取变带宽策略，根据鉴频器的结果实时地调整环路带宽值来适应不同的动态。PLL环总的相位误差随环路带宽的增加而减小，但根据蒙特卡洛实验和工程实践验证，环路带宽≥18Hz时跟踪稳定性会变差，因此PLL环路带宽可选为18Hz。
FLL环可以跟踪多普勒频移变化率，PLL环可以精确跟踪载波相位。本文提出的FLL环辅助PLL环的方法能同时满足高动态性能和相位精度的需求，且环路自动转换，相位连续变化。根据此方案研制的应答机经某所地面基带设备验证，动态范围已达±120kHz，多普勒频移一次变化率为32kHz/s，二次变化率为200Hz/s2；高动态条件下，初始捕获时间＜1s，双向捕获时间＜2s，速度随机误差优于0.005m/s，测距时延随机抖动优于2ns，具有很好的实用性能。
参考文献
[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原理与应用. 北京：电子工业出版社，2002.
[4] 程乃平，任宇飞，吕金飞. 高动态扩频信号的载波跟踪技术研究. 电子学报，2003，(z1).
[5] 田明坤，邵定蓉.高动态GPS接收机的一种设计方案.遥测遥控，2002,23(3):15-20.
[6] 唐小妹. 高性能导航接收机中的载波恢复与载噪比估计研究. 长沙：国防科学技术大学硕士学位论文. 2005,12.
[7] 贾东升. 导航接收载波恢复技术研究. 长沙：国防科学技术大学硕士学位论文,2003,11.