一種QPSK載波恢復環防錯鎖優化方法

朱云鵬

(中國人民解放軍駐北京地區軍事代表室，北京100191)

0 引言

現代數字調制技術無論是在民用通信還是軍事通信中都起著舉足輕重的作用。其中，正交相移鍵控調制信號(QPSK)因其具有抗干擾能力強、頻譜利用率高以及實現復雜度小等優點而在軍事通信中得到了廣泛的應用。

為了以較低的復雜度獲得較好的接收性能，QPSK信號接收機通常采用鎖相環技術來實現載頻的捕獲、跟蹤和相干解調。

相干解調中要求收發兩端的載波嚴格同頻同相，但當載波跟蹤環錯鎖后，會造成后端信號相關解調的失效，相應地，正確的調制信息就無法通過解調得到。因此，在QPSK的鎖相接收系統中，必須采用有效的防錯鎖措施，確保鎖相載波跟蹤環能自動地正確鎖定在所接收到的信號上。

1 產生錯鎖的原因分析

如圖1所示，QPSK相干解調器所采用的載波恢復環路均為Costas環路。

圖1 QPSK解調器中的Costas環

圖中，環路的輸入為QPSK信號，取其正交展開式:

式中，ak、bk是2路基帶數字信號，取值為±1;ωc為載波角頻率。經過環路后，最后一個鑒相器PD5的輸出為:

一般可寫成下述形式:

圖2 鑒相器鑒相特性

Kd稱為鑒相靈敏度，ud(t)是基帶處理器的輸出，正比于恢復載波和已調QPSK載波的相位誤差θ。圖2給出了其波形，圖中，在(－π，π)內每隔π/2有一個穩定點，即鑒相曲線為正斜率，輸出電壓ud(t)趨向于零的點。在這些點，環路的輸入載波可趨于鎖定。在θ不等于零的點，會引起QPSK解調輸出數據的錯誤。在(－π，π)內具有4個穩定的鎖定點，稱為四重相位模糊度。

圖3 QPSK數字Costas環(松尾環)

圖4 載波恢復環路主要特性

圖3是采用數字信號基帶處理的Costas環，其基帶處理器輸出波形見圖4(a)，為矩形鑒相特性。環路中鎖相環的典型“頻率-電壓”傳輸特性如圖4(b)所示。當環路輸入信號頻率由低向高變化時，開始環路對輸入信號不響應，直到f=f1時，環路鎖定于該頻率上，引起環路誤差電壓負的跳躍。接著環路誤差電壓ud以VCO的Kv的倒數(1/Kv)的斜率隨頻率改變，在這期間VCO的頻率一直跟蹤輸入載頻頻率，直至f=f2時，環路失鎖，誤差電壓降為0。這時再由高向低改變頻率，在f=f3處又重新入鎖，到f=f4又失鎖。把f1～f3這段頻率范圍稱為捕捉帶，它表示環路由失鎖到鎖定的頻率范圍;把f2～f4稱為同步帶，它表示環路由鎖定到失鎖的頻率范圍。

同步帶總是大于捕捉帶，因為環路在鎖定后，環路濾波器輸出的直流電壓是由其中的電容所維持，頻差增大該電壓也逐漸增大。當頻率偏移，雖然超過了捕捉帶，但直流電壓仍能維持一段時間，直至頻差很大，產生了幅度較大的差頻信號，其幅度大于直流電壓值時，環路才失鎖。

由上述分析可知，NCO進入捕捉帶可以正常捕獲載波頻率，進入鎖定狀態。然而從圖2和圖4(a)中可以看出，當NCO的初始頻率設定在的整數倍，即為、－、π、等值時，其鑒相特性也會進入極小值點，則其相位會穩定在此相位附近。在鎖相環中信噪比較低時，載波環中的NCO輸出的頻率是隨機的，當NCO的初始中心頻率與信號中心頻率的偏差正好等于符號速率的1/4的整數倍時，即:

鎖相環以符號周期工作，接收信號的載波頻率為fc，則鑒相器前后采樣點的相位差為:

鑒相器輸出的相位誤差正好在極小值點，鑒相誤差使鎖相環鎖定在這個極小值點上，鎖相環就會穩定地鎖定在錯誤的頻率上，導致出現錯誤現象。

2 防錯鎖的優化設計

2.1 防錯鎖的常用方法

從總的設計思路講，防錯鎖采用數字處理方式最簡潔且首選方法是頻域處理法，即對輸入的數字信號，經FFT變換后在頻域內做防錯鎖的各項工作。

頻域變換法可分為2種思路:① 寬帶防錯鎖;②頻率掃描。這2種方案的選擇受限于信號輸入的帶寬。隨著全數字化中頻接收機的實現，接收機信號的處理帶寬將遠大于多普勒頻率的變化范圍。

對于寬帶防錯鎖，采用FFT變換可求解防錯鎖。接收機處理帶寬的設計略大于待解調信號的帶寬。該方法的優點是處理速度快，只需經幾次FFT運算(對應每一次的錯頻譜搬移)，經簡單的比對處理即可求解出載波頻率;將求解出的載頻正確值置入載波環路中，從而達到防錯鎖的目的。但缺點是錯鎖概率大，不能很好地解決影響防錯鎖性能的因素。但該方法提供了解決防錯鎖問題的基本思路。

頻率掃描防錯鎖是在第1種思路基礎上的一種改進型。掃頻防錯鎖法是對信號帶寬內的整個頻譜進行全面分析，然后根據所設置的防錯鎖判決準則進行錯鎖判斷。該方法中主要是采用直接數字合成(DDS)完成對所接收到的信號的整個信息帶寬的掃描，從而實現鎖相載波環防錯鎖所必需的頻譜分析。該方法的優點是錯鎖出現的概率較低，且可以改善信號系統的其他指標;缺點是系統捕獲時間較長，設計較為復雜，要求硬件平臺的性能要高。

這2種方法雖然可以使得錯鎖概率有效降低，但由于其系統捕獲時間長、設計復雜，同時對硬件要求較高，不利于工程實踐中的廣泛應用，特別是當系統捕獲時間是一項很重要的技術指標時，更難以滿足高實時性的需求。

2.2 防錯鎖方法的改進措施

這里是針對某實際工程項目中QPSK信號的鎖相接收系統中曾出現的載波捕獲錯鎖的問題，研究了相應的防錯鎖方法，下面將主要介紹分析和解決該問題的過程。

由于該系統中采用的是數字相干正交解調方式。當QPSK解調器出現錯鎖問題時，工程技術人員通過對鎖相環路的仔細分析，發現:只有當設定中心頻率與信號中心頻率的偏差正好等于符號速率1/4倍符號速率的整數倍時，鎖相環就會穩定地鎖定在錯誤的頻率上，導致出現錯誤現象。

首先采取的檢測錯鎖措施如下:將這個可疑頻點暫定為載波信號，利用系統監控的預置調制頻率等信息在頻譜上做分析，運用輸入參量求證載波錯鎖現象的復現。將可疑頻點送入載波的跟蹤鎖相環，進行疑點頻率的跟蹤處理，同時對已知邊帶信號進行相干正交解調，解調后正交信號做幅度檢波，發現該可疑頻點確實為造成錯鎖的主要原因。因此，如何在鎖相環路的輸入中將該可疑點頻刪除，或防止其進入載波捕獲的支路，成為該QPSK接收系統中必須要解決的主要問題。

基于上述對載波捕獲錯鎖原因的分析，提出了如下幾點防錯鎖方法的改進措施。

(1)對數字鎖相環載波頻率增加限制條件

即當數控振蕩器(NCO)的輸出頻率fo的絕對值大于符號速率 Rs的5%時，強制將 fo設定為 fo=±0.05Rs，保證NCO的輸出頻率在限定的范圍內，無法輸出導致錯鎖的頻率。這樣，通過增加限制條件的約束方法，相當于刪除或濾除了造成錯鎖的可疑頻點。

(2)優化相位跟蹤和頻率跟蹤的工作流程

①為了避免相位跟蹤對頻率跟蹤的影響(可能會導致頻率跟蹤不收斂)，在頻率未同步時，將相位支路從環路中斷開，或讓相位偏差檢測器輸出強制為0;

②在頻率同步以后(即頻率鎖定檢測指示器為“1”)，連通相位支路，允許環路進行相位跟蹤;

③相位跟蹤階段，頻率支路既可以斷開，也可以保持連通，可以通過工作模式設置;

④相位同步后，需要斷開頻率支路;需要使用頻率鎖定檢測指示器和相位鎖定檢測指示器來判斷環路是否己經鎖定。

3 仿真試驗與性能分析

3.1 仿真試驗

試驗條件:采用信號源Agilent E4438C作為仿真信號輸入，設置信號參數為:調制樣式QPSK，符號速率Rs=2 048 ksps，射頻頻率 fc=2 690.512 MHz。在QPSK接收機監控軟件上設置解調頻率=2 690 MHz，即人為地將信號源的射頻頻率和接收機接收頻率相差512 kHz(即Rs/4)，此時解調器已經穩定地鎖定在虛假的頻率點上，解出的碼流與原始比特流不能完全對應，如圖5所示。

圖5 可能產生的錯鎖點

對載波環路中增加了NCO的輸出頻率范圍的限制后，再次進行測試，如圖6所示。將NCO的初始頻率與實際載波頻率值的偏差分別設置為符號速率的1/4、1/2和本身時分別進行測試，NCO都會被強制拉回載波頻率附近，解決了載波恢復環路進入其他錯誤極小值點的問題。

圖6 改進后避免進入錯鎖點曲線

3.2 性能分析

該系統中通過采用對數字鎖相環載波頻率增加限制條件和優化相位跟蹤及頻率跟蹤的工作流程，確保了數字鎖相環路從接收的數字中頻信號中提取出正確的相干載波信號。該防錯鎖優化方法在可靠性、抗擾度和經濟性等方面都有效地提升了QPSK信號解調器的性能。

4 結束語

相干解調中載波環路的設計將直接影響解調器的性能。由于環路噪聲的存在，鑒相器初始頻率的隨機性會影響鑒相器進入錯誤的極小值點，導致鎖相環發生錯誤鎖定，不能完成載波頻率的正常恢復。通過對載波恢復環路鑒相特性的分析優化工作流程設計，并對數字鎖相環載波頻率增加限制條件，彌補了解調器載波恢復環路的設計缺陷。通過仿真試驗和工程測試，驗證了該防錯鎖優化方法的有效性和可行性。

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