高動態環境載波跟蹤環路的設計

吳毅杰 李帆

【摘要】 為了滿足高動態環境下對測軌定位的需求，對數字中頻接收機載波同步跟蹤關鍵技術進行了研究。針對高動態環境下載波同步需要解決的捕獲帶寬、捕獲速度與跟蹤精度的矛盾，綜合利用了傳統數字鎖頻環路和數字鎖相環路 的優點，設計了一種適合高動態環境下數字中頻接收機的鎖頻聯合鎖相環工作的環路方案。仿真和測試結果表明：改進算法解決了環路跟蹤精度和動態性能不能兼顧的矛盾，信號跟蹤環路能在高動態環境中實現對信號的穩定跟蹤。

【關鍵詞】 高動態 中頻接收機 載波跟蹤環 鎖頻環 鎖相環

一、引言

本文對高動態環境下中頻接收機的載波跟蹤算法進行研究，通過對載波跟蹤環路的設計、仿真與測試，充分利用二階數字鎖頻環路和三階數字鎖相環路的優點，形成一種鎖頻鎖相環聯合工作的方法[1]，解決較大的載波捕獲帶寬、捕獲速度和較高的跟蹤精度之間的矛盾，建立了適合在高動態環境下進行載波跟蹤算法模型。

二、三階鎖相跟蹤環路設計

2.1模擬三階鎖相環環路結構

模擬鎖相環結構[2]原理框圖如圖1：

2.2數字三階鎖相環環路結構

三階鎖相環環路濾波器離散表達形式[3]：

式中的T為環路濾波器的更新間隔。

四、高動態環境下二階FLL輔助三階PLL載波跟蹤環路設計

高動態環境下，鎖頻環輔助鎖相環[4][5]是一種較為合理的載波環設計方案，將鎖頻環和鎖相環結合使用可以充分發揮各自的優勢；當數字中頻接收機剛開始工作時，載波頻偏有可能處于一個較大的偏差之上，此時采用FLL 實現頻率跟蹤，PLL 貢獻比較少，當頻率被牽引到一定范圍內時，此時PLL 開始工作，實現相位的精細同步。當動態增強時，由FLL 實現頻率跟蹤牽引，實現動態性的變化，環路自動實現PLL 和FLL 跟蹤方式的配合跟蹤。

4.1 載波跟蹤環切換策略

在載波環工作過程中，依據頻差和相差的大小可以區分出以下三種情況：頻差較大；頻差較小且相差較大；頻差較小且相差較小。因此，鎖頻環與鎖相環之間的切換策略以頻率和相位的判決量作為依據[6]。

設置頻率判決表達式為

為了模擬多普勒效應對載波跟蹤環的影響，仿真中設定環路的輸入載噪比為40（dB·Hz），在輸入載波環的中頻信號上分別疊加模擬的頻率階躍信號、頻率斜升信號和頻率二次曲線信號；各仿真條件下疊加在中頻信號上的模擬信號如表1所示。以動態最高的仿真條件4為例，在300ms處輸入信號和本地復現載波之間開始疊加模擬信號，該條件對應的載波環跟蹤結果如圖8所示。

由圖8（a）可知，環路開始工作時頻率判決量低于門限，載波環以純鎖頻環形式工作；在大約380ms處，頻率判決量高于門限且相位判決量低于門限，載波環開始以鎖頻環輔助鎖相環形式工作；650ms后，頻率判決量和相位判決量均高于其門限，載波環開始以純鎖相環形式工作。由圖8（b）可知，載波環能穩定跟蹤第4組仿真條件下的高動態信號，經數據分析得到穩定跟蹤后載波相位的均方誤差為2.97°。

五、結束語

載波跟蹤環路的設計與實現是高動態環境下中頻接收機能否成功研制的關鍵因素之一。本文對高動態環境下中頻接收機的載波跟蹤算法進行了研究，最終形成了跟蹤算法模型并對載波跟蹤環路的性能進行了仿真測試。結果表明：載波跟蹤環的設計能夠在高動態環境下實現對信號的穩定跟蹤。

參 考 文 獻

[1]王蘭芳，吳長奇，高秀英.基于 FLL 與 PLL 級聯的高動態載波跟蹤技術[J].電子測量技術.2009，35（4）：61-64

[2]張厥盛，鄭繼禹，萬心平.鎖相技術[M].西安：西安電子科技大學出版社，1994.

[3]王光鼎，游福初，房建成.基于 FLL 與 PLL 級聯的高動態載波跟蹤技術[J].戰術導彈技術.2012，3（5）：01-07.

[4]魯郁. GPS全球定位接收機——原理與軟件實現[M]. 北京： 電子工業出版社， 2009.

[5]P. W. Ward. Performance Comparisons Between FLL， PLL and a Novel FLL-Assisted-PLL Carrier Tracking Loop Under RF Interference Conditions[J]. Proceedings of the 11th International Technical Meeting of the Satellite Division of the Institute of Navigation， Nashville， 1998： 783-795.

[6]馮曉明， 廉保旺， 何偉. 一種改進的高動態GPS載波組合跟蹤環路算法[J]. 現代電子技術， 2012， 35（5）： 39-42..