低誤碼率鎖相解調器的設計和驗證

張學斌， 劉 輝， 郭 琴， 陳春芳

(1. 海軍駐上海地區航天系統軍事代表室， 上海 201109； 2. 上海無線電設備研究所, 上海 200090)

0 引言

鎖相接收機廣泛應用于通信、雷達、航天、航海、測量、儀表、計算機、激光、原子能、電視、立體聲、馬達控制以及工業和地址等技術領域中[1]。采用鎖相接收機進行指令信息解調,具有靈敏度高、跟蹤性能好、能從噪聲信號中提取出微弱指令信息等一系列優點。在解調器產品設計和研制過程中，為提高鎖相解調器對信號的截獲能力，通常采用寬帶鎖相接收機，但寬帶引入的噪聲使接收機的信息解調誤碼率偏高。采用窄帶鎖相接收機，又不能滿足解調器對截獲能力的需求。為解決這一問題，本文根據鎖相接收機原理，優選了鎖相解調器的中頻放大電路、鑒相器，并在現有環路濾波的基礎上，增加窄帶環路濾波通道，應用寬、窄帶濾波切換技術，在原有性能不變的基礎上降低了解調誤碼率，通過了仿真和試驗驗證。

1 鎖相解調原理

鎖相解調器本質上是一個采用移頻混頻鎖相體制的超外差接收機[2]，由混頻器、鑒相器、環路濾波器、射頻本振、信息解調組成，其原理框圖如圖1所示。

鎖相解調器的工作過程可以分捕捉和解調兩個階段。

在鎖相接收機的捕捉階段，主要完成天線輸入信號頻率的捕捉。具體過程如下：鎖相解調器通過天線接收射頻信號，經過混頻和中頻放大，再與中頻參考信號進行比相，比相輸出信號經過環路濾波器、射頻本振和混頻器閉合成鎖相環路。當外部天線信號在該移頻混頻鎖相環捕捉帶寬范圍時，進入鎖相環的入鎖過程，直至環路鎖定。鎖相解調器鎖定后，從鑒相器輸出信號節點分出環路誤差信號進行信息檢測，完成信息解調功能。

鎖相解調器依靠鎖相環路的捕捉能力搜索、截獲和鎖定天線接收的射頻信號。環路帶寬是鎖相解調器設計的關鍵，太窄將影響鎖相解調器的接收功能；太寬將引入大量的噪聲，使解碼誤碼的發生概率大幅度提高。本文在鎖相解調器設計的基礎上，進行環路參數的計算，應用寬、窄帶雙環路濾波自動切換技術，實現鎖相解調器的低誤碼、寬帶截獲的設計。

2 解調器設計

如圖1，鎖相解調器主要由鑒相器，射頻本振和低通濾波器組成的基本環路完成鎖相功能，由混頻器、中頻放大實現移頻，滿足系統動態的需求。

2.1 中頻放大設計

在鎖相解調器中，中頻放大電路對混頻輸出信號進行放大，保證環路鑒相器工作在最佳狀態。中頻放大電路必須確保解調器在最小信號輸入和最大信號輸入時，解調器的鑒相器都能夠正常工作。常見的中頻放大器有自動增益控制電路和對數放大電路。

為降低鎖相解調器的誤碼概率，采用放大限幅電路，將輸入信號飽和放大，采用零值比較器整形成TTL方波信號，可作為異或門輸入。限幅器是一個非線性器件，對信號中的幅度噪聲具有較強的抗干擾能力。當信號受到幅度噪聲干擾，只要噪聲幅度小于信號單峰值，就不會影響中放限幅的信號輸出，具有較好的抗噪聲能力。

2.2 鑒相器設計

目前主要使用四種鑒相器：線性乘法器(也叫四象限乘法器)、門電路(如異或門)、邊沿觸發器(如JK觸發器)以及鑒頻/鑒相器(PFD)[3]。為降低靈敏度附近的干擾噪聲，鎖相解調器選用異或門鑒相器進行比相，在器件上選用異或門74LS86。

異或門鑒相器以兩個TTL周期脈沖信號作為比相輸入，當兩個輸入信號存在相位差Δθ時，輸出端F的波形的占空比與Δθ有關。不同的相位差Δθ，有不同的鑒相輸出電壓直流分量Ud，其相互關系可用圖2來描述。

從圖2中可知，兩者呈簡單線形關系：Ud=KdΔθ，Kd為鑒相靈敏度。 根據實際電路測試結果，本文鑒相器靈敏度Kd取0.56 V/rad。

2.3 射頻本振設計

射頻本振是鎖相解調器所使用的微波源，在鎖相環路中起著壓控振蕩器的作用。射頻本振振蕩瞬時角頻率ω0可以表示為

ω0(t)=ωom(t)+Ko×UF(t)

式中：ωom為射頻本振基準振蕩頻率；Ko為射頻本振控制特性曲線的斜率，或稱壓控靈敏度；UF為射頻本振控制電壓輸出。

射頻本振控制特性曲線的斜率可以由寬帶調諧電壓掃描試驗獲取，通過記錄電壓和輸出頻率，繪制出頻率—電壓變化曲線。根據實際電路測試結果，本文壓控斜率Ko取0.75 MHz/V。

2.4 寬、窄帶環路濾波器設計

寬、窄通道所使用的環路濾波器為無源比例積分濾波器，如圖3所示。

其傳遞函數為

其中：

τ1=(R1+R2)C1

τ2=R2C1

窄通道環路濾波器設計參數：R1=100 Ω，R2=10 Ω，C=9.5 μF。寬通道環路濾波設計參數：R1=12.1 kΩ，R2=220 Ω，C=0.01 μF。根據圖4所示電路圖建立MATLAB仿真模型[4]，進行幅頻特性和相頻特性進行仿真，結果如圖4所示。

圖4(a)中，寬通道濾波3 dB截止頻率在10 kHz附近，而窄通道3 dB截止頻率則小于10 Hz。窄通道濾波器在10 kHz附近的抑制能力比寬通道強45 dB左右。因此，窄帶濾波器在環路噪聲抑制能力上大大增強。

圖4(b)中，寬通道濾波對輸入信號相移曲線的變化從1 kHz左右開始，而窄通道濾波則從0.1 Hz開始就有相移。因此，窄通道濾波對環路相位裕量、捕捉能力有較大的影響，不適合作為鎖相環的捕捉環路濾波。

2.5 帶寬切換設計

帶寬切換的鎖相解調器原理如圖5所示[5]。

鑒相器輸出的環路誤差信息被分為三路，分別進入寬帶環路濾波、窄帶環路濾波和信息解調電路。信息解調電路對環路誤差信息進行解調，解調成功后送出開關控制信號和信息；寬帶環路濾波輸出接入開關，加電默認接通寬帶環路濾波；窄帶環路濾波輸出也接入選擇開關，初始上電并不接入鎖相環路，由信息解調成功后，送出開關控制信號，切換鎖相解調器的環路濾波器，進入窄帶工作模式。

3 鎖相解調特性仿真

鎖相解調器的解調特性取決于鎖相環的誤差傳遞函數。根據上述鑒相器、VCO、寬窄通道濾波等環路參數，在MATLAB中建立鎖相環路仿真模型，誤差傳遞函數的仿真結果如圖6所示。

圖6(a)中，窄通道鎖相環路傳遞函數的幅頻特性與高通濾波基本一致，3 dB截止頻率在1 kHz左右；只要解調信息，大于10 kHz，鎖相環路的誤差輸出的幅度沒有任何衰減。而寬通道鎖相環路則對1 MHz以下的信號均存在不同程度的衰減。調制信息中1 MHz以下的頻率分量均受到不同程度的損耗，從而在一定概率上影響鎖相解調性能。

圖6(b)中，窄通道鎖相環路對大于100 kHz信號，其誤差傳遞函數在相位上趨近于0。而寬通道鎖相環路為了保證其捕捉性能，在1 kHz～1 MHz范圍內，其誤差傳遞函數的相位隨頻率變化。當解調信號存在復雜頻率成分時，該傳遞函數相位的變化將在一定概率上影響鎖相解調性能。

因此，在寬帶完成環路捕捉后，切換到窄帶進行信息解調，將大大抑制寬帶噪聲，降低寬帶鎖相環環路對信息解調的影響，從而降低誤碼率。

4 試驗驗證

為驗證設計正確性，進行以下三個狀態的試驗：

a) 狀態1，僅采用寬通道濾波器的鎖相解調器；

b) 狀態2，僅采用窄通道濾波器的鎖相解調器；

c) 狀態3，采用寬、窄通道濾波器自動切換的鎖相解調器。

試驗結果如表1所示。

表1 信息解調性能對比試驗結果

結果表明僅采用寬通道濾波的試驗狀態，其誤碼概率較高；僅采用窄通道濾波的試驗狀態，其鎖相環路不能截獲；寬窄通道濾波自動切換的試驗狀態具有較低的誤碼率，同時保持了寬通道濾波的截獲性能。

5 結束語

本文從鎖相解調器誤碼率偏高的實際問題出發，設計了低誤碼鎖相解調器。通過恰當選擇鎖相解調器的中頻放大電路、鑒相器，減小噪聲對環路的影響；通過寬、窄帶濾波切換，壓縮信息解調時的噪聲帶寬，在原有性能不變的基礎上降低了解調誤碼率。試驗結果表明，該設計解決了窄通道的截獲能力不足、寬通道解調誤碼率偏高的問題。該設計方法對低誤碼鎖相解調器產品的設計具有重要的參考價值。