【正文】 、鑒相相結(jié)合的自動頻率、相位跟蹤電路，目的是使載波跟蹤環(huán)能同時滿足動態(tài)性與跟蹤精度要求。 頻率跟蹤方案 FLL方案主要針對碼捕獲階段后的殘余頻差和多普勒頻移進(jìn)行跟蹤。通過碼捕獲階段的搜索步進(jìn)為4kHz的時一頻二維搜索，這樣送入FLL的信號的頻偏在177。2kHz以內(nèi)。 載波頻率的估計方法有很多，在頻率相對穩(wěn)定時，采用最大似然估計(MLE)對未知正弦波頻率估值較好，但當(dāng)頻率隨時間變化較大且調(diào)制數(shù)據(jù)速率較高時，實現(xiàn)較為復(fù)雜。要對高動態(tài)信號進(jìn)行快速估計相位、頻率、頻率變化率等，可以采用擴(kuò)展卡爾曼濾波法(EKF)或自適應(yīng)最小二乘法(ALS)，但通常是在假定數(shù)據(jù)調(diào)制已消除的條件下，且算法復(fù)雜，實現(xiàn)困難。 頻率跟蹤實質(zhì)上是相位的差分跟蹤，即鑒頻器測量的是載波相位在固定時間間隔內(nèi)的變化量。常見的頻率跟蹤的方法有很多，一些文獻(xiàn)對各種AFC算法進(jìn)行了研究，目前最多的是叉積AFC。但是叉積AFC的線性工作范圍太小，只能達(dá)到σf =(TiD為清零積分器ID的積分時間)，同時性能受信號的幅度影響較大，不利于在高動態(tài)環(huán)境下正常工作。本論文中FLL采用直接相位差分鑒頻，也就是在鑒頻器估計出頻差之后，送給載波NCO進(jìn)行頻率校正。系統(tǒng)載波頻率跟蹤結(jié)構(gòu)如圖37所示。信號經(jīng)過正交下變頻和解擴(kuò)處理之后，由一級積分清洗電路濾波，再通過鑒頻器得到當(dāng)前的頻偏估計值，經(jīng)過平滑濾波后送頻率校正單元。圖37 載波頻率跟蹤結(jié)構(gòu)圖 頻率跟蹤方案的理論分析 FLL環(huán)路的積分時間TI由最低要求的工作信噪比決定，同時要滿足2TIωd≤π/2（ωd為輸入FLL的最大的多普勒頻偏），而目可以利用前而偽碼同步結(jié)果，將積分的起始時間選在數(shù)據(jù)跳變的邊沿，以減小調(diào)制數(shù)據(jù)跳變對頻率跟蹤的影響。這里取TI=Td/m, m為正整數(shù)。積分清洗電路在降低樣本速率的同時，進(jìn)行了低通濾波以提高信噪比。鑒頻器的原理結(jié)構(gòu)如圖38所示：圖38 鑒頻器的原理框圖遙測幀中，偽碼特定的相位和數(shù)據(jù)比特定時時鐘具有一恒定的相位關(guān)系，所以偽碼同步之后，可以從中提取出比特定時信號，將其信頻m倍之后送給FLL作為清洗時鐘，這樣可以有一效減小調(diào)制數(shù)據(jù)比特跳變造成的頻率估計誤差。 載波相位跟蹤 全數(shù)字載波跟蹤環(huán)路結(jié)構(gòu)載波相位跟蹤使用同相正交環(huán)，為了避免輸入信號的幅度變化對常用的乘法鑒相器的影響，鑒相器采用反正切鑒相，結(jié)構(gòu)如圖39所示。本環(huán)路和經(jīng)典的同相一正交環(huán)相比，除了鑒相器不同外，其他部分的結(jié)構(gòu)均相同，所以在分析時可以借鑒同相一正交環(huán)路的分析。中頻DSBPSK信號經(jīng)過正交下變頻后，與本地PN碼相乘解擴(kuò)；再經(jīng)過積分清零電路降速和低通濾波，積分時間為一個數(shù)據(jù)比特周期Td，且積分器的清洗時鐘由比特定時信號控制，減小調(diào)制數(shù)據(jù)的跳變給PLL造成影響，和上文FLL一樣，比特定時時鐘由偽碼周期的特定相位中提取出來；然后經(jīng)反正切鑒相后送入環(huán)路濾波器，輸出誤差頻率作為控制頻差，控制NCO的相位。環(huán)路逐步調(diào)整，控制頻差接近固有一頻差，使得瞬時頻差接近零。圖39 載波相位跟蹤環(huán)路的結(jié)構(gòu)圖下文就分別介紹全數(shù)字載波相位跟蹤環(huán)中各個部分的具體結(jié)構(gòu)： 1）數(shù)控振蕩器在模擬環(huán)路濾波器中，VCO被模型化為一個線性裝置，其頻率正比于環(huán)路濾波器的輸出電壓，即VCO被模型化為一個積分器，其傳遞函數(shù)為：同樣，NCO也是數(shù)字鎖相環(huán)中一個固有的積分環(huán)節(jié)，在數(shù)字化離散系統(tǒng)中積分表現(xiàn)為累加求和。因此，NCO的傳遞函數(shù)為：故可以表示為如圖310的結(jié)構(gòu)，這在很多文獻(xiàn)中出現(xiàn)過。圖310 NCO的結(jié)構(gòu)圖2）鑒相器鑒相器也采用ATAN鑒相方式：由于鎖頻環(huán)的工作能夠?qū)⒋蠓秶念l率偏差縮小到鎖相環(huán)能夠跟蹤的范圍，這樣鎖相環(huán)開始工作時，殘余的頻偏很小，環(huán)路能夠正常工作。 3）環(huán)路濾波器環(huán)路濾波器在環(huán)路中對噪聲起抑止作用，并且調(diào)節(jié)環(huán)路的校正速度，是環(huán)路中最重要的部件之一。借助于濾波器模擬域到數(shù)字域的映射方式，模擬PLL中的環(huán)路濾波器F(s)可以變換到其數(shù)字域的傳遞函數(shù)F(z)，使數(shù)字環(huán)路濾波器能模仿模擬濾波器的特性，主要有以下幾種映射方法：沖激響應(yīng)小變法(IIT)、階躍響應(yīng)小變法(SIT)和雙線性變換(BT)：其中雙線性變換在樣點(diǎn)速率小高（如樣點(diǎn)速率在100信的環(huán)路帶寬BL以內(nèi)）時，可以接近最佳的性能。本文在采用雙線性變換方法，將模擬的一階有源比例積分濾波器映射到數(shù)字域。雙線性的映射關(guān)系為：典型的理想環(huán)路濾波器的傳遞函數(shù)為：經(jīng)過雙線性變換，可以得到數(shù)字域的傳遞函數(shù)：式中，，T為環(huán)路調(diào)整的時間間隔，這里取為數(shù)據(jù)周期，即T=Td。而模擬和數(shù)字線性化PLL的傳遞函數(shù)分別為：將N(s),F(s),N(z),F(z)代入上兩式得：其中，為環(huán)路的自然角頻率，為環(huán)路阻尼因子，K為環(huán)路增益。然后將H(s)，H(z)進(jìn)行比較得：數(shù)字環(huán)路濾波器的結(jié)構(gòu)如圖311所示。圖311 環(huán)路濾波器的結(jié)構(gòu)圖 數(shù)字載波相位跟蹤環(huán)路參數(shù)設(shè)計環(huán)路中輸出的均方相位抖動和環(huán)路信噪比的關(guān)系如下： 式中，(S/N)i為輸入信噪比，(S/N)L為環(huán)路信噪比，為環(huán)路輸出相位方差，Bi為環(huán)路的前置帶寬，BL為環(huán)路等效單邊帶噪聲帶寬。 由于(S/N)i和Bi由環(huán)路前端決定，所以環(huán)路信噪比取決于BL。環(huán)路帶寬越窄，則環(huán)路信噪比越大，輸出的均方相位抖動越小，誤碼性能越好，環(huán)路抑制輸入噪聲的能力越強(qiáng)。但環(huán)路帶寬過窄，將導(dǎo)致環(huán)路的快捕帶減小，捕獲時間增長。為了減小噪聲引起的相位抖動，一般選取環(huán)路噪聲帶寬跟信息數(shù)據(jù)速率之比滿足，其中BL為環(huán)路噪聲等效帶寬，Rd為信息數(shù)據(jù)速率。課題中Rd=，則可以取BL≤；為了兼顧噪聲性能和捕獲時間，取環(huán)路帶寬BL=150Hz。反正切鑒相器的鑒相增益為Kd=216，可以根據(jù)需要做調(diào)整。NCO的控制靈敏度為。其中，fs為采樣頻率；TID為累加積分的時間，也為相位校正周期；M為NCO相位累加器的位寬，取M = 24。從而可以確定環(huán)路總增益K=KdKo。環(huán)路的阻尼系數(shù)一般取ξ=，保證環(huán)路工作在欠阻尼狀態(tài)。環(huán)路自由振蕩頻率為： 則快捕帶為，另外根據(jù)上式及上面確定的C1和C2的表達(dá)式就可以初步確定環(huán)路濾波器的電路參數(shù)CC2，同時在實際電路中為了節(jié)省邏輯資源，小數(shù)乘法運(yùn)算通常采用移位方式實現(xiàn)，所以小數(shù)一般取最接近的2的負(fù)整數(shù)次冪。經(jīng)過量化、仿真驗證和修正，可以得到：C1=27，C2=214。 載波同步輸入圖圖312 載波同步輸入圖 接收系統(tǒng)頂層輸入圖圖313 接收系統(tǒng)頂層輸入圖 接收系統(tǒng)仿真圖 其中IF in是輸入中頻信號，dat_o是解調(diào)輸出的原始信號。圖314 接收系統(tǒng)仿真圖 本章小結(jié)本章對差分解調(diào)、自動頻率控制模塊進(jìn)行了設(shè)計和實現(xiàn)，同時對載波跟蹤進(jìn)行了介紹，尤其是本次設(shè)計的主要部分AFC模塊進(jìn)行了詳細(xì)的研究與設(shè)計并進(jìn)行了驗證，最后對發(fā)射接收系統(tǒng)也進(jìn)行了仿真。通過理論分析和性能仿真，驗證了接收機(jī)結(jié)構(gòu)和各部分算法的正確性。4 全文總結(jié)與今后展望 全文總結(jié)擴(kuò)頻通信是一種有著極其優(yōu)異性能的通信方式，自其誕生之日起就受到了廣泛的關(guān)注。擴(kuò)頻接收機(jī)的研制從模擬接收機(jī)，到半數(shù)字接收機(jī)，到最后全數(shù)字接收機(jī)經(jīng)歷了一個長期的發(fā)展過程。隨著集成制造工藝的進(jìn)步，擴(kuò)頻接收機(jī)的數(shù)字電路實現(xiàn)相比模擬擴(kuò)頻接收機(jī)在功耗，芯片尺寸，靈活性等方而的諸多誘人特性，使其在未來的應(yīng)用中有著相當(dāng)廣闊的前景。本論文的第一章簡要的介紹了一下擴(kuò)頻通信的現(xiàn)狀、發(fā)展和背景，以及無線信道環(huán)境。又討論了FPGA技術(shù)的發(fā)展，介紹了本論文的開發(fā)平臺和VHDL語言。第二章介紹了擴(kuò)頻通信的理論基礎(chǔ)，包括基礎(chǔ)理論、擴(kuò)頻解擴(kuò)、調(diào)制解調(diào)、信道編碼、同步等，還介紹了鎖相環(huán)與鎖頻環(huán)的理論基礎(chǔ)，為以后的設(shè)計和實現(xiàn)打下理論基礎(chǔ)。第三章對接收系統(tǒng)進(jìn)行總體設(shè)計，對各模塊進(jìn)行了分解分析。研究載波頻率跟蹤和載波相位跟蹤的理論、結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)方案，完成差分解調(diào)器、自動頻率控制器(AFC)的設(shè)計與實現(xiàn)。最后是對論文的總結(jié)和對未來工作的展望。在接收系統(tǒng)中，對于解擴(kuò)后的I/Q通道數(shù)據(jù)需要進(jìn)行差分解調(diào)，實現(xiàn)對差分編碼的逆運(yùn)算，最后恢復(fù)出原始信息。利用在QPSK解調(diào)時產(chǎn)生的點(diǎn)積和互積所包含的前后兩個碼元的相位信息產(chǎn)生AFC（自動頻率控制）信號完成對下變頻器中的NCO的輸出頻率進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)，以實現(xiàn)對數(shù)控振蕩器的控制。最后通過對載波頻率與相位跟蹤的理論分析、實現(xiàn)方案、實現(xiàn)結(jié)構(gòu)等的介紹與研究，更明確了本次設(shè)計中要在高速環(huán)境下采用AFC模塊防止多普勒頻偏以及進(jìn)行載波頻率、相位跟蹤電路設(shè)計的目標(biāo)，更好的實現(xiàn)了本次設(shè)計中載波頻率與相位跟蹤電路，更好的設(shè)計與實現(xiàn)了AFC模塊，達(dá)到了本次設(shè)計的要求。論文工作中比較遺憾的是在對整個接收系統(tǒng)的理論分析完成以后，由于工作量較大且課題較難，所以并未全部完成所有模塊的設(shè)計與實現(xiàn)且最后沒有能將整個系統(tǒng)下載到FPGA器件上，并在搭建的硬件平臺上進(jìn)行實際的調(diào)試。 今后工作展望無線擴(kuò)頻通信是近年來在高科技學(xué)科中集數(shù)字通信、高速計算處理、數(shù)字相關(guān)匹配濾波、自適應(yīng)無線收發(fā)于一體而發(fā)展起來的一門新技術(shù)。本論文只討論了它的基本原理和擴(kuò)頻解擴(kuò)、調(diào)制解調(diào)、載波同步等小部分技術(shù)并進(jìn)行了仿真。為了項目的后續(xù)進(jìn)展，需要研究和解決的問題還很多。本論文工作完成以后，考慮到擴(kuò)頻技術(shù)的發(fā)展，以及項目的實際情況，以后可以繼續(xù)作如下相關(guān)工作，使之完善。主要有： 首先，為了減少擴(kuò)頻序列的碼間干擾，增加系統(tǒng)的保密性和抗干擾能力，可以對系統(tǒng)輸入的基帶數(shù)據(jù)進(jìn)行擾碼白化處理，起到增加序列隨機(jī)性的作用，以提高系統(tǒng)的性能。 其次，在調(diào)制方式的選擇上，可以更加靈活地考慮其它的調(diào)制方式，比如OQPSK或者M(jìn)SK調(diào)制方式等。考慮到FPGA的可在線編程性，可以很方便地對系統(tǒng)中的模塊進(jìn)行修改。另外就是對于系統(tǒng)中接收部分還有不少工作需要完善。比如對解擴(kuò)門限的自動調(diào)整，對同步時鐘信號的跟蹤和判決工作等。希望今后能有機(jī)會完成這些工作。參考文獻(xiàn)[1]查光明，[M].[2][M].[3][J].數(shù)據(jù)通信,1998,(03):5862[4]，[M].[5][M]. 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