CN109889195A

CN109889195A - 锁频环辅助锁相环快速锁定方法

Info

Publication number: CN109889195A
Application number: CN201910094579.5A
Authority: CN
Inventors: 杨伦; 莫明威
Original assignee: Southwest Electronic Technology Institute No 10 Institute of Cetc
Current assignee: CETC 10 Research Institute; Southwest Electronic Technology Institute No 10 Institute of Cetc
Priority date: 2019-01-31
Filing date: 2019-01-31
Publication date: 2019-06-14

Abstract

本发明公开的一种锁频环辅助锁相环快速锁定的方法，旨在提供一种能够提高动态性能，具有更高的相位测量精度的锁定方法。本发明通过下述技术方案实现：载波频率信号经下变频后，利用码环锁定同步后送过来的PN码进行解扩，送入锁相环中的I、Q支路，经C/A码发生器后再进行积分滤波‑清除后送入锁相环路鉴相器进行鉴相，锁相环的相位误差由锁频环的频率误差积分得到，然后通过三阶环路滤波器输出精确地载波相位偏差被送入锁相环路NCO调整NCO输出新的正弦表和余弦表，使信号能快速锁定。然后下变频得到完全零中频信号；然后将零中频信号送入位环进行位同步，再进行译码、帧同步和解调。锁相环路利用锁频环路锁定后的载波频率值，能够快速锁定，输出精确的相位测量值。

Description

锁频环辅助锁相环快速锁定方法

技术领域

本发明涉及Ka频段扩频模式测控系统，低信噪比且高动态条件下锁频环辅助锁相环快速锁定的方法。

背景技术

卫星导航接收机的基本功能是接收来自卫星的导航信号，为用户提供定位、遥测、测距、测速等所需要的数据。这些数据包括伪码相位、多普勒频率、载波相位、遥测数据等原始观测量和导航电文。为完成上述功能，卫星导航接收机对接收的卫星信号先作捕获处理，获得伪码相位与多普勒频率的粗略估计。捕获成功后，跟踪单元继续对信号作精细同步。其中，为了获得载波相位的同步，通常采用锁相环PLL(PLL)技术。在卫星接收机中，锁相环PLL的设计在通信系统中起着重要作用。可是对卫星导航接收机而言,在高动态环境下,锁相环PLL存在动态适应能力不足的问题。在航天测控系统中,由于通信传输距离远及载体相对运动剧烈,使得接收信号具有低信噪比高动态的特点。在高动态和低信噪比条件下，锁相环PLL的收敛性能变差。一般来说，PLL在低动态时具有较高的跟踪精度和较好的抗噪性能，但是在高动态环境下PLL必须具有较宽的带宽，这意味着抗噪性能和跟踪精度的降低。高阶跟踪环路稳定性比低阶环路差。大带宽带来测量误差大，同时锁相环PLL在高动态环境下，容易发生相位失锁或相位翻转等现象。同时，如果要锁相环PLL快速收敛，需采用较大的环路带宽，但在低信噪比条件下失锁的概率会加大。如果环路带宽比较窄，锁相环PLL的收敛速度很慢，不满足卫星接收机在突发体制下快速锁定的要求。并且在高动态和低信噪比条件下，锁相环PLL的收敛性能易变差。在低信噪比条件下，为增加锁相环PLL收敛的概率，又能快速锁定，就需进入锁相环PLL的剩余频差很小。目前低轨通信卫星运动的速度与加速度很大，卫星接收信号的多普勒频偏及其变化率也很大。为适应高动态环境,卫星导航接收机采取锁频环(FLL)辅助锁相环的技术进行载波跟踪。锁相环PLL在锁频环FLL跟踪频率基础上锁定载波相位。

传统的测控系统一般采用S频段2G～4G，载波频偏范围一般在±180KHz，频偏变化率范围一般在±15KHz/s以内，在这种情况下地面下行接收机一般设计传统的二阶锁频环FLL辅助或者三阶锁相环PLL结构，采用较窄的噪声带宽，就能快速锁定信号，完成对载波的跟踪，输出精确地相位测量值，同时数据的误码率比较低，可以保证信号解调的正确性。

近年来，随着卫星的数量呈井喷的增加，传统的S频段已经不能满足需求，需要采用更高的频段，越来越多的使用Ka频段27～40G。载波的频偏和频偏变化率也越来越高，达到±900KHz和±25KHz/s。在这种情况下，需要采用较宽的噪声带宽来适应这么大的动态变化，而传统的二阶或者三阶锁相环PLL在较宽的噪声带宽下无法快速锁定信号，无法完成对信号的跟踪锁定。并且载波的频段高，导致射频、多路径和电离层的干扰高，同时由于卫星上资源能量有限，使得地面站下行链路接收信号的信噪比很低，传统的二阶或者三阶锁相环PLL采用较窄的噪声带宽，导致能适应的动态范围较小，在大动态条件下锁定时间较长。当地面下行接收机信号通道从捕获切换到跟踪阶段时，因为捕获阶段所得到的接收信号载波频率估计值与实际的载波频率值之间存在着一个较大的偏差。为适应高动态环境,卫星导航接收机采取锁频环(FLL)辅助锁相环的技术进行载波跟踪。锁相环PLL在锁频环FLL跟踪频率基础上锁定载波相位。

在Ka频段测控通信系统中，下行链路信号的载波频偏达到±900KHz，频偏变化率达到±25KHz/s。首先捕获会给锁频环FLL一个捕获粗值，由于捕获无法做PN码环同步，无法对信号进行精确地信号解扩，使得捕获解扩后的信号信号有很大频率偏差，导致经过捕获模块给出的载波频率偏差值有很大的偏差，捕获初值相对于真正的信号频率频偏有±3KHz左右的误差。当接收机信号通道从捕获切换到跟踪阶段时，因为捕获阶段所得到的接收信号载波频率估计值与其真实值之间可能存在一个较大的偏差，并且位同步也尚未实现，所以锁相环PLL不适宜用来快速地牵入、跟踪信号，而锁频环FLL却能轻松地对付这种频率跟踪误差，能更快地将信号牵入到稳态跟踪状态。但是现有的高动态微弱信号的载波跟踪算法中,针对锁频环(FLL)辅助锁相环(PLL)载波跟踪算法,环路调整不连续,很容易出现跟踪失锁的问题。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术存在的不足，提供一种能够提高环路的动态性能，具有更高的相位测量精度，能够快速锁定卫星下行链路信号，完成对下行链路信号的跟踪的锁频环辅助锁相环快速锁定的方法。

本发明的上述目的可以通过以下措施来达到。一种锁频环FLL辅助锁相环PLL快速锁定的方法，其特征在于包括如下步骤：在低信噪比且高动态条件下，当Ka频段扩频模式测控系统的地面下行接收机信号通道从捕获切换到跟踪阶段时，快速地将中频输入信号牵入到锁频环FLL进行稳态跟踪，把捕获初值送入数字控制振荡器NCO，输出正弦表和余弦表分别送入锁频环路中的I、Q支路分别进行信号下变频、下抽取和积分滤波-清除，获得载波频率的偏差值，然后分别送入锁频环FLL和锁频环路鉴频器，锁频环路鉴频器把鉴频的值送入二阶环路滤波器滤波输出的频率锁频环路值，经锁频环路NCO调整载波输出接近真实的载波频率值，对载波频率值进行积分得到载波相位值和锁定后的载波频率值，作为锁相环PLL的载波频偏相位初始值；载波频率信号经下变频后，利用码环锁定同步后送过来的PN码进行解扩，解扩后的信号送入锁相环PLL中的I、Q支路，经C/A码发生器后再进行积分滤波-清除，送入锁相环路鉴相器进行鉴相，通过三阶环路滤波器输出精确地载波相位偏差被送入锁相环路NCO调整NCO输出新的正弦表和余弦表，得到下变频后的完全零中频信号；然后将零中频信号送入位环进行位同步，再进行译码、帧同步，完成信号的解调，接着，锁相环路利用锁频环路锁定后的载波频率值，锁相环PLL采用较窄的噪声带宽，紧密地跟踪信号，快速锁定输出精确的相位测量值。

本发明相比于现有技术的有益效果是：

本发明针对传统的二阶或者三阶锁相环PLL采用较窄的噪声带宽，导致能适应的动态范围较小，在大动态条件下锁定时间较长。在带宽相同的情况下，利用锁频环FLL的高动态应力，更宽的环路带宽，能快速跟踪上信号，采用2阶锁频环FLL辅助3阶锁相环PLL快速锁定，减小了载波跟踪环路的锁定时间，使得下行接收机能快速地跟踪下行链路信号，完成在高动态条件下对信号的跟踪解调，提高了环路的动态性能，同时，具有更高的相位测量精度。

本发明针对在下行信号链路比较恶劣，干扰影响比较大的条件下，下行接收机接收到卫星下行链路信号信噪比很低，会导致锁相环PLL无法锁定信号。利用二阶锁频环FLL的环路特性和二阶环路滤波器的值调整NCO的载波输出，使得输出的频率值接近真实的载波频率值，采用锁频环路快速地将中频输入信号牵入到稳态跟踪状态，跟踪上信噪比更低的信号，通过三阶锁环利用锁频环FLL给出的载波频偏，能准确的测量出载波的相位，完成在低信噪比条件下对信号的跟踪解调。

本发明针对捕获阶段所得到的接收信号载波频率估计值与实际的载波频率值之间存在着一个较大的偏差的问题，在低信噪比条件下，采用较宽的噪声带宽，动态特性较好，能更鲁棒地容忍高动态应力的锁频环FLL，能跟踪信噪比更低的信号，并且对数据比特跳变也较不敏感的特性，锁频环路快速地将信号牵入到稳态跟踪状态，接着，锁相环路利用锁频环路锁定后的比较准确的载波频率值，锁相环PLL采用较窄的噪声带宽，紧密地跟踪信号，输出精确的相位测量值。

本发明对载波频率值进行积分得到载波相位值，作为锁相环PLL的载波频偏相位初始值，信号进行下变频，然后利用码环锁定同步后送过来的PN码进行解扩，解扩后的信号再进行积分滤波-清除，然后送入鉴相器进行鉴相，通过三阶环路滤波器输出精确地载波相位偏差，送入NCO调整NCO输出，使得下变频后的信号时完全零中频信号；减小带宽后，提高了相位测量精度。

本发明适用于Ka频段扩频模式下的测控系统地面下行接收机载波环路跟踪，同样也适用于X频段的下行接收机，并兼容传统S频段的下行接收机载波环路跟踪。

附图说明

图1是本发明锁频环辅助锁相环快速锁定原理示意图。

图2是图1锁频环2阶环路滤波器原理图。

图3是是图1锁相环3阶环路滤波器原理图。

下面结合附图和实施实例对本发明进一步说明。

具体实施方式

参阅图1。根据本发明，在Ka频段扩频模式测控系统中，低信噪比且高动态条件下，当地面下行接收机信号通道从捕获切换到跟踪阶段时，锁频环路快速地将中频输入信号牵入到稳态跟踪状态，捕获初值通过NCO将正弦表和余弦表送给锁频环FLL，锁频环FLL进行信号下变频、下抽取，对I、Q支路分别进行积分滤波-清除，得到载波频率的偏差值，然后送入鉴频器进行鉴频，将鉴频器的值送入二阶环路滤波器，利用二阶环路滤波器的值调整NCO的载波输出，使得输出的频率值接近真实的载波频率值；锁频环路输出载波频率值，对载波频率值进行积分得到载波相位值，作为锁相环PLL的载波频偏相位初始值，信号进行下变频，然后利用码环锁定同步后送过来的PN码进行解扩，解扩后的信号再进行积分滤波-清除，然后送入鉴相器进行鉴相，通过三阶环路滤波器输出精确地载波相位偏差，送入NCO调整NCO输出，使得下变频后的信号时完全零中频信号；然后将零中频信号送入位环进行位同步，再进行译码、帧同步，完成信号的解调；接着，锁相环路利用锁频环路锁定后的比较准确的载波频率值，锁相环PLL采用较窄的噪声带宽，紧密地跟踪信号，输出精确的相位测量值。

锁频环FLL辅助锁相环PLL，锁频环FLL滤波器输出的频率差异值经过积分以后成为锁相环PLL滤波器输出的相位差异。使得当输入到锁相环PLL的信号为零时，该组合锁相环路就变成了纯粹的锁频环FLL；当输入到锁频环FLL的信号为零时，该组合锁相环路就变成了纯粹的锁相环PLL。接着，当载波环以锁频环FLL的形式闭合并锁定信号后，它就从纯锁频环FLL形式逐步进入锁频环FLL辅助下的锁相环PLL形式，以及直至最后的锁相环PLL形式，使载波环在锁定信号的前提下在尽可能多的时间内输出纯锁相环PLL的精确相位测量值；最后，当高动态应力等因素使锁相环PLL对锁定信号发生困难时，载波环又可从锁相环PLL变换为纯锁频环FLL形式，维持对信号的跟踪。

参阅图2。在锁频环FLL设计当中，二阶环路滤波器的设计是关键，二阶环路滤波器的传递函数F₂(S)＝1/K(a₂w_n+w_n ²/s)，通过调整传递函数F₂(S)的参数来适应不同的信号载波多普勒范围、变化率以及信噪比。其中K表示鉴频环路增益，a₂为二阶环路频率常数，w_n为自然谐振频率，w_n＝B_L/0.53，B_L为噪声环路带宽，S为环路积分器。鉴频器输出的频率误差乘以二阶环路滤波器的传递函数F₂(S)，经过环路滤波，得到精确的频率差值。F₂(S)函数。在载波频偏±900KHz，频偏变化率±25KHz/s条件下，K取值100，a₂取值1.414，B_L取值1000，那么w_n取值1886.8。

参阅图3。锁相环PLL设计中，三阶环路滤波器的设计是关键。三阶环路滤波器的传递函数F₃(S)＝1/K(b₃w_n+a₃w_n ²/s+w_n ³/s²)。通过调整传递函数F₃(S)的参数来适应不同的信号载波多普勒范围、变化率以及信噪比。其中K表示鉴相环路增益，a₃和b₃为三阶环路频率常数，w_n为自然谐振频率，w_n＝B_L/0.7845，B_L为噪声环路带宽，S为环路积分器。鉴相器输出的相位误差乘以三阶环路滤波器的传递函数F₃(S)，经过环路滤波，得到精确的相位差值。F₃(S)函数的示意图如图3所示。在载波频偏±900KHz，频偏变化率±25KHz/s条件下，K取值80，a₃取值1.1，b₃取值2.4，B_L取值500，那么w_n取值637。

以上对本发明实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体实施方式对本发明进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，根据不同的载波频偏和频偏变化率设置不同的锁频环FLL和锁相环PLL环路滤波器的系数。在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims

1.一种锁频环辅助锁相环快速锁定的方法，其特征在于包括如下步骤：在低信噪比且高动态条件下，当Ka频段扩频模式测控系统的地面下行接收机信号通道从捕获切换到跟踪阶段时，快速地将中频输入信号牵入到锁频环FLL进行稳态跟踪，把捕获初值送入数字控制振荡器NCO，输出正弦表和余弦表，对分别送入锁频环路中的I、Q支路分别进行信号下变频、下抽取和积分滤波-清除，获得载波频率的偏差值，然后送入锁频环路鉴频器，锁频环路鉴频器把鉴频的值送入二阶环路滤波器滤波输出的频率锁频环路值，经锁频环路NCO调整载波输出接近真实的载波频率值，对载波频率值进行积分得到载波相位值和锁定后的载波频率值，作为锁相环PLL的载波频偏相位初始值；信号经下变频后，利用码环锁定同步后送过来的PN码进行解扩，解扩后的信号送入锁相环PLL中的I、Q支路，经C/A码发生器后再进行积分滤波-清除，然后送入锁相环路鉴相器进行鉴相，通过三阶环路滤波器输出精确地载波相位偏差被送入锁相环路NCO调整NCO输出新的正弦表和余弦表，得到下变频后的完全零中频信号；然后将零中频信号送入位环进行位同步，再进行译码、帧同步，完成信号的解调；锁相环路利用锁频环路锁定后的载波频率值，采用较窄的噪声带宽，紧密地跟踪信号，快速锁定输出精确的相位测量值。

2.根据权利要求1所述的锁频环辅助锁相环快速锁定的方法，其特征在于：锁频环FLL滤波器输出的频率差异值经过积分以后成为锁相环PLL滤波器输出的相位差异，使得当输入到锁相环PLL的相位差异值在一个较小的范围内，信号能够快速锁定。

3.根据权利要求1所述的锁频环辅助锁相环快速锁定的方法，其特征在于：当输入到锁频环FLL的信号为零时，环路就变成了纯粹的锁相环PLL，具有更好的动态适应性。

4.根据权利要求1所述的锁频环辅助锁相环快速锁定的方法，其特征在于：当载波环以锁频环FLL的形式闭合并锁定信号后，它就从纯锁频环FLL形式逐步进入锁频环FLL辅助下的锁相环PLL形式，以及直至最后的锁相环PLL形式，使载波环在锁定信号的前提下在尽可能多的时间内输出纯锁相环PLL的精确相位测量值。

5.根据权利要求1所述的锁频环辅助锁相环快速锁定的方法，其特征在于：高动态应力等因素使锁相环PLL对锁定信号发生困难时，载波环又从锁相环PLL变换为纯锁频环FLL形式，维持对信号的跟踪。

6.根据权利要求1所述的锁频环辅助锁相环快速锁定的方法，其特征在于：二阶环路滤波器的传递函数F₂(S)＝1/K(a₂w_n+w_n ²/s)，通过调整传递函数F₂(S)的参数来适应不同的信号载波多普勒范围、变化率以及信噪比，其中K表示鉴频环路增益，a₂为二阶环路频率常数，w_n为自然谐振频率，w_n＝B_L/0.53，B_L为噪声环路带宽，S为环路积分器。

7.根据权利要求6所述的锁频环辅助锁相环快速锁定的方法，其特征在于：鉴频器输出的频率误差乘以二阶环路滤波器的传递函数F₂(S)，经过环路滤波，得到精确的频率差值。

8.根据权利要求7所述的锁频环辅助锁相环快速锁定的方法，其特征在于：F₂(S)函数在载波频偏±900KHz，频偏变化率±25KHz/s条件下，K取值100，a₂取值1.414，B_L取值1000，那么w_n取值1886.8。

9.根据权利要求1所述的锁频环辅助锁相环快速锁定的方法，其特征在于：三阶环路滤波器的传递函数F₃(S)＝1/K(b₃w_n+a₃w_n ²/s+w_n ³/s²)；通过调整传递函数F₃(S)的参数来适应不同的信号载波多普勒范围、变化率以及信噪比，其中K表示鉴相环路增益，a₃和b₃为三阶环路频率常数，w_n为自然谐振频率，w_n＝B_L/0.7845，B_L为噪声环路带宽，S为环路积分器。

10.根据权利要求9所述的锁频环辅助锁相环快速锁定的方法，其特征在于：鉴相器输出的相位误差乘以三阶环路滤波器的传递函数F₃(S)，经过环路滤波，得到精确的相位差值，F₃(S)函数在载波频偏±900KHz，频偏变化率±25KHz/s条件下，K取值80，a₃取值1.1，b₃取值2.4，B_L取值500，那么w_n取值637。