基于直接提取载波技术的平方环设计Word文档下载推荐.docx
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Keywords:
phaselockedloop;
carrierextraction;
numericalcontroloscillator;
loopfilter;
0引言l锁相环的结构
在软件无线电（SDR）技术实现的收发系统中,数字
锁相环在载波同步,位同步,相干解调,信号跟踪,频率
选择等方面发挥着重要作用,已成为数字调制/解调,数
字上变频/下变频中不可缺少的核心器件.接收机为了
提取载波,普遍采用平方环法和科斯塔斯环法,其中平
方环以其电路结构简单而得到了广泛应用.但在平方
环电路的设计中,由于NCO（或VCO）工作在2co频率
上,当环路锁定后,其NCO（或VCO）的输出需经过
二分频才能得到所需载波.而二分频电路在实现过程
中,特别是在对NC（）进行数字分频时,用FPGA实现
太耗资源.
以下提出一种新的数字平方环电路,实现了从
BPSK信号中提取相干载波的功能,简单易行,便于实
现,并对其进行了数学推导和建模仿真,具有良好的实
用价值.
收稿Et期:
2009—07—31
基金项目:
国家自然科学基金联合资助基金项目（10876035）
锁相环（PII）由鉴相器（PD）,环路滤波器（LF）以
及数控振荡器（NCO）组成,如图1所示.
图1锁相环的构成
鉴相器通常由乘法器来实现,鉴相器输出的相位误
差信号经过环路滤波器滤波后,作为数控振荡器的控制
信号,而数控振荡器的输出又反馈到鉴相器,在鉴相器
中与输入信号进行相位比较.PLL是一个相位负反馈
系统,当PII锁定后,数控振荡器的输出信号相位将跟
踪输入信号的相位变化,这时数控振荡器的输出信号频
率与输入信号频率相等,但相位保持一个微小误差].
2平方环法的工作原理
在平方环载波恢复电路中,BPSK信号经平方后得
到两倍载频的频谱分量,用锁相环提取这一分量,然后
进过二分频可得到载频分量,如图2所示.
189
吕鑫宇等:
设BPSK信号平方后得到:
（￡）一[a.g（一T）]cos.t
1
当g（￡）为矩形脉冲时,有（）一cosc￡,t=（1+厶
COS2￡）,假定锁相环锁定在2叫频率上,NC0的输出
信号为S（￡）=Asin（2~ot+2△）,其中△是对输入信
号相位的估计值.
图2平方环载波恢复电路
因鉴相器采用乘法器实现,则鉴相器输出相位误差
信号为:
（f）一sin（2aJct+2△）+
厶
sin（4oJct+2Aqg+sin（2
经过环路低通滤波滤除高频分量为:
sin（2oJ~t+
2△）+sin（4￡9-2△）,得到的信号为:
Kdsin（2Acp）△K△.其中,Kd—KA/4.环路滤波器
的输出仅与数控振荡器输出和输入信号之间相位差有
关,控制电压,以准确地对数控振荡器进行调整.显然,
当本地恢复的同相载波与调制载波达到同频同相时,
△一0.因此,解调的关键在于调整NCO输出信号的
频率和相位,使其最终满足△一0或在一个很小的范
围内,即相干解调的本地载波同步问题[3].锁相环在工
作时可能锁定在任何一个稳定平衡点上.这意味着恢
复出的相干载波可能与所需要的理想本地载波同相,也
可能反相.由于本地参考载波有0,兀模糊度,因而解调
得到的数字信号可能极性完全相反,从而1和0倒置.
这对于数字传输来说当然是不能允许的.克服相位模
糊度最常用且最有效的方法是在调制器输入的数字基
带信号中采用差分编码.
3改进平方环的工作原理
改进的平方环载波恢复电路,如图3所示.利用
DDS产生的NCO数控振荡器能够输出完全正交的正
余弦信号,并考虑到三角函数之间的关系sin（2cot+
2△）一2sin（wt+△）cos（wet+△）,因此这里将
NCO的频率锁定在载波频率CO上,然后将NCO两路
正余弦输出通过一个乘法器再增益2倍,并且在FPGA
实现时,只需要进行简单的移位就能完成乘除法的运
190
算,输出就为传统平方环的NCO输出,由于数控振荡
器将频率锁定在上,所以它的正弦输出即为提取的
载波,省去了二分频电路.由于传统的二分频电路均采
用数字分频电路,不能保持原有的正弦波形,因此还需
要附加滤波器等电路.相比改进的电路要复杂得多,并
且在实现上也不如改进之后的容易.
4环路部件
图3改进的平方环载波恢复电路
4.1鉴相器
在锁相环中,鉴相器（又称为相位检测器）是一个相
位比较装置.它是将输入信号与数控振荡器的输出信
号的瞬时相位进行比较,产生一个输出电压.这个电压
的大小,直接反映两个信号相位差的大小;
这个电压的
极性,反映输入信号超前或滞后于数控振荡器输出信号
的相对相位关系.由此可见,鉴相器在环路中是用来完
成相位差与电压变换的,其输出误差电压是瞬时相位误
差的函数.
4.2环路滤波器
环路滤波器用于衰减由于输入信号噪声引起的快
速变化的相位误差和平滑相位检测器泄露的高频分量
即滤波,以便在其输出端对原始信号进行精确的估计,
环路滤波的阶数和噪声带宽决定了环路滤波器对信号
的动态响应.文献E5]对几种常用的环路滤波器性能进
行了详细的分析.由于一阶环路滤波器会产生稳态相
差,从而降低系统误码性能;
三阶环路滤波器实际实现
难度较大;
二阶环路滤波器在直流增益为无穷大,而频
偏为常数的情况下,仍然能够实现稳态,实现难度适宜,
即采用二阶环路滤波器,其结构框图如图4所示.
\C&
gt;
输入
t（.,
&
lt;
厂一广,,厂r,输出.
图4二阶环路滤波器的结构图
图中:
c,c为滤波器的参数;
代表单位时间延迟,
具体的计算公式如下:
一
2T（T）（
J1一百一—一
式中:
为环路阻尼系数,通常取0.707;
为阻尼振荡
《现代电子技术}2010年第1期总第312期电子技术应用司
频率;
T为频率控制字更新周期;
K为环路增益.详细
的推导见参考文献[6].因此环路滤波器参数的设计关
键在于,K.通常设计时用滤波器的噪声带宽B来
Q0R
取代,即:
一.锁相环路的各种性能对,
4十1
的要求存在着矛盾和统一,增大∞,,可以增大捕获带,
减小捕获时间,加强对NCO噪声的滤除,减小稳态相
关,增大同步带,增大同步扫描频率;
减小,,可以加
强对输入噪声的滤除,延长平均跳周时间.增强一方性
能,则会降低另一方性能口],因此合理设计环路滤波器
的参数能够优化系统的性能.
4.3数控振荡器
NCO在环路中的作用就是产生理想的频率可变的
正弦和余弦,确切地说是产生一个频率实时可变的正弦
样本.正弦样本可以用实时计算的方法产生,但在高速
采样频率中,NCO产生正弦和余弦的最有效办法就是
查找表法,即事先根据NCO正余弦相位计算好相应的
正余弦值,并以相应的相位角度作为波形存储器
（ROM）的取样地址来存储对应相位的正余弦值.
NcO的相位,可通过固定的频率控制字（载波频率）与
环路滤波器的输出累加和相加得到_8],即可把存储在波
形存储期内的波形抽样值（二进制编码）经查找表查出,
完成相位到幅值转换_g].NCO内部ROM正余弦表的
大小影响输出波形的精度,越大的ROM正余弦表,得
到的波形输出越理想,但同时增加了硬件资源.考虑到
正弦信号的对称性,只存储1/4的周期,即O--n/2的波
形,通过对输入到波形ROM的地址及其输出数据的关
系,可按照一定算法予以实现_】.
5仿真与分析
利用Simulink对改进的平方锁相环进行了仿真.
由于用FPGA实现时,可直接定义DDS为两路正交的
输出,而在Simulink模型中,数控振荡器的输出仅为
端输出.在此为了简单起见,搭建锁相环模型时用到
了两个数控振荡器,为得到正交的输出只需要将两个数
控振荡器的相位差定为兀/2即可.这样做不仅大大地
简化了搭建模型的时间,而且对仿真本身没有任何影
响,仿真核心部分如图5所示.仿真条件:
初始相差为
兀/3;
初始频偏为5kHz;
调制方式为BPSK;
码元速率
为2Mb/s;
载波频率为4MHz.
仿真模型如图6所示.其中,BernoulliBinary
Generator和SineWave模块分别产生伯努利分布的随
机二进制数序列和载波信号,将随机二进制数序列通过
简单的变换模块,生成双极性不归零码,再一起送入
Product模块完成BPSK调制.因为该仿真主要是验
证算法的可行性,所以假设是在理想的信道下传输的.
在接收解调端,使用乘法器Productl完成平方功能,也
可将该乘法器用绝对值模块等非线性器件模块代替.
Product2作为锁相环的鉴相器,并且该锁相环路为
二阶环.为了验证该算法的可行性,设置NCO的中心
频率与发送载波频率之间有一定误差,控制灵敏度也可
通过仿真实验确定.为了更好地比较仿真结果,Sine
Wavel模块的频率与NcO设置的中心频率一致,并将
输出一起送进示波器进行观察分析.
.
out1
图5改进锁相环核心部分
图6改进的平方环载波恢复电路的仿真模型
示波器Scope2对比显示了双极性不归零码与相干
载波乘积的输出和未经过锁相环路乘积的输出.图7
给出了乘以载波之后的信号波形（示波器的横坐标表示
时间轴,物理符号是t,单位为s,物理量为2gs;
纵坐标
表示信号的强度）.为了更加清晰地观察图形,图7波
形是低通和抽样判决器之前的波形.从图中对比不难
看出,改进的锁相环路能够很好地将信号解调出来,从
而达到了预想的效果,并通过仿真得知其仍然能够应用
于相关的领域（如调制解调）,然而对于有相位差和频偏
的载波已经不能解调出原始的信号了.仿真中,如果减
小NCO的灵敏度,可观察到锁相环失锁.示波器
Scope对比显示了原始双极性不归零码和解调判决的
输出,如图8所示（示波器的横坐标表示时间轴,物理符
号是t,单位为S,物理量为5gs;
纵坐标表示信号的强
度）.解调输出的序列比原始序列稍有延迟,但是不难
发现,改进的平方环载波恢复电路能够准确地解调调制
后的信号,延迟是由于解调模块中的低通滤波和抽样判
191
决引起的.
图7改进锁相环与未经锁相环波形的对比
图8解调输出序列和原始序列对比
6结语
讲述了平方锁相环的工作原理,并着重讨论了设计
作者简介吕鑫宇
姚远程
谭清怡
邹腾剑
思想和过程.在通信飞速发展的今天,进一步简化了锁
相环路,该想法为以后的发展提供了很大的参考价值与
创新理念,使得平方环不仅仅局限于应用到输入信号载
波频率较低的环境中,在较高的条件下也能够用它来实
现,而且平方锁相环的结构较科斯塔斯环要简单.
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男,1985年出生,黑龙江鹤岗人,在读硕士研究生.研究方向为软件无线电.
男,1962年出生,四川南充人,教授研究方向为软件无线电.
女,1985年出峰.,重庆云阳人,助理工程师.研究方向为数字信号处理.
男,1987年出生,四川宜宾人.研究方向为数字信号处理,嵌入式系统.
（上接第188页）
设计的新一代天气雷达防雷项目已有多项投入使用,有
些雷达站甚至在常发雷击的高山之巅运行了多时.通
过实践,该设计技术路线是可靠可行的.
尽管这些防雷系统被采用在天气雷达的防护中,但
其防护的技术路线对其他雷达设施,通信传输系统和弱
电设施场所都有很好的借鉴作用.
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