基于DSP的高动态锁相环的实现

文中介绍了常见锁相环的基本结构,分析了相位检测器、环路滤波器和压控振荡器的执行情况。PLL环路滤波器的系统函数表明,环路滤波器的性能基本上决定了锁相环的质量。侧重于环路滤波器的设计,结合锁相在高动态GPS接收机环路中的应用,提出了在高动态环境中,一种两相锁频环辅助三相锁相环数字滤波器的细节。模拟结果表明,该锁相环的性能比普通PLL已大大改善,并完全符合高动态信号跟踪的要求。     

CORDIC算法在跟踪环中的应用与FPGA实现

主要介绍了坐标旋转数字计算（CORDIC）算法在跟踪环鉴别器中的应用,包括码跟踪环、锁频环和锁相环鉴别器,并进行了FPGA实现。在设计中,采用统一CORDIC算法优化方法减少硬件开销,用非流水方式在一个CORDIC运算基本单元中实现了码跟踪环、锁频环和锁相环三种鉴别器。同时对CORDIC运算的精度和位宽进行分析,在保证环路功能的情况下尽量减少硬件资源的使用。在Virtex5lx220上测试使用了该鉴别器的GPS跟踪环,取得了满意的跟踪效果。     

GPS接收机载波跟踪环路设计

载波跟踪环路设计是GPS接收机中的关键技术,载波环鉴别器的类型确定了跟踪环的类型,为了有效地防止因为数据跳变引起的鉴别误差,并且使其频率鉴别范围大,精度高,采用一种二阶锁频环（FLL）辅助三阶锁相环（PLL）的方法。通过Matlab仿真载波环路比较了两种鉴频和鉴相算法的性能。结果表明,该方法鉴别范围大,精度高,切实可行。     

CORDIC算法在跟踪环中的应用与FPGA实现

主要介绍了CORDIC算法在跟踪环鉴别器中的应用,包括码跟踪环、锁频环和锁相环鉴别器,并进行了FPGA实现。在设计中,采用统一CORDIC算法优化方法减少硬件开销,用非流水方式在一个CORDIC运算基本单元中实现了码跟踪环、锁频环和锁相环三种鉴别器。同时对CORDIC运算的精度和位宽进行分析,在保证环路功能的情况下尽量减少硬件资源的使用。在Virtex5 lx220上测试使用了该鉴别器的GPS跟踪环,取得了满意的跟踪效果。     

GPS接收机载波跟踪环设计与分析

针对GPS接收机载波跟踪环环宽与跟踪的动态性能问题,在分析影响GPS信号动态性能的主要参数热噪声、晶振Allan相位噪声、晶振振动相位噪声和动态应力的基础上,通过对不同阶数的锁相环、锁频环跟踪门限分析与仿真,主要解决了如何设计GPS接收机的载波跟踪环路的带宽,并使系统性能达到最佳的问题,即使用环宽为18 Hz的二阶锁相环辅助环宽为10 Hz的三阶锁频环可以跟踪动态范围小于10 g、100 g/s的高动态信号。     

GNSS接收机锁相环最佳环路带宽的选取

锁相环环路带宽值的选取对于锁相环的跟踪误差性能有重要影响。基于全球卫星导航系统(GNSS）接收机中常用锁相环结构与数学模型,首先介绍了锁相环及其重要组成部分环路滤波器的结构和原理,然后分析了环路带宽的取值对锁相环两个最重要的误差源——环路热噪声误差和晶振阿伦偏差的影响,给出了低动态下使锁相环总的跟踪误差最小的最佳环路带宽的理论表达式。对基于由现场可编程门阵列（FPGA）芯片、温补晶振和模/数接口电路构建的实际硬件接收机平台进行了验证,结果表明：当根据最佳环路带宽的理论表达式取环路带宽值时,锁相环的跟踪误差最小。所推得的理论表达式不仅可以应用于GNSS接收机,也适用于一般的载波跟踪环设计。     

基于ASPeCT的BOC调制信号捕获与跟踪研究

针对BOC调制信号传统捕获算法的模糊问题,在对直接捕获法、BPSK-Like法以及ASPeCT法分析的基础上,确定了ASPeCT法作为信号接收机捕获模块的设计方案。然后设计了基于BOC调制信号的跟踪环路,在对载波环和码环分析的基础上,确定了锁频环辅助锁相环作为环路中载波环的设计方案,以及修正后的EMLP鉴相器为环路中码环的设计方案。最后,对基于ASPeCT法捕获及基于锁频环辅助锁相环、ASPeCT修正码环的信号跟踪进行了实验仿真,验证了捕获模块和跟踪环路方案的有效性。     

QAM全数字接收机载波相位恢复环路

本文着重研究全数字QAM接收机中载波恢复环路的设计，采用快慢两个数字环路来进行载波恢复，慢环路由锁频器（Frequency Detector)，锁频锁相器（Phase and Frequency Detector)等组成，快环路由相痊解旋器和锁相器（Phase Detector)组成，仿真结果表明，在AWGN条件下，两个环路的环路参数设置存在一个最佳点，当两个环路工作在这个最佳点附近时接收机能够很好的进行载波频率，相位的恢复，相位噪声对接收机性能的影响最小，最后，给出了在不同信噪比下的最佳环路参数表。     

高动态环境载波跟踪环路的设计

为了满足高动态环境下对测轨定位的需求,对数字中频接收机载波同步跟踪关键技术进行了研究。针对高动态环境下载波同步需要解决的捕获带宽、捕获速度与跟踪精度的矛盾,综合利用了传统数字锁频环路和数字锁相环路的优点,设计了一种适合高动态环境下数字中频接收机的锁频联合锁相环工作的环路方案。仿真和测试结果表明:改进算法解决了环路跟踪精度和动态性能不能兼顾的矛盾,信号跟踪环路能在高动态环境中实现对信号的稳定跟踪。     

高动态扩频信号的载波跟踪技术研究

针对高动态环境下扩频信号的载波捕获与跟踪问题,本文分析了多普勒频移对锁相环、锁频环以及环路滤波器设计的影响,以及高动态环境中载波快速捕获问题,在此基础上提出了一种数字复合软环的设计方法,计算机仿真结果表明这种数字复合软环能有效地解决载波快捕与精跟踪的问题.     

四相鉴频器辅助的高动态BOC信号载波跟踪

叉积鉴频器的输出频率范围比较窄,捕获信号以后的多普勒频偏可能不在其跟踪范围内。针对此问题,提出了使用四相鉴频器( FQFD )算法辅助已经成型的二阶锁频环加三阶锁相环模型。首先,利用四相鉴频器的非线性特性将接收信号频偏大步长牵引到较低范围,然后使用锁频环消除其大部分动态性,最后利用锁相环跟踪精度高的特点实现高动态二进制偏移载波( Binary Offset Car-rier,BOC)信号载波的快速准确跟踪。在分析各跟踪模块算法的基础上,讨论了其本身的热噪声误差、动态适应力以及最优带宽等相关问题,理论分析和仿真结果验证了该方法比原有跟踪算法提高了300 Hz左右的鉴频范围,并且跟踪效果良好。     

高动态环境下扩频系统的快速同步方案

提出了一种应用于高动态环境下扩频系统的快速同步方案,通过优化帧结构设计,利用PN序列自相关达到快速的帧捕获,通过对鉴频环路的结构修改,采用FLL和PLL协同工作的方式,利用四相鉴频器跟踪频率变化,进行大频率搜索;利用叉积自动频率跟踪算法联合Costas环作为载波跟踪算法;环路滤波器采用扩展卡尔曼滤波技术,在提升信号捕获速率的同时,降低噪声的影响,提高捕获精度。经仿真验证,可以在相对较低的复杂度下获得良好的性能。     

一种基于FLL和PLL的复合载波环的跟踪精度分析

基于卫星通信高动态、高精度的需求,提出了一种锁频环与锁相环相结合的双环载波跟踪系统.通过分析热噪声和动态应力对载波环跟踪精度的影响,指出了锁相环和锁频环的优缺点,给出了复合载波环的结构框图和工作流程.最后通过系统仿真,证明了复合载波环比单一载波环具有更全面的性能.     

星座组网中直扩信号快速同步改进算法

基于直扩体制的时分多址(TDMA)卫星星座组网,信号帧前导段长度越短、净荷长度越长,数据传输的效率就越高.但是,直扩体制信号帧前导段长度越短意味着接收信号捕获增益就越低,捕获概率就越低.另外,前导段长度越短要求锁相环信号跟踪收敛速度越快.星座组网整网数据传输效率受到卫星信号同步算法性能的制约.为了提高直扩信号同步算法的性能,从捕获与跟踪两个部分对同步算法进行了改进,提出了一种直扩信号快速同步改进算法.针对捕获部分,分析了前置低通滤波器带宽对扩频信号的自相关函数的影响,通过选择滤波器参数在保证相关主峰无明显恶化情况下提升1/4码片偏差相关峰能量1 dB以上.针对跟踪部分,提出了一种调整闭环控制系统的零极点分布优化锁相环时域响应的锁相环设计方法,给出了基于控制理论优化锁相环闭环系统的零极点分布的四点原则,利用该方法设计的锁相环能大大降低信号跟踪的收敛时间.仿真结果表明,所提改进算法与传统同步方法相比能有效提高信号的捕获概率,加快信号跟踪的收敛速度,明显减少信号的同步时间.     

Digital-only PLL with adaptive search step

In this paper, an all-digital phase-locked loop (PLL) with adaptively controlled up/down counter serves as the loop filter is presented, and it is implemented on a field-programmable gate array. The detailed circuit of the adaptive up/down counter implementing the adaptive search algorithm is also given, in which the search step for frequency acquisition is adaptively scaled down in half until it is reduced to zero. The phase jitter of the proposed PLL can be lowered, yet keeping with fast lock-in time. Thus, the dilemma between the low phase jitter and fast lock-in time of the traditional PLL can be resolved. Simulation results and circuit implementation show that the locked count, phase jitter and lock-in time of the proposed PLL are consistent with the theoretical predictions.     

一种高动态弱GNSS信号跟踪解调算法研究与实现

在某些高动态弱信号场景中,载波相位难以锁定。为实现对高动态弱全球导航卫星系统(GNSS)信号的跟踪,考虑锁频环较锁相环更为鲁棒,提出了一种基于锁频环(FLL)+差分解调的算法,实现对GNSS信号的跟踪和解调。该算法采用二阶FLL实现对卫星信号的频率进行跟踪,差分解调算法实现对比特数据的解调。工程应用上,算法采用现场可编程门阵列和数字信号处理器(FPGA+DSP)的架构实现,在FPGA中实现信号的跟踪信号的前处理,在DSP中实现跟踪环路算法、位同步和差分解调。本文在Matlab平台中实现算法的仿真,通过模拟器平台和对天接收真实的GNSS信号对算法进行验证。仿真结果与实验结果表明,该算法在高动态弱信号条件下能实现对卫星信号的稳定跟踪和数据的解调,克服了锁相环难以锁定导致数据无法解调的难题,最终实现GNSS信号在该条件下的位置、速度和时间(PVT)解算。     

全新卫星双向时间比对调制解调器设计

卫星双向时间频率传递是目前被广泛应用的远距离高精度时间频率量值传递方法,其核心组成设备是双向时间比对调制解调器.文章介绍了由北京无线电计量测试研究所研制的卫星双向时间比对调制解调器,该设备采用直接序列扩频(DSSS)和二进制相移键控(BPSK)方式完成时间信号的调制,采用快速傅里叶变换(FFT)算法实现对信号的快速搜索和捕获;利用二阶锁频辅助三阶锁相环路达到动态性能和跟踪精度的平衡;采用二阶延迟锁定环(DLL)来实现对码相位的精密跟踪和测量.采用两个1.2m口径天线的双向比对地球站进行短基线卫星双向时间比对试验,试验结果表明当系统工作在2.5MChip/s码速率时,该调制解调器的时间比对精度(标准偏差(1σ))能够达到0.13ns.     

动态环境中频数字接收机载波同步研究

文中介绍了中频数字接收机的实现结构和关键的载波同步技术,针对动态环境下载波同步需要解决的捕获带宽,捕获速度与精度的矛盾,利用传统锁频（FLL）环路和锁相（PLL）环路的优点,设计了一种适合动态环境下中频数字接收机的FLL＋PLL联合工作的方案。最后结合计算机仿真分析结果,证明了该方案的可行性和优越性,为进一步的硬件实现提供了参考。     

用步进锁相扫描技术改进VCO线性及调频带宽稳定性

选用HMC703LP4E小数频率综合器与专门设计的有源环路滤波器和商用VCO构成了步进扫描数字锁相环,改进了调频连续波的调频带宽稳定性和调频线性度。对设计的电路进行了制作和测试,实验结果表明在-30^+70℃温度范围内,调频信号的稳定度达到了1×10^-6,调频线性度接近于1.0,相位噪声为-90 dBc/Hz/10 kHz。     

基于直扩的伪码频偏估计

提出了一种基于直接序列扩频信号的伪码频偏估计方法。介绍了解扩原理,包括中频采样、数字下变频、相关累积、伪码频率估计、环路滤波和伪码跟踪等。分析了伪码频偏估计的具体方法:伪码搜索的方法实现伪码大频偏的粗略估计;用锁相环实现伪码的同步;对锁相环的相位误差的提取,环路滤波器的结构和参数给出了具体的实现方法和表达式,并对环路等效噪声带宽的选取及其影响进行了讨论。