基于锁频环+FFT+锁相环的载波跟踪方法

赵国豹，李春祎

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所， 河北 石家庄 050081；2.河北工业职业技术学院， 河北 石家庄 050000)



基于锁频环+FFT+锁相环的载波跟踪方法

赵国豹1，李春祎2

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所， 河北 石家庄 050081；2.河北工业职业技术学院， 河北 石家庄 050000)

针对低信噪比条件下传统载波跟踪方法实现载波捕获转跟踪困难的问题，提出了一种基于锁频环+FFT+锁相环的载波跟踪方法。基于快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform，FFT)分析，减小了锁频环转锁相环时剩余的载波频差，提高了载波捕获转跟踪的成功概率。阐明了提出的跟踪方法的工作原理，仿真结果表明，基于提出的方法可以使捕获转跟踪的成功概率达到100%。

载波跟踪；锁频环；FFT；锁相环

0　引言

在BPSK信号调制体制中，要实现数据的解调，首先要实现载波的捕获和跟踪。载波跟踪一般利用锁频环+锁相环的方法实现。载波捕获完成后，本地载波与接收信号载波的频差进入锁频环的捕获带内，利用锁频环跟踪载波频率，进一步缩小本地载波与接收信号载波的频差，当锁频环跟踪稳定以后，频差进入锁相环的捕获带内，最后利用锁相环实现载波频率和相位的精密跟踪，进而实现数据的解调。在实际工程中，接收信号信噪比往往比较低，锁频环跟踪载波频率时振荡较大，锁频环跟踪稳定后转锁相环时，无法保证频差百分百处于锁相环的捕获带内，导致锁相环无法入锁，需要重新进行载波捕获，增加了载波同步的时间。文献[1-8]提出了几种低信噪比、大动态条件下的信号跟踪方法，但没有涉及到捕获转跟踪的方法。本文通过采用锁频环+FFT+锁相环的载波跟踪方法，减小了锁频环转锁相环时本地载波与接收信号载波的频差，大大提高了载波由捕获转跟踪的成功概率，减小了载波同步的时间。

1　传统载波跟踪方法分析

传统载波跟踪方法一般利用锁频环+锁相环的方式，首先利用锁频环实现载波频率的粗跟踪，然后转到锁相环实现载波频率和相位的精密跟踪。这种载波跟踪方法成功的关键，在于锁频环转锁相环时，本地载波与接收信号载波的频差处于锁相环的捕获带内。下面从理论和仿真两方面分析传统载波跟踪方法的性能。

通过理论推导可知，由热噪声引起的锁频环颤动为[9]：

(1)

式中，T为预检测积分时间(s)；在高C/N0时F=1，接近接收门限时F=2；Bn为载波环噪声带宽(Hz)；C/N0为载噪比(Hz)。

本文接收信号条件为：BPSK信号调制体制，数据速率为4 kbps，载噪比为36 dBHz，多普勒变化率最大为2 kHz/s。

由式(1)可知，在本文的接收信号条件下，由热噪声引起的锁频环颤动为221 Hz。

下面在本文的接收信号条件下，用传统的载波跟踪方法仿真锁频环转锁相环时剩余的频差大小，以及锁频环转锁相环的成功概率。

锁频环转锁相环时剩余频差的仿真结果如图1所示。通过仿真统计，传统载波跟踪方法锁频环转锁相环的成功概率约为74%。

图1　传统载波跟踪方法转锁相环时的剩余频差

通过理论分析以及仿真结果可知，传统载波跟踪方法锁频环转锁相环时剩余频差振荡较大，导致在低信噪比条件下，锁相环不能入锁，载波由捕获转跟踪的成功概率较低。

2　基于锁频环+FFT+锁相环载波跟踪方法

为了提高低信噪比条件下载波捕获转跟踪的成功概率，提出了锁频环+FFT+锁相环的载波跟踪方法，如图2所示。其基本思想是锁频环跟踪稳定后，利用FFT方法进一步分析剩余频差，减小锁频环转锁相环时的频差。

图2　锁频环+FFT+锁相环载波跟踪方法原理

2.1工作原理

传统载波跟踪方法导致锁频环转锁相环的成功概率低的主要因是锁频环转锁相环时剩余频差大，锁相环无法入锁。为了减小转锁相环时的剩余频差，基于锁频环+FFT+锁相环的载波跟踪方法，在锁频环和锁相环之间加了FFT分析模块，利用FFT分析方法，对锁频环跟踪稳定后的剩余频差进行精细化分析，然后把分析结果反馈到本地NCO单元，可以大大缩小转锁相环时的载波频差。

基于锁频环+FFT+锁相环的载波跟踪方法，工作流程主要分为3步：

① 接收信号经过正交下变频后送到锁频环，锁频环对下变频后的2路数据进行积分清洗，然后进行鉴频，鉴频结果经过环路滤波器后控制本地NCO的输出，从而实现对接收信号载波频率的跟踪。环路滤波公式为[9-11]：

fll_x(n)=fll_x(n-1)+c1*dfreq(n)，

(2)

fll_y(n)=fll_x(n)+fll_y(n-1)+c2*dfreq(n)。

(3)

式中，c1和c2表示环路滤波器系数；dfreq表示鉴频结果。

② 锁频环跟踪稳定后，把下变频后的2路数据同时送到FFT模块，对锁频环跟踪稳定后剩余的频差进行估计，然后把频差估计结果反馈到本地NCO单元。与此同时，锁频环的鉴频结果dfreq置为0，即环路滤波公式变为：

fll_y(n)=fll_x(N)+fll_y(n-1)。

(4)

式中，N表示鉴相结果dfreq置0的时刻。

③ FFT模块把估计的频差反馈到本地NCO单元后，锁频环和FFT模块停止工作，由锁相环对载波频率和相位实施精密跟踪。

2.2算法仿真与分析

锁频环+FFT+锁相环载波跟踪方法是否有效关键在于2点：① 锁频环估计的多普勒变化率的精度，如果精度低，在FFT分析阶段，由剩余多普勒变化率带来的频差变化就会比较大，导致FFT分析剩余频差不准；② FFT分析剩余频差的精度，如果分析精度不够，转锁相环时频差仍然会比较大。下面分别对锁频环分析的多普勒变化率精度和FFT分析的剩余频差的精度进行仿真。

仿真1：在本文的接收信号条件下，仿真锁频环估计的多普勒变化率的精度，仿真结果如图3所示。

图3　多普勒变化率估计误差

由图3可以看出，锁频环估计的多普勒变化率最大误差为780 Hz/s，本文FFT分析的数据长度为50 ms，在FFT分析阶段，由多普勒估计误差导致的载波频差为780 Hz/s×50 ms=39 Hz。

仿真2：在本文的接收信号条件下，仿真FFT分析补偿后，转锁相环时的载波频差，仿真结果如图4所示。

图4　多普勒变化率估计误差

由图4可以看出，经过FFT分析补偿后，转锁相环时载波频差控制在20 Hz以内。

仿真3：在本文的接收信号条件下，分别仿真多普勒变化率为0和2 kHz/s条件下载波的跟踪曲线，仿真结果如图5所示。

图5　多普勒变化率估计误差

经过仿真统计，应用本文提出的载波跟踪方法，锁频环转锁相环的成功概率为100%。

3　结束语

在低信噪比条件下，载波捕获转载波跟踪变的困难，如果转跟踪失败，就需要重新捕获，增加了载波同步的时间。本文提出的锁频环+FFT+锁相环的载波跟踪方法可以有效提高载波捕获转跟踪的成功概率，减小载波同步的时间。

在硬件上实现了本文提出的载波跟踪方法，测试结果与仿真结果一致，进一步验证了本方法的正确性。

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赵国豹男，(1982—)，硕士研究生。主要研究方向：航天测控技术、信号与信息处理。

李春祎女，(1980—)，讲师。主要研究方向：信号处理。

Carrier Tracking Method Based on FLL+FFT+PLL

ZHAO Guo-bao1，LI Chun-yi2

(1.The54thResearchInstituteofCETC，ShijiazhuangHebei050081，China；2.HebeiCollegeofIndustryandTechnology，ShijiazhuangHebei050000，China)

Aiming at the problem that the traditional method is difficult to achieve the transformation from the carrier capture to the carrier tracking under the condition of low SNR,a method of carrier tracking based on FLL+FFT+PLL is presented.The method based on FFT can reduce the frequency offset when the tracking mode is transited from FLL to PLL,improving the success probability of transformation from the carrier capture to the carrier tracking.The principle of the proposed method is elaborated.The simulation results show that the success probability can reach up to 100% based on the proposed method.

carrier tracking；FLL；FFT；PLL

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.10.17

2016-07-05

国家高技术研究发展计划(“863”计划)基金资助项目(2013AA122105)。

TN81

A

1003-3106(2016)10-0069-04

引用格式：赵国豹，李春祎.基于锁频环+FFT+锁相环的载波跟踪方法[J].无线电工程,2016,46(10):69-72.