低误码率锁相解调器的设计和验证

张学斌， 刘 辉， 郭 琴， 陈春芳

(1. 海军驻上海地区航天系统军事代表室， 上海 201109； 2. 上海无线电设备研究所, 上海 200090)

0 引言

锁相接收机广泛应用于通信、雷达、航天、航海、测量、仪表、计算机、激光、原子能、电视、立体声、马达控制以及工业和地址等技术领域中[1]。采用锁相接收机进行指令信息解调,具有灵敏度高、跟踪性能好、能从噪声信号中提取出微弱指令信息等一系列优点。在解调器产品设计和研制过程中，为提高锁相解调器对信号的截获能力，通常采用宽带锁相接收机，但宽带引入的噪声使接收机的信息解调误码率偏高。采用窄带锁相接收机，又不能满足解调器对截获能力的需求。为解决这一问题，本文根据锁相接收机原理，优选了锁相解调器的中频放大电路、鉴相器，并在现有环路滤波的基础上，增加窄带环路滤波通道，应用宽、窄带滤波切换技术，在原有性能不变的基础上降低了解调误码率，通过了仿真和试验验证。

1 锁相解调原理

锁相解调器本质上是一个采用移频混频锁相体制的超外差接收机[2]，由混频器、鉴相器、环路滤波器、射频本振、信息解调组成，其原理框图如图1所示。

锁相解调器的工作过程可以分捕捉和解调两个阶段。

在锁相接收机的捕捉阶段，主要完成天线输入信号频率的捕捉。具体过程如下：锁相解调器通过天线接收射频信号，经过混频和中频放大，再与中频参考信号进行比相，比相输出信号经过环路滤波器、射频本振和混频器闭合成锁相环路。当外部天线信号在该移频混频锁相环捕捉带宽范围时，进入锁相环的入锁过程，直至环路锁定。锁相解调器锁定后，从鉴相器输出信号节点分出环路误差信号进行信息检测，完成信息解调功能。

锁相解调器依靠锁相环路的捕捉能力搜索、截获和锁定天线接收的射频信号。环路带宽是锁相解调器设计的关键，太窄将影响锁相解调器的接收功能；太宽将引入大量的噪声，使解码误码的发生概率大幅度提高。本文在锁相解调器设计的基础上，进行环路参数的计算，应用宽、窄带双环路滤波自动切换技术，实现锁相解调器的低误码、宽带截获的设计。

2 解调器设计

如图1，锁相解调器主要由鉴相器，射频本振和低通滤波器组成的基本环路完成锁相功能，由混频器、中频放大实现移频，满足系统动态的需求。

2.1 中频放大设计

在锁相解调器中，中频放大电路对混频输出信号进行放大，保证环路鉴相器工作在最佳状态。中频放大电路必须确保解调器在最小信号输入和最大信号输入时，解调器的鉴相器都能够正常工作。常见的中频放大器有自动增益控制电路和对数放大电路。

为降低锁相解调器的误码概率，采用放大限幅电路，将输入信号饱和放大，采用零值比较器整形成TTL方波信号，可作为异或门输入。限幅器是一个非线性器件，对信号中的幅度噪声具有较强的抗干扰能力。当信号受到幅度噪声干扰，只要噪声幅度小于信号单峰值，就不会影响中放限幅的信号输出，具有较好的抗噪声能力。

2.2 鉴相器设计

目前主要使用四种鉴相器：线性乘法器(也叫四象限乘法器)、门电路(如异或门)、边沿触发器(如JK触发器)以及鉴频/鉴相器(PFD)[3]。为降低灵敏度附近的干扰噪声，锁相解调器选用异或门鉴相器进行比相，在器件上选用异或门74LS86。

异或门鉴相器以两个TTL周期脉冲信号作为比相输入，当两个输入信号存在相位差Δθ时，输出端F的波形的占空比与Δθ有关。不同的相位差Δθ，有不同的鉴相输出电压直流分量Ud，其相互关系可用图2来描述。

从图2中可知，两者呈简单线形关系：Ud=KdΔθ，Kd为鉴相灵敏度。 根据实际电路测试结果，本文鉴相器灵敏度Kd取0.56 V/rad。

2.3 射频本振设计

射频本振是锁相解调器所使用的微波源，在锁相环路中起着压控振荡器的作用。射频本振振荡瞬时角频率ω0可以表示为

ω0(t)=ωom(t)+Ko×UF(t)

式中：ωom为射频本振基准振荡频率；Ko为射频本振控制特性曲线的斜率，或称压控灵敏度；UF为射频本振控制电压输出。

射频本振控制特性曲线的斜率可以由宽带调谐电压扫描试验获取，通过记录电压和输出频率，绘制出频率—电压变化曲线。根据实际电路测试结果，本文压控斜率Ko取0.75 MHz/V。

2.4 宽、窄带环路滤波器设计

宽、窄通道所使用的环路滤波器为无源比例积分滤波器，如图3所示。

其传递函数为

其中：

τ1=(R1+R2)C1

τ2=R2C1

窄通道环路滤波器设计参数：R1=100 Ω，R2=10 Ω，C=9.5 μF。宽通道环路滤波设计参数：R1=12.1 kΩ，R2=220 Ω，C=0.01 μF。根据图4所示电路图建立MATLAB仿真模型[4]，进行幅频特性和相频特性进行仿真，结果如图4所示。

图4(a)中，宽通道滤波3 dB截止频率在10 kHz附近，而窄通道3 dB截止频率则小于10 Hz。窄通道滤波器在10 kHz附近的抑制能力比宽通道强45 dB左右。因此，窄带滤波器在环路噪声抑制能力上大大增强。

图4(b)中，宽通道滤波对输入信号相移曲线的变化从1 kHz左右开始，而窄通道滤波则从0.1 Hz开始就有相移。因此，窄通道滤波对环路相位裕量、捕捉能力有较大的影响，不适合作为锁相环的捕捉环路滤波。

2.5 带宽切换设计

带宽切换的锁相解调器原理如图5所示[5]。

鉴相器输出的环路误差信息被分为三路，分别进入宽带环路滤波、窄带环路滤波和信息解调电路。信息解调电路对环路误差信息进行解调，解调成功后送出开关控制信号和信息；宽带环路滤波输出接入开关，加电默认接通宽带环路滤波；窄带环路滤波输出也接入选择开关，初始上电并不接入锁相环路，由信息解调成功后，送出开关控制信号，切换锁相解调器的环路滤波器，进入窄带工作模式。

3 锁相解调特性仿真

锁相解调器的解调特性取决于锁相环的误差传递函数。根据上述鉴相器、VCO、宽窄通道滤波等环路参数，在MATLAB中建立锁相环路仿真模型，误差传递函数的仿真结果如图6所示。

图6(a)中，窄通道锁相环路传递函数的幅频特性与高通滤波基本一致，3 dB截止频率在1 kHz左右；只要解调信息，大于10 kHz，锁相环路的误差输出的幅度没有任何衰减。而宽通道锁相环路则对1 MHz以下的信号均存在不同程度的衰减。调制信息中1 MHz以下的频率分量均受到不同程度的损耗，从而在一定概率上影响锁相解调性能。

图6(b)中，窄通道锁相环路对大于100 kHz信号，其误差传递函数在相位上趋近于0。而宽通道锁相环路为了保证其捕捉性能，在1 kHz～1 MHz范围内，其误差传递函数的相位随频率变化。当解调信号存在复杂频率成分时，该传递函数相位的变化将在一定概率上影响锁相解调性能。

因此，在宽带完成环路捕捉后，切换到窄带进行信息解调，将大大抑制宽带噪声，降低宽带锁相环环路对信息解调的影响，从而降低误码率。

4 试验验证

为验证设计正确性，进行以下三个状态的试验：

a) 状态1，仅采用宽通道滤波器的锁相解调器；

b) 状态2，仅采用窄通道滤波器的锁相解调器；

c) 状态3，采用宽、窄通道滤波器自动切换的锁相解调器。

试验结果如表1所示。

表1 信息解调性能对比试验结果

结果表明仅采用宽通道滤波的试验状态，其误码概率较高；仅采用窄通道滤波的试验状态，其锁相环路不能截获；宽窄通道滤波自动切换的试验状态具有较低的误码率，同时保持了宽通道滤波的截获性能。

5 结束语

本文从锁相解调器误码率偏高的实际问题出发，设计了低误码锁相解调器。通过恰当选择锁相解调器的中频放大电路、鉴相器，减小噪声对环路的影响；通过宽、窄带滤波切换，压缩信息解调时的噪声带宽，在原有性能不变的基础上降低了解调误码率。试验结果表明，该设计解决了窄通道的截获能力不足、宽通道解调误码率偏高的问题。该设计方法对低误码锁相解调器产品的设计具有重要的参考价值。