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相關(guān)專(zhuān)題：
0 引 言
在軟件無(wú)線電(SDR)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的收發(fā)系統(tǒng)中，數(shù)字鎖相環(huán)在載波同步、位同步、相干解調(diào)、信號(hào)跟蹤、頻率選擇等方面發(fā)揮著重要作用，已成為數(shù)字調(diào)制／解調(diào)，數(shù)字上變頻／下變頻中不可缺少的核心器件。接收機(jī)為了提取載波，普遍采用平方環(huán)法和科斯塔斯環(huán)法，其中平方環(huán)以其電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而得到了廣泛應(yīng)用。但在平方環(huán)電路的設(shè)計(jì)中，由于NCO(或VCO)工作在2ωc頻率上，當(dāng)環(huán)路鎖定后，其N(xiāo)CO(或VCO)的輸出需經(jīng)過(guò)二分頻才能得到所需載波。而二分頻電路在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，特別是在對(duì)NCO進(jìn)行數(shù)字分頻時(shí)，用FPGA實(shí)現(xiàn)太耗資源。
以下提出一種新的數(shù)字平方環(huán)電路，實(shí)現(xiàn)了從BPSK信號(hào)中提取相干載波的功能，簡(jiǎn)單易行，便于實(shí)現(xiàn)，并對(duì)其進(jìn)行了數(shù)學(xué)推導(dǎo)和建模仿真，具有良好的實(shí)用價(jià)值。
1鎖相環(huán)的結(jié)構(gòu)
鎖相環(huán)(PLL)由鑒相器(PD)、環(huán)路濾波器(LF)以及數(shù)控振蕩器(NCO)組成，如圖1所示。
鑒相器通常由乘法器來(lái)實(shí)現(xiàn)，鑒相器輸出的相位誤差信號(hào)經(jīng)過(guò)環(huán)路濾波器濾波后，作為數(shù)控振蕩器的控制信號(hào)，而數(shù)控振蕩器的輸出又反饋到鑒相器，在鑒相器中與輸入信號(hào)進(jìn)行相位比較。PLL是一個(gè)相位負(fù)反饋系統(tǒng)，當(dāng)PLL鎖定后，數(shù)控振蕩器的輸出信號(hào)相位將跟蹤輸入信號(hào)的相位變化，這時(shí)數(shù)控振蕩器的輸出信號(hào)頻率與輸入信號(hào)頻率相等，但相位保持一個(gè)微小誤差。
2平方環(huán)法的工作原理
在平方環(huán)載波恢復(fù)電路中，BPSK信號(hào)經(jīng)平方后得到兩倍載頻的頻譜分量，用鎖相環(huán)提取這一分量，然后進(jìn)過(guò)二分頻可得到載頻分量，如圖2所示。
因鑒相器采用乘法器實(shí)現(xiàn)，則鑒相器輸出相位誤差信號(hào)為：
其中，Kd=KpA／4。環(huán)路濾波器的輸出僅與數(shù)控振蕩器輸出和輸入信號(hào)之間相位差有關(guān)，控制電壓，以準(zhǔn)確地對(duì)數(shù)控振蕩器進(jìn)行調(diào)整。顯然，當(dāng)本地恢復(fù)的同相載波與調(diào)制載波達(dá)到同頻同相時(shí)，△φ=0。因此，解調(diào)的關(guān)鍵在于調(diào)整NCO輸出信號(hào)的頻率和相位，使其最終滿足△φ=0或在一個(gè)很小的范圍內(nèi)，即相干解調(diào)的本地載波同步問(wèn)題。鎖相環(huán)在工作時(shí)可能鎖定在任何一個(gè)穩(wěn)定平衡點(diǎn)上。這意味著恢復(fù)出的相干載波可能與所需要的理想本地載波同相，也可能反相。由于本地參考載波有0，π模糊度，因而解調(diào)得到的數(shù)字信號(hào)可能極性完全相反，從而1和0倒置。這對(duì)于數(shù)字傳輸來(lái)說(shuō)當(dāng)然是不能允許的�？朔辔荒：茸畛Ｓ们易钣行У姆椒ㄊ窃谡{(diào)制器輸入的數(shù)字基帶信號(hào)中采用差分編碼。
3改進(jìn)平方環(huán)的工作原理
改進(jìn)的平方環(huán)載波恢復(fù)電路，如圖3所示。利用DDS產(chǎn)生的NCO數(shù)控振蕩器能夠輸出完全正交的正余弦信號(hào)，并考慮到三角函數(shù)之間的關(guān)系sin(2ωct+2△φ)=2sin(ωct+△φ)cos(ωct+△φ)，因此這里將NCO的頻率鎖定在載波頻率ωc上，然后將NCO兩路正余弦輸出通過(guò)一個(gè)乘法器再增益2倍，并且在FPGA實(shí)現(xiàn)時(shí)，只需要進(jìn)行簡(jiǎn)單的移位就能完成乘除法的運(yùn)算，輸出就為傳統(tǒng)平方環(huán)的NCO輸出，由于數(shù)控振蕩器將頻率鎖定在ωc上，所以它的正弦輸出即為提取的載波，省去了二分頻電路。由于傳統(tǒng)的二分頻電路均采用數(shù)字分頻電路，不能保持原有的正弦波形，因此還需要附加濾波器等電路。相比改進(jìn)的電路要復(fù)雜得多，并且在實(shí)現(xiàn)上也不如改進(jìn)之后的容易。
4環(huán)路部件
4.1 鑒相器
在鎖相環(huán)中，鑒相器(又稱(chēng)為相位檢測(cè)器)是一個(gè)相位比較裝置。它是將輸入信號(hào)與數(shù)控振蕩器的輸出信號(hào)的瞬時(shí)相位進(jìn)行比較，產(chǎn)生一個(gè)輸出電壓。這個(gè)電壓的大小，直接反映兩個(gè)信號(hào)相位差的大小；這個(gè)電壓的極性，反映輸入信號(hào)超前或滯后于數(shù)控振蕩器輸出信號(hào)的相對(duì)相位關(guān)系。由此可見(jiàn)，鑒相器在環(huán)路中是用來(lái)完成相位差與電壓變換的，其輸出誤差電壓是瞬時(shí)相位誤差的函數(shù)。
4.2環(huán)路濾波器
環(huán)路濾波器用于衰減由于輸入信號(hào)噪聲引起的快速變化的相位誤差和平滑相位檢測(cè)器泄露的高頻分量即濾波，以便在其輸出端對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行精確的估計(jì)，環(huán)路濾波的階數(shù)和噪聲帶寬決定了環(huán)路濾波器對(duì)信號(hào)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。文獻(xiàn)[5]對(duì)幾種常用的環(huán)路濾波器性能進(jìn)行了詳細(xì)的分析。由于一階環(huán)路濾波器會(huì)產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)相差，從而降低系統(tǒng)誤碼性能；三階環(huán)路濾波器實(shí)際實(shí)現(xiàn)難度較大；二階環(huán)路濾波器在直流增益為無(wú)窮大，而頻偏為常數(shù)的情況下，仍然能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)態(tài)，實(shí)現(xiàn)難度適宜，即采用二階環(huán)路濾波器，其結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。
