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数字锁相环假锁现象分析及对策中国酒泉卫星发射中心指控站闫志明姚峰琪摘要测控设备中出现的锁相环假锁现象会给试验任务造成很大危害、一本文介绍了某测控系统数字载波锁相环基本原理，分析了工作中出现。的假镇现象，查找出问题原因，并对问题的解决提出了自身的看法主题词数字锁：桕环假锁FFT频率引导捕获带l概谜测控系统服务的对象主要是导弹、卫星及飞船等远距离飞行目标，受飞行器应答机星 上发射功率的限制，接收信号往往很弱，此外由于飞行空间复杂的电磁环境，以致信号深 埋在噪声之中，给遥测信号的解调，测距、测速信号的提取，以及角跟踪都带来实际困难， 锁相环具有良好的窄带滤波性能及低门限解调性能，因而被广泛应用于测控系统接收机 中。最初的测控设备大多采用模拟锁相环，结构简单，便于调整，但同时也存在体积较 大、精度不高等不足。数字电路具有可靠性高、性能好、体积小、价格低等优点，用数字 锁相环代替模拟锁相环，可以提高环路的工作稳定性和可靠性，从而提高整个系统的性能 因而人们在发展模拟锁相环的同时亦致力于发展数字环随着数字电路技术的发展：特剐 是大规模集成电路的迅速发展和徽处理器的广泛应用，数字锁相环在工程中的应蔚基戒，旷7 可能。2数字锁相环假锁现象；某单站跟踪的连续波测控系统，同时具有雷达测速定位和通讯等多项功能，其下行信号不仅含有距离速度信息，还有遥测信号等多个副载波信号。其频谱见图l：。；、。一。、4-h；一 Lt每At A图l、下行信号频谱图其中，0表示载波频率，()l、()2为副载波频率。180为实现下行信号的捕获与跟踪，该系统接收机采用数模结合的数字载波锁相环。环路 集载波跟踪、FFT频率引导、多普勒频率提取、AGC等功能于体，提高了设备的可靠性， 同时又简化了设备结构。环路结构如图2所示：如图所示，数字载波锁相环主要由二中放、三混频、三中放、高速AD变换器、高 速信号处理器DSP、数控振荡器DCO、移频器等电路组成。外部输入的二中信号在三混频 处与三本振信号混频，产生宽三中信号送往测距终端。AD、DSP、DCO构成环路的运算控 制电路，通过控制DCO输出完成环路的捕获和跟踪。同时，DSP将多普勒信息提供给测速 终端。AGC环则控制信号电平的变化，使环路输出电平保持一致。图2、数字载波锁相环结构框图正常工作情况下，环路应锁定在下行载波信号上，实现载波频率的捕获与跟踪，提取 多普勒频率，同时保证调相信号的相干解调和角误差信号的相关检波等。但由于下行载波 上加调了遥测等多个副载波信号，环路有可能错锁在副载波边带上而致使遥测和测距功能 丢失，这种现象就称为假锁或错锁。为了更好地理解假锁现象，请看下面两个例子：例1、以接收机模拟源作为输入信号，当模拟源输出开路时，接收机锁相环锁定 指示灯亮，DCO电压表指针正偏，AGC电压很小。(注：DCO电压表指针正偏表示输入 信号正偏于锁相环中心频率；AGC电压表示输入信号电平强弱)接入模拟源信号， 环路状态不变：环路复位以后，DCO电压表指针在零附近，AGC电压较大，且随输入 信号的变化而变化。 利用频谱仪在接收机输入端进行测试，发现在接收机中心频率(模拟源输出频率)附近存在一微弱的干扰信号。例2、利用标校塔上联试应答机进行系统有线联试，反复调整天线位置，却观测 不到有信号输入。用频谱仪在接收机输入端观察，发现存在输入信号，信号频率偏离 接收机中心工作频率。 调整接收机中心频率，使之与输入信号相同，接收机工作恢复正常。3假锁原因分析yt，在环路锁定之前，由：j二三中信号中含有多普勒频移，锁相环路不能一下子就进入快捕 状态；同时，下行载波上调制有遥测等各副载波信号，环路有可能错锁在副载波信号上。 为了完成快速频率捕获和防止边带错锁，数字载波锁相环采用FFT频率引导将三中频信号 引导到快捕带内。在锁相环中，频率引导主要是通过高速信号处理器(DSP)进行的。如上匿(图3)所示，DSP主要由中心处理器(CPU)、存储器、FFT处理芯片及总线、驱动器等组成。其 工作流程如下：首先，CPU进行初始化状态设置，发出AD采样指令，锁相环三中信号经 AD采样后，存入数据存储器。AD转换器采样1024个点后，CPU发出指令，FFT处理器 进行运算，运算完毕后结果存入存储器。CPU对存储器中的数据进行模值判大，得出信号 频率码，控制DCO输出本：振信号。至此，频率引导结束，进入环路跟踪状态，DSP继续完 成三种运算：载波环路滤波、锁定判决、AGC环路滤波。若环路判决为失锁，则CPU重新 进行初始化和频率引导。ABUSI_一AGc、”t、。：鬻图3、DSP组成原理框图二。，：采用FFT频率引导可使系统的捕获时间大大缩短(小于05秒)，而且由于以输出信号频 谱的最大值为信号载波频率估值，因此可以有效的防止环路错锁在比载波电平低(3dB 的调制边带上。但是，由于数字锁相环自身设计上的缺陷以及相关参数设置的不恰当，环。路仍旧可能形成假锁。下面我们将逐一加以分析：首先，来看一下频率引导过程。在锁相环路中。保证环路必然进入锁定状态的最大 固有频差称为捕获带。环路的捕获带不是无限宽的j而是有一定范围。在FFT频率引导过 程中，将环路捕获带平均分为18个频率区间，依次对每一频率区间进行频谱分析单个 区间频谱分析的数学模型为：X(K)_x毒W毒打#D式中x(n)为输入采样序列，N为采样点数：J82WN=e一胁Nj=cos(2xN)一jsin(2zN)对输入的1024点时间序列进行离散傅立叶变换(DFT)，就可得出对应的频谱序列， 从而在强噪声背景下对信号频率作出估值，判断出每一频率区间的最大模值。CPU对18 个区间的模值加以比较，得出最大模值及对应频率码，控制DCO输出并经频谱搬移得出三 本振信号，参与环路混频，使接收信号落到快捕带内。假若副载波边带调制度设置不当， 造成边带电平高于载波电平(图4)，则根据最大模值判决原则，锁相环路就会锁定在副 载波边带上形成假锁。L八l1八 八。图4、调制度设置不当时信号频谱l其次，如果锁相环中心工作频率设置石当，同样会造成环路假锁，如图5所示，如果 锁相环中心工作频率(3)与输入信号频率(o)不同，造成输入信号负载波边带在 环路捕获带以内，而载波频率在环路捕获带以外的情形，环路会锁定在副载波边带(0+：()i)上，形成假锁。J L八八八八八113譬L图5、造成假锁 再者，DSP程序流程设计上存在的缺陷为环路的假锁创造了机会。其具体工作流程见图6：如图所示，载波锁相环捕获过程中采用“先入为主的原则，FFT频率引导只有在环 路失锁时才进行。环路在锁定某一输入信号之后处于同步跟踪状态，由于环路同步带大于 环路的捕获带，一但错锁，除非环路失锁或人工干预，否则将不再进行频率引导。在例1 中，锁相环实现对中心频率附近干扰信号的捕获与跟踪，在工作信号输入后，由于干扰信 号仍然存在，环路不会失锁。这样，锁相环将继续锁定在干扰信号上，形成假锁。在对锁 相环人工失锁后，环路重新进行频率引导和载波捕获，锁定输入信号，工作恢复正常。183：、_冀系j1fJ；j。、图6、DSP软件工作流程：，。，0。：。囊，一辫_J：、，、一k图7、DSP软件流程改进方案l譬剁。：!二：蒸：皇宣2i翻在频率引导过程中，环路采样频率fs=63025KIIz，采样1024点所需时间为 NT=16ms；FFT运算，包括加窗处理以及信号检测，约需2ms，这样处理一次共需18ms。 对18个区间进行运算，所需时间为1818=324ms。按照上述设想，在环路跟踪的同时引 入频率引导，就会大大降低环路的反应速度，造成输出信号延迟，有用信息丢失，进而造 成终端设备如遥测终端、测距测速终端的误差增大，这显然是不足取的。图8所示是一个 折衷的方案，即按照一定的时间间隔t(如2s、5s)进行FFT频率引导，在满足系统误差 要求的情况下防止环路假锁。防止假锁的另一个方法是对锁定条件进行改进。如图1所示，锁相环接收信号为双边 带调制信号，副载波信号对称调制在载波两侧。若两区间信号模值相等或相差不大(2dB)， 则此信号显然为副载波边带。若在锁相环路完成“模值最大”判决以后，增加对称性判 定，就可以最大可能地避免环路锁定在副载波上。同时，在保证系统接收灵敏度的同时， 适当提高载波锁相环的锁定判决门限，就可以排除微弱干扰信号的影响，避免错锁。图8、DSP软件流程改进方案25结束语在试验任务过程中，假锁现象会导致下行信号信息丢失，严重时会导致系统功能丧失， 造成极大危害。在合理选择系统工作参数，如下行调制度、环路带宽等的同时，迅速而准 确的判断出假锁并加以纠正，是岗位技术人员的一项重要工作。现有条件下，如果发现锁相环路出现假锁，可以通过人工失锁、复位或重新加电的方 法使环路重新捕获，若仍然不能排除，就要检测锁相环路输入、输出信号，查找出问题所 在，并最终予以