高阶窄带锁相环技术研究

论文摘要

深空测控系统中,由于受航天器应答机发射功率的限制,且目标距离又很远,造成中频输出信号的载噪比很低。另外,深空飞行器的高速运动又使应答机下发的下行信号中夹杂着高动态多普勒信号。这些因素导致传来的载波信号难于捕获、跟踪,给遥测信号的解调,测距、测速信号的提取都带来实际困难。针对此问题,本文特别设计了高阶锁相环捕获深空多普勒信号。针对传统二阶锁相环跟踪多普勒信号产生非零值稳态相差致使环路失锁的问题,本文独特地采用了特殊2型环路滤波器（环路滤波器传函含有2个原点处的极点）设计三阶锁相环系统,利用奈奎斯特稳定判据证明此高阶锁相环系统为稳定、可靠系统。文中重点设计锁相环中环路滤波器部分,给出详尽的环路噪声带宽理论推导过程,并建立完整的环路参数设定公式。通过对比指出锁相环环路噪声带宽对系统相对稳定性的影响。理论分析及仿真结果证明此种三阶锁相环对多普勒信号具有零稳态相差的捕获能力,对含有多普勒频移的载波信号具有较好的锁定效果。锁相环路带宽和动态跟踪能力是一对矛盾指标,要求窄的环路带宽,必然使环路动态跟踪能力变弱,而宽的环路带宽又会降低锁相环抑制噪声的能力,且过低的环路信噪比会导致锁相环失锁。为解决这一矛盾,本文改进传统的单FFT运算,提出采用FFT结合扩展卡尔曼滤波的中心频率预测算法,以提高锁相环中心频率的预置精度和锁相环捕获高动态信号的能力。实现窄带下锁相环对高动态信号的捕获。最后在硬件平台上进行硬件模拟实现,使用硬件仿真实验板FPGA+DSP结构模拟锁相环的载波捕获过程。结果显示,本文所设计的三阶锁相环及其实现是正确的。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外研究现状和发展趋势
• 1.3 锁相环技术的发展
• 1.4 本文主要工作
• 第2章 锁相环原理
• 2.1 概述
• 2.2 锁相环结构模型
• 2.2.1 鉴相器
• 2.2.2 环路滤波器
• 2.2.3 压控振荡器
• 2.3 锁相环动态性能介绍
• 2.4 环路的捕获与跟踪
• 2.5 相位噪声的概念
• 2.6 锁相环路的优良特性
• 2.7 全数字锁相环简介
• 2.8 锁相环设计流程
• 2.9 本章小结
• 第3章 三阶锁相环的设计
• 3.1 采用超窄带三阶环的原因
• 3.1.1 高阶环减小稳态相差
• 3.1.2 超窄带提升环路信噪比
• 3.2 三阶3型环的绝对稳定性
• 3.2.1 奈奎斯特稳定判据
• 3.2.2 利用奈氏图分析三阶PLL的稳定性
• 3.3 环路设计
• 3.3.1 噪声带宽公式推导
• 3.3.2 环路滤波器支路参数推导
• 3.4 三阶3型环的相对稳定性
• 3.5 环路仿真测试
• 3.5.1 SystemView软件简介
• 3.5.2 建立模型
• 3.6 本章小结
• 第4章 辅助设计方法
• 4.1 加入锁频环
• 4.2 几种滤波方案
• 4.3 Kalman滤波
• 4.4 本章小结
• 第5章 残留载波锁相环接收机
• 5.1 载波接收机
• 5.1.1 环路阶数的考虑
• 5.1.2 环路带宽选择
• 5.1.3 限幅器的影响
• 5.1.4 限幅前中放带宽的选取
• 5.2 锁相接收机
• 5.3 残留载波锁相环接收机
• 5.3.1 残留载波接收机
• 5.3.2 纯侧音测距
• 5.4 接收机工作原理
• 5.5 本章小结
• 第6章 数字化处理及硬件模拟实现
• 6.1 数字化处理
• 6.2 芯片及开发软件介绍
• 6.2.1 TMS320C6000DSP芯片概述
• 6.2.2 CCS简介
• 6.2.3 FPGA开发软件Quartus Ⅱ
• 6.3 硬件设计
• 6.3.1 鉴相器的设计
• 6.3.2 DCO的设计
• 6.3.3 环路滤波器的设计
• 6.4 FPGA锁相环实现框图
• 6.5 结果验证
• 6.5.1 仪器与设备
• 6.5.2 验证结果分析
• 6.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢