一种锁相接收机混合环路的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种锁相接收机混合环路，包含常规的锁相接收机的锁相环路，其中环路滤波器采用混合设计方法，由两个一阶有源滤波器组成，两个有源滤波器参数相同，当接收信号未锁定时仅其中一个有源滤波器工作，另一个滤波器等效为幅度衰减器，此时环路为常规的二阶环路；当接收信号锁定时两个有源滤波器均参与工作，此时环路为三阶环路，切换功能由锁定指示信号通过开关控制自动进行。本发明的锁相接收机混合环路，与传统二阶环路相比既提高了锁相接收机静态频率稳定性，又降低了由输入频率变化引起的稳态相位误差，与三阶环路相比更容易捕获信号，适合对灵敏度及稳态相位误差要求较高的信号的接收，特别适用于深空探测领域。
【专利说明】一种锁相接收机混合环路
【技术领域】
[0001] 本发明涉及锁相接收机接收环路设计领域，特别涉及一种锁相接收机混合环路。
【背景技术】
[0002] 目前，宇航系统中测量卫星飞行轨道最常用的一种方法叫多普勒测速定轨法，当 卫星相对地球运动时会产生多普勒效应，通过测量多普勒频率可以计算出卫星相对地球运 动速度。由于卫星距离地面站十分遥远，接收的信号十分微弱，其强度与接收机内部噪声强 度差不多，接收信号一般都被噪声所淹没，普通接收机已不能完成信号捕获和跟踪，此时需 由锁相接收机完成多普勒频率的测量。锁相技术起源于上世纪三十年代，随着技术的不断 发展，特别是人造卫星和宇宙飞船的出现，锁相接收技术得到了大量应用，发展至今已十分 成熟。
[0003] 锁相接收机中锁相环路的阶数为环路滤波器阶数加一，如采用一阶环路滤波器则 锁相环路为二阶，采用二阶环路滤波器则锁相环路为三阶。卫星接收机中一般采用二阶锁 相环路，根据理论分析，对于给定的环路带宽，当接收信号存在多普勒频移时二阶锁相环路 会产生相应的稳态相位误差，多普勒频移越大产生的稳态相位误差越大，环路就越容易失 锁越不稳定，稳态相位误差一般要求不大于5°。稳态相位误差在一定范围内与环路带宽成 反比，为了保持环路锁定可以提高环路带宽，而环路带宽增大会使环路噪声功率增加从而 造成接收机灵敏度下降。对二阶锁相环路而言，环路带宽和稳态相位误差是相互矛盾的，使 得接收机灵敏度和所能跟踪的多普勒频率范围是相互矛盾的，一般情况下需要根据指标进 行综合设计。
[0004] 随着空间技术的发展，特别是深空探测的不断开展，由于通信距离更加遥远，工作 频率更高，卫星相对地球运动更快，需要跟踪的多普勒频率范围和变化率增加，而且卫星接 收机灵敏度要求更高，很多场合二阶环路已不能满足要求，需要采用三阶环路。采用三阶环 的优点在于其稳态相位误差比二阶环小一个数量级以上，在相同的多普勒频率和稳态相位 误差要求下，环路带宽可以做窄，以提高灵敏度，这对深空探测领域十分重要。而三阶以上 环路设计十分复杂，不适于卫星通信中的使用。
[0005] 但三阶环路捕获性能较差，因此如何既能利用二阶环路较好的捕获信号的能力， 又可以利用三阶环路良好的稳态相位误差是目前星载接收机环路面临的一个主要问题。
[0006] 本发明的接收机混合环路考虑上述问题，根据卫星对接收机静态频率稳定性的较 严格的要求，考虑到信号未锁定时需要压控晶振输出频率比较稳定，采用混合环路设计的 方法：接收信号捕获前锁相环路为二阶环，此时环路直流增益较小，压控晶振电压控制端 直流电压变化范围较小，其输出频率频移很小，接收机静态频率比较稳定，信号捕获能力较 好；捕获信号后自动切换成三阶环，此时环路增益较大且稳态相位误差较小。通过这种混合 环路设计，接收机灵敏度可以增加5dB以上。
[0007] 目前没有发现同本发明类似技术的说明或报道，也尚未收集到国内外类似的资 料。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的在于提供一种锁相接收机的混合环路，以解决现有信号接收机的减 少稳态相位误差与提高灵敏度两者相互矛盾造成难以在高多普勒范围与低接收功率之间 相互取舍的问题。
[0009] 本发明的第二目的在于提供一种锁相接收机的混合环路，以解决星载接收机采用 二阶锁相环路会产生相应的稳态相位误差，所能跟踪的多普勒频率范围有限的问题。
[0010] 本发明的第三目的在于提供一种锁相接收机的混合环路，以解决星载接收机采用 三阶锁相环路在相同的多普勒频率和稳态相位误差要求下，捕获性能差的问题。
[0011] 为解决上述问题，本发明提供的一种锁相接收机混合环路，包括主鉴相环路、副鉴 相环路、环路滤波器及开关，接收信号输入所述主鉴相环路进行处理后输出直流电压信号 和交流差拍信号，所述直流电压信号和交流差拍信号输入所述环路滤波器进行低通滤波， 滤除交流差拍信号后将所述直流电压信号输出至所述副鉴相环路，所述副鉴相环路处理所 述直流电压信号并输出锁定指示信号至所述开关以控制所述环路滤波器； 其中，所述环路滤波器包括一第一级有源滤波器及一第二级有源滤波器，所述第一级 有源滤波器与第二级有源滤波器串联，所述第一级有源滤波器的外围电路中包括第一滤波 电容，所述第二级有源滤波器的外围电路中包括第二滤波电容，所述开关与所述第二滤波 电容并联； 当所述锁定指示信号未达到最大值时，所述开关闭合，所述第二滤波电容被短路，所述 第二级有源滤波器不进行滤波，等效为衰减器，此时锁相接收机环路为二阶环路；当所述锁 定指示信号达到最大值时，所述开关断开，所述第二滤波电容不被短路，此时所述第二级有 源滤波器进行滤波，此时锁相接收机环路为三阶环路。
[0012] 较佳地，所述第一级有源滤波器及第二级有源滤波器均为中增益有源滤波器，有 源滤波器直流增益根据接收信号的频率扫描范围及稳态相位误差进行设置，且两个环路滤 波器参数取值相同。
[0013] 较佳地，所述主鉴相环路包括接收前端变频器、中频处理器、功分器及主鉴相器； 接收信号输入接收前端变频器下变频处理输出下变频的中频信号；所述下变频的中频 信号输入所述中频处理器，放大、滤波处理后输出放大、滤波后的中频信号；所述放大、滤波 后的中频信号输入所述功分器进行分路，分路后输出第一中频信号及第二中频信号；所述 主鉴相器中接收所述第一中频信号及晶振信号并进行相位比较，输出所述直流电压信号和 交流差拍信号； 所述副鉴相环路包括压控晶振、移相器、副鉴相器及电压比较器； 所述压控晶振在所述直流电压信号的控制下输出所述晶振信号；所述移相器接收所述 晶振信号并进行移相，移相后输出移相信号；所述副鉴相器接收所述第二中频信号与所述 移相信号，进行鉴相并输出所述锁定指示信号； 其中，所述晶振信号还输入所述倍频器进行倍频处理，输出倍频本振信号至所述接收 机前端变频器用于对接收信号进行下变频处理。
[0014] 较佳地，所述副鉴相器鉴相时，当所述第二中频信号与所述移相信号频率相同相 位差固定不变时，输出的所述锁定指示信号达到最大值，第二中频信号锁定，所述电压比较 器输出高电平的锁定指示控制电压至所述开关，此时开关断开； 当所述第二中频信号与所述移相信号频率不同或频率相同相位差变化时，输出的所述 锁定指示信号不能达到最大值，第二中频信号不锁定，所述电压比较器输出低电平的锁定 指示控制电压至所述开关，此时开关闭合。
[0015] 较佳地，该混合环路的各组成部分所用元器件均为模拟器件，混合环路内部开关 控制及信号处理过程自动进行。
[0016] 本发明所提供的一种锁相接收机混合环路设计方法，与常规的二阶环路相比硬件 上仅增加一级有源滤波器，但能实现更高的灵敏度以及跟踪更宽的多普勒动态范围，与三 阶环路相比更容易实现信号的锁定，具备这种二阶、三阶环路可切换的混合环路的接收机 其动态性能及灵敏度均有提高，适应性更强。
[0017] 本发明提供的一种锁相接收机混合环路设计方法，可以应用到所有的对灵敏度要 求较高及多普勒范围变化较大的高频信号通信接收机中，特别适合于星载通信接收机，以 利于其在月球、火星等对灵敏度要求极高且多普勒范围和变化率较大的深空探测场合的应 用。
[0018] 本发明所提供的一种锁相接收机混合环路，通过采用纯模拟设计方法，内部无数 字器件，无需软件设计，成本、功耗低，简单可靠。具备该环路的星载接收机可以避免出现大 规模数字器件的接收机需要重点解决的抗单粒子风险，并且具备该环路的星载接收机抗空 间辐照能力强。
【专利附图】
【附图说明】
[0019] 图1为本发明提供的一种锁相接收机混合环路整体组成示意图； 图2为本发明提供的一种锁相接收机混合环路的环路滤波器组成框图。
【具体实施方式】
[0020] 为更好地说明本发明，兹以一优选实施例，并配合图1、图2对本发明作详细说明， 具体如下： 如图1所示，本发明提供的一种锁相接收机混合环路，包括主鉴相环路、副鉴相环路、 环路滤波器N5及开关N6,接收信号输入主鉴相环路进行处理后输出直流电压信号和交流 差拍信号，直流电压信号和交流差拍信号输入环路滤波器N5进行低通滤波，滤除交流差拍 信号后将所述直流电压信号输出至副鉴相环路，副鉴相环路处理直流电压信号并输出锁定 指示信号至开关N6以控制环路滤波器N5。
[0021] 如图2所示，环路滤波器N5还包括一第一级有源滤波器及一第二级有源滤波器， 第一级有源滤波器与第二级有源滤波器串联，所述第一级有源滤波器的外围电路中包括第 一滤波电容C1，所述第二级有源滤波器的外围电路中包括第二滤波电容C1'，开关N6与所 述第二滤波电容C1'并联。
[0022] 其中，主鉴相环路还包括接收前端变频器N1、中频处理器N2、功分器N3及主鉴相 器N4 ;副鉴相环路还包括压控晶振N8、移相器N10、副鉴相器Nil及电压比较器N9。
[0023] 工作时，主鉴相环路中的接收前端变频器N1输入接收信号，并将接收信号下变频 输出下变频的中频信号，中频信号一般为10M左右；下变频的中频信号输入中频处理器N2， 进行放大、滤波处理，处理后输出放大、滤波后的中频信号；放大、滤波后的中频信号输入功 分器N3进行分路，分路后输出第一中频信号及第二中频信号；主鉴相器Μ中接收第一中频 信号及来自所述压控晶振Ν8的晶振信号，对第一中频信号及晶振信号进行相位比较，输出 直流电压信号和交流差拍信号。
[0024] 所述直流电压和交流差拍信号输入环路滤波器Ν5,进行低通滤波，滤除交流差拍 信号，并输出直流电压信号作为压控晶振控制信号至压控晶振Ν8,以控制压控晶振Ν8的输 出信号频率；压控晶振Ν8在压控晶振控制信号的控制下输出晶振信号；移相器Ν10接收该 晶振信号并进行移相处理，输出移相信号；副鉴相器Nil接收第二中频信号与移相信号，进 行鉴相处理，并输出锁定指示信号至电压比较器N9以控制开关N6 ;倍频器N7接收晶振信 号进行倍频处理，输出倍频本振信号至接收机前端变频器N1，用于对接收信号进行下变频 处理。
[0025] 副鉴相器Nil鉴相时，当第二中频信号与移相信号频率相同相位差固定时，输出 的锁定指示信号达到最大值，第二中频信号锁定，电压比较器N9输出高电平的锁定指示控 制电压至开关N6,此时开关N6断开； 当所述第二中频信号与所述移相信号频率不同或相位差变化时，输出的锁定指示信号 不能达到最大值，第二中频信号不锁定，电压比较器N9输出低电平的锁定指示控制电压至 开关N6,此时开关N6闭合。
[0026] 本实施例中的第一级有源滤波器及第二级有源滤波器均为中增益有源滤波器，有 源滤波器直流增益根据指标进行设置，即根据接收信号的频率、晶振信号倍频次数及稳态 相位误差进行设置，且两个环路滤波器的元器件参数取值相同，即R1=R1'，R2=R2'，R3=R3'， C1=C1'，Ν1=ΝΓ。一般情况下，采用该环路的卫星通信锁相接收机中，环路滤波器的电容C 取值范围为luF?10yF，且R2大于50倍R1，R1大于50倍R3。
[0027] 当开关N6闭合时，第二滤波电容C1'被短路，第二级有源滤波器不进行滤波，且运 放直流增益为（R3'//R2'）/R1'小于1，等效为衰减器，压控晶振控制电压波动范围很小， 压控晶振输出频率比较稳定，对提高锁相接收机静态频率不确定性指标十分有利，此时所 述环路滤波器为一阶，锁相接收机环路为二阶环路，信号容易锁定。
[0028] 当信号锁定时，锁定指示电压控制开关N6断开，第二滤波电容C1'不被短路，参与 交流信号滤波，此时第二级有源滤波器进行正常的滤波工作，且运放直流增益为R2/R1'远 大于1，可降低多普勒频率引起的稳态相位误差，此时环路滤波器为二阶，锁相接收机为三 阶环。此时稳态相位误差极小，通过设置合适的环路参数(阻尼系数大于1)，收窄环路带宽 (增大C1或R1，增大R3,同时保持R2/R1比值不变，可减少环路滤波器时间常数)，可以极大 提高锁相接收机灵敏度。同时，提高阻尼系数在该三阶环路中有利于信号的稳定跟踪。
[0029] 当接收信号未锁定时锁定指示控制电压控制第二级源滤波器中电容旁路不工作， 仅第一级有源滤波器工作，且环路直流增益较小，有利于降低压控晶振零点漂移，使环路更 容易捕获信号；当接收信号锁定后两个有源滤波器均工作，此时环路直流增益为两个滤波 器增益之积，增益增大，环路稳态相位误差更小，可跟踪的多普勒频率范围更宽。
[0030] 该混合环路内部信号的电平比较、判决、开关切换控制等过程均自动进行，无软件 程序控制，各部分所用元器件均为模拟器件。
[0031] 综上所述，本发明所提供的一种锁相接收机混合环路设计方法除具有基本的锁相 接收机功能外，仅增加一级有源滤波器，通过二阶和三阶混合环路设计，利用锁定指标信号 自动切换锁相环路的阶数，可以极大降低多普勒频率引起的稳态相位误差，有效提高接收 机灵敏度。通过设置合适的环路参数，灵敏度可以增加5dB以上。
[0032] 本领域的研究和设计人员可以对本发明的一种锁相接收机混合环路设计方法进 行各种改动和变化而不脱离本发明的本质范围。若任何本领域的技术人员在本发明揭露的 技术范围内，对本发明做出变形及替换，则这些变形及替换均属于本发明权利要求及其等 同技术的保护范围之内，因此，本发明的保护范围应以所述的权利要求的保护范围为准。
【权利要求】
1. 一种锁相接收机混合环路，其特征在于，包括主鉴相环路、副鉴相环路、环路滤波器 及开关，接收信号输入所述主鉴相环路进行处理后输出直流电压信号和交流差拍信号，所 述直流电压信号和交流差拍信号输入所述环路滤波器进行低通滤波，滤除交流差拍信号后 将所述直流电压信号输出至所述副鉴相环路，所述副鉴相环路处理所述直流电压信号并输 出锁定指示信号至所述开关以控制所述环路滤波器； 其中，所述环路滤波器包括一第一级有源滤波器及一第二级有源滤波器，所述第一级 有源滤波器与第二级有源滤波器串联，所述第一级有源滤波器的外围电路中包括第一滤波 电容，所述第二级有源滤波器的外围电路中包括第二滤波电容，所述开关与所述第二滤波 电容并联； 当所述锁定指示信号未达到最大值时，所述开关闭合，所述第二滤波电容被短路，所述 第二级有源滤波器不进行滤波，等效为衰减器，此时锁相接收机环路为二阶环路；当所述锁 定指示信号达到最大值时，所述开关断开，所述第二滤波电容不被短路，此时所述第二级有 源滤波器进行滤波，此时锁相接收机环路为三阶环路。
2. 根据权利要求1所述的一种锁相接收机混合环路，其特征在于，所述第一级有源滤 波器及第二级有源滤波器均为中增益有源滤波器，有源滤波器直流增益根据接收信号的频 率扫描范围及稳态相位误差进行设置，且两个环路滤波器参数取值相同。
3. 根据权利要求1或2所述的一种锁相接收机混合环路，其特征在于， 所述主鉴相环路包括接收前端变频器、中频处理器、功分器及主鉴相器； 接收信号输入接收前端变频器下变频处理输出下变频的中频信号； 所述下变频的中频信号输入所述中频处理器，放大、滤波处理后输出放大、滤波后的中 频信号；所述放大、滤波后的中频信号输入所述功分器进行分路，分路后输出第一中频信号 及第二中频信号；所述主鉴相器中接收所述第一中频信号及晶振信号并进行相位比较，输 出所述直流电压信号和交流差拍信号； 所述副鉴相环路包括压控晶振、移相器、副鉴相器及电压比较器； 所述压控晶振在所述直流电压信号的控制下输出所述晶振信号；所述移相器接收所述 晶振信号并进行移相，移相后输出移相信号；所述副鉴相器接收所述第二中频信号与所述 移相信号进行鉴相并输出所述锁定指示信号； 其中，所述晶振信号还输入所述倍频器进行倍频处理，输出倍频本振信号至所述接收 机前端变频器用于对接收信号进行下变频处理。
4. 根据权利要求3所述的一种锁相接收机混合环路，其特征在于，所述副鉴相器鉴相 时，当所述第二中频信号与所述移相信号频率相同相位差固定不变时，输出的所述锁定指 示信号达到最大值，第二中频信号锁定，所述电压比较器输出高电平的锁定指示控制电压 至所述开关，此时开关断开； 当所述第二中频信号与所述移相信号频率不同或频率相同相位差变化时，输出的所述 锁定指示信号不能达到最大值，第二中频信号不锁定，所述电压比较器输出低电平的锁定 指示控制电压至所述开关，此时开关闭合。
5. 根据权利要求1所述的一种锁相接收机混合环路，其特征在于，该混合环路的各组 成部分所用元器件均为模拟器件，混合环路内部开关控制及信号处理过程自动进行。
【文档编号】H04B1/16GK104158553SQ201410429908
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年8月28日 优先权日:2014年8月28日
【发明者】王文伟, 侯建文, 张玉花, 江勇, 胡震亚, 苗瑞琴, 梁志林, 欧阳尚荣 申请人:上海航天电子通讯设备研究所