软件锁相环的设计与应用

根据虚拟无线电技术的特点和锁相环的基本原理,提出一种适于计算机软件化实现的锁相环数学模型,分
析不同参数对锁相环捕获和跟踪性能的影响,得出不同情况下参数设定的基本准则。计算机仿真结果表明,软件锁相环
在加性高斯白噪声信道下具有较好的捕获与跟踪性能。最后提出软件锁相环在测控系统中实现信号实时处理的优化方
法。
关键词:虚拟无线电; 　软件锁相环; 　鉴相器; 　环路滤波器; 　压控振荡器

随着通用计算机性能的不断提高,以DSP和FPGA为代表的专用软件无线电平台正在逐渐向通用化
处理器(例如CPU)的平台转变。目前,国外已经出现了基于通用计算机的“虚拟雷达”和“软件GPS接收
机”,国内也研制成功了“软件化数字电视”[ 1～3 ] 。这种以通用计算机为处理平台,利用计算机软件完成信
号实时处理的技术在国外被称为虚拟无线电,它是软件无线电技术的一种发展趋势[ 4 ] 。
锁相环是一种常用的信号处理方法,它广泛应用在测控信号相干解调、时间同步、频率合成等领域。
目前使用的锁相环可以分为模拟锁相环、数字锁相环、全数字锁相环和软件锁相环[ 5 ]等几种。随着虚拟
无线电技术的出现,软件锁相环得到了越来越广泛的应用。尽管与其他类型锁相环相比,其基本原理并没
有太大变化,但在数学模型、参数设计和实现方式方面却存在较大的差异。本文以二阶二型锁相环为例,
根据计算机软件处理的特点,研究软件锁相环数学模型及参数设计,并通过计算机仿真验证锁相环在不同
信噪比时的性能,提出实现信号实时处理的改进措施。
1　数学模型
实质上,软件锁相环可以认为是一个时间离散的模拟锁相环[ 5 ] 。二阶二型锁相环的s域模型示于图
1。将一个模拟系统转换为功能相同、性能相近的离散系统采用的方法主要有导数逼近法、冲激响应不变
法、双线性变换法和零极点匹配法等几种[ 6 ] 。这里选用双线性变换法。　环路滤波器
二阶锁相环中的环路滤波器是一个单极点的无限冲击激响应( IIR) 滤波器,它将鉴相器输出的角误
差量转化为控制输出频率的电压分量。根据环路滤波器的z域模型得到其时域的差分方程。