如何使用FPGA实现脉冲信号载波频率同步环

对脉冲信号载波频率的同步问题，提出一种快速高精度的数字锁频环路。该环路采用改进的相位差分频率估计算法进行快速载波频率粗估计，其信噪比阚值低于Kay法，在信噪比偏低时也能达到Cramer-Rao界。应用数字下变频技术和Kay算法实现载波频率的精确估计。设计实例的仿真结果表明了该环路的有效性，环路可在短对同内完成高精度的载波频率同步。

载波频率同步在雷达和通信系统中得到广泛应用。同步性能的好坏直接影响系统的性能。脉冲信号载波频率同步技术的关键是在噪声背景中快速准确地估计载波频率。为实现高精度鉴频，通常要使用高阶数窄带滤波器来提高待测信号的信噪比，其延时较大，不适用于信号持续时间较短的脉冲信号。应用有效的正弦波频率估计算法，可以在保证鉴频精度的前提下，降低对滤波器带宽的要求，减少延时，满足脉冲信号载波频率同步的需要。

正弦波频率估计是信号参数估计的经典问题，针对正弦信号的频率估计算法很多．由于运算复杂度和运算时间的问题限制了它们在数字接收机上的应用。目前常用于数字接收机的正弦信号频率估计的快速算法为频率推算法和傅里叶变换法。傅里叶变换法在估计低信噪比多载波信号频率方面具有优势，其最大测频误差为频率分辨率的一半（f／2N），通常通过增加采样数据长度或利用插值算法来降低测频误差，这样就使运算时间增长和运算量增加。频率推算法多数用于高信噪比单载波信号的频率估计，其中基于最小均方误差的相位差分频率估计法（Kay法）比较具有代表性，它在高信噪比条件下可达到Cramer-Rao界（CRB），并且运算量不大，适于硬件实现。

本文以Kay频率估计法为基础构建了一种适用于脉冲信号的载波频率同步环，并通过计算机仿真和FPGA实现来验证其有效性。