全數(shù)字化qpsk解調器中大頻偏信號的快速提取方法

全數(shù)字化qpsk解調器中大頻偏信號的快速提取方法

0fft與數(shù)字鎖相環(huán)四相位移編碼控制（qpsk）由于其良好的頻帶利用率，在現(xiàn)代衛(wèi)星通信系統(tǒng)中得到了廣泛應用。頻率振源的不穩(wěn)定和多普勒頻移會導致接收機接收到的載波頻率與標稱頻率存在著偏差,在QPSK相干解調中,載波同步是影響解調性能的關鍵技術。近幾年,全數(shù)字調制解調及軟件無線電技術發(fā)展迅猛,這種技術的特點是發(fā)射機全部采用數(shù)字化結構,載波同步、位定時同步和判決等工作都在DSP或FPGA中完成。數(shù)字器件運算能力的限制已不再是主要問題,許多原來受運算速度限制的克服頻偏的方案,如FFT與數(shù)字鎖相環(huán)法用數(shù)字器件已經(jīng)可以實現(xiàn)。文獻介紹了QPSK調制解調原理。常用的QPSK載波恢復鎖相環(huán)有:M次方環(huán)、松尾環(huán)等。采用鎖相環(huán)設計方法,可以使得帶寬很窄,從而通過噪聲獲得較純的載波。但是當環(huán)路帶寬很窄時將引起捕獲帶寬變窄,捕獲時間變長等問題,對于較大頻偏將導致系統(tǒng)無法工作。本文提出一種采用FFT及鎖相環(huán)聯(lián)合提取大頻偏信號載波的方法。首先對接收到信號進行FFT運算,在頻域實現(xiàn)載波頻率粗估計,再通過鎖相環(huán)實現(xiàn)載波的準確恢復。通過仿真驗證了本算法提取的載波具有較好的統(tǒng)計特性,能有效地估計較大的相對頻偏和提取較純的同步載波。1基帶解調輸出松尾環(huán)是采用算術運算和邏輯運算的方法,對正交解調輸出的兩路基帶信號進行非線性處理,產(chǎn)生誤差控制信號,通過環(huán)路濾波,控制本地VCO,完成相干載波恢復,適用于低信噪比情況下的解調。改進的松尾環(huán)將鑒相器和環(huán)路濾波器用數(shù)字電路實現(xiàn),改變傳統(tǒng)的模擬電路實現(xiàn)方法。圖1表示QPSK的數(shù)字接收機載波同步實現(xiàn)原理框圖。設松尾環(huán)接收QPSK信號表達式為:其中,ωc是載波頻率;an=cos?n,bn=sin?n,?n={0,π/2,π,-π/2};?0為載波初始相位。在鑒相器中,r(t)與載波sin(ωct+?1)、cos(ωct+?1)混頻,低通后分別得到:式中:?=?1-?0。由式(6-2)可得則誤差信號dx為式中:sgn[x]為符號函數(shù),且(2)式就是基帶解調輸出數(shù)據(jù)。Kd為鑒相靈敏度,理論上為無窮大,但是在實際電路中,由于噪聲的作用和限帶的影響及判決器對小信號存在的判決模糊區(qū),使得環(huán)路的總增益有所下降。這時鑒相特性不可能再是圖2(a)所示的矩形,而被認為近似梯形,如圖2(b)所示。這時鑒相靈敏度為:0K=A/δ。當環(huán)路鎖定后,本地VCO跟蹤輸入已調信號的變化,產(chǎn)生相干載波,此時I,Q路輸出的就是解調后的基帶數(shù)據(jù),該數(shù)據(jù)送至位定時同步,完成后續(xù)的位定時和數(shù)據(jù)判決。當載波出現(xiàn)較大頻偏使鎖相環(huán)路無法完成同步載波捕獲時,啟動大頻偏情況下載波的粗同步電路,將頻偏降到環(huán)路捕獲范圍內,再用松尾環(huán)實現(xiàn)細同步。具體算法如下。在不考慮噪聲的情況下,接收信號經(jīng)ADC采樣和正交變換后的信號復數(shù)形式為:其中,sT是采樣頻率,將信號進行M次方運算,去除調制信息得:通過上述模型的建立,可以得知載波恢復實質上是正弦信號單頻估計問題。高斯噪聲中正弦信號頻率的最大似然估計就是對應信號的周期圖譜取得最大值的頻率,由于柵欄效應,載波頻率位于這個周期圖譜給出的頻點(kmax-0.5)/TsL0~(kmax+0.5)/TsL0之間,但這個頻偏已大大降低,用這個頻偏去修正NCO的固有頻率,只要選擇的FFT點數(shù)合適,就可以使頻偏位于松尾環(huán)的捕獲范圍之內,然后通過松尾環(huán)路控制本地載波發(fā)生器產(chǎn)生相干載波完成相干解調。3仿真測試結果實驗中選擇信息速率為4.8Kb/s,載波為4.8KHz,采樣率為57.6kHz,對QPSK信號進行數(shù)字化整體解調,允許最大有±1KHz的偏差,這時相對頻偏達到了±20%,載波粗同步時計算1024點FFT。本文利用上面的算法進行了仿真和測試:一是給定信噪比條件下對頻偏進行估計和同步載波提取;二是噪聲對相干解調后基帶數(shù)據(jù)的影響;兩者測試結果分別如圖3和圖4所示。從圖3可以看出,當信噪比大于10dB以后,由所給算法對較大頻偏進行估計并校正后,其最大剩余頻偏標準差僅有8Hz左右,這個誤差是由于松尾環(huán)的鑒相靈敏度所引起的,但這已滿足了QPSK解調要求;從圖4可以看出,在加性高斯白噪聲信道中,信噪比為10dB時,加噪后解調信號波動變大,但不會影響到信號的解調。通過上述實驗結果證實了本論文研究的載波恢復方法可以實現(xiàn)正確解調,即使在噪聲干擾下,對信號的恢復也不會有很大的影響。4fft算法下的復合提取算法本文提出的QPSK信號中頻數(shù)字解調大頻偏載波同步算法是QPSK信號數(shù)字化整體解調的組成部分,其中綜合了FFT算法適合估計大頻偏與鎖相環(huán)路適合提取精確載波的優(yōu)點。這兩個算法都比較成熟,在