一種用于非相干解調(diào)電路中的載波相位同步方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于非相干解調(diào)電路中的載波相位同步方法及裝置。該方法及裝置為全數(shù)字實(shí)現(xiàn)方式，分為相位捕獲模式、相位跟蹤模式兩種工作模式。在前導(dǎo)碼周期中為相位捕獲階段：通過對(duì)前導(dǎo)碼的延遲相關(guān)計(jì)算可以估算出載波頻率偏移量；然后利用頻偏估計(jì)的結(jié)果和已知前導(dǎo)碼序列，估算出初始相位；對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行頻率相位補(bǔ)償計(jì)算。等到前導(dǎo)碼周期結(jié)束后，開始解擴(kuò)數(shù)據(jù)，這時(shí)進(jìn)入相位跟蹤階段：利用已經(jīng)解調(diào)出來的符號(hào)對(duì)應(yīng)的擴(kuò)頻碼數(shù)據(jù)跟接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，估計(jì)出每個(gè)符號(hào)的殘余相位差，再對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行相位補(bǔ)償計(jì)算。本發(fā)明用于非相干解調(diào)數(shù)字基帶設(shè)計(jì)的載波相位同步，能夠在低信噪比的條件下實(shí)現(xiàn)載波相位精確同步。
【專利說明】-種用于非相干解調(diào)電路中的載波相位同步方法及裝置 【技術(shù)領(lǐng)域】
[〇〇〇1] 本發(fā)明涉及通信領(lǐng)域，尤其是涉及采用非相干解調(diào)方式實(shí)現(xiàn)的兼容IEEE 802. 15. 4標(biāo)準(zhǔn)的通信系統(tǒng)，本發(fā)明用于實(shí)現(xiàn)對(duì)接收信號(hào)的載波相位同步。 【背景技術(shù)】
[0002] IEEE 802. 15. 4標(biāo)準(zhǔn)定義了低速無線個(gè)域網(wǎng)（LR-WPAN)的物理層和媒體接入控制 層兩個(gè)規(guī)范。IEEE 802. 15. 4低速率、低功耗和短距離傳輸?shù)奶攸c(diǎn)使它適合應(yīng)用于無線傳感 器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域。IEEE 802. 15. 4c物理層規(guī)定了三個(gè)頻段，即2. 4GHz頻段、868/915MHZ頻段和 780MHz頻段。在中國專用的780MHz頻段，規(guī)范規(guī)定了兩種物理層調(diào)制方案：采用0-QPSK調(diào) 制方案和直接序列擴(kuò)頻技術(shù)及采用MPSK調(diào)制方案和直接序列擴(kuò)頻技術(shù)，兩種調(diào)制方案都 采用升余弦脈沖成型方式。
[0003] 由于IEEE 802. 15. 4標(biāo)準(zhǔn)面向的是低功耗、低成本的應(yīng)用，所用的器件要求體積 小、集成度要高，所以IEEE 802. 15. 4標(biāo)準(zhǔn)的解調(diào)電路一般采用的是非相干解調(diào)方式。而非 相干解調(diào)方式是不知道載波的頻率偏移和初始相位的，需要有電路對(duì)載波的頻率偏移、初 始相位進(jìn)行估計(jì)，再進(jìn)行頻率及相位補(bǔ)償來完成載波相位同步。
[0004] 目前載波相位同步的方法主要是利用鎖相環(huán)PLL和壓控振蕩器VC0在RF前端進(jìn) 行閉環(huán)前向載波同步，常用的結(jié)構(gòu)有同相正交環(huán)、平方環(huán)及Μ方環(huán)等方式來實(shí)現(xiàn)載波相位 的同步，這一類的同步大多采用模擬器件在射頻RF端實(shí)現(xiàn)，功耗和體積都比較大，不便于 集成。而目前用于IEEE 802. 15. 4的載波相位同步電路主要有兩類：第一類是在數(shù)字基帶 處理中估計(jì)頻率偏移及初始相位，而相位補(bǔ)償不在數(shù)字基帶中處理，數(shù)字基帶本身不做相 位補(bǔ)償運(yùn)算，而是將頻率相位錯(cuò)誤的指示信息傳遞給壓控振蕩器VC0,讓VC0來鎖定，從而 完成載波相位同步的。第二類是在數(shù)字基帶處理中完成頻率偏移及初始相位估計(jì)并進(jìn)行相 位補(bǔ)償計(jì)算，來完成載波相位同步。第二類方法采用的是全數(shù)字的設(shè)計(jì)方案，其優(yōu)點(diǎn)是可以 降低RF設(shè)計(jì)的復(fù)雜度及功耗，減少整個(gè)接收機(jī)的面積，集成度高，可以很容易集成到片上 系統(tǒng)S0C分區(qū)設(shè)計(jì)中去。
[0005] 而在全數(shù)字的設(shè)計(jì)方案中，載波頻偏估計(jì)大多是利用接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行延遲相關(guān) 計(jì)算來完成頻率偏移估計(jì)的，若在低信噪比的情況下，其頻率偏移估計(jì)的精度會(huì)嚴(yán)重惡化， 因?yàn)槠錄]有利用已知前導(dǎo)碼序列的相關(guān)信息來降低噪聲的干擾，另外其相位補(bǔ)償只是針對(duì) 于頻率偏移相位補(bǔ)償，一般都沒有考慮初始相位估計(jì)和相位殘余誤差跟蹤，這樣由于存在 頻率估計(jì)誤差，隨著包長度的增加，接收的數(shù)據(jù)點(diǎn)的相位差會(huì)累計(jì)到一個(gè)很大的值，這會(huì)給 解調(diào)電路造成很大的誤碼率。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] (1)發(fā)明目的
[0007] 本發(fā)明提供一種直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中采用非相干解調(diào)電路中的全數(shù)字實(shí)現(xiàn)、 在低信噪比條件下能夠精確進(jìn)行載波相位同步的方法及裝置，在低信噪比環(huán)境中，該方法 及裝置能夠?qū)崿F(xiàn)載波相位的精確估計(jì)和跟蹤，可以顯著降低系統(tǒng)的誤碼率，提高接收機(jī)的 性能。
[0008] (2)技術(shù)方案
[0009] 本發(fā)明是一種用于非相干解調(diào)電路中的載波相位同步方法及裝置，其載波相位同 步方法是：載波相位同步分為相位獲取模式和相位跟蹤模式兩種工作模式，在前導(dǎo)碼周期 階段，工作在相位獲取模式，其包含頻率偏移估計(jì)和初始相位估計(jì)，在數(shù)據(jù)解擴(kuò)周期中，采 用相位跟蹤模式來實(shí)現(xiàn)符號(hào)的殘余相位誤差估計(jì)，精確跟蹤相位。其載波同步的過程是： 在前導(dǎo)碼周期內(nèi)，首先對(duì)接收到的長度為L個(gè)數(shù)據(jù)的前導(dǎo)碼進(jìn)行延遲相關(guān)計(jì)算，延遲時(shí)間 為一個(gè)碼片周期（L小于等于前導(dǎo)碼長度），對(duì)計(jì)算的結(jié)果利用已知前導(dǎo)碼序列延遲相關(guān)得 到的系數(shù)進(jìn)行濾波處理，并計(jì)算出處理后的相位的均值△ ω，得到頻率偏移的估計(jì)值；根 據(jù)Λω的值對(duì)接收到的延遲L個(gè)碼片周期的數(shù)據(jù)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，消除頻率偏移的影響，即對(duì)每 個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行頻率偏移補(bǔ)償計(jì)算，再將補(bǔ)償后的數(shù)據(jù)跟接收到的L個(gè)數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的前導(dǎo)碼碼 片進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，對(duì)計(jì)算結(jié)果求出其相位的均值Θ，作為初始相位的估計(jì)值；在數(shù)據(jù)解擴(kuò) 周期中，利用已經(jīng)解擴(kuò)出來的符號(hào)對(duì)應(yīng)的碼片值跟延遲一個(gè)符號(hào)周期的接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行 相關(guān)計(jì)算，并計(jì)算其結(jié)果的相位均值Φ，作為符號(hào)的殘余相位誤差。然后根據(jù)△?、Θ及 Φ的結(jié)果，計(jì)算出接收到的每個(gè)數(shù)據(jù)的相位偏移量Ψ，進(jìn)行相位補(bǔ)償計(jì)算，完成載波相位 同步。其中數(shù)據(jù)相位偏移量的計(jì)算方式如下：在相位獲取階段，每個(gè)數(shù)據(jù)的相位偏移量Ψ 為相位累加值（每個(gè)數(shù)據(jù)的相位累加計(jì)算增量為△ ω)與Θ的和；在相位跟蹤階段，每個(gè) 符號(hào)的起始數(shù)據(jù)的相位偏移量Ψ為相位累加值（每個(gè)數(shù)據(jù)的相位累加計(jì)算增量為△ ω)、 Θ和Φ的和，在一個(gè)符號(hào)周期內(nèi)的數(shù)據(jù)的相位偏移量Ψ等于上一個(gè)數(shù)據(jù)的相位偏移量加 上頻率偏移相位遞增量Λ ω。
[0010] ⑶技術(shù)效果
[〇〇11] 本發(fā)明的載波相位同步方法及裝置包含相位偏移計(jì)算和補(bǔ)償計(jì)算，全部都是數(shù)字 化實(shí)現(xiàn)，集成度高，并且其考慮到了利用已知的前導(dǎo)碼序列對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配濾波， 降低噪聲對(duì)頻率估計(jì)誤差的影響。同時(shí)提出了一種新的判決-反饋型的載波殘余相位跟蹤 技術(shù)來消除相位誤差積累的不利影響，通過MATLAB仿真和編寫RTL代碼，進(jìn)行數(shù)字化設(shè)計(jì) 驗(yàn)證，表明該方法能夠在IEEE 802. 15. 4協(xié)議規(guī)定的最大頻率偏移，數(shù)據(jù)包長度為128,信 噪比低于8. 5dB的條件下，在保證誤包率小于0. 01的前提下完成載波的精準(zhǔn)同步。圖6給 出了沒有采用已知的前導(dǎo)碼序列對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配濾波和相位跟蹤的傳統(tǒng)載波同 步方式及專利文獻(xiàn)[1]所述方法跟本專利所述方法的性能比較圖，從圖6中可以看出本專 利采用的方法在相同的信噪比情況下能夠大大降低系統(tǒng)的誤碼率，提高了接收機(jī)的抗噪聲 性能，在相同誤碼率的情況下，本方法比文獻(xiàn)[1]大概有2. 5dB性能的提升，比傳統(tǒng)方式大 概有6dB性能的提升。
[0012] 參考專利文獻(xiàn)
[0013] 專利文獻(xiàn)[1]:呂強(qiáng)梁忠闖等.一種無線通信系統(tǒng)載波同步中的頻偏估計(jì)方法：中 國，200910242498. 1 [P] · 2010. 05. 19. 【專利附圖】

【附圖說明】
[0014] 圖1是本發(fā)明載波相位同步方法的流程圖。
[0015] 圖2是本發(fā)明載波相位同步器的總體結(jié)構(gòu)示意圖，包含頻率補(bǔ)償估計(jì)、初始相位 估計(jì)、相位誤差跟蹤子模塊、累加器、加法器、數(shù)據(jù)選擇器、乘法器、數(shù)字振蕩器NC0模塊。
[0016] 圖3是本發(fā)明頻率偏移估計(jì)子模塊結(jié)構(gòu)示意圖。
[〇〇17] 圖4是本發(fā)明初始相位估計(jì)子模塊結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018] 圖5是本發(fā)明相位誤差跟蹤子模塊結(jié)構(gòu)示意圖。
[〇〇19] 圖6是本發(fā)明載波相位同步性能與傳統(tǒng)方法及專利文獻(xiàn)[1]方法效果對(duì)比圖。
【權(quán)利要求】
1. 一種用于非相干解調(diào)電路中的載波相位同步方法，包括以下步驟： 步驟S101 :在前導(dǎo)碼周期內(nèi)，對(duì)接收到的長度為L個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行延遲相關(guān)計(jì)算，延遲時(shí)間 為一個(gè)碼片周期，L小于等于前導(dǎo)碼長度； 步驟S102 :預(yù)先計(jì)算好這L個(gè)數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的前導(dǎo)碼碼片的延遲相關(guān)值，以作備用，延遲 時(shí)間為一個(gè)碼片周期； 步驟S103:求步驟S101和S102的計(jì)算結(jié)果的乘積，并計(jì)算乘積項(xiàng)的相位，求出相位的 均值△ ω，作為頻率偏移的估計(jì)值； 步驟S104 :對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行頻率偏移補(bǔ)償計(jì)算，將計(jì)算的結(jié)果延遲L個(gè)單位，并計(jì)算出 其與這L個(gè)數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的前導(dǎo)碼碼片的相關(guān)值，對(duì)計(jì)算結(jié)果求出相位，并求出相位的平均 值Θ，作為初始相位的估計(jì)值； 步驟S105 :將步驟S103和S104的結(jié)果相加，計(jì)算出接收到的每個(gè)數(shù)據(jù)的相位偏移量 Ψ ; 步驟S106 :在數(shù)據(jù)解擴(kuò)周期中，將接收到的一個(gè)符號(hào)數(shù)據(jù)延遲一個(gè)符號(hào)周期，并查找 解擴(kuò)出來的符號(hào)對(duì)應(yīng)的碼片值，并將延遲的數(shù)據(jù)與對(duì)應(yīng)的碼片進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，計(jì)算出相關(guān) 值的相位，求出其均值Φ，作為相位跟蹤階段的符號(hào)殘余相位誤差估計(jì)值； 步驟S107 :在每個(gè)符號(hào)的起始位置，將步驟S103、S104和S106的結(jié)果相加，計(jì)算出接 收到的每個(gè)符號(hào)的起始位置的數(shù)據(jù)的相位偏移量Ψ，在一個(gè)符號(hào)周期內(nèi)部，每個(gè)接收到的 數(shù)據(jù)的相位偏移量為前一個(gè)數(shù)據(jù)的相位偏移量Ψ累加△ ω ; 步驟S108 :根據(jù)步驟S105和步驟S107的計(jì)算結(jié)果，對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行頻率相位補(bǔ) 償。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述用于非相干解調(diào)電路中的載波相位同步方法，其特征在于，所 述方法用于兼容IEEE 802. 15. 4標(biāo)準(zhǔn)的通信系統(tǒng)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述用于非相干解調(diào)電路中的載波相位同步方法，步驟S103中利用 前導(dǎo)碼已知的碼片值及其延時(shí)的相關(guān)結(jié)果來濾波步驟S101的結(jié)果，達(dá)到降低噪聲干擾的 目的。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述用于非相干解調(diào)電路中的載波相位同步方法，其特征在于，采 用已判決的符號(hào)的碼片值反饋回來跟延遲一個(gè)符號(hào)后的輸入數(shù)據(jù)一起來估計(jì)相位的累積 誤差，來實(shí)現(xiàn)相誤差的跟蹤，利用這種判決-反饋方式來計(jì)算殘余相位誤差。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述方法實(shí)現(xiàn)的載波相位同步裝置，其包括： 延遲器：用于完成步驟S101、S104、S106中的數(shù)據(jù)延遲操作； 相關(guān)器：用于完成步驟S101、S104、S106中的相關(guān)操作； 乘法器：用于完成步驟S103的乘法器，步驟S104的頻率偏移補(bǔ)償計(jì)算操作； 相位計(jì)算：用于計(jì)算步驟S103、S104、S106的相位計(jì)算操作； 累加器：用于完成步驟S103、S104、S106的相位求和計(jì)算操作； 常數(shù)除法器：用于完成步驟S103、S104、S106的相位均值計(jì)算操作； ROM表：用于存儲(chǔ)步驟S102的結(jié)果數(shù)據(jù)； 前導(dǎo)碼ROM表：用于存儲(chǔ)步驟S104的前導(dǎo)碼碼片的值； PN碼序列移存器：用來完成步驟S106判決-反饋過來的符號(hào)的PN碼片值的存儲(chǔ)和移 位； 數(shù)字控制振蕩器NCO :用于完成步驟S104、S108中的所需的相位到正弦、余弦計(jì)算。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述用于非相干解調(diào)電路中的載波相位同步裝置，其特征在于，所 述裝置用于兼容IEEE 802. 15. 4標(biāo)準(zhǔn)的通信系統(tǒng)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的用于非相干解調(diào)電路中的載波相位同步裝置，其特征在于， 求取相位計(jì)算可以采用查找表或坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)數(shù)字計(jì)算C0RDIC的方式來實(shí)現(xiàn)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的用于非相干解調(diào)電路中的載波相位同步裝置，其特征在于， 數(shù)字控制振蕩器NC0可以采用查找表或坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)數(shù)字計(jì)算C0RDIC的方式來實(shí)現(xiàn)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的用于非相干解調(diào)電路中的載波相位同步裝置，其特征在于， 初始相位估計(jì)和符號(hào)殘余相位誤差估計(jì)具有相同的結(jié)構(gòu)，只是PN碼片的序列不一樣，可以 采用共用同一模塊實(shí)現(xiàn)。
【文檔編號(hào)】H04L27/26GK104092642SQ201410369979
【公開日】2014年10月8日 申請(qǐng)日期:2014年7月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月30日
【發(fā)明者】劉昊, 袁斌 申請(qǐng)人:東南大學(xué)