基于FFT載頻估計(jì)和Costas環(huán)的非協(xié)作通信載波同步系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及本發(fā)明屬于數(shù)字通信技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種通信載波同步系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 在通信系統(tǒng)中，同步是一個(gè)非常重要的問題，同步電路是接收機(jī)不可缺少的重要 組成部分，是進(jìn)行正常通信的必要保證。在整個(gè)同步系統(tǒng)中，并沒有包含有用信息的傳輸， 但是只有在接收端和發(fā)送端之間建立了同步以后，雙方才能開始正常的信息傳輸，即接收 端可以正常的接收到發(fā)送端發(fā)送的信息，從而達(dá)到通信的目的，所以同步是進(jìn)行信息傳輸 的前提。同步系統(tǒng)性能的好壞將直接影響著通信系統(tǒng)的性能，如果在雙方通信之前沒有達(dá) 到所要求的同步性能，將會(huì)嚴(yán)重影響通信質(zhì)量，甚至無法正常的通信。因此要實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的 信息傳輸，必須要求同步系統(tǒng)具有很高的可靠性，即能夠長時(shí)間的保持穩(wěn)定狀態(tài)。在同步系 統(tǒng)中，載波同步通常處于接收端數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的前端，要進(jìn)行解調(diào)恢復(fù)原始信號(hào)，接收 機(jī)必須通過載波同步得到相干載波才能能夠解調(diào)，從而使得接收方得到原始信號(hào)，實(shí)現(xiàn)成 功通信的目的。
[0003] 載波同步又稱為載波恢復(fù)，即在接收端設(shè)備中產(chǎn)生一個(gè)和接收信號(hào)的載波同頻同 相的本地振蕩信號(hào)，對接收到的信號(hào)進(jìn)行相干解調(diào)，從而得到原始的信號(hào)。當(dāng)接收信號(hào)中包 含離散的載頻分量時(shí)，在接收端可以讓接收信號(hào)直接通過窄帶濾波器分離出信號(hào)載波作為 本地相干載波。若接收信號(hào)中沒有離散載波信號(hào)分量，例如DPSK信號(hào)和抑制載波的雙邊帶 調(diào)幅信號(hào)，則接收端設(shè)備需要對信號(hào)進(jìn)行非線性變換，間接的從信號(hào)中提取載波。無論什么 情況，只要采用相干解調(diào)方式，在接收設(shè)備中都需要有載波同步電路，以提取相干解調(diào)所需 要的相干載波。相干載波必須與接收信號(hào)的載波嚴(yán)格的同頻同相，否則會(huì)降低解調(diào)性能，從 而降低通信系統(tǒng)的通信質(zhì)量。
[0004] 當(dāng)然，在接收端對接收到的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)時(shí)，也可以不提取相干載波信號(hào)，即采用 非相干解調(diào)，這種方法在一定的程度上可以降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。由無線通信原理可知， 不論對于那種調(diào)制方式，在相同的外部條件干擾下，相干解調(diào)的方式都具有比非相干解調(diào) 方式更好的誤碼性能和抗噪聲性能。因此為了使得設(shè)計(jì)出的通信系統(tǒng)具有優(yōu)良的通信性 能，工程上多采用相干解調(diào)的方式，來實(shí)現(xiàn)接收機(jī)的解調(diào)功能。
[0005] 在相干解調(diào)中，載波同步的實(shí)現(xiàn)方法通常分為直接提取法和插入導(dǎo)頻法兩種。但 是工程上為了有效利用頻率資源，并盡可能的使發(fā)射的無線電波中攜帶有用信息，發(fā)射端 通常不會(huì)發(fā)射專門用于同步的載頻信息，因此抑制載波同步技術(shù)的應(yīng)用更為廣泛。而在抑 制載波同步技術(shù)中，工程上主要利用Costas環(huán)來實(shí)現(xiàn)載波同步，這是因?yàn)镃ostas環(huán)在提取 抑制載波信號(hào)的同時(shí)，同相支路即是相干解調(diào)輸出信號(hào)，相對于其他方法，Costas環(huán)法具有 更高的實(shí)現(xiàn)效率(可以簡化接收端解調(diào)電路的設(shè)計(jì)）。
[0006] 但是，當(dāng)初始頻偏比較大時(shí)，Costa環(huán)的捕獲時(shí)間較長。當(dāng)初始頻差超出一定范圍 時(shí)，Costas環(huán)甚至不能實(shí)現(xiàn)載波同步。在非協(xié)作通信中，載波同步系統(tǒng)的捕獲帶寬必須很 寬，這是因?yàn)榉菂f(xié)作通信中接收方并不知道發(fā)送方載波的任何信息，載波同步必須具有很 寬捕獲帶，才能實(shí)現(xiàn)載波的提取。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的捕獲時(shí)間長和捕獲帶寬窄的問題，本發(fā)明提出了一 種基于FFT載頻估計(jì)和Costas環(huán)的非協(xié)作通信載波同步系統(tǒng)，在Costas鎖相環(huán)路的前端增 加一級頻率估計(jì)功能電路，將Costas環(huán)路的初始頻偏限定在一個(gè)較小的范圍內(nèi)，這樣就可 以縮短捕獲時(shí)間和間接拓寬捕獲帶寬，從而完成非協(xié)作通信中未知信號(hào)的載波同步。
[0008] 1.本發(fā)明提出了一種一種基于FFT載頻估計(jì)和Costas環(huán)的非協(xié)作通信載波同步系 統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包含兩部分，即前端的FFT載頻估計(jì)模塊和后端的Costas環(huán)載波同 步模塊。其工作原理:輸入信號(hào)同時(shí)作用在兩個(gè)模塊上，F(xiàn)FT載頻估計(jì)模塊先對輸入信號(hào)進(jìn) 行載頻估計(jì)，直到其將估計(jì)出的載波頻率傳輸?shù)紺ostas環(huán)時(shí)，Costas環(huán)的使能端才變?yōu)橛?效，并以載波頻率的估計(jì)值為初始振蕩頻率，傳輸?shù)紺ostas環(huán)載波同步模塊中的數(shù)字頻率 控制振蕩器(NC0)，控制數(shù)字頻率控制振蕩器(NC0)的振蕩頻率，對輸入信號(hào)進(jìn)行高精度的 載波同步；當(dāng)完成對輸入信號(hào)的捕獲后，數(shù)字頻率控制振蕩器將輸出精確的載波提取信號(hào)； 其中：
[0009] 所述FFT載頻估計(jì)模塊的結(jié)構(gòu)依照信號(hào)處理順序包括輸入信號(hào)、平方部件、FFT變 換模塊、求模模塊和比較模塊:輸入信號(hào)為頻譜中不含的載頻分量的DPSK信號(hào)，平方部件直 接由ISE提供的乘法IP核產(chǎn)生并且采用雙輸入，即DPSK信號(hào)同時(shí)由乘法器核的兩端輸入完 成平方運(yùn)算;FFT變換模塊直接由ISE提供的FFT核產(chǎn)生，輸出頻譜采樣點(diǎn)的序號(hào);求模模塊 對輸出的虛數(shù)求其模長，即把實(shí)部與虛部平方后相加;比較模塊求出模長最大的點(diǎn)；
[0010]所述Costas環(huán)載波同步模塊的結(jié)構(gòu)依照信號(hào)處理順序包括輸入信號(hào)、乘法器、低 通濾波器、環(huán)路濾波器和數(shù)字控制振蕩器:輸入信號(hào)經(jīng)同相支路與正交支路分別乘以同相 和正交載波，乘法器主要參數(shù)有系統(tǒng)時(shí)鐘頻率、輸入數(shù)據(jù)的位數(shù)和輸出數(shù)據(jù)的位數(shù);再分別 通過低通濾波器，低通濾波器直接由ISE提供的FIR核產(chǎn)生，輸出的兩個(gè)信號(hào)相乘，得到誤差 信號(hào)Ud(t)，誤差信號(hào)Ud(t)經(jīng)環(huán)路濾波器輸出控制壓控振蕩器的控制電壓u c(t)，數(shù)字控制 振蕩器的FPGA實(shí)現(xiàn)，直接由ISE軟件提供的DDS核產(chǎn)生;根據(jù)所述Costas環(huán)載波同步模塊的 結(jié)構(gòu)進(jìn)行頂層模塊的VHDL程序編寫，頂層模塊主要完成各個(gè)模塊的例化、連接和乘法器的 設(shè)計(jì)。
[00?1 ]與現(xiàn)有技術(shù)中相比，本發(fā)明將Costas環(huán)和FFT載頻估計(jì)二者相結(jié)合，使得當(dāng)Costas 環(huán)在進(jìn)行載波同步時(shí)初始頻差很小，甚至為零，大大縮短了捕獲時(shí)間。通過本發(fā)明即可完成 非協(xié)作通信中未知信號(hào)的載波獲取。
【附圖說明】
[0012] 圖1為本發(fā)明的基于FFT載頻估計(jì)和Costas環(huán)的非協(xié)作通信載波同步系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；
[0013] 圖2為基于FFT載頻估計(jì)的FPGA實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0014] 圖3為Costas環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015] 圖4為符號(hào)判決法實(shí)現(xiàn)乘法運(yùn)算的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016] 圖5為載波頻率6MHz，信噪比100dB時(shí)，頻差函數(shù)及載波信號(hào)相位的比較圖；
[0017]圖6為載波頻率6MHz，信噪比20dB時(shí)，頻差函數(shù)及載波信號(hào)相位的比較圖；
[0018]圖7為載波頻率6MHz，信噪比6dB時(shí)，頻差函數(shù)及載波信號(hào)相位的比較圖；
[0019]圖8為載波頻率6.02MHz，信噪比20dB時(shí)，頻差函數(shù)及載波信號(hào)相位的比較圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020]以下結(jié)合附圖及【具體實(shí)施方式】，進(jìn)一步詳述本發(fā)明的技術(shù)方案。
[0021]如圖1所示，本發(fā)明的基于FFT載頻估計(jì)和Costas環(huán)的非協(xié)作通信載波同步系統(tǒng)整 體設(shè)計(jì)包含兩部分，即前端的FFT載頻估計(jì)模塊和后端的Costas環(huán)載波同步模塊。其工作原 理:輸入信號(hào)同時(shí)作用在兩個(gè)模塊上，F(xiàn)FT載頻估計(jì)模塊先對輸入信號(hào)進(jìn)行載頻估計(jì)，直到 其將估計(jì)出的載波頻率傳輸?shù)紺ostas環(huán)時(shí)，Costas環(huán)的使能端才變?yōu)橛行?，并以載波頻率 的估計(jì)值為初始振蕩頻率，對輸入信號(hào)進(jìn)行高精度的載波同步。
[0022] Costas環(huán)前端加入載頻估計(jì)的理論依據(jù)是:對于模擬鎖相環(huán)路，壓控振蕩器(VC0) 的線性控制區(qū)域是有限的且固有振蕩頻率是確定的。因此在模擬鎖相環(huán)的前端加入載頻估 計(jì)是無法改變鎖相環(huán)的載波同步性能。但是對于數(shù)字鎖相環(huán)路中的數(shù)字頻率控制振蕩器 (NC0)來講，由于其工作原理是在時(shí)鐘信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下讀取存儲(chǔ)在ROM中的三角函數(shù)表，所以 其控制特性始終是線性的。數(shù)字頻率控制振蕩器(NC0)的輸出信號(hào)振蕩頻率與頻率字位寬、 系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)elk和頻率字有關(guān)。當(dāng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，頻率字位寬和系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)elk都是 固定的。在這種情況下，輸出信號(hào)振蕩頻率僅僅與頻率字的大小有關(guān)，只要改變頻率字，NC0 輸出的振蕩頻率就會(huì)隨之改變。由上述分析可得，在數(shù)字鎖相環(huán)的前端加入載頻估計(jì)是可 行的。其不僅可以縮短數(shù)字鎖相環(huán)的捕獲時(shí)間，還可以增加鎖相環(huán)的捕獲帶寬。
[0023]采用FFT來實(shí)現(xiàn)信號(hào)的載頻估計(jì)的理論依據(jù)是:FFT是離散傅里葉變換(DFT)的一 種高效算法，使得DFT的運(yùn)算大大的簡化，當(dāng)N較大時(shí)，其運(yùn)算速度相比DFT有很大的提高，因 此相對于DFT，F(xiàn)FT能更好的引用于工程設(shè)計(jì)中。由于目前的無線通信接收機(jī)大多采用中頻 數(shù)字化實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)，本發(fā)明中用于仿真的輸入信號(hào)為中心頻率f〇 = 70MHZ的DPSK信號(hào)，信號(hào)帶 寬為7.2MHz，基帶信號(hào)帶寬為3.6MHz，采用32MHz帶通采樣。
[0024]如圖2所示，基于FFT來實(shí)現(xiàn)信號(hào)的載頻估計(jì)，首先要保證輸入的信號(hào)頻譜中有明 顯的載頻分量，以便能夠通過簡單的計(jì)算得出信號(hào)的載波頻率。本發(fā)明涉及到的是DPSK信 號(hào)。對于該信號(hào)，信號(hào)的頻譜中不含載波譜線，因此無法直接對其進(jìn)行基于FFT載頻估計(jì)。然 而，可以對DPSK信號(hào)進(jìn)行平方變換，這樣所得的信號(hào)中含有2倍載波頻率分量，然后對其進(jìn) 行基于FFT載頻估計(jì)和簡單的數(shù)據(jù)變換，即可得到DPSK信號(hào)的載波頻率。首先要對輸入的信 號(hào)平方，其次對信號(hào)進(jìn)行512點(diǎn)的FFT變換，然后對輸出的頻譜信號(hào)進(jìn)行求模運(yùn)算，通過比較 得出第1點(diǎn)到第256點(diǎn)中模長最大的點(diǎn)，即幅值最大的點(diǎn)，就可以求出2倍載頻所對應(yīng)的頻 率。該結(jié)構(gòu)中：平方部件直接由ISE提供的乘法IP核產(chǎn)生并且采用雙輸入，即DPSK信號(hào)同時(shí) 由乘法器核的兩端輸入完成平方運(yùn)算。FFT變換直接由ISE提供的IP核產(chǎn)生，為了節(jié)約硬件 資源，