CN101610108B - 改善数字扩频接收机载波相位抖动和波形畸变的方法 - Google Patents

Abstract

一种改善数字扩频接收机载波相位抖动和波形畸变的方法，所述本发明的方法是针对所述数字扩频接收机，它包括：A/D转换器，数控振荡器，低通滤波器，相关器，分别与相关器输出端相连接的时钟同步电路、载波同步电路和数据恢复模块；所述的方法是依据时钟同步电路产生的超前或滞后信号采用相位补偿的方法对其因超前或滞后信号引起的数控振荡器本地载波信号的相位抖动和波形畸变，建立一相位补偿模块，置放在数控振荡器内，用以减小相位抖动和波形畸变。应用本发明相位补偿方法完全能够改善数字扩频接收机的由于时钟调整引起的载波正交本振信号的相位抖动和波形畸变，克服了时钟同步过程对本地载波波形的干扰。

Description

改善数字扩频接收机载波相位抖动和波形畸变的方法

技术领域

本发明涉及一种改善接收机相位抖动和载波波形畸变的方法。尤其涉及一种改善数字扩频接收机的本地载波相位抖动和波形畸变的方法。 

背景技术

数字扩频接收机在卫星通信、无线通信中有着广泛的应用。由于其基于同步传输的原理，进行扩频传输。所以，系统中必然同时存在时钟同步和载波同步单元。由于包括载波同步的过程在内的系统中的许多重要工作单元都需要一个稳定的最好是恒定的同步时钟，所以，在时钟同步的过程中，抖动的时钟必然影响到其中的载波同步单元，以致造成数字扩频接收机的本地载波随着时钟同步的变化而发生相位抖动和波形畸变。现有技术中，数字扩频接收机中的本地载波信号一般由它所包含的数控振荡器(NCO)产生，NCO产生的正交本振信号可以用下面式1表示： 

$\left\{\begin{array}{c}\cos \mathrm{\ωt}=\cos ({\mathrm{\ω}}_0+\mathrm{\Δ\ω})t=\cos [2\mathrm{\π}(f_0+\mathrm{\Δf})\×\mathrm{n\Δt}]\\ \sin \mathrm{\ωt}=\sin ({\mathrm{\ω}}_0+\mathrm{\Δ\ω})t=\sin [2\mathrm{\π}(f_0+\mathrm{\Δf})\×\mathrm{n\Δt}]\end{array}\right.$ (式1)  

1式中：ω₀为标称角频率；f₀为标称频率；Δω为角频率偏移；Δf为频率偏移，Δf远小于f₀，Δf在AFC(自动频率控制)信号控制下变化，使本振频率与输入频率同步；n＝0、1、2、3、4......；fr为NCO的函数值的输出频率；Δt＝1/fr，为NCO的函数值的输出时间间隔。 

现有技术中的数字扩频接收机的时钟同步电路、载波同步电路均以数字方式实现，时钟同步是在时钟同步电路中调整本地时钟超前、滞后的信号，使得本地时钟与输入时钟信号同步。在时钟同步过程中，Δt会产生变化，变化量为±τ，τ为时钟调整时延，当接收机时钟同步精度确定后，它是一个常数：数值上与接收机时钟同步调整精度有线性关系，例如：有些系统中，时钟调整精度为50ns，τ也是50ns；因为本地载波的正交本振信号是和Δt相关的，见上式1，从而引起NCO输出的本地载波相位抖动和波形畸变。如果NCO本振频率为2.5MHz(周期为400ns)，NCO函数值输出时钟频率fr为10MHz(Δt＝100ns)，每次时钟调整时延为±50ns，时钟调整引起的载波振荡信号的相位抖动约为±45°，这种因为时钟调整而引起的本地载波的相位抖动、波形畸变会造成扩频接收机误码率上升。 

发明内容

本发明的目的是提供一种改善数字扩频接收机载波相位抖动和波形畸变的方法，用以解决：数字扩频接收机的本地载波因为时钟同步的调整过程中发生相位抖动和波形畸变的问题。 

本发明为了达到上述的目的，采取的技术方案是： 

提供一种改善数字扩频接收机载波相位抖动和波形畸变的方法，所述本发明的方法是针对所述数字扩频接收机，它包括：A/D转换器，数控振荡器，低通滤波器，相关器，分别与相关器输出端相连接的时钟同步电路，载波同步电路和数据恢复模块；所述本发明的方法是依据数字扩频接收机内的时钟同步电路产生的超前或滞后信号采用相位补偿的方法对其因超前或滞后信号引起的数控振荡器本地载波信号的相位抖动和波形畸变，建立一相位补偿模块，置放在数控振荡器内，用以减小相位抖动和波形畸变。 

所述相位补偿方法的具体步骤是： 

第一步，首先建立一相位补偿模块，使它包括乘法器，与乘法器连接的累加器，与累加器连接的第一取模器，与第一取模器连接的加法器，与加法器连接的第二取模器； 

第二步，将上述建立的相位补偿模块置放在所述数字扩频接收机内的数控振荡器内，并使其加法器与数控振荡器中的取模累加器相连接，使其第二取模器的输出端与数控振荡器中查表器的输入端相连接； 

第三步，将上述相位补偿模块中的乘法器的输入端与数字扩频接收机内的时钟同步电路的输出端相连接； 

第四步，上述相位补偿模块中的乘法器和累加器根据时钟同步电路输入的时钟超前信号或时钟滞后信号求得瞬时相位误差的权重值作为数控振荡器的相位补偿值通过第一取模器和加法器加在由数控振荡器内取模累加器输出的基本瞬时相位值上，则数控振荡器的相位得以补偿。 

本发明的有益效果在于： 

如上述本发明的方法，依据数字扩频接收机内的时钟同步电路产生的超前或滞后信号采用相位补偿的方法对其因超前或滞后信号引起的数控振荡器本地载波信号的相位抖动和波形畸变进行改善；首先建立一相位补偿模块，使它包括乘法器，与乘法器连接的累加器，与累加器连接的第一取模器，与第一取模器连接的加法器，与加法器连接的第二取模器；将建立的相位补偿模块置放在数控振荡器内，相位补偿模块根据时钟同步电路产生的超前或滞后信号求出瞬时相位误差的权重值作为数控振荡器的相位补偿值加于数控振荡器的基本瞬时相位值上，减小了相位的抖动和波形的畸变。由于使用本发明方法使数字扩频接收机的NCO输出的本地载波信号的相位抖动和波形畸变明显地减小，所以使得数字扩频接收机的误码性能得到了改善。采用上述的本发明方法可以使得数字扩频接收机的误码性能提高1.5dB左右。 

附图说明

图1是本发明方法所针对的数字扩频接收机一个实施例的结构示意图； 

图2是图1中数控振荡器(NCO)3一实施例的结构示意图； 

图3是图1中时钟同步电路7一实施例的结构示意图； 

图4是图2中加入本发明方法建立的相位补偿模块后的NCO的结构示意图； 

图5a～图5c是现有技术中数字扩频接收机因时钟同步信号的变化引起NCO的载波波形畸变的波形示意图； 

图6a～图6c是采用本发明方法对因时钟同步信号变化而引起的载波波形畸变进行改善之后的波形示意图。 

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的方法的技术特征。 

图1是本发明方法所针对的数字扩频接收机一实施例的结构示意图。如图1所示，本发明方法所针对的数字扩频接收机它包括：A/D转换器1，通过分路器2分别与A/D转换器1输出端相连接的两乘法器4、11，输出端分别与两乘法器4、11相连接的数控振荡器(NCO)3，分别与两乘法器4、11输出端相连接的两低通滤波器5、10，与两低通滤波器5、10输出端相连接的相关器6，分别与相关器6输出端相连接的时钟同步电路7、载波同步电路8和数据恢复模块9。

图2是图1中所述数控振荡器(NCO)3一实施例的结构示意图。如图2所示，本发明的方法所针对数字扩频接收机中的数控振荡器的结构包括第一乘法器31，与第一乘法器31相连接的数控加法器32，与数控加法器32输出端相连接的取模累加器33，与取模累加器33输出端相连接的查表器34，一第二乘法器35其输出端与数控加法器32相连接，其输入端与数字扩频接收机中的载波同步电路8相连接。如图2所示，第一乘法器31将输入的数字扩频接收机以弧度表示的标称频率f₀转换成角频率，输出为标称角频率ω₀，第二乘法器35接收载波同步电路8的输出信号AFC并将其弧度转换成角度输出为Δω，因此，Δω在AFC信号的控制下变化，但其输入AFC信号在数值上远小于(载波本振的)标称角频率，微调本振频率，就可使得本振频率与输入频率达到同步。Δω通过数控加法器32加于标称角频率ω₀上输出为ω₀+Δω，使本振频率与输入频率同步；由于(ω₀+Δω)可能会超出360°，因此(ω₀+Δω)要经过取模累加器33的360°处理；由取模累加器33输出信号(ω₀+Δω)t再经过查表器(内存有三角函数表)输出sinωt和cosωt。在本实例中，NCO可以是专用集成电路(ASIC)，或者分立器件，或包括RAM的FPGA芯片，三角函数表存储在FPGA芯片中的RAM内。 

图3是图1中时钟同步电路7一实施例的结构示意图。如图3所示，本发明方法所针对的数字扩频接收机中的时钟同步电路7内包括序列滤波器701，与序列滤波器701连接的可变分频器702，可变分频器702与外部的系统时钟相连接。如图3所示，时钟同步电路7的超前或滞后信号的产生：是在相关器6(图1示)的PN序列实现同步的前提下进行的。设P(n-1)为第1组相关器6输出功率；P(n)为第2组相关器输出功率；P(n+1)为第3组相关器输出功率；当3组输出功率中： 

P(n-1)最大时，序列滤波器701计数值减1； 

P(n+1)最大时，序列滤波器701计数值加1； 

P(n)最大时，序列滤波器计701数值不变； 

设序列滤波器701计数范围为1至N，则其初始值设为(1+N)/2。当计数值为1时，超前信号为1，分频比减小；当计数值为N时，滞后信号为1，分频比增大；否则超前、滞后信号均为0，分频比不变。 

由于时钟同步电路7产生出超前或滞后信号引起如图2所示的数控振荡器(NCO)产生相位抖动和波形畸变(如图5c所示)。本发明采用相位补偿的方法以减小相位抖动和波形畸变。 

如上述，本发明具体的方法步骤是： 

第一步，首先建立一如图4所示的相位补偿模块30，使它包括乘法器301，与乘法器301连接的累加器302，与累加器302连接的第一取模器303，与第一取模器303连接的加法器304，与加法器304连接的第二取模器305； 

第二步，将上述建立的相位补偿模块30置放在上述数字扩频接收机内的数控振荡器(NCO)内，并使其加法器304与数控振荡器中的取模累加器33相连接，使其第二取模器305的输出端与数控振荡器中查表器34的输入端相连接，如图4所示； 

第三步，将上述相位补偿模块30中的乘法器301的输入端与数字扩频接收机内的时钟同步电路7的输出端相连接； 

第四步，上述相位补偿模块30中的乘法器301和累加器302接收时钟同步电路7输出的时钟信号，并根据时钟同步电路7输入的时钟超前信号或时钟滞后信号求得瞬时相位误差的权重值作为数控振荡器的相位补偿值A，通过第一取模器303和加法器304加在由数控振荡器内取模累加器33输出的基本瞬时相位值θ＝(ω₀+Δω)t上，得θ′＝θ+A，该值为NCO输出波形的实际瞬时相位值，因此数控振荡器的相位得以补偿(如图6c所示)。 

如图4所示，输入信号f₀为扩频接收机标称频率通过第一乘法器31将其乘以2π转换成标称角频率ω₀；输入的频率偏移调整量Δf(由载波同步电路8输出的信号AFC)通过第二乘法器35将其乘以2π转换成角频率偏移调整量Δω；通过数控加法器32将将上述得到的两个变量Δω 与ω₀相加得到该时刻的基本瞬时角频率：Δω+ω₀；通过取模累加器33将此基本瞬时角频率与NCO函数值的输出间隔时间Δt求积，然后累加到上一时刻的NCO输出波形的基本瞬时相位θ上，并对此累加之后得到的新的NCO输出波形的基本瞬时相位θ对360度取模；在本实施例中，在取模累加器33中置放计算公式(1)用以计算NCO输出波形的基本瞬时相位的数值。 

$\mathrm{\θ}=({\mathrm{\ω}}_0+\mathrm{\Δ\ω})t=2\mathrm{\π}(f_0+\mathrm{\Δf})\×\mathrm{n\Δt}=\underset{n}{\mathrm{\Σ}}2\mathrm{\π}(f_0+\mathrm{\Δf})\mathrm{\Δt}---\left(1\right)$  

(1)中：θ为NCO输出波形的基本瞬时相位，ω₀为扩频接收机标称角频率，f₀为扩频接收机标称频率，Δω为角频率偏移调整量，Δf为频率偏移调整量，n＝0、1、2、3、4......，Δt为NCO函数值的输出间隔时间。 

如图4所示，上述本发明方法建立的相位补偿模块30其输入到乘法器301上的输入信号Δθ为由于时钟调整时延产生的瞬时相位误差。在乘法器301内置放一计算公式为： 

(2)式中：Δθ为由于时钟调整时延产生的瞬时相位误差；τ为时钟调整时延，当接收机时钟同步精度确定后，它是常数；f₀为NCO扩频接收机标称频率；A为NCO输出波形的相位补偿值；a为瞬时相位误差的权重值；n＝0、1、2、3、4......，为NCO到该时刻为止所输出的全部函数值的个数；计算NCO输出波形的相位补偿值A时，可以用当前次NCO波形的输出值所对应的权重值a乘以Δθ，直接加上前一次NCO输出值所对应的NCO输出波形的相位补偿值An-1，并通过累加器302将此累加得到的A值再用第一取模器对360°取模后通过加法器304加于NCO输出波形的实际瞬时相位值θ＝(ω₀+Δω)t上，获得NCO输出波形的实际瞬时相位θ′＝θ+A，通过查表器34输出信号cosθ′，sinθ′。如此，由于时钟调整时延引起NCO的相位抖动和波形的畸变通过相位补偿模块30获得了相位补偿。 

所述权重值a由所述同步时钟的状态来确定，即由所述数字扩频接收机中的时钟同步电路的时钟超前信号或时钟滞后信号来确定。若时钟超前信号为1、时钟滞后信号为0，表示时钟超前调整状态，此时权重值a值取-1；若时钟滞后信号为1、时钟超前信号为0，表示时钟滞后调整状态，此时权重值a取+1；时钟超前信号、时钟滞后信号均为0，表示时钟同步状态，此时权重值a取0。 

经过本发明的相位补偿方法补偿后得到的所述扩频接收机载波的正交本振信号幅值cosωt，sinωt为cosθ′，sinθ′，即 

$\left\{\begin{array}{c}\cos \mathrm{\ωt}=\cos {\mathrm{\θ}}^{\′}\\ \sin \mathrm{\ωt}=\sin {\mathrm{\θ}}^{\′}\end{array}\right.---\left(3\right)$

(3)式中θ′为所述NCO输出波形的实际瞬时相位，也就是经过本发明的相位补偿方法补偿后补偿之后的扩频接收机的载波相位。所以上述NCO输出的正交值cosωt，sinωt，是NCO输出波形的实际瞬时相位θ′得到的NCO输出波形的实际瞬时输出幅值。 

图5a～图5c是现有技术中数字扩频接收机因时钟同步信号的变化引起NCO的载波波形畸变的波形示意图。其中图5a是NCO本振信号的理论曲线；图5b是NCO本振载波的输出已发生了时钟延迟τ；图5c是由于图5b中的时钟延迟τ引起的波形畸变，图5c中NCO本振信号的输出波形曲线(未经本发明方法补偿)与图5a中的NCO本振信号的理论曲线相比显然波形发生了畸变。 

图6a～图6c是采用本发明方法对因时钟同步信号变化而引起的载波波形畸变进行改善之后的波形示意图。其中图6a是NCO本振信号的理论曲线；图6b是NCO本振载波的输出已发生了时钟延迟τ；图6c是采用本发明的相位补偿方法对由于时钟延迟τ引起的NCO相位抖动和波形畸变进行了相位补偿后的本振载波波形。图6c的相位和波形与图6a中的相位和波形完全相同，说明应用本发明的相位补偿方法能够减小由于时钟超 前或滞后信号引起的NCO本振载波相位抖动和波形畸变。 

上述在数字扩频接收机中以本发明公开的方法工作的，都应该属于本发明所公开的改善数字扩频接收机载波波形畸变的方法所涵盖的范畴，各种具体实施例，并不构成对本发明的实质内容的限制。进一步说，本发明可以应用在数字扩频接收机中，也可以应用在模拟扩频接收机中，应用对象并不构成对本发明的技术方案的限制。 

Claims (3)

1.一种改善数字扩频接收机载波相位抖动和波形畸变的方法，其中数字扩频接收机包括：A/D转换器，数控振荡器，低通滤波器，相关器，分别与相关器输出端相连接的时钟同步电路，载波同步电路和数据恢复模块，其特征在于，依据时钟同步电路产生的超前或滞后信号采用相位补偿的方法对其因超前或滞后信号引起的数控振荡器本地载波信号的相位抖动和波形畸变，建立一相位补偿模块，置放在数控振荡器内，用以减小相位抖动和波形畸变，

其中，所述相位补偿方法的具体步骤是：

第一步，首先建立一相位补偿模块，使它包括乘法器，与乘法器连接的累加器，与累加器连接的第一取模器，与第一取模器连接的加法器，与加法器连接的第二取模器；

第二步，将上述建立的相位补偿模块置放在所述数字扩频接收机内的数控振荡器内，并使其加法器与数控振荡器中的取模累加器连接，使其第二取模器的输出端与数控振荡器中的查表器相连接；

第三步，将上述相位补偿模块中的乘法器的输入端与数字扩频接收机内的时钟同步电路的输出端相连接；

第四步，上述相位补偿模块中的乘法器和累加器根据时钟同步电路输入的时钟超前信号或时钟滞后信号求得瞬时相位误差的权重值作为数控振荡器的相位补偿值，通过第一取模器和加法器加在由数控振荡器内取模累加器输出的基本瞬时相位值上，则数控振荡器的相位得以补偿。

2.根据权利要求1所述的改善数字扩频接收机载波相位抖动和波形畸变的方法，其特征在于，所述时钟同步电路内包括序列滤波器和与序列滤波器连接的可变分频器。

3.根据权利要求1所述的改善数字扩频接收机载波相位抖动和波形畸变的方法，其特征在于，所述数控振荡器包括第一乘法器，与第一乘法器相连接的数控加法器，与数控加法器输出端相连接的取模累加器，与取模累加器输出端相连接的查表器，一第二乘法器其输出端与数控加法器相连接，其输入端与数字扩频接收机中的载波同步电路相连接。

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