CN102316058B - 非静止轨道卫星dqpsk通信的相干解调装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种非静止轨道卫星DQPSK通信的相干解调装置。该装置对接收天线和射频系统输出的初始信号进行下变频和低通滤波处理，然后通过旋转解差分操作来消除多普勒频移。在完成解差分处理后，将信号送入位同步环路完成比特位同步，再送入锁相环进行载波相位跟踪，实现相干解调。
Description
技术领域
本发明属于数字通信领域，特别涉及一种非静止轨道卫星DQPSK(差分正交相移键控)通信的相干解调装置。
背景技术
目前，数字通信以其性能优异、处理方便等特点已广泛应用于各种通信系统中，例如卫星通信。
数字通信中可以使用多种调制方式，其中MPSK (多相键控)以其良好的频谱利用率和抗噪性能得到了广泛重视。多相键控是利用载波的多种不同相位来表征数字信息的调制方式，多相键控又可以分为绝对相移键控和差分相移键控。绝对相移键控使用当前码元的相位信息来表征数字信息，而差分相移键控则是利用前后码元的相对相位变化来表示数字信息。
QPSK(正交相移键控)和DQPSK都属于多相键控调制方式，都是使用四种不同的相位来表征数字信息，其中QPSK属于绝对相移键控，而DQPSK则属于差分相移键控。QPSK/DQPSK具有较好的频谱利用率和抗噪声性能，已经在卫星通信中得到了广泛应用。
多相键控的解调方式分为相干解调和非相干解调两种，相干解调的性能要优于非相干解调。但相干解调需要本地恢复相干载波，非相干解调则不需要对载波相位的跟踪。一般情况下，DQPSK采用非相干解调的方式，DQPSK若采用一般的相干解调方式实现，则收发信机都较QPSK复杂、性能还较QPSK差，不能发挥DQPSK采用非相干解调方式接收机简单的优势。
对于非静止轨道卫星DQPSK通信，由于卫星对地高速运动，会造成接收信号存在大范围变化的多普勒频移，这将导致通信接信机的性能恶化，甚至直接导致通信失败。因此，对于像非静止轨道卫星这种存在大范围变化的多普勒频移的恶劣信道环境，传统接收机实现DQPSK通信，不论是相干或者非相干方式，都需要对信号的多普勒频移进行处理，往往都需要复杂的频率校正装置。或者，也可使用载波频移牵引装置(如现有技术中常常使用FFT载波频移引导、频率锁定环路等)。然而，这种装置不但结构和处理复杂，还需要使用复杂的机制、花费较长的时间用于实现同步或者各装置之间的配合工作，使接收机的实现较复杂、同步时间长。所以，如何处理非静止轨道卫星通信中的多普勒频移，成为研制通信收发信机时的一项重要课题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种非静止轨道卫星DQPSK通信的相干解调装置，能够以简单的信号处理和结构消除多普勒频移。
本发明提供一种非静止轨道卫星DQPSK通信的相干解调装置，用于对接收天线和射频系统输出的初始信号进行DQPSK相干解调，恢复发射端调制前的数据信息，其包括下变频器、低通滤波器、旋转解差分器、位同步器、相位跟踪器、以及判决器，所述下变频器用于将所述初始信号的频谱向零频方向搬移，该下变频器包括本地载波发生器和乘法器，所述本地载波发生器根据所述相位跟踪器输出的跟踪相位信息，产生相应的本地正交载波，所述乘法器将所述本地正交载波与所述初始信号相乘，输出下变频信号，所述低通滤波器对所述下变频信号进行低通滤波，滤除高频分量，输出低通滤波信号，所述旋转解差分器对所述低通滤波信号进行旋转解差分操作，输出旋转解差分信号，所述位同步器对所述旋转解差分信号提取位同步信息，并根据位同步信息输出位同步信号，所述相位跟踪器接收所述位同步信号，获取所述位同步信号的相位，并输出跟踪相位信息给所述本地载波发生器，所述判决器接收所述位同步信号，输出判决比特信息，恢复得到发射端调制前的数据信息。
在非静止轨道卫星DQPSK通信的相干解调装置中，优选所述旋转解差分器将所述低通滤波信号旋转正或负45度，并延迟一个码元周期，再取共轭信号，将该共轭信号与所述低通滤波信号复数相乘。
在非静止轨道卫星DQPSK通信的相干解调装置中，优选所述低通滤波器包括多个级联的滤波器。
在非静止轨道卫星DQPSK通信的相干解调装置中，优选所述相位跟踪器通过数字鉴相方式获取所述位同步信号的相位误差信息，并进行数字低通滤波，输出所述跟踪相位信息。
在非静止轨道卫星DQPSK通信的相干解调装置中，优选所述跟踪相位信息的初值设为0。
与现有技术相比，根据本发明的非静止轨道卫星DQPSK通信的相干解调装置，在位同步和载波同步之前，通过旋转解差分处理消除了多普勒频移，减轻了非静止轨道卫星通信中大多普勒频移对位同步和载波同步的压力，在大多普勒频移动态范围的恶劣信道环境下，不使用载波频移牵引装置而直接进入位同步和锁相环路处理，完成DQPSK相干解调。
附图说明
图1为本发明的非静止轨道卫星DQPSK通信的相干解调装置的结构框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的作进一步的详细说明。
本发明的核心思想是：在初始信号经下变频和低通滤波之后，位同步和载波同步之前，就通过旋转解差分处理消除了多普勒频移，减轻了非静止轨道卫星通信中多普勒频移对位同步和载波同步的压力，在大多普勒频移的恶劣信道环境下，不使用载波频移牵引装置而直接进入位同步和锁相环路处理。
图1是本发明的非静止轨道卫星DQPSK通信的相干解调装置10的结构框图。在图1中，非静止轨道卫星DQPSK通信的相干解调装置10包括下变频器11、低通滤波器12、旋转解差分器13、位同步器14、相位跟踪器15、以及判决器16。
下变频器11用于将初始信号S0的频谱向零频方向搬移，该下变频器11包括本地载波发生器和乘法器。本地载波发生器可以根据相位跟踪器15输出的跟踪相位信息F0，产生相应的本地正交载波。乘法器将该本地正交载波与初始信号S0相乘，输出下变频信号S1。低通滤波器12对下变频信号S1进行低通滤波，滤除高频分量，输出低通滤波信号S2。旋转解差分器13对低通滤波信号S2进行旋转解差分操作，输出旋转解差分信号S3。位同步器14对旋转解差分信号S3提取位同步信息，并根据位同步信息输出位同步信号S4。相位跟踪器15接收位同步信号S4，获取位同步信号S4的相位，并输出跟踪相位信息F0给下变频器11中的本地载波发生器。判决器16接收位同步信号S4，输出判决比特信息S5，恢复得到发射端调制前的数据信息。
这里，低通滤波器12可以包括多个级联的滤波器，例如CIC（级联积分梳状）低通滤波器和低通匹配滤波器。
下面，具体说明非静止轨道卫星DQPSK通信的相干解调装置10的工作流程。
首先，设定跟踪相位信息F0的初值。这里，以初值设为0作为示例。
接下来，下变频器11将初始信号S0的频谱向零频方向搬移。具体而言，下变频器11中的本地载波发生器根据跟踪相位信息F0的值，生成本地正交载波。通过下变频器11中的乘法器，实现本地正交载波序列与初始信号序列相乘，输出数字序列，该数字序列即为下变频信号S1。
然后，低通滤波器12对下变频信号S1进行低通滤波，输出低通滤波信号S2，记为 S2(k)=Ik+jQk。
接着，旋转解差分器13对低通滤波信号S2进行旋转解差分操作。具体而言，将低通滤波信号S2旋转正45度或负45度，并延迟一个码元，输出序列S20。这里以负45度为例，输出序列S20记为S20(k)=S2(k-1)e-jπ/4。对该输出序列S20进行取共轭操作，得到共轭信号S21，记为S20(k)=S2(k-1)e-jπ/4*。通过乘法器将低通滤波信号S2与共轭信号S21进行复数相乘，通过上述操作可将载波多普勒频移消除，只剩下残余相位偏移。
之后，在位同步器14中，使用位同步算法，对上一步的输出信号进行位同步。位同步算法应根据系统的实际要求，例如系统的处理能力要求、同步性能要求、系统的采样率、以及符号速率的关系等约束来选择相应的位算法。常用的位同步算法包括早迟门位同步、Muller-Muller位同步、Gardner位同步算法、以及其他修改算法等。
然后，在相位跟踪器15中，经位同步的信号送入锁相环路，进行数字锁相，并更新跟踪相位信息F0的值，送至本地载波发生器。常用锁相环路的基本结构包括鉴相器、环路滤波器、以及压控振荡器。这里，优选通过数字鉴相方式获取位同步信号的相位误差信息，并进行数字低通滤波，输出跟踪相位信息F0。
此外，将位同步的信号送入判决器16，进行极性判决输出，恢复得到发射端调制前的数据信息。此外，若发射信号经过编码处理，则还应进行译码处理。
本发明与以前的非静止轨道卫星DQPSK解调装置相比具有以下特点：
第一， 本发明在接收信号下变频和低通滤波之后，位同步和载波同步之前，进行了旋转解差分的处理，解差分编码的同时消除了多普勒频移，减轻了非静止轨道卫星通信中多普勒频移对位同步和载波同步的压力，提高了位同步和载波同步的稳定性。
第二， 在非静止轨道卫星通信大多普勒动态范围条件下，可以不使用频率牵引或锁频环路、锁相环路互相配合的复杂结构，简化了接收机结构，节省了硬件资源。此外，还省去了各装置互相配合工作的时间，降低了系统同步时间开销。
第三， 使用锁相技术实现了相干解调，保证了系统良好的误码性能。
总之，采用本发明提供的装置实现非静止轨道卫星DQPSK解调，不仅结构简单易于实现，而且接收机性能优良。装置构成简单，开发技术风险小。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (4)
1.一种非静止轨道卫星DQPSK通信的相干解调装置，用于对接收天线和射频系统输出的初始信号进行DQPSK相干解调，恢复发射端调制前的数据信息，其特征在于，包括下变频器、低通滤波器、旋转解差分器、位同步器、相位跟踪器、以及判决器，
所述下变频器用于将所述初始信号的频谱向零频方向搬移，该下变频器包括本地载波发生器和乘法器，所述本地载波发生器根据所述相位跟踪器输出的跟踪相位信息，产生相应的本地正交载波，所述乘法器将所述本地正交载波与所述初始信号相乘，输出下变频信号，
所述低通滤波器对所述下变频信号进行低通滤波，滤除高频分量，输出低通滤波信号，
所述旋转解差分器对所述低通滤波信号进行旋转解差分操作，即将所述低通滤波信号旋转正或负45度，并延迟一个码元周期，再取共轭信号，将该共轭信号与所述低通滤波信号复数相乘，输出旋转解差分信号，
所述位同步器对所述旋转解差分信号提取位同步信息，并根据位同步信息输出位同步信号，
所述相位跟踪器接收所述位同步信号，获取所述位同步信号的相位，并输出跟踪相位信息给所述本地载波发生器，
所述判决器接收所述位同步信号，输出判决比特信息，恢复得到发射端调制前的数据信息。
2.如权利要求1所述的非静止轨道卫星DQPSK通信的相干解调装置，其特征在于，所述低通滤波器包括多个级联的滤波器。
3.如权利要求1所述的非静止轨道卫星DQPSK通信的相干解调装置，其特征在于，所述相位跟踪器通过数字鉴相方式获取所述位同步信号的相位误差信息，并进行数字低通滤波，输出所述跟踪相位信息。
4.如权利要求1所述的非静止轨道卫星DQPSK通信的相干解调装置，其特征在于，所述跟踪相位信息的初值设为0。
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