CN103414674B - 一种mapsk自适应解调系统 - Google Patents

Abstract

本发明针对MAPSK信号的特点，结合自适应数据传输帧结构，公开了一种MAPSK自适应解调系统，其中自适应解调信号处理流程包括：前导头捕获、位同步、直角坐标系转极坐标系、初始频偏及相偏估计、RM译码、载波跟踪、增益控制、软解映射、突发类型求解及帧同步。位同步部分包括：位定时偏差估计、三角函数内插。采用本发明实现了对变速率（2～45Mbps）、多调制方式（QPSK、8PSK及16APSK）的信号进行突发自适应解调的通用设计。解决了卫星在Ku/Ka频段进行无线传输时的严重雨衰问题、多类型通信终端不同的数据传输需求问题及通信卫星系统抗干扰通信的需求问题。

Description

一种MAPSK自适应解调系统

技术领域

本发明涉及了一种MAPSK自适应解调系统。

背景技术

卫星通信具有覆盖地域广、通信距离远、通信容量大、传输质量好等特点，己成为通信的一种重要的通信手段。由于卫星通信业务日趋繁忙，通信容量迅速增加，致使射频频谱非常拥挤，各个通信信道间的相互干扰己成为一个突出问题，为了解决频谱资源紧张的问题，卫星通信向着有广阔前景的Ka(20/30GHz)及以上的高频段发展。结合通信类型的多样化要求，使得卫星通信系统在Ka及以上的频段的应用有以下几个问题需要解决：1)卫星在Ku/Ka频段进行无线传输时的严重雨衰问题；2)通信卫星系统如何满足多类型通信终端不同的数据传输需求问题；3)通信卫星系统如何满足抗干扰通信的需求问题。而解决这一切的基础是卫星的高效自适应解调能力。

自适应解调既要求在资源的消耗上不能比常规解调大很多，又要求能自动识别信号的调制及编码方式并针对不同的调制方式采用相应的同步算法，因此，自适应解调性能的优劣直接影响系统的整体性能。

现有的自适应解调算法多针对连续模式，位同步算法也基本选用若干个采样点选其一的方式。例如文献1(标准“Digital Video Broadcasting Standard2(DVB-S2)”)给出了一种适合于连续自适应解调的实现方法。文献2“调制信号的自适应解调方法研究”(李炎新，东南大学博士学位论文南京，东南大学信息工程学院，2009年10月)给出了BPSK、QPSK和16QAM的自适应解调算法，其中位同步算法是从5个采样点中选出一个最佳值作为当前符号值，载波同步算法采用锁相环结构，Matlab仿真结果为：信噪比为15dB时，无位定时偏差，恢复出的星座图正常。文献1中，DVB-S2仅给出了连续模式的自适应解调，对突发模式则没有明确的给出，而本算法则在突发自适应解调上有很好的性能(解调损失<0.5dB)。文献2中，其位同步选用5个采样点选其一的方式，这在有位定时偏差下，会造成选出的点偏离最佳点，对位同步的效果产生很大的影响，尤其是对16APSK或16QAM。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种MAPSK自适应解调系统，实现了对变速率(2～45Mbps)、多调制方式(QPSK、8PSK及16APSK)的信号进行自适应解调的通用设计。

本发明的技术方案是：一种MAPSK自适应解调系统，包括前导头捕获模块、位同步模块、直角坐标系转极坐标系模块、初始频偏及相偏估计模块、RM译码模块、自适应载波跟踪模块、增益控制模块、自适应软解映射模块、突发类型求解模块及帧同步模块；

前导头捕获模块，接收并存储卫星下行输入信号，采用基于多路差分相关检测的突发检测方案，将卫星下行输入信号同前导头做相关；若相关结果大于等于捕获门限，则产生捕获成功信号，并将大于捕获门限的相关结果所对应的卫星下行输入信号作为捕获信号，输出捕获成功信号以及捕获信号的初始地址至位同步模块；若相关结果小于捕获门限，则继续将卫星下行输入信号同前导头做相关；所述的前导头为卫星下行输入信号帧结构中的捕获及同步序列；所述的捕获门限的具体值根据前导头的长度确定；

位同步模块，若接收到捕获成功信号，则以接收到的捕获信号的初始地址为起始地址，读取卫星下行输入信号，对卫星下行输入信号做位同步运算获得数据信号，并根据反馈回来的突发类型，输出相应长度的位同步后的数据信号给直角坐标系转极坐标系模块；

直角坐标系转极坐标系模块，将输入的位同步后的数据信号转换为幅度数据和相位数据并输出给初始频偏及相偏估计模块；

初始频偏及相偏估计模块，接收并存储输入的幅度数据及相位数据，采用二分快速搜索算法，根据前导头计算出位同步后的数据信号的初始频偏及初始相偏，输出初始频偏、初始相偏到RM译码模块及自适应载波跟踪模块；

RM译码模块，用输入的初始频偏及初始相偏补偿编码调制模式字，将补偿后的编码序列做BPSK解调并硬判为0或1的bit，对BPSK解调并硬判的后编码序列做RM译码得出新的编码调制字，输出新的编码调制字到自适应载波跟踪模块及自适应软解映射模块；所述编码调制字为卫星下行输入信号帧结构中的编码调制模式字；

自适应载波跟踪模块，读取初始频偏及相偏估计模块中存储的幅度数据及相位数据，用输入的初始频偏及初始相偏对相位进行补偿；根据输入的新的编码调制字确定调制方式，采用基于最大似然估计的MPSK系统载波同步方法对相位数据进行载波跟踪，并根据突发类型求解模块反馈回来的突发类型，输出相应长度的幅度数据及相位数据给增益控制模块；

增益控制模块，根据输入的幅度数据计算获得前导头的平均幅度，通过和解调标准幅度进行对比得到比例因子，将幅度数据与求得的比例因子相乘，获得调整后的幅度数据，输出相位数据及调整后的幅度数据给自适应软解映射模块；

自适应软解映射模块，对独特码做QPSK软解映射，输出独特码的软信息到突发类型求解模块；自适应软解映射模块还根据输入的新的编码调制字，确定调制方式，对传输数据做相应的QPSK、8PSK或16APSK软解映射，输出传输数据软信息到帧同步模块；所述的独特码为卫星下行输入信号帧结构中的独特码，所述的传输数据为卫星下行输入信号帧结构中的传输数据；

突发类型求解模块，将输入的独特码的软信息硬判后，分别同预设好的数据突发和测距突发的独特码做相关，将超过门限的那一组相关结果所对应的突发类型反馈给位同步模块及自适应载波跟踪模块；所述门限的具体值根据独特码的长度确定；

帧同步模块，将输入的并行软信息缓存下来，并以M个软信息为单位分块串行输出；所述的M的取值根据LDPC译码所需的信息块确定。

所述的位同步模块包括位定时偏差估计模块和三角函数内插模块；位定时偏差估计模块若接收到捕获成功信号，则以接收到的捕获信号的初始地址为起始地址，读取M个卫星下行输入信号，其中M≥512，计算出位定时偏差，并根据位定时偏差的范围调整位定时偏差的大小及初始地址，将调整后的位定时偏差及初始地址输出到三角函数内插模块；

三角函数内插模块接收到位定时偏差及初始地址后，以当前初始地址减1后的地址作为起始地址，依次读取卫星下行输入信号，做三角函数内插运算，获得数据信号，并根据反馈回来的突发类型，输出相应长度的位同步后的数据信号给直角坐标系转极坐标系模块。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)本发明在突发自适应解调上有很好的性能，在频偏、相偏、位定时偏差及白噪声的影响下，解调损失小于0.5dB。

(2)本发明资源复用率高，使用相同算法的QPSK突发解调需要消耗Virtex4-55芯片31％的资源，而本发明仅以消耗35％的资源完成自适应解调。

(3)本位定时偏差估计模块采用先估计偏差再内插的方式，因此位同步后的点基本上为最佳采样点，内插损耗小于0.05dB，而且改进后的三角内插模块更适合FPGA实现，节省了大量资源。

附图说明

图1为本发明系统流程图；

图2为传输信号帧结构；

图3为基于多路差分相关检测的突发检测方案结构图；

图4为位定时偏差估计的FPGA信号处理流程图；

图5为三角函数内插的FPGA信号处理流程图。

具体实施方式

下面就结合附图对本发明的自适应解调系统及位同步部分做进一步介绍。

如图1所示为本发明系统结构组成图，包括前导头捕获模块、位同步模块、直角坐标系转极坐标系模块、初始频偏及相偏估计模块、RM译码模块、自适应载波跟踪模块、增益控制模块、自适应软解映射模块、突发类型求解模块及帧同步模块；

前导头捕获模块，接收并存储卫星下行输入信号，采用基于多路差分相关检测的突发检测方案，将卫星下行输入信号同前导头做相关；若相关结果大于等于捕获门限，则产生捕获成功信号，并将大于捕获门限的相关结果所对应的卫星下行输入信号作为捕获信号，输出捕获成功信号以及捕获信号的初始地址至位同步模块；若相关结果小于捕获门限，则继续将卫星下行输入信号同前导头做相关，所述的前导头为图2中的捕获及同步序列，所述的捕获门限同前导头的长度有关。在实际工程中，捕获门限定的过高会造成漏帧率的增加，过低则又会造成误帧率的增加，经过实际测试，这里将门限定为100，系统性能最优；

基于多路差分相关检测的突发检测方案是一种能够克服频偏和相偏对相关检测的影响的捕获方案。因为突发检测在位同步之前，此时符号的最佳采样点不可知，这会影响相关检测的性能，而当符号采样率较高时，则总有一路靠近最佳采样点，从而将多路分别相关能够提高检测性能，因此这里采用4路差分相关运算。其算法结构如图3所示。其中，第1路的输入是卫星下行输入信号的第1,5,9,13,17…4n+1(n趋于无穷)个信号，第2路的输入是卫星下行输入信号的第2,6,10,14,18…4n+2(n趋于无穷)个信号，第3路的输入是卫星下行输入信号的第3,7,11,15,19…4n+3(n趋于无穷)个信号，第4路的输入是卫星下行输入信号的第4,8,12,16,20…4n+4(n趋于无穷)个信号，将这4路分别同前导头做相关，若有1路相关值大于捕获门限，则将这一路作为捕获信号，否则继续搜索。

位同步模块，若接收到捕获成功信号，则以接收到的捕获信号的初始地址为起始地址，读取卫星下行输入信号，对卫星下行输入信号做位同步运算获得数据信号，并根据反馈回来的突发类型，输出相应长度的位同步后的数据信号给直角坐标系转极坐标系模块；

直角坐标系转极坐标系模块，将输入的数据信号转换为幅度数据和相位数据并输出给初始频偏及相偏估计模块；

初始频偏及相偏估计模块，接收并存储输入的幅度数据及相位数据，采用二分快速搜索算法(见专利《一种基于最大似然估计的MPSK系统载波同步方法》，公开号：CN 101626357A)，根据前导头计算出位同步后的数据信号的初始频偏及初始相偏，输出初始频偏、初始相偏到RM译码模块及自适应载波跟踪模块；

RM译码模块，用输入的初始频偏及初始相偏补偿编码调制模式字，即纠正编码调制字的频偏和相偏，将补偿后的编码序列做BPSK解调并硬判为0或1的bit，具体方法是：将将补偿后的编码序列的实部和虚部相加，若大于等于0，判为0，否则，判为1。对BPSK解调并硬判的后编码序列做RM译码得出新的编码调制字，输出新的编码调制字到自适应载波跟踪模块及自适应软解映射模块；所述编码调制模式字为。所述编码调制字为图2中的编码调制模式字。

自适应载波跟踪模块，读取初始频偏及相偏估计模块中存储的幅度数据及相位数据，用输入的初始频偏及初始相偏对相位进行补偿；根据输入的新的编码调制字确定调制方式(不同的新编码调制字对应不同的调制方式)，采用基于最大似然估计的MPSK系统载波同步方法(见专利《一种基于最大似然估计的MPSK系统载波同步方法》，公开号：CN 101626357A)对相位数据进行载波跟踪，并根据突发类型求解模块反馈回来的突发类型，输出相应长度的幅度数据及相位数据给增益控制模块；

增益控制模块，根据输入的幅度数据计算获得前导头的平均幅度，通过和解调标准幅度进行对比得到比例因子，将幅度数据与求得的比例因子相乘，获得调整后的幅度数据，输出相位数据及调整后的幅度数据给自适应软解映射模块；

自适应软解映射模块，对独特码做QPSK软解映射(分别求出独特码每个符号的实部和虚部，并按顺序输出，实部在前)，输出独特码的软信息到突发类型求解模块；自适应软解映射模块还根据输入的新的编码调制字，确定调制方式，对传输数据做相应的QPSK、8PSK或16APSK软解映射(见文章《一种8PSK,16APSK与32APSK软解映射的实现技术》，《无线电工程》，2011年第4期)，输出传输数据软信息到帧同步模块，所述的独特码为图2中的独特码，所述的传输数据为图2中的传输数据；

突发类型求解模块，将输入的独特码的软信息硬判后，分别同预设好的数据突发和测距突发的独特码做相关，将超过独特码门限的那一组相关结果所对应的突发类型反馈给位同步模块及自适应载波跟踪模块；所述独特码门限同独特码的长度有关。

帧同步模块，将输入的并行软信息缓存下来，并以M个软信息为单位分块串行输出；所述的M的取值根据LDPC译码所需的信息块确定。

本自适应解调系统的位同步模块包括位定时偏差估计和三角函数内插；位定时偏差估计模块在接收到捕获成功的信号后，以输入的初始地址为起始地址，取M个采样点(M≥512)，对这些采样点做求模平方运算，再通过式计算出位定时偏差，其中x_k为经过求模平方运算后的值，N＝4，L＝M/4。当位定时偏差大于等于-0.25且小于等于0.25时，输出位定时偏差及初始地址到三角函数内插模块；当位定时偏差大于0.25时，输出位定时偏差减去0.25后的值及初始地址加1后的地址到三角函数内插模块；当位定时偏差小于-0.25时，输出位定时偏差加上0.25后的值及初始地址减1后的地址到三角函数内插模块。

其FPGA信号处理流程如图4所示，信号经过捕获模块后，将帧头起始位置地址传递给位定时偏差估计模块，位定时偏差估计模块以此地址为初始地址从RAM中分别读取输入采样点的实部和虚部(12bits)，共读入2048个实部和虚部，对实部和虚部分别平方再求和，得到2048个和值，经过截位后，每个和值16bits。计数选择器通过计数控制，将第1、5、9等512个和值送入累加求和器1，将第2、6、10等512个和值送入累加求和器2，将第3、7、11等512个和值送入累加求和器3，将第4、8、12等512个和值送入累加求和器4。调用XILINX公司的成熟IP核CORDIC变换核(arctan功能)V3.0，将累加器1输出值减去累加器3的输出值送入CORDIC核的实部输入，将累加器4输出值减去累加器2的输出值送入CORDIC核的虚部输入，输出14bits的相位值。将相位值同相乘后截为14位，作为初始位定时偏差估计。将初始位定时偏差估计送入比较器，若其大于-0.25且小于0.25时，输出初始位定时偏差估计及帧头起始位置地址；当其大于0.25时，输出初始位定时偏差估计减0.25后的值及帧头起始位置地址减1后的地址；当其小于-0.25时，输出初始位定时偏差估计加0.25后的值及帧头起始位置地址加1后的地址。

三角函数内插模块在接收到位定时偏差及地址后，以当前地址减1后的地址作为起始地址，每次读出4个采样点，将每个采样点的实部及虚部分别送入下式做三角函数内插，其中实部内插后的值为位同步输出的位同步后的数据信号的实部，虚部内插后的值为位同步输出的位同步后的数据信号的虚部。

$\begin{array}{c}y\left(u\right)=\frac{1}{2}\left(\right(y\left(1\right)+y\left(-1\right)\left)\right)+\frac{1}{2}\mathrm{Re}\left(\right(2y\left(0\right)-y\left(1\right)-y\left(-1\right)\&rsqb;\\ +j\&lsqb;-2y\left(1\right)+y\left(0\right)+y\left(2\right)\&rsqb;e^{j\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}u})-\left(\frac{1}{2}\right(y\left(1\right)+y\left(-1\right)-y\left(0\right)-y\left(2\right)\left)\right)u\end{array}$

其中，y(-1)～y(2)是第1到4个采样点的实部或虚部，u是4倍位定时偏差。

其FPGA信号处理流程如图5所示，首先定义8个12bits的寄存器，用于寄存一次内插所需要的4个实部数据及4个虚部数据，命名为Data_reg_i1～Data_reg_i4及Data_reg_i1～Data_reg_i4，其次以address-1为初始地址，在第一个时钟，读出RAM(address-1～address+2)地址下的采样点，将实部分别存在Data_reg_i1～Data_reg_i4，将虚部分别存在Data_reg_q1～Data_reg_q4，第二个时钟，读出RAM(address+4～address+7)地址下的采样点，将实部分别存在Data_reg_i1～Data_reg_i4，将虚部分别存在Data_reg_q1～Data_reg_q4，以此类推。不同的突发类型所需处理的采样点的个数是不同的，随着突发类型反馈到三角函数内插模块；若是数据突发，所需处理的总采样点为65408个，因为传输数据长度为16128个符号，若是测距突发，所需处理的总采样点为17024个，因为传输数据长度为4032个符号，如图2帧结构所示。三角函数内插模块的实部和虚部是分别内插的，内插算法也相同，这里以实部处理为例，说明FPGA处理流程。首先将Data_reg_i1与Data_reg_i3求和输出part1；其次调用XILINX公司的成熟IP核ComplexMultiplier V3.0，计算2*Data_reg_i2-Data_reg_i3-Data_reg_i1的值作为复乘核i1的输入，计算Data_reg_i2+Data_reg_i4-2*Data_reg_i3的值作为复乘核q1的输入，计算和u(4倍位定时偏差)的乘积值，将结果送入已生成的ROM中，通过查表，输出其sin值及cos值，将余弦值作为复乘核i2的输入，正弦值作为复乘核q2的输入，将复乘结果的实部输出为part2；再次计算Data_reg_i3+Data_reg_i1-Data_reg_i2-Data_reg_i4的值并和u相乘输出part3；最后计算part1+part2-part3的值再与0.5相乘输出内插后的实部值。同理输出内插后的虚部值，这样便完成了由一个符号4个采样点到1个符号1个最佳点的位同步过程。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (2)

1.一种MAPSK自适应解调系统，其特征在于：包括前导头捕获模块、位同步模块、直角坐标系转极坐标系模块、初始频偏及相偏估计模块、RM译码模块、自适应载波跟踪模块、增益控制模块、自适应软解映射模块、突发类型求解模块及帧同步模块；

前导头捕获模块，接收并存储卫星下行输入信号，采用基于多路差分相关检测的突发检测方案，将卫星下行输入信号同前导头做相关；若相关结果大于等于捕获门限，则产生捕获成功信号，并将大于捕获门限的相关结果所对应的卫星下行输入信号作为捕获信号，输出捕获成功信号以及捕获信号的初始地址至位同步模块；若相关结果小于捕获门限，则继续将卫星下行输入信号同前导头做相关；所述的前导头为卫星下行输入信号帧结构中的捕获及同步序列；所述的捕获门限的具体值根据前导头的长度确定；

位同步模块，若接收到捕获成功信号，则以接收到的捕获信号的初始地址为起始地址，读取卫星下行输入信号，对卫星下行输入信号做位同步运算获得数据信号，并根据反馈回来的突发类型，输出相应长度的位同步后的数据信号给直角坐标系转极坐标系模块；

直角坐标系转极坐标系模块，将输入的位同步后的数据信号转换为幅度数据和相位数据并输出给初始频偏及相偏估计模块；

初始频偏及相偏估计模块，接收并存储输入的幅度数据及相位数据，采用二分快速搜索算法，根据前导头计算出位同步后的数据信号的初始频偏及初始相偏，输出初始频偏、初始相偏到RM译码模块及自适应载波跟踪模块；

RM译码模块，用输入的初始频偏及初始相偏补偿编码调制模式字，将补偿后的编码序列做BPSK解调并硬判为0或1的bit，对BPSK解调并硬判的后编码序列做RM译码得出新的编码调制字，输出新的编码调制字到自适应载波跟踪模块及自适应软解映射模块；所述编码调制字为卫星下行输入信号帧结构中的编码调制模式字；

自适应载波跟踪模块，读取初始频偏及相偏估计模块中存储的幅度数据及相位数据，用输入的初始频偏及初始相偏对相位进行补偿；根据输入的新的编码调制字确定调制方式，采用基于最大似然估计的MPSK系统载波同步方法对相位数据进行载波跟踪，并根据突发类型求解模块反馈回来的突发类型，输出相应长度的幅度数据及相位数据给增益控制模块；

增益控制模块，根据输入的幅度数据计算获得前导头的平均幅度，通过和解调标准幅度进行对比得到比例因子，将幅度数据与求得的比例因子相乘，获得调整后的幅度数据，输出相位数据及调整后的幅度数据给自适应软解映射模块；

自适应软解映射模块，对独特码做QPSK软解映射，输出独特码的软信息到突发类型求解模块；自适应软解映射模块还根据输入的新的编码调制字，确定调制方式，对传输数据做相应的QPSK、8PSK或16APSK软解映射，输出传输数据软信息到帧同步模块；所述的独特码为卫星下行输入信号帧结构中的独特码，所述的传输数据为卫星下行输入信号帧结构中的传输数据；

突发类型求解模块，将输入的独特码的软信息硬判后，分别同预设好的数据突发和测距突发的独特码做相关，将超过独特码门限的那一组相关结果所对应的突发类型反馈给位同步模块及自适应载波跟踪模块；所述独特码门限的具体值根据独特码的长度确定；

帧同步模块，将输入的并行软信息缓存下来，并以M个软信息为单位分块串行输出；所述的M的取值根据LDPC译码所需的信息块确定。

2.根据权利要求1所述的一种MAPSK自适应解调系统，其特征在于：所述的位同步模块包括位定时偏差估计模块和三角函数内插模块；位定时偏差估计模块若接收到捕获成功信号，则以接收到的捕获信号的初始地址为起始地址，读取M个卫星下行输入信号，其中M≥512，计算出位定时偏差，并根据位定时偏差的范围调整位定时偏差的大小及初始地址，将调整后的位定时偏差及初始地址输出到三角函数内插模块；

三角函数内插模块接收到位定时偏差及初始地址后，以当前初始地址减1后的地址作为起始地址，依次读取卫星下行输入信号，做三角函数内插运算，获得数据信号，并根据反馈回来的突发类型，输出相应长度的位同步后的数据信号给直角坐标系转极坐标系模块。