CN103973631B - 基于复合上下变频的矢量信号解调方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种适用于数字通信设备和数字通信测试仪器的基于复合上下变频的矢量信号解调方法，先经过第一数字下变频单元变到零中频后生成I、Q两路数字信号；经过抽取滤波单元降低采样率；进入数字上变频单元进行上变频；进入第二数字下变频单元，第二数字下变频单元还接收来自载波误差计算单元所产生的载波误差信号，并将该误差作用到数字频率合成器上；进入符号同步与均衡单元进行符号同步处理，产生解调符号；解调符号输出的同时在载波误差计算单元进行载波误差的估计，产生的误差反馈到第二数字下变频单元调节数字频率合成器，完成载波的锁定。

Description

基于复合上下变频的矢量信号解调方法

技术领域

本发明属于数字通信与测量领域，特别涉及一种基于复合上下变频的矢量信号解调方法。

背景技术

矢量信号广泛应用于数字通信设备和相关测试仪器中，对矢量信号进行解调是这些设备和仪器中的关键技术之一。当前，矢量信号的格式有FSK、ASK、PSK、QAM等，解调符号速率一般从1kHz到10MHz以上，有些达到100MHz以上，数字通信设备的通信符号速率一般为定值，而数字通信测试仪器则要求符号速率在一定范围内连续可调。

在数字通信设备和矢量信号分析仪器中，现有的矢量信号解调方法基本采用全数字正交解调方案，数字通信设备常用专用数字解调芯片或FPGA来进行解调，矢量信号分析仪器常用FPGA或DSP来进行解调。如图1所示，现有的正交解调方式由数字下变频(DDC)、抽取滤波、符号同步与均衡、载波误差计算等单元组成，对于QPSK、16QAM等矢量信号，常用判决反馈环的方式实现载波锁定从而完成相干解调。

技术论文《基于FPGA的全数字高阶QAM载波同步设计》(文章编号：1002-8692(2011)21-0062-04)、《全数字高阶QAM解调系统的设计》(文章编号：1007-0249(2007)06-0124-06)所公开的都是采用现有的正交解调方式实现QAM矢量信号的解调，并且都采用反馈环路完成载波恢复。现有的正交解调方式在低符号速率时，要通过抽取滤波降低采样率，而抽取滤波数字延时较大，导致低符号速率信号的解调锁定速率慢。例如，当输入采样率为200MSPS时，对于1kHz的符号速率，抽取滤波单元的抽取率约为6000，抽取滤波单元的数字延时约300us，每次生成的载波误差反馈给数字下变频单元，数字下变频单元调整载波相位并输出新的IQ数据，新的IQ数据到达载波误差计算单元都会延时约300us时间，而锁定过程中，载波误差一般要反馈几千次后才能达到锁定，从而导致其锁定时间长达数秒。

发明内容

本发明提出了一种适用于数字通信设备和数字通信测试仪器的基于复合上下变频的矢量信号解调方法，主要通过FPGA来实现，可以对不同符号速率的矢量信号进行解调与分析，锁定速度比现有的单次数字下变频正交解调方式快，有效的解决了低符号速率的矢量信号解调时载波锁定速度慢和移植不便等技术难题。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于复合上下变频的矢量信号解调方法，包括以下步骤：

步骤(一)，输入的中频数字采样信号先经过第一数字下变频单元，变到零中频后生成I、Q两路数字信号；

步骤(二)，第一数字下变频单元产生的I、Q路信号经过抽取滤波单元降低采样率；

步骤(三)，抽取滤波单元产生的基带信号进入数字上变频单元进行上变频，数字上变频中心频率与第一数字下变频的中频频率无关，数字上变频后产生单路的已调数字载波信号；

步骤(四)，数字上变频产生的信号进入第二数字下变频单元，第二数字下变频单元包括一个可变频率的数字频率合成器、两个混频乘法器和低通滤波器，第二数字下变频单元还接收来自载波误差计算单元所产生的载波误差信号，并将该误差作用到数字频率合成器上；

步骤(五)，第二数字下变频单元输出的I、Q两路信号进入符号同步与均衡单元进行符号同步处理，产生解调符号；

步骤(六)，解调符号输出的同时在载波误差计算单元进行载波误差的估计，产生的误差反馈到第二数字下变频单元调节数字频率合成器，完成载波的锁定。

可选地，所述步骤(一)中，第一数字下变频单元的变频频率与输入的中频频率一致。

可选地，所述步骤(一)中，还包括对I、Q路信号分别进行低通滤波的步骤。

可选地，所述步骤(二)中，抽取倍数由中频输入采样率和符号速率共同决定，抽取滤波后的中频带宽大于输入信号的带宽。

可选地，所述抽取滤波单元包括HB、CIC和FIR滤波器。

可选地，所述步骤(三)中，数字上变频中心频率固定为数字上变频单元的输入采样率的1/4，数字上变频单元包括数字频率合成器和两个乘法器，将I、Q路基带信号调制到数字频率合成器上，其具体为：

Yduc＝I*cos+Q*sin，其中cos、sin为数字频率合成器的两路正交输出，

当上变频的载波信号频率Fnco和上变频采样率Fs满足：Fnco/Fs＝(2m+1)/4时，NCO的I路输出为cos(0)、cos(π/2)、cos(π)、cos(3π/4)，Q路输出为sin(0)、sin(π/2)、sin(π)、sin(3π/4)。

可选地，所述步骤(四)中，第二数字下变频单元根据反馈的载波误差不断的调节本地载波的频率，具体为：

载波误差FE反馈到第二数字下变频单元后，首先调节相位控制字FW：FW＝FW-FE；

第二数字下变频单元的中频频率选取1/4输入采样率，FW的初始值Finit为36'h400000000，新的相位控制字输出给相位累加器，生成查找表的地址Addr：Addr＝Addr+FW；

对Addr进行截位后查表产生正交的cos和sin两路信号，再进行混频乘法和低通滤波后产生载波同步后的基带信号。

可选地，所述步骤(四)中，可变频率的数字频率合成器的初始频率与数字上变频单元的变频中心频率一致，固定为数字上变频单元的输入采样率的1/4。

可选地，所述步骤(六)中，采用判决反馈环来进行载波误差的估计。

本发明的有益效果是：

(1)矢量信号解调载波锁定速度快，特别是对于低符号速率，其锁定时间明显减小，对于1kHz的符号速率，在200MSPS的中频采样率时，其锁定时间优于1秒；

(2)矢量信号解调单元与第一数字下变频的中心频率和采样率无关，便于移植，可广泛应用于不同中频、不同采样率的矢量解调与分析设备中，且同时支持低符号速率和较高符号速率的矢量信号解调。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有的正交矢量解调原理框图；

图2为本发明基于复合上下变频的矢量信号调节方法的原理框图；

图3为本发明基于复合上下变频的矢量信号调节方法的数字上变频单元的原理框图；

图4为本发明基于复合上下变频的矢量信号调节方法的第二数字下变频单元的原理框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

现有的正交矢量解调方式普遍采用单次数字下变频和判决反馈环方法来进行相干解调，由于接收信号的符号速率变化范围大，中频信号的采样率较高，导致数字环路中抽取滤波单元的延时较长，特别是对于低符号速率的矢量信号，数字延时导致解调时载波锁定时间明显加长，锁定慢会导致丢失符号信息，在测量类仪器中还会导致用户体验度变差；由于当前的矢量解调设备的中频频率和采样率不尽相同，而载波恢复与中频频率和采样率密切相关，因此，矢量信号解调单元不便于直接移植。

针对以上缺点，本发明的目的是采用复合上下变频技术，对现有的正交矢量解调方法进行改进，通过两次下变频和一次上变频的方式，将延时较长的抽取滤波单元划分到环路之外，有效减小了FPGA中载波锁定环路的数字延时，载波误差反馈响应速度明显提高，从而提高其载波锁定速度；且矢量信号解调单元与中频频率和采样率无关，封装性强，便于直接移植到其余的功能类似解调设备中。

本发明的基于复合上下变频的矢量信号解调方法，其原理框图如图2所示，包括以下步骤：

步骤(一)，输入的中频数字采样信号先经过第一数字下变频单元，第一数字下变频单元的变频频率与输入的中频频率一致，变到零中频后生成I、Q两路数字信号，为了抑制变频镜像信号，数字下变频单元要对I、Q路信号分别进行低通滤波。

步骤(二)，第一数字下变频单元产生的I、Q路信号经过抽取滤波单元降低采样率，抽取倍数由中频输入采样率和符号速率共同决定，抽取滤波后的中频带宽必须大于输入信号的带宽，符号速率低时，信号带宽相对小，则抽取倍数高，通路中的数字延时长，抽取滤波单元由HB、CIC和FIR滤波器共同实现。

步骤(三)，抽取滤波单元产生的基带信号进入数字上变频(DUC)单元进行上变频，本发明中的数字上变频中心频率与第一数字下变频的中频频率无关，固定为DUC单元的输入采样率的1/4，数字上变频后产生单路的已调数字载波信号。

步骤(四)，数字上变频产生的信号进入第二数字下变频单元，该单元包括一个可变频率的数字频率合成器(NCO)、两个混频乘法器和低通滤波器，可变频率的数字频率合成器的初始频率与数字上变频单元的变频中心频率一致，也固定为数字上变频单元的输入采样率的1/4。同时，第二数字下变频单元还接收来自载波误差计算单元所产生的载波误差信号，并将该误差作用到数字频率合成器上。

步骤(五)，第二数字下变频单元输出的I、Q两路信号进入符号同步与均衡单元进行符号同步处理，从I、Q两路信号中恢复采样时钟，并输出与时钟相对应的I、Q信号，即为解调符号。

步骤(六)，解调符号输出的同时在载波误差计算单元进行载波误差的估计，本发明采用的是判决反馈环来进行载波误差的估计，产生的误差反馈给第二数字下变频单元调节数字频率合成器，从而完成载波的锁定。

在上述技术方案中，矢量解调的数字信号处理都在FPGA中实现。

上述步骤(三)中，由于数字上变频单元的输入已经是基带信号，不包含本地载波信息，因此本发明采用1/4采样率上变频的方式对经过抽取滤波后的IQ基带信号进行上变频，其实现原理如图3所示：

数字上变频单元包括数字频率合成器和两个乘法器，将I、Q路基带信号调制到数字频率合成器(NCO)上，其实现方式为：

Yduc＝I*cos+Q*sin(cos、sin为NCO的两路正交输出)

当上变频的载波信号频率Fnco和上变频采样率Fs满足：Fnco/Fs＝(2m+1)/4时，数字频率合成器的I路输出为cos(0)、cos(π/2)、cos(π)、cos(3π/4)，Q路输出为sin(0)、sin(π/2)、sin(π)、sin(3丌/4)，即0，1，0，-1四个特殊值，数字上变频单元就可以避免复杂的振荡器和乘法器，而用简单的组合逻辑和取反运算即可实现，本发明就是采用这种方式来完成数字上变频，占用FPGA资源少，运行效率高。

上述步骤(四)中，第二数字下变频单元要根据反馈的载波误差不断的调节本地载波的频率，从而完成锁定，其实现原理如图4所示。载波误差FE反馈到第二数字下变频单元后，首先调节相位控制字FW：

FW＝FW-FE

本发明的相位控制字采用36bits，在200MSPS时其理想频率分辨率可达到0.003Hz，同数字上变频单元一样，第二数字下变频单元的中频频率也选取1/4输入采样率，即FW的初始值Finit为36'h400000000，这样，整个解调环路与第一数字下变频单元的采样率和中频频率无关，可以整体封装成通用的矢量解调软件，方便的移植到同类解调设备中。新的相位控制字输出给相位累加器，生成查找表的地址Addr：

Addr＝Addr+FW

由于FPGA资源的限制，正弦余弦查找表的地址采用25bits，对Addr进行截位后查表产生正交的cos和sin两路信号，再进行混频乘法和低通滤波后产生载波同步后的基带信号。整个载波环路中没有抽取滤波，数字延时短，提高了环路的响应速度。

本发明的基于复合上下变频的矢量信号解调方法，矢量信号解调载波锁定速度快，特别是对于低符号速率，其锁定时间明显减小，对于1kHz的符号速率，在200MSPS的中频采样率时，其锁定时间优于1秒；矢量信号解调单元与第一数字下变频的中心频率和采样率无关，便于移植，可广泛应用于不同中频、不同采样率的矢量解调与分析设备中，且同时支持低符号速率和较高符号速率的矢量信号解调。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于复合上下变频的矢量信号解调方法，其特征在于，所述矢量信号解调方法在FPGA中实现，通过两次下变频和一次上变频的方式，将抽取滤波单元划分到环路之外，减小FPGA中载波锁定环路的数字延时，包括以下步骤：

步骤(一)，输入的中频数字采样信号先经过第一数字下变频单元，变到零中频后生成I、Q两路数字信号；

步骤(二)，第一数字下变频单元产生的I、Q两路数字信号经过抽取滤波单元降低采样率；

步骤(三)，抽取滤波单元产生的I、Q两路基带信号进入数字上变频单元进行上变频，数字上变频单元的变频中心频率与第一数字下变频的输入的中频数字采样信号的频率无关，固定为数字上变频单元的输入采样率的1/4，I、Q两路基带信号上变频后产生单路的已调数字载波信号；

步骤(四)，数字上变频单元产生的单路的已调数字载波信号进入第二数字下变频单元，第二数字下变频单元包括一个可变频率的数字频率合成器、两个混频乘法器和低通滤波器，可变频率的数字频率合成器的初始频率与数字上变频单元的变频中心频率一致，固定为数字上变频单元的输入采样率的1/4，第二数字下变频单元还接收来自载波误差计算单元所产生的载波误差信号，并将该载波误差信号作用到数字频率合成器上；第二数字下变频单元根据反馈的载波误差信号不断的调节本地载波的频率，具体为：

载波误差FE反馈到第二数字下变频单元后，调节相位控制字FW：FW＝FW-FE；FW的初始值Finit为36′h400000000，新的相位控制字输出给相位累加器，生成查找表的地址Addr：Addr＝Addr+FW；

对Addr进行截位后查表产生正交的cos和sin两路信号，再进行混频乘法和低通滤波后产生载波同步后的I、Q两路基带信号；

步骤(五)，第二数字下变频单元输出的载波同步后的I、Q两路基带信号进入符号同步与均衡单元进行符号同步处理，产生解调符号；

步骤(六)，解调符号输出的同时在载波误差计算单元进行载波误差的估计，产生的载波误差信号反馈到第二数字下变频单元以将该载波误差信号作用到数字频率合成器上，完成载波的锁定。

2.如权利要求1所述的基于复合上下变频的矢量信号解调方法，其特征在于，所述步骤(一)中，第一数字下变频单元的变频中心频率与输入的中频数字采样信号的频率一致。

3.如权利要求1所述的基于复合上下变频的矢量信号解调方法，其特征在于，所述步骤(一)中，还包括对I、Q两路数字信号分别进行低通滤波的步骤。

4.如权利要求1所述的基于复合上下变频的矢量信号解调方法，其特征在于，所述步骤(二)中，抽取倍数由输入的中频数字采样信号的采样率和符号速率共同决定，抽取滤波后的基带信号带宽大于输入信号的带宽。

5.如权利要求4所述的基于复合上下变频的矢量信号解调方法，其特征在于，所述抽取滤波单元包括HB、CIC和FIR滤波器。

6.如权利要求1所述的基于复合上下变频的矢量信号解调方法，其特征在于，所述步骤(三)中，数字上变频单元包括数字频率合成器NCO和两个乘法器，数字上变频单元对输入的I、Q路基带信号进行上变频，产生单路的已调数字载波信号，其具体为：

Yduc＝I*cos+Q*sin，其中cos、sin为数字频率合成器NCO的两路正交输出。

7.如权利要求1所述的基于复合上下变频的矢量信号解调方法，其特征在于，所述步骤(六)中，采用判决反馈环来进行载波误差的估计。