CN105376191B - 宽带接收信号位同步锁定的判决方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种宽带接收信号位同步锁定的判决方法，旨在提出一种耗费资源少，运算速度快的位同步锁定的判定方法。本发明通过下述技术方案予以实现：分别计算确知的QPSK、8PSK、16QAM三种调制方式的星座图映射点，建立星座图模板，按照权值围绕星座图映射点画一个圆圈，将此判决模板以列表形式保存在可编程门阵列芯片FPGA中，然后对输入判决模板的待判决数字调制信号进行解调；再对输入判决模板的需要判决特定调制方式的信号解调后的IQ支路，以查找表的方式在星座图模板中查找圆圈内、外的映射点数，统计落入判决模板之内和判决模板之外判决点的数量之差；将圆圈内、外的映射点数量之差与星座图模板设定阈值进行比较，比较圆圈内、外的映射点数量，判定是否锁定。

Description

宽带接收信号位同步锁定的判决方法

技术领域

本发明涉及无线宽带通信领域，主要针对百兆量级宽带接收信号的位同步锁定的判决方法，该方法应用于高速数传接收机，是一种基于数字信号处理的位同步锁定方法。

背景技术

无线宽带、高速数据传输技术是高速无线数据传输系统的核心技术之一，高速数传接收机广泛应用于宽带卫星通信以及无线通信中，位同步是其不可或缺的部分。锁相环路PLL是一个闭环的相位控制系统，它的输出信号的相位能自动跟踪输入信号相位。当PLL两矢量以相同的角速度旋转，相对位置，即夹角维持不变，通常数值又较小，这就是环路的锁定状态。从输入信号加到锁相环路的输入端开始，一直到环路达到锁定的全过程，称为捕获过程。捕获时间的大小不但与环路的参数有关，而且与起始状态有关。对一定的环路来说，是否能通过捕获而进入同步完全取决于起始频差。若超过某一范围，环路就不能捕获了。这个范围的大小是锁相环路的一个重要性能指标，称为环路的捕获带。在输入固定频率信号的条件之下，环路进入同步状态后输出信号与输入信号之间频差等于零，相差等于常数，常数这种状态就称为锁定状态。环路的另一个基本工作状态是同步。环路锁定之后稳态频差，等于零。稳态相差通常总是存在的。它是一个固定值，反映了环路跟踪的精度，是一重要的指标。此外，已经锁定的锁相环路，若再改变其固有频差，稳态相差会随之改变。当固有频差增大到某一值时，环路将不能维持锁定。这个锁相环路能够保持锁定状态所允许的最大固有频差称为环路的同步带，也是环路的一个重要参数。锁相环路作为一个控制系统，要全面衡量它的性能尚有一系列的指标，诸如稳定性、响应速度、对干扰和噪声的过滤能力等等。环路的跟踪性能实际的锁相环路在锁定状态之下的稳态相差通常是比较小的。锁定之后，若输入信号的相位发生变化,被控振荡器的输出相位将进行跟踪，在此过程中环路相差是变化的。假如在整个跟踪过程中，环路相差始终比较小。这种可以将环路近似为线性系统来进行分析的跟踪过程称为线性跟踪。线性跟踪是在环路的同步状态下进行的，这是锁相环路正常工作时最常见的情况。对于同一种环路来说，输入信号变化越快，跟踪信能就越差。同一信号加入不同的锁相环路，其稳态相差是不同的。环路噪声性能锁相环路无论工作在哪种应用场合，都不可避免地受到噪声和干扰的作用。噪声和干扰的来源主要有两类：一类是与信号一起进入环路的输入噪声与谐波干扰。输入噪声包括信号源或信道产生的白高斯噪声、环路作载波提取用时信号调制形成的调制噪声，另一类是环路部件产生的内部噪声与谐波干扰，以及压控振荡器控制端感应的寄生干扰等，其中压控振荡器内部的噪声是主要的噪声源。噪声与干扰的作用必然会增加环路捕获的困难，降低跟踪性能，是环路输出相位产生随机的抖动。若环路用作频率合成信号源与微波固态信号源，则输出频谱不纯，短期频率稳定度变差；若环路用作调制解调器，则输出信噪比下降，较强的干扰与噪声还会使环路发生跳周和失锁的概率加大，以致出现门限效应。环路捕获性能捕获概念在开机、换频和由开环到闭环，一开始环路总是失锁的，因此环路需经由失锁进入锁定的过程。通常把使环路进入锁定的过程称为捕获。依靠环路的自身捕获，捕获时间长，捕获带窄，另外还可能出现延滞、假锁等不能可靠捕获的现象。因此研究各种有效的辅助捕获方法，是十分必要的。为改善环路捕获性能，总希望捕获带越宽越好，捕获时间越短越好。但是加大环路增益或滤波器带宽往往是与提高环路的跟踪性能和滤波性能的要求相矛盾的。

同步分为捕获和跟踪两部分，即依次串行传输同步头和数据信号。最大似然法是理论上最简单的一种同步捕获方法，它的优点是捕获速度快，并且理论最简单但所要求接收机的结构最复杂，成本也最高，在直接序列扩频，常用的扩频码捕获方法是利用理想的本地信号模板波形与接收到的信号滑动相关，当得到的相关结果大于判决门限时，判定收发已同步。由于超宽带信号使用窄脉冲且占空比很低，信号不确定相位数相对于DSSS信号剧增，所以滑动相关将造成捕获速度很慢.为减少搜索相位的时间，利用比特翻转搜索算法等诸多搜索算法来减少UWB信号的同步捕获时间.上述同步捕获方法都是在已知信道响应的条下完成的。对于时变信道，为了保证同步捕获算法能达到比较好的性能，需要周期性地发送训练序列以测量信道，其结果是增加了待发送信息的数量。

到目前为止，与本发明相近的高速数据传输位同步锁定算法主要采用的是直接提取输入信号信息，而高速信号数据量大，因此耗费资源巨大。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术不足之处，提出一种耗费资源少，运算速度快，并能有效对宽带信号进行位同步锁定的判定方法，以解决位同步与所占资源之间的这一矛盾问题。为高速无线数据传输系统提供一种高速、高效、可行的位同步锁定的判决方法。

本发明的上述目的可以通过以下措施来达到，一种宽带接收信号位同步锁定的判决方法，具有如下技术特征：

针对宽带接收机特定的四相相移键控信号QPSK、八相相移键控8PSK、正交幅度调制16QAM调制方式获取星座映射点，分别计算确知的QPSK、8PSK、16QAM三种调制方式的星座图映射点，建立四个象限完全对称的确知调制方式无噪声星座图模板，根据星座图映射点设定一个权值，按照权值围绕星座图映射点画一个圆圈，将此判决模板以列表形式保存在可编程门阵列芯片FPGA中，然后对输入判决模板的待判决数字调制信号进行解调，计算调制方式星座图，得到IQ支路；再对输入判决模板的需要判决特定调制方式的信号解调后的IQ支路，以查找表的方式在星座图模板中查找圆圈内、外的映射点数，统计落入判决模板之内和判决模板之外判决点的数量之差；将圆圈内、外的映射点数量之差与星座图模板设定阈值进行比较，比较圆圈内、外的映射点数量，判定是否锁定，输出判决结果。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

耗费资源少，运算速度快。输入信号为高阶调制均可采用基于星座模板的锁定指示判决方法，该方法在FPGA上用查表法实现，如IQ均为8位，且正负对称，则所占用的资源为16K bit，与目前所用FPGA资源相比，所占比重很小。同时本发明的判决方法可以通过调整星座模板的权值和判决阈值来提高判决精度。将其应用到宽带接收机的高斯噪声情况下的高速解调中，可以有效地降低位同步锁定实现在可编程门阵列芯片FPGA中的资源消耗。本发明只需要少量空间存储。

本发明在统计圆内、圆外点数的时候，由于是百兆级的宽带接收机，从而保证了在较短时间内就可以统计大量的点数，继而基本消除了突发点对判决的影响。

方法简单。本发明根据星座图映射点设定一个权值，按照权值围绕星座图映射点画一个圆圈，将此判决模板以列表形式保存在可编程门阵列芯片FPGA中，然后对输入判决模板的待判决数字调制信号进行解调，计算调制方式星座图，得到IQ支路,只需对信号进行星座图星座点映射。

运算速度快。本发明对输入判决模板的需要判决特定调制方式的信号解调后的IQ支路，以查找表的方式在星座图模板中查找圆圈内、外的映射点数，统计落入判决模板之内和判决模板之外判决点的数量之差；运算速度快。

本发明将圆圈内、外的映射点数量之差与星座图模板设定阈值进行比较，比较圆圈内、外的映射点数量，判定是否锁定，输出判决结果，有效对宽带信号进行位同步锁定，解决了位同步与所占资源之间的这一矛盾问题。为高速无线数据传输系统提供一种高速、高效、可行的位同步锁定的判决方法。

实践性强。本发明应用在宽带高速接收机中,具有较强的实践性。

附图说明

下面结合附图和实施例对发明进一步说明。

图1是本发明宽带接收信号位同步锁定的判决流程框图。

图2是图1星座图模板的创建示意图。

具体实施方式

参阅图1。在以下描述的实施例中，宽带接收信号位同步锁定的判决方法是由设计在可编程门阵列芯片FPGA内的数字信号处理模块实现的。首先，针对宽带接收机特定的QPSK、8PSK、16QAM调制方式获取星座映射点，分别计算确知的QPSK、8PSK、16QAM三种调制方式的星座图映射点，建立四个象限完全对称的确知调制方式无噪声星座图模板，根据星座图映射点设定一个权值，按照权值围绕星座图映射点画一个圆圈，将此判决模板以列表形式保存在可编程门阵列芯片FPGA中，然后对输入判决模板的待判决数字调制信号进行解调，计算调制方式星座图，得到IQ支路；再对输入判决模板的需要判决特定调制方式的信号解调后的IQ支路，以查找表的方式在星座图模板中查找圆圈内、外的映射点数，统计落入判决模板之内和判决模板之外判决点的数量之差；将圆圈内、外的映射点数量之差与星座图模板设定阈值进行比较，比较圆圈内、外的映射点数量，判定是否锁定，输出判决结果。具体步骤包括：

1)星座图模板的建立，分别计算确知的三种调制方式QPSK、8PSK、16QAM的星座图映射点，在映射点周围一定范围内画出一个圆，形成包括M_qpsk,M_8psk,M_16qam在内的判决模板M。

在建立星座图模板的时候，由于在高斯白噪声情况下，判决点在星座映射点周围呈高斯分布，随着噪声能量的增加，判决点沿着星座映射点向外发散，统计方差增加，但均值不变，根据这一特性，在星座映射点周围单位范围内画出一形成判决模板的圆圈，可以据此判定锁定情况。在建立判决模板的时候，可以根据实际应用，在划定模板圆的时候，根据需要设定权值，来决定圆内面积与圆外面积的比值为Rate，修改Rate来提高判决精度。

对于星座图模板的建立，尽管特定的调制方式的星座图点不同，然而在常用的调制方式中如QPSK，8PSK，16QAM中，星座图点总是四个象限是完全对称的，那么在可编程门阵列芯片FPGA内存储模板的时候，只需要存取一个象限中的星座点位置即可，从而减少资源的消耗。

以8PSK为例，形成星座图模板。对输入8PSK调制方式信号，计算形成星座图映射点，以8PSK为例如图2中黑色点所示；根据星座图映射点设定一个权值，根据解调门限时的信噪比对应的圈值大小权值划定圆圈的大小，按照权值围绕星座图映射点画一个圈，实际应用中，假设输入信号采样后得到的，IQ支路数据精度为8bit，根据上述所示，IQ正负对称，则只需对一个象限里进行判决即可，所占用的资源为16K bit，相对于目前所用FPGA资源都在兆级别以上，所占比重很小，即只需要存储四个象限中的第一象限的信号。将模板M_8psk采用查找表的方式存入FPGA中。

2)计算输入待判决的信号的星座图。通过解调输入信号得到IQ数据，形成待判决的星座图点X1。

3)X1与模板M比较。输入待判决的特定调制方式的信号解调后形成的星座图点X1，在可编程门阵列芯片FPGA内，本发明在M模板中以查找表的方式在星座图模板中统计落在M模板内数量NUM_in和落在模板外的数量NUM_out”。计算落在M模板内数量NUM_in和落在模板外的数量NUM_out只差为NUM_last。

4)本发明统计在星座图模板中查找圆圈内、外的映射点数来判定是否锁定，在实际应用中，根据使用情况下的信噪比情况可以将从不锁到锁定的第一个阈值THR_A和从锁定到不锁的第二个阈值THR_B设置为更为理想的值。

5)输入待判决信号位同步从不锁定到锁定时，本发明对NUM_last与阈值THR_A进行比较，如果NUM_last大于THR_A则判定为锁定，否则判定为不锁；位同步从锁定到不锁定时，NUM_last与阈值THR_B进行比较，如果NUM_last大于THR_A则判定为不锁定，否则判定为锁定。

参阅图2。图2中，虚线圆圈与坐标轴就构成星座图模板M_8psk。输入待判决的信号通过解调后的星座图点X1是圆内的“十”字点和圆外的“一”字点。落在M模板内数量NUM_in是图中“十”字点的点数，落在模板外的数量NUM_out是图中“一”字点的点数。

以上所述的仅是本发明的优选实施例。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些变更和改变应视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种宽带接收信号位同步锁定的判决方法，具有如下技术特征：

针对宽带接收机特定的四相相移键控信号QPSK、八相相移键控8PSK、正交幅度调制16QAM调制方式获取星座映射点，分别计算确知的QPSK、8PSK、16QAM三种调制方式的星座图映射点，建立四个象限完全对称的确知调制方式无噪声星座图模板，根据星座图映射点设定一个权值，按照权值围绕星座图映射点画一个圆圈，将此判决模板以列表形式保存在可编程门阵列芯片FPGA中，然后对输入判决模板的待判决数字调制信号进行解调，计算调制方式星座图，得到IQ支路；再对输入判决模板的需要判决特定调制方式的信号解调后的IQ支路，以查找表的方式在星座图模板中查找圆圈内、外的映射点数，统计落入判决模板之内和判决模板之外判决点的数量之差；将圆圈内、外的映射点数量之差与星座图模板设定阈值进行比较，比较圆圈内、外的映射点数量，判定是否锁定，输出判决结果。

2.如权利要求1所述的宽带接收信号位同步锁定的判决方法，其特征在于：宽带接收信号位同步锁定的判决是由设计在可编程门阵列芯片FPGA内的数字信号处理模块实现的。

3.如权利要求1所述的宽带接收信号位同步锁定的判决方法，其特征在于：星座图模板的建立，分别计算确知的三种调制方式QPSK、8PSK、16QAM的星座图映射点，在映射点周围一定范围内画出一个圆，形成判决模板M。

4.如权利要求1所述的宽带接收信号位同步锁定的判决方法，其特征在于：在星座映射点周围单位范围内画出一形成判决模板的圆圈，可以据此判定锁定情况。

5.如权利要求1所述的宽带接收信号位同步锁定的判决方法，其特征在于：根据设定权值决定圆内面积与圆外面积的比值为Rate，修改Rate来提高判决精度。

6.如权利要求1所述的宽带接收信号位同步锁定的判决方法，其特征在于：在可编程门阵列芯片FPGA内存储模板中存取一个象限中的星座点位置。

7.如权利要求1所述的宽带接收信号位同步锁定的判决方法，其特征在于：根据星座图映射点设定一个权值，根据解调门限时的信噪比对应的圈值划定圆圈的大小，按照权值围绕星座图映射点画一个圈。

8.如权利要求1所述的宽带接收信号位同步锁定的判决方法，其特征在于：通过解调输入信号得到IQ数据，形成待判决的星座图点X1。

9.如权利要求3所述的宽带接收信号位同步锁定的判决方法，其特征在于：输入待判决的特定调制方式的信号解调后形成的星座图点X1，在可编程门阵列芯片FPGA内，在M模板中以查找表的方式在星座图模板中统计落在M模板内数量NUM_in和落在模板外的数量NUM_out；计算落在M模板内数量NUM_in和落在模板外的数量NUM_out之差为NUM_last。

10.如权利要求9所述的宽带接收信号位同步锁定的判决方法，其特征在于：输入待判决信号位同步从不锁定到锁定时，对NUM_last与阈值THR_A进行比较，如果NUM_last大于THR_A则判定为锁定，否则判定为不锁；位同步从锁定到不锁定时，NUM_last与阈值THR_B进行比较，如果NUM_last大于THR_A则判定为不锁定，否则判定为锁定。