CN106130941B - 一种针对残留载波调制的多速率档自适应解调系统 - Google Patents

Abstract

一种针对残留载波调制的多速率档自适应解调系统，该系统主要针对CCSDS临近链路标准协议中规定的采用曼彻斯特编码残留载波的BPSK调制方式，可以在没有先验信息的情况下，估计出信息速率，并实现低复杂度的跟踪和解调。本发明通过精细滤波和窄带宽环路跟踪，实现对载波的提取跟踪；通过科斯塔斯环的跟踪，将载波锁定在I支路上，将信号锁定在Q支路上；通过多级抽取滤波，实现对各个速率档信号的抽头提取；根据曼彻斯特编码的特性，将各速率抽头上的Q支路信号进行匹配相关和能量积分，从而在不需要知道传输信息的条件下，通过对能量积分的判决，判断出当前传输数据的速率，从而实现自适应解调。

Description

一种针对残留载波调制的多速率档自适应解调系统

技术领域

本发明涉及一种针对残留载波调制的多速率档自适应解调系统，属于深空探测中继通信领域。

背景技术

在火星探测等深空探测活动中，由于通信距离远、无线电波传输延时长，信号能量衰减严重，以及可见时间短等特点，需要采用中继通信技术来实现火星、月球等表面着陆设备的对地数据传输。在现行的CCSDS临近链路标准协议中规定，深空中继链路通常采用残留载波的BPSK调制方式进行传输，并配合使用曼彻斯特编码。由于曼彻斯特编码具有[sin²(πfT/2)/(πfT/2)]²的功率谱密度，在零频率处为零，使得采用残留载波的调制方式是合理的。

在深空中继通信中，由于可见时间短，数据信息量大，因此，一般根据信道环境进行不同速率档的信息传输，以实现信息的传输效率，因此需要接收机能适应多档速率的接收。然而，现有的通信接收机在接收信号时，没有自适应识别并处理不同速率档的机制，因此在速率切换时，必须由发射机提前通知接收机，双方经过一系列握手确认后，在约定的时间同时进行速率的切换，从而导致了通信效率低、握手协议复杂、系统风险增加等缺点。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种针对残留载波调制的多速率档自适应解调系统，提高了通信效率，降低了信号传输的复杂度和风险。

本发明的技术解决方案是：一种针对残留载波调制的多速率档自适应解调系统，包括：下变频模块、滤波抽取模块、载波跟踪模块、速率估计模块和解调模块，其中：

下变频模块：接收带通采样后输出的带有固定频偏的射频信号以及载波跟踪模块输出的载波信号，产生与所述载波信号频率一致的载波，并利用产生的载波对带有固定频偏的射频信号进行下变频处理，得到没有频偏的I路信号和Q路信号输出给滤波抽取模块；

滤波抽取模块：根据发射信号可能传输的N个速率档R1，R2，……RN，对下变频模块输出的I路信号和Q路信号进行逐级滤波和信号抽取，在第i级得到传输速度为Ri的I路信号和Q路信号，并将得到的Q路信号及其延迟信号输出给速率估计模块，所述延迟信号由Q路信号延时Tsi时间后得到，i＝1，2，3，……N，在第N+1级得到中心载波信号输出给载波跟踪模块，其中Tsi为第i级滤波和信号抽取后曼彻斯特编码的符号周期；

载波跟踪模块：鉴别中心载波信号的频偏，对鉴别得到的频偏进行平滑滤波后，产生频偏对应的载波信号输出给下变频模块；

速率估计模块：对滤波抽取模块每一级输出的Q路信号和Q路信号的延迟信号分别进行累加判决，经过比较得到累加结果的最大值和最大值对应的信号支路，根据最大值对应的滤波抽取模块级数确定发射信号当前传输的速率档，将该速率档和最大值对应的信号支路输出给解调模块；

解调模块：从最大值对应的信号支路中提取信号，按照速率估计模块输出的速率档信息对提取的信号进行解调并输出。

所述速率估计模块包括N个累加判决器和一个判决比较器，第i个累加判决器对滤波抽取模块第i级输出的Q路信号和Q路信号的延迟信号分别进行累加判决，所述第i个累加判决器包括两个正负循环累加器、累加比较器、乘法器和判决器，其中一个正负循环累加器用于累加滤波抽取模块第i级输出的Q路信号，并将累加结果SUM1输出给累加比较器；另一个正负循环累加器用于累加滤波抽取模块第i级输出的Q路信号的延迟信号，并将累加结果SUM2输出给累加比较器；

累加比较器判断SUM1和SUM2的大小，将SUM1和SUM2中的最小值SUM_min输出给乘法器，将SUM1和SUM2中的最大值SUM_max以及SUM_max对应的信号支路输出给判决器；

乘法器将SUM_min乘以系数k后输出给判决器，其中1＜k＜2；

判决器比较k×SUM_min与SUM_max的大小，如果SUM_max>k×SUM_min，则输出SUM_max以及SUM_max对应的信号支路给判决比较器，否则，不输出；

判决比较器对各个累加判决器输出的结果进行比较，得到累加结果的最大值和最大值对应的信号支路，根据最大值对应的滤波抽取模块级数确定发射信号当前传输的速率档，将该速率档和最大值对应的信号支路输出给解调模块。

所述每个正负循环累加器的实现公式如下：

其中S_2m为信号第2m位的编码，S_2m+1为信号第2m+1位的编码。

所述载波跟踪模块包括鉴相处理模块、环路滤波模块和载波NCO，其中：

鉴相处理模块：通过科斯塔斯环鉴相器对滤波抽取模块输出的中心载波信号进行鉴相处理，得到中心载波信号的相位偏移，将该相位偏移进行归一化处理后，计算该相位偏移对应的频偏并输出给环路滤波模块；

环路滤波模块：对接收的频偏进行平滑滤波处理后输出给载波NCO；

载波NCO：生成频偏对应的载波信号，输出给下变频模块。

所述鉴相处理模块对相位偏移进行归一化处理的公式如下：

其中φ_e为归一化处理后的相位偏移，Q_P为中心载波信号中的Q路信号，I_P为单载波信号中的I路信号，sign(I_p)为符号函数，返回I_P的正负号，即当I_P小于0时为-1，否则为+1。

本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

(1)本发明利用曼彻斯特编码的特点，通过正负能量累加判决，在没有先验信息的情况下，估计出信息速率，实现了多速率档的自适应速率估计，从而提高了通信效率，降低了信号传输的复杂度和风险。

(2)本发明针对残留载波调制的特点，利用科斯塔斯环鉴相跟踪方式，将载波锁定在I支路，信息锁定在Q支路，避免解I、Q相位翻转的问题，减小了处理复杂度。

(3)本发明通过多级滤波抽取模块，一方面提取出各速率档抽头，另一方面将除载波以外的其他信息全部滤除，可实现极低信噪比的跟踪。

(4)本发明通过对正负循环累加结果的判决，一方面可以分辨出信号速率档对应的正确支路，另一方面还可以判决曼彻斯特编码的相位模糊；在累加判决器中，对累加结果中最大值与最小值*k的大小进行比较，通过对k值的合理设计，可以保证输出判决结果的正确性，从而保证了速率估计的准确性。

(5)在载波跟踪中，本发明通过对鉴相结果进行归一化处理，避免了信号幅度波动对跟踪结果的影响。

附图说明

图1为针对残留载波调制的多速率档自适应解调原理框图；

图2滤波抽取模块频谱图(以RN速率档为例)；

图3锁相环模块框图；

图4累加判决器框图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步介绍。

现有深空中继通信系统的通信速率切换机制复杂，需要通过繁琐的交互协议来实现速率切换。需要实现一种可以自适应解调可变速率的残留载波调制信号的技术，简化通信系统的速率切换机制。

如图1所示，本发明提出的针对残留载波调制的多速率档自适应解调系统，包括：下变频模块1、滤波抽取模块3、载波跟踪模块2、速率估计模块4和解调模块5，其中：

下变频模块1，接收带通采样后输出的带有固定频偏的射频信号以及载波跟踪模块2检测到的残留载波信号，通过DDS产生与残留载波信号频率一致的载波，利用产生的载波对带有固定频偏的射频信号进行复数乘法运算，实现下变频处理，得到没有频偏的I路信号和Q路信号输出给滤波抽取模块3。

滤波抽取模块3，对下变频模块1输出的I路信号和Q路信号进行多级滤波和抽取，得到N级速率档对应的Q路信号抽头，在各级滤波抽取后，需要将Q支路的信息输出。此时，为检测曼彻斯特编码带来的相位模糊，需要额外将Q支路的信息延迟一段时间再输出(延迟时间为对应速率档曼彻斯特编码后的符号周期)。第N+1级滤波器将残留PM信号的信息分量全部滤除，只保留中心载波信号，送往后级载波跟踪模块。

具体地，如果发射信号可能传输的速率档共有N个，传输速率从大到小依次为R1、R2、…、RN，则设定滤波抽取模块3包括N+1级滤波抽取子模块以及N个延时电路，第i级滤波抽取子模块接收第i-1级滤波抽取子模块输出的I路信号和Q路信号，低通滤波后进行信号抽取，得到传输速度为Ri的I路信号和Q路信号，抽取后得到的Q路信号一方面直接输出给速率估计模块4，另一方面经过第i个延时电路延时时间Tsi后输出给速率估计模块4，i＝1，2，3，……N，Tsi为第i级滤波和信号抽取后曼彻斯特编码后的符号周期。第1级滤波抽取子模块接收下变频模块1输出的I路信号和Q路信号，低通滤波后进行信号抽取，得到传输速度为R1的I路信号和Q路信号，抽取后得到的Q路信号(Q支路抽头)及其延迟信号输出给速率估计模块4，第N+1级滤波抽取子模块对第N级滤波抽取子模块输出的I路信号和Q路信号进行滤波抽取，将残留PM信号的信息分量全部滤除，只保留中心载波信号输出给载波跟踪模块2，目的是尽可能将所有的信号能量滤除，只保持单载波能量，以进行载波跟踪。

图2以RN速率档为例说明了滤波抽取模块的频谱变化过程。当信息速率为RN时，第1～N-1级滤波器均不会对信号带来影响，第N级滤波器是针对RN速率档来设计的，可以将RN信号带外的噪声和干扰滤波，以方便接听。N+1级滤波器需要设计的尽可能窄，将所有的信号能量都滤波，只保留单载波信号，从而实现极低门限的载波跟踪。

载波跟踪模块2，可以用传统的载波跟踪方式进行跟踪。但是为实现对信号速率的盲估计，最好在没有先验信息的条件下将数据信息支路提取出来，因此本发明载波跟踪模块包括鉴相处理模块21、环路滤波模块22和载波NCO 23，其中，鉴相处理模块21通过可以跟踪BPSK信号的科斯塔斯环鉴相器对滤波抽取模块3输出的中心载波信号进行鉴相处理，得到中心载波信号的相位偏移，将该相位偏移进行归一化处理后，计算该相位偏移对应的频偏并输出给环路滤波模块22。环路滤波模块22对接收的频偏进行平滑滤波处理后输出给载波NCO，载波NCO生成频率等于该频偏的载波信号(残留载波信号)，输出给下变频模块1。

载波跟踪模块2的实现框图如图3所示，鉴相方式如下：

BPSK接收信号可描述为：

其鉴相器设计方法如下：

其中，为鉴相器输出的相位偏移，Q_P为中心载波信号中的Q路信号，I_P为单载波信号中的I路信号，sign(I_p)为符号函数，返回I_P的正负号，即当I_P小于0时为-1，否则为+1。

该鉴相方法所需计算量较小，但是与信号幅值有关。为避免信号幅值的影响，本发明采用归一化处理，即

φ_e为归一化处理后的相位偏移，虽然此时进入鉴相器的是一个中心载波信号(单载波信号)，但是通过该鉴相器，可以将载波信号锁定在I支路，此时在各级滤波抽取输出的Q支路抽头上，即为BPSK信号。

鉴相结果需要送入后级的环路滤波模块进行处理，环路滤波的传递方程如下：

其中，a₂＝1.414，T_s'为环路采样周期。1/K为环路增益，通常K＝1。

ω_n为锁相环路的特征频率，通常为环路带宽的2倍。

经过环路滤波输出的结果，代表着估计出的中心载波信号频偏的大小，送入NCO即可产生出该频偏对应的单载波。

速率估计模块4包括N个累加判决器和一个判决比较器，第i个累加判决器对滤波抽取模块3第i级输出的Q路信号和Q路信号的延迟信号分别进行累加判决，输出两路信号累加结果的最大值和对应的信号支路给判决比较器，判决比较器对各个累加判决器的结果进行比较，得到最大值和最大值对应的信号支路，根据最大值对应的滤波抽取模块3级数确定发射信号当前传输的速率档，将该速率档和最大值对应的信号支路输出给解调模块5。

各级滤波抽取输出的Q支路信号及延迟支路信号，都送往速率估计模块中对应的累加判决器。如图4所示，每个累加判决器包括两个正负循环累加器、累加比较器、乘法器和判决器；累加判决器通过正负循环累加器，根据曼彻斯特编码的特性，对支路信号的能量进行累加。由于曼彻斯特编码是将信息“0”映射为“01”，信息“1”映射为“10”，因此，将编码后的数据进行累加，其信息能量理论值应为0。

累加判决器中的一个正负循环累加器用于累加滤波抽取模块3对应级输出的Q路信号，并将累加结果SUM1输出给累加比较器；另一个正负循环累加器用于累加滤波抽取模块3对应级输出的Q路信号的延迟信号，并将累加结果SUM2输出给累加比较器。

累加比较器判断SUM1和SUM2的大小，将SUM1和SUM2中的最小值SUM_min输出给乘法器，将SUM1和SUM2中的最大值SUM_max以及SUM_max对应的信号支路输出给判决器。

乘法器将SUM_min乘以系数k后输出给判决器，其中1＜k＜2。

判决器比较k×SUM_min与SUM_max的大小，如果SUM_max>k×SUM_min，则输出SUM_max以及SUM_max对应的信号支路，否则，不输出。

正负循环累加器的实现公式如下：

其中s_2m为信号第2m位的编码，s_2m+1为信号第2m+1位的编码。

举例说明如下：如果进入正负循环累加器的曼彻斯特编码信号为S＝{-1,1,-1,1,1,-1,1,-1}，则 如果进入正负循环累加器的曼彻斯特编码信号延迟了一位，则S＝{1,-1,1,1,-1,1,-1,-1}，此时

如果此时曼彻斯特相位正确，且速率匹配，则经过长时间累加后，该sum值是一个远高于噪声功率的值，而如果速率不匹配，则该值为噪声功率的累加值。将两个延迟支路的累加结果送入累加比较器，找出最大值和最小值。其中，SUM_min可以认为是噪声功率的累加值，而SUM_max可以认为是曼彻斯特信号的累加值。如果SUM_min×k＜SUM_max，则认为初步判决成功，将SUM_max的值输出。反之，输出0，判决比较器比较各速率档累加判决器输出的结果，找出最大值及最大值对应的指路，同时判定信息速率。

解调模块5，包括选择器和解调器，选择器从最大值对应的信号支路中提取信号速出给解调器，解调器根据速率估计模块得到的速率档信息，对提取的信息进行解调并输出。

本发明针对CCSDS临近链路标准协议中规定的采用曼彻斯特编码的残留载波调制方式的特点，通过精细滤波和窄带宽环路跟踪，实现对载波的提取跟踪；通过科斯塔斯环的跟踪，将载波锁定在I支路上，将信号锁定在Q支路上；通过多级抽取滤波，实现对各个速率档信号的抽头提取；根据曼彻斯特编码的特性，将各速率抽头上的Q支路信号进行匹配相关和能量积分，从而在不需要知道传输信息的条件下，通过对能量积分的判决，判断出当前传输数据的速率，低信噪比下无先验信息的自适应速率估计与解调。该发明复杂度低，实现灵活，在未来深空中继通信中具有很强的竞争力和很好的应用价值。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知技术。

Claims (4)

1.一种针对残留载波调制的多速率档自适应解调系统，其特征在于包括：下变频模块(1)、滤波抽取模块(3)、载波跟踪模块(2)、速率估计模块(4)和解调模块(5)，其中：

下变频模块(1)：接收带通采样后输出的带有固定频偏的射频信号以及载波跟踪模块(2)输出的载波信号，产生与所述载波信号频率一致的载波，并利用产生的载波对带有固定频偏的射频信号进行下变频处理，得到没有频偏的I路信号和Q路信号输出给滤波抽取模块(3)；

滤波抽取模块(3)：根据发射信号可能传输的N个速率档R1，R2，……RN，对下变频模块(1)输出的I路信号和Q路信号进行逐级滤波和信号抽取，在第i级得到传输速度为Ri的I路信号和Q路信号，并将得到的Q路信号及其延迟信号输出给速率估计模块(4)，所述延迟信号由Q路信号延时Tsi时间后得到，i＝1，2，3，……N，在第N+1级得到中心载波信号输出给载波跟踪模块(2)，其中Tsi为第i级滤波和信号抽取后曼彻斯特编码的符号周期；

载波跟踪模块(2)：鉴别中心载波信号的频偏，对鉴别得到的频偏进行平滑滤波后，产生频偏对应的载波信号输出给下变频模块(1)；

速率估计模块(4)：对滤波抽取模块(3)每一级输出的Q路信号和Q路信号的延迟信号分别进行累加判决，经过比较得到累加结果的最大值和最大值对应的信号支路，根据最大值对应的滤波抽取模块(3)级数确定发射信号当前传输的速率档，将该速率档和最大值对应的信号支路输出给解调模块(5)；

所述速率估计模块(4)包括N个累加判决器和一个判决比较器，第i个累加判决器对滤波抽取模块(3)第i级输出的Q路信号和Q路信号的延迟信号分别进行累加判决，所述第i个累加判决器包括两个正负循环累加器、累加比较器、乘法器和判决器，其中一个正负循环累加器用于累加滤波抽取模块(3)第i级输出的Q路信号，并将累加结果SUM1输出给累加比较器；另一个正负循环累加器用于累加滤波抽取模块(3)第i级输出的Q路信号的延迟信号，并将累加结果SUM2输出给累加比较器；

累加比较器判断SUM1和SUM2的大小，将SUM1和SUM2中的最小值SUM_min输出给乘法器，将SUM1和SUM2中的最大值SUM_max以及SUM_max对应的信号支路输出给判决器；

乘法器将SUM_min乘以系数k后输出给判决器，其中1＜k＜2；

判决器比较k×SUM_min与SUM_max的大小，如果SUM_max>k×SUM_min，则输出SUM_max以及SUM_max对应的信号支路给判决比较器，否则，不输出；

判决比较器对各个累加判决器输出的结果进行比较，得到累加结果的最大值和最大值对应的信号支路，根据最大值对应的滤波抽取模块(3)级数确定发射信号当前传输的速率档，将该速率档和最大值对应的信号支路输出给解调模块(5)；

解调模块(5)：从最大值对应的信号支路中提取信号，按照速率估计模块输出的速率档信息对提取的信号进行解调并输出。

2.根据权利要求1所述的一种针对残留载波调制的多速率档自适应解调系统，其特征在于：所述每个正负循环累加器的实现公式如下：

其中s_2m为信号第2m位的编码，s_2m+1为信号第2m+1位的编码。

3.根据权利要求1所述的一种针对残留载波调制的多速率档自适应解调系统，其特征在于：所述载波跟踪模块(2)包括鉴相处理模块(21)、环路滤波模块(22)和载波NCO(23)，其中：

鉴相处理模块(21)：通过科斯塔斯环鉴相器对滤波抽取模块(3)输出的中心载波信号进行鉴相处理，得到中心载波信号的相位偏移，将该相位偏移进行归一化处理后，计算该相位偏移对应的频偏并输出给环路滤波模块(22)；

环路滤波模块(22)：对接收的频偏进行平滑滤波处理后输出给载波NCO(23)；

载波NCO(23)：生成频偏对应的载波信号，输出给下变频模块(1)。

4.根据权利要求3所述的一种针对残留载波调制的多速率档自适应解调系统，其特征在于：所述鉴相处理模块(21)对相位偏移进行归一化处理的公式如下：

其中φ_e为归一化处理后的相位偏移，Q_P为中心载波信号中的Q路信号，I_P为单载波信号中的I路信号，sign(I_p)为符号函数，返回I_P的正负号，即当I_P小于0时为-1，否则为+1。