CN106453188B - 一种适用于mpsk解调的快速精确频率同步方法 - Google Patents

一种适用于mpsk解调的快速精确频率同步方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种适用于MPSK解调的快速精确频率同步方法，包括以下步骤：S1：获取MPSK接收信号，去调制得到调制载波信号，对调制载波信号进行K点的FFT处理，并对结果进行求模选大得到粗估计频率值；S2：根据粗估计频率值对MPSK接收信号进行频率粗补偿，补偿后的数据序列再次进行M次方复乘去调制，然后进行窄带滤波及N倍抽取，再求模选大得到精细估计频率值；S3：将精细估计频率值与粗估计频率值进行相加，得到最终的DDS频率字，并采用该DDS频率字对输入的MPSK接收信号进行精确频率补偿。本发明的频率同步方法资源占用率小，频率估计精度高，适用于连续和突发MPSK调制信号的频率快速精确估计和补偿。

Description

一种适用于MPSK解调的快速精确频率同步方法
技术领域
本发明涉及MPSK信号解调的频率同步技术，特别涉及一种适用于MPSK解调的快速精确频率同步方法。
背景技术
在无线数字通信系统中，载波频率偏移是影响系统解调性能指标的重要因素，为了降低误码率，提高通信系统的解调性能，必须在接收端进行估计和校正。针对MPSK的频率估计，一般采用FFT的方法进行，但由于资源限制，一般FFT点数不宜超过8192点，过大的FFT不仅资源占用多，处理延时也大，影响了频率补偿的效果；而FFT点数过小，又无法达到所需的频率精度，使后续的锁相环等带宽过大，增加了复杂度，降低了通信系统的稳定性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于MPSK解调的快速精确频率同步方法，以解决现有的对MPSK的频率估计在采用FFT方法时所存在的受资源限制，特别是在FFT点数过大时处理延时较大导致多普勒变化率累积，影响频率补偿；在FFT点数小时，无法满足频率精度需求的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种适用于MPSK解调的快速精确频率同步方法，包括以下步骤：
S1：获取MPSK接收信号，对所述MPSK接收信号采用M次方复乘去调制的方式进行去调制处理，恢复得到调制载波信号，对所述调制载波信号进行K点的FFT处理，并对FFT处理的结果进行求模后选取其中的最大值得到粗估计频率值；其中，K为2的整数次幂值；
S2：根据所述粗估计频率值对所述MPSK接收信号的数据序列进行频率粗补偿，并对频率粗补偿后的数据序列再次进行M次方复乘去调制，然后进行窄带滤波处理，再进行N倍抽取，最后通过求模后选取其中的最大值得到精细估计频率值；
S3：将所述精细估计频率值与所述粗估计频率值进行相加，得到最终的DDS频率字，并采用该DDS频率字对输入的MPSK接收信号进行精确频率补偿。
较佳地，采用第一级状态机、第二级状态机及第三级状态机分别执行所述步骤S1、S2及S3。
较佳地，采用第一级状态机将获取的所述MPSK接收信号中的复数数据存储在RAM中，存储的长度为FFT的长度，并由所述第一级状态机进行调制处理及求模后选取其中的最大值得到所述粗估计频率值。
较佳地，所述第一级状态机将所述粗估计频率值发送至所述第二级状态机，所述第二级状态机读取RAM中的MPSK接收信号的复数数据并进行频率粗补偿、调制、窄带滤波处理、抽取及求模后选取其中的最大值，得到精细估计频率值。
较佳地，所述第二级状态机将所述精细估计频率值发送至所述第三级状态机，所述第三级状态机采用计算的DDS频率字对外部输入的MPSK接收信号进行精确频率补偿。
较佳地，窄带滤波处理时，窄带滤波的带宽小于采样带宽的1/N。
较佳地，所述FFT处理的K点的值为1024，且所述FFT处理选用基-4FFT运算器执行。
本发明采用新型的分时复用两级FFT技术，可以用资源占用较小的1024点FFT实现65536点FFT的频率分辨率和效果，大幅减少了程序资源占用，降低了处理时延，减少了多普勒频率变化率对频率估计的影响，提升了精确频率估计的效果，对解调中的频率精确同步的实现有着重要的实际意义。
本发明方法适用于快速精确同步系统，也适用于连续或者突发信号的MPSK解调系统。
附图说明
图1为本发明方法整体流程图；
图2为本发明优选实施例使用的基-4FFT运算器结构示意图；
图3为本发明优选实施例的QPSK解调的快速精确频率同步方法流程图。
具体实施方式
为更好地说明本发明，兹以一优选实施例，并配合附图对本发明作详细说明，具体如下：
如图1所示，本实施例提供的一种适用于MPSK解调的快速精确频率同步方法，包括以下步骤：
S1：获取MPSK接收信号，对所述MPSK接收信号采用M次方复乘去调制的方式进行去调制处理，恢复得到调制载波信号，对所述调制载波信号进行K点的FFT处理，并对FFT处理的结果进行求模后选取其中的最大值得到粗估计频率值；这里的K为2的整数次幂值。
具体地，本实施例中假设在接收端进行载波同步处理时，用于载波频偏估计的MPSK接收信号基带表达式如下：
其中，ak为独立同分布的等概率数据，fe为待估计得的载波频率偏移误差，T是符号周期，00是未知的载波相位，ωk为加性高斯白噪声。
首先，对输入星座图为2π/M旋转对称形式的MPSK复数基带信号rk采用M次方复乘去调制的方式进行去调制处理，恢复出调制载波。对去调制后的信号进行K点的FFT处理(其中K取2的整数次幂值，方便FFT的蝶形运算)，并求模选大找出载波频率中心位置，此时，FFT频率估计范围为采样频率的1/M，频率分辨率为采样频率的1/(M×K)倍。FFT的运算过程为：
其中，rk为接收基带信号，X(k)为FFT处理后的数据序列。
其中为了减少FFT运算延时，FFT长度不宜选的过长，本实施例中的FFT处理的K点的值为1024，且FFT处理选用基-4FFT运算器执行，基-4FFT运算器的结构如图2所示。
S2：根据所述粗估计频率值对所述MPSK接收信号的数据序列进行频率粗补偿，并对频率粗补偿后的数据序列再次进行M次方复乘去调制，然后进行窄带滤波处理，再进行N倍抽取，最后通过求模后选取其中的最大值得到精细估计频率值；
具体地，根据步骤S1中FFT结果进行求模选大(求模后选取其中的最大值)得到粗估计频率值，对原始数据信号序列进行DDS频率粗补偿。
然后，对粗频率补偿后的数据序列再次进行M次方复乘去调制，复乘后的序列进行窄带滤波处理，再进行N倍抽取，以缩小频率范围，进行精细频率估计和补偿。此时窄带滤波在粗同步后进行，由于前端频率粗同步已经把频率误差控制在采样频率的1/(M×K)倍以内，只需使用一个带宽小于后端抽取倍数N的窄带低通滤波器即可，阶数可选32阶，以滤除M次方复乘后的噪声和杂散，并降低N倍抽取后信号的混叠影响。经过N倍抽取，精细频率同步FFT的鉴频分辨率缩小为采样频率的1/(M×K×N)倍，抽取后的K/N点数据后面补齐(K-K/N)个零，以凑齐K点数据序列进行精确同步的K点FFT计算，FFT输出求模选大后得到精细同步频率估计结果。
其中，窄带滤波处理时，窄带滤波的带宽小于采样带宽的1/N。
S3：将所述精细估计频率值与所述粗估计频率值进行相加，得到最终的DDS频率字，并采用该DDS频率字对输入的MPSK接收信号进行精确频率补偿。
具体地，将步骤S2中FFT输出求模选大后的精细同步频率估计结果加上粗同步频率估计结果，合并产生出最终频率估计的DDS频率字，对外部输入的MPSK接收信号进行一次性的精确频率补偿。
其中，本实施例中分别采用第一级状态机、第二级状态机及第三级状态机来执行上述的步骤S1、S2及S3的流程，使用3级状态机实现频率估计和补偿，可以使RAM、FFT、DDS、复数乘法器等资源在不同状态机状态下可以分时复用，节省了程序的资源占用。
具体地，采用第一级状态机将获取的所述MPSK接收信号中的复数数据存储在RAM中，存储的长度为FFT的长度，并由所述第一级状态机进行调制处理及求模后选取其中的最大值得到所述粗估计频率值。
第一级状态机将所述粗估计频率值发送至所述第二级状态机，所述第二级状态机读取RAM中的MPSK接收信号的复数数据并进行频率粗补偿、调制、窄带滤波处理、抽取及求模后选取其中的最大值，得到精细估计频率值。
所述第二级状态机将所述精细估计频率值发送至所述第三级状态机，所述第三级状态机采用计算的DDS频率字对外部输入的MPSK接收信号进行精确频率补偿。
具体地，本实施例以MPSK中的QPSK解调为实施例(M为调制相位点数，QPSK中M＝4)，设采样速率为100MHz，调制信号符号速率为25Msps，采样频率为4倍符号速率。如图3所示，为本发明方法实现过程示意图，用3级状态机完成程序资源的复用和信号处理，3级状态机为流水线处理结构。
步骤(1)：第1级状态机(State 1)
首先，对输入的复数(I、Q路)数据用RAM_1进行存储，存储长度为FFT的长度，如这里选用1024点长度。然后用M次方法对RAM读出的1024点数据进行M次复数乘法，以完成去调制，恢复调制载波，这里针对QPSK解调，M取4。进行4次方复乘后，频率范围缩小为采样频率的1/4，即频率检测范围为±12.5MHz，经过1024点FFT处理，并求模选大求出载波频率位置，频率分辨率为25MHz/1024＝24.41KHz。求模选大的结果A1送给状态机2进行处理。
步骤(2)：第2级状态机(State 2)
接收第1级状态机求模选大结果A1进行DDS粗补偿频率字产生，然后再次利用RAM_1读出原存储的1024点数据结合DDS进行I、Q路频率粗同步结果补偿，频率误差在补偿后控制在±24.41KHz以内。此时对粗频率补偿后的数据序列继续进行M次方复乘，复乘后的序列需要进行窄带滤波，再进行64倍抽取，以缩小频率范围，进行精细频率估计和补偿。此时的窄带滤波因为是在粗同步后进行，频率误差已经控制在0.1％以内，只需使用一个要求不高的带宽为1％(带宽需小于后端抽取倍数)采样率的窄带低通滤波器即可，阶数可选32阶，以滤除M次方复乘后的噪声和杂散，并降低64倍抽取后信号的混叠影响。经过64倍抽取，FFT的鉴频范围缩小为±12.5M/64＝±195.3KHz，大于和覆盖粗同步补偿后的±24.41KHz频偏范围。1024点窄带滤波数据经64倍抽取后，抽出点数为16个点，后面补齐1024-16＝1008个0，以凑齐1024点进行精确同步的1024点FFT计算，此时FFT的频率分辨率为195.3KHz×2/1024＝381Hz。求模选大后的结果B1送给状态机3进行处理。
步骤(3)：第3级状态机(State 3)
接收状态机2的FFT求模选大精确频率结果B1，并加上粗同步结果，产生出最终精确频率估计的DDS频率字，对外部输入的信号进行一次性的精确频率补偿，得到同步结果C1。其中“最大指数乘法器”完成FFT求模选大后的最大值位置乘以DDS相位步进的乘法功能，产生出送给DDS补偿频率的相位控制字，例如DDS相位累积器位宽为32位，前端采用1024点的FFT，则相位步进为232/1024，FFT最大值在第860个点的位置，则经最大指数乘法器后的输出结果为860×232/1024，此结果作为后端DDS的输入相位增量控制字。“上一状态最大相位增量值”即为粗频率估计的最大指数乘法器输出值，方法同上。“IQ补偿乘法器”即是对原输入I、Q路数据(RAM1输出)进行正交频率补偿，以抵消频率差。
其中，此三级状态机所用的资源，如RAM、1024点FFT、DDS、复数乘法器等在不同状态机状态下可以分时复用，以降低程序资源的占用率。估计出的频率精度一次可以达到(采样频率÷(M×1024×64))的精确效果，且频率估计范围仍保持(采样频率÷M)的大带宽。
该方法采用两级频率估计方法，完成频率的粗估计和精细估计，其中两级频率估计的资源占用模块可以分时复用，第一级使用常规的FFT频率估计和补偿方法，第二级在第一级粗补偿的基础上进行M次方复乘后的窄带滤波和N倍抽取，以缩小频率估计的带宽，并降低杂散和噪声，抽取后的结果经过补零处理后再次进行FFT精细频率估计和补偿，最终完成MPSK解调的快速精确频率同步。本发明的频率同步方法资源占用率小，频率估计精度高，可以适用于连续和突发MPSK调制信号的频率快速精确估计和补偿。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，对本发明所做的变形或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述的权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种适用于MPSK解调的快速精确频率同步方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：获取MPSK接收信号，对所述MPSK接收信号采用M次方复乘去调制的方式进行去调制处理，恢复得到调制载波信号，对所述调制载波信号进行K点的FFT处理，并对FFT处理的结果进行求模后选取其中的最大值得到粗估计频率值；其中，K为2的整数次幂值；
S2：根据所述粗估计频率值对所述MPSK接收信号的数据序列进行频率粗补偿，并对频率粗补偿后的数据序列再次进行M次方复乘去调制，然后进行窄带滤波处理，再进行N倍抽取，以凑齐K点数据序列进行精确同步的K点FFT计算，最后通过求模后选取其中的最大值得到精细估计频率值；
S3：将所述精细估计频率值与所述粗估计频率值进行相加，得到最终的DDS频率字，并采用该DDS频率字对输入的MPSK接收信号进行精确频率补偿；
其中，频率的粗估计和精细估计的资源占用模块可以分时复用。
2.根据权利要求1所述的适用于MPSK解调的快速精确频率同步方法，其特征在于，采用第一级状态机、第二级状态机及第三级状态机分别执行所述步骤S1、S2及S3。
3.根据权利要求2所述的适用于MPSK解调的快速精确频率同步方法，其特征在于，采用第一级状态机将获取的所述MPSK接收信号中的复数数据存储在RAM中，存储的长度为FFT的长度，并由所述第一级状态机进行调制处理及求模后选取其中的最大值得到所述粗估计频率值。
4.根据权利要求3所述的适用于MPSK解调的快速精确频率同步方法，其特征在于，所述第一级状态机将所述粗估计频率值发送至所述第二级状态机，所述第二级状态机读取RAM中的MPSK接收信号的复数数据并进行频率粗补偿、调制、窄带滤波处理、抽取及求模后选取其中的最大值，得到精细估计频率值。
5.根据权利要求4所述的适用于MPSK解调的快速精确频率同步方法，其特征在于，所述第二级状态机将所述精细估计频率值发送至所述第三级状态机，所述第三级状态机采用计算的DDS频率字对外部输入的MPSK接收信号进行精确频率补偿。
6.根据权利要求1所述的适用于MPSK解调的快速精确频率同步方法，其特征在于，窄带滤波处理时，窄带滤波的带宽小于采样带宽的1/N。
7.根据权利要求1所述的适用于MPSK解调的快速精确频率同步方法，其特征在于，所述FFT处理的K点的值为1024，且所述FFT处理选用基-4FFT运算器执行。
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