CN106789790B - 一种载波频偏调节方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种载波频偏调节方法，用于在接收端数字信号处理系统前端的数字载波恢复。该方法采用同相正交型数字锁相环技术，通过对两路信号进行积分求取过零点，根据信号幅度进行数据选择，计算在不同频率下的频率允差，计算出可以容忍的频偏范围，并通过实时调节采样点个数进行频偏调节。本发明实现结构简单，设计灵活，资源消耗少，可以与数字载波恢复同时进行，对超低温或超高温环境下的频率偏移具有较强的适应能力。

Description

一种载波频偏调节方法
技术领域
本发明属于无线通信同步技术领域，尤其是涉及一种载波频偏调节方法。
背景技术
无线通信中的数字载波恢复电路有多种，最常用的有平方环、costas环(同相正交环)、判决反馈环及通用载波恢复环等。
Costas环路是一种闭环自动调整系统，传统的模拟Costas环因存在同相支路与正交支路的不平衡性从而使环路的性能受到一定的影响，且模拟电路还存在直流零点漂移、难以调试等缺点，而采用全数字的实现方式则可有效地避免这些问题。
数字Costas环位同步解码实际上采用负反馈的原理，根据当前数据积分和前后时间上的数据积分的值来检测过零点，并判断过零点的数据方向。此方法在设备出于复杂环境中时，如果频率发生大幅度偏移，可能会引起脉冲的误判，导致解调失败。因此在特殊环境下使用时具有一定的局限性。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种载波频偏调节方法，此方法基于costas环进行频率偏移调节，该方法设计灵活，实现简单，资源消耗少，可以应对阅读器工作在不同反向速率的情况，并可根据判断出来的过零点之间的距离来判断已经产生的同步脉冲位置是超前还是滞后，对后面的脉冲位置进行实时调整，对不同环境下的输入信号都能够灵活进行处理。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种载波频偏调节方法，包括如下步骤：
(1)对反向I/Q两路数据进行数据积分，根据当前时间积分差值与前后两组积分差值的比较，实时的判断出过零点所在位置；
(2)对检测到的过零点进行脉冲时钟计数，特定频率下一个脉冲内的时钟周期固定，计数时考虑算法自身的10％频率容差，在此容差范围内没有频偏发生；
(3)超过算法自身容差外，根据协议规定反向数据频率允差为-20％～+20％，根据此数据计算高频偏和低频偏环境下脉冲内的时钟周期数，并根据判定结果调整计数阈值，调整阈值后，对存在长脉冲的情况下可以及时的进行正确判断，产生长脉冲期间的同步脉冲信号；
(4)通过判断每一个同步脉冲所对应的输入码元的极性输出最终的抑制载波的数字信号。
进一步的，所述步骤(1)包括对于I路和Q路的反向数据，分别设计生成一个当前时间的数据正交积分和前后两组数据正交积分，并在远端生成一个同相积分，I/Q两路积分器同时输出积分值，根据积分绝对值及正负方向检测过零点并判断数据翻转方向。
进一步的，检测过零点方法包括三组正交积分差值分别取绝对值，如果中间位置是过零点，则对三组均取绝对值后，其前后两组积分差值必定都大于中间那组积分差值，且同步积分缩小相应倍数后必定也大于中间那组积分差值。
进一步的，检测过零点方法包括判断前后两组正交积分差值的符号位，如果符号相反，判断出现过零点。
进一步的，判断数据翻转方向包括
如果同步积分差值为正，且前一次向下翻转，则此次为上升沿过零点，提取出载波符号数字值为1；
如果同步积分差值为负，且前一次向上翻转，则此次为下降沿过零点，提取出载波符号数字值为0。
进一步的，所述步骤(3)是根据判断出来的过零点之间的距离来判断已经产生的同步脉冲位置是超前还是滞后，对后面的脉冲位置进行调整。
一种同相正交型数字锁相环，应用了权利要求1-6任一项所述的载波频偏调节的方法。
相对于现有技术，本发明所述的一种载波频偏调节方法具有以下优势：本发明同时采用前后时间上的多个滑动窗口进行数据积分，在同步脉冲到来的前后多个时钟同时进行脉冲长度判断，实时地判断出与实际频率之间的偏移差值；根据实际偏移量进行相对应的阈值调整，从而有效的拓宽了可解调的频率范围；本发明所采取的方法实现结构简单、设计能力强，资源消耗少，可以灵活地应对不同的反向时钟频率，并针对不同的环境因素实时测得数据的偏移情况，拓宽接收信号的频率容差值，对不同输入信号具有较强的适应能力。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述的一种载波频偏调节方法的流程示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
本发明的具体实施例为依据本发明的方法设计一个高动态范围的同相正交型数字锁相环，可以实现对复杂环境下的全速率反向接收信号进行载波提取，实现对接收信号的精确解调。
以下是高动态范围同相正交型数字锁相环的设计步骤：如图1所示
(1)I路和Q路输入码元信号首先进入各路的积分器，进行对应积分并检测过零点，判断数据翻转方向。
对于I路和Q路的反向数据，分别设计生成一个当前时间的数据正交积分和前后两组数据正交积分，并在远端生成一个同相积分。I/Q两路积分器同时输出积分值，根据积分绝对值及正负方向检测过零点并判断数据翻转方向。具体可有两种方法实现：
第一种方法，可以对三组正交积分差值分别取绝对值，如果中间位置是过零点，则对三组均取绝对值后，其前后两组积分差值必定都大于中间那组积分差值，且同步积分缩小相应倍数后必定也大于中间那组积分差值。
第二种方法，判断前后两组正交积分差值的符号位，如果符号相反，也可以判断出现过零点。
满足以上2个条件之一，则可认为找到过零点位置，标记过零点标识。通过判断同步积分差值的符号位，与前一个过零点的翻转方向，判断出此次过零点的翻转方向，提取出载波符号。具体判断方法如下：
1.如果同步积分差值为正，且前一次向下翻转，则此次为上升沿过零点，提取出载波符号数字值为1；
2.如果同步积分差值为负，且前一次向上翻转，则此次为下降沿过零点，提取出载波符号数字值为0；
在完成I/Q路的载波符号之后，再根据I/Q路选择配置，最终确定出对应的载波符号值。
(2)根据IQ路数据选择配置及IQ路积分对应的信号幅度进行数据选择，并对最终选择的某路数据检测到的过零点进行脉冲时钟计数，特定频率下一个脉冲内的时钟周期固定，计数时考虑算法自身的10％频率容差，即在此容差范围内均认为没有频偏发生。
(3)超过算法自身容差外，根据协议规定反向数据频率允差为-20％～+20％，根据此数据计算高频偏和低频偏环境下脉冲内的时钟周期数，并根据判定结果调整计数阈值。调整阈值后，对存在长脉冲的情况下可以及时的进行正确判断，产生长脉冲期间的同步脉冲信号。
Costas环位同步是根据判断出来的过零点之间的距离来判断已经产生的同步脉冲位置是超前还是滞后，对后面的脉冲位置进行调整。
Costas环位同步解码可以根据判断出来的过零点之间的距离(前导码前面均匀翻转部分的过零点)，来判断恢复出的载波脉冲位置是否产生了频率偏移。一般而言，如果产生了高频偏(Tpri值变小)，我们判断出的过零点之间的时间差会偏小，反之如果产生了低频偏，我们判断出的过零点之间的时间差会偏大。
实际速率下两个过零点之间(一个电平周期)对采样周期计数，最多可以计数的个数是固定的。实际应用中允许10％左右的容差，我们认为在过零点之间有-10％～+10％个采样周期均认为频偏控制在正常范围内。
如果判断有连续N组相邻过零点(N值可在实际应用中灵活调节)之间的距离都在高频偏区间内，则认为一直维持高频偏现象，此时通过调节脉冲宽度计数器的阈值，对后面的数据进行频偏校正，并输出同步信号。
由于解调时每遇到一个过零点，则解出一个数字信号电平0或1，同时输出一个同步信号(可以理解为数字有效信号)。但实际情况中，可能会出现两个连续高电平或两个连续的低电平，这时我们如果再按照过零点输出同步信号的话，就会丢失数据。为了防止此情况的产生，引入时间阈值。如果超过一个半电平周期仍未判断到过零点，我们也认为已经有一个有效电平出现，输出同步信号，并输出解调的数字电平值(与前一个相同，并未发生跳变)。
(4)通过判断每一个同步脉冲所对应的输入码元的极性输出最终的抑制载波的数字信号。
本发明提供的这种变换形式的costas环算法，能够在有效数据恢复的同时，对特殊环境下的频偏进行有效调节，提高了阅读器的识读灵敏度。
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 (6)

1.一种载波频偏调节方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)对反向I/Q两路数据进行数据积分，根据当前时间积分差值与前后两组积分差值的比较，实时的判断出过零点所在位置；
(2)对检测到的过零点进行脉冲时钟计数，特定频率下一个脉冲内的时钟周期固定，计数时考虑算法自身的10％频率容差，在此容差范围内则判断没有频偏发生；
(3)超过算法自身容差外，根据协议规定反向数据频率允差为-20％～+20％，根据此数据计算高频偏和低频偏环境下脉冲内的时钟周期数，计算得到相应的频率偏差值，超过协议规定的频率允差则判定为高频偏或低频偏，同时调整计数阈值，调整阈值后，对存在长脉冲的情况下可以及时的进行正确判断，产生长脉冲期间的同步脉冲信号；
(4)通过判断每一个同步脉冲所对应的输入码元的极性输出最终的抑制载波的数字信号。
2.根据权利要求1所述的一种载波频偏调节方法，其特征在于：所述步骤(1)包括对于I路和Q路的反向数据，分别设计生成一个当前时间的数据正交积分和前后两组数据正交积分，并在远端生成一个同相积分，I/Q两路积分器同时输出积分值，根据积分绝对值及正负方向检测过零点并判断数据翻转方向。
3.根据权利要求2所述的一种载波频偏调节方法，其特征在于：检测过零点方法包括检测过零点通过提取连续三组正交积分差值分别取绝对值，对于中间的一组正交积分差值，如果小于其前后两组积分差值，则判定为过零点。
4.根据权利要求2所述的一种载波频偏调节方法，其特征在于：检测过零点方法包括判断前后两组正交积分差值的符号位，如果符号相反，判断出现过零点。
5.根据权利要求2所述的一种载波频偏调节方法，其特征在于：判断数据翻转方向包括
如果同步积分差值为正，且前一次向下翻转，则此次为上升沿过零点，提取出载波符号数字值为1；
如果同步积分差值为负，且前一次向上翻转，则此次为下降沿过零点，提取出载波符号数字值为0。
6.根据权利要求1所述的一种载波频偏调节方法，其特征在于：所述步骤(3)是根据判断出来的过零点之间的距离来判断已经产生的同步脉冲位置是超前还是滞后，对后面的脉冲位置进行调整。
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