CN107566107A - 一种大频偏全数字载波信号快速精确同步方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大频偏全数字载波信号快速精确同步方法和系统。首先，接收端天线将接收到的模拟信号送入数模转换模块转换成数字信号；随后，采用诸如最大似然频偏估计等算法对数字信号的载波频率进行第一级开环粗略估计，并通过该估计结果去控制本地数控振荡器的输出频率以便与接收信号载波频率进行快速粗同步；再通过诸如科斯塔斯环等第二级闭环载波同步模块控制本地数控振荡器的输出频率，以便与接收信号载波频率和相位进行精确的同步跟踪。本发明解决了大频率偏移下，接收端对接收信号载波进行频率相位跟踪的精确性问题。

Description

一种大频偏全数字载波信号快速精确同步方法和系统

技术领域

本发明属于通信系统的数字载波同步领域，特别涉及了一种大频偏全数字载波信号快速精确同步方法和系统。

背景技术

随着现代通信系统对低能耗工作环境的日益需求，接收信号中含有载波分量的传统调制方式逐渐走到被淘汰的边缘，而抑制载波的调制方法则开始得到了广泛运用。此时，普通锁相环电路已不能完成对接收信号进行载波同步处理。故而，抑制载波的跟踪环路就相应得到了发展与推广。早在上世纪八十年代，各国学者就开始了对抑制载波跟踪环路的“数字化”研究与设计，并针对这些环路结合工程实践进行了一定的改进。随着蜂窝移动通信技术的快速普及，复杂的移动通信环境，比如多普勒效应、多径衰落等带来的接收信号的频率偏移及相位跳变对通信质量的影响越来越受到研究人员的重视，为此早期的数字通信系统也进行了很多改进。其中在载波同步模块中加入频偏估计模块能有效地应对上述问题。但是单独的锁相环由于其闭环结构使得同步电路进入同步状态需要一定的时间，仅仅依靠闭环结构的载波同步方式已不能满足目前移动通信系统中快速同步的需求。而开环载波同步则主要是根据一定的估计算法来直接估计载波频率和相位，无需反馈，同步时间需求短，这样的典型算法包括诸如最大似然估计算法、数据辅助估计算法、非数据辅助估计算法等等。虽然开环载波同步速度快，但载波同步所得结果却不够精确，对系统的性能提升还是有一定的影响。

发明内容

为了解决上述背景技术提出的技术问题，本发明旨在提供一种大频偏全数字载波信号快速精确同步方法和系统，通过闭环载波同步结构与开环载波同步结构的联合使用，解决大频率偏移下，接收端对接收信号载波进行频率相位跟踪的精确性问题。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：

一种大频偏全数字载波信号快速精确同步方法，包括以下步骤：

(1)接收端天线将接收到的模拟信号转换成数字信号；

(2)对数字信号的载波频率进行第一级开环粗略估计，并通过该估计结果去控制本地数控振荡器的输出频率，从而与接收信号载波频率进行快速粗同步；

(3)再对数字信号的载波频率进行第二级闭环载波同步，并通过该同步结果去控制控制本地数控振荡器的输出频率，实现与接收信号载波频率和相位的精确同步跟踪。

进一步地，在步骤(1)中，所述第一级开环粗略估计采用最大似然频偏估计算法；在步骤(2)中，所述第二级闭环载波同步采用科斯塔斯环载波同步算法。

一种大频偏全数字载波信号快速精确同步系统，包括A/D转换模块、带通滤波模块、最大似然频偏估计模块、科斯塔斯环同步载波模块、频率选通开关和数控振荡器；A/D转换模块的输入端连接接收端天线的输出端，A/D转换模块的输出端连接带通滤波模块的输入端，带通滤波模块的输出端分别连接最大似然频偏估计模块和科斯塔斯环同步载波模块的输入端，最大似然频偏估计模块和科斯塔斯环同步载波模块的输出端分别经频率选通开关与数控振荡器的输入端连接。

进一步地，所述最大似然频偏估计模块包括第一乘法器、第二乘法器、第一低通滤波器、第二低通滤波器、反正切运算单元、相位转换单元、频偏估计单元和90°移相器，所述带通滤波模块采集A/D转换模块输出的数字信号并输出两路载波信号，其中一路载波信号与A/D转换模块输出的数字信号同相，另一路载波信号与A/D转换模块输出的数字信号正交，第一乘法器的两个输入端分别接入带通滤波模块输出的同相载波信号和数控振荡器输出的信号，第一乘法器的输出端经第一低通滤波器与反正切运算单元的输入端相连，90°移相器的输入端连接数控振荡器的输出端，第二乘法器的两个输入端分别接入带通滤波模块输出的正交载波信号和90°移相器的输出信号，第二乘法器的输出端经第二低通滤波器与反正切运算单元的输入端，反正切运算单元将输入的两路信号进行反正切运算后，输入相位转换单元进行相位转换，相位转换单元将转换后的信号输入频偏估计单元进行最大似然频偏估计，并将频偏估计结果输入数控振荡器，数控振荡器根据频偏结果调节输出信号的频率，使得数控振荡器的输出信号频率向接收信号载波频率靠近。

进一步地，在频偏估计单元中按照如下公式进行最大似然频偏估计：

其中，为频偏结果，N为数字信号的数据位宽，x_k为各采样点的绝对相位，0≤k≤N-1，T_S为采样周期。

进一步地，所述科斯塔斯环同步载波模块包括第三乘法器、第四乘法器、第五乘法器、第三低通滤波器、第四低通滤波器、环路滤波器和90°移相器，所述带通滤波模块采集A/D转换模块输出的数字信号并输出两路载波信号，其中一路载波信号与A/D转换模块输出的数字信号同相，另一路载波信号与A/D转换模块输出的数字信号正交，第三乘法器的两个输入端分别接入带通滤波模块输出的同相载波信号和数控振荡器输出的信号，第三乘法器的输出端连接第三低通滤波器的输入端，90°移相器的输入端连接数控振荡器的输出端，第四乘法器的两个输入端分别接入带通滤波模块输出的正交载波信号和90°移相器输出的信号，第四乘法器的输出端连接第四低通滤波器的输入端，第五乘法器的两个输入端分别连接第三低通滤波器的输出端和第四低通滤波器的输出端，第五乘法器的输出端与环路滤波器的输入端相连，环路滤波器对输入的信号进行科斯塔斯环载波同步，环路滤波器的输出信号直接控制数控振荡器的输出信号，使得数控振荡器的输出信号跟踪接收信号的频率和相位。

进一步地，所述环路滤波器的传递函数如下：

其中，C₁，C₂为环路滤波器系数：

其中，K为整个科斯塔斯环的环路增益，ξ为阻尼系数，ω_n为自然角频率，T_S为采样周期。

采用上述技术方案带来的有益效果：

相较于传统的单级载波同步处理方式，本发明首先采用最大似然频偏估计算法来粗略估计接收信号的载波频率，并用所估算的频差控制本地数控振荡器的振荡频率；随后再运用科斯塔斯环载波同步方法对接收信号载波进行精确的频率相位跟踪。在采用以上技术方案后，在复杂移动通信系统存在大频偏情况下，接收端载波同步模块能够对接收信号载波进行快速精确的同步跟踪处理。本发明可为接收端载波同步电路提供新的设计参考。

附图说明

图1是本发明的原理图；

图2是本发明系统组成图；

图3是本发明中最大似然频偏估计图；

图4是本发明中科斯塔斯环同步载波模块图；

图5是科斯塔斯环同步载波模块中环路滤波器原理图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

本发明的基本思想就是采用两级全数字载波同步处理技术来实现大频偏环境下高频载波的快速精确同步，以克服传统的单级开环或闭环载波同步方法的精确性不高或同步速度慢的缺陷。具体工作原理如图1所示：接收端天线将接收到的模拟信号送入数模转换模块转换成数字信号；随后，采用诸如最大似然频偏估计等算法对数字信号的载波频率进行第一级开环粗略估计，并通过该估计结果去控制本地数控振荡器的输出频率以便与接收信号载波频率进行快速粗同步；接下来再通过诸如科斯塔斯环等第二级闭环载波同步模块控制本地数控振荡器的输出频率，以便与接收信号载波频率和相位进行精确的同步跟踪。此时，本地数控振荡器的本地载波输出频率就是最后的精确同步输出结果。

如图2所示本发明的系统组成图，包括A/D转换模块、带通滤波模块、数控振荡器、频率选通开关、最大似然频偏估计模块和科斯塔斯环载波同步模块。带通滤波模块、数控振荡器、频率选通开关、最大似然频偏估计模块和科斯塔斯环载波同步模块可以采用FPGA芯片实现。数控振荡器由FPGA芯片内部提供的DDS核实现，主要用以产生本地载波。A/D转换模块可以由AD9280芯片实现，其时钟频率为32MHz，其功能是将接收端接收到的模拟信号转换为8位二进制数字信号。带通滤波模块采集A/D转换模块输出的数字信号并输出两路载波信号，其中一路载波信号与A/D转换模块输出的数字信号同相，另一路载波信号与A/D转换模块输出的数字信号正交。

如图3所示最大似然频偏估计模块结构图，包括第一乘法器、第二乘法器、第一低通滤波器、第二低通滤波器、反正切运算单元、相位转换单元、频偏估计单元和90°移相器，第一乘法器的两个输入端分别接入带通滤波模块输出的同相载波信号和数控振荡器输出的信号，第一乘法器的输出端经第一低通滤波器与反正切运算单元的输入端相连，90°移相器的输入端连接数控振荡器的输出端，第二乘法器的两个输入端分别接入带通滤波模块输出的正交载波信号和90°移相器的输出信号，第二乘法器的输出端经第二低通滤波器与反正切运算单元的输入端，反正切运算单元将输入的两路信号进行反正切运算后，输入相位转换单元进行相位转换，相位转换单元将转换后的信号输入频偏估计单元进行最大似然频偏估计，并将频偏估计结果输入数控振荡器，数控振荡器根据频偏结果调节输出信号的频率，使得数控振荡器的输出信号频率向接收信号载波频率靠近。

乘法器和两个低通滤波器均可以采用FPGA内部提供的IP核实现，低通滤波器的滤波器系数需保证该滤波器能滤除乘法器输出中的高频分量。

反正切运算模块采用FPGA芯片内部提供的CORDIC核实现，其功能主要是对同相正交两支路的输出做反正切运算，获取序列的离散相位信息x_i'。根据最大似然频偏估计原理，需要获取以起始采样点相位值为初始值的所有参与运算的采样点的绝对值，需要保证所有采样点的相位连续，所以要将经过反正切运算得到的x_i'经过相位转换为连续相位x_i。完成相位转换后，进行频偏估计运算，即将序列与序列做乘加运算。

最大似然频偏估计可根据如下公式：

采用Verilog语言编写并下载到FPGA中实现，其中：

N为数字信号数据位宽，x_k,0≤k≤N-1为各采样点的绝对相位，T_S为采样周期。频偏估计的输出可用来控制本地数控振荡器的输出，从而使数控振荡器的输出信号频率向接收信号载波频率靠近。

如图4所示科斯塔斯环载波同步模块结构图，包括第三乘法器、第四乘法器、第五乘法器、第三低通滤波器、第四低通滤波器、环路滤波器和90°移相器，第三乘法器的两个输入端分别接入带通滤波模块输出的同相载波信号和数控振荡器输出的信号，第三乘法器的输出端连接第三低通滤波器的输入端，90°移相器的输入端连接数控振荡器的输出端，第四乘法器的两个输入端分别接入带通滤波模块输出的正交载波信号和90°移相器输出的信号，第四乘法器的输出端连接第四低通滤波器的输入端，第五乘法器的两个输入端分别连接第三低通滤波器的输出端和第四低通滤波器的输出端，第五乘法器的输出端与环路滤波器的输入端相连，环路滤波器对输入的信号进行科斯塔斯环载波同步，环路滤波器的输出信号直接控制数控振荡器的输出信号，使得数控振荡器的输出信号跟踪接收信号的频率和相位。

环路滤波器的传递函数式如下：

可采用编写Verilog语言来实现。由其传递函数可得原理框图，如图5所示，其中C₁，C₂为环路滤波器系数：

确定C₁，C₂，其中K为整个科斯塔斯环的环路增益，ξ为阻尼系数，ω_n为自然角频率。自然角频率要根据接收信号的频率及工程实践进行求取。环路滤波器的输出直接控制数控振荡器的输出，使得数控振荡器的输出信号跟踪接收信号的频率和相位。

将最大似然频偏估计模块和科斯塔斯环载波同步模块级联，让两个模块通过频率选通开关与数控振荡器的输入端连接。环路开始同步时，先由最大似然频偏估计模块对接收信号载波频率进行初步估计，通过频率选通开关将数控振荡器的输出频率调整到接收信号载波频率附近，然后频率选通开关选通科斯塔斯环的环路滤波器输出信号，对数控振荡器输出的本地载波频率相位进行控制，使其输出本地载波对接收信号载波频率和相位的精确跟踪。

实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (7)

1.一种大频偏全数字载波信号快速精确同步方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)接收端天线将接收到的模拟信号转换成数字信号；

(2)对数字信号的载波频率进行第一级开环粗略估计，并通过该估计结果去控制本地数控振荡器的输出频率，从而与接收信号载波频率进行快速粗同步；

(3)再对数字信号的载波频率进行第二级闭环载波同步，并通过该同步结果去控制控制本地数控振荡器的输出频率，实现与接收信号载波频率和相位的精确同步跟踪。

2.根据权利要求1所述大频偏全数字载波信号快速精确同步方法，其特征在于：在步骤(1)中，所述第一级开环粗略估计采用最大似然频偏估计算法；在步骤(2)中，所述第二级闭环载波同步采用科斯塔斯环载波同步算法。

3.一种大频偏全数字载波信号快速精确同步系统，其特征在于，包括A/D转换模块、带通滤波模块、最大似然频偏估计模块、科斯塔斯环同步载波模块、频率选通开关和数控振荡器；A/D转换模块的输入端连接接收端天线的输出端，A/D转换模块的输出端连接带通滤波模块的输入端，带通滤波模块的输出端分别连接最大似然频偏估计模块和科斯塔斯环同步载波模块的输入端，最大似然频偏估计模块和科斯塔斯环同步载波模块的输出端分别经频率选通开关与数控振荡器的输入端连接。

4.根据权利要求3所述大频偏全数字载波信号快速精确同步系统，其特征在于，所述最大似然频偏估计模块包括第一乘法器、第二乘法器、第一低通滤波器、第二低通滤波器、反正切运算单元、相位转换单元、频偏估计单元和90°移相器，所述带通滤波模块采集A/D转换模块输出的数字信号并输出两路载波信号，其中一路载波信号与A/D转换模块输出的数字信号同相，另一路载波信号与A/D转换模块输出的数字信号正交，第一乘法器的两个输入端分别接入带通滤波模块输出的同相载波信号和数控振荡器输出的信号，第一乘法器的输出端经第一低通滤波器与反正切运算单元的输入端相连，90°移相器的输入端连接数控振荡器的输出端，第二乘法器的两个输入端分别接入带通滤波模块输出的正交载波信号和90°移相器的输出信号，第二乘法器的输出端经第二低通滤波器与反正切运算单元的输入端，反正切运算单元将输入的两路信号进行反正切运算后，输入相位转换单元进行相位转换，相位转换单元将转换后的信号输入频偏估计单元进行最大似然频偏估计，并将频偏估计结果输入数控振荡器，数控振荡器根据频偏结果调节输出信号的频率，使得数控振荡器的输出信号频率向接收信号载波频率靠近。

5.根据权利要求4所述大频偏全数字载波信号快速精确同步系统，其特征在于，在频偏估计单元中按照如下公式进行最大似然频偏估计：

其中，为频偏结果，N为数字信号的数据位宽，x_k为各采样点的绝对相位，0≤k≤N-1，T_S为采样周期。

6.根据权利要求3所述大频偏全数字载波信号快速精确同步系统，其特征在于，所述科斯塔斯环同步载波模块包括第三乘法器、第四乘法器、第五乘法器、第三低通滤波器、第四低通滤波器、环路滤波器和90°移相器，所述带通滤波模块采集A/D转换模块输出的数字信号并输出两路载波信号，其中一路载波信号与A/D转换模块输出的数字信号同相，另一路载波信号与A/D转换模块输出的数字信号正交，第三乘法器的两个输入端分别接入带通滤波模块输出的同相载波信号和数控振荡器输出的信号，第三乘法器的输出端连接第三低通滤波器的输入端，90°移相器的输入端连接数控振荡器的输出端，第四乘法器的两个输入端分别接入带通滤波模块输出的正交载波信号和90°移相器输出的信号，第四乘法器的输出端连接第四低通滤波器的输入端，第五乘法器的两个输入端分别连接第三低通滤波器的输出端和第四低通滤波器的输出端，第五乘法器的输出端与环路滤波器的输入端相连，环路滤波器对输入的信号进行科斯塔斯环载波同步，环路滤波器的输出信号直接控制数控振荡器的输出信号，使得数控振荡器的输出信号跟踪接收信号的频率和相位。

7.根据权利要求6所述大频偏全数字载波信号快速精确同步系统，其特征在于，所述环路滤波器的传递函数如下：

其中，C₁，C₂为环路滤波器系数：

其中，K为整个科斯塔斯环的环路增益，ξ为阻尼系数，ω_n为自然角频率，T_S为采样周期。