CN107786479A - 一种qpsk载波恢复大频偏补偿系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种QPSK载波恢复大频偏补偿系统及方法。主要是将QPSK信号中的I、Q两路信号分别与数控振荡器NCO输出的恢复载波相乘，再分别通过低通滤波器滤除高频分量。将I、Q两路滤波结果通过一定的运算，计算出包含频偏信息的余弦和正弦两路信号，再将两路信号组成复数信号，用快速傅里叶变换(FFT)搜索峰值进行频偏估计，再累加多次频偏估计值求均值得到频偏值，最后将频偏值补偿到NCO的频率控制量中，从而消除由多普勒频移等引起的大频偏。本发明提供了一种提取只与频偏信息相关的余弦和正弦信号算法，可以消除信号中双极性码元的影响，克服双极性码元对FFT频偏估计的影响，使得频偏估计结果更加准确。

Description

一种QPSK载波恢复大频偏补偿系统及方法
技术领域
本发明涉及航天测控通信领域，具体属于高速数字解调器领域，尤其涉及一种QPSK载波恢复大频偏补偿系统及方法。
背景技术
QPSK调制方式由于其有较佳的抗干扰性能和频谱利用率，且较易于实现，被广泛应用于数字卫星通信系统中。QPSK调制信号采用相干解调技术，对载波信号的同步有严格的要求，载波恢复是解调器中一个关键组成部分。在航天测控通信系统中，地面接收机与航天器之间由于相对运动引起的大多普勒频偏对载波恢复造成很大的影响，会导致接收机解调无法完成。多普勒的大小与载波本身的频率大小有如下对应关系，其中fT为发射载波的频率。随着测控信号向更高频段发展，载波多普勒频移对测控系统性能的影响也更加明显。要对载波频率进行捕获，最为常用的是利用锁相环技术，但数字锁相环的带宽较小，不利于对频偏较大的载波进行捕获。也有锁频环和锁相环相结合的捕获策略，锁频环的非线性，使得它不能区别输入端的信号和噪声为使其正常工作，输入信号必须大于噪声。也可采用频率扫描的方法，其实现方法简单，在高低信噪比的场合都可应用，只是需要预先规定扫描范围以及步长。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种QPSK载波恢复大频偏补偿系统及方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种QPSK载波恢复大频偏补偿系统，其特征在于包括第一乘法器、数控振荡器NCO、第二乘法器、第一低通滤波器、第二低通滤波器、第一平方运算器、第二平方运算器、第一减法器、第三乘法器、二倍增益器、第三平方运算器、第四平方运算器、第四乘法器、第二减法器、加法器、FFT模块、累加求均值模块；第一乘法器、第一低通滤波器、第一平方运算器、第一减法器、第四乘法器、加法器、FFT模块、累加求均值模块、数控振荡器NCO顺次相连；第二乘法器、第二低通滤波器、第三乘法器、二倍增益器、第四平方运算器、第二减法器、加法器顺次相连；数控振荡器NCO与第一乘法器相连；数控振荡器NCO与第二乘法器相连；第一低通滤波器与第三乘法器相连；第一减法器、第三平方运算器、第二减法器顺次相连；第二低通滤波器、第二平方运算器、第一减法器顺次相连；二倍增益器与第四乘法器相连。
一种QPSK载波恢复大频偏补偿方法，其特征在于：将QPSK信号中的I、Q两路信号分别与数控振荡器NCO输出的恢复载波相乘，再分别通过第一低通滤波器和第二低通滤波器滤除高频分量。将I、Q两路滤波结果通过第一平方运算器、第二平方运算器、第一减法器、第三乘法器、二倍增益器、第三平方运算器、第四平方运算器、第四乘法器、第二减法器进行一定的运算，计算出包含频偏信息的余弦和正弦两路信号，再将两路信号通过加法器组成复数信号，通过FFT模块用快速傅里叶变换(FFT)搜索峰值进行频偏估计，用累加求均值模块累加多次频偏估计值求均值得到频偏值，最后将频偏值补偿到数控振荡器NCO的频率控制量中，从而消除由多普勒频移等引起的大频偏。所述的包含频偏信息的余弦和正弦两路信号计算公式为：
式中，i(t)为I路信号滤除高频分量后的结果；
q(t)为Q路信号滤除高频分量后的结果；
Δω为本地相干载波与接收信号的频偏差；
Δ为本地相干载波与接收信号的相位差。
本发明与现有技术相比具有的有益效果：
1)本发明提供了一种针对QPSK信号载波恢复大频偏补偿系统及方法；
2)本发明提供了一种提取只与频偏信息相关的余弦和正弦信号算法，消除了信号中双极性码元的影响，克服双极性码元对FFT频偏估计的影响，使得频偏估计结果更加准确。
附图说明
图1为一种QPSK载波恢复大频偏补偿系统的结构示意图。
图中：1、第一乘法器，2、数控振荡器NCO，3、第二乘法器，4、第一低通滤波器，5、第二低通滤波器，6、第一平方运算器，7、第二平方运算器，8、第一减法器，9、第三乘法器，10、二倍增益器，11、第三平方运算器，12、第四平方运算器，13第四乘法器，14、第二减法器，15、加法器，16、FFT模块，17、累加求均值模块。
具体实施方式
如图1所示，一种QPSK载波恢复大频偏补偿系统，包括第一乘法器1、数控振荡器NCO2、第二乘法器3、第一低通滤波器4、第二低通滤波器5、第一平方运算器6、第二平方运算器7、第一减法器8、第三乘法器9、二倍增益器10、第三平方运算器11、第四平方运算器12、第四乘法器13、第二减法器14、加法器15、FFT模块16、累加求均值模块17；
第一乘法器1、第一低通滤波器4、第一平方运算器6、第一减法器8、第四乘法器13、加法器15、FFT模块16、累加求均值模块17、数控振荡器NCO2顺次相连；第二乘法器3、第二低通滤波器5、第三乘法器9、二倍增益器10、第四平方运算器12、第二减法器14、加法器15顺次相连；数控振荡器NCO2与第一乘法器1相连；数控振荡器NCO2与第二乘法器3相连；第一低通滤波器4与第三乘法器9相连；第一减法器8、第三平方运算器11、第二减法器14顺次相连；第二低通滤波器5、第二平方运算器7、第一减法器8顺次相连；二倍增益器10与第四乘法器13相连。
应用上述系统进行QPSK载波恢复大频偏补偿的方法，是将QPSK信号中的I、Q两路信号分别与数控振荡器NCO输出的恢复载波相乘，再分别通过第一低通滤波器和第二低通滤波器滤除高频分量。将I、Q两路滤波结果分别通过第一平方运算器、第二平方运算器、第一减法器、第三乘法器、二倍增益器、第三平方运算器、第四平方运算器、第四乘法器、第二减法器进行一定的运算，计算出包含频偏信息的余弦和正弦两路信号，再将两路信号通过加法器组成复数信号，通过FFT模块用快速傅里叶变换(FFT)搜索峰值进行频偏估计，用累加求均值模块累加多次频偏估计值求均值得到频偏值，最后将频偏值补偿到数控振荡器NCO的频率控制量中，从而消除由多普勒频移等引起的大频偏。所述的包含频偏信息的余弦和正弦两路信号计算公式为：
式中，i(t)为I路信号滤除高频分量后的结果；
q(t)为Q路信号滤除高频分量后的结果；
Δω为本地相干载波与接收信号的频偏差；
Δ为本地相干载波与接收信号的相位差。
本发明方法的信号(不考虑噪声)理论推导如下:
设输入信号表达式为：
NCO输出的相干载波及移相后信号为：
将上述输入信号分成I、Q两路并行信号分别与NCO输出的两路信号相乘，经低通滤波滤除二倍频分量之后，得到I、Q两路输出信号为：
通过如下的运算可以消除双极性码元(I(t)和Q(t)只取+1、-1)的影响，使输出结果只与频偏和相偏有关：
将上述两路计算输出结果组合成复信号x(t)：
对上述x(t)进行FFT变换得到变换后的幅频特性X(ω)：
由幅频特性即可得到对应的载波频偏的估计值，并将此作为载波恢复补偿量加到NCO的频率控制中。
对所公开实例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (3)

1.一种QPSK载波恢复大频偏补偿系统，其特征在于包括第一乘法器(1)、数控振荡器NCO(2)、第二乘法器(3)、第一低通滤波器(4)、第二低通滤波器(5)、第一平方运算器(6)、第二平方运算器(7)、第一减法器(8)、第三乘法器(9)、二倍增益器(10)、第三平方运算器(11)、第四平方运算器(12)、第四乘法器(13)、第二减法器(14)、加法器(15)、FFT模块(16)、累加求均值模块(17)；
第一乘法器(1)、第一低通滤波器(4)、第一平方运算器(6)、第一减法器(8)、第四乘法器(13)、加法器(15)、FFT模块(16)、累加求均值模块(17)、数控振荡器NCO(2)顺次相连；第二乘法器(3)、第二低通滤波器(5)、第三乘法器(9)、二倍增益器(10)、第四平方运算器(12)、第二减法器(14)、加法器(15)顺次相连；数控振荡器NCO(2)与第一乘法器(1)相连；数控振荡器NCO(2)与第二乘法器(3)相连；第一低通滤波器(4)与第三乘法器(9)相连；第一减法器(8)、第三平方运算器(11)、第二减法器(14)顺次相连；第二低通滤波器(5)、第二平方运算器(7)、第一减法器(8)顺次相连；二倍增益器(10)与第四乘法器(13)相连。
2.一种使用如权利要求1所述系统的QPSK载波恢复大频偏补偿方法，其特征在于：将QPSK信号中的I、Q两路信号分别与数控振荡器NCO(2)输出的恢复载波相乘，再分别通过第一低通滤波器(4)和第二低通滤波器(5)滤除高频分量。将I、Q两路滤波结果通过第一平方运算器(6)、第二平方运算器(7)、第一减法器(8)、第三乘法器(9)、二倍增益器(10)、第三平方运算器(11)、第四平方运算器(12)、第四乘法器(13)、第二减法器(14)进行运算，计算出包含频偏信息的余弦和正弦两路信号，再将两路信号通过加法器(15)组成复数信号，通过FFT模块(16)用快速傅里叶变换(FFT)搜索峰值进行频偏估计，用累加求均值模块(17)累加多次频偏估计值求均值得到频偏值，最后将频偏值补偿到数控振荡器NCO(2)的频率控制量中，从而消除由多普勒频移等引起的大频偏。
3.如权利要求2所述的QPSK载波恢复大频偏补偿方法，其特征在于，计算包含频偏信息的余弦和正弦两路信号的运算，其具体算法如下：
式中，i(t)为I路信号滤除高频分量后的结果；
q(t)为Q路信号滤除高频分量后的结果；
Δω为本地相干载波与接收信号的频偏差；
为本地相干载波与接收信号的相位差。
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