CN107864106A - 一种适用于非数据辅助的mpsk载波同步方法 - Google Patents
一种适用于非数据辅助的mpsk载波同步方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及数字通信领域。目的是提供一种适用于非数据辅助的MPSK载波同步方法。采用的技术方案是:一种适用于非数据辅助的MPSK载波同步方法,步骤包括:根据输入信号的调制阶数M,将输入信号进行M次方运算;计算瞬时相位和瞬时频率;利用瞬时频率计算频偏、利用瞬时相位计算相偏;并进行频偏及相偏补偿,去掉频率及相位偏差。本发明提出的方法不存在鉴相、跟踪以及环路调整过程,能适应高速率、实时性的信号处理过程,非常适合于数字信号处理器或者软件加以实现;无需前导数据辅助、无反馈,可进行连续解调,计算量小,易于工程实现。
Description
技术领域
本发明属于数字通信领域,具体涉及一种适用于非数据辅助的MPSK载波同步方法。
背景技术
载波同步的概念起源于相干解调同相系统。在数字通信系统中,信号的处理与传输都必须确保在规定的时隙内完成。因此,为了使得信号接收机端能够准确地解调信号,接收机端和发送端必须保持严格意义上的同步。载波同步是PSK信号相干解调中的一项关键技术,它直接关系到解调的指标。
载波同步技术按照采用的辅助手段,分为数据辅助、非数据辅助与编码辅助三个大类。而非数据辅助有锁相环和盲估计两种工作方式。锁相环利用鉴相器提取出同步参数信息,盲估计则利用发送信号调制类型的统计特性,对接收信号进行非线性运算提取出同步参数的估计值。
目前实现PSK信号载波同步的方法主要有:非线性变换--滤波法、同相正交环、逆调制环和判决反馈环,这些方法均是基于反馈的闭环结构;还有基于数据辅助的最大似然参数估计法。
发明内容
本发明的目的是提供一种适用于非数据辅助的MPSK载波同步方法。为实现上述发明目的,本发明所采用的技术方案是:一种适用于非数据辅助的MPSK载波同步方法。
优选的:一种适用于非数据辅助的MPSK载波同步方法,其步骤如下:
(1)根据输入信号的调制阶数M,将输入信号进行M次方运算;
(2)计算瞬时相位和瞬时频率;
(3)利用瞬时频率计算频偏、利用瞬时相位计算相偏;并进行频偏及相偏补偿,去掉频率及相位偏差。
优选的,上述适用于非数据辅助的MPSK载波同步方法,其根据输入信号的调制阶数M,将输入信号进行M次方运算的具体步骤为:
假设接收到的MPSK信号,经过符号同步之后其最佳采样点的表达式为:
其中,f为频差、p为相差、M为调制阶数,fs为采样率,symb(n)为星座映射符号,其与通信原理中MPSK信号对应的星座图对应;
因此,MPSK信号可以将其表示为:
其中,s(n)∈(0,1,...,M-1)
其中,s(n)为信号信息;
通信系统中,当发射信号为BPSK时,s(n)为[0,1]伪随机数代表的信息;当为QPSK时,symb(n)为[0,1,2,3]伪随机数代表的信息;当为8PSK时,symb(n)为[0,1,2,3,4,5,6,7]伪随机数代表的信息,以此类推其它调制阶数的MPSK信号;
因此,接收信号完整表达式为:
优选的,上述适用于非数据辅助的MPSK载波同步方法,其计算瞬时相位和瞬时频率的具体步骤为:
对上述接收到的R(n)进行M次方运算:
根据欧拉公式:
ej·6=cos(θ)+j·sin(θ)
可知:
ej·2πs(n)=cos(2·π·s(n))+j·sin(2·π·s(n))
由于s(n)为整数,则cos(2·π·s(n))=1,sin(2·π·s(n))=0,即得到ej·2·π·s(n)=1;
因此可以去掉不同符号带来的影响,因此:
对上式进行瞬时相位提取:
其中,angle(RM(n))指取复数RM(n)的相位,如其中actan( )指取反正切;
再进行瞬时频率提取:
因此频差f可由上式推导出:
优选的,上述适用于非数据辅助的MPSK载波同步方法,其利用瞬时频率计算频偏、利用瞬时相位计算相偏;并进行频偏及相偏补偿,去掉频率及相位偏差的具体步骤为:
(1)单次瞬时频率的估计,容易受到噪声影响,误差较大,这里采用多点平均取出其直流分量,可以得到频率偏差的准确估计值:
(2)通过每个瞬时相位计算初始相位:
同样,单次初始相位估计也会噪声影响,同时还会受到频率影响,因此这里频率采用准确估计值,同时也采用多次平均的方式去掉噪声的影响,初始相位估计值为:
(3)根据频偏和相偏,可以对原始接收符号进行补偿,得到:
相应的,上述适用于非数据辅助的MPSK载波同步方法在数字通信系统中的应用。
本发明具有以下有益效果:
(1)本发明提出的方法不存在鉴相、跟踪以及环路调整过程,能适应高速率、实时性的信号处理过程,非常适合于数字信号处理器或者软件加以实现。
(2)本发明无需前导数据辅助、无反馈可进行连续解调,计算量小,易于工程实现。
附图说明
图1为PSK类信号载波同步实现框图;
图2为QPSK信号的标准星座图;
图3为8PSK信号的标准星座图;
图4为QPSK信号载波同步前星座图;
图5为QPSK信号载波频偏补偿后星座图;
图6为QPSK信号载波频偏、相偏补偿后星座图;
图7为8PSK信号载波同步前星座图;
图8为8PSK信号载波频偏补偿后星座图;
图9为8PSK信号载波频偏、相偏补偿后星座图。
具体实施方式
下面结合附图,对本发明具体实施步骤进行描述。
实施例一
(1)根据输入信号的调制阶数M,将输入信号进行M次方运算:
假设接收到的MPSK信号,经过符号同步之后其最佳采样点的表达式为:
其中,f为频差、p为相差、M为调制阶数,fs为采样率,symb(n)为星座映射符号,其与通信原理中MPSK信号对应的星座图对应,如图2、图3所示。
因此,MPSK信号可以将其表示为:
其中,s(n)∈(0,1,…,M-1)
其中,s(n)为信号信息。
通信系统中,当发射信号为BPSK时,s(n)为[0,1]伪随机数代表的信息;当为QPSK时,symb(n)为[0,1,2,3]伪随机数代表的信息;当为8PSK时,symb(n)为[0,1,2,3,4,5,6,7]伪随机数代表的信息,以此类推其它调制阶数的MPSK信号。
因此,接收信号完整表达式为:
(2)计算瞬时相位和瞬时频率:
对(1)接收到的R(n)进行M次方运算可以得到:
根据欧拉公式:
ej·θ=cos(θ)+j·sin(θ)
可知:
ej·2πs(n)=cos(2·π·s(n))+j·sin(2·π·s(n))
由于s(n)为整数,则cos(2·π·s(n))=1,sin(2·π·s(n))=0,即得到ej·2·π·s(n)=1。
因此可以去掉不同符号带来的影响,因此:
对上式进行瞬时相位提取:
其中,angle(RM(n))指取复数RM(n)的相位,如其中actan( )指取反正切;
再进行瞬时频率提取:
因此频差f可由上式推导出:
(3)利用瞬时频率计算频偏、利用瞬时相位计算相偏,并进行频偏及相偏补偿,去掉频率及相位偏差:
1)单次瞬时频率的估计,容易受到噪声影响,误差较大,这里采用多点平均取出其直流分量,可以得到频率偏差的准确估计值:
2)通过每个瞬时相位计算初始相位:
同样,单次初始相位估计也会噪声影响,同时还会受到频率影响,因此这里频率采用准确估计值,同时也采用多次平均的方式去掉噪声的影响,初始相位估计值为:
3)根据频偏和相偏,可以对原始接收符号进行补偿,得到:
实施例二:仿真操作1
(1)仿真设置:采样率8GHz;待载波同步信号1:QPSK,信号载波频偏:3MHz,信号载波相偏:0.2·π,符号率:500MHz,发射滤波器为:升余弦滤波器、滚降因子为0.35,加入高斯加性噪声,信噪比(SNR)为30dB,信号符号数:1500(24000个采样点)。
(2)仿真结果:
1)频偏估计值:3.00014788MHz;相偏估计值:-0.299744·π。
从估计值可以看出,频偏估计值与真实值间相差极小,相对误差为4.93e-5;而相偏估计值-0.299744·π与实际相偏0.2·π之间的差为0.499744·π,极为接近0.5·π,即代表反向补偿相偏使星座图接近QPSK的标准星座图(图2)。
2)仿真图
仿真图如图4、图5、图6所示。
从图4可以看出,频偏和相偏补偿前的星座图为一圆环;如图5所示,补偿频偏后,信号最佳采样点聚合为4个点,但与QPSK信号的标准星座图(图2)相比,矢量点的位置有偏差,表明信号还存在相偏;当将相偏补偿后,图6与QPSK信号的标准星座图(图2)基本一致。
(3)结果分析
从仿真结果可以看出,在未补偿频偏和相偏时,由于PSK信号是恒模的,频偏与相偏使星座图发生了相同幅度的旋转,从图中可以看出QPSK的星座图(图4)为一个圆环;当补偿了频偏之后,只有相偏影响信号的星座图,故QPSK星座图(图5)上的矢量点有一个固定的旋转偏移;最后,当去除了相偏之后就是同步后的QPSK星座图(图6)。
实施例三:仿真操作2
(1)仿真设置:采样率8GHz;待载波同步信号2:8PSK,信号载波频偏:3MHz,信号载波相偏:,符号率:200MHz,发射滤波器为:根升余弦滤波器、滚降因子为0.3,加入高斯加性噪声,信噪比(SNR)为30dB,信号符号数:1500(60000个采样点)。
(2)仿真结果
1)频偏估计值:3.0001931MHz;相偏估计值:-0.201998·π。
从估计值可以看出,频偏估计值与真实值间相差极小,相对误差为6.437e-5;而相偏估计值-0.201998·π与实际相偏0.3·π之间的差为0.501998·π,极为接近0.5·π,即代表反向补偿相偏使星座图接近8PSK的标准星座图(图3)。
2)仿真图
从图7可以看出,频偏和相偏补偿前的星座图为一圆环;如图8所示,补偿频偏后,信号最佳采样点聚合为8个点,但与8PSK信号的标准星座图(图3)相比,矢量点的位置有偏差,表明信号还存在相偏;当将相偏补偿后,图9与8PSK信号的标准星座图(图3)基本一致。
(3)结果分析
从仿真结果可以看出,在未补偿频偏和相偏时,由于PSK信号是恒模的,频偏与相偏使星座图发生了相同幅度的旋转,从图7可以看出8PSK的星座图为一个圆环;当补偿了频偏之后,只有相偏影响信号的星座图,故8PSK星座图(图8)上的矢量点有一个固定的旋转偏移;最后,当去除了相偏之后就是同步后的8PSK星座图(图9)。
Claims (5)
1.一种适用于非数据辅助的MPSK载波同步方法,其特征在于:步骤如下:
(1)根据输入信号的调制阶数M,将输入信号进行M次方运算;
(2)计算瞬时相位和瞬时频率;
(3)利用瞬时频率计算频偏、利用瞬时相位计算相偏;并进行频偏及相偏补偿,去掉频率及相位偏差。
2.根据权利要求1所述的一种适用于非数据辅助的MPSK载波同步方法,其特征在于:其步骤(1)的具体步骤为:
假设接收到的MPSK信号,经过符号同步之后其最佳采样点的表达式为:
<mrow>
<mi>R</mi>
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<mo>=</mo>
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</mfrac>
<mo>+</mo>
<mi>p</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
</msup>
</mrow>
其中,f为频差、p为相差、M为调制阶数,fs为采样率,symb(n)为星座映射符号,其与通信原理中MPSK信号对应的星座图对应;
因此,MPSK信号可以将其表示为:
其中,s(n)∈(0,1,…M-1)
其中,s(n)为信号信息;
通信系统中,当发射信号为BPSK时,s(n)为[0,1]伪随机数代表的信息;当为QPSK时,symb(n)为[0,1,2,3]伪随机数代表的信息;当为8PSK时,symb(n)为[0,1,2,3,4,5,6,7]伪随机数代表的信息,以此类推其它调制阶数的MPSK信号;
因此,接收信号完整表达式为:
<mrow>
<mi>R</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
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<mo>=</mo>
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<mo>+</mo>
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<mo>.</mo>
</mrow>
3.根据权利要求1所述的一种适用于非数据辅助的MPSK载波同步方法,其特征在于:步骤(2)的具体步骤为:
对权利要求2接收到的R(n)进行M次方运算:
<mrow>
<mi>R</mi>
<mi>M</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
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<mo>)</mo>
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</mfrac>
<mo>+</mo>
<mi>p</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
</msup>
</mrow>
根据欧拉公式:
ej·θ=cos(θ)+j·sin(θ)
可知:
ej·2·π·s(n)=cos(2·π·s(n))+j·sin(2·π·s(n))
由于s(n)为整数,则cos(2·π·s(n)=1,sin(2·π·s(n))=0,即得到ej·2·π·s(n)=1;
因此可以去掉不同符号带来的影响,因此:
<mrow>
<mi>R</mi>
<mi>M</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>n</mi>
<mo>)</mo>
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<mo>=</mo>
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对上式进行瞬时相位提取:
<mrow>
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<mo>+</mo>
<mi>p</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
其中,angle(RM(n))指取复数RM(n)的相位,如其中actan()指取反正切;
再进行瞬时频率提取:
<mrow>
<mi>f</mi>
<mi>r</mi>
<mi>q</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
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<mo>=</mo>
<mn>2</mn>
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<mo>&CenterDot;</mo>
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</mrow>
因此频差f可由上式推导出:
<mrow>
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<mi>f</mi>
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<mi>q</mi>
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<mo>&CenterDot;</mo>
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<mo>&CenterDot;</mo>
<mi>M</mi>
</mrow>
</mfrac>
<mo>.</mo>
</mrow>
4.根据权利要求1所述的一种适用于非数据辅助的MPSK载波同步方法,其特征在于:步骤(3)的具体步骤为:
(1)单次瞬时频率的估计,容易受到噪声影响,误差较大,这里采用多点平均取出其直流分量,可以得到频率偏差的准确估计值:
<mrow>
<mover>
<mi>f</mi>
<mo>&OverBar;</mo>
</mover>
<mo>=</mo>
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<mn>1</mn>
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(2)通过每个瞬时相位计算初始相位:
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<mo>&CenterDot;</mo>
<mi>&pi;</mi>
<mo>&CenterDot;</mo>
<mi>M</mi>
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<mo>-</mo>
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<mrow>
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<mo>&CenterDot;</mo>
<mover>
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</mover>
</mrow>
<msub>
<mi>f</mi>
<mi>s</mi>
</msub>
</mfrac>
</mrow>
同样,单次初始相位估计也会噪声影响,同时还会受到频率影响,因此这里频率采用准确估计值,同时也采用多次平均的方式去掉噪声的影响,初始相位估计值为:
<mrow>
<mover>
<mi>p</mi>
<mo>&OverBar;</mo>
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<mo>=</mo>
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<mi>N</mi>
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<mi>p</mi>
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<mo>)</mo>
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</mrow>
(3)根据频偏和相偏,可以对原始接收符号进行补偿,得到:
<mrow>
<mover>
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<mi>R</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
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<mo>)</mo>
</mrow>
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<mo>=</mo>
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<mo>(</mo>
<mi>n</mi>
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</mrow>
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5.权利要求1所述的适用于非数据辅助的MPSK载波同步方法在数字通信系统中的应用。
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