CN108055224A - 16qam载波同步环路同步锁定检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种16QAM载波同步环路同步锁定检测方法，利用本发明能够显著消除信号幅度对16QAM载波同步环路同步锁定检测的影响。本发明通过下述技术方案予以实现：经过载波同步后的数据分为I、Q两路，并通过各自的低通滤波器滤出高频分量送入载波同步锁定检测器进行载波同步锁定检测，载波同步锁定检测器在每一时刻将I、Q两路归一化高阶矩值计算值与检测门限进行比较，判定载波同步环路是否锁定或失锁，指示驱动FPGA复位信号对载波同步环路的锁相环进行复位，通过I、Q两路解调器将数字中频信号载波解调到零中频模块，使载波同步环路重新进行锁定到正确频率上，完成零中频信号送入后端时钟恢复环路模块进行时钟恢复，再经判决模块判决后得到接收序列。

Description

16QAM载波同步环路同步锁定检测方法
技术领域
本发明涉及在中、大容量数字微波通信系统、有线电视网络高数据传输、卫星通信等无线通信领域被广泛应用的16阶正交幅度调制(quadrature amplitude modulation)的数字解调，用于检测数字解调器中载波解调环路是否锁定的方法。更具体地说，本发明涉及正交幅度调制16QAM载波同步环路同步锁定检测方法。
技术背景
在数字通信系统中，为了将信号转移到适合远距离传输的频率上,需要在发射端把基带信号频谱搬移至射频。相对应的，在接收端，需要将信号从射频搬回至基带。在数字通信系统的下行通道中,由于受到信道特性和振荡器不稳定的影响，系统接收到的调制信号与本地载波会存在一定的频偏和相位误差，需要通过载波同步提取与接收信号中的调制载波同频同相的相干载波来实现相干解调，消除本地载波与接收到的信号的频率、相位误差，以保证解调的正确性。在载波同步中，一般需要经过载波捕获与载波跟踪两个阶段。载波捕获阶段希望具有较宽的带宽，能快速捕获较大频率偏差的信号；载波跟踪阶段希望具有较窄的带宽，以降低载波相位估计的方差。而载波同步锁定指示主要用来判定数字解调器的载波同步环路是否锁定，作为判决载波同步环路处于捕获阶段还是跟踪阶段的一个重要指标，是接收机的关键技术之一。
传统的MPSK调制技术是恒包络,且具有带宽较窄、频带利用率高,抗干扰能力强等特点,所以在传统上作为中、大容量数字微波通信系统、有线电视网络高数据传输、卫星通信等通信系统的最佳调制技术。但是,现在卫星转发器功率已经做得很大,卫星转发器功率受限变成频带受限,同时通信容量需求的大量增加,只有采用更优的调制技术才能解决这些问题。正交幅度调制16QAM技术相比较而言是一种最优的调制技术，它改善了MPSK在M较大时的噪声容限。它是用两个独立的基带数字信号对两个相互正交的同频载波进行抑制载波的双边带调制，并利用这种已调信号在同一带宽内频谱正交的性质来实现两路并行的数字信息传输。16QAM的产生有2种方法：(1)正交调幅法，它是有2路正交的四电平振幅键控信号叠加而成；(2)复合相移法：它是用2路独立的四相位移相键控信号叠加而成。16QAM信号通常采取正交相干解调的方法解调，解调器首先对收到的16QAM信号进行正交相干解调，一路与cosωct相乘，一路与sinωct相乘。然后经过低通滤波器，低通滤波器LPF滤除乘法器产生的高频分量，获得有用信号，低通滤波器LPF输出经抽样判决可恢复出电平信号。16QAM以其高频谱利用率、高功率谱密度等优势，成为宽带无线接入和无线视频通信的重要技术方案。与其它调制技术相比，这种调制解调技术能充分利用带宽，且具有抗噪声能力强等优点。因而在中、大容量数字微波通信系统、有线电视网络高速数据传输、卫星通信等领域得到广泛应用。
传统的MPSK解调环路的载波同步锁定指示检测方法需要先消除调制信息，再进行锁定检测。类似于MPSK的处理方法，也可以通过对16QAM调制信号取4次方，消除16QAM信号的调制信息，然后与预先设定的锁定指示门限进行比较，检测载波同步环路是否锁定。同时需要注意的是，此类判定方法最大的一个缺点就是锁定指示门限与信号的输入幅度有关。当前端AGC性能或输入信号电平不稳定时，容易导致假锁或需警。而在航天测控、卫星应用、高速数传等工程应用中，无论是用户还是接收机环路本身都需要精确了解接收机当前的载波同步锁定状态，以进行准确的操作。
发明内容
本发明针对传统的16QAM载波同步锁定检测方法存在的不足之处，提供一种相干通信中鲁棒性更高的载波同步锁定检测方法。该方法简单有效、准确可靠，能够消除信号幅度对16QAM载波同步环路同步锁定检测的影响。
本发明的上述目的可以通过下述技术方案予以实现，一种16QAM载波同步环路同步锁定检测方法，具有如下技术特征：在16QAM解调器中，将接收到的模拟中频调制信号通过高速模数变换器ADC转换为中频数字信号，中频数字信号被送入后端FPGA芯片对载波同步、位同步进行相应的信息处理；中频数字信号通过载波同步模块对载波同步环路进行载波同步，经过载波同步后的数据分为I、Q两路，I、Q两路同步数据分别通过各自的低通滤波器滤出高频分量，获得有用信号后送入载波同步锁定检测器进行载波同步锁定检测，载波同步锁定检测器在每一时刻将I、Q两路归一化高阶矩值计算值与检测门限进行比较，判定载波同步环路是否锁定或失锁，根据判定结果得到载波同步锁定指示，指示驱动FPGA复位信号对载波同步环路的载波锁相环进行复位，通过I、Q两路解调器将数字中频信号载波解调到零中频模块，使载波同步环路重新进行锁定到正确频率上，完成载波解调后的零中频信号送入后端的时钟恢复环路模块进行时钟恢复，再经判决模块判决后得到接收序列。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
方法简单。本发明将接收到的模拟信号通过高速ADC转换为中频数字信号，数字中频信号通过载波同步环路进行载波同步，将信号搬移至零中频，通过输入信号的归一化高阶矩值与预定阈值的比较，利用正交幅度调制16QAM信号的4次方特性判定16QAM载波同步环路同步锁定的检测，判定16QAM载波同步环路锁定状态，方法简单有效。
准确可靠。本发明载波同步锁定检测器在每一时刻将归一化高阶矩值计算值与检测门限进行比较，当计算高阶矩值小于检测门限时，判定载波同步环路锁定；反之，判定载波同步环路失锁。当载波同步环路同步锁定指示判定失锁时，计算输入信号的归一化高阶矩值，载波同步锁定指示驱动FPGA复位信号对锁相环进行复位，使载波同步环路重新进行锁定到正确频率上，消除了判决门限与信号幅度的依赖。通过归一化高阶矩值计算器输出的度量值与锁定阈值相比较，小于门限值认为环路锁定，否则判定环路失锁，通过计算载波同步环路输出信号的四阶矩，消除了调制信息对16QAM信号载波同步锁定指示判定的影响，判决指示更加稳定可靠。相比现有16QAM载波同步锁定检测方法，本发明的检测方法不受信号幅度影响，且信噪比范围适应更宽，能提供误判率更低的在载波同步锁定指示。
附图说明
为了更清楚地理解本发明，现将通过参照附图，来描述本发明，其中：
图1是16QAM解调器工作原理组成框图。
图2是本发明的16QAM载波同步环路及同步锁定检测原理图。
图3是本发明的不同信噪比条件下载波同步锁定检测器输出期望曲线示意图。
下面将结合附图对本发明的实施进行进一步具体的描述。
具体实施方式
参阅图1。根据本发明，在16QAM解调器中，将接收到的模拟中频调制信号通过高速模数变换器ADC转换为中频数字信号，中频数字信号被送入后端FPGA芯片对载波同步、位同步进行相应的信息处理；中频数字信号通过载波同步模块对载波同步环路进行载波同步，经过载波同步后的数据分为I、Q两路，I、Q两路同步数据分别通过各自的低通滤波器滤出高频分量，获得有用信号后送入载波同步锁定检测器进行载波同步锁定检测，载波同步锁定检测器在每一时刻将I、Q两路归一化高阶矩值计算值与检测门限进行比较，判定载波同步环路是否锁定或失锁，根据判定结果得到载波同步锁定指示，指示驱动FPGA复位信号对载波同步环路的载波锁相环进行复位，通过I、Q两路解调器将数字中频信号载波解调到零中频模块，使载波同步环路重新进行锁定到正确频率上，完成载波解调后的零中频信号送入后端的时钟恢复环路模块进行时钟恢复，再经判决模块判决后得到接收序列。
为了能有效地进行环路跟踪，必须利用锁定指示信号对载波同步状态进行稳定有效地判决。载波同步锁定检测器在每一时刻将I、Q两路归一化计算高阶矩值与检测门限进行比较，当计算高阶矩值小于检测门限时，载波同步锁定检测器判定载波同步环路锁定，反之，判定载波同步环路失锁。
当载波同步环路同步锁定指示失锁时，锁定指示驱动FPGA复位信号对锁相环进行复位，使载波同步环路重新进行锁定到正确频率上，然后计算信号的归一化高阶矩值，将信号搬移至零中频模块，完成载波解调后的零中频信号送入后端的时钟恢复模块进行时钟恢复。
载波锁相环由顺次串联的鉴相器、环路滤波器和频率产生模块组成，鉴相器将输出的鉴相误差送入环路滤波器滤波后送入频率产生模块产生对应频率信号，该频率信号又反馈到鉴相器，实现对输入中频信号载波频率的跟踪，同时将中频数字信号搬移至零中频模块，通过下变频器下变频后的零中频信号通过I、Q两路低通滤波器，分别送入载波同步锁定检测器对载波锁相环进行锁定检测，若检测到载波同步环路失锁，则驱动FPGA对载波同步环路进行复位，实现载波同步，载波同步后的中频数字信号再送入后端时钟恢复环路进行时钟恢复。
解调器可以是正交幅度调制16QAM解调器，在16QAM解调器中，当载波锁相环锁定时，锁相环根据16QAM星座映射规律，将调制信号相位锁定在18.4°、45°、71.6°、108.4°、135°、161.6°、198.4°、225°、251.6°、288.4°、315°、341.6°，当锁定信号服从高斯分布时，锁定信号归一化四阶矩收敛值为-0.36。16QAM解调器首先对收到的16QAM信号进行正交相干解调，一路与cosωct相乘，一路与sinωct相乘，然后经过I、Q两路低通滤波器LPF滤除乘法器产生的高频分量，获得有用信号。16QAM解调器输入的已调信号与本地恢复的两个正交载波相乘，经过低通滤波输出两路多电平基带信号I(t)和基带信号Q(t)，再经过时钟恢复与判决器判决后，得到接收序列，其中ωc表示载波角频率，t表示时间值。
参阅图2。载波同步锁定检测器由相互串联的归一化信号高阶矩值计算模块和比较器组成。经过高速模数变换器ADC转换得到的中频数字信号，经过载波同步环路载波同步后得到I、Q两路基带信号被送入载波同步锁定检测器进行载波同步锁定检测。I、Q两路基带信号首先通过归一化信号高阶矩值计算模块计算出归一化信号高阶矩值，计算结果与比较器预定的判定阈值进行比较，当计算出的高阶矩值小于判定阈值的检测门限时，判定载波同步环路锁定，反之，判定载波同步环路失锁。当载波同步环路同步锁定指示判定失锁时，载波同步锁定指示驱动FPGA复位信号对载波锁相环进行复位，使载波同步环路重新进行锁定到正确频率上，完成解调器载波解调后的零中频信号送入后端时钟恢复环路模块进行时钟恢复等处理。
与载波同步环路连接的载波同步锁定检测器在每一时刻计算载波同步环路输出的I、Q信号的归一化高阶矩值，首先计算16QAM信号的4次方，消除16QAM信号的调制信息，对信号取四次方后，实部变为(I2(k)+Q2(k))2cos(4θk)，归一化高阶矩值计算模块进行归一化处理后，再对其归一化后取均值，由此可以提取到4倍归一化高阶矩值yk＝cos(4θk)的相位信息。其中θk表示调制信号的锁定相位值。
归一化高阶矩值计算模块归一化高阶矩值求出归一化高阶矩的均值y
归一化高阶矩值计算模块的归一化高阶矩值由硬件描述语言编程实现，式中，2N表示总采样点数，Re表示复数的实部，I(k)表示k时刻I路信号幅值，Q(k)表示k时刻Q路信号幅值，yk表示第k个采样点的归一化高阶矩，k为自然数。
图3给出了本发明提出的16QAM载波同步环路同步锁定检测方法在不同信噪比条件下的锁定期望值，可以看出，当无噪情况下，锁定度量值趋近于-0.36，同时期望值曲线的抖动较小，可以提高锁定指示的判决精度。

Claims (10)

1.一种16QAM载波同步环路同步锁定检测方法，具有如下技术特征：在16QAM解调器中，将接收到的模拟中频调制信号通过高速模数变换器ADC转换为中频数字信号，中频数字信号被送入后端FPGA芯片对载波同步、位同步进行相应的信息处理；中频数字信号通过载波同步模块对载波同步环路进行载波同步，经过载波同步后的数据分为I、Q两路，I、Q两路同步数据分别通过各自的低通滤波器滤出高频分量，获得有用信号后送入载波同步锁定检测器进行载波同步锁定检测，载波同步锁定检测器在每一时刻将I、Q两路归一化高阶矩值计算值与检测门限进行比较，判定载波同步环路是否锁定或失锁，根据判定结果得到载波同步锁定指示，指示驱动FPGA复位信号对载波同步环路的载波锁相环进行复位，通过I、Q两路解调器将数字中频信号载波解调到零中频模块，使载波同步环路重新进行锁定到正确频率上，完成载波解调后的零中频信号送入后端的时钟恢复环路模块进行时钟恢复，再经判决模块判决后得到接收序列。
2.如权利要求1所述的适用于16QAM调制方式的载波同步环路同步锁定检测方法，其特征在于：解调器接收到的中频模拟调制信号首先通过高速模数转换器ADC转换为中频数字信号，中频数字信号送入后端FPGA芯片对载波同步、位同步进行相应的信息处理。
3.如权利要求1所述的适用于16QAM调制方式的载波同步环路同步锁定检测方法，其特征在于：载波同步锁定检测器在每一时刻将I、Q两路归一化计算高阶矩值与检测门限进行比较，当计算高阶矩值小于检测门限时，载波同步锁定检测器判定载波同步环路锁定，反之，判定载波同步环路失锁。
4.如权利要求3所述的适用于16QAM调制方式的载波同步环路同步锁定检测方法，其特征在于：当载波同步环路同步锁定指示失锁时，锁定指示驱动FPGA复位信号对锁相环进行复位，使载波同步环路重新进行锁定到正确频率上，然后计算信号的归一化高阶矩值，将信号搬移至零中频模块，完成载波解调后的零中频信号送入后端的时钟恢复模块进行时钟恢复。
5.如权利要求1所述的适用于16QAM调制方式的载波同步环路同步锁定检测方法，其特征在于：载波锁相环由顺次串联的鉴相器、环路滤波器和频率产生模块组成，鉴相器将输出的鉴相误差送入环路滤波器滤波后送入频率产生模块产生对应频率信号，该频率信号又反馈到鉴相器，实现对输入中频信号载波频率的跟踪，同时将中频数字信号搬移至零中频模块，通过下变频器下变频后的零中频信号通过I、Q两路低通滤波器，分别送入载波同步锁定检测器对载波锁相环进行锁定检测，若检测到载波同步环路失锁，则驱动FPGA对载波同步环路进行复位，实现载波同步，载波同步后的中频数字信号再送入后端时钟恢复环路进行时钟恢复。
6.如权利要求1所述的适用于16QAM调制方式的载波同步环路同步锁定检测方法，其特征在于：解调器为正交幅度调制16QAM解调器，在16QAM解调器中，当载波锁相环锁定时，载波锁相环根据16QAM星座映射规律，将调制信号相位锁定在18.4°、45°、71.6°、108.4°、135°、161.6°、198.4°、225°、251.6°、288.4°、315°、341.6°；当锁定信号服从高斯分布时，锁定信号归一化四阶矩收敛值为-0.36。
7.如权利要求1所述的适用于16QAM调制方式的载波同步环路同步锁定检测方法，其特征在于：16QAM解调器首先对收到的16QAM信号进行正交相干解调，一路与cosωct相乘，一路与sinωct相乘，然后经过I、Q两路低通滤波器LPF滤除乘法器产生的高频分量，获得有用信号，其中ωc表示载波角频率，t表示时间值。
8.如权利要求7所述的适用于16QAM调制方式的载波同步环路同步锁定检测方法，其特征在于：16QAM解调器输入的已调信号与本地恢复的两个正交载波相乘，经过低通滤波输出两路多电平基带信号I(t)和基带信号Q(t)，再经过时钟恢复与判决器判决后，得到接收序列。
9.如权利要求8所述的适用于16QAM调制方式的载波同步环路同步锁定检测方法，其特征在于：载波同步锁定检测器由相互串联的归一化信号高阶矩值计算模块和比较器组成；经过高速模数变换器ADC转换得到的中频数字信号，经过载波同步环路载波同步后得到I、Q两路基带信号被送入载波同步锁定检测器进行载波同步锁定检测；I、Q两路基带信号首先通过归一化信号高阶矩值计算模块计算出归一化信号高阶矩值，计算结果与比较器预定的判定阈值进行比较，当计算出的高阶矩值小于判定阈值的检测门限时，判定载波同步环路锁定，反之，判定载波同步环路失锁；当载波同步环路同步锁定指示判定失锁时，载波同步锁定指示驱动FPGA复位信号对载波锁相环进行复位，使载波同步环路重新进行锁定到正确频率上，完成解调器载波解调后的零中频信号送入后端时钟恢复环路模块进行时钟恢复等处理。
10.如权利要求1所述的适用于16QAM调制方式的载波同步环路同步锁定检测方法，其特征在于：与载波同步环路连接的载波同步锁定检测器在每一时刻计算载波同步环路输出的I、Q信号的归一化高阶矩值，首先计算16QAM信号的4次方，消除16QAM信号的调制信息，对信号取四次方后，归一化高阶矩值计算模块进行归一化处理后，再对其归一化后取均值。
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