CN108449296A - 基于信号正逆序循环拼接的短时突发通信载波同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于信号正逆序循环拼接的短时突发通信载波同步方法，该方法主要是通过存储接收到的短时突发信号，以基于回溯保证相位连续性的思想，将进入数字接收机的信号以正序、逆序的形式循环利用，不断地进行锁相环环路处理，从而达到载波同步的目的。利用信号正逆序循环拼接的方法可以在接收数据长度很短的情况下仍然能完成载波的同步，并且很好地解决了处理接收数据时相位突变的问题。

Description

基于信号正逆序循环拼接的短时突发通信载波同步方法

技术领域

本发明涉及通信领域中的载波同步技术，是一种针对于短时突发通信中的载波同步技术。

背景技术

在数字接收机中，相干解调方案的输出信噪比要比非相干解调方案高3dB，解调性能更好，但是相干解调中频率和相位的同步偏差会引起误码性能的显著恶化。实现相干解调方案中的重点技术是载波同步技术，即在接收设备中产生一个和接收信号的载波同频同相的本地振荡。按照同步参数补偿原理，载波同步技术可分为两种：开环前馈方式和闭环反馈方式。

(1)开环前馈方式。该种方式下典型的同步装置是频偏估计器。该种方式通过利用导频能够进行快速同步，但其估计精度受限于导频的长度。利用该种方式，捕获速度较快，但不能灵活地应对时变同步参数，通常在移动通信等突发通信系统中更为适用。

(2)闭环反馈方式。该种方式下典型的同步装置是锁相环。由于该反馈系统达到稳定需要一个调整过程，导致其捕获速度较慢，处理延时较大。但其跟踪性能较好，一旦锁定，则锁定误差较小，在以连续解调方式工作的通信系统中更为实用。

在绝大多数情况下，突发信号都具有短时的特点，因此突发信号是相对于持续时间较长的连续信号而言的，突发信号的起始点、起始位置是不确定的。一般来说，对于连续信号的处理，人们并不太关心信号的开始和结束，但对突发信号而言，在非合作通信的情况下，由于没有信号出现的准确先验知识，所以必须判断信号的起始，有时也要判断信号的结束，同时也需要把起始的信号正确译码出来。

在利用锁相环的方法进行载波同步的过程中，针对于突发信号，存在时间很短，可能在环路还没有稳定的情况下，信号已经结束了；此外，如果要将接收到的信号全部解调的话，就避免不了要将最开始的接收信号提取出来，单纯地将接收信号放在一段数据后面的话，会造成相位的突变性给解调结果带来影响，所以信号的放置位置也是个值得重视的问题。

在传统的载波同步方法中，接收机通常需要对发送载波的初始相位以及收发端之间的载波频偏进行估计，然后通过跟踪环路将残余频偏补偿回去，从而达到正确解调的目的。针对于短时突发信号，采用相干解调均涉及到锁相环环路的引入，在信号持续时间很短的情况下，环路来不及稳定给相干解调方案带来了很大的困难。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于信号正逆序循环拼接的短时突发通信载波同步方法，利用回溯保证相位连续的思想来对短时突发通信中的接收数据进行载波同步，即使在接收信号长度很短的情况下，也能通过锁相环的结构恢复接收信号的载波。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于信号正逆序循环拼接的短时突发通信载波同步方法，包括如下步骤：

(1)存储接收到的短时突发中频信号，对存储的中频信号进行循环拼接构成一种新信号；在循环拼接该新信号的过程中，产生一个正逆序标志信号(该信号取值只有0或1两种)代表该新信号的特征(新信号是原始接收信号的正序形式或逆序形式特征)，该正逆序标志信号送给后面的环路做处理；

(2)将经过循环拼接后的新信号与本地NCO产生的正余弦载波相乘，相乘的结果分别通过两路低通滤波器滤出高频分量，得到两路基带信号(同相支路和正交支路)；

(3)将两路基带信号相乘得到相位误差，并将相位误差结果送入环路滤波器；

(4)将环路滤波器的输出与正逆序标志信号结合起来，来更新频率控制字；

(5)在得到更新后的频率控制字后，利用正逆序标志信号来对该更新后的频率控制字进行修正；将修正后的结果作为最终送入NCO频率控制字端口的值，以此形成一种闭环的方式来完成载波同步的目的。

步骤(1)中所述的存储以及循环拼接方法为：

设r(t)是接收到的短时突发信号，将接收到的短发突发信号存储下来；当所有信号已经存储完成后，通过读取地址的方式将存储的信号从头开始读出来；当读出最后一个信号后，再以逆序的方式读出存储的倒数第二个信号，如此逆序读至第一个信号时，再以顺序的方式读出存储的信号，读至最后一个信号时再变为逆序读取，这样通过循环读取的方式来构成一种新信号；当发现载波同步已同步时，停止循环，使循环拼接后的新信号最后一段为正序形式的接收数据；这时由于已经完成了载波同步，所以可以直接对此段数据进行相应的解调操作，恢复原始信息。

设r_reverse(t)是该中频信号的逆序形式，则经过循环拼接后得到的新信号r_fix(t)为：

上式中，k表示数据的正逆序标志信号，是信号循环拼接过程中给出的。其概念为：假设接收到的短时突发信号序列为r_data1，r_data2至r_data_N。这里规定r_data1，r_data2至r_data_N即为接收信号的正序形式，r_data_N，r_dataN-1,至r_data1即为接收信号的逆序形式。由于r_fix(t)在拼接过程中是接收信号正序形式、逆序形式循环构成的。这里定义当k为1时，送入环路的信号为r(t)即接收信号的正序形式，当k为0时，送入环路的信号为r_reverse(t)即信号的逆序形式。

步骤(4)中所述的频率控制字更新方法为：

载波NCO最初由一个基础频率控制字来确定其产生的正余弦信号频率，后面每次接收到一次环路滤波器的输出时产生一个新的频率控制字Pinc_new；

当环路输入数据即经循环拼接得到的新信号为正序时，新的频率控制字为基础频率控制字加上环路滤波器的输出，当新信号数据为逆序时，由于数据是携带相位信息的，当数据为逆序时，相位也处于逆序的形式，由锁相环理论可知，如果原来接收信号相位是超前本地载波信号相位的，那么在逆序情况下超前的相位现在应该滞后了，所以此时新的频率控制字为基础频率控制字减去环路滤波器的输出；

上式中，Pinc₀表示本地NCO的基础频率控制字，Pinc_adj表示鉴相误差通过环路滤波后得到的结果。

步骤(5)中所述的频率控制字修正方法为：

在得到更新后的频率控制字Pinc_new后，本地NCO的相位改变方向应与r_fix(t)的相位改变方向相同，要达到该目的，这里需要对Pinc_new进行修正，设修正后的结果为Pinc：

式中，Pinc即为最终送入载波NCO的频率控制字端口的值。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：本发明克服了在接收信号持续时间很短的情况下锁相环环路达不到稳定的问题以及处理接收信号时造成的相位不连续性问题，可以有效地利用接收信号数据来达到载波同步的目的。此外，对于采用相干解调的方式来实现载波同步提供了一种有效的思路和方法。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的信号信号存储及拼接的时序图。

图3是本发明的DDS中查找表频率控制字示意图。

图4是载波未同步时ModelSim仿真波形图。

图5是载波已同步时ModelSim仿真波形图。

具体实施方式

本发明利用Verilog HDL语言在ISE14.7开发工具中实现该技术方案，并用ModelSim软件进行仿真，验证同步方案的正确性。

参照图1中的结构，首先将接收到的短时突发信号存储下来，待存储结束时，对存储的中频信号进行循环拼接构成一种新信号，送给后面的科斯塔斯环环路来进行锁相环处理。图一中的虚线框图内部是经典的科斯塔斯环环路结构，在该结构中，将本地NCO产生相互正交的sin、cos支路数据与接收到的中频信号相乘然后通过低通滤波器得到两路基带数据(I路和Q路)，然后将I、Q两路数据相乘完成鉴相的目的，再将鉴相结果通过环路滤波器滤出高频分量后反馈给本地NCO完成本地载波频率的调整，这样本地载波频率不断调整，最终使本地载波与接收载波一直达到相干解调的目的。

其中，三点重要的技术内容如下：

1.存储并正逆序循环拼接接收信号：将接收到的短时突发信号存储下来，由于信号是采样的，在存储过程中每个信号采样点都对应一个地址。当所有信号已经存储完成后，再通过读取地址的方式将存储的信号从头开始读出来。当读出最后一个信号后，再以逆序的方式读出存储的倒数第二个信号，如此逆序读至第一个信号后，再以顺序的方式读出存储的信号，读至最后一个信号时再变为逆序读取，这样通过循环读取的方式来构成一种新信号。设r(t)是接收到的中频信号，r_reverse(t)是该中频信号的逆序形式，送入环路处理的信号为r_fix(t)：

上式中，k表示数据的正逆序标志信号，是信号循环拼接过程中给出的。其概念为：假设接收到的短时突发信号序列为r_data1，r_data2至r_data_N。这里规定r_data1，r_data2至r_data_N即为接收信号的正序形式，r_data_N，r_dataN-1,至r_data1即为接收信号的逆序形式。由于r_fix(t)在拼接过程中是接收信号正序形式、逆序形式循环构成的。这里定义当k为1时，送入环路的信号为r(t)即接收信号的正序形式，当k为0时，送入环路的信号为r_reverse(t)即信号的逆序形式。如此将接收到的信号通过循环读取的方式来保证相位的连续性，待本地载波恢复至与接收载波一致时，再开始进行后续信号处理的工作。

2.本地NCO频率控制字更新方法：作为科斯塔斯环中的载波NCO(用来产生本地正余弦信号)在得到环路滤波器输出的相位误差后将产生一个新的频率控制字。当环路输入数据为正序时，新的频率控制字为基础频率控制字加上环路滤波器的输出，而当环路输入数据为逆序时，相位的改变方向变反了，原来超前的相位现在滞后了，而滞后的相位变超前了，所以此时新的频率控制字应为基础控制频率字减去环路滤波器的输出。

上式中，Pinc₀表示本地NCO的基础频率控制字，Pinc_adj表示鉴相误差通过环路滤波后得到的结果。

3.频率控制字修正方式：当接收到信号时，环路开始工作，载波NCO根据收到的频率控制字来产生对应频率的正余弦信号。在得到更新后的频率控制字Pinc_new后，往往需要对其进行进一步修正。当进入环路的数据为正序时，本地NCO频率控制字为正，其产生的正余弦相位往前不断增加；但当进入环路的数据为逆序时，输入数据携带的相位信息相当于开始往回退，若此时本地正余弦相位仍持续增加，显然不能与输入数据的相位相对应。因此，本发明将原本的频率控制字取负后作为新的频率控制字，这样每次产生的正余弦相位也向之前回退，刚好与此时进入环路的数据相位也在回退对应。

修正后的结果Pinc即为最终送入载波NCO的频率控制字端口的值。

由于该方案是在ISE14.7开发工具上利用VerilogHDL语言编写的，下面将从Verilog语言的角度来对该方案进行描述。

整个处理系统的结构如图一，数据r(t)先进行存储和拼接，然后将拼接后的信号r_fix(t)送入锁相环环路处理，同时送给环路一个拼接后信号的正序逆序标志k信号。

假设进入环路的信号r_fix(t)表达式如下：

式中，A为信号的幅度，ω为信号的载波中心频率，表示调制信息，θ表示信号的初始相位信息，n表示噪声信号。

图1中的虚线框图内部是经典的科斯塔斯环环路结构，在该结构中，本地NCO用来产生相互正交的sin、cos支路数据：

I(t)＝2cos(ω₀t) (5)

Q(t)＝2sin(ω₀t) (6)

将拼接后数据r_fix(t)与I(t)、Q(t)相乘后得到：

再将两路相乘后的结果分别通过低通滤波器后得到：

将得到的两路基带数据相乘后(这里忽略噪声的影响)可得到：

当α很小时，可知sin(α)≈α，由此可得到鉴相误差将此鉴相结果通过环路滤波器滤出高频分量后反馈给本地NCO完成本地载波频率的调整，这样本地载波频率不断调整，最终使本地载波与接收载波一直达到相干解调的目的。

假设接收到的信号为r_data，共有N点经采样后的接收信号即r_data1到r_dataN。在ISE中，可以调用RAM核对接收到的数据进行存储，每一点数据都对应RAM里的一个地址。所以可以通过改变读取地址的顺序来改变数据的正序或逆序。这样最终进入到载波环的数据如图2所示：第一段是接收到的所有信号即r_data1到r_dataN，第二段则是第一段除了最后一个数据之外的数据逆序即r_dataN-1到r_data1，第三段又变为接收到数据的正序形式即r_data2到r_dataN，如此正序、逆序循环下去，保证了相位的连续性，直至载波环载波跟踪稳定后，再从正序数据段r_data1开始进行后续的信号处理。

在硬件实现中，可以通过调用ISE里的DDS Ip核来实现本地NCO产生正余弦信号的功能。该DDS核主要核根据各个正余弦波相位计算好对应的正余弦值，并将相位作为地址存储该相位的正余弦值，构成一个查找表。在系统时钟的控制下，由相位累加器对输入频率字不断累加，得到以该频率字为步进的数字相位，再通过相位相加模块进行初始相位偏移，得到要输出的当前相位，然后将该相位值作为地址通过查表获得正余弦信号样本。

参照图3，频率控制字Pinc的大小决定着每次查表步进的相位间隔。如当前时刻，查找表的地址(即正余弦信号的相位)为Phase2，由于相位间隔为M(即Pinc＝M)，所以在下一时刻，查找表的地址变为了PhaseM+2，如此影响着输出正余弦信号的频率。在频率控制字量化的二进制位数为N，DDS工作时钟为f_clk的情况下，其输出频率

值得注意的是当环路输入数据为正序时，新的频率控制字Pinc_new为基础频率控制字Pinc₀加上环路滤波器的输出Pinc_adj，而当环路输入数据为逆序时，相位的改变方向变反了，原来超前的相位现在滞后了，而滞后的变超前了，所以此时新的频率控制字应为基础控制频率字减去环路滤波器的输出。

此外，当进入环路的数据为正序时，本地NCO频率控制字为正，每次产生的正余弦相位不断增加如左侧箭头所示；但当进入环路的数据为逆序时，输入数据携带的相位信息相当于开始往回退，若此时本地正余弦相位仍持续增加，显然不能与输入数据的相位相对应。

因此，这里需要对得到的Pinc_new进行修正。本发明将原本的频率控制字Pinc_new取负后作为新的频率控制字Pinc，这样每次产生的正余弦相位也向之前回退，如右侧箭头所示，刚好与此时进入环路的数据相位也在回退对应。

为了验证该方案的可行性，以中频BPSK信号为例。该中频信号载波频率f₀＝50.05MHz，其多普勒频偏f_do_ppler＝50KHz，用于调制的数据数率为R_data＝40MHz，整个接收端的采样时钟f_clk＝200MHz，接收到的有效数据长度为150个采样点，此时本地NCO的基础频率控制字Pinc₀对应产生的频率为50MHz。下面利用ModelSim软件进行仿真验证。

该方案载波未同步时仿真波形见图4，其中，r_data为接收到的中频BPSK信号，其存在时间很短。r_data_fix是r_data经过存储及拼接后构成的信号，它由不断正序、逆序的r_data构成，与之相标志的信号为state_data。当state_data为正时，表示此时r_data_fix为正序的r_data信号；当state_data为负时，表示此时r_data_fix为逆序的r_data信号。ddc_out_i,ddc_out_q信号分别为r_data_fix信号经混频低通滤波后的I支路与Q支路信号。

由理论可知，当多普勒频偏被科斯塔斯环补偿时，下变频后I支路的幅值应比Q支路的幅值大很多。参照图四中的竖线左侧波形图，在信号r_data的存在时间很短的情况下，载波环并没有很快的捕获速度能将频偏补偿，而是正处于捕获中的状态。即使在信号结束时，I支路的幅值也远小于Q支路幅值，并没能稳定下来。可见，传统的锁相环结构对长度很短的信号是来不及稳定下来的。

采用本方案，持续以正逆序的方式利用接收到的数据信息，参照图5，可以看出在循环利用三次利用r_data信号后(图中竖线时刻)，I支路的幅值明显已经比Q支路幅值高出很多，载波环已趋去稳定。

可以看出，在通过循环利用正逆序r_data信息的情况下，保证了进入载波环路信号的相位连续性，可以使环路继续工作，同时本地NCO的频率控制字也与正逆序标志信号配合着改变，最终可以使环路稳定下来，这样在本地载波与接收载波一致时，可以再对接收到的信号进行相应的信号处理，以此达到相干解调的目的。

本发明主要是基于短时突发信号的以锁相环方式来实现载波同步的通信技术，克服了在接收信号持续时间很短的情况下锁相环环路达不到稳定的问题以及处理接收信号时造成的相位不连续性问题，可以有效地利用接收信号数据来达到载波同步的目的。可以为以相干解调方式来实现对短时突发通信的载波同步提供一种很好的思路和方案，而且适应的信号也不止局限于BPSK信号，载波环也不止局限于科斯塔斯环。对于不同调制方式的信号，不同的锁相环环路，由于本地NCO产生正余弦信号的原理都是一样的，在保证相位连续性的基础上，都可以采取该循环拼接接收信号的思路来实现相干解调的目的。

Claims (4)

1.一种基于信号正逆序循环拼接的短时突发通信载波同步方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)存储接收到的短时突发中频信号，对存储的中频信号进行循环拼接构成一种新信号；在循环拼接该新信号的过程中，产生一个正逆序标志信号代表该新信号的特征，该正逆序标志信号送给后面的环路做处理；

(2)将经过循环拼接后的新信号与本地NCO产生的正余弦载波相乘，相乘的结果分别通过两路低通滤波器滤出高频分量，得到两路基带信号；

(3)将两路基带信号相乘得到相位误差，并将相位误差结果送入环路滤波器；

(4)将环路滤波器的输出与正逆序标志信号结合起来，来更新频率控制字；

(5)在得到更新后的频率控制字后，利用正逆序标志信号来对该更新后的频率控制字进行修正；将修正后的结果作为最终送入NCO频率控制字端口的值。

2.根据权利要求1所述的短时突发通信载波同步方法，其特征在于步骤(1)中所述的存储以及循环拼接方法为：

设r(t)是接收到的短时突发信号，将接收到的短发突发信号存储下来；当所有信号已经存储完成后，通过读取地址的方式将存储的信号从头开始读出来；当读出最后一个信号后，再以逆序的方式读出存储的倒数第二个信号，如此逆序读至第一个信号时，再以顺序的方式读出存储的信号，读至最后一个信号时再变为逆序读取，这样通过循环读取的方式来构成一种新信号；当发现载波同步已同步时，停止循环，使循环拼接后的新信号最后一段为正序形式的接收数据；

设r_reverse(t)是该中频信号的逆序形式，则经过循环拼接后得到的新信号r_fix(t)为：

上式中，k表示数据的正逆序标志信号，当k为1时，送入环路的信号为r(t)即接收信号的正序形式，当k为0时，送入环路的信号为r_reverse(t)即信号的逆序形式。

3.根据权利要求1所述的短时突发通信载波同步方法，其特征在于步骤(4)中所述的频率控制字更新方法为：

载波NCO最初由一个基础频率控制字来确定其产生的正余弦信号频率，后面每次接收到一次环路滤波器的输出时产生一个新的频率控制字Pinc_new；

当环路输入数据即经循环拼接得到的新信号为正序时，新的频率控制字为基础频率控制字加上环路滤波器的输出，当新信号数据为逆序时，此时新的频率控制字为基础频率控制字减去环路滤波器的输出；

上式中，Pinc₀表示本地NCO的基础频率控制字，Pinc_adj表示鉴相误差通过环路滤波后得到的结果。

4.根据权利要求1所述的短时突发通信载波同步方法，其特征在于步骤(5)中所述的频率控制字修正方法为：

在得到更新后的频率控制字Pinc_new后，本地NCO的相位改变方向应与r_fix(t)的相位改变方向相同，对Pinc_new进行修正，设修正后的结果为Pinc：

式中，Pinc即为最终送入载波NCO的频率控制字端口的值。