CN108494714A - 一种快速克服多普勒频移的gmsk相干解调的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种针对快速克服多普勒频移的GMSK信号的载波恢复与时钟同步的方法包括：简易接收机主要结构平方环的设计，包括鉴相器模块，环路滤波器模块，数字压控振荡器模块。同时为了提高锁定速度，对GMSK信号进行载波频率估计，获取粗略载波频率，再通过锁相环锁定，有效的缩短了锁定时间，同时提高了锁定后输出信号的稳定性能。本发明提出的改进平方环结构，提升了相位误差获取的精确度，是锁相环工作更加稳定，本方法用于航天测控与深空通信领域，能够很好的满足通信需求标准。

Description

一种快速克服多普勒频移的GMSK相干解调的方法

技术领域

本发明涉及深空通信技术领域，具体是一种快速克服多普勒频移的GMSK相干解调的方法。

背景技术

近些年来我国航天事业发展突飞猛进，进而对航天通信的要求也越来越高，包括通信数据速率的提高，通信频带的变宽，这也带来了一个很显著的问题就是频带资源有限，不能无限制的增加通信信号频谱宽度，这样也会造成信号传输质量的下降。考虑到有限的通信频谱资源和人们日趋庞大的通信容量之间的矛盾，未来的调制方式将相具有良好频谱特性、同时具有较高的带宽效率的方向发展。

高斯最小频移键控(GMSK)调制是一种特殊的连续相位调制(CPM)。高斯最小频移键控(GMSK) 作为最小频移键控(MSK)的改进型调制方法，具有包络恒定且功率谱密度集中的优点,带外衰减很快，具有很高的带宽效率。在GSM系统、军用超短波电台及其他民用领域中得到广泛应用。随着航天测控技术标准向CCSDS的方向发展，高斯最小频移键控(GMSK)调制技术以其优越的频谱特性，正成为航天测控通信方式的首选。

高斯最小频移键控(GMSK)解调方式包括非相干解调与相干解调，非相干解调不需要进行载波恢复，接收机设计较为简单，但是解调性能一般。相干解调需要进行载波恢复与时钟同步，接收机设计较为复杂，但是解调性能相较更好，适合深空通信与航天测控。

在深空通信与航天测控中，高斯最小频移键控(GMSK)调制信号的相干解调同样面临一个问题就是由于GMSK信号在航空器与地面接受机的传输中，由于高速的相对运动会造成多普勒频移现象的出现，这很大程度的影响了解调效果。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，而提供一种快速克服多普勒频移的GMSK相干解调的方法，该方法实现在较短时间内完成频率估计，并通过锁相环锁定载波频率从而恢复相干载波与时钟信号的同步。

实现本发明目的的技术方案如下：

一种快速克服多普勒频移的GMSK相干解调的方法，具体包括如下步骤：

1)载波频率预估计：输入GMSK调制信号经频率估计模块进行快速FFT计算，获取预估计的载波频率，使得进入锁相环电路的接收信号与本地载波频率之差限制在一个较小的范围；

2)相干载波恢复：输入信号经过平方处理后，在数字平方环结构中，通过鉴相器获取输入信号与数字压控振荡器产生的本地载波的误差，用以修正本地载波相位，并最终达到相位锁定的相干载波输出信号；

3)时钟同步：通过数字平方环的锁定获取载波频率值f_c与0.25倍信息速率(1/4T_b)，通过三角函数计算获取离散频率为f_H和f_L的信号，相乘并通过低通滤波器获取时钟信号；

4)相干解调：通过获取平方环锁定相干载波与输入GMSK调制信号相乘，获取GMSK基带信号，时钟信号对GMSK基带信号重采样进行码元判决，恢复传输码元。

步骤1)中所述的频率预估计，是通过频率估计获取本地载波频率值，用来控制数字平方环结构中数字压控振荡器(NCO)初始频率字值的设定。

步骤2)所述的数字平方环结构，包括数字鉴相器，环路滤波器，数字压控振荡器，通过频率估计模块获取的本地载波的频率值控制(NCO)输出的本地载波，改进数字鉴相器功能实现，通过NCO输出本地载波的I路与Q路信号，经过三角函数计算获取两个离散频率f_H和f_L的2倍频信号的正交与同相分量分别为cos 4πf_Ht、sin 4πf_Ht、cos 4πf_Lt、sin 4πf_Lt，经过反正切计算获取鉴相误差，与输入信号的平方通过乘法器输出，经低通滤波器滤出，进入环路滤波器，并将环路滤波器输出值反馈至NCO，最终实现环路锁定，输出相干载波。

步骤3)中，所述的f_H和f_L，为GMSK调制信号中的两个离散频率分量，设GMSK信号中每个码元周期的频率变化为f＝f_c±t/4T_b，令f_H＝f_c+t/4T_b，f_L＝f_c-t/4T_b，T_b为码元周期，f_c为载波频率，nT_b＜＜t＜＜(n+l)T_b。

步骤4)中所述的相干解调，是通过步骤1)、步骤2)和步骤3)获取的相干载波信号与输入信号通过乘法器，并低通滤波获取GMSK基带信号，通过时钟信号对GMSK基带信号进行判决，解调出传输码元。

和现有技术相比，本发明具有如下特点：

(1)本发明采用改进的数字平方环结构，能够实现载波的快速恢复，锁定时间短，同时稳态波动范围小。

(2)本发明通过前期的频率估计，可以使数字平方环结构工作在相对较小的频率误差范围内，从而提升该方案对大频偏锁定速度，减小锁定时间。

附图说明

图1为GMSK调制信号载波频率预估计流程图；

图2为GMSK调制信号载波恢复与时钟同步的数字平方环结构框图；

图3为GMSK调制信号相干载波恢复的流程图；

图4为改进平方环FPGA设计结构图；

图5为GMSK调制信号时钟信号提取的流程图；

图6为GMSK调制信号载波恢复与时钟同步的ModelSim仿真输出图；

图7为GMSK调制信号的相干解调图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步阐述，但不是对本发明的限定。

一种快速克服多普勒频移的GMSK相干解调的方法，具体包括如下步骤：

1)载波频率预估计：输入GMSK调制信号，通过频率估计模块进行快速FFT计算获取输入 GMSK调制信号的载波频率f_c的估计值；

2)相干载波恢复：输入信号经过平方处理后，在数字平方环结构中，通过鉴相器获取输入信号与数字压控振荡器产生的本地载波的误差，用以修正本地载波相位，并最终达到相位锁定的相干载波输出信号。

3)时钟同步：通过数字平方环的锁定获取载波频率值f_c与0.25倍信息速率(1/4T_b)，通过三角函数计算获取离散频率为f_H和f_L的信号，相乘并通过低通滤波器获取时钟信号。

4)相干解调：通过获取平方环锁定相干载波与输入GMSK调制信号相乘，获取GMSK基带信号，时钟信号对GMSK基带信号重采样进行码元判决，恢复传输码元。

步骤1)中所述的频率预估计，是通过频率估计获取本地载波频率值，用来控制数字平方环结构中数字压控振荡器(NCO)初始频率字值的设定。

步骤2)所述的数字平方环结构，包括数字鉴相器，环路滤波器，数字压控振荡器，通过频率估计模块获取的本地载波的频率值控制(NCO)输出的本地载波，改进数字鉴相器功能实现，通过NCO输出本地载波的I路与Q路信号，经过三角函数计算获取两个离散频率f_H和f_L的2倍频信号的正交与同相分量分别为cos 4πf_Ht、sin 4πf_Ht、cos 4πf_Lt、sin 4πf_Lt，经过反正切计算获取鉴相误差，与输入信号的平方通过乘法器输出，经低通滤波器滤出，进入环路滤波器，并将环路滤波器输出值反馈至NCO，最终实现环路锁定，输出相干载波。

步骤3)中，所述的f_H和f_L，为GMSK调制信号中的两个离散频率分量，设GMSK信号中每个码元周期的频率变化为f＝f_c±t/4T_b，令f_H＝f_c+t/4T_b，f_L＝f_c-t/4T_b，T_b为码元周期，f_c为载波频率，nT_b＜＜t＜＜(n+1)T_b。

步骤4)中所述的相干解调，是通过步骤1)、步骤2)和步骤3)获取的相干载波信号与输入信号通过乘法器，并低通滤波获取GMSK基带信号，通过时钟信号对GMSK基带信号进行判决，解调出传输码元。

实施例：

根据MSK调制的特点，每个码元周期相位变化为±πt/2T_b(T_b是码元周期)，那么GMSK信号中每个码元周期的频率变化为：

f＝f_c±t/4T_b (1)

f_L＝f_c-t/4T_b (2)

f_H＝f_c+t/4T_b (3)

其中nT_b≤t≤(n+1)T_b，f_c为载波频率。

假设输入信号为：n(t)为噪声。

如图1所示输入信号经过平方处理：

其中θ₀(t)＝±πt/2T_b。

由式(4)可知，平方后的信号存在的离散频率成分为2f_L和2f_H。如图1所示输入信号平方后，通过FFT计算获取离散频率成分2f_L和2f_H，通过计算获取载波f_c的频率值用来作为环路中压控振荡器的初始值。

如图2所示鉴相器设计，数控振荡器有两个，分别产生中心频率为f_c、0.25f_b的信号，其中f_c是载波的中心频率，f_b是传输符号定时的频率。将这两个数控振荡器的瞬时相位进行数学运算，分别得到f_L和f_H的瞬时相位θ_L和θ_H，即θ_L＝θ_c-θ_b，θ_H＝θ_c+θ_b。根据瞬时相位，分别产生2f_L和2f_H的同相与正交信号分量：

将式(5)、式(6)所表示的信号分别与式(4)相乘、低通滤波以及三角函数运算，分别获得数控振荡器产生的信号与接收信号平方以后包含的离散频率2f_L和2f_H的相位误差[2θ_L]_e和[2θ_H]_e。然后将这两个相位误差进行运算，得到恢复载波的相差和传输符号定时的相差，即：

如图2所示，环路滤波器主要是确定环路滤波器的比例因子K_L和积分因子K_I的数值进行累加运算用以调整输入频率字，修正本地载波频率与相位。

如图3所示相干载波输出，通过图1进行载波频率预估计，获取数字压控振荡器(NCO)输入频率值初始值，通过载波频偏估计相进入锁相环路的接收信号与本地振荡器频率之差限制在一个较小范围之内，便于锁相环路快速捕获。从而快速锁定相干载波。

如图4所示，FPGA实现鉴相器的改进，载波恢复的I路与Q路信号，通过运算获取f_H与f_L的 2倍频信号的正交与同相分量cos 4πf_Ht、sin 4πf_Ht、cos 4πf_Lt、sin 4πf_Lt与输入信号的平方送入乘法器，经低通滤波之后，通过Cordic算法在FPGA中实现反正切计算，可以获取更加精准的离散频率2f_L和2f_H的相位误差[2θ_L]_e和[2θ_H]_e。

如图5所示，由图2的平方环结构锁定，获取中心频率为f_c、0.25f_b的信号，通过三角函数运算，获得中心频率为2f_L和2f_H的信号，将两个信号相乘并通过低通滤波器，最后脉冲形成，时钟信号恢复。

如图6所示，PFGA程序设计完毕实现ModelSim仿真，实现锁相环稳定在，准确提取相干载波，和时钟同步，本仿真采样率为50MHz，载波频率为10M，频率偏移150KHz，信息速率为1MHz，图7中f_c即为频率估计模块确定的载波频率字，通过该值确定相干载波初始输出，随后与输入 GMSK信号进入鉴相器获取鉴相误差，通过环路滤波器模块，最终修整本地载波，并达到环路稳定，锁定后动态波动范围小。根据图7可以观察，环路锁定时间约为0.02秒，b_clk为提取的时钟信号为1MHz，frequency_df_c为载波频率字补偿并使环路稳定载波频率收敛，成功恢复相干载波，能够实现快速锁定的目标。

如图7所示最终有前面步骤获取的相干载波与时钟信号，实现GMSK信号的相干解调并输出码元。

Claims (5)

1.一种快速克服多普勒频移的GMSK相干解调的方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

1)载波频率预估计：输入GMSK调制信号经频率估计模块进行快速FFT计算，获取预估计的载波频率；

2)相干载波恢复：输入信号经过平方处理后，在数字平方环结构中，通过鉴相器获取输入信号与数字压控振荡器产生的本地载波的误差，用以修正本地载波相位，并最终达到相位锁定的相干载波输出信号；

3)时钟同步：通过数字平方环的锁定获取载波频率值f_c与0.25倍信息速率(1/4T_b)，通过三角函数计算获取离散频率为f_H和f_L的信号，相乘并通过低通滤波器获取时钟信号；

4)相干解调：通过获取平方环锁定相干载波与输入GMSK调制信号相乘，获取GMSK基带信号，时钟信号对GMSK基带信号重采样进行码元判决，恢复传输码元。

2.根据权利要求1所述的一种快速克服多普勒频移的GMSK相干解调的方法，其特征在于，步骤1)中所述的频率预估计，是通过频率估计获取本地载波频率值，用来控制数字平方环结构中数字压控振荡器(NCO)初始频率字值的设定。

3.根据权利要求1所述的一种快速克服多普勒频移的GMSK相干解调的方法，其特征在于，步骤2)所述的数字平方环结构，包括数字鉴相器，环路滤波器，数字压控振荡器，通过频率估计模块获取的本地载波的频率值控制(NCO)输出的本地载波，改进数字鉴相器功能实现，通过NCO输出本地载波的I路与Q路信号，经过三角函数计算获取两个离散频率f_H和f_L的2倍频信号的正交与同相分量分别为cos4πf_Ht、sin4πf_Ht、cos4πf_Lt、sin4πf_Lt，经过反正切计算获取鉴相误差，与输入信号的平方通过乘法器输出，经低通滤波器滤出，进入环路滤波器，并将环路滤波器输出值反馈至NCO，最终实现环路锁定，输出相干载波。

4.根据权利要求1所述的一种快速克服多普勒频移的GMSK相干解调的方法，其特征在于，步骤3)中，所述的f_H和f_L，为GMSK调制信号中的两个离散频率分量，设GMSK信号中每个码元周期的频率变化为f＝f_c±t/4T_b，令f_H＝f_c+t/4T_b，f_L＝f_c-t*4T_b，T_b为码元周期，f_c为载波频率，nT_b＜＜t＜＜(n+1)T_b。

5.根据权利要求1所述的一种快速克服多普勒频移的GMSK相干解调的方法，其特征在于，步骤4)中所述的相干解调，是通过步骤1)、步骤2)和步骤3)获取的相干载波信号与输入信号通过乘法器，并低通滤波获取GMSK基带信号，通过时钟信号对GMSK基带信号进行判决，解调出传输码元。