CN108616478B - 高速数据链中幅度相移键控信号的归一化接收系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高速数据链中幅度相移键控信号的归一化接收系统及方法，首先对接收信号的功率使用一帧数据的平均功率估计进行归一化，然后根据归一化后的信号功率与门限值比较，并以此作为依据对信号的相位乘以不同的因子完成相位归一化，最后对信号采用传统方法提取相位误差、代入锁相环路工作，该方法对信号功率进行归一化判决，该方法工作在锁相环路可以准确接收幅度‑相移键控调制信号，相对于传统方法更准确的提升相位误差提取的准确度，并可以从信号中提取更多的信息量，尤其适用于64阶幅度‑相移键控调制信号。

Description

高速数据链中幅度相移键控信号的归一化接收系统及方法

技术领域

本发明涉及数字无线通信传输技术领域，特别涉及一种高速数据链中幅度相移键控信号的归一化接收系统及方法。

背景技术

在高速测控数据链系统中，可采用高阶幅度-相移键控调制来提升系统频谱效率，例如，无人机数据链对多路高清数据传输或遥感成像数据实时传输。高阶调制信号接收时对解调中载波相位同步的要求比传统调制更高。在载波频率同步、符号定时同步、相位粗同步完成后，由于残留频偏、相位噪声等原因，数据帧内的相位仍有较大的动态变化范围。因此，不能使用突发相位估计算法直接估计出整帧的载波相偏，必须采用锁相环对载波相位变化进行跟踪。

文献“Gaudenzi R,Fabregas A,and Martinez A.Performance analysis ofturbo-coded APSK modulations over nonlinear satellite channels[J],IEEETransactions on Wireless Communications,2006,5(9):2396-2407.”中设计了一种高阶APSK的相位同步方法，针对16APSK、32APSK进行次幂处理：

这种方法对复数进行次幂处理，再提取相位误差，并代入锁相环进行跟踪处理。其中，对16APSK、32APSK信号分别进行Q＝3、4次幂处理，放大了噪声的影响，复数信号次幂处理也显著增大计算复杂度。

文献“徐烽,邱乐德,王宇.APSK长突发信号的动态载波相位跟踪[J].电路与系统学报,2013,18(2):478-481.”结合星座分割思想设计了改进的V&V相位误差检测算法，并通过独特字完成锁相环的解相位模糊。

其中i的值代表星座圆的序号，M_i和μ_i的值根据信号半径设置不同的值，并在文献“徐烽，邱乐德，王宇.APSK信号载波相位的精同步方法[J].重庆邮电大学学报,2013,25(2):281-284”中对32APSK建议M_i取3、4，μ_i取2；在“徐烽,邱乐德,王宇.16-APSK信号NDA鉴相新算法[J].电讯技术,2012,52(10):1614-1618”中对16APSK建议M_i取4、12。另外还在“徐烽,邱乐德,王宇.基于精简星座鉴相的大频偏16-APSK信号载波同步.电子技术应用,2012,38(12):87-93”中选择16-APSK的4个点做载波同步。

这些算法都没有对信号功率归一化处理，在接收解调时常常损失信号性能。另外，随着64APSK、128APSK与256APSK等更高阶调制应用到CCSDS、DVB-S2X等通信标准，提供更高速测控数据链时，需要对64APSK、128APSK与256APSK等高阶幅度-相移键控调制设计有效接收方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种高速数据链中幅度相移键控信号的归一化接收系统及方法，该方法首先对接收信号的功率使用一帧数据的平均功率估计进行归一化，然后根据归一化后的信号功率与门限值比较，并以此作为依据对信号的相位乘以不同的因子完成相位归一化，最后对信号采用传统方法提取相位误差、代入锁相环路工作，该方法对信号功率进行归一化判决，相对于传统方法更准确的提升相位误差提取的准确度，并可以从信号中提取更多的信息量，尤其适用于64阶幅度-相移键控调制信号。

本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：

高速数据链中幅度相移键控信号的归一化接收方法，包括：

接收幅度相移键控信号，计算所述幅度相移键控信号的功率，并进行归一化，得到所述幅度相移键控信号的归一化功率；

将所述幅度相移键控信号的归一化功率与门限值进行比较，得到归一化因子；

根据所述归一化因子和所述幅度相移键控信号的归一化功率，结合所述幅度相移键控信号的相位，得到相位误差函数；

根据所述相位误差函数进行锁相环更新，完成所述幅度相移键控信号的归一化接收。

在上述归一化接收方法中，接收幅度相移键控信号y(n)，计算所述幅度相移键控信号y(n)的功率P(n)，P(n)＝|y(n)|²，并对一帧内N个信号做平均，然后将接收信号y(n)的功率P(n)归一化为P'(n)：

其中：N为一帧内包含的信号个数，为正整数。

在上述归一化接收方法中，将所述幅度相移键控信号的归一化功率P'(n)与门限值P_k.k+1进行比较，得到归一化因子m，其中门限值P_k.k+1＝{(R_k+R_k+1)/2}²，R_k为幅度相移键控信号第k个环上星座点的半径值；R_k+1为幅度相移键控信号第k+1个环上星座点的半径值。

在上述归一化接收方法中，当所述幅度相移键控信号为64APSK信号时，归一化因子m通过如下公式计算得到：

m＝M_k/4，k＝1,…,K，

约束条件：

其中：M_k为64APSK信号的第k个环上星座点的个数；K为64APSK信号的环个数。

在上述归一化接收方法中，根据所述幅度相移键控信号的归一化功率P'(n)与门限值P_k.k+1的关系，得到如下具体的归一化因子m(n)：

在上述归一化接收方法中，根据所述归一化因子m(n)和所述幅度相移键控信号的归一化功率P'(n)，结合所述幅度相移键控信号的相位

得到信号z(n)：

根据信号z(n)得到幅度相移键控信号对应的相位误差函数e(n)：

其中：Im表示求复信号的虚部，Re表示求复信号的实部，sign表示求实数的正负号。

在上述归一化接收方法中，将所述相位误差函数e(n)代入锁相环更新公式，完成所述幅度相移键控信号的归一化接收，其中锁相环更新公式如下：

θ(n)＝θ(n-1)-γe(n)

其中：θ(n)为每个信号的相位纠正值；γ为系数，具体表示为：

γ＝4B_LT/G_θ/(1+2B_LT)；

B_LT为环路带宽，G_θ为鉴相器增益，T为幅度相移键控信号的符号周期。

在上述归一化接收方法中，所述鉴相器增益G_θ为开环特性S曲线在零相位误差处的斜率

所述初始化值θ(1)＝0。

高速数据链中幅度相移键控信号的归一化接收系统，包括归一化功率计算模块、归一化因子计算模块、相位误差函数计算模块和锁相环更新模块，其中：

归一化功率计算模块：接收幅度相移键控信号，计算所述幅度相移键控信号的功率，并进行归一化，得到所述幅度相移键控信号的归一化功率，发送给归一化因子计算模块；

归一化因子计算模块：接收归一化功率计算模块发送的所述幅度相移键控信号的归一化功率，将所述幅度相移键控信号的归一化功率与门限值进行比较，得到归一化因子，发送给相位误差函数计算模块；

相位误差函数计算模块：接收归一化因子计算模块发送的归一化因子，根据所述归一化因子和所述幅度相移键控信号的归一化功率，结合所述幅度相移键控信号的相位，得到相位误差函数，发送给锁相环更新模块；

锁相环更新模块：接收相位误差函数计算模块发送的相位误差函数，根据所述相位误差函数进行锁相环更新，完成所述幅度相移键控信号的归一化接收。

在上述归一化接收系统中，所述归一化功率计算模块接收幅度相移键控信号y(n)，计算所述幅度相移键控信号y(n)的功率P(n)，P(n)＝|y(n)|²，并对一帧内N个信号做平均，然后将接收信号y(n)的功率P(n)归一化为P'(n)，将P'(n)发送给归一化因子计算模块；

其中：N为一帧内包含的信号个数，为正整数。

在上述归一化接收系统中，所述归一化因子计算模块将所述幅度相移键控信号的归一化功率P'(n)与门限值P_k.k+1进行比较，得到归一化因子m，发送给相位误差函数计算模块；其中门限值P_k.k+1＝{(R_k+R_k+1)/2}²，R_k为幅度相移键控信号第k个环上星座点的半径值；R_k+1为幅度相移键控信号第k+1个环上星座点的半径值；

当所述幅度相移键控信号为64APSK信号时，归一化因子m通过如下公式计算得到：

m＝M_k/4，k＝1,…,K，

约束条件：

其中：M_k为64APSK信号的第k个环上星座点的个数；K为64APSK信号的环个数；

归一化因子m(n)具体表示如下：

在上述归一化接收系统中，所述相位误差函数计算模块根据所述归一化因子m(n)和所述幅度相移键控信号的归一化功率P'(n)，结合所述幅度相移键控信号的相位

得到信号z(n)：

根据信号z(n)得到幅度相移键控信号对应的相位误差函数e(n)，发送给锁相环更新模块；

其中：Im表示求复信号的虚部，Re表示求复信号的实部，sign表示求实数的正负号。

在上述归一化接收系统中，所述锁相环更新模块将所述相位误差函数e(n)代入锁相环更新公式，完成所述幅度相移键控信号的归一化接收，其中锁相环更新公式如下：

θ(n)＝θ(n-1)-γe(n)

其中：θ(n)为每个信号的相位纠正值；γ为系数，具体表示为：

γ＝4B_LT/G_θ/(1+2B_LT)；

B_LT为环路带宽，G_θ为鉴相器增益，T为幅度相移键控信号的符号周期。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)、本发明高速数据链中幅度相移键控信号的归一化接收系统及方法首先对接收信号的功率使用一帧数据的平均功率估计进行归一化，然后根据归一化后的信号功率与门限值比较，并以此作为依据对信号的相位乘以不同的因子完成相位归一化，最后对信号采用传统方法提取相位误差、代入锁相环路工作，该方法工作在锁相环路可以准确接收幅度-相移键控调制信号，尤其适用于64阶幅度-相移键控调制信号。

(2)、本发明高速数据链中幅度相移键控信号的归一化接收系统及方法，适用于64APSK调制信号，对信号功率进行归一化判决，相对于传统方法更准确的提升相位误差提取的准确度；

(3)、本发明高速数据链中幅度相移键控信号的归一化接收系统及方法，采用基于归一化因子的相位误差计算方法，可以从64APSK信号提取更多的信息量；

(4)、本发明高速数据链中幅度相移键控信号的归一化接收系统及方法，通过功率归一化和相位归一化两步提取信号相位误差，显著提高解调同步的性能。

附图说明

图1为本发明采用的CCSDS、DVB-S2X标准64APSK；

图2为本发明64APSK的相位恢复抖动方差性能图；

图3为本发明64APSK的相位恢复环路收敛性能图；

图4为本发明高速数据链中幅度相移键控信号的归一化接收系统组成示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：

本发明高速数据链中幅度相移键控信号的归一化接收方法，主要包括如下步骤，以64APSK信号为例：

步骤(一)、将接收的幅度相移键控64APSK信号y(n)计算功率P(n)＝|y(n)|²，并对一帧内N个64APSK信号做平均，然后将接收信号y(n)的功率P(n)归一化为P'(n)，n＝1、2、3……N：

步骤(二)、将步骤(一)得到的接收信号y(n)的归一化功率P'(n)与门限P_k.k+1进行比较，对于64APSK第k个环上星座点的个数M_k，比较得到归一化因子m为:

m＝M_k/4，k＝1,…,K，

约束条件：

其中：M_k为64APSK信号的第k个环上星座点的个数；K为64APSK信号的环个数；约束条件为：每个环上星座点的个数相加之和为64。

门限值定义为P_k.k+1＝{(R_k+R_k+1)/2}²；R_k为幅度相移键控信号第k个环上星座点的半径值；R_k+1为幅度相移键控信号第k+1个环上星座点的半径值。

如图1所示为本发明采用的CCSDS、DVB-S2X标准64APSK；对于64APSK信号，R_k(k＝1,…,4)为64APSK星座点的半径值，由具体CCSDS、DVB-S2X标准给出，对应不同P_k.k+1与信号y(n)的具体归一化因子m(n)为：

步骤(三)、将步骤(一)得到的接收信号y(n)的功率P'(n)，步骤(二)得到的归一化因子m(n)，联合幅度相移键控64APSK信号y(n)的相位

进行处理后得到信号z(n)：

根据信号z(n)得到幅度相移键控64APSK信号y(n)对应的相位误差函数e(n)：

e(n)＝Im{z(n)·[sign(Re(z(n)))-jsign(Im(z(n)))]}

＝Im(z(n))sign(Re(z(n)))-Re(z(n))sign(Im(z(n)))

其中，Im表示求复信号的虚部，Re表示求复信号的实部，sign表示求实数的正负号。

步骤(四)、根据步骤(三)的相位误差函数e(n)进行锁相环更新，即将相位误差函数e(n)代入锁相环更新公式，完成幅度相移键控信号的归一化接收(相位同步)，锁相环更新公式为：

θ(n)＝θ(n-1)-γe(n)，

其中，θ(n)为每个信号的相位纠正值(相位恢复值)；

系数γ与环路带宽B_LT、鉴相器增益G_θ的关系为：

γ＝4B_LT/G_θ/(1+2B_LT)

其中：T为64APSK信号的符号周期，鉴相器增益G_θ为开环特性S曲线在零相位误差处的斜率：

具体地，本发明实施例中，在信噪比SNR＝20dB时G_θ＝2.6；在信噪比SNR＝30dB时，G_θ＝4.6。

具体地，本发明实施例中，初始化值θ(1)＝0。

如图4所示为本发明为本发明高速数据链中幅度相移键控信号的归一化接收系统组成示意图，由图可知本发明归一化接收系统包括归一化功率计算模块、归一化因子计算模块、相位误差函数计算模块和锁相环更新模块，其中：

归一化功率计算模块，接收幅度相移键控信号，计算所述幅度相移键控信号的功率，并进行归一化，得到所述幅度相移键控信号的归一化功率，发送给归一化因子计算模块；

归一化因子计算模块，接收归一化功率计算模块发送的所述幅度相移键控信号的归一化功率，将所述幅度相移键控信号的归一化功率与门限值进行比较，得到归一化因子，发送给相位误差函数计算模块；

相位误差函数计算模块，接收归一化因子计算模块发送的归一化因子，根据所述归一化因子和所述幅度相移键控信号的归一化功率，结合所述幅度相移键控信号的相位，得到相位误差函数，发送给锁相环更新模块；

锁相环更新模块，接收相位误差函数计算模块发送的相位误差函数，根据所述相位误差函数进行锁相环更新，即将所述相位误差函数代入锁相环更新公式，完成所述幅度相移键控信号的归一化接收。

在一可选实施例中，所述归一化功率计算模块接收幅度相移键控信号y(n)，计算所述幅度相移键控信号y(n)的功率P(n)，P(n)＝|y(n)|²，并对一帧内N个信号做平均，然后将接收信号y(n)的功率P(n)归一化为P'(n)，将P'(n)发送给归一化因子计算模块；

其中：N为一帧内包含的信号个数，为正整数。

在一可选实施例中，所述归一化因子计算模块将所述幅度相移键控信号的归一化功率P'(n)与门限值P_k.k+1进行比较，得到归一化因子m，发送给相位误差函数计算模块；其中门限值P_k.k+1＝{(R_k+R_k+1)/2}²，R_k为幅度相移键控信号第k个环上星座点的半径值；R_k+1为幅度相移键控信号第k+1个环上星座点的半径值；

当所述幅度相移键控信号为64APSK信号时，归一化因子m通过如下公式计算得到：

m＝M_k/4，k＝1,…,K，

约束条件：

其中：M_k为64APSK信号的第k个环上星座点的个数；K为64APSK信号的环个数；

归一化因子m(n)具体表示如下：

在一可选实施例中，所述相位误差函数计算模块根据所述归一化因子m(n)和所述幅度相移键控信号的归一化功率P'(n)，结合所述幅度相移键控信号的相位

得到信号z(n)：

根据信号z(n)得到幅度相移键控信号对应的相位误差函数e(n)，发送给锁相环更新模块；

其中：Im表示求复信号的虚部，Re表示求复信号的实部，sign表示求实数的正负号。

在一可选实施例中，所述锁相环更新模块将所述相位误差函数e(n)代入锁相环更新公式，完成所述幅度相移键控信号的归一化接收，其中锁相环更新公式如下：

θ(n)＝θ(n-1)-γe(n)

其中：θ(n)为每个信号的相位纠正值(相位恢复值)；γ为系数，具体表示为：

γ＝4B_LT/G_θ/(1+2B_LT)；

B_LT为环路带宽，G_θ为鉴相器增益，T为幅度相移键控信号的符号周期。

所述鉴相器增益G_θ为开环特性S曲线在零相位误差处的斜率

具体地，本发明实施例中，在信噪比SNR＝20dB时G_θ＝2.6；在信噪比SNR＝30dB时，G_θ＝4.6。所述初始化值θ(1)＝0。

实施例1

将本发明高速数据链中幅度相移键控信号的归一化接收方法的处理结果与理论修正克拉美罗限(MCRB)进行比较。

(1)相位恢复抖动方差性能

由于开环S曲线、鉴相增益G_θ都与信噪比有关，而在工程中难以实时更新系数γ。所以在不同信噪比下统一设鉴相增益为G_θ＝2、3、4。如图2所示为本发明64APSK的相位恢复抖动方差性能图，从相位抖动方差性能看出，在低信噪比下性能变差，仿真结果与MCRB比较，在高信噪比下抖动方差接近MCRB。

(2)相位恢复环路收敛性能

系统环路带宽B_LT＝5×10^-4，此时锁相环捕获跟踪需要约1000个符号，此时设定初始相位偏差为0.1弧度，如图3所示给出了64APSK在不同的鉴相增益G_θ＝2、3、4时锁相环的收敛性能，G_θ较小时锁相环收敛速度加快，这是由于G_θ变小相当于环路带宽增大，故锁相环收敛更快。

相对于传统方法本发明能够更准确的提升相位误差提取的准确度，并可以从信号中提取更多的信息量，显著提高解调同步的性能。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (12)

1.高速数据链中幅度相移键控信号的归一化接收方法，其特征在于：包括：

接收幅度相移键控信号，计算所述幅度相移键控信号的功率，并进行归一化，得到所述幅度相移键控信号的归一化功率；

将所述幅度相移键控信号的归一化功率与门限值进行比较，得到归一化因子；

根据所述归一化因子和所述幅度相移键控信号的归一化功率，结合所述幅度相移键控信号的相位，得到相位误差函数；

根据所述相位误差函数进行锁相环更新，完成所述幅度相移键控信号的归一化接收；

将所述幅度相移键控信号的归一化功率P'(n)与门限值P_k.k+1进行比较，得到归一化因子m，其中门限值P_k.k+1＝{(R_k+R_k+1)/2}²，R_k为幅度相移键控信号第k个环上星座点的半径值；R_k+1为幅度相移键控信号第k+1个环上星座点的半径值。

2.根据权利要求1所述的归一化接收方法，其特征在于：接收幅度相移键控信号y(n)，计算所述幅度相移键控信号y(n)的功率P(n)，P(n)＝|y(n)|²，并对一帧内N个信号做平均，然后将接收信号y(n)的功率P(n)归一化为P'(n)：

其中：N为一帧内包含的信号个数，为正整数。

3.根据权利要求1或2所述的归一化接收方法，其特征在于：当所述幅度相移键控信号为64APSK信号时，归一化因子m通过如下公式计算得到：

m＝M_k/4，k＝1,…,K，

约束条件：

其中：M_k为64APSK信号的第k个环上星座点的个数；K为64APSK信号的环个数。

4.根据权利要求3所述的归一化接收方法，其特征在于：根据所述幅度相移键控信号的归一化功率P'(n)与门限值P_k.k+1的关系，得到如下具体的归一化因子m(n)：

5.根据权利要求2所述的归一化接收方法，其特征在于：根据归一化因子m(n)和所述幅度相移键控信号的归一化功率P'(n)，结合所述幅度相移键控信号的相位

得到信号z(n)：

根据信号z(n)得到幅度相移键控信号对应的相位误差函数e(n)：

其中：Im表示求复信号的虚部，Re表示求复信号的实部，sign表示求实数的正负号。

6.根据权利要求1或5所述的归一化接收方法，其特征在于：将所述相位误差函数代入锁相环更新公式，完成所述幅度相移键控信号的归一化接收，其中锁相环更新公式如下：

θ(n)＝θ(n-1)-γe(n)

其中：θ(n)为每个信号的相位纠正值；γ为系数，具体表示为：

γ＝4B_LT/G_θ/(1+2B_LT)；

B_LT为环路带宽，G_θ为鉴相器增益，T为幅度相移键控信号的符号周期。

7.根据权利要求6所述的归一化接收方法，其特征在于：所述鉴相器增益G_θ为开环特性S曲线在零相位误差处的斜率

初始化值θ(1)＝0。

8.高速数据链中幅度相移键控信号的归一化接收系统，其特征在于：包括归一化功率计算模块、归一化因子计算模块、相位误差函数计算模块和锁相环更新模块，其中：

归一化功率计算模块：接收幅度相移键控信号，计算所述幅度相移键控信号的功率，并进行归一化，得到所述幅度相移键控信号的归一化功率，发送给归一化因子计算模块；

归一化因子计算模块：接收归一化功率计算模块发送的所述幅度相移键控信号的归一化功率，将所述幅度相移键控信号的归一化功率与门限值进行比较，得到归一化因子，发送给相位误差函数计算模块；

相位误差函数计算模块：接收归一化因子计算模块发送的归一化因子，根据所述归一化因子和所述幅度相移键控信号的归一化功率，结合所述幅度相移键控信号的相位，得到相位误差函数，发送给锁相环更新模块；

锁相环更新模块：接收相位误差函数计算模块发送的相位误差函数，根据所述相位误差函数进行锁相环更新，完成所述幅度相移键控信号的归一化接收；

所述归一化因子计算模块将所述幅度相移键控信号的归一化功率P'(n)与门限值P_k.k+1进行比较，得到归一化因子m，发送给相位误差函数计算模块；其中门限值P_k.k+1＝{(R_k+R_k+1)/2}²，R_k为幅度相移键控信号第k个环上星座点的半径值；R_k+1为幅度相移键控信号第k+1个环上星座点的半径值。

9.根据权利要求8所述的归一化接收系统，其特征在于：所述归一化功率计算模块接收幅度相移键控信号y(n)，计算所述幅度相移键控信号y(n)的功率P(n)，P(n)＝|y(n)|²，并对一帧内N个信号做平均，然后将接收信号y(n)的功率P(n)归一化为P'(n)，将P'(n)发送给归一化因子计算模块；

其中：N为一帧内包含的信号个数，为正整数。

10.根据权利要求8或9所述的归一化接收系统，其特征在于：当所述幅度相移键控信号为64APSK信号时，归一化因子m通过如下公式计算得到：

m＝M_k/4，k＝1,…,K，

约束条件：

其中：M_k为64APSK信号的第k个环上星座点的个数；K为64APSK信号的环个数；

归一化因子m(n)具体表示如下：

11.根据权利要求9所述的归一化接收系统，其特征在于：所述相位误差函数计算模块根据归一化因子m(n)和所述幅度相移键控信号的归一化功率P'(n)，结合所述幅度相移键控信号的相位

得到信号z(n)：

根据信号z(n)得到幅度相移键控信号对应的相位误差函数e(n)，发送给锁相环更新模块；

其中：Im表示求复信号的虚部，Re表示求复信号的实部，sign表示求实数的正负号。

12.根据权利要求8、9或11之一所述的归一化接收系统，其特征在于：所述锁相环更新模块将所述相位误差函数代入锁相环更新公式，完成所述幅度相移键控信号的归一化接收，其中锁相环更新公式如下：

θ(n)＝θ(n-1)-γe(n)

其中：θ(n)为每个信号的相位纠正值；γ为系数，具体表示为：

γ＝4B_LT/G_θ/(1+2B_LT)；

B_LT为环路带宽，G_θ为鉴相器增益，T为幅度相移键控信号的符号周期。

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