CN109831402B - 16apsk信号载波相位同步及其判锁定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出的一种16APSK信号载波相位同步及其判锁定方法，旨在提供一种能够减少16APSK的相位模糊数目，降低解调器后续处理复杂度的方法。本发明通过下述技术方案予以实现：在16APSK载波同步中，首先硬判决模块根据载波同步输出信号得到解调星座点的硬判决值，其次鉴相器根据载波同步输出信号和解调星座点的硬判决值之间的角度差，提取相位误差信号，并通过环路滤波器对相位误差信号进行平滑滤波，然后压控振荡器NCO根据环路滤波器的输出信号，以及在16APSK载波同步判锁定支路联合判决模块输出的相位偏移指示产生相应的相位补偿值，最后，载波同步输入信号根据相位补偿值进行相位补偿，得到载波同步输出信号。
Description
技术领域
本发明涉及卫星通信领域，特别是高速卫星通信中高阶调制的载波同步方法，具体涉及一种适用于16APSK的载波同步及其判锁定方法。
背景技术
随着卫星通信的不断发展，卫星通信业务不断拓展，需要传输的数据量需求不断增加，这使得在有限频谱资源下，必须使用频谱效率高的调制方式。由于卫星信道是典型的非线性信道，相比低阶调制方式，高阶调制信号会面临更严重的信号非线性失真。传统的高阶QAM调制(如16QAM)星座幅度较多，对信道的非线性非常敏感。16APSK体制又称为星型16QAM，不同于一般的QAM信号，它的星座图是由内外2个圆圈组成，其中内圈有4个星座点，外圈有12个星座点，通过这样的星座设计，可以减少信号的幅度变化，更易于对放大器的非线性进行补偿，适应线性特性不好的传输信道，以获得更高的频谱利用率，也有利于降低解调难度。由于圆形星座点组成的16APSK，具有种类更少的幅度，在经过非线性信道时产生的失真相对较小，更适合于卫星信道的数据传输，因此成为了DVB-S2标准所采用的高阶调制方式。
所谓同步是指收发双方在时间上步调一致，同步是一种信息，按照传输同步信息方式的不同，可分为外同步法和自同步法。外同步法由发送端发送专门的同步信息，接收端把这个专门的同步信息检测出来作为同步信号的方法，称为外同步法。发送端不发送专门的同步信息，接收端设法从收到的信号中提取同步信息的方法，称为自同步法。由于外同步法需要传输独立的同步信号，因此，要付出额外功率和频带，在实际应用中，二者都有采用。在载波同步中，采用两种同步方法，而自同步法用的较多。无论采用哪种同步方式，对正常的信息传输来说，都是必要的，只有收发之间建立了同步才能开始传输信息。同步误差小、相位抖动小以及同步建立时间短、保持时间长等为其主要指标，它是系统正常工作的前提，否则就会使数字通信设备的抗干扰性能下降，误码增加。如果同步丢失或失步，将会使整个系统无法工作。载波同步的方法通常有直接法(自同步法)和插入导频法(外同步法)两种。直接法可分为:非线性变换—滤波法和特殊锁相环法。通常采用的特殊环路有同相—正交环、逆调制环、判决反馈环和基带数字处理载波跟踪环等。对载波同步的要求是：发送载波同步信息所占的功率尽量小，频带尽量窄，同步误差小。因为它将直接影响相干解调的性能,不仅会引起信噪比的下降,而且可能引起信号波形的畸变,使误码率增大。载波同步在通信系统中是完成相干解调的基础之一，是实现相干解调的先决条件。要实现相干解调必须有相干载波。因此载波同步是实现相干解调的先决条件，是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。任何两个独立的振荡器都是不同步的、即便发射机和接收机使用的两个独立振荡器是同步的电磁波在信道中的传播，也会引起对接收机来说是未知的相位变化比如行程相位差。在信号的传播过程中，信道特性的快速变化、接收端时钟和发送端时钟不同步、运动产生的多普勒频移等都导致了接收端接收到的信号频谱偏离了中心点，这样就会导致下变频后的基带信号产生一个随机变化的频偏，而信号在传输过程会引入随机相位抖动，这样接收端的基带信号就不可避免的存在频偏和相偏，导致信号解调之前存在随机相位误差。纠正接收端与发射端的频偏和相偏是信号解调的前提，也是载波同步的目标。同步建立时间即为失去同步后重建同步所需的最长时间。通常要求同步建立的时间要短。同步保持时间当同步建立后，一旦输入信号中断，由于收发双方的固有位定时重复频率之间总存在频差Δf，接收端同步信号的相位就会逐渐发生漂移，时间越长，相位漂移越大，直至漂移量达到某一准许的最大值，就算失步了。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的不足之处，提供一种性能优异，能够减少16APSK的相位模糊数目，用反馈环路恢复16APSK信号的载波相位同步方法，尤其是适用于16APSK的载波同步及其判锁定方法。
本发明的上述目的可以通过以下措施来达到。一种16APSK信号载波相位同步及其判锁定方法，具有如下技术特征：
在16APSK载波同步中，首先硬判决模块根据载波同步输出信号得到解调星座点的硬判决值，其次鉴相器根据载波同步输出信号和解调星座点的硬判决值之间的角度差，提取相位误差信号，并通过环路滤波器对相位误差信号进行平滑滤波，然后压控振荡器NCO根据环路滤波器的输出信号，以及在16APSK载波同步判锁定支路联合判决模块输出的相位偏移指示产生相应的相位补偿值，最后，载波同步输入信号根据相位补偿值进行相位补偿，得到载波同步输出信号。
本发明相比于现有技术的有益效果是：
实施方案相对简单，性能优异。本发明采用反馈环路恢复16APSK信号，硬判决模块对载波同步输入信号分别进行外圈和内圈的锁定函数值计算，然后分别进行平滑滤波，并分别根据外圈和内圈各自的判决门限进行判决，若大于判决门限，则为锁定状态，否则为失锁状态；将外圈和内圈锁定判决结果送入联合判决模块，联合判决模块根据内圈和外圈的锁定状态输出锁定指示，同时给出联合内环和外环的载波同步判锁定，通过数字控制振荡器NCO根据环路滤波器的输出以及判锁定支路的结果产生相应的相位补偿值，输出载波同步信号，通过内环、外环联合判锁定，减少了16APSK的相位模糊数目，由原来的12种相位模糊减少至4种，降低了解调器后续处理的复杂度。
本发明适用于16APSK调制体制，通过简单的修改，可兼容QPSK调制、8PSK调制以及32APSK调制，特别适用于采用DVB-S2标准的通信系统。
附图说明
图1是本发明16APSK信号载波相位同步及其判锁定流程示意图。
图2为采用二阶比例积分环路滤波器。
图3为16APSK星座点。
图4为外环存在相位模糊时的16APSK星座点。
图5为采用本发明后不同信噪比(EbN0)下内环锁定的仿真图。
图6为采用本发明后不同信噪比(EbN0)下外环锁定的仿真图。
图7为载波同步前的星座点仿真图。
图8为采用本发明后载波同步后的星座点仿真图。
下面结合附图和实施实例对本发明进一步说明。
具体实施方式
参阅图1。根据本发明，在16APSK载波同步中，首先硬判决模块根据载波同步输出信号得到解调星座点的硬判决值，其次鉴相器根据载波同步输出信号和解调星座点的硬判决值之间的角度差，提取相位误差信号，并通过环路滤波器对相位误差信号进行平滑滤波，然后压控振荡器NCO根据环路滤波器的输出信号，以及在16APSK载波同步判锁定支路联合判决模块输出的相位偏移指示产生相应的相位补偿值，最后，载波同步输入信号根据相位补偿值进行相位补偿，得到载波同步输出信号。
在16APSK载波同步判锁定支路中，首先硬判决模块根据载波同步输出信号得到解调星座点的硬判决值，并得到当前解调星座点在16APSK星座图中是内圈星座点还是外圈星座点，并由锁定函数计算模块采用相应的内圈或者外圈的锁定函数对载波同步输出信号进行计算，得到载波锁定数值，然后平滑滤波模块分别对内圈载波锁定数值和外圈载波锁定数值进行平滑滤波，得到滤波后的内圈载波锁定数值和外圈载波锁定数值。内圈锁定判决模块将滤波后的内圈载波锁定数值和内圈判决门限比较得到内圈锁定状态，若滤波后的内圈载波锁定数值大于内圈判决门限，则输出内圈锁定，否则输出内圈失锁；外圈锁定判决模块将滤波后的外圈载波锁定数值和外圈判决门限比较得到外圈锁定状态，若滤波后的外圈载波锁定数值大于外圈判决门限，则输出外圈锁定，否则输出外圈失锁。最后，联合判决模块根据内圈和外圈的锁定状态，进行联合判决，给出载波同步锁定判决结果。在内圈和外圈均锁定时，则表明载波同步已锁定时，输出载波同步锁定指示，否则输出载波同步未锁定指示；当内圈为失锁状态且外圈为锁定状态时，则表明载波同步存在π/12的相位模糊，由联合判决模块每隔一段时间输出一次相位偏移指示送给压控振荡器NCO，用于产生π/12的相位偏移。
在以下可选的实施例中，在16APSK载波同步中，首先硬判决模块根据载波同步输出信号得到解调星座点的硬判决值。硬判决模块载波同步输出信号用数学符号表示为y(n)＝yI(n)+j×yQ(n)，其中n表示离散时刻，j表示虚数，下标I和Q分别表示实部和虚部，yI(n)表示时刻n时载波同步输出信号的实部，yQ(n)表示时刻n时载波同步输出信号的虚部。解调星座点的硬判决值用数学符号表示为
其中
表示时刻n时解调星座点的硬判决值的实部，
表示时刻n时解调星座点的硬判决值的虚部。其次鉴相器根据载波同步输出信号和解调星座点的硬判决值之间的角度差提取相位误差信号。经过数学推导，鉴相模块在时刻n输出的相位误差信号为
参阅图2，环路滤波器为二阶比例积分环路滤波器，其输入为相位误差信号，输出为平滑载波相位误差，将平滑载波相位误差用数学符号g(n)来表示，则图2所示的二阶比例积分环路滤波器的输入与输出之间的数学关系为g(n)＝g(n-1)+k1[pd(n)-pd(n-1)]+k2pd(n)
其中，g(n)表示时刻n时的平滑载波相位误差，g(n-1)表示时刻n-1时的平滑载波相位误差，pd(n-1)表示时刻n-1时的相位误差信号，k1和k2为二阶比例积分环路滤波器的两个参数。
压控振荡器NCO对环路滤波器输出的平滑载波相位误差进行累加，并根据判锁定支路联合判决模块的输出信号产生相应的相位补偿值，将相位补偿值用数学符号θ(n)来表示，压控振荡器NCO的输入与输出之间的数学关系为
其中，θ(n)为表示时刻n时的相位补偿值，θ(n-1)表示时刻n-1时的相位补偿值，ph_shift_set取值为0或者1，表示是否存在π/12的相位模糊，由载波同步判锁定支路联合判决模块产生,rem()表示求余值函数，对于一个数值z，rem(z,2π)的数学关系为
最后，载波同步输入信号根据相位补偿值进行相位补偿，得到载波同步输出信号。载波同步输入信号用数学符号x(n)＝xI(n)+j×xQ(n)表示，其中xI(n)表示时刻n时载波同步输入信号的实部，xQ(n)表示时刻n时载波同步输入信号的虚部，则载波同步输出信号的数学表达式为y(n)＝x(n)ejθ(n)，其实部yI(n)为yI(n)＝xI(n)cos(θ(n))-xQ(n)sin(θ(n))，其虚部yQ(n)为yQ(n)＝xI(n)sin(θ(n))+xQ(n)cos(θ(n))。
在16APSK载波同步判锁定支路中，首先硬判决模块根据载波同步输出信号得到解调星座点的硬判决值，并得到当前解调星座点在16APSK星座图中是内圈星座点还是外圈星座点。当解调星座点离原点的距离小于内圈和外圈半径和的一半时，则解调星座点为内圈星座点，反之则为外圈星座点。对于内圈星座点和外圈星座点，分别采用不同的锁定函数对载波同步输出信号进行计算，得到载波锁定数值，其中内圈星座点的锁定判决函数为
外圈圈星座点的锁定判决函数为
其中，finner(n)表示时刻n时得到的内圈星座点载波锁定数值，fouter(n)表示时刻n时得到的外圈星座点载波锁定数值。
由于实际系统中噪声的存在，锁定判决函数计算的结果存在较大的抖动，因此需要进行平滑滤波，以提高判决锁定数值的估计精度。锁定数值的平滑滤波用公式表示为
其中，
表示时刻n时平滑滤波后的内圈星座点载波锁定数值，
表示时刻n时平滑滤波后的外圈星座点载波锁定数值，α为权重因子。
内圈锁定判决模块根据平滑滤波后的内圈载波锁定数值和内圈判决门限比较得到内圈锁定状态，若平滑滤波后的内圈载波锁定数值大于内圈判决门限，则输出内圈锁定，否则输出内圈失锁，用数学公示表示为
其中，lockinner(n)表示时刻n时内圈锁定状态，等于1表示锁定，等于0表示失锁。ginner表示内圈锁定判决门限。
外圈锁定判决模块根据平滑滤波后的外圈载波锁定数值和外圈判决门限比较得到外圈锁定状态，若平滑滤波后的外圈载波锁定数值大于外圈判决门限，则输出外圈锁定，否则输出外圈失锁，用数学公示表示为
其中，lockouter(n)表示时刻n时外圈锁定状态，等于1表示锁定，等于0表示失锁。gouter表示外圈锁定判决门限。
最后，联合判决模块根据内圈和外圈锁定状态，进行联合判决，给出载波同步锁定判决结果。当内圈和外圈均锁定时，则表明载波同步已锁定，输出载波同步锁定指示，否则输出载波同步未锁定指示。用数学公示表示为
其中，lock(n)表示时刻n时载波同步锁定判决结果，等于1表示载波同步已锁定，等于0表示载波同步未锁定。同时，联合判决模块根据内圈和外圈锁定状态，给出是否存在π/12相位模糊的指示信号。
参阅图4。当内圈为失锁状态且外圈为锁定状态时，则表明载波同步输出存在π/12的相位模糊，由联合判决模块通过计数，每隔一段时间输出一次相位偏移指示送给压控振荡器NCO，用于产生π/12的相位偏移，用数学公示表示为：
其中，cnt为计数值，每次运算时加1，范围为0～N，即
cnt＝mod(cnt+1,N+1)
其中，mod表示求余，N为整数。
下面给出本发明在工程应用下的实测结果，其中参数如下：符号速率为300Msps，频偏为100KHz，二阶比例积分环路滤波器参数取k1＝2-8，k2＝2-18，平滑滤波的权重因子取α＝2-12，内环判决门限ginner＝0.009，外环判决门限gouter＝0.02，计数范围N＝1000。程序运行0.1毫秒后开启载波同步。
参阅图5和图6。分别给出了不同信噪比(EbN0)下内环和外环的锁定情况，可以看出，打开载波同步后，0.05毫秒以内进入载波同步状态。图7和图8分别给出了载波同步前和载波同步后的星座点，其中信噪比EbN0＝20dB。
以上对本发明实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体实施方式对本发明进行了阐述，以上实施例的说明中，只是用于帮助理解本发明的方法及设备；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书实施例的内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (8)
1.一种16APSK信号载波相位同步及其判锁定方法，具有如下技术特征：
在16APSK载波同步中，首先硬判决模块根据载波同步输出信号得到解调星座点的硬判决值，其次鉴相器根据载波同步输出信号和解调星座点的硬判决值之间的角度差，提取相位误差信号，并通过二阶比例积分环路滤波器对相位误差信号进行平滑滤波，然后压控振荡器NCO对环路滤波器输出的平滑载波相位误差进行累加，根据环路滤波器的输出信号，以及在16APSK载波同步判锁定支路联合判决模块输出的相位偏移指示产生相应的相位补偿值，最后，载波同步输入信号根据相位补偿值进行相位补偿，得到载波同步输出信号；联合判决模块输出的相位偏移指示具体包括，在16APSK载波同步判锁定支路中，硬判决模块根据载波输出信号得到解调星座点的硬判决值，并得到当前解调星座点在16APSK星座图中是内圈星座点还是外圈星座点，对于内圈星座点和外圈星座点，分别采用不同的锁定函数对载波输出信号进行计算，得到载波锁定数值，然后平滑滤波模块分别对内圈载波锁定数值和外圈载波锁定数值进行平滑滤波，得到滤波后的内圈载波锁定数值和外圈载波锁定数值，联合判决模块根据内圈和外圈的锁定状态，进行联合判决，给出载波同步锁定判决结果；在内圈和外圈均锁定时，则表明载波同步已锁定时，输出载波同步锁定指示，否则输出载波同步未锁定指示；当内圈为失锁状态且外圈为锁定状态时，则表明载波同步存在π/12的相位模糊，由联合判决模块每隔一段时间输出一次相位偏移指示送给压控振荡器NCO，用于产生π/12的相位偏移。
2.按权利要求1所述的一种16APSK信号载波同步及其判锁定方法，其特征在于，平滑滤波后，由内圈锁定判决模块将滤波后的内圈载波锁定数值和内圈判决门限比较得到内圈锁定状态，若滤波后的内圈载波锁定数值大于内圈判决门限，则输出内圈锁定，否则输出内圈失锁；外圈锁定判决模块将滤波后的外圈载波锁定数值和外圈判决门限比较得到外圈锁定状态，若滤波后的外圈载波锁定数值大于外圈判决门限，则输出外圈锁定，否则输出外圈失锁。
3.按权利要求1所述的一种16APSK信号载波同步及其判锁定方法，其特征在于，载波同步输出信号用数学符号表示为y(n)＝yI(n)+j×yQ(n)，其中n表示离散时刻，j表示虚数，下标I和Q分别表示实部和虚部，yI(n)表示时刻n时载波同步输出信号的实部，yQ(n)表示时刻n时载波同步输出信号的虚部；解调星座点的硬判决值用数学符号表示为
其中
表示时刻n时解调星座点的硬判决值的实部，
表示时刻n时解调星座点的硬判决值的虚部。
4.按权利要求3所述的一种16APSK信号载波同步及其判锁定方法，其特征在于，鉴相模块在时刻n时输出的相位误差信号为
环路滤波器对相位误差信号进行平滑滤波。
5.按权利要求1所述的一种16APSK信号载波同步及其判锁定方法，其特征在于，环路滤波器为二阶比例积分环路滤波器，其输入为相位误差信号，输出为平滑载波相位误差，将平滑载波相位误差用数学符号g(n)来表示，则二阶比例积分环路滤波器的输入与输出之间的数学关系为g(n)＝g(n-1)+k1[pd(n)-pd(n-1)]+k2pd(n)，式中，g(n)表示时刻n时的平滑载波相位误差，g(n-1)表示时刻n-1时的平滑载波相位误差，pd(n-1)表示时刻n-1时的相位误差信号，k1和k2为二阶比例积分环路滤波器的两个参数。
6.按权利要求1所述的一种16APSK信号载波同步及其判锁定方法，其特征在于，压控振荡器NCO将相位补偿值用数学符号θ(n)来表示，压控振荡器NCO的输入与输出之间的数学关系为
式中，θ(n)为表示时刻n时的相位补偿值，θ(n-1)表示时刻n-1时的相位补偿值，ph_shift_set取值为0或者1，表示是否存在π/12的相位模糊，并由载波同步判锁定支路联合判决模块产生,rem()表示求余值函数，对于一个数值z，rem(z,2π)的数学关系为
最后，载波同步输入信号根据相位补偿值进行相位补偿，得到载波同步输出信号；载波同步输入信号用数学符号x(n)＝xI(n)+j×xQ(n)表示，其中xI(n)表示时刻n时载波同步输入信号的实部，xQ(n)表示时刻n时载波同步输入信号的虚部，则载波同步输出信号的数学表达式为y(n)＝x(n)ejθ(n)，其时刻n时载波同步输出信号的实部yI(n)为yI(n)＝xI(n)cos(θ(n))-xQ(n)sin(θ(n))，其虚部yQ(n)为yQ(n)＝xI(n)sin(θ(n))+xQ(n)cos(θ(n))。
7.按权利要求1所述的一种16APSK信号载波同步及其判锁定方法，其特征在于，对于内圈星座点和外圈星座点，分别采用不同的锁定函数对载波同步输出信号进行计算，得到载波锁定数值，其中内圈星座点的锁定判决函数为
外圈圈星座点的锁定判决函数为
式中，finner(n)表示时刻n时得到的内圈星座点载波锁定数值，fouter(n)表示时刻n时得到的外圈星座点载波锁定数值。
8.按权利要求1所述的一种16APSK信号载波同步及其判锁定方法，其特征在于，当内圈为失锁状态且外圈为锁定状态时，则表明载波同步输出存在π/12的相位模糊，此时，联合判决模块通过计数，每隔一段时间输出一次相位偏移指示送给压控振荡器NCO，用于产生π/12的相位偏移，用数学公示表示为：
每次运算时加1，范围为0～N，cnt＝mod(cnt+1,N+1)其中，cnt为计数值，其中，mod表示求余，N为整数。
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