CN110048759A - 自适应跟踪宽带接收信号环路参数的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种自适应跟踪宽带接收信号环路参数的方法，旨在提供一种运算速度快，同步误差小、并能有效对宽带信号自适应跟踪的方法。本发明通过下述技术方案予以实现：在可编程门阵列芯片FPGA内置数字信号处理模块中，针对不同调制方式阶加速度下的环路参数，构建环路参数查找表并以列表形式保存在FPGA中；在卫星跟踪过程中，数字信号处理模块对输入待判决的数字调制信号进行解调，在环路参数查找表中找到对应的二阶加速度值相应的环路参数值，将得到最相似的二阶加速度值与环路参数查找表设定阈值进行比较，根据差值与门限阈值进行比较，选取合适的环路参数，确知调制方式无噪时二阶加速度下的环路参数，调整参数得到实时调整跟踪环路参数。

Description

自适应跟踪宽带接收信号环路参数的方法

技术领域

本发明涉及宽带卫星通信以及无线通信中，为高速无线数据传输系统提供一种自适应跟踪宽带接收信号环路参数的方法。

背景技术

高速数据传输技术在航天测控、遥感、卫星通信等领域受到高度的重视，而且近年来发展速度极快，市场需求也在不断地提高；超光谱图像、SAR图像、多仪器平台数据，是未来需要高速传输链路的主要对象。随着航天事业的飞速发展，数据传输业务进一步增加，对卫星到地面的实时传输速率要求越来越高，通过卫星实时传输各种遥感图像数据，需要上百Mbps的传输速率。无线宽带、高速数据传输技术是高速无线数据传输系统的核心技术之一，高速数据传输的关键技术是符号定时和载波同步，高速数传接收机跟踪锁定是其不可或缺的部分。在高速数传系统中，高速解调设备是核心。目前，主流的高速解调设备处理能力均低于300Mbit/s数据传输速率，已不能满足日益增长的数据传输速率需求。传统的模拟调制解调用模拟元件完成，要求基带数据为固定速率，元件容易受环境影响，且形式复杂可靠性差，系统调试受人为因素影响大，器件的内部噪声大，不适于卫星通信。随着系统支持数据传输速率的提高，对接收机的电路设计、解调性能等提出了挑战，高性能的高速解调接收机市场需求迫切。目前存在的数字调制解调方式分为振幅键控ASK、移频键控FSK、相移键控PSK三种基本方式。随着通信容量的增加及转发器输出功率可以做得较大转发器的矛盾由功率受限转化为频带受限，开始使用了多元相移键控(MPSK)技术如四相PSK、八相PSK等。为进一步提高频带利用率，从相相移键控BPSK发展到正交相移键控即四相相移键控QPSK、八相相移键控8PSK等。理论表明，多相相移键控MPSK频带利用率—单位频带传输的比特速率随M的增加而增加，而维持相同误码率所要求的E/N。完全相同，但总的载波功率随M的增加而增加。QPSK的比特差错概率与BPSK相同，但在相同的信道带宽内传输了两倍的数据。这样，相比较于BPSK，QPSK在同样的能量效率情况下，提供了两倍的频谱效率。数字解调主要利用数字信号处理器件(DSP、FPGA)器件实现数据的解调。一般来说，数字逻辑电路(如FPGA)可以实现较高速率的调制解调器，但它灵活性差，功能也弱一些；而DSP芯片实现时。速率不易过高，易于实现多功能调制解调，如多调制制式，多调制速率等。由于PSK信号不含时钟信息分量，无论是相干解调还是延时解调都需要时钟恢复电路。位定时同步和载波恢复电路一样，按功能也分两部分：位定时信息提取和位定时信号提纯。位定时信息的提取可在中频也可在基带通过非线性处理获得，位定时的提纯采用窄带滤波器或锁相环法。一般来说，用窄带滤波器比较简单，高速数传QPsK数字化解调总体方案，由于时钟信号的频率‘只取决于发射端的时钟稳定性，与传输信道无关，所以提取的位定时信息的频率很稳定。通常实现高稳定性的窄带滤波器比较困难，锁相技术的优越特性吸引着人们越来越多采用锁相环提纯时钟。时钟恢复电路的同步建立时间越快越好，同步保持时问越长越好，它们对环路参数的要求是相互矛盾的：同步时间短，要求环路带宽宽；同步保持时间长又要求环路带宽窄。因此设计环路参数要综合考虑各种因素进行折中处理。同步本身虽然不包含所要传送的信息，但只有收发设备之间建立了同步后才能开始传送信息，所以同步是进行信息传输的必要和前提。同步性能的好坏又将直接影响着通信系统的性能。如果出现同步误差或失去同步就会导致通信系统性能下降或通信中断。同步系统性能的降低，会直接导致通信系统性能的降低，甚至使通信中断。QPSK信号解调时的载波同步是设计QPSK解调器的一个技术难点，它一般有两个过程一是载波相位同步捕获，二是载波相位的同步跟踪。传统的载波恢复一般采用模拟锁相环(PLL)技术实现。采用数字方式实现载波恢复时，一般有两种基本的方法来处理载波同步。一种是载波的开环恢复方法，是直接对收发载波的频偏和相位误差进行估计，并在解调时给予有效的补偿；另一种是载波的闭环恢复方法，常采用数字锁相环来实现对载波的捕获和跟踪。对于开环方式，同步时间短，结构简单，计算效率高，但同步精度受限：而闭环方式能达到较高的同步精度，系统性能较好，但它建立同步的时间较长。接收端为了提供一个与发送端同频同相的相干载波，需要从接收的QPSK信号进行非线性处理，把载波分量提取出来，然后从获得的参考载波中，通过线性处理滤除噪声，提纯参考载波。

与本发明最相近的高速数据传输跟踪方法，大部分采用的是任务开始就设定特定的环路参数，使得在卫星跟踪过程中无法根据需要实时调整。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术不足之处，提出一种运算速度快，同步误差小、相位抖动小以及同步建立时间短，保持时间长，能够解决自适应跟踪与任务开始就设定特定的环路参数之间这一矛盾，并能有效对宽带信号进行自适应跟踪的方法。

本发明的上述目的可以通过以下措施来达到，一种自适应跟踪宽带接收信号环路参数的方法，具有如下技术特征：在可编程门阵列芯片FPGA内置数字信号处理模块中，针对不同的调制方式阶加速度下的环路参数，对输入需要判决的不同调制方式的信号进行解调后信号，计算解调后不同调制方式信号二阶加速度下的环路参数，构建环路参数查找表，并以列表形式保存在FPGA中；在卫星跟踪过程中，数字信号处理模块对输入待判决的数字调制信号进行解调得到IQ支路的IQ数据，计算调制方式二阶加速度值，与以查找表的方式在二阶加速度模板中进行查找，在环路参数查找表中找到对应的二阶加速度值相应的环路参数值，将得到最相似的二阶加速度值与环路参数查找表设定阈值进行比较，数量差值一阈值进行判决获得合适的环路参数，根据差值与门限阈值进行比较，选取合适的环路参数，确知调制方式无噪时二阶加速度下的环路参数，调整参数，得到环路参数值实时调整跟踪环路参数。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

本发明针对特定的调制方式如QPSK、8PSK、16QAM不同二阶加速度下的环路参数，在可编程门阵列芯片(FPGA)内的数字信号处理模块中形成环路参数查找表，将此环路参数查找表以列表形式保存在FPGA中。在卫星跟踪过程中，在FPGA上用二阶加速度查表法实现对输入待判决的数字调制信号进行解调得到IQ支路，与以环路参数查找表的方式在二阶加速度模板中进行查找，得到最相似的二阶加速度值与设定阈值进行比较，获取合适的环路参数根据实时的二阶加速度查找得到实际合适的环路参数，将其应用到高斯噪声情况下的G比特级宽带接收机高速解调中，则所占用的资源为16Kbit，与目前所用FPGA资源相比，所占比重很小，解决了高速数据传输实现上自适应跟踪与任务开始就设定特定的环路参数之间这一矛盾。可以有效消除二阶多普勒对解调性能和稳定性的影响，同时本发明的判决方法可以形成查找表权值来提高判决精度。

本发明可应用于高速数传接收机。

附图说明

下面结合附图和实施例对发明进一步说明。

图1是本发明自适应跟踪宽带接收信号环路参数的流程框图。

具体实施方式

参阅图1。根据本发明，在可编程门阵列芯片FPGA内置数字信号处理模块中，针对不同的调制方式阶加速度下的环路参数，对输入需要判决的不同调制方式的信号进行解调后信号，计算解调后不同调制方式信号二阶加速度下的环路参数，构建环路参数查找表，并以列表形式保存在FPGA中；在卫星跟踪过程中，数字信号处理模块对输入待判决的数字调制信号进行解调得到IQ支路的IQ数据，计算调制方式二阶加速度值，与以查找表的方式在二阶加速度模板中进行查找，在环路参数查找表中找到对应的二阶加速度值相应的环路参数值，将得到最相似的二阶加速度值与环路参数查找表设定阈值进行比较，数量差值一阈值进行判决获得合适的环路参数，根据差值与门限阈值进行比较，选取合适的环路参数，确知调制方式无噪时二阶加速度下的环路参数，调整参数，得到环路参数值实时调整跟踪环路参数。

数字信号处理模块首先建立二阶加速度模板和不同调制方式的环路参数查找表，二阶加速度模板分别计算确知的三种调制方式QPSK、8PSK、16QAM的不同二阶加速度下的环路参数，对特定的调制方式形成环路参数查找表，根据不同的二阶加速度值计算得到需要的环路参数值，此数据即为二阶加速度模板数据。数字信号处理模块将环路参数查找表存入可编程门阵列FPGA中，然后存储在FPGA芯片内，计算当前数据的二阶加速度值，在环路参数查找表中找到对应的二阶加速度值相应的环路参数值。然后对调制信号的比对，对输入需要判决的特定调制方式的信号解调后的IQ数据，与二阶加速度模板进行比较，得到最相似的二阶加速度值与设定阈值进行比较，获取合适的环路参数，最后得到的环路参数值实时调整跟踪环路参数。

建立二阶加速度模板时，数字信号处理模块根据不同的卫星速度，不同的角度和轨道高度，其二阶加速度不一样，但二阶加速度对应的环路参数不变的特性，计算不同的二阶加速度对应的环路参数，形成环路参数查找表，可以据此获得最优的环路参数。

在建立环路参数查找表时，可以根据实际应用，根据需要设定权值，来决定查找表的长度，形成环路参数查找表，从而来提高判决精度。

由于是G比特级的宽带接收机，在1秒内接收超过G比特的数据，在较短时间内就可以统计大量的点数，继而基本消除了突发点对参数的影响。

基于环路参数查找表的自适应跟踪锁定是由设计在可编程门阵列芯片FPGA内的数字信号处理模块实现的。

以上所述的仅是本发明的优选实施例。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些变更和改变应视为属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种自适应跟踪宽带接收信号环路参数的方法，具有如下技术特征：在可编程门阵列芯片FPGA内置数字信号处理模块中，针对不同的调制方式阶加速度下的环路参数，对输入需要判决的不同调制方式的信号进行解调后信号，计算解调后不同调制方式信号二阶加速度下的环路参数，构建参数查找表，并以列表形式保存在FPGA中；在卫星跟踪过程中，数字信号处理模块对输入待判决的数字调制信号进行解调得到IQ支路的IQ数据，计算调制方式二阶加速度值，与以查找表的方式在二阶加速度模板中进行查找，在环路参数查找表中找到对应的二阶加速度值相应的环路参数值，将得到最相似的二阶加速度值与环路参数查找表设定阈值进行比较，数量差值一阈值进行判决获得合适的环路参数，根据差值与门限阈值进行比较，选取合适的环路参数，确知调制方式无噪时二阶加速度下的环路参数，调整参数，得到环路参数值实时调整跟踪环路参数。

2.如权利要求1所述的自适应跟踪宽带接收信号环路参数的方法，其特征在于：数字信号处理模块首先建立二阶加速度模板和不同调制方式的环路参数查找表。

3.如权利要求2所述的自适应跟踪宽带接收信号环路参数的方法，其特征在于：二阶加速度模板分别计算确知的三种调制方式QPSK、8PSK、16QAM的不同二阶加速度下的环路参数，对特定的调制方式形成环路参数查找表，根据不同的二阶加速度值计算得到需要的环路参数值，此数据即为二阶加速度模板数据。

4.如权利要求1所述的自适应跟踪宽带接收信号环路参数的方法，其特征在于：数字信号处理模块将环路参数查找表存入可编程门阵列FPGA中，然后存储在FPGA芯片内，计算当前数据的二阶加速度值，在环路参数查找表中找到对应的二阶加速度值相应的环路参数值。

5.然后对调制信号的比对，对输入需要判决的特定调制方式的信号解调后的IQ数据，与二阶加速度模板进行比较，得到最相似的二阶加速度值与设定阈值进行比较，获取合适的环路参数，最后得到的环路参数值实时调整跟踪环路参数。

6.如权利要求1所述的自适应跟踪宽带接收信号环路参数的方法，其特征在于：建立二阶加速度模板时，数字信号处理模块根据不同的卫星速度，不同的角度和轨道高度，其二阶加速度不一样，但二阶加速度对应的环路参数不变的特性，计算不同的二阶加速度对应的环路参数，形成环路参数查找表，可以据此获得最优的环路参数。

7.如权利要求1所述的自适应跟踪宽带接收信号环路参数的方法，其特征在于：基于环路参数查找表的自适应跟踪锁定是由设计在可编程门阵列芯片FPGA内的数字信号处理模块实现的。