CN110445735B - 基于信号回溯的突发短数据载波同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于信号回溯进行载波同步的方法，该方法针对突发短数据通过利用锁相环进行同步并使用回溯方法进行处理，对信号不断进行正逆序地重复回溯利用，并在回溯反向点的相位跳变处对DDS中的相位进行修正使环路能够持续跟踪信号，最终使环路输出稳定达到载波同步的目的。本发明在使用信号回溯方法后在接收短数据、多普勒频偏大、信噪比低的情况下载波环路仍能完成载波同步，为突发短数据通信提供了一种有效的载波同步方案。

Description

基于信号回溯的突发短数据载波同步方法

技术领域

本发明属于通信领域的载波同步技术，具体为一种基于信号回溯的突发短数据载波同步方法。

背景技术

在数字通信中，为保证收发双方协调一致地工作，必须要建立良好的同步。在数字接收机中，相干解调相较非相干解调能够得到更高的输出信噪比，因此在大部分通信系统中采用相干解调以获得更好的性能。在相干解调中，需要在接收端产生一个与接收信号载波同频同相的本地振荡，产生这个振荡信号的过程就称为载波同步，因此载波同步是实现相干解调的关键的一环。载波同步技术根据参数的修正方式可分为开环前馈法和闭环反馈法。

开环前馈法通过在收发两端插入导频或训练序列实现载波同步，同步速度较快，但估计的精度受限于序列长度，并且不能灵活估计时变的参数。闭环反馈法的经典实现方式为锁相环，利用环路反馈不断修正本地振荡的频率和相位，最终达到同步。环路锁定后，跟踪性能好，误差小，但其由捕获状态进入同步状态需要一定的时间，捕获速度较慢。

在短突发通信场景下，信号具有信号长度较短、起始和结束时刻不定、多普勒频偏大等特点。在通过闭环反馈进行同步时，锁相环路由失锁状态进入锁定状态需要一定的收敛时间，而对于突发信号由于其信号持续时间短，很可能令环路来不及进入锁定状态信号就已经结束。因此针对突发短时信号利用锁相环难以实现载波同步。

发明内容

本发明的目的在于提出了一种基于信号回溯的突发短数据载波同步方法。

实现本发明的技术解决方案为：一种基于信号回溯的突发短数据载波同步方法，包括如下步骤：

步骤1、对接收信号进行回溯处理，形成回溯信号；

步骤2、将回溯信号与DDS产生的正余弦振荡信号相乘，并滤除高频分量，得到I、Q两路正交基带信号；

步骤3、将I、Q两路信号鉴相得到误差信号；

步骤4、滤除误差信号中的高频分量，得到DDS的控制信号，利用控制信号控制DDS产生本地振荡信号；

步骤5、在回溯信号回溯反向点处对DDS中的相位进行修正，改变DDS的当前相位与反向后信号初相相同；

步骤6、重复步骤2～5，直至回溯信号结束。

优选地，步骤1对接收信号进行回溯处理的具体方法为：

对接收信号进行正逆序的循环回溯，即当接收信号结束后先将其正序存储下来，得到其逆序信号，将正序和逆序信号按设定循环次数不断重复连接，组合成一个新的信号即为回溯信号。

优选地，步骤2得到的I、Q两路正交基带信号为：

式中，θ为输入信号瞬时相位，d(t)为接收信号信息符号，

为DDS产生载波瞬时相位。

优选地，步骤3将I、Q两路信号鉴相得到的误差信号为：

式中，θ为输入信号瞬时相位，d(t)为接收信号信息符号，

为DDS产生载波瞬时相位。

优选地，步骤5对跳变的相位进行修正的方法为：

在信号回溯正逆序反向点和逆正序反向点处，对DDS中的相位的修正均可用同一个表达式来表示

其中

为反向点处DDS的当前相位，f为输入信号载波频率，t_s为采样频率，

为修正后的相位。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：本发明克服了在突发通信中，由于信号持续时间短而难以令锁相环进入锁定状态的问题以及回溯后信号相位存在跳变而使环路不能跟踪的问题，实现了即使在在数据较短的情况下也能完成载波同步，也为短突发通信中相干解调的载波同步方案提供了一种新的思路。

下面结合附图对本发明做进一步详细的描述。

附图说明

图1为信号回溯示意图。

图2为本发明的实现结构示意图。

图3为本发明硬判决鉴相器结构图。

图4为载波未同步时Matlab仿真波形图。

图5为加入回溯后载波同步时Matlab仿真波形图。

图6为增大多普勒频偏载波同步时Matlab仿真波形图。

图7为减小信噪比载波同步时Matlab仿真波形图。

图8为缩短码长载波同步时Matlab仿真波形图。

具体实施方式

结合图2所示，本发明基于信号回溯的载波同步方法，步骤如下：

步骤1、对接收到的信号进行回溯处理，形成回溯信号。在接收到的短信号结束后先将其正序存储下来，然后得到其逆序信号。将正序和逆序信号按一定循环次数不断重复连接，组合成一个新的信号即为回溯信号，如图1所示。再将回溯信号作为锁相环的输入信号。接收到的信号可表示为：

r(t)＝d(t)cos(ω_ct+θ)

式中，d(t)为信息符号，ω_c为输入载波角频率，θ为输入信号瞬时相位。

步骤2、将DDS产生的正余弦本地振荡与回溯信号相乘，再通过低通滤波器得到I、Q两路正交基带信号：

式中，θ为输入信号瞬时相位，d(t)为接收信号信息符号，

为DDS产生载波瞬时相位。

步骤3、对于BPSK信号可以采用硬判决鉴相，硬判决鉴相器结构如图3所示，I、Q两路信号经鉴相后可得到本地载波与输入信号的相位误差信号，完成鉴相，I、Q两路信号鉴相得到的误差信号为：

步骤4、将得到的误差信号通过环路滤波器滤除高频分量，作为控制信号送给DDS，使DDS不断调整本地载波频率，不断产生新的本地载波。

步骤5、由于信号回溯时正逆序和逆正序信号反向点处存在相位跳变，为了使环路能够继续跟踪信号需在反向点处对DDS的当前相位进行修正，使其能够继续跟踪信号，最终使环路收敛，达到同步，这也是回溯方法中的关键所在。

设经A/D采样过后接收信号为

s(k)＝m(k)cos(2πfk+θ₀) 0≤k≤Tf_s

其中m(k)为调制信息，f为载波频率，θ₀为初相，f_s为采样频率，T为信号持续时间。对接收信号进行回溯时，经A/D采样后，逆序信号可以看作正序信号先向右移动一个采样周期后再进行反褶，在平移一个信号周期T得到，即逆序信号为：

由DDS的工作原理可知，控制DDS生成波形只需要根据目标波形输入相应的相位累加字和频率控制字即可。可以看出逆序信号与正序信号的频率控制字相同，只是初始相位不同，因此在回溯反向点处为使环路能够跟踪上回溯后的信号，只需要改变DDS在反向点处的初始相位与下一时刻的正序或逆序信号的初相一致，则能保持相位的连续令环路能持续跟踪信号。

(1)信号由正序变逆序时

结合图1，当信号由正序变逆序时，如在T时刻，此时正序信号中相位已走过时长T，则此时DDS中的当前相位为：

下一时刻逆序信号的初始相位为

因此正逆序信号反向点处的相位跳变为：

θ₀+2πfT→2πft_s-2πfT-θ₀

故为保持相位连续，在T时刻DDS中相位应改变为

(2)信号由逆序变正序时

结合图1，当信号由逆序变正序时，如在2T时刻，此时逆序信号中相位已走过时长T，则此时DDS中的当前相位为

下一时刻正序信号的初始相位为

因此逆正序信号反向点处的相位跳变为

-θ₀+2πft_s→θ₀

故为保持相位连续，在2T时刻DDS中相位应改变为

后续信号在回溯反向点处也存在相同的相位跳变关系，可以看出正逆序反向点处与逆正序反向点处相位的改变可以用一个统一的式子来概括，即为

由此可在反向点处对DDS的输出相位进行相应的修正处理，以保证环路能够连续进行跟踪。由于信号本身有一定周期性，可知后续反向点处的算法与上述相同。

步骤6、重复步骤2～5，直至回溯信号结束，最终令DDS产生的本地载波与接收信号载波频率一致，达到提取相干载波的目的。

实施例

本实施例以BPSK信号为例，其同步环路采用如图2所示Costas环，但对于回溯方法来说，并其可适用的调制形式并不局限于BPSK，下面仅以此为例进行仿真验证等工作。

一种基于信号回溯的突发短数据载波同步方法，具体步骤为：

步骤1、对接收到的信号进行回溯处理，并设定循环回溯次数为20次，形成回溯信号。接收到的信号r(t)可表示为：

r(t)＝d(t)cos(ω_ct+θ)

其中d(t)为信息符号，ω_c为输入载波角频率，θ为输入信号瞬时相位。

步骤2、将回溯后信号与DDS产生的正余弦振荡信号相乘，通过低通滤波器滤除高频分量，得到I、Q两路正交基带信号。其中DDS产生的本地载波可表示为：

为DDS产生载波瞬时相位。

则输入信号与本地载波相乘再通过低通滤波器可得到I、Q支路的输出为：

步骤3、将I、Q两路信号鉴相得到误差信号。对于BPSK信号可以采用硬判决鉴相，其鉴相器结构如图3所示，则鉴相器输出误差信号为：

err(t)＝sgn[I(t)]Q(t)

对I(t)和Q(t)进行硬判决，当

的时候，

则输出误差信号为：

则鉴相增益为

err(t)通过环路滤波器控制调整数控振荡器的相位和振荡频率，最终使相位误差

尽可能的小。

步骤4、误差信号通过环路滤波器将误差信号中的高频分量滤除，得到DDS的控制信号，不断控制DDS产生的本地振荡信号频率与接收信号的频率趋于一致。

步骤5、在回溯信号的反向点处对DDS中的相位进行修正，使其能够继续跟踪信号，最终使环路收敛达到同步。通过不断修正反向点处DDS中的相位，令锁相环路能持续跟踪回溯信号。

步骤6、重复步骤2～4，直至回溯信号结束，最终完成载波同步进行相干解调。

为验证方案的有效性，设置BPSK符号速率为1.25Mbps，采样率为200MHz，即一个符号采160个点，预设多普勒频偏为20KHz，突发短数据长度为20bit，信噪比为30dB。下面利用Matlab软件进行仿真验证。

未进行回溯时载波环路和鉴相输出如图4所示，可见在无回溯情况下环路未收敛。在相同条件下通过回溯得到的仿真结果如图5所示，可见经过回溯后鉴相误差趋于零，环路滤波器输出渐渐稳定，因此可以看出回溯方法对建立突发短数据的载波同步是有效的。

下面从加大频偏、减小信噪比、减小原始信息比特长度的角度，进一步验证方法的正确性与可行性：

在原条件下进一步加大频偏，令频偏为60KHz，可得仿真结果如图6所示，可见在大频偏的情况下环路仍能达到同步；在该基础上减小信噪比，令信噪比为0dB，可得仿真结果如图7所示，环路仍然能够收敛；再进一步减小原始信息比特长度，令原始信号长度为10bit，可得仿真结果如图8所示，环路输出最后仍趋于稳定。

可见在回溯方法的作用下，通过修正信号回溯时反向处DDS的当前相位，可以令环路持续跟踪信号最终达到稳定，且在大频偏、低信噪比、数据长度很短的情况下仍然有效，当产生的本地载波与接收信号载波频率一致时，即可完成载波同步，对信号进行相干解调。

本发明是针对突发短数据通过锁相环来实现载波同步的通信技术，克服了突发短数据中由于信号持续时间太短而使锁相环难以进入同步状态的困难，提出一种信号回溯的方法，通过对信号进行正逆序循环回溯利用，并解决反向点处相位突变的问题，在大频偏、低信噪比情况下也能有效地完成同步。并且本发明对接收信号的调制体制不仅限于BPSK，本发明对于其他调制体制的信号也具有普适性，只需根据信号形式选择对应的锁相环形式，通过对信号进行回溯并在反向点上对DDS进行相位相应的修正即可达到提取同步载波、进行相干解调的目的。对于其他调制形式的信号虽然具体实施方式存在不同，但仍然使用本发明中信号回溯的思想和对反向点处相位修正的方法来进行载波同步的，仍属于本发明的保护范围。

本发明通过对信号进行正逆序的不断回溯利用，并在回溯反向点相位跳变处对DDS中的相位进行修正使环路能够持续跟踪，实现即使在原始信号长度很短的情况下也能利用锁相环进行载波同步的方案。

Claims (4)

1.一种基于信号回溯的突发短数据载波同步方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、对接收信号进行回溯处理，形成回溯信号；

步骤2、将回溯信号与DDS产生的正余弦振荡信号相乘，并滤除高频分量，得到I、Q两路正交基带信号；

步骤3、将I、Q两路信号鉴相得到误差信号；

步骤4、滤除误差信号中的高频分量，得到DDS的控制信号，利用控制信号控制DDS产生本地振荡信号；

步骤5、在回溯信号回溯反向点处对DDS中的相位进行修正，改变DDS的当前相位与反向后信号初相相同，对跳变的相位进行修正的方法为：

在信号回溯正逆序反向点和逆正序反向点处，对DDS中的相位的修正均可用同一个表达式来表示

其中

为反向点处DDS的当前相位，f为输入信号载波频率，t_s为采样频率，

为修正后的相位；

步骤6、重复步骤2～5，直至回溯信号结束。

2.根据权利要求1所述的基于信号回溯的突发短数据载波同步方法，其特征在于，步骤1对接收信号进行回溯处理的具体方法为：

对接收信号进行正逆序的循环回溯，即当接收信号结束后先将其正序存储下来，得到其逆序信号，将正序和逆序信号按设定循环次数不断重复连接，组合成一个新的信号即为回溯信号。

3.根据权利要求1所述的基于信号回溯的突发短数据载波同步方法，其特征在于，步骤2得到的I、Q两路正交基带信号为：

式中，θ为输入信号瞬时相位，d(t)为接收信号信息符号，

为DDS产生载波瞬时相位。

4.根据权利要求1所述的基于信号回溯的突发短数据载波同步方法，其特征在于，步骤3将I、Q两路信号鉴相得到的误差信号为：

式中，θ为输入信号瞬时相位，d(t)为接收信号信息符号，

为DDS产生载波瞬时相位。

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