CN110519193A

CN110519193A - Ce-ofdm相位解调系统及解调方法

Info

Publication number: CN110519193A
Application number: CN201910842603.9A
Authority: CN
Inventors: 陈超; 杨占昕
Original assignee: Communication University of China
Current assignee: Communication University of China
Priority date: 2019-09-06
Filing date: 2019-09-06
Publication date: 2019-11-29
Anticipated expiration: 2039-09-06
Also published as: CN110519193B

Abstract

本申请涉及一种CE‑OFDM相位解调系统及解调方法，CE‑OFDM相位解调系统包括输入模块输入CE‑OFDM中的调制信号；第一Costas环模块根据调制信号生成第一原始解调信号；频偏估计模块对第一原始解调信号进行频偏估计，生成频偏信息；相位解调模块根据频偏信息生成最终解调信号。本申请可以避免因为频率偏差造成相邻数据发生串扰，甚至无法正常解码信息的情况发生，相位解调模块根据频偏信息生成最终解调信号，提高最终解调信号的准确性。

Description

CE-OFDM相位解调系统及解调方法

技术领域

本申请涉及信号相位调制与解调技术领域，尤其是一种CE-OFDM相位解调系统及解调方法。

背景技术

CE-OFDM技术，即恒包络OFDM(正交频分复用)，是指对OFDM基带信号进行相位调制，这样得到的信号包络幅度恒定，峰均比低至0dB，在接收端只需进行相位解调便可以恢复出原始OFDM信号。CE-OFDM系统不仅具有传统OFDM系统的优势，还克服了高峰均功率比的缺点，在无线通信领域具有重要应用价值。

传统的相位解调方法采用的是基于正交解调的方法，即将调相后的CE-OFDM信号分别与载波同频的正交信号和同相信号进行混频和下变频，得到待解调信号，然后利用鉴相器解调出信号的角度，即原始调制信号。

在OFDM系统中，由于发送和接收振荡器之间存在不匹配性，或移动无线信道存在多普勒频移，发送端和接收端存在载波频率偏差。频率偏差可以分为相对于子载波间隔的小数倍频率偏差和整数倍频率偏差，其中小数小数倍频率偏差可导致解调数据产生幅度衰减、相移以及相邻数据发生串扰；整数倍频率偏差会引起接收数据符号的循环移位，使得整个系统无法正常解码信息符号。传统的相位解调方法因为不能解决频率偏差问题，从而导致解调结果不准确。

发明内容

为至少在一定程度上克服传统的相位解调方法不能解决频率偏差，导致解调结果不准确的问题，本申请提供一种CE-OFDM相位解调系统及解调方法。

第一方面，本申请提供一种CE-OFDM相位解调系统，包括：

输入模块，用于输入CE-OFDM中的调制信号；

第一Costas环模块，用于根据所述调制信号生成第一原始解调信号；

频偏估计模块，用于对所述第一原始解调信号进行频偏估计，生成频偏信息；

相位解调模块，用于根据所述频偏信息生成最终解调信号。

进一步的，所述第一Costas环模块包括：

第一振荡器；

分别与所述第一振荡器连接的第一乘法器和第二乘法器，调制信号同时输入至所述第一乘法器和第二乘法器；

与所述第一乘法器连接的第一低通滤波器；

与所述第二乘法器连接的第二低通滤波器；

与所述第一低通滤波器和所述第二低通滤波器连接的第一鉴相器；

与所述第一鉴相器连接的第一环路滤波器；

所述第一环路滤波器与所述第一振荡器连接，形成第一反馈环路。

进一步的，所述系统还包括：

第二Costas环模块，所述第二Costas环模块与所述输入模块连接，用于根据所述调制信号同时生成第二原始解调信号；

相位解卷绕模块，所述相位解卷绕模块与所述相位解调模块连接，用于对所述第二原始解调信号进行实时相位跟踪，生成相位控制解调信号；

所述相位解调模块根据相位控制解调信号和所述频偏信息生成最终解调信号。

进一步的，所述第二Costas环模块包括：

第二振荡器；

分别与所述第二振荡器连接的第三乘法器和第四乘法器，调制信号同时输入至所述第三乘法器和第四乘法器；

与所述第三乘法器连接的第三低通滤波器；

与所述第四乘法器连接的第四低通滤波器；

与所述第三低通滤波器和所述第四低通滤波器连接的第二鉴相器；

与所述第二鉴相器连接的第二环路滤波器；

所述第二环路滤波器与所述第二振荡器连接，形成第二反馈环路。

进一步的，所述系统还包括：

Costas环参数设置模块，所述Costas环参数设置模块用于设置所述第一振荡器、第二振荡器、第一环路滤波器和第二环路滤波器的工作参数。

第二方面，本申请提供一种CE-OFDM相位解调方法，包括：

将CE-OFDM中的调制信号输入至第一Costas环模块；

所述第一Costas环模块根据所述调制信号生成第一原始解调信号，将所述第一原始解调信号输入至频偏估计模块；

所述频偏估计模块对所述第一原始解调信号进行频偏估计，生成频偏信息；

根据所述频偏信息生成最终解调信号。

进一步的，所述第一Costas环模块根据所述调制信号生成第一原始解调信号，包括：

将CE-OFDM中的调制信号输入至第一乘法器，与第一振荡器产生的同相载波信号相乘，得到第一乘后调制信号；

将所述调制信号同时输入至第二乘法器，与第一振荡器产生的正交载波信号相乘，得到第二乘后调制信号；

将所述第一乘后调制信号发送给第一低通滤波器，得到第一滤波调制信号；

将所述第二乘后调制信号发送给第二低通滤波器，得到第二滤波调制信号；

将所述第一滤波调制信号和所述第二滤波调制信号发送到第一鉴相器进行解调，得到第一原始解调信号。

进一步的，所述将所述第一原始解调信号输入至频偏估计模块，包括：

将所述第一原始解调信号发送给第一环路滤波器，得到第一反馈信号；

将所述第一反馈信号发送给第一振荡器，得到环路滤波解调信号；

将所述环路滤波解调信号输入至频偏估计模块输出频偏信息。

进一步的，所述方法还包括：

将CE-OFDM中的调制信号同时输入至第二Costas环模块；

所述第二Costas环模块根据所述调制信号生成第二原始解调信号，将所述第二原始解调信号输入至相位解卷绕模块；

所述相位解卷绕模块对所述第二原始解调信号相位进行实时跟踪，生成相位控制解调信号；

相位解调模块根据相位控制解调信号和所述频偏信息生成最终解调信号。

进一步的，所述方法还包括：

对所述第一Costas环模块和所述第二Costas环模块进行参数设置。

本申请的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

本申请包括第一Costas环模块，根据所述调制信号生成第一原始解调信号，通过频偏估计模块对第一原始解调信号进行频偏估计，生成频偏信息，避免因为频率偏差造成相邻数据发生串扰，甚至无法正常解码信息的情况发生，相位解调模块根据频偏信息生成最终解调信号，提高最终解调信号的准确性。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。

图1是本申请一个实施例提供的一种CE-OFDM相位解调系统的模块图。

图2是本申请一个实施例提供的Costas环的结构图。

图3是本申请另一个实施例提供的一种CE-OFDM相位解调系统的模块图。

图4是本申请另一个实施例提供的一种CE-OFDM相位解调方法的流程图。

图5是本申请另一个实施例提供的一种CE-OFDM相位解调方法的流程图。

图6是本申请一个实施例提供的一种CE-OFDM相位解调方法的解调信号和原始信号频域图。

图7是本申请一个实施例提供的一种CE-OFDM相位解调方法的解调信号星座图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

图1是本申请一个实施例提供的CE-OFDM相位解调系统的模块图。

如图1所示，本实施例提供的CE-OFDM相位解调系统，包括：

输入模块1，用于输入CE-OFDM中的调制信号；

第一Costas环模块2，用于根据调制信号生成第一原始解调信号；

频偏估计模块3，用于对第一原始解调信号进行频偏估计，生成频偏信息；

相位解调模块4，用于根据频偏信息生成最终解调信号。

输入模块1对基带OFDM信号进行相位调制，得到调制信号，即CE-OFDM信号，表达式如下：

其中，Am(t)＝|m(t)|,m(t)为基带OFDM信号，fc为载波频率，kp为调制系数。

传统的相位解调模块采用的是基于正交解调的方法，结构如图2.3所示，即将调相后的CE-OFDM信号分别与载波同频的正交信号和同相信号进行混频和下变频，得到待解调信号，然后利用鉴相器解调出信号的角度，即原始调制信号。原始调制信号输入至相位解调模块生成解调信号，但由于没有进行频偏估计，使得解调信号可能会出现频域偏差，甚至，由于频偏严重，无法正常解码信息。

Costas环又称同相正交环，是一种特殊的锁相环，它可以跟踪信号的频率和相位，消除信号中的频偏和相位噪声。

频偏估计模块3例如为训练序列频偏估计模块，采用简单的实数训练序列，同时在时域进行小数倍和整数倍的频偏估计和纠正，因此，第一Costas环2与频偏估计模块3连接可以负责快速捕获并生成频偏信息，相位解调模块4根据频偏信息生成最终解调信号，避免因为频率偏差造成相邻数据发生串扰，甚至无法正常解码信息的情况发生，相位解调模块根据频偏信息生成最终解调信号，提高最终解调信号的准确性。

本实施例中，第一Costas环模块根据调制信号生成第一原始解调信号，通过频偏估计模块对第一原始解调信号进行频偏估计，生成频偏信息，避免因为频率偏差造成相邻数据发生串扰，甚至无法正常解码信息的情况发生，相位解调模块根据频偏信息生成最终解调信号，提高最终解调信号的准确性。

图2是本申请一个实施例提供的Costas环的结构图。

如图2所示，本实施例提供的第一Costas环模块，包括：

第一振荡器；

分别与第一振荡器连接的第一乘法器和第二乘法器，调制信号同时输入至第一乘法器和第二乘法器；

与第一乘法器连接的第一低通滤波器；

与第二乘法器连接的第二低通滤波器；

与第一低通滤波器和所述第二低通滤波器连接的第一鉴相器；

与第一鉴相器连接的第一环路滤波器；

第一环路滤波器与所述第一振荡器连接，形成第一反馈环路。

第一鉴相器可以选择乘法鉴相或反正切函数。

第一振荡器例如为数控振荡器NCO(numerically controlled oscillator)，数控振荡器NCO的输出频率和相位可以授权，满足各种需要。

第一Costas环2的输入调制信号经上、下支路分别乘以同相和正交两路载波信号，然后通过低通滤波器，之后通过鉴相器进行鉴相，最后经过环路滤波器输出控制本地振荡器的信号，生成本地同步载波。

设输入信号S(t)是调制后的OFDM信号，表示为：

其中，Am(t)＝|m(t)|,m(t)为原始OFDM信号，fc为载波频率，kp为调制系数。

将输入调制信号分别与本地载波相乘，在环路锁定条件下，数控振荡器NCO产生的同相载波与正交载波分别为：

C1(t)＝cos(2πfc t+θ)

C2(t)＝sin(2πfc t+θ)

与输入的调制信号相乘结果分别为：

乘法结果分别经过第一低通滤波器、第二低通滤波器，滤除高频分量得：

将滤波结果输入第一鉴相器进行解调，鉴相器采用反正切函数，得到相位解调结果：

第一鉴相器结果Pd经过第一环路滤波器反馈到数控振荡器NCO，控制数控振荡器NCO生成和输入调制信号同频同相的载波信号。

同时数控振荡器NCO将控制信息发送至频偏估计模块，进行频偏估计。

本实施例中，通过第一Costas环模块形成第一反馈环路，方便进行调制信号频率捕捉。

图3是本申请另一个实施例提供的CE-OFDM相位解调系统的模块图。

如图3所示，在上一实施例基础上，本实施例提供的CE-OFDM相位解调系统，还包括：

第二Costas环模块5，第二Costas环模块5与输入模块1连接，用于根据所述调制信号同时生成第二原始解调信号；

相位解卷绕模块6，相位解卷绕模块6与相位解调模块4连接，用于对第二原始解调信号进行实时相位跟踪，生成相位控制解调信号；

相位解调模块4根据相位控制解调信号和所述频偏信息生成最终解调信号。

第二Costas环用于相位解调，消除相位噪声。

作为本发明可选的一种实现方式，第二Costas环5模块包括：

第二振荡器；

与所述第三乘法器连接的第三低通滤波器；

与所述第四乘法器连接的第四低通滤波器；

与所述第二鉴相器连接的第二环路滤波器；

作为本发明可选的一种实现方式，所述系统还包括：

Costas环参数设置模块7，Costas环参数设置模块7用于设置第一振荡器、第二振荡器、第一环路滤波器和第二环路滤波器的工作参数。

锁相环路有两种跟踪状态：载波跟踪和调制跟踪。工作于载波跟踪状态下的环路特点是环路带宽很窄，环路只跟踪载波变化，不跟踪调制信号变化。工作于调制跟踪状态下的环路特点是环路带宽较宽，环路不仅跟踪载波变化，而且也跟踪由调制信号引起的相位变化。处于载波跟踪状态下，鉴相器的输出即为输入信号的相位，处于调制跟踪状态下，鉴相器的输出趋于一个稳定值。一般调频信号的解调选用调制跟踪环，而调相信号的解调选用载波跟踪环。环路的跟踪状态可以通过对系数的选取进行调节。

通过环路的两种跟踪状态可知，锁相环对相位和频率的精准跟踪是不能兼顾的，只能做出取舍和平衡。若要求环路对频率有更大的跟踪范围，则不能要求环路精确地跟踪信号相位。反之，若想要环路更好的跟踪信号的相位，则环路的捕获范围便会降低。

(1)通过Costas环参数设置优化环路的捕获性能：

环路的捕获带越宽，快捕时间越小环路的捕获性能越好。

捕获带：

快捕带：Δω_L＝2Kω_nξ

最大快捕时间：

其中，ω_n为振荡角频率，ξ为阻尼系数。通过公式可以得到增大捕获带，减少捕获时间，需要提高ω_n、ξ的值。

(2)通过Costas环参数设置优化环路的噪声性能：

环路中的噪声也会影响环路捕获性能，环路单边噪声带宽BL表示环路对输入噪声的滤除能力，BL越小说明对噪声的滤除能力越强。公式表示如下：

BL＝ω_n/8ξ*(1+4ξ²)

其中，ω_n单位是rad/s，BL单位是Hz。

通过实验得出，当ξ＝0.5时，BL的值最小，BLmin＝0.5ω_n,，因此从抑制噪声角度来看，选择ξ＝0.5最佳。

设输入信噪比为(S/N)_i，环路前置带宽Bi,环路信噪比为：

(S/N)_L＝(S/N)_i*Bi/BL

其中，环路信噪比(S/N)_L≥6dB时环路才能正常锁定。由于环路输入信号的信噪比(S/N)_i≤1dB时环路就可以正常锁定，得到ω_n的取值范围为：

ω_n<8ξ(S/N)_i*Bi/(S/N)_L＝1767×10³

为同时保证相位噪声性能与捕获性能，因此，第一Costas环模块2中设置参数ω_n＝15000Hz，ξ＝1.2，以保证捕获性能；第二Costas环模块5中设置参数ω_n＝150Hz，ξ＝0.5，以保证相位噪声性能。

在锁相环中，环路滤波器直接关系着整个环路的性能。环路滤波器本质是一个低通滤波器，在抑制高频噪声的同时根据鉴相器的反馈信号输出数控振荡器的控制信号。环路滤波器系数的公式为：

其中，T为采样周期，K为环路总增益(设为1)。

采样频率为Fs＝64×10⁴,可得ω_nT<<1，

根据第二Costas环模块的参数ω_n＝150Hz，ξ＝0.5，计算得第二环路滤波器的系数：

C1＝2.344×10^-4

C2＝5.552×10^-8

根据第一Costas环模块参数ω_n＝1500Hz，ξ＝1.2，计算得第一环路滤波器的系数：

C3＝5.6256×10^-2

C4＝5.49×10^-4

本实施例中，第二Costas环模块与相位解卷绕模块连接，实现对输入调制信号的相位进行实时跟踪，从而恢复出原始的调制信号。第一Costas环模块与频偏估计模块连接，实现快速捕获频率信息。

图4是本申请一个实施例提供的CE-OFDM相位解调方法的流程图。

如图4所示，本实施例提供的CE-OFDM相位解调方法，包括：

S41：将CE-OFDM中的调制信号输入至第一Costas环模块；

S42：第一Costas环模块根据调制信号生成第一原始解调信号，将第一原始解调信号输入至频偏估计模块；

S43：频偏估计模块对第一原始解调信号进行频偏估计，生成频偏信息；

S44：根据频偏信息生成最终解调信号。

第一Costas环模块根据调制信号生成第一原始解调信号，包括：

将调制信号同时输入至第二乘法器，与第一振荡器产生的正交载波信号相乘，得到第二乘后调制信号；

将第一乘后调制信号发送给第一低通滤波器，得到第一滤波调制信号；

将第二乘后调制信号发送给第二低通滤波器，得到第二滤波调制信号；

将第一滤波调制信号和第二滤波调制信号发送到第一鉴相器进行解调，得到第一原始解调信号。

将第一原始解调信号输入至频偏估计模块，包括：

将第一原始解调信号发送给第一环路滤波器，得到第一反馈信号；

将第一反馈信号发送给第一振荡器，得到环路滤波解调信号；

将环路滤波解调信号输入至频偏估计模块输出频偏信息。

本实施例中，通过频偏估计模块对第一原始解调信号进行频偏估计，生成频偏信息，可以避免因为频率偏差造成相邻数据发生串扰，甚至无法正常解码信息的情况发生，根据频偏信息生成最终解调信号，提高最终解调信号的准确性。

图5是本申请另一个实施例提供的CE-OFDM相位解调方法的流程图。

如图5所示，在上一实施例基础上，本实施例提供的CE-OFDM相位解调方法，还包括：

S51：将CE-OFDM中的调制信号同时输入至第二Costas环模块；

S52：第二Costas环模块根据调制信号生成第二原始解调信号，将第二原始解调信号输入至相位解卷绕模块；

S53：相位解卷绕模块对所述第二原始解调信号相位进行实时跟踪，生成相位控制解调信号；

S54：相位解调模块根据相位控制解调信号和频偏信息生成最终解调信号。

作为本发明可选的一种实现方式，所述方法还包括：

对第一Costas环模块和第二Costas环模块进行参数设置。

通过对第一Costas环模块和第二Costas环模块进行参数设置，可以同时优化系统的相位噪声性能和频率捕获性能，提高最终解调信号的准确性。

本实施例中，第二Costas环模块根据调制信号生成第二原始解调信号，将第二原始解调信号输入至相位解卷绕模块，实现对输入调制信号的相位进行实时跟踪，从而恢复出原始的调制信号。

一些实施例中，对CE-OFDM相位解调系统进行仿真实验，仿真参数设置如表1所示。

表1仿真参数设置

取调制系数为0.2、信噪比为10dB进行仿真。图6为解调信号和原始信号频域图，通过对比可以看出解调信号与原始信号频域基本一致。图7为解调信号星座图，可以看出，信号分布比较集中，可以正确的进行判决，系统性能明显优于采用正交解调的系统。

可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。

需要说明的是，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指至少两个。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

需要说明的是，本发明不局限于上述最佳实施方式，本领域技术人员在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种CE-OFDM相位解调系统，其特征在于，包括：

输入模块，用于输入CE-OFDM中的调制信号；

相位解调模块，用于根据所述频偏信息生成最终解调信号。

2.根据权利要求1所述的CE-OFDM相位解调系统，其特征在于，所述第一Costas环模块包括：

第一振荡器；

与所述第一乘法器连接的第一低通滤波器；

与所述第二乘法器连接的第二低通滤波器；

与所述第一鉴相器连接的第一环路滤波器；

3.根据权利要求1所述的CE-OFDM相位解调系统，其特征在于，还包括：

4.根据权利要求1所述的CE-OFDM相位解调系统，其特征在于，所述第二Costas环模块包括：

第二振荡器；

与所述第三乘法器连接的第三低通滤波器；

与所述第四乘法器连接的第四低通滤波器；

与所述第二鉴相器连接的第二环路滤波器；

5.根据权利要求1～4任一项所述的CE-OFDM相位解调系统，其特征在于，还包括：

6.一种CE-OFDM相位解调方法，其特征在于，包括：

将CE-OFDM中的调制信号输入至第一Costas环模块；

根据所述频偏信息生成最终解调信号。

7.根据权利要求6所述的CE-OFDM相位解调方法，其特征在于，所述第一Costas环模块根据所述调制信号生成第一原始解调信号，包括：

8.根据权利要求7所述的CE-OFDM相位解调方法，其特征在于，所述将所述第一原始解调信号输入至频偏估计模块，包括：

9.根据权利要求6所述的CE-OFDM相位解调方法，其特征在于，还包括：

将CE-OFDM中的调制信号同时输入至第二Costas环模块；

10.根据权利要求9所述的CE-OFDM相位解调方法，其特征在于，还包括：