CN111314262B - 低信噪比环境16qam载波同步系统 - Google Patents

低信噪比环境16qam载波同步系统 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种属于无线通信技术领域低信噪比环境下的16QAM载波同步方法。旨在提供一种工作信噪比低，同步精度高，易于降低16QAM载波同步门限的方法。本发明通过下述技术方案实现：正交下变频模块采用两路相互正交的本振信号与输入中频数字信号，相乘完成数字中频信号的去载波过程，提取出信号的同相部分和正交部分；星座点判决模块判定16QAM信号在16QAM星座图中的星座点位置；星座筛选模块去掉星座图中非对角线上星座点；利用四相松尾环完成16QAM信号的相位误差提取；环路滤波模块对提取的相位误差进行滤波得到与相位差有关的控制电压，准确地对数字控制振荡器进行调整，实现低信噪比环境下的16QAM载波同步。

Description

低信噪比环境16QAM载波同步系统
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及一种用于无线通信系统中低信噪比环境下的16QAM载波同步系统。
技术背景
随着卫星通信技术迅速发展，空间飞行器(通信卫星、导航卫星、深空探测器等)组成的星座之间、星地之间的移动通信越来越受到人们的关注。卫星通信的快速发展使得频谱资源变得极为宝贵，为了在有限的带宽信道中传输更多的信息，人们研制了各种高阶调制方式来解决有限带宽和数据传输容量的矛盾。正交幅度调制QAM是一种幅度和相位联合控制的正交调制技术，在最小欧氏距离相同的情况下，QAM调制可以有更多的星座点，因此其频谱利用率优于其它调制技术。随着QAM调制电平数的增大，频谱有更高的利用率，但最小欧氏距离的变小带来了系统误码率性能损失，因此选择QAM调制电平数时需均衡频谱利用率与信号传输可靠性。在无线通信领域中，由于16QAM既满足了较高的频谱利用率，而且还有较好的系统误码性能，因此被广泛采用。由于卫星星座相对于地面高速运动以及星座之间的高速运动，使收发双方处在高动态的通信条件下，在时域表现为严重的时间选择性衰落，在频域表现为信号存在大的多普勒频偏及高阶多普勒频偏变化率。同时空间飞行器由于受到平台规模及功率的限制，天线增益一般较小，接收机接收到的信号往往是微弱信号。同时，无论是星间、星地之间的移动通信还是航天测控系统，系统的通信环境都是相对比较复杂的，人为、宇宙干扰，电子设备辐射的干扰都使通信系统受噪声影响严重，使得通信双方之间的信噪比比较低。
为了适应高动态环境，接收机的载波跟踪环路的环路带宽必须被加宽来捕获和跟踪上接收信号的多普勒频偏及其变化率，然而环路带宽的加大又势必导致载波跟踪精度的降低，尤其当跟踪环路处于低信噪比通信环境中时，噪声的引入甚至会导致载波跟踪环失锁。因此，传统的载波同步技术通常无法满足用户在低信噪比高动态环境下的应用需求。现有技术中，通信系统在低信噪比环境下存在载波环路失锁现象，这是由于四相松尾环是基于I、Q两路幅度相同条件得出的推导结论，传统技术没有对非对角线星座点进行特殊处理，而是将非对角线上星座点当做噪声进行处理。
在通信系统中，由于收发两端本地振荡器频率的不一致，多普勒频移以及信道的时变特性等原因，收发两端存在载波频偏以及相偏，体现在正交振幅调QAM星座图上就是旋转的星座，这会大大降低接收机的性能，甚至影响系统的正常通信。同时，越来越高的数据传输率要求更高频带利用率的调制体制以及更高效率的编码方式,这就要求系统在极低的信噪比环境下能够稳定的工作。在常用的16QAM载波同步技术中，往往采用四相松尾环进行载波同步，这也导致16QAM通信系统在低信噪比环境下存在载波环路失锁现象。这是由于四相松尾环是基于I、Q两路幅度相同条件得出的推导结论，传统技术没有对非对角线星座点进行特殊处理，而是将非对角线上星座点当做噪声进行处理。因此，如何在低信噪比环境下，快速稳定的实现16QAM的载波同步成为通信接收系统中亟需解决的问题。
发明内容
本发明的目的是针对传统的16QAM载波同步方法在信噪比低环境下存在的载波失锁情况，提供一种具有结构简单，工作信噪比低，同步精度高，易于工程实现的降低16QAM载波同步门限的方法。
本发明的的上述目的可以通过以下措施来达到：一种低信噪比环境16QAM载波同步系统，包括：正交下变频模块、低通滤波模块(LPF)、星座判决模块、星座筛选模块、16QAM鉴相模块、环路滤波模块和数字控制振荡器(NCO)，其中，正交下变频模块采用两路相互正交的本振信号与输入中频数字信号相乘，完成数字中频信号的去载波过程，在低信噪比环境下，无损的提取出信号的同相部分和正交部分；低通滤波模块滤除I、Q两路信号中的倍频项，得到数字基带信号I、Q；星座点判决模块完成16QAM信号的星座点判决，判定16QAM信号属于16QAM星座图的哪一个星座点；星座筛选模块将星座图的非对角线上的星座点去掉，仅保留对角线上的星座点；16QAM鉴相模块利用四相松尾环完成16QAM信号的相位误差提取；环路滤波模块对16QAM鉴相模块提取的相位误差进行滤波，得到仅与相位差有关的控制电压，准确地对数字控制振荡器进行调整，实现低信噪比环境下的16QAM载波同步。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
结构简单。本发明针对极低信噪比高动态条件下载波同步问题，采用正交下变频模块、低通滤波模块(LPF)，顺次通过星座判决模块、星座筛选模块、16QAM鉴相模块、环路滤波模块和数字控制振荡器(NCO)，组成载波同步环路。电路结构简单，易于利用FPGA与DSP进行工程实现。
工作信噪比低。本发明通过星座点判决与星座点筛选，去掉非对角线上的星座点，将对角线上的星座点送入四相松尾环进行鉴相，最终实现的低信噪比环境下的载波同步，降低了非稳定相位星座点对载波环路的影响，提高了载波环路的工作信噪比，避免了现有技术中，通信系统在低信噪比环境下存在载波环路失锁现象。
同步精度高。本发明针对传统的16QAM载波同步方法在信噪比低环境下存在的载波失锁问题，在传统的16QAM载波同步环路中加入星座点判决模块和星座点筛选模块，去掉非对角线上星座点后在利用四相松尾环进行鉴相，通过去掉非对角线上的星座点，避免了非稳定相位点对载波环路的影响，利用四相松尾环完成16QAM信号的相位误差提取；环路滤波模块对16QAM鉴相模块提取的相位误差进行滤波，得到仅与相位差有关的控制电压，准确地对数字控制振荡器进行调整，实现低信噪比环境下的载波同步，提高了载波的同步精度。
本发明适用于各种环境下的16QAM相干接收机中的载波同步。
附图说明
为了更清楚地理解本发明，现将通过参照附图，来描述本发明，其中：
图1是本发明低信噪比环境16QAM载波同步系统的载波同步原理示意图。
图2是图1的16QAM星座判决模块原理框图。
图3是本发明的16QAM星座映射点及判决示意图。
图4是的16QAM鉴相模块原理框图。
下面将结合附图对本发明的实施进行进一步具体的描述。
具体实施方式
参阅图1。在以下描述的优选实施例中，一种16QAM载波同步系统，包括：正交下变频模块、低通滤波模块(LPF)、星座判决模块、星座筛选模块、16QAM鉴相模块、环路滤波模块和数字控制振荡器(NCO)。其中，正交下变频模块采用两路相互正交的本振信号与输入中频数字信号相乘，完成数字中频信号的去载波过程，无损的提取出信号的同相部分和正交部分；低通滤波模块滤除I、Q两路信号中的倍频项，得到数字基带信号I、Q；星座点判决模块完成16QAM信号的星座点判决，判定16QAM信号属于16QAM星座图的哪一个星座点；星座筛选模块将非对角线上的星座点去掉，仅保留对角线上的星座点；16QAM鉴相模块利用四相松尾环完成16QAM信号的相位误差提取；环路滤波模块对16QAM鉴相模块提取的相位误差进行滤波，得到仅与相位差有关的控制电压，准确地对数字控制振荡器进行调整，实现低信噪比环境下的载波同步。
低信噪比环境下的16QAM载波同步，包括以下步骤：
正交下变频模块将输入A/D采样后的的中频数字信号与数字控制振荡器NCO产生的两路同相正交的载波进行混频，送入低通滤波模块中；低通滤波模块模块对混频后的信号进行滤波，滤除信号中的高频分量，得到同相正交基带信号I、Q，送入后端载波环路；I、Q信号送入星座点判决模块进行星座点判决，判定输入信号所属星座点；经过星座点判决后的信号被送入星座点筛选模块进行筛选，去除非对角线上的星座点后送入16QAM鉴相模块；16QAM鉴相模块利用四相松尾环提取载波相位误差vd，送入后端环路滤波模块中进行环路滤波，经过运算去除16QAM鉴相模块提取的载波相位误差vd中的高频分量及噪声，然后送入后端数字控制振荡器NCO；数字控制振荡器NCO通过输入的鉴相误差控制载波相位，产生和输入端同频同相的载波，从而达到载波同步的目的。
参阅图2。星座判决模块包括数字存储模块、判决值计算模块和16QAM星座点判决器，16QAM星座点判决器首先将输入的基带信号I、Q送入数字存储模块进行存储，本实施例取16384组基带信号I、Q数据进行存储，基带信号I、Q通过后端数字存储模块相连的判决值计算模块，通过下式计算判决值a：
Figure GDA0004009753210000041
判决值计算模块将输入的第k组数据Ik、Qk及判决值a送16QAM星座判决器中，若|Ik|>a且|Qk|>a或者|Ik|<a且|Qk|<a，则判定星座点属于对角上的星座点；否则，判定星座点属于非对角点上星座点，其中，Ik为第k个输入点的实部，Qk为第k个输入点的虚部。
参阅图3。在16QAM星座映射点及判决中，以16QAM信号实部基带信号I、虚部基带信号Q建立直角坐标系，将k个输入的16QAM星座映射点分别按直角坐标系四象限的区域等分分布星座图，将输入的16QAM信号送入16QAM星座点判决器进行星座点判决，判决后进行星座点筛选，16QAM星座点筛选器将经过星座点判决后落在对角线上的信号点送入后端鉴相器进行鉴相。图中黑色实心点代表对角线上的信号点，白色空心点代表非对角线上的信号点。
参阅图4。在可选的实施例中，星座筛选模块利用星座图筛选出落在星座图直角坐标系对角线上的基带信号I'、Q',16QAM鉴相模块首先将两个输入信号I'、Q'相加得到u3，相减得到u4，再通过取符号模块得到信号I'、Q'、u3、u4的符号u1、u2、u5、u6，再通过两个并行模2加法器，把加运算结果送入共端相连的模2加法器进行加运算，输出相位误差vd。其中，取符号模块输入若为正数，则取符号模块输出为1，否则输出为-1。综上，16QAM鉴相模块计算输出的相位误差vd可用下式表示：
Figure GDA0004009753210000051
其中，⊕代表模2加运算，sgn表示取符号操作，I'、Q'表示模块输入的基带信号。
以上所述的仅是本发明的优选实施实例。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，比如通过实际结构的调整变化，
也可推广到其他系统领域的应用平台，这些变更和改变都应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种低信噪比环境16QAM载波同步系统，包括：正交下变频模块、低通滤波模块(LPF)、星座判决模块、星座筛选模块、16QAM鉴相模块、环路滤波模块和数字控制振荡器(NCO)，其特征在于，所述星座判决模块包括数字存储模块、判决值计算模块和16QAM星座点判决器，所述正交下变频模块将输入A/D采样后的中频数字信号与数字控制振荡器产生的两路同相正交的载波进行混频，送入环路滤波模块中；环路滤波模块对混频后的信号进行滤波，滤除信号中的高频分量，得到同相正交基带信号I、Q，送入后端载波环路；I、Q信号送入星座点判决模块进行星座点判决，判定输入信号所属星座点：16QAM星座点判决器首先将输入的基带信号I、Q送入数字存储模块进行存储，基带信号I、Q通过后端数字存储模块相连的判决值计算模块，计算判决值；判决值计算模块将输入的第k组数据Ik、Qk及判决值a送16QAM星座判决器中，若|Ik|>a且|Qk|>a或者|Ik|<a且|Qk|<a，则判定星座点属于对角上的星座点；否则，判定星座点属于非对角点上星座点，其中，Ik为第k个输入点的实部，Qk为第k个输入点的虚部；经过星座点判决后的信号被送入星座点筛选模块进行筛选，去除非对角线上的星座点后送入16QAM鉴相模块；16QAM鉴相模块利用四相松尾环提取载波相位误差vd，送入后端环路滤波模块中进行环路滤波，经过运算去除16QAM鉴相模块提取的载波相位误差vd中的高频分量及噪声，然后送入后端数字控制振荡器NCO；数字控制振荡器NCO通过输入的鉴相误差控制载波相位，产生和输入端同频同相的载波，达到载波同步。
2.如权利要求1所述的低信噪比环境16QAM载波同步系统，其特征在于：基带信号I、Q通过后端数字存储模块相连的判决值计算模块，通过下式计算判决值a：
Figure FDA0004009753200000011
其中，Ik为第k个输入点的实部，Qk为第k个输入点的虚部，16384为基带信号I、Q数据组数。
3.如权利要求1所述的低信噪比环境16QAM载波同步系统，其特征在于：在16QAM星座映射点及判决中，以16QAM信号实部基带信号I、虚部基带信号Q建立直角坐标系，将k个输入的16QAM星座映射点分别按直角坐标系四象限的区域等分分布星座图，将输入的16QAM信号送入16QAM星座点判决器进行星座点判决，判决后进行星座点筛选，星座点筛选器将经过星座点判决后落在对角线上的信号点送入后端鉴相器进行鉴相。
4.如权利要求1所述的低信噪比环境16QAM载波同步系统，其特征在于：星座筛选模块利用星座图筛选出落在星座图直角坐标系对角线上的基带信号I'、Q',16QAM鉴相模块首先将两个输入信号I'、Q'相加得到u3，相减得到u4，再通过取符号模块得到信号I'、Q'、u3、u4的正负符号u1、u2、u5及u6，其中，取符号模块输入若为正数，则取符号模块输出为1，否则输出为-1。
5.如权利要求1所述的低信噪比环境16QAM载波同步系统，其特征在于：16QAM鉴相模块通过两个并行模2加法器，把加运算结果送入共端相连的模2加法器进行加运算，输出相位误差vd，并且
Figure FDA0004009753200000021
其中，
Figure FDA0004009753200000022
代表模2加运算，I'、Q'模块输入的基带信号。/>
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