CN113395233B - 利用载波同步环路锁定指示的高阶apsk分段载波同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线通信技术领域。本发明提出了利用一种载波同步环路锁定指示的高阶APSK分段载波同步方法，保持了实现简单、运算快速的优点，并且增大了APSK调制的频偏捕获范围，并且在环路受到一定程度的突发干扰下能够仍然稳定工作，在失锁后，也能根据锁定指示重新计算出正确的载波误差，使环路重新收敛。

Description

利用载波同步环路锁定指示的高阶APSK分段载波同步方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种利用载波同步环路锁定指示的高阶APSK分段载波同步方法。

背景技术

APSK星座具有较少的幅度变化，适合应用在卫星通信中。其中，16apsk与32apsk是DVBS2标准中常用的信号调制方式，采用这些高阶的调制方式，能在有限的带宽内实现高速的数据传输，提高频谱利用率。而载波同步是数字接收机中的关键环节之一，恢复载波相位的反馈环路包括解旋、鉴相器、环路滤波器以及NCO振荡器，其中鉴相方法通常采用DD(判决导向)或者NDA(非数据辅助)方法。

1).信号模型

APSK是一种幅度相位调制方式，不同于传统方型星座QAM调制，其分布呈中心向外沿发散，其星座图由多个圆构成，每个圆上的星座点均匀分布，信道的等效基带模型为：

其中，k代表第几个圈，R_k代表第k个圈的半径，n_k为第k个圈的星座点数，θ_k为第k个圈上第一个星座点的初相。图1给出了32APSK调制的星座图，包括三个圆，第一个圆上有4个星座点，第二个圆上有12个星座点，第三个圆上有16个星座点。

2).常用的鉴相方法

常用的载波同步环路结构如图2所示，由解旋、鉴相器、环路滤波器以及NCO振荡器构成。

环路中信号的基本流程为：输入信号经过解旋模块后输入到鉴相器中，由鉴相器输出相位误差到环路滤波器中，经过环路滤波器衰减噪声后输入到NCO振荡器中，使之输出的频率与相位往正确的方向调整，然后传给解旋模块对输出信号进行正确的载波相位补偿。

其中，鉴相方法通常采用DD/NDA鉴相方法。对APSK调制来说，星座图可以根据圆的不同分为不同的子星座。对于32APSK调制来说，可以分为一个4-PSK星座图、一个12-PSK星座图与一个16-PSK星座图。由于12-PSK经过三次方运算后其星座图会变成4个星座点，类似于4-PSK的星座图，以此类推，16-PSK经过四次方运算后也会变成4个星座点，不过其星座会出现整体45度的偏移，需要逆向旋转回来。这样，输入信号经过幅度判决判断其属于哪个圈，而后经过不同的运算后，三个圆均变成了类似于QPSK星座图的样子，然后利用高效的QPSK信号四象限判决算法(4QDD)计算载波误差。

但是，常用的载波同步方法中，APSK调制的频偏捕获范围偏小，并且在环路受到一定程度的突发干扰下无法稳定工作。

因此,现阶段需设计一种利用载波同步环路锁定指示的高阶APSK分段载波同步方法,来解决以上问题。

发明内容

本发明目的在于提供利用载波同步环路锁定指示的高阶APSK分段载波同步方法，用于解决上述现有技术中存在的技术问题，如：常用的载波同步方法中，APSK调制的频偏捕获范围偏小，并且在环路受到一定程度的突发干扰下无法稳定工作。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种利用载波同步环路锁定指示的高阶APSK分段载波同步方法，包括以下步骤：

S1：只根据高阶APSK最内圈的子星座图来进行鉴相计算；

根据幅度判决，若属于最内圈子星座图，则采用4QDD计算载波误差，否则，保持上一次的载波误差，不进行新的计算更新；

然后采用QPSK的载波同步锁定指示方法，同理，将属于最内圈子星座图的信号输入到QPSK载波同步锁定指示计算模块中；

待到锁定指示给出信号最内圈子星座图已经锁定后，其外圈的星座图仍未锁定，因此根据内圈锁定指示，将切换到步骤S2；

S2：采用带权重的鉴相方法，利用所有的星座点来进行鉴相计算；

高阶32APSK星座调制，将输入信号进行幅度判决，判断其属于哪个子星座图后，根据运算变成4-PSK星座图中的一点，然后通过4QDD计算载波误差；

并且由于每个子星座图的幅度不同，将根据其幅度的不同，在不同的子星座图计算出的载波误差上乘一个权重系数，使其计算出的载波误差在同一量级上；经过仿真，使环路收敛。

进一步的，步骤S1具体如下：

解旋：根据NCO反馈的相位，对输入信号进行补偿，从而得到正确的信息；

幅度判定：根据输入信号的幅度，判断信号属于何种子星座图；

QPSK锁定指示：收到属于最内圈的信号后，通过指示算法，计算锁定指示，将指示输入到鉴相器中，进行算法选择判定，具体算法如下：

其中，x_k为属于最内圈子星座图的输入信号，w_k为锁定指示的判定值，P为判定值在一定时间内的均值，Lock_indicator为输出的锁定指示信号，Th为锁定门限；

内圈鉴相算法：在锁定指示告知载波同步未锁定的情况下，鉴相器选择内圈鉴相算法，输入信号若属于最内圈星座点，则通过4QDD计算其载波误差，若不属于最内圈星座点，则保持上一次的载波误差值，算法如下：

其中，x_k为鉴相器输入信号，e_k为鉴相器输出结果，Th1为星座图最内圈与中圈圆环半径的均值。

进一步的，步骤S2具体如下：

带权重鉴相算法：在锁定指示告知载波同步已锁定的情况下，鉴相器选择带权重鉴相算法，输入信号若属于最内圈星座点，则直接通过4QDD计算其载波误差；输入信号若属于中圈星座点，则进行三次方运算后再通过4QDD计算其载波误差；输入信号若属于外圈星座点，则进行四次方运算和旋转45°后再通过4QDD计算其载波误差；

PED限幅：根据鉴相器计算出的载波误差幅度，对其进行限幅：

其中，e_k为鉴相器输出结果，ω_k为PED限幅输出结果，p为限定的PED幅度大小；

环路滤波器及NCO：PED经过环路滤波器输入到NCO模块中，产生正确的相位信息反馈给解旋模块。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：

本方案的一个创新点在于，本方法保持了实现简单、运算快速的优点，并且增大了APSK调制的频偏捕获范围，并且在环路受到一定程度的突发干扰下能够仍然稳定工作，在失锁后，也能根据锁定指示重新计算出正确的载波误差，使环路重新收敛。

附图说明

图1是本发明现有技术的32APSK星座示意图。

图2是本发明现有技术的载波同步环路基本结构示意图。

图3是本发明现有技术的32APSK常用鉴相方法示意图。

图4是本发明具体实施方式的流程示意图。

图5是本发明具体实施方式的32APSK带权重鉴相方法示意图。

图6是本发明具体实施方式的分段鉴相方法结构示意图。

具体实施方式

下面结合本发明的附图1-6，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例：

提供一种利用载波同步锁定指示的APSK分段载波同步方法，其鉴相方法根据QPSK的载波同步环路锁定指示，分为两段进行流程如图4所示。

第一段鉴相方法中，只根据APSK最内圈的子星座图来进行鉴相计算，根据幅度判决，若属于最内圈子星座图，则采用4QDD计算载波误差，否则，保持上一次的载波误差，不进行新的计算更新。

然后采用QPSK的载波同步锁定指示方法，同理，将属于最内圈子星座图的信号输入到QPSK载波同步锁定指示计算模块中。

待到锁定指示给出信号最内圈子星座图已经锁定后，本文发现其外圈的星座图仍未锁定，因此根据锁定指示，将切换到第二段鉴相方法。

第二段鉴相方法中，采用带权重的常用鉴相方法，利用所有的星座点来进行鉴相计算。例如32APSK星座调制，将输入信号进行幅度判决，判断其属于哪个子星座图后，根据运算变成4-PSK星座图中的一点，然后通过4QDD计算载波误差。并且由于每个子星座图的幅度不同，本方法将根据其幅度的不同，在不同的子星座图计算出的载波误差上乘上一个权重系数，使其计算出的载波误差在同一量级上。这样做虽然在一定程度上放大了内圈星座点的噪声，但经过仿真，不影响信号判决，并且能够使环路更快更准确的收敛。

如图3所示，以32APSK为例，通常的载波环路中的鉴相步骤为，输入信号通过解旋模块后输入到鉴相器中，鉴相器通过幅度判定，判决输入信号属于哪个子星座图，最外圈子星座图进行四次方运算以及旋转45°，中圈自星座图进行三次方运算，最内圈不进行额外运算。而后通过4QDD算法计算其载波误差，算法如下：

e_k＝sign(Re(y_k))·Im(y_k)-sign(Im(y_k))·Re(y_k)

其中，k代表信号序号，x_k为输入鉴相器信号，y_k为不同子星座图运算后的结果，e_k为计算出的载波误差，Th1为星座图最内圈与中圈圆环半径的均值，Th2为星座图中圈与外圈圆环半径的均值。

因此，本发明在传统鉴相算法的基础上提出分段鉴相，根据锁定指示将鉴相方法分成两段不一样的算法进行，在保证实现简单、运算快速的优点上提高频偏捕获范围。

具体的，结合图4所示的本发明的流程示意图；本发明分段载波同步方法包括以下步骤：

解旋：根据NCO反馈的相位，对输入信号进行补偿，从而得到正确的信息。

幅度判定：根据输入信号的幅度，判断信号属于哪个子星座图。

QPSK锁定指示：收到属于最内圈的信号后，通过指示算法，计算锁定指示，将指示输入到鉴相器中，进行算法选择判定，具体算法如下：

其中，x_k为属于最内圈子星座图的输入信号，w_k为锁定指示的判定值，P为判定值在一定时间内的均值，Lock_indicator为输出的锁定指示信号，Th为锁定门限。

内圈鉴相算法：在锁定指示告知载波同步未锁定的情况下，鉴相器选择内圈鉴相算法，输入信号若属于最内圈星座点，则通过4QDD计算其载波误差，若不属于最内圈星座点，则保持上一次的载波误差值，算法如下：

其中，x_k为鉴相器输入信号，e_k为鉴相器输出结果，Th1为星座图最内圈与中圈圆环半径的均值。

如图5所示，带权重鉴相算法：在锁定指示告知载波同步已锁定的情况下，鉴相器选择带权重鉴相算法，输入信号若属于最内圈星座点，则直接通过4QDD计算其载波误差；输入信号若属于中圈星座点，则进行三次方运算后再通过4QDD计算其载波误差；输入信号若属于外圈星座点，则进行四次方运算和旋转45°后再通过4QDD计算其载波误差。图5中w1、w2、w3为不同子星座图的权重系数。最后将算出的载波误差PED经过限幅后送入环路滤波器。

PED限幅：根据鉴相器计算出的载波误差幅度，对其进行限幅：

其中，e_k为鉴相器输出结果，ω_k为PED限幅输出结果，p为限定的PED幅度大小。

环路滤波器及NCO：PED经过环路滤波器输入到NCO模块中，产生正确的相位信息反馈给解旋模块。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.利用载波同步环路锁定指示的高阶APSK分段载波同步方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：只根据高阶APSK最内圈的子星座图来进行鉴相计算；

根据幅度判决，若属于最内圈子星座图，则采用4QDD计算载波误差，否则，保持上一次的载波误差，不进行新的计算更新；

然后采用QPSK的载波同步锁定指示方法，同理，将属于最内圈子星座图的信号输入到QPSK载波同步锁定指示计算模块中；

待到锁定指示给出信号最内圈子星座图已经锁定后，其外圈的星座图仍未锁定，因此根据内圈锁定指示，将切换到步骤S2；

S2：采用带权重的鉴相方法，利用所有的星座点来进行鉴相计算；

高阶32APSK星座调制，将输入信号进行幅度判决，判断其属于哪个子星座图后，根据运算变成4-PSK星座图中的一点，然后通过4QDD计算载波误差；

并且由于每个子星座图的幅度不同，将根据其幅度的不同，在不同的子星座图计算出的载波误差上乘一个权重系数，使其计算出的载波误差在同一量级上；经过仿真，使环路收敛。

2.如权利要求1所述的利用载波同步环路锁定指示的高阶APSK分段载波同步方法，其特征在于，步骤S1具体如下：

解旋：根据NCO反馈的相位，对输入信号进行补偿，从而得到正确的信息；

幅度判定：根据输入信号的幅度，判断信号属于何种子星座图；

QPSK锁定指示：收到属于最内圈的信号后，通过指示算法，计算锁定指示，将指示输入到鉴相器中，进行算法选择判定，具体算法如下：

其中，x_k为属于最内圈子星座图的输入信号，w_k为锁定指示的判定值，P为判定值在一定时间内的均值，Lock_indicator为输出的锁定指示信号，Th为锁定门限；

内圈鉴相算法：在锁定指示告知载波同步未锁定的情况下，鉴相器选择内圈鉴相算法，输入信号若属于最内圈星座点，则通过4QDD计算其载波误差，若不属于最内圈星座点，则保持上一次的载波误差值，算法如下：

其中，x_k为鉴相器输入信号，e_k为鉴相器输出结果，Th1为星座图最内圈与中圈圆环半径的均值。

3.如权利要求2所述的利用载波同步环路锁定指示的高阶APSK分段载波同步方法，其特征在于，步骤S2具体如下：

带权重鉴相算法：在锁定指示告知载波同步已锁定的情况下，鉴相器选择带权重鉴相算法，输入信号若属于最内圈星座点，则直接通过4QDD计算其载波误差；输入信号若属于中圈星座点，则进行三次方运算后再通过4QDD计算其载波误差；输入信号若属于外圈星座点，则进行四次方运算和旋转45°后再通过4QDD计算其载波误差；

PED限幅：根据鉴相器计算出的载波误差幅度，对其进行限幅：

其中，e_k为鉴相器输出结果，ω_k为PED限幅输出结果，p为限定的PED幅度大小；

环路滤波器及NCO：PED经过环路滤波器输入到NCO模块中，产生正确的相位信息反馈给解旋模块。

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