CN113726716A - 一种基于判决反馈的载波相位误差鉴别方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于判决反馈的载波相位误差鉴别方法，通过倍频、选点的方式得到载波相位误差，且倍频后的信号降低了调制阶数，初步减小了符号判决次数；然后，本发明将倍频后的星座图顺时针旋转90度，位于X轴上的星座点相当于多组幅度不同的BPSK调制，因此选择位于X轴上的星座点，有利于进行相干积分和相位误差的提取，并能够进一步减小符号判决次数；相比于常规的判决反馈环载波相位误差鉴别器，本发明所提改进的判决反馈环载波相位误差鉴别器旋转操作不会带来额外的计算，只增加了倍频带来的乘法运算，但不需要提取接收信号相位，也不需要对多种调制相位进行判决和相位旋转，极大地减小了判决次数和总运算量。

Description

一种基于判决反馈的载波相位误差鉴别方法

技术领域

本发明属于航天测控通信领域，尤其涉及一种基于判决反馈的载波相位误差鉴别方法。

背景技术

星地数传通信技术作为天地之间的通讯手段，在满足传统语音通话业务的基础上，已经拓宽至图像、视频以及视频通话等高速率业务。随着遥感设备视频图像高分辨率和高多光谱分辨率技术日渐成熟，超高清视频图像等大量信息需要实时传输，星地链路传输的数据速率越来越高。越来越高的数据传输速率带来了频谱扩展的问题，如果仍选择经典的低阶调制，将会加剧频谱扩展、致使传输带宽激增。因此选择幅度和相位相结合的高阶调制成为高速数传信号调制体制发展的趋势。振幅移相键控(Amplitude Phase ShiftKeying，APSK)信号星座图呈现圆形分布，幅度以一定比例限定在几个圆上，信号包络变化更小，更适合在具有非线性传输特性的星地链路中传输。在星地高速数传中，由于星地设备存在相对运动，地面站接收到卫星下发的数传信号存在多普勒频移，载波同步技术通过载波同步来完成多普勒估计。其同步性能的好坏关系到能否准确解调数据，直接影响着星地通信质量，是保证星地高速通信系统能够正常运作至关重要的一环。

如图1所示，基于闭环反馈的载波相位估计方法通常采用锁相环，锁相环由于具有高抗干扰能力、高同步精度、易于集成化而被广泛应用。根据鉴相器的不同，常见的锁相环分为Costas环^[72]、M次方环^[73]以及判决反馈环^[74]。对于APSK这类多电平星座信号，幅度和相位均含有调制信息，因此需要对普通锁相环中的鉴相器进行改进，先剥离调制相位，去除调制相位的影响再提取载波相位误差。Costas环通过相位补偿和滤波的方式消除调制相位，相位提取精度受噪声影响，且信号调制阶数过高时，环路结构庞杂，对于资源受限的星地高数数传来说不适用。M次方环通过倍频的方式消除调制相位，对于高阶调制需要多次倍频才能满足相差提取的要求，多次倍频加强了噪声项，降低了接收机的灵敏度。判决反馈环先对接收信号进行符号判决，消除调制信息的影响，再提取相位误差信息，在位定时误差小的情况下具有与最大似然法相同的性能，但需要判决的目标符号与星座图点数相关，当星座图点数过高时，需要大量的计算判断接收信号位于星座图哪个位置，导致计算量激增。

对于星地高速数传来说，收发设备相对运动速度快，信号动态范围大，信号功率受限、接收信噪比低，同时对载波误差估计的实时性要求高。载波同步精度主要由鉴相器对载波误差提取的精度决定，现有鉴相器的精度和运算量仍然存在改善的空间，本发明针对载波同步技术中的闭环载波相位误差鉴别器开展研究，在保证接收机载波同步性能的同时，减小计算量。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种基于判决反馈的载波相位误差鉴别方法，能够降低调制阶数，并极大地减小判决次数和总运算量。

一种基于判决反馈的载波相位误差鉴别方法，包括以下步骤：

S1：将2^M位的APSK同步信号的I路分支信号s_I(k)和Q路分支信号s_Q(k)与本地载波进行混频后，再对混频后的信号进行倍频，得到I路倍频信号x_{I_2}(k)和Q路倍频信号x_{Q_2}(k)，其中，M至少为4；

S2：将I路倍频信号x_{I_2}(k)和Q路倍频信号x_{Q_2}(k)对应的星座图进行顺时针90度旋转，得到旋转星座图；

S3：将旋转星座图上的各星座点划分为M-2个数据环，并根据各数据环获取旋转星座图上属于X轴邻域范围内的星座点；

S4：获取各数据环的相位误差估计结果如下：

其中，

为位于中心的第一个数据环的相位误差估计结果，θ₁为第一个数据环的相位提取结果，i＝2,3,..,M-2，

为第2个～第M-2个数据环的相位误差估计结果，θ_i为第2个～第M-2个数据环的相位提取结果，M_i为第2个～第M-2个数据环的星座点数，round{·}表示四舍五入取整；

S5：将各数据环的相位误差估计结果的平均值作为2^M位的APSK同步信号的相位估计误差。

进一步地，旋转星座图上属于X轴邻域范围内的星座点的获取方法如下：

S31：判断星座点的幅度ρ是否小于第一判决门限

其中，

和

分别表示第一个数据环和第二个数据环的半径，若小于，则星座点属于X轴邻域范围内；若不小于，进入步骤S32；

S32：对于幅度ρ不小于第一判决门限D₁的星座点，分别判断每个星座点在Y轴上的投影|Q|与在X轴上的投影|I|之间的比值|Q|/|I|是否小于tan(2π/2M_i)，其中，M_i为星座点所属的数据环的星座点数，若小于，则星座点属于X轴邻域范围内；若不小于，则星座点不属于X轴邻域范围内。

进一步地，各星座点所属数据环的确定方法为：

若星座点的幅度ρ小于第一判决门限D₁，则该星座点属于第一个数据环；

若星座点的幅度ρ满足D_i-1≤ρ＜D_i，则该星座点属于第i个数据环，且第i环判决门限

与

分别为第i+1个数据环与第i个数据环的半径。

进一步地，各数据环的相位提取结果获取方法如下：

其中，θ_j为各数据环的相位提取结果，且j＝1,2,..,M-2，x′_{I_2}(k)为顺时针旋转90度后的I路倍频信号，x′_{Q_2}(k)为顺时针旋转90度后的Q路倍频信号，sign(·)为符号函数。

进一步地，所述M＝4，则第一个数据环和第二个数据环的相位误差估计结果如下：

同时，16位的APSK同步信号的相位估计误差

有益效果：

1、本发明提供一种基于判决反馈的载波相位误差鉴别方法，所提改进的判决反馈环载波相位误差鉴别器通过倍频、选点的方式得到载波相位误差，且倍频后的信号降低了调制阶数，初步减小了符号判决次数；然后，本发明将倍频后的星座图顺时针旋转90度，位于X轴上的星座点相当于多组幅度不同的BPSK调制，因此选择位于X轴上的星座点，有利于进行相干积分和相位误差的提取，并能够进一步减小符号判决次数；相比于常规的判决反馈环载波相位误差鉴别器，本发明所提改进的判决反馈环载波相位误差鉴别器旋转操作不会带来额外的计算，只增加了倍频带来的乘法运算，但不需要提取接收信号相位，也不需要对多种调制相位进行判决和相位旋转，极大地减小了判决次数和总运算量。

2、本发明提供一种基于判决反馈的载波相位误差鉴别方法，可扩展应用到更高阶APSK信号，如32-APSK信号，适用性更强，应用范围更广。

附图说明

图1为基于闭环反馈的载波同步环路；

图2为本发明提供的基于判决反馈的载波相位误差鉴别器；

图3为16-APSK信号星座图；

图4为倍频后的16-APSK信号星座图；

图5为经过倍频和旋转后的16-APSK信号星座图；

图6为经过倍频后的32-APSK信号星座图；

图7为经过倍频和旋转后的32-APSK信号星座图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本发明一种基于判决反馈的载波相位误差鉴别方法，通过倍频、选点的方式得到载波相位误差，其中，倍频降低了各环信号调制阶数，初步减小了符号判决次数，再选取在星座图上各数据环信号位于一条直线上的星座点进行鉴相，不需要提取接收信号相位，进一步减小了符号判决次数。

如图2所示，一种基于判决反馈的载波相位误差鉴别方法，包括以下步骤：

S1：将2^M位的APSK同步信号的I路分支信号s_I(k)和Q路分支信号s_Q(k)与本地载波进行混频后，再对混频后的信号进行倍频，得到I路倍频信号x_{I_2}(k)和Q路倍频信号x_{Q_2}(k)，其中，M至少为4。

进一步地，APSK同步信号表示为：

其中，ρ(k)表示第k个信号采样点的幅度，w_d为载波多普勒频率，

为载波偏移和相位抖动引入的未知相位，

表示调制相位，N_I(k)和N_Q(k)为高斯噪声。s_I(k)和s_Q(k)与本地载波进行混频后得到的信号为：

其中，Δω_d表示载波频偏，

表示载波相偏，n_I(k)和n_Q(k)为噪声项。

对s_I(k)和s_Q(k)进行信噪比估计得到的本地星座图表示为

其中，

为估计的信号幅度。载波相位误差鉴别器通过比较x_I(k)、x_Q(k)和X_I(k)、X_Q(k)对相位误差进行估计，然后通过低通滤波和压控振荡器调节本地载波的相位。本发明对载波相位误差鉴别器进行研究。

对混频后的接收信号进行2倍频，得到倍频后的信号为：

其中，n_{I_2}(k)和n_{Q_2}(k)为噪声项。若以16-APSK信号为例，16-APSK信号倍频前的星座图如图3所示，倍频之后的信号星座图如图4所示，可见，倍频后的内环信号相当于BPSK调制，外环信号相当于6-PSK调制，有效降低了调制阶数。

S2：将I路倍频信号x_{I_2}(k)和Q路倍频信号x_{Q_2}(k)对应的星座图进行顺时针90度旋转，得到旋转星座图。

需要说明的是，对星座图进行顺时针90度旋转，是为便于相位提取，同时，旋转后的信号为

可见，星座图旋转相当于交换I、Q两路信号，并没有增加额外的计算量；旋转后的星座图如图5所示；可见，倍频之前接收信号星座图与本地星座图的相差是相对于x轴的，倍频之后的相差是相较于y轴的，不便于相差提取；而星座图旋转后，接收信号星座图与本地星座图的相差又变成相对于x轴，更佳有利于相干积分和相位提取。

S3：将旋转星座图上的各星座点划分为M-2个数据环，并根据各数据环获取旋转星座图上属于X轴邻域范围内的星座点。

进一步地，旋转星座图上属于X轴邻域范围内的星座点的获取方法如下：

S31：判断星座点的幅度ρ是否小于第一判决门限

其中，

和

分别表示第一个数据环和第二个数据环的半径，若小于，则星座点属于X轴邻域范围内；若不小于，进入步骤S32，对幅度不小于第一判决门限的星座点进行进一步的判断；

S32：对于幅度ρ不小于第一判决门限D₁的星座点，分别判断每个星座点在Y轴上的投影|Q|与在X轴上的投影|I|之间的比值|Q|/|I|是否小于tan(2π/2M_i)，其中，M_i为星座点所属的数据环的星座点数，若小于，则星座点属于X轴邻域范围内；若不小于，则星座点不属于X轴邻域范围内。

同时，各星座点所属数据环的确定方法为：

也就是说，若星座点的幅度ρ小于第一判决门限D₁，则该星座点属于第一个数据环，并判定该星座点为X轴上的点；若星座点的幅度ρ满足D_i-1≤ρ＜D_i，则该星座点属于第i个数据环，且第i环判决门限

与

分别为第i+1个数据环与第i个数据环的半径。

例如，以16-APSK信号为例，对如何判决星座上的星座点是否属于X轴附近的点进行详细说明。由图3所示，16-APSK信号对应的星座图上的星座点分为内环和外环，其中s12、s13、s14和s15为内环点，其他的为外环点；如图6和图7所示，分别为经过倍频和旋转后的32-APSK信号星座图，可见，经过倍频和旋转后的星座图有3环，由内到外分别定义为第一环、第二环和第三环。

进一步地，继续参见图5，当星座点为内环上的点，那么这个点一定是X轴附近的点。而当星座点为外环上的点，这个点可能是X轴附近的点，也可能是Y轴附近的点；所以首先判决星座是否属于内环点，定义D₁表示内环判决门限，且

其中

和

表示内环和外环的半径。规定当信号采样点的幅度ρ＜D₁时，判决该星座点为内环上的点；否则为外环上的点。当某个星座点为外环上的点时，利用|Q|/|I|判决该点是否靠近X轴，其中，如果

则判决该星座点为X轴附近的点，否则为远离X轴的点。

S4：获取各数据环的相位误差估计结果如下：

其中，

为位于中心的第一个数据环的相位误差估计结果，θ₁为第一个数据环的相位提取结果，i＝2,3,..,M-2，

为第2个～第M-2个数据环的相位误差估计结果，θ_i为第2个～第M-2个数据环的相位提取结果，M_i为第2个～第M-2个数据环的星座点数，round{·}表示四舍五入取整。

需要说明的是，相位误差估计包括相干积分和相位提取两个步骤；令θ_j表示第j环的第s段相干积分时间段内的相位提取结果，则θ_j计算如下：

其中，θ_j为各数据环的相位提取结果，且j＝1,2,..,M-2，x′_{I_2}(k)为顺时针旋转90度后的I路倍频信号，x′_{Q_2}(k)为顺时针旋转90度后的Q路倍频信号，sign(·)为符号函数。

例如，仍然以16-APSK信号为例，则θ₁和θ₂为内环和外环的相位提取结果，对θ₁和θ₂进行去倍频和去相位模糊操作，得到的内环和外环的相位误差估计为

S5：将各数据环的相位误差估计结果的平均值

作为2^M位的APSK同步信号的相位估计误差。

至此，本发明基于判决反馈，完成了对2^M位的APSK同步信号的载波相位误差鉴别。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当然可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于判决反馈的载波相位误差鉴别方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：将2^M位的APSK同步信号的I路分支信号s_I(k)和Q路分支信号s_Q(k)与本地载波进行混频后，再对混频后的信号进行倍频，得到I路倍频信号x_{I_2}(k)和Q路倍频信号x_{Q_2}(k)，其中，M至少为4；

S2：将I路倍频信号x_{I_2}(k)和Q路倍频信号x_{Q_2}(k)对应的星座图进行顺时针90度旋转，得到旋转星座图；

S3：将旋转星座图上的各星座点划分为M-2个数据环，并根据各数据环获取旋转星座图上属于X轴邻域范围内的星座点；

S4：获取各数据环的相位误差估计结果如下：

其中，

为位于中心的第一个数据环的相位误差估计结果，θ₁为第一个数据环的相位提取结果，i＝2,3,..,M-2，

为第2个～第M-2个数据环的相位误差估计结果，θ_i为第2个～第M-2个数据环的相位提取结果，M_i为第2个～第M-2个数据环的星座点数，round{·}表示四舍五入取整；

S5：将各数据环的相位误差估计结果的平均值作为2^M位的APSK同步信号的相位估计误差。

2.如权利要求1所述的一种基于判决反馈的载波相位误差鉴别方法，其特征在于，旋转星座图上属于X轴邻域范围内的星座点的获取方法如下：

S31：判断星座点的幅度ρ是否小于第一判决门限

其中，

和

分别表示第一个数据环和第二个数据环的半径，若小于，则星座点属于X轴邻域范围内；若不小于，进入步骤S32；

S32：对于幅度ρ不小于第一判决门限D₁的星座点，分别判断每个星座点在Y轴上的投影|Q|与在X轴上的投影|I|之间的比值|Q|/|I|是否小于tan(2π/2M_i)，其中，M_i为星座点所属的数据环的星座点数，若小于，则星座点属于X轴邻域范围内；若不小于，则星座点不属于X轴邻域范围内。

3.如权利要求2所述的一种基于判决反馈的载波相位误差鉴别方法，其特征在于，各星座点所属数据环的确定方法为：

若星座点的幅度ρ小于第一判决门限D₁，则该星座点属于第一个数据环；

若星座点的幅度ρ满足D_i-1≤ρ＜D_i，则该星座点属于第i个数据环，且第i环判决门限

与

分别为第i+1个数据环与第i个数据环的半径。

4.如权利要求1所述的一种基于判决反馈的载波相位误差鉴别方法，其特征在于，各数据环的相位提取结果获取方法如下：

其中，θ_j为各数据环的相位提取结果，且j＝1,2,..,M-2，x′_{I_2}(k)为顺时针旋转90度后的I路倍频信号，x′_{Q_2}(k)为顺时针旋转90度后的Q路倍频信号，sign(·)为符号函数。

5.如权利要求1所述的一种基于判决反馈的载波相位误差鉴别方法，其特征在于，所述M＝4，则第一个数据环和第二个数据环的相位误差估计结果如下：

同时，16位的APSK同步信号的相位估计误差

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