CN114826858B - 载波同步方法和装置、计算机设备、存储介质 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种载波同步方法和装置、计算机设备、存储介质，属于卫星通信技术领域。该方法包括：接收输入信号，对输入信号的帧头进行信号加工得到去调制信号，利用去调制信号进行开环载波同步得到补偿信号，执行闭环载波跟踪循环过程直至满足预设条件，其中，该循环过程包括：对补偿信号的当前符号进行相位补偿得到同步信号，对同步信号进行鉴相操作得到相位误差信号，根据相位误差信号对补偿信号进行信号调整，并将补偿信号的下一符号作为当前符号。本申请通过对载波同步方法进行改进，避免相位模糊现象，从而减小载波同步模块的资源占用。
Description
技术领域
本申请涉及卫星通信技术领域，尤其涉及一种载波同步方法和装置、计算机设备、存储介质。
背景技术
随着卫星通信的发展，频谱资源日趋紧张，而数据传输需求却与日俱增，这就要求卫星通信必须在有限的带宽内实现高速的数据传输，所以就需要使用高带宽效率的高阶调制方式如8PSK。相关技术中，未预差分编码的8PSK只适合相干解调，接收机通常需要对发送载波的收发端之间的载波频偏及相偏进行估计，然后通过跟踪环路对载波相偏进行实时跟踪，从而达到正确解调的目的。但是传统的载波相位跟踪方法会存在相位模糊现象，需要进行去模糊处理，从而导致载波同步模块的资源占用较大。
发明内容
本申请旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本申请提出一种载波同步方法和装置、计算机设备、存储介质，能够通过对载波同步方法进行改进，避免相位模糊现象，从而减小载波同步模块的资源占用。
第一方面，本申请实施例提供了一种载波同步方法，所述方法包括：
接收输入信号，并对输入信号的帧头进行信号加工得到去调制信号；
利用所述去调制信号进行开环载波同步得到补偿信号；
执行闭环载波跟踪循环过程直至满足预设条件；所述循环过程包括：
对所述补偿信号的当前符号进行相位补偿，得到同步信号；
对所述同步信号进行鉴相操作得到相位误差信号；
根据所述相位误差信号对所述补偿信号进行信号调整，并将所述补偿信号的下一符号作为所述当前符号；
其中，所述预设条件为：所述补偿信号的符号计算完毕。
本申请上述第一方面的技术方案至少具有如下优点或有益效果之一：首先接收输入信号，对输入信号的帧头进行信号加工得到去调制信号，然后，利用去调制信号进行开环载波同步得到补偿信号，之后，执行闭环载波跟踪循环过程直至满足预设条件，其中，循环过程包括：对补偿信号的当前符号进行相位补偿，得到同步信号，再对同步信号进行鉴相操作得到相位误差信号，根据相位误差信号对补偿信号进行信号调整，并将补偿信号的下一符号作为所述当前符号，执行上述循环过程直至补偿信号的符号计算完毕。本申请通过对传统的载波同步方法进行改进，能够避免相位模糊现象，从而减小载波同步模块的资源占用。
在本申请的一些实施例中，所述对所述同步信号进行鉴相操作得到相位误差信号，包括：
根据BPSK星座的预设排列特性对所述同步信号进行微调，得到微调信号和所述微调信号对应的目标排列特性；
基于所述目标排列特性，采用BPSK鉴相公式对所述同步信号进行计算得到初始相位误差；
根据所述初始相位误差，得到所述相位误差信号。
在本申请的一些实施例中，所述接收输入信号，并对输入信号的帧头进行信号加工得到去调制信号，包括：
接收输入信号；对所述输入信号的帧头与本地已调制帧头信号进行共轭相乘操作得到所述去调制信号。
在本申请的一些实施例中，所述利用所述去调制信号进行开环载波同步得到补偿信号，包括：
对所述去调制信号进行载波频偏估计，得到频偏估计值；
根据所述频偏估计值对所述输入信号进行频偏补偿，得到初步补偿信号；
对所述去调制信号进行载波相偏估计，得到相偏估计值；
根据所述相偏估计值对所述初步补偿信号进行相偏补偿，得到所述补偿信号。
在本申请的一些实施例中，所述去调制信号包括去调制帧头信号，所述对所述去调制信号进行载波频偏估计，得到频偏估计值，包括：
获取所述去调制帧头信号的前N个数据，作为待调整数据；
对所述待调整数据进行傅里叶变换，得到频域周期图；
从所述频域周期图中获取所述频偏估计值；其中，所述频偏估计值为所述频域周期图的峰值位置。
在本申请的一些实施例中，所述对所述去调制信号进行载波频偏估计，得到频偏估计值，还包括：
获取所述待调整数据中最后一个所述数据的位置，得到结束位置；
在所述结束位置之后添加预设数据，得到初步调整数据；
对所述初步调整数据进行傅里叶变换，得到所述频偏估计值。
在本申请的一些实施例中，所述根据所述相位误差信号对所述补偿信号进行信号调整，包括：
对所述相位误差信号进行平滑滤波操作，得到滤波信号；
利用前向欧拉积分规则对所述滤波信号进行过滤操作，得到估计值；
根据所述估计值对所述补偿信号进行调整。
第二方面，本申请实施例还提供了一种载波同步装置，所述装置包括：
信号加工模块，用于接收输入信号，并对输入信号的帧头进行信号加工得到去调制信号；
同步模块，用于利用所述去调制信号进行开环载波同步得到补偿信号；
跟踪模块，用于执行闭环跟踪循环过程直至满足预设条件；所述循环过程包括：
对所述补偿信号的当前符号进行相位补偿，得到同步信号；
对所述同步信号进行鉴相操作得到相位误差信号；
根据所述相位误差信号对所述补偿信号进行信号调整，并将所述补偿信号的下一符号作为所述当前符号；
其中，所述预设条件为：所述补偿信号的符号计算完毕。
本申请上述第二方面的技术方案至少具有如下优点或有益效果之一：首先利用信号加工模块接收输入信号，对输入信号的帧头进行信号加工得到去调制信号，然后，利用同步模块对去调制信号进行开环载波同步得到补偿信号，之后，将补偿信号输入闭环跟踪循环模块以执行循环过程直至满足预设条件，其中，循环过程包括：对补偿信号的当前符号进行相位补偿，得到同步信号，再对同步信号进行鉴相操作得到相位误差信号，根据相位误差信号对补偿信号进行信号调整，并将补偿信号的下一符号作为所述当前符号，执行上述循环过程直至补偿信号的符号计算完毕。本申请通过对传统的载波同步方法进行改进，能够避免相位模糊现象，从而减小载波同步模块的资源占用。
第三方面，本申请实施例还提供了一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，其中，所述存储器中存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时所述处理器用于执行如第一方面任一项实施例的方法。
第四方面，本申请实施例还提供了一种存储介质，所述存储介质为计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，在所述计算机程序被计算机执行时，所述计算机用于执行如第一方面任一项实施例的方法。
本申请的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请而了解。
附图说明
附图用来提供对本申请技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，并不构成对本申请技术方案的限制。
图1是本申请一些实施例提供的载波同步方法的流程图；
图2是图1中步骤S130的流程图；
图3是图2中步骤S220的流程图；
图4是图1中步骤S120的流程图；
图5是图1中步骤S130的流程图；
图6是图5中步骤S510的流程图；
图7是图5中步骤S510的流程图；
图8是图2中步骤S230部分步骤的流程图；
图9是本申请一些实施例提供的载波同步装置的模块结构框图；
图10是本申请一些实施例提供的采用8PSK调制后得到的初步调制信号的星座图；
图11是本申请一些实施例提供的闭环载波相位跟踪原理图；
图12是本申请一些实施例提供的对同步信号做4次方处理后的8PSK的四次方星座图；
图13是本申请一些实施例提供的定点化的原始闭环载波相位跟踪算法误差的第一仿真结果图；
图14是本申请一些实施例提供的定点化的原始闭环载波相位跟踪算法误差的第二仿真结果图；
图15是本申请一些实施例提供的定点化的改进闭环载波相位跟踪算法误差的第一仿真结果图；
图16是本申请一些实施例提供的定点化的改进闭环载波相位跟踪算法误差的第二仿真结果图；
图17是本申请一些实施例提供的定点化的原始闭环载波相位跟踪算法误码性能的仿真结果图；
图18是本申请一些实施例提供的定点化的改进闭环载波相位跟踪算法误码性能的仿真结果图。
具体实施方式
下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。
在本申请的描述中，若干的含义是一个以上，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本申请的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“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。
随着卫星通信的发展，频谱资源日趋紧张，而数据传输需求却与日俱增，这就要求卫星通信必须在有限的带宽内实现高速的数据传输，所以就需要使用高带宽效率的高阶调制方式如8PSK。相关技术中，未预差分编码的8PSK只适合相干解调，接收机通常需要对发送载波的收发端之间的载波频偏及相偏进行估计，然后通过跟踪环路对载波相偏进行实时跟踪，从而达到正确解调的目的。但是传统的载波相位跟踪方法会存在相位模糊现象，需要进行去模糊处理，从而导致载波同步模块的资源占用较大。
基于此，本申请提供了一种载波同步方法和装置、计算机设备、存储介质，该方法如下，首先接收输入信号，对输入信号的帧头进行信号加工得到去调制信号，再对去调制信号进行载波同步得到补偿信号，之后，执行循环过程直至满足预设条件，其中，循环过程包括：对补偿信号的当前符号进行相位补偿，得到同步信号，再对同步信号进行鉴相操作得到相位误差信号，根据相位误差信号对补偿信号进行信号调整，并将补偿信号的下一符号作为所述当前符号，执行上述循环过程直至补偿信号的符号计算完毕。本申请通过对传统的载波同步方法进行改进，能够避免相位模糊现象，从而减小载波同步模块的资源占用。
下面结合附图，对本申请实施例作进一步的阐述。
参考图1，本申请的一些实施例提供了一种载波同步方法，该方法包括但不限于步骤S110、步骤S120、步骤S130。
步骤S110，接收输入信号，并对输入信号的帧头进行信号加工得到去调制信号。
在一些实施例中，接收输入信号后，对输入信号的帧头进行信号加工得到去调制信号，其中，接收信号为已调制信号，该调制方法可以为8PSK调制。可以理解的是，8移相键控(8Phase Shift Keying，8PSK)是一种相位调制算法。相位调制(调相)是频率调制(调频)的一种演变，载波的相位被调整用于把数字信息的比特编码到每一次相位改变(相移)。
在实际应用中，通常突发通信系统中物理层帧结构主要由帧头、导频和数据组成，除帧头外其余部分统称为数据段。当数据段采用MPSK调制，即输入信号采用MPSK调制时，存在公式(1)，该公式如下所示：
公式(1)中，ck为初步调制信号，ak＝0,2π/M,...,2π(M-1)/M，k＝0,1,...,L。本实施例中，预设调制方法为8PSK调制，此时M＝8，图10给出了采用8PSK调制的星座图。
在一些实施例中，对输入信号的帧头进行信号加工得到去调制信号，该去调制信号消除了调制信息的影响，为仅含有频偏、相偏和噪声的信号。
步骤S120，利用去调制信号进行开环载波同步得到补偿信号。
在一些实施例中，在得到去调制信号后，对去调制信号进行开环载波同步得到补偿信号，由于经过该步骤得到的补偿信号中还含有残余频偏，因此该开环载波同步也可以称为是开环载波的粗同步，后续操作将对残余频偏进行估计、跟踪并补偿。
步骤S130，执行闭环载波跟踪循环过程直至满足预设条件。
在一些实施例中，在得到补偿信号后，执行循环过程，直至补偿信号的符号都计算完毕，即实现对每一符号残余频偏进行估计、跟踪并补偿，从而达到正确解调的目的。
在一些实施例中，如图2所示，图2是步骤S130中的循环过程的步骤流程图，该循环过程包括但不限于步骤S210、步骤S220、步骤S230。
步骤S210，对补偿信号的当前符号进行相位补偿，得到同步信号；
步骤S220，对同步信号进行鉴相操作得到相位误差信号；
步骤S230，根据相位误差信号对补偿信号进行信号调整，并将补偿信号的下一符号作为当前符号。
具体的，循环开始，先对补偿信号的当前符号进行相位补偿，得到同步信号，再对同步信号进行鉴相操作得到相位误差信号，根据相位误差信号对补偿信号进行信号调整，之后再将调整后的补偿信号的下一符号作为当前符号，重复上述循环过程，直至补偿信号的符号都计算完毕，由此实现对每一符号残余频偏进行估计、跟踪并补偿，从而达到正确解调的目的。
在一些具体实施例中，参照图11，该循环过程由相位补偿模块、鉴相器、环路滤波器和数控振荡器组成的锁相环实现，其实现闭环载波相位跟踪的具体原理为：将补偿信号输入至相位补偿模块，对补偿信号的当前符号进行相位补偿，输出的信号记为ok，ok同时也作为鉴相器的输入，ok输入鉴相器进行鉴相操作后输出的相位误差记为ek，ek经过环路滤波器后输出的ψk反馈至数控振荡器(Numerically Controlled Oscillator，NCO)并输出θk，之后相位补偿模块利用估计值θk对接收信号进行调整，将调整后补偿信号的下一符号作为当前符号继续进入循环过程，直至补偿信号的符号都计算完毕，由此实现解调，完成载波同步。
在一些实施例中，如图3所示，图3是步骤S220的细化步骤流程图，步骤S220包括但不限于步骤S310、步骤S320、步骤S330。
步骤S310，根据BPSK星座的预设排列特性对同步信号进行微调，得到微调信号和微调信号对应的目标排列特性；
步骤S320，基于目标排列特性，采用BPSK鉴相公式对同步信号进行计算得到初始相位误差；
步骤S330，根据初始相位误差，得到相位误差信号。
在一些实施例中，根据BPSK星座的预设排列特性对同步信号进行微调，得到微调信号和微调信号对应的目标排列特性，再基于目标排列特性，采用BPSK鉴相公式对同步信号进行计算得到初始相位误差，之后根据初始相位误差，得到相位误差信号，该鉴相算法的改进避免了相位模糊现象的产生，从而减小了载波同步模块的资源占用。
在一些具体实施例中，传统的鉴相算法如下：已知鉴相器输入的8PSK调制信号为ok，输入信号ok的实部和虚部分别为Ik，Qk，则存在公式(2)和公式(3)，表示如下：
Ik＝Re(ok) (2)
Qk＝Im(ok) (3)
鉴相器的输出相位误差记为ek，则ek可以用公式(4)表示，该公式如下所示：
由公式(4)可知，8PSK的鉴相过程需要根据实部虚部的判断结果来选择鉴相公式，这使得鉴相结果受信噪比的影响极大，因此该传统的鉴相算法不适用低信噪比下条件。
在该实际应用中，本申请为解决传统鉴相算法的存在的上述问题，提出了以下改进，首先根据8PSK星座的排列特性，对鉴相器的输入信号ok做4次方处理，此时星座图变成了一个BPSK星座，如图12所示，图中的“·”表示原8PSK星座点，“o”表示4次方后的星座点。由于4次方运算后的星座变成了非常接近BPSK的星座，因此接下来的鉴相运算可采用BPSK的鉴相公式进行，对输入信号做4次方处理后相位误差扩大了4倍，需要对误差结果除以4，上述运算过程可用公式(5)表示，该公式如下所示：
ek＝(sign(Ik)·Qk)/4 (5)
由公式(5)可知，本申请提出的鉴相算法极大简化了鉴相公式，且该算法得到的输出信号不存在相位模糊现象，节省了鉴相器的资源占用，进而减小了载波同步模块的资源占用。
在一些实施例中，如图4所示，图4是步骤S120的细化步骤流程图，步骤S120包括但不限于步骤S410、步骤S420。
步骤S410，接收输入信号；步骤S420，对输入信号的帧头与本地已调制帧头信号进行共轭相乘操作得到去调制信号。
具体的，对输入信号的帧头进行信号加工得到去调制信号的具体过程包括：对输入信号的帧头与本地已调制帧头进行共轭相乘操作得到去调制信号，以消除调制信息的影响。
在一些具体实施例中，采用8PSK调制得到初步调制信号后，发射端将初步调制信号输入至成型滤波器，接收端再将经过成型滤波器得到的信号输入至匹配滤波器，其中成型滤波、匹配滤波符合奈奎斯特准则，即存在公式(6)，该公式如下所示：
公式(6)中，h(t)为成型滤波器、匹配滤波器的冲激响应，T为符号周期，k为采样点数。
假设接收端接收信号为r(t)，则存在公式(3)，该公式如下所示：
公式(7)中，j表示虚部符号，Δf表示频偏、θ表示相偏、θn表示噪声引起的相偏、i表示采样点数，ci表示经过MPSK调制后的信号，h(t)表示成型滤波器的冲激响应，t0表示定时误差，w(t)表示接收端噪声表达式。那么经过匹配滤波器在理想抽样时刻kT+τ抽样得到的信号zk可以用公式(8)表示，该公式如下所示：
将公式(7)代入到公式(8)中，得到公式(9)，该公式如下所示：
公式(9)中，nk表示均值为0方差为σ2的复高斯白噪声，对于ej2πΔfth(t-iT-t0)项，因为h(t-iT-t0)只在t＝iT+t0的某段区间内取有效的值，所以ej2πΔft可用来代替，即存在公式(10)，该公式如下所示：
将公式(10)代入公式(9)并利用公式(6)得到公式(11)，该公式如下所示：
经过理想定时同步，存在频偏和相偏的信号可表示为公式(12)，该公式如下所示：
此外，已知初步调制信号为ck，并且存在据此可以去掉调制信息的影响，结合公式(12)得到仅含有频偏、相偏和噪声的信号xk，该信号即为去调制信号，可以用公式(13)表示，该公式如下所示：
在一些实施例中，如图5所示，图5是步骤S130的细化步骤流程图，步骤S130包括但不限于步骤S510、步骤S520、步骤S530、步骤S540。
步骤S510，对去调制信号进行载波频偏估计，得到频偏估计值；
步骤S520，根据频偏估计值对输入信号进行频偏补偿，得到初步补偿信号；
步骤S530，对去调制信号进行载波相偏估计，得到相偏估计值；
步骤S540，根据相偏估计值对初步补偿信号进行相偏补偿，得到补偿信号。
具体的，在得到去调制信号后，对去调制信号进行载波同步得到补偿信号，具体为先对去调制信号进行载波频偏估计，得到频偏估计值，再根据频偏估计值对输入信号进行频偏补偿，得到初步补偿信号。之后，对去调制信号进行载波相偏估计，得到相偏估计值，再据相偏估计值对初步补偿信号进行相偏补偿，得到补偿信号。
在一些实施例中，如图6所示，图6是步骤S510的细化步骤流程图，去调制信号包括去调制帧头信号，步骤S510包括但不限于步骤S610、步骤S620、步骤S630。
步骤S610，获取去调制帧头信号的前N个数据，作为待调整数据；
步骤S620，对待调整数据进行傅里叶变换，得到频域周期图；
步骤S630，从频域周期图中获取频偏估计值。
具体的，为了得到频偏估计值，首先获取去调制帧头信号的前N个数据，作为待调整数据，再对待调整数据进行傅里叶变换，得到频域周期图，通过频域周期图，可以从中获取到频偏估计值，该频偏估计值为频域周期图峰值位置对应的频偏数据。可以理解的是，可以采用快速傅里叶变换进行运算，快速傅里叶变换(fast Fourier transform),即利用计算机计算离散傅里叶变换(Discrete Fourier Transform，DFT)的高效、快速计算方法的统称，简称FFT。
在一些实施例中，如图7所示，图7是步骤S510的细化步骤流程图，步骤S510包括但不限于步骤S710、步骤S720、步骤S730。
步骤S710，获取待调整数据中最后一个数据的位置，得到结束位置；
步骤S720，在结束位置之后添加预设数据，得到初步调整数据；
步骤S730，对初步调整数据进行傅里叶变换，得到频偏估计值。
具体的，由于估计分辨率为了得到频偏估计值还可以在待调整数据中最后一个数据的位置后添加预设数据，得到初步调整数据，再对初步调整数据进行傅里叶变换，得到频偏估计值。需要说明的是，预设数据是与数据数量相同的0。
在一些具体实施例中，假设帧头长度为H，对帧头的前h个数据进行傅里叶变换，得到信号的频域周期图，其峰值的位置记为载波频偏的粗估计。由于估计分辨率由FFT运算的点数决定，所以可以在接收到的h个数据后面补h个0，然后再进行傅立叶变换，来提高的FFT频率估计的分辨率。h个数据的2h点傅里叶变换表达式可以用公式(14)表示，该公式如下所示：
公式(14)中，Ωn表示对h个数据做2h点FFT后的表达式，n表示傅立叶变换后的点数，取值范围为1到2h，k表示接受到的数据点数取值范围为1到h。为便于推导,xk中的高斯白噪声被忽略。m是包含载波频偏的一个变量，它与载波频偏的关系为m＝2ΔfTh，上式中约等号在|m-n|远小于2h/π的条件下成立。m的粗估计值为而θ的估计值为/>从sinc函数的形式上很容易理解，当时sinc函数的绝对值最大，反过来幅度最大值的位置/>能使n-m接近0，所以/>是m的一个近似估计值。
需要说明的是，傅立叶变换后若仅利用了周期图中的一条曲线，估计精度较低。受频率分辨率的制约，只能是一个整数，而m是一个实数，所以/>与m存在一个小数的差值Δm。实际上紧邻峰值的左右两条谱线也包含载波频偏信息，利用这两条谱线的幅值进行插值运算，可以精确地估计出小数的差值Δm，从而最终准确地估计出载波频偏大小。插值计算可以用公式(15)表示，该公式如下所示：
另外以下给出是Δm的一个无偏估计的证明：由于前面对h点数据进行2h点傅立叶变换，频率分辨率为1/2hT。当峰值位置正确时，它偏离频偏真值位置不超过±1/2hT，而相邻左右两条谱线一定在周期图的主瓣±1/hT。主瓣内sinc函数值/>和为正数，所以sinc函数外的绝对值符号可以去掉，从而得到公式(16)，该公式如下所示：
所以是Δm的一个无偏估计，从而容易得到载波频偏估计，载波频偏估计可以用公式(17)表示，该公式如下所示：
还需要说明的是，在估计出载波频偏后，可以进一步估计出载波相偏θ。注意到峰值相位可以表示为arg{Ωn}＝θ+π(h-1)Δm/2h，因此只要将代替Δm就可以得到θ的估计值，θ的估计值可以用公式(18)表示，该公式如下所示：
公式(18)中，是利用估计出的载波频偏对数据校正后第L/2或第L/2+1个数据的相位，而不是第一个数据的初始相位。
在一些具体实施例中，在得到频偏估计值和相偏估计值/>后，根据频偏估计值和相偏估计值/>对接收的去调制信号xk进行补偿，得到补偿信号tk，该信号可以用公式(19)表示，该公式如下所示：
公式(19)中，存在Δfrem和θrem分别表示补偿信号包含的残余频偏和残余相偏，故补偿信号tk，还可以用公式(20)表示，该公式如下所示：
在一些实施例中，如图8所示，图8是步骤S230中“根据相位误差信号对补偿信号进行信号调整”这一步骤的流程图，包括但不限于步骤S810、步骤S820、步骤S830。
步骤S810，对相位误差信号进行平滑滤波操作，得到滤波信号；
步骤S820，利用前向欧拉积分规则对滤波信号进行过滤操作，得到估计值；
步骤S830，根据估计值对补偿信号进行调整。
具体的，根据相位误差信号对补偿信号进行信号调整的过程包括：首先对相位误差信号进行平滑滤波操作后得到滤波信号，再利用前向欧拉积分规则对滤波信号进行过滤操作，得到估计值，最后根据估计值对补偿信号进行调整。
在实际应用中，可以采用环路滤波器对相位误差信号进行平滑滤波操作，利用数控振荡器对滤波信号进行过滤操作，并通过相位补偿模块利用估计值对补偿信号进行调整和相位补偿。可以理解的是，环路滤波器主要用于滤除鉴相器输出误差信号中的高频分量，起到平滑滤波作用，它在环路稳定、改善噪声性能和捕获跟踪中发挥着重要的作用。数控振荡器的实现时采用直接数字合成器(Direct Digital Synthesizer，DDS)，它是压控振荡器的离散时间版本，是离散时间锁相环的核心组件，用做集成过滤。
环路滤波器的输出，即滤波信号ψk，可以用公式(21)表示，公式(21)中包含的符号分别采用公式(22)、公式(23)、公式(24)表示，以上公式如下所示：
ψk＝glek+ψk-1 (21)
以上公式中，gl中为积分器增益，Bk为归一化环路带宽，取值为0到1范围内的正数，wk为自然角频率，为阻尼因子，ko为相位恢复增益，等于锁相环输入每个符号的样本数，kp为相位误差检测器增益，kp与调制方式有关，当预设调制方法为QPSK时，kp为2、当预设调制方法为BPSK、8PSK时，kp为1。
DDS的输出基于前向欧拉积分规则，其输出的估计值θk可以用公式(25)表示，公式(25)中包含的符号采用公式(26)表示，以上公式如下所示：
θk＝(gpek-1+ψk-1)+θk-1 (25)
以上公式中，gp为比例增益。
在一些实施例中，为对比分析本申请的算法性能，分别对传统的原始闭环载波相位跟踪算法和本申请改进的闭环载波相位跟踪算法进行仿真。
具体的，在一些实施例中，对环路锁定时间进行仿真，其环境和仿真条件为：AWGN信道、8PSK调制、符号速率12Msps、过采倍数4、归一化频偏为0.05(5％的符号速率)、相偏为-π至+π的随机数、信噪比Eb/N0为3dB、定点化位宽8位、循环次数为10000次、载波同步架构由帧头、导频和数据组成、开环载波粗同步中用于FFT运算的采样点数为256。
参考图13、图14、图15和图16,由图中得到的仿真结果可知，从图13、图14中可以看出原始载波相位跟踪环路在Eb/N0为3dB时处于失锁状态，从图15、图16中可以看出改进后的载波相位跟踪环路Eb/N0为3dB时，几乎直接锁定，因此，改进后的闭环载波相位跟踪环路提高了锁相环的锁定性能，缩短了锁定时间。
具体的，在一些实施例中，对环路锁定性能进行仿真，其环境和仿真条件为：AWGN信道、8PSK调制、符号速率12Msps、过采倍数4、归一化频偏为0.05(5％的符号速率)、相偏为-π至+π的随机数、信噪比Eb/N0在3dB至14dB、定点化位宽8位，循环次数为每信噪比下循环10000次、载波同步架构由帧头、导频和数据组成、开环载波粗同步中用于FFT运算的采样点数为256。
参考图17和图18,由图中得到的仿真结果可知，图17中原始载波相位跟踪环路在Eb/N0小于6dB时仍处于失锁状态，且在高信噪比条件下与理论值相比误码较大即锁定性能较差。图18中改进后的载波相位跟踪环路Eb/N0从3dB到14dB均未失锁，且锁定精度远高于原始算法，因此，改进后的闭环载波相位跟踪环路提高了锁相环的锁定精度。
参考图9，本申请的一些实施例还提供了一种载波同步装置，该装置包括信号加工模块910、同步模块920、跟踪模块930。首先利用信号加工模块910接收输入信号，对输入信号的帧头进行信号加工得到去调制信号，然后，利用同步模块920对去调制信号进行载波同步得到补偿信号，之后，将补偿信号输入跟踪模块930以执行循环过程直至满足预设条件，其中，循环过程包括：对补偿信号的当前符号进行相位补偿，得到同步信号，再对同步信号进行鉴相操作得到相位误差信号，根据相位误差信号对补偿信号进行信号调整，并将补偿信号的下一符号作为所述当前符号，执行上述循环过程直至补偿信号的符号计算完毕。本申请通过对传统的载波同步方法进行改进，能够避免相位模糊现象，从而减小载波同步模块的资源占用。
本申请的一些实施例还提供了一种计算机设备，该计算机设备包括存储器和处理器，其中，存储器中存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时处理器用于执行如上任意实施例中的方法，例如，执行以上描述的图1中的方法步骤S110至S130、图2中的方法步骤S210至S230、图3中的方法步骤S310至S330、图4中的方法步骤S410至S420、图5中的方法步骤S510至S540、图6中的方法步骤S610至S630、图7中的方法步骤S710至S730、图8中的方法步骤S810至S830。
此外，本申请的一些实施例还提供了一种存储介质，该存储介质为计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机程序，在计算机程序被计算机执行时，计算机用于执行如上任意实施例中的方法，例如，执行以上描述的图1中的方法步骤S110至S130、图2中的方法步骤S210至S230、图3中的方法步骤S310至S330、图4中的方法步骤S410至S420、图5中的方法步骤S510至S540、图6中的方法步骤S610至S630、图7中的方法步骤S710至S730、图8中的方法步骤S810至S830。
本领域普通技术人员可以理解，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、系统可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。某些物理组件或所有物理组件可以被实施为由处理器，如中央处理器、数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。这样的软件可以分布在计算机可读介质上，计算机可读介质可以包括计算机存储介质(或非暂时性介质)和通信介质(或暂时性介质)。如本领域普通技术人员公知的，术语计算机存储介质包括在用于存储信息(诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、闪存或其他存储器技术、CD-ROM、数字多功能盘(DVD)或其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的信息并且可以被计算机访问的任何其他的介质。此外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通常包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据信号中的其他数据，并且可包括任何信息递送介质。
上面结合附图对本申请实施例作了详细说明，但是本申请不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本申请宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
Claims (9)
1.一种载波同步方法，其特征在于，包括：
接收输入信号，并对所述输入信号的帧头进行信号加工得到去调制信号；
利用所述去调制信号进行开环载波同步得到补偿信号；
执行闭环载波跟踪循环过程直至满足预设条件；所述循环过程包括：
对所述补偿信号的当前符号进行相位补偿，得到同步信号；
对所述同步信号进行鉴相操作得到相位误差信号；
根据所述相位误差信号对所述补偿信号进行信号调整，并将所述补偿信号的下一符号作为所述当前符号；
其中，所述预设条件为：所述补偿信号的符号计算完毕；
所述对所述同步信号进行鉴相操作得到相位误差信号，包括：
根据BPSK星座的预设排列特性对所述同步信号进行微调，得到微调信号和所述微调信号对应的目标排列特性；
基于所述目标排列特性，采用BPSK鉴相公式对所述同步信号进行计算得到初始相位误差；
根据所述初始相位误差，得到所述相位误差信号；
其中，所述根据BPSK星座的预设排列特性对所述同步信号进行微调，包括：根据所述BPSK星座的预设排列特性对所述同步信号做4次方处理；
所述BPSK鉴相公式为
ek＝(sign(Ik)·Qk)/4；
Ik＝Re(ok)；
Qk＝Im(ok)；
其中，ok为第k个采样点的所述同步信号，Ik为所述同步信号的实部，Qk为所述同步信号的虚部，ek为所述初始相位误差，k为不小于0的整数。
2.根据权利要求1所述的载波同步方法，其特征在于，所述接收输入信号，并对所述输入信号的帧头进行信号加工得到去调制信号，包括：
接收输入信号；对所述输入信号的帧头与本地已调制帧头信号进行共轭相乘操作得到所述去调制信号。
3.根据权利要求1所述的载波同步方法，其特征在于，所述利用所述去调制信号进行开环载波同步得到补偿信号，包括：
对所述去调制信号进行载波频偏估计，得到频偏估计值；
根据所述频偏估计值对所述输入信号进行频偏补偿，得到初步补偿信号；
对所述去调制信号进行载波相偏估计，得到相偏估计值；
根据所述相偏估计值对所述初步补偿信号进行相偏补偿，得到所述补偿信号。
4.根据权利要求3所述的载波同步方法，其特征在于，所述去调制信号包括去调制帧头信号，所述对所述去调制信号进行载波频偏估计，得到频偏估计值，包括：
获取所述去调制帧头信号的前N个数据，作为待调整数据；
对所述待调整数据进行傅里叶变换，得到频域周期图；
从所述频域周期图中获取所述频偏估计值；其中，所述频偏估计值为所述频域周期图的峰值位置。
5.根据权利要求4所述的载波同步方法，其特征在于，所述对所述去调制信号进行载波频偏估计，得到频偏估计值，还包括：
获取所述待调整数据中最后一个所述数据的位置，得到结束位置；
在所述结束位置之后添加预设数据，得到初步调整数据；
对所述初步调整数据进行傅里叶变换，得到所述频偏估计值。
6.根据权利要求1至5任一项所述的载波同步方法，其特征在于，所述根据所述相位误差信号对所述补偿信号进行信号调整，包括：
对所述相位误差信号进行平滑滤波操作，得到滤波信号；
利用前向欧拉积分规则对所述滤波信号进行过滤操作，得到估计值；
根据所述估计值对所述补偿信号进行调整。
7.一种载波同步装置，其特征在于，包括：
信号加工模块，用于接收输入信号，并对输入信号的帧头进行信号加工得到去调制信号；
同步模块，用于利用所述去调制信号进行开环载波同步得到补偿信号；
跟踪模块，用于执行闭环载波跟踪循环过程直至满足预设条件；所述循环过程包括：
对所述补偿信号的当前符号进行相位补偿，得到同步信号；
对所述同步信号进行鉴相操作得到相位误差信号；
根据所述相位误差信号对所述补偿信号进行信号调整，并将所述补偿信号的下一符号作为所述当前符号；
其中，所述预设条件为：所述补偿信号的符号计算完毕；
所述对所述同步信号进行鉴相操作得到相位误差信号，包括：
根据BPSK星座的预设排列特性对所述同步信号进行微调，得到微调信号和所述微调信号对应的目标排列特性；
基于所述目标排列特性，采用BPSK鉴相公式对所述同步信号进行计算得到初始相位误差；
根据所述初始相位误差，得到所述相位误差信号；
其中，所述根据BPSK星座的预设排列特性对所述同步信号进行微调，包括：根据所述BPSK星座的预设排列特性对所述同步信号做4次方处理；
所述BPSK鉴相公式为
ek＝(sign(Ik)·Qk)/4；
Ik＝Re(ok)；
Qk＝Im(ok)；
其中，ok为第k个采样点的所述同步信号，Ik为所述同步信号的实部，Qk为所述同步信号的虚部，ek为所述初始相位误差，k为不小于0的整数。
8.一种计算机设备，其特征在于，所述计算机设备包括存储器和处理器，其中，所述存储器中存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时所述处理器用于执行：如权利要求1至6中任一项所述的载波同步方法。
9.一种存储介质，所述存储介质为计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，在所述计算机程序被计算机执行时，所述计算机用于执行：如权利要求1至6中任一项所述的载波同步方法。
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