CN114978833A - 一种基于组合调制波形的qpsk调制信号偏移补偿方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及通信技术领域，具体公开了一种基于组合调制波形的QPSK调制信号偏移补偿方法，包括步骤：S1、定义组合调制波形的帧结构；S2、发送端发送信号；S3、接收端接收信号并做定时同步；S4、计算频率偏移估计值Δf；S5、对BPSK调制信号和QPSK调制信号进行频率偏移补偿；S6、计算相位偏移估计值P；S7、对QPSK调制信号做相位偏移补偿。本方法通过生成组合调制波形的方式，把对单纯的QPSK调制的频率偏移、相位偏移估计转移到对MSK的频率偏移估计和对BPSK的相位偏移估计上，能有效地减少硬件在实现频率偏移、相位偏移估计上耗费的资源，且能计算出较准确的频率偏移、相位偏移估计值。

Description

一种基于组合调制波形的QPSK调制信号偏移补偿方法
技术领域
本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种基于组合调制波形的QPSK调制信号偏移补偿方法。
背景技术
在通信技术领域，QPSK是一种四进制相位调制，具有良好的抗噪特性和频带利用率，广泛应用于卫星链路、数字集群等通信业务，在基于DVB-S的卫星通信电视系统中，卫星输出的电磁波信号就是使用QPSK调制方式的。然而QPSK调制存在相位模糊问题，再加上通信系统普遍存在的频率偏移和相位偏移问题，单纯的QPSK调制信号在如今需要优异的通信质量要求下就难以为继，所以为了得到稳定良好的通信质量，需要对频率偏移、相位偏移进行估计并消除。
对于单纯的QPSK调制信号，无数据辅助载波频率偏移估计算法需要去除接收信号的调制信息，无论是用4次方法还是非线性变换法[1][2][3]去除调制信息,都会增强噪声的影响。若利用快速傅里叶变换(FFT)实现时，计算速度快，易于实时处理，但是此算法对频率偏移的变化比较敏感，并随离散傅里叶变换点数的增加愈加严重[4]，而且硬件实现时耗费资源太多，不利于轻量化设计。
因此，需要一种能平衡硬件实现简单与频率偏移、相位偏移估计性能优异的设计实现方式。
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发明内容
本发明提供一种基于组合调制波形的QPSK调制信号偏移补偿方法，解决的技术问题在于：如何在硬件实现时能轻松地得到QPSK调制信号的频率偏移、相位偏移估计值，并对QPSK调制信号做相应处理，以消除QPSK调制信号存在的频率偏移、相位偏移。
为解决以上技术问题，本发明提供一种基于组合调制波形的QPSK调制信号偏移补偿方法，包括步骤：
S1、定义组合调制波形的帧结构；
所述组合调制波形的帧结构由第一段波形、第二段波形和第三段波形顺序拼接而成，所述第一段波形为第一预设帧长度的已知伪随机序列经过第一过采样倍数的MSK调制而得的MSK调制信号，所述第二段波形为第二预设帧长度的数据‘0’经过第二过采样倍数的BPSK调制而得的BPSK调制信号，所述第三段波形为第三预设帧长度的随机数据经过第三过采样倍数的QPSK调制而得的QPSK调制信号，所述随机数据为通信系统中需要发送的有效数据；
S2、发送端按所述步骤S1设定的所述组合调制波形的帧结构生成数据信号，并将所述数据信号经过发送端滤波器进行成型滤波后向接收端发送；
S3、所述接收端将接收的数据信号经过与所述发送端滤波器匹配的接收端滤波器进行滤波后做MSK解调，然后将MSK解调后的数据信号与所述步骤S1中的所述已知伪随机序列做定时同步，定位出所述MSK调制信号、所述BPSK调制信号、所述QPSK调制信号；
S4、对所述步骤S3定位得到的所述MSK调制信号采用L&R算法计算频率偏移估计值Δf；
S5、根据所述步骤S4得到的所述频率偏移估计值Δf，对所述步骤S3定位得到的所述BPSK调制信号和所述QPSK调制信号做频率偏移补偿；
S6、对所述步骤S5得到的频率偏移补偿后的所述BPSK调制信号计算相位偏移估计值P；
S7、根据所述步骤S6得到的相位偏移估计值P，对所述步骤S5得到的频率偏移补偿后的所述QPSK调制信号做相位偏移补偿。
进一步地，在所述步骤S4中，利用所述步骤S3定位得到的所述MSK调制信号计算频率偏移估计值Δf的公式为：
Figure BDA0003656588750000031
其中，
Figure BDA0003656588750000032
z(k)＝r(k)·a*(k)
具体的，R(m)是z(k)的自相关函数，r(k)为k时刻接收端接收信号的值，a(k)为发送端在k时刻发送信号的值，因为发送端第一段波形的所述MSK调制信号采用的伪随机序列已知，故a(k)已知，N为所述第一预设帧长度，N1取N/2，Ts表示符号速率，arg{·}表示求相位值，[·]*表示求共轭。
进一步地，在所述步骤S5中，做频率偏移补偿所采用的公式为：
r′＝r·ej·Δf·t
其中，r′为做频率偏移补偿后的BPSK调制信号或QPSK调制信号，r为做频率偏移补偿之前的BPSK调制信号或QPSK调制信号，j为虚数单位，t为时间。
进一步地，在所述步骤S6中，计算相位偏移估计值P的公式为：
Figure BDA0003656588750000033
其中，rBPSK为接收端做了频率偏移补偿的一整段第二预设帧长度的BPSK调制信号，
Figure BDA0003656588750000041
表示对频率偏移补偿后的一整段第二预设帧长度的BPSK调制信号做了累加求和后的信号，rBPSK(i)表示这一段接收到的信号中的单个符号的值，
Figure BDA0003656588750000042
为RBPSK的共轭信号，M为所述步骤S1中定义的BPSK调制信号的长度。
进一步地，在所述步骤S7中，做相位偏移补偿所采用的公式为：
r′QPSK＝rQPSK·ej·P
其中，rQPSK为做了频率偏移补偿的QPSK调制信号，r′QPSK为对rQPSK做相位偏移补偿后的QPSK调制信号，j为虚数单位。
进一步地，在所述步骤S2中，所述发送端滤波器和所述接收端滤波器均采平方根升余弦滚降滤波器。
进一步地，在所述步骤S1中，所述第一预设帧长度为48bit，所述第一过采样倍数为4。
进一步地，在所述步骤S1中，所述第二预设帧长度为12bit，所述第二过采样倍数为4。
进一步地，在所述步骤S1中，所述第三预设帧长度为140bit，所述第三过采样倍数为4。
进一步地，所述第一段波形、所述第二段波形和所述第三段波形在硬件中均被分为I、Q两路正交的信号。
本发明提供的一种基于组合调制波形的QPSK调制信号偏移补偿方法，通过生成组合调制波形的方式，把对单纯的QPSK调制的频率偏移、相位偏移估计转移到对MSK的频率偏移估计和对BPSK的相位偏移估计上，能有效地减少硬件在实现频率偏移、相位偏移估计上耗费的资源，且能计算出较准确的频率偏移、相位偏移估计值。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种基于组合调制波形的QPSK调制信号偏移补偿方法的流程图；
图2是本发明实施例提供的组合调制波形的帧结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图具体阐明本发明的实施方式，实施例的给出仅仅是为了说明目的，并不能理解为对本发明的限定，包括附图仅供参考和说明使用，不构成对本发明专利保护范围的限制，因为在不脱离本发明精神和范围基础上，可以对本发明进行许多改变。
本发明实施例提供一种基于组合调制波形的QPSK调制信号偏移补偿方法，如图1所示，该方法包括步骤S1～S7。
S1、定义组合调制波形的帧结构。
如图2所示，组合调制波形的帧结构由第一段波形、第二段波形和第三段波形顺序拼接而成，第一段波形为第一预设帧长度(本例优选48bit)的已知伪随机序列经过第一过采样倍数(本例优选4倍)的MSK调制而得的MSK调制信号，第二段波形为第二预设帧长度(本例优选12bit)的数据‘0’经过第二过采样倍数(本例优选4倍)的BPSK调制而得的BPSK调制信号，第三段波形为第三预设帧长度(本例优选140bit)的随机数据经过第三过采样倍数(本例优选4倍)的QPSK调制而得的QPSK调制信号，这里的随机数据为通信系统中需要发送的有效数据。
一般地，上述调制之后的第一段波形、第二段波形和第三段波形在硬件中均被分为I、Q两路正交的信号，在仿真时为I+jQ形式的信号(j为虚数单位)。
一般地，步骤S1中所规定的3段不同调制方式的数据长度和过采样倍数应随通信环境或设计因素不同做相应改变。
S2、发送端发送信号：发送端按步骤S1设定的组合调制波形的帧结构生成数据信号并将数据信号经过发送端滤波器进行成型滤波后向接收端发送。
针对第一段经第一过采样倍数的MSK调制信号是特殊的连续相位的频移键控(CPFSK)，做频率偏移估计算法实现简单，针对第二段经第二过采样倍数的数据‘0’的BPSK调制信号，I路信号恒为1，Q路信号恒为0，方便计算相位偏移估计值，针对第三段经第三过采样倍数的QPSK调制信号，其特点在于调制解调实现简单。
该步骤S2中发送端滤波器采用31阶、滚降系数α＝0.5的平方根升余弦滚降滤波器，采用该滤波器是为了QPSK调制信号的成型滤波，消除码间干扰和平滑波形，对应不同通信条件也可采用不同参数的滤波器。
S3、接收端接收信号并做定时同步：接收端将接收的数据信号经过与发送端滤波器匹配的接收端滤波器进行滤波后做MSK解调，然后将MSK解调后的数据信号与步骤S1中的已知伪随机序列做定时同步，定位出MSK调制信号、BPSK调制信号和QPSK调制信号。
在步骤S3中，定位出分别与第一段波形、第二段波形、第三段波形对应的MSK调制信号、BPSK调制信号、QPSK调制信号，该结构特点在于可以利用第一段波形做频偏估计，纠正第二段BPSK波形和第三段QPSK波形的频率偏移，利用第二段经过频率偏移纠正后的BPSK调制信号做相位偏移估计，并利用该相位偏移估计值纠正第三段经过频率偏移纠正过后的QPSK波形。
该步骤S3中接收端滤波器采用与发射端滤波器相同的31阶、滚降系数α＝0.5的平方根升余弦滚降滤波器。
S4、计算频率偏移估计值Δf：对步骤S3定位得到的MSK调制信号采用L&R算法计算频率偏移估计值Δf。
更具体的，在步骤S4中，利用定位得到的MSK调制信号计算频率偏移估计值Δf的公式为：
Figure BDA0003656588750000061
其中，
Figure BDA0003656588750000071
z(k)＝r(k)·a*(k)
具体的，R(m)是z(k)的自相关函数，r(k)为k时刻接收端接收信号的值，a(k)为发送端在k时刻发送信号的值，因为发送端第一段波形的MSK调制信号采用的伪随机序列已知，故a(k)已知，N为第一预设帧长度，N1取N/2，Ts表示符号速率，arg{·}表示求相位值，[·]*表示求共轭。
S5、对BPSK调制信号和QPSK调制信号进行频率偏移补偿：根据步骤S4得到的频率偏移估计值Δf，对步骤S3定位得到的BPSK调制信号和QPSK调制信号做频率偏移补偿。
在步骤S5中，做频率偏移补偿所采用的公式为：
r′＝r·ejΔf·t
其中，r′为做频率偏移补偿后的BPSK调制信号或QPSK调制信号，r为做频率偏移补偿之前的BPSK调制信号或QPSK调制信号，j为虚数单位，t为时间。
S6、计算相位偏移估计值P：对步骤S5得到的频率偏移补偿后的BPSK调制信号计算相位偏移估计值P。
在步骤S6中，计算相位偏移估计值P的公式为：
Figure BDA0003656588750000072
其中，rBPSK为接收端做了频率偏移补偿的一整段第二预设帧长度的BPSK调制信号，
Figure BDA0003656588750000073
表示对频率偏移补偿后的一整段第二预设帧长度的BPSK调制信号做了累加求和后的信号，rBPSK(i)表示这一段接收到的信号中的单个符号的值，
Figure BDA0003656588750000074
为RBPSK的共轭信号，M为步骤S1中定义的BPSK调制信号的长度。
S7、对QPSK调制信号做相位偏移补偿：根据步骤S6得到的相位偏移估计值P，对步骤S5得到的频率偏移补偿后的QPSK调制信号做相位偏移补偿。
在步骤S7中，做相位偏移补偿所采用的公式为：
r′QPSK＝rQPSK·ej·P
其中，其中，rQPSK为做了频率偏移补偿的QPSK调制信号，r′QPSK为对rQPSK做相位偏移补偿后的QPSK调制信号，j为虚数单位。
通过上述步骤实现了利用MSK调制信号和BPSK调制信号完成对QPSK调制信号的频率偏移补偿和相位偏移补偿。
综上，本发明实施例提供的一种基于组合调制波形的QPSK调制信号偏移补偿方法，通过生成组合调制波形的方式，把对单纯的QPSK调制的频率偏移、相位偏移估计转移到对MSK的频率偏移估计和对BPSK的相位偏移估计上，能有效地减少硬件在实现频率偏移、相位偏移估计上耗费的资源，且能计算出较准确的频率偏移、相位偏移估计值。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于组合调制波形的QPSK调制信号偏移补偿方法，其特征在于，包括步骤：
S1、定义组合调制波形的帧结构；
所述组合调制波形的帧结构由第一段波形、第二段波形和第三段波形顺序拼接而成，所述第一段波形为第一预设帧长度的已知伪随机序列经过第一过采样倍数的MSK调制而得的MSK调制信号，所述第二段波形为第二预设帧长度的数据‘0’经过第二过采样倍数的BPSK调制而得的BPSK调制信号，所述第三段波形为第三预设帧长度的随机数据经过第三过采样倍数的QPSK调制而得的QPSK调制信号，所述随机数据为通信系统中需要发送的有效数据；
S2、发送端按所述步骤S1设定的所述组合调制波形的帧结构生成数据信号，并将所述数据信号经过发送端滤波器进行成型滤波后向接收端发送；
S3、所述接收端将接收的数据信号经过与所述发送端滤波器匹配的接收端滤波器进行滤波后做MSK解调，然后将MSK解调后的数据信号与所述步骤S1中的所述已知伪随机序列做定时同步，定位出所述MSK调制信号、所述BPSK调制信号、所述QPSK调制信号；
S4、对所述步骤S3定位得到的所述MSK调制信号采用L&R算法计算频率偏移估计值Δf；
S5、根据所述步骤S4得到的所述频率偏移估计值Δf，对所述步骤S3定位得到的所述BPSK调制信号和所述QPSK调制信号做频率偏移补偿；
S6、对所述步骤S5得到的频率偏移补偿后的所述BPSK调制信号计算相位偏移估计值P；
S7、根据所述步骤S6得到的相位偏移估计值P，对所述步骤S5得到的频率偏移补偿后的所述QPSK调制信号做相位偏移补偿。
2.根据权利要求1所述的一种基于组合调制波形的QPSK调制信号偏移补偿方法，其特征在于，在所述步骤S4中，利用所述步骤S3定位得到的所述MSK调制信号计算频率偏移估计值Δf的公式为：
Figure FDA0003656588740000021
其中，
Figure FDA0003656588740000022
z(k)＝r(k)·a*(k)
具体的，R(m)是z(k)的自相关函数，r(k)为k时刻接收端接收信号的值，a(k)为发送端在k时刻发送信号的值，因为发送端第一段波形的所述MSK调制信号采用的伪随机序列已知，故a(k)已知，N为所述第一预设帧长度，N1取N/2，Ts表示符号速率，arg{·}表示求相位值，[·]*表示求共轭。
3.根据权利要求2所述的一种基于组合调制波形的QPSK调制信号偏移补偿方法，其特征在于，在所述步骤S5中，做频率偏移补偿所采用的公式为：
r′＝r·ej·Δf·t
其中，r′为做频率偏移补偿后的BPSK调制信号或QPSK调制信号，r为做频率偏移补偿之前的BPSK调制信号或QPSK调制信号，j为虚数单位，t为时间。
4.根据权利要求2所述的一种基于组合调制波形的QPSK调制信号偏移补偿方法，其特征在于，在所述步骤S6中，计算相位偏移估计值P的公式为：
Figure FDA0003656588740000023
其中，rBPSK为接收端做了频率偏移补偿的一整段第二预设帧长度的BPSK调制信号，
Figure FDA0003656588740000024
表示对频率偏移补偿后的一整段第二预设帧长度的BPSK调制信号做了累加求和后的信号，rBPSK(i)表示这一段接收到的信号中的单个符号的值，
Figure FDA0003656588740000031
为RBPSK的共轭信号，M为所述步骤S1中定义的BPSK调制信号的长度。
5.根据权利要求4所述的一种基于组合调制波形的QPSK调制信号偏移补偿方法，其特征在于，在所述步骤S7中，做相位偏移补偿所采用的公式为：
r′QPSK＝rQPSK·ej·P
其中，rQPSK为做了频率偏移补偿的QPSK调制信号，r′QPSK为对rQPSK做相位偏移补偿后的QPSK调制信号，j为虚数单位。
6.根据权利要求1所述的一种基于组合调制波形的QPSK调制信号偏移补偿方法，其特征在于，在所述步骤S2中，所述发送端滤波器和所述接收端滤波器均采平方根升余弦滚降滤波器。
7.根据权利要求1所述的一种基于组合调制波形的QPSK调制信号偏移补偿方法，其特征在于：在所述步骤S1中，所述第一预设帧长度为48bit，所述第一过采样倍数为4。
8.根据权利要求1所述的一种基于组合调制波形的QPSK调制信号偏移补偿方法，其特征在于：在所述步骤S1中，所述第二预设帧长度为12bit，所述第二过采样倍数为4。
9.根据权利要求1所述的一种基于组合调制波形的QPSK调制信号偏移补偿方法，其特征在于：在所述步骤S1中，所述第三预设帧长度为140bit，所述第三过采样倍数为4。
10.根据权利要求1所述的一种基于组合调制波形的QPSK调制信号偏移补偿方法，其特征在于：所述第一段波形、所述第二段波形和所述第三段波形在硬件中均被分为I、Q两路正交的信号。
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