CN116155668A - 一种抗频偏载波恢复方法、系统及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种抗频偏载波恢复方法、系统及存储介质,涉及通信技术领域。本发明所述的抗频偏载波恢复方法,包括:通过叉积信道评估确定多普勒频偏值;将所述多普勒频偏值作为频率预置量,采用四次方鉴相的Costas环进行载波恢复。本发明通过叉积信道评估确定多普勒频偏值后,将多普勒频偏值作为频率预置量,采用四次方鉴相的Costas环进行载波恢复,即通过叉积信道评估获得准确详细的信道信息,进而在接收端正确地解调出发射信号,配合四次方鉴相的Costas环,可以有效消除多普勒频移的影响,实现频偏校准,保证有效通信。
Description
技术领域
本发明涉及通信技术领域,具体而言,涉及一种抗频偏载波恢复方法、系统及存储介质。
背景技术
在无线数据链通信中,随着设备的运行速度越来越快,载体速度也从1马赫逐渐发展到10马赫,这会使得两个设备间的通信产生巨大频偏。
以多普勒频移引起的频偏为例,由于发射机和接收机之间的振荡器不匹配或者存在多普勒频移,导致采样时钟频率偏差,频率偏差接近100Khz,如此之大的频偏难以保证有效通信。
发明内容
本发明解决的问题是如何实现频偏校准以保证有效通信。
为解决上述问题,本发明提供一种抗频偏载波恢复方法、系统及存储介质。
第一方面,本发明提供一种抗频偏载波恢复方法,包括:
通过叉积信道评估确定多普勒频偏值;
将所述多普勒频偏值作为频率预置量,采用四次方鉴相的Costas环进行载波恢复。
可选地,所述通过叉积信道评估确定多普勒频偏值包括:
接收导频信号;
对所述导频信号连续采样,确定第一采样点的第一IQ值和第二采样点的第二IQ值;
根据所述第一IQ值、所述第二IQ值和采样周期确定所述多普勒频偏值。
可选地,所述导频信号按照0011码型周期发送。
可选地,所述导频信号的发送周期大于30us。
可选地,所述采用四次方鉴相的Costas环进行载波恢复包括:
根据所述导频信号确定校准相位;
根据所述多普勒频偏值和所述校准相位进行载波恢复。
可选地,所述Costas环包括鉴相器,所述根据所述导频信号确定校准相位包括:将Sin4∆θ作为鉴相输出,通过所述鉴相器确定所述校准相位。
可选地,所述Costas环还包括压控振荡器,所述根据所述多普勒频偏值和所述校准相位进行载波恢复包括:通过所述压控振荡器输出载波纠偏信号。
可选地,所述Costas环还包括环路滤波模块,所述根据所述多普勒频偏值和所述校准相位进行载波恢复还包括:通过所述环路滤波模块根据所述校准相位提取相差,以校正所述载波纠偏信号。
第二方面,本发明提供一种抗频偏载波恢复系统,包括存储有计算机程序的计算机可读存储介质和处理器,所述计算机程序被所述处理器读取并运行时,实现如上抗频偏载波恢复方法。
第三方面,本发明提供一种计算机可读存储介质,所述存储介质上存储有计算机程序,当所述计算机程序被处理器执行时,实现如上抗频偏载波恢复方法。
本发明通过叉积信道评估确定多普勒频偏值后,将多普勒频偏值作为频率预置量,采用四次方鉴相的Costas环进行载波恢复,即通过叉积信道评估获得准确详细的信道信息,进而在接收端正确地解调出发射信号,配合四次方鉴相的Costas环,可以有效消除多普勒频移的影响,实现频偏校准,保证有效通信。
附图说明
图1为本发明实施例的抗频偏载波恢复方法的流程示意图;
图2为本发明实施例的Costas环原理框图;
图3为本发明实施例的导频信号与多普勒频移信号的对比图;
图4为本发明实施例的载波恢复对比图。
具体实施方式
假设频偏完全由多普勒频移引起,忽略两设备晶体带来的频率偏差,若载体速度为10马赫,载波频率F=8Ghz,则频率偏差为91.67Khz,在如此大的频偏下,普通的通信已经不能满足正常工作要求,需要采取一些额外的技术方法才可以实现频偏校准,以保证有效通信。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂,下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
如图1所示,本发明实施例提供一种抗频偏载波恢复方法,包括:
通过叉积信道评估确定多普勒频偏值;
将所述多普勒频偏值作为频率预置量,采用四次方鉴相的Costas环进行载波恢复。
具体地,抗频偏载波恢复方法包括:
(1)通过叉积信道评估确定多普勒频偏值:在信道评估阶段,针对频偏评估部分,采用叉积频率计算方法。由于信道存在频偏多径等诸多因素,信道估计算法很大程度决定了无线通信系统的性能。无线信道具有不固定、随机性强、传播路径复杂等特点。为了保证无线通信系统中接收端的良好性能,通常需要进行相干解调,并采用性能较好的信道估计器对信道状态变化进行动态跟踪。根据预判的信道特性对接收端的数据进行校正和恢复,以实现可靠性高、误码率低的数据传输。信道估计作为保证无线通信系统性能的关键技术之一,主要通过获得准确详细的信道信息,进而在接收端正确地解调出发射信号,其性能是衡量一个无线通信系统性能的重要指标。获取导频位置的信道估计响应信息方法较为简单也比较单一,但如何通过导频位置的子载波信道响应,获得数据位置的子载波信道响应,方法多种多样,不同方法对性能的影响也不尽相同。本实施例中采用叉积频率计算方法进行信道评估,配合四次方鉴相的Costas环能够有效消除多普勒频移,当接收解调设备通过信道评估获得了信号的多普勒频偏值之后,即可将该频偏值送入载波跟踪与恢复模块,作为频率预置量,接下来即可启动设备的频频跟踪与载波恢复功能,采用四次方鉴相的Costas环进行载波恢复。
(2)将多普勒频偏值作为频率预置量,采用四次方鉴相的Costas环进行载波恢复:结合图2所示,Costas环主要由鉴相器、环路滤波和VCO(voltage-controlled oscillator,压控振荡器)等模块组成,通过Costas环的不断反馈迭代,最终可实现整个环路的锁定,完成对应信号的载波恢复。四次方鉴相的Costas环采用四次方运算,计算量较大,但跟踪性能非常理想,适用于20Khz频偏,一般用于QPSK(Quadrature Phase Shift Keying,正交相移键控)。可以看到,对于大动态多普勒频移,达到90Khz及以上频移时,依靠四次方鉴相的Costas环不能有效解决问题,需要在系统工作前给出信道估计。
结合图3所示,分别示出了四个波形图,上面两个波形图(daI_out和daQ_out)为导频信号对应的波形,下面两个波形图(daI_in和daQ_in)为经过60Khz多普勒频移的波形。结合图4所示(以QPSK信号为例),分别示出了六个波形图,第一个波形图和第二个波形图(daI_in和daQ_in)为经过多普勒频移的波形,第三个波形图和第四个波形图(cos与sin)为VCO的输出信号,用来跟踪外部频偏,第五个波形图和第六个波形图(da_firI与da_firQ)为纠偏后恢复的IQ解调信号,可以看到,多普勒频移已经不再存在,被叉积评估与四次方纠偏解除;其余还包括syn_01,表示解调出的帧同步信号,databefover表示解调后的校校验信号,产生的脉冲表示解调器输出正确。
可选地,所述通过叉积信道评估确定多普勒频偏值包括:
接收导频信号;
对所述导频信号连续采样,确定第一采样点的第一IQ值和第二采样点的第二IQ值;
根据所述第一IQ值、所述第二IQ值和采样周期确定所述多普勒频偏值。
具体地,假定:
进行幅值归一化后,在线性范围内有:
则有:
从而:
可选地,所述导频信号按照0011码型周期发送。
具体地,导频信号按照0011码型周期发送,由于0011码型周期性强,在解调端便于识别信号的特征,若采用01010101码型,在QPSK解调时导致I与Q路固定为0或1,不便于位同步,不便于寻找信息峰值位置,若采用11110000码型,缺点是IQ信号比00110011少一倍,不便于QPSK解调快速位同步与跟踪。
可选地,所述导频信号的发送周期大于30us。
具体地,由于时分体系,在高速信息传输中为降低信号带宽,采用合适的导频长度可以提升信息传输效率,同时确保解调的位同步的可靠性。综合考虑突发系统信号AGC的时间与突发位同步时间,30us可以满足需求。
可选地,所述采用四次方鉴相的Costas环进行载波恢复包括:
根据所述导频信号确定校准相位;
根据所述多普勒频偏值和所述校准相位进行载波恢复。
具体地,结合图2所示,接收端利用高速FPGA(Field Programmable Gate Array,现场可编程逻辑门阵列)接收外部射频器件--正交解调器解调产生的IQ正交数据,做归一化处理,然后按照信号预期的速率4倍采样对归一化后的IQ数据进行抽取并获取IQ数据的峰值,该数据序列取名XmI、XmQ,将XmI、XmQ序列分别与载波提取V1、V2进行相乘,进行信号调整输出V3、V4信号,对该信号进行低通滤波输出V5、V6两路IQ信号输出给位同步模块,V5、V6信号根据叉积计算频率公式,经过30微秒计算,获得稳定的载波频率,将该频率输入VCO模块,V5、V6信号经过鉴相器获得校准相位,将相位输出结果提供给环路滤波器,用作控制VCO载波相位偏差的纠正,VCO模块在上述频率纠正及相位误差的校正下输出载波纠偏信号V1、V2(经过90°相移),作为信号纠偏的两路正交的载波信号。
可选地,所述Costas环包括鉴相器,所述根据所述导频信号确定校准相位包括:将Sin4∆θ作为鉴相输出,通过所述鉴相器确定所述校准相位。
具体地,假设QPSK调制信号经过下变频后表达为:
则有:
则:
结合表1所示,在四次方鉴频方法中,采用4∆θ作为偏差进行频率校准,将Sin4∆θ作为鉴相输出,这样不受信号特征数据内容影响,具有快速鉴频跟踪能力。
表1-不同的鉴相方式对比
鉴相方式 | 鉴相输出 | 鉴相特征 |
I(t)Q(t) | Sin2∆θ | 经典算法,受信号幅度影响大,鉴相误差大,但运算量适中,不需要位同步,用于BPSK |
signI(t)·Q(t) | Sin∆θ | 带符号判决的鉴相算法,抗噪能力强,运算量最小,需要位同步,线性特性较好,用于BPSK QPSK |
Q(t)/I(t) | tan∆θ | 与信号的幅度无关,在高、低信噪比时均良好,但运算量较高 |
Arctan[Q(t)/l(t)] | ∆θ | 二象限反正切鉴相,鉴相误差最小,在高、低信噪比时接近最佳,运算量高,实现困难 |
signI(t)·Q(t)-signQ(t)·I(t) | Sin∆θ | 带符号判决的鉴相算法,抗噪能力强,运算量最小,需要位同步,线性特性较好,用于QPSK |
I(t)Q(t)*(I(t)-Q(t))(I(t)+Q(t)) | Sin4∆θ | 四次方运算,计算量较大,跟踪性能非常理想,适应20Khz频偏,用于QPSK |
可选地,所述Costas环还包括压控振荡器,所述根据所述多普勒频偏值和所述校准相位进行载波恢复包括:通过所述压控振荡器输出载波纠偏信号。
具体地,结合图2所示,Costas环还包括压控振荡器,压控振荡器用于根据相差产生对应的本振信号,对下变频信号进行调整,即通过压控振荡器输出载波纠偏信号,以完成对应信号的载波恢复。
可选地,所述Costas环还包括环路滤波模块,所述根据所述多普勒频偏值和所述校准相位进行载波恢复还包括:通过所述环路滤波模块根据所述校准相位提取相差,以校正所述载波纠偏信号。
具体地,结合图2所示,Costas环还包括环路滤波模块,环路滤波模块用于计算提取相差,从而校正载波纠偏信号。
本发明另一实施例提供一种抗频偏载波恢复系统,包括存储有计算机程序的计算机可读存储介质和处理器,所述计算机程序被所述处理器读取并运行时,实现如上抗频偏载波恢复方法。
本发明另一实施例提供一种计算机可读存储介质,所述存储介质上存储有计算机程序,当所述计算机程序被处理器执行时,实现如上抗频偏载波恢复方法。
虽然本发明公开披露如上,但本发明公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本发明公开的精神和范围的前提下,可进行各种变更与修改,这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种抗频偏载波恢复方法,其特征在于,包括:
通过叉积信道评估确定多普勒频偏值;
将所述多普勒频偏值作为频率预置量,采用四次方鉴相的Costas环进行载波恢复。
2.根据权利要求1所述的抗频偏载波恢复方法,其特征在于,所述通过叉积信道评估确定多普勒频偏值包括:
接收导频信号;
对所述导频信号连续采样,确定第一采样点的第一IQ值和第二采样点的第二IQ值;
根据所述第一IQ值、所述第二IQ值和采样周期确定所述多普勒频偏值。
3.根据权利要求2所述的抗频偏载波恢复方法,其特征在于,所述导频信号按照0011码型周期发送。
4.根据权利要求3所述的抗频偏载波恢复方法,其特征在于,所述导频信号的发送周期大于30us。
5.根据权利要求2所述的抗频偏载波恢复方法,其特征在于,所述采用四次方鉴相的Costas环进行载波恢复包括:
根据所述导频信号确定校准相位;
根据所述多普勒频偏值和所述校准相位进行载波恢复。
6.根据权利要求5所述的抗频偏载波恢复方法,其特征在于,所述Costas环包括鉴相器,所述根据所述导频信号确定校准相位包括:将Sin4∆θ作为鉴相输出,通过所述鉴相器确定所述校准相位。
7.根据权利要求6所述的抗频偏载波恢复方法,其特征在于,所述Costas环还包括压控振荡器,所述根据所述多普勒频偏值和所述校准相位进行载波恢复包括:通过所述压控振荡器输出载波纠偏信号。
8.根据权利要求7所述的抗频偏载波恢复方法,其特征在于,所述Costas环还包括环路滤波模块,所述根据所述多普勒频偏值和所述校准相位进行载波恢复还包括:通过所述环路滤波模块根据所述校准相位提取相差,以校正所述载波纠偏信号。
9.一种抗频偏载波恢复系统,其特征在于,包括存储有计算机程序的计算机可读存储介质和处理器,所述计算机程序被所述处理器读取并运行时,实现如权利要求1至8任一项所述的抗频偏载波恢复方法。
10.一种计算机可读存储介质,其特征在于,所述存储介质上存储有计算机程序,当所述计算机程序被处理器执行时,实现如权利要求1至8任一项所述的抗频偏载波恢复方法。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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