CN116155668B - 一种抗频偏载波恢复方法、系统及存储介质 - Google Patents

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

一种抗频偏载波恢复方法、系统及存储介质

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。

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：

；

；

其中，

表示初始相位。

对于信号连续采样，得到

、/>

连续两个点的IQ值为/>

、/>

、/>

和/>

，有：

；

当采样信号密集时，

近似等于1，则：

；

进行幅值归一化后，在线性范围内有：

；

则有：

；

从而：

；

上式为叉积计算频率公式，其中，

表示采样周期。

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：

；

上式中

，调制符号经过4倍频后，成为/>

的整数倍，正负符号受相位方向调整，/>

这一项为频偏引起的相位变化，当/>

为0后解调器即可正常跟踪解调频偏引起的相位变化，简化该项，令：

；

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

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 (4)

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，具体包括：

接收导频信号，其中，所述导频信号按照()()11码型周期发送；

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：

其中，θ₀表示初始相位；

对于信号连续采样，得到α₁、α₂连续两个点的IQ值为I₁、I₂、Q₁和Q₂，有：

tan(α₂-α₁)＝(tanα₂-tanα₁)/(1+tanα₂*tanα₁)

＝(Q₂/I₂-Q₁/I₁)/(1+Q₂/I₂*Q₁/I₁)

＝(Q₂I₁-Q₁I₂)/(I₁*I₂+Q₁*Q₂)；

当采样信号密集时，I₁*I₂+Q₁*Q₂近似等于1，则：

tan(α₂-α₁)＝Q₂I₁-Q₁I₂；

进行幅值归一化后，在线性范围内有：

α₂-α₁＝tan(α₂-α₁)＝Q₂I₁-Q₁I₂；

则有：

2πf_xΔt＝α₂-α₁＝Q₂I₁-Q₁I₂；

从而：

f_x＝(Q₂I₁-Q₁I₂)*c，c＝1/2πΔt；

上式为叉积计算频率公式，其中，Δt表示采样周期；

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，其中，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；

其中，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Sin4Δθ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：

上式中，π*n调制符号经过4倍频后，成为π的整数倍，正负符号受相位方向调整，8πf_xΔt这一项为频偏引起的相位变化，当8πf_xΔt+4θ₀为0后解调器即可正常跟踪解调频偏引起的相位变化，简化该项，令：

8πf_xΔt+4θ₀＝4Δθ；

则：

Δθ＝2πf_xΔt+θ₀；

其中，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；

其中，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。

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，所述导频信号的发送周期大于30us。

3.一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2任一项所述的抗频偏载波恢复方法。

4.一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2任一项所述的抗频偏载波恢复方法。

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