CN201846333U - 数字costas环 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种数字COSTAS环，包括第一鉴相器、第二鉴相器、信号移相模块、压控振荡器、环路滤波器，所述第一鉴相器和第二鉴相器的输出端通过一第一乘法器耦接于所述环路滤波器的输入端，所述环路滤波器的输出端耦接于所述压控振荡器的输入端，所述压控振荡器的输出端通过一第二乘法器耦接于所述第一鉴相器的输入端，所述压控振荡器的输出端还耦接于所述信号移相模块的输入端，所述信号移相模块的输出端通过一第三乘法器耦接于所述第二鉴相器的输入端，其中，所述环路滤波器包括PID控制器。本实用新型不但结构简化，而且可以稳定、快速的解调出载波信号。

Description

数字COSTAS环

技术领域

本实用新型涉及一种锁相环，尤其涉及一种数字COSTAS环，属于信号调制解调领域。

背景技术

在接收机进行相干解调时，需要恢复与发送调制载波同频率同相位的本地载波。对于普通调幅广播信号、无线电视发射的残留边带调制信号中含有的载波分量，采用锁相环直接锁定接收信号中的载波分量即可完成恢复载波的工作，但是在很多应用中，为了提高传输的功率效率，常采用抑制载波的调制方式进行通信传输。这时，就必须对接收调制信号进行非线性处理以获得载波的高次谐波分量，并用锁相环锁定这一谐波分量，再通过分频器分频恢复载波。而对于抑制载波的双边带调制，通常采用平方环或COSTAS环来提取载波。

数字科斯塔斯(COSTAS)环，常用于在微波通信以及卫星通信中的2PSK(也称BPSK)相干调节中提取载波。COSTAS环有两个支路，一个为同向支路，另一为正交支路，因此COSTAS环又称为同向-正交环。其两支路的输出相乘后得到控制电压，控制压控振荡器(voltage-controlled oscillator，简称VCO)的频率。当系统处于同步状态时，VCO的输出为恢复载波，同向支路输出的数据即为2PSK的解调输出，若θ是VCO输出电压与接收2PSK信号载波之间的相位差，经环路滤波器(低通滤波)后所得到的控制电压v(θ)与相位误差θ成正比，其相当于鉴相器的输出，用此控制电压去控制VCO的频率。其中，环路滤波器起到对输入信号的平均作用。也即，整个锁相环的设计应使得锁相环的稳态相位误差θ很小，此时，VCO的输出就是所需提取的载波。COSTAS环的优点是环路工作频率为载波频率，远远低于平方环的工作频率，实现成本较低。

尽管数字COSTAS环在使用过程中不断得到改进，但是现有的数字COSTAS环的结构仍然不够简化，并且其输出的载波信号的稳定性及响应的速度尚不能更好的满足需求。

发明内容

本实用新型要解决的技术问题是现有数字COSTAS环结构不够简化，并且其输出的载波信号的稳定性及响应的速度不能更好的满足需求的问题。

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种数字COSTAS环，其包括第一鉴相器、第二鉴相器、信号移相模块、压控振荡器、环路滤波器，所述第一鉴相器和第二鉴相器的输出端通过一第一乘法器耦接于所述环路滤波器的输入端，所述环路滤波器的输出端耦接于所述压控振荡器的输入端，所述压控振荡器的输出端通过一第二乘法器耦接于所述第一鉴相器的输入端，所述压控振荡器的输出端还耦接于所述信号移相模块的输入端，所述信号移相模块的输出端通过一第三乘法器耦接于所述第二鉴相器的输入端，其中，所述环路滤波器包括PID控制器。

本实用新型提供的数字COSTAS环通过将PID控制器(比例积分微分控制器)融合在环路滤波电路中，不但结构得以简化，而且可以稳定、快速的解调出载波信号，也即，输出初始信号没有抖动及信号的延迟很小。

根据上述数字COSTAS环的一种优选实施方式，其中，所述环路滤波器为一PID控制器。

根据上述数字COSTAS环的一种优选实施方式，其中，所述PID控制器为二阶的比例积分压控低通滤波电路。

根据上述数字COSTAS环的一种优选实施方式，其中，所述PID控制器为开闭环自适应结构。

根据上述数字COSTAS环的一种优选实施方式，其中，所述PID控制器包括：一第一电阻通过一第二电阻连接于一运算放大器的正向输入端，该运算放大器的正向输入端还通过一第一电容连接于地，该运算放大器的反向输入端分别通过一第三电阻和第四电阻连接于地和其输出端，该运算放大器的输出端和该第一电阻与第二电阻的节点之间连接有一第二电容。

根据上述数字COSTAS环的一种优选实施方式，其中，所述第一鉴相器和第二鉴相器结构相同。

根据上述数字COSTAS环的一种优选实施方式，其中，所述第一鉴相器或第二鉴相器包括：一第一电阻、一第二电阻和一第三电阻依次串联并与一第一运算放大器的正向输入端连接，该第一运算放大器的输出端通过串联的一第四电阻和一第五电阻连接于一第二运算放大器的正向输入端，该第一电阻和第二电阻的节点通过一第一电容连接于地，该第二电阻和第三电阻的节点通过一第二电容同时连接于该第一运算放大器的正向输入端和输出端，该第一运算放大器的正向输入端通过一第三电容连接于地，该第四电阻和第五电阻的节点通过一第四电容连接于该第二运算放大器的反向输入端和输出端，该第二运算放大器的正向输入端通过一第五电容连接于地。

根据上述数字COSTAS环的一种优选实施方式，其中，所述信号移相模块包括：一第一场效应管的源极同时连接于一第一电阻的一端、一第一可变电阻的可变端和第一固定端，该第一可变电阻的第二固定端连接于一第二场效应管的栅极，该第一场效应管的漏极通过一第一电容连接于所述第二场效应管的栅极，所述第二场效应管的源极同时连接于一第二电阻的一端、一第二可变电阻的可变端和第一固定端，该第二可变电阻的第二固定端连接于一第三场效应管的栅极，该第二场效应管的漏极通过一第二电容连接于所述第三场效应管的栅极，该第一场效应管的漏极连接于一第三电阻的一端，该第二场效应管的漏极的连接于一第四电阻的一端，该第三电阻的另一端、该第四电阻的另一端和该第三场效应的漏极与一第五电阻的一端同时连接，该第五电阻的另一端连接于该第一场效应管的栅极，该第一场效应管的栅极还连接于一第六电阻的一端，该第六电阻的另一端同时连接于该第一电阻的另一端和该第二电阻的另一端并通过一第七电阻连接于该第三场效应管的源极。

根据上述数字COSTAS环的一种优选实施方式，其中，所述第一场效应管、第二场效应管和第三场效应管均为金属氧化物半导体场效应管。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型优选实施例的原理性结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型的附图，对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

为了解决现有技术现有数字COSTAS环结构不够简化，并且其输出的载波信号的稳定性及响应的速度不能更好的满足需求的问题，本实用新型提供一种数字COSTAS环。

首先需要说明的是，在图1中，虚线仅作为示意性表示本实用新型优选实施例的各电路模块之用，其不对本优选实施例的实际结构作任何限定。

如图1所示，本实用新型提供的本实用新型优选实施例包括两鉴相器1和2、信号移相模块5、压控振荡器4、环路滤波器3，鉴相器1、2的输出端通过乘法器M3耦接于环路滤波器3的输入端，环路滤波器3的输出端耦接于压控振荡器4的输入端，压控振荡器4的输出端通过乘法器M1耦接于鉴相器1的输入端，压控振荡器4的输出端还耦接于信号移相模块5的输入端以分频和移相，信号移相模块5的输出端通过乘法器M2耦接于鉴相器2的输入端，其中，环路滤波器3为一开闭环自适应结构的PID控制器。

本优选实施例采用PID控制器来实现环路滤波功能。在作为环路滤波器3中，若仅有P(比例)控制，系统会出现稳态误差；加入I(积分)控制会使得系统稳定以后不会出现稳态误差；D微分控制器则具有“预测未来”的功能，因此以PID控制器作为环路滤波器，并根据本优选实施例的系统要求设定P、I、D三个参数值，即可以使本优选实施例实现系统快速响应，并达到稳态值。此外，还具有结构简单、工作可靠、稳定性好、调制方便的优点。

如图1所示，本优选实施例的PID控制器为二阶的比例积分压控低通滤波电路，其中，电阻R31的一端通过电阻R33连接于运算放大器A31的正向输入端，运算放大器A31的正向输入端还通过电容C32连接于地，运算放大器A31的反向输入端还分别通过电阻R32和电阻R34连接于地和其输出端，运算放大器A31的正向输入端和电阻R31与电阻R33的节点之间连接有电容C31，如此，电阻R31的另一端、运算放大器A31的输出端就分别为环路滤波器3(即PID控制器)的输入端和输出端。图1所示PID控制器的参数值可通过以下通用公式(1)、(2)计算得到：

$f=\frac{1}{2\mathrm{\πRC}}---\left(1\right)$

$u_O=-(\frac{R_{32}}{R_{34}}+\frac{C_{32}}{C_{31}})u_I-R_{32}{C}_{32}\frac{{\mathrm{du}}_I}{\mathrm{dt}}-\frac{1}{R_{34}{C}_{31}}{\∫u}_I\mathrm{dt}---\left(2\right)$

式(1)表示频率f和电阻R、电容C的关系；式(2)中：u_I、u_O分别表示本优选实施例的PID控制器输入、输出电压值；

为比例系数，

为积分系数，R₃₂C₃₂为微分系数，如(1)、(2)式所示，将R₃₂置零则得到了比例积分运算电路，或将C₃₁置零则得到了比例微分控制器。

在本优选实施例中，鉴相器1和鉴相器2结构相同，如图1所示，为简化附图，两鉴相器1、2各部件的附图标记相同。两鉴相器之一包括：电阻R11、电阻R12和电阻R13依次串联后与运算放大器A11的正向输入端连接，运算放大器A11的输出端通过串联的电阻R14和电阻R15连接于运算放大器A12的正向输入端，电阻R11和电阻R12的节点通过电容C11连接于地，电阻R12和电阻R13的节点通过电容C12同时连接于运算放大器A11的正向输入端和输出端，运算放大器A11的正向输入端通过电容C13连接于地，电阻R14和电阻R15的节点通过电容C14连接于运算放大器A12的反向输入端和输出端，运算放大器A12的正向输入端通过电容C15连接于地，电阻R11与乘法器M1连接的一端、运算放大器A12的输出端即为鉴相器的输入端和输出端。

两鉴相器1、2有模拟相乘器和低通滤波器两个部分组成，本优选实施例的鉴相器改进的重点在于低通滤波器的实现，低通滤波器必须得通过载波信号的频率，由于基带信号与载波信号的频率相差多倍，因此不应以带通滤波器来作为本优选实施例的低通滤波器。本优选实施例的低通滤波器为一阶有源低通滤波器，其采用在一阶低通滤波器的输出端加入一个电压跟随器，此跟随器使整个滤波网路不会随着输出电阻的大小变化，因此得到的滤波网络的频率特性是固定的。

本优选实施例对于现有技术的信号移相模块也进行了改进，本优选实施例的信号移相模块采用了金属氧化物半导体场效应管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET)实现90度移相，即本优选实施例的信号移相模块的场效应管均为MOSFET。其中，场效应管Q1的源极同时连接于电阻R51的一端、可变电阻R52的可变端和第一固定端，可变电阻R52的第二固定端连接于场效应管Q2的栅极，场效应管Q1的漏极通过电容C51连接于场效应管Q2的栅极。场效应管Q2的源极同时连接于电阻R53的一端、可变电阻R54的可变端和第一固定端，可变电阻R53的第二固定端连接于场效应管Q3的栅极，场效应管Q2的漏极通过电容C52连接于场效应管Q3的栅极。场效应管Q1的漏极连接于电阻R56的一端，场效应管Q2的漏极的连接于电阻R59的一端。电阻R56的另一端、电阻R59的另一端和场效应Q3的漏极与电阻R56的一端同时连接，并且该节点连接于电路电源VCC。电阻R56的另一端连接于场效应管Q1的栅极，场效应管Q1的栅极还连接于电阻R57的一端，电阻R57的另一端同时连接于电阻R51的另一端和电阻R53的另一端并通过电阻R55连接于场效应管Q3的源极，场效应管Q3和电阻R55的节点即为该信号移相模块5的输出端，电阻R56和电阻R57的节点为该信号移相模块5的输入端。

压控振荡器4的实质是一个“电压-频率”变换装置，在本优选实施例中作为被控振荡器，它的振荡频率随输入控制电压线性的变化。所以压控振荡器4实质上是一个具有线性控制特性的调频振荡器。本优选实施例可采用变容二极管+LC三点式正弦波压控振荡器，实现电压控制正弦波输出。

为了测试本优选实施例的有益效果，图1还示出了信号发生器6、过零比较器7和示波器6、9。信号发声器6可以输出例如200Hz的基带信号和2000Hz的载波信号，在测试时，基带信号可以为方波信号，载波信号可以为正弦波信号。为了说明本优选实施例的有效性，但不失一般性，方波信号可以不采用随机的二进制信号，而是采用固定占空比的方波信号。信号发生器6的输出端同时耦接于乘法器M1和M2。

简而言之，过零比较器7是将信号大于零的部分变为“1”；小于零的部分变为“0”，在图1中，可以将其变为了“-1”。如图1所示，只用一个集成运放来实现过零比较，没有加入过载保护，这是因为在电路仿真中所选择的信号的幅值与电流值都比较的小，仿真中没有必要，但实际电路必需加入的过载保护电路。

示波器6、9主要用于显示二者所耦接的电路节点的波形，另外，信号发生器6也包括一示波器61，由于图1已经清楚的示出了上述三示波器6、9的耦接位置，因此不再赘述。

图1所示优选实施例的PID控制的三个参数(比例系数P、积分系数I、微分系数D)可以根据信号的频率、采集周期及电路元器件的参数等进行计算，或者辅以实验进行确定。上述三个参数也可以用人工神经网络等机器学习的方法得到。

虽然图1及以上描述已经清楚的示出了本实用新型的结构，本领域技术人员可以理解本实用新型不局限以上的实施方式，例如还可以变换成其他环路滤波采用比例系数P、积分系数I、微分系数D为算法形式和结构形式的PID(如增量式PID、线性PID、动态PID、模糊PID等)控制器，不论是常规型式、智能式或自适应式，只要是数字COSTAS环的环路滤波电路采用PID控制器，均应属于本实用新型的保护范围。

综上所述，通过在环路滤波环节融合PID控制器，引入参数自适应的比例积分微分控制器来实现环路滤波，而不是采用现有的锁相环的环路滤波算法，或者像一阶锁相环那样直接省去，本实用新型提供的数字COSTAS环提高了载波解调恢复能力，相对于现有的COSTAS环，具有响应速度快、稳定、没有初始振荡信号、不会对信号产生干扰的优点。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种数字COSTAS环，包括第一鉴相器、第二鉴相器、信号移相模块、压控振荡器、环路滤波器，所述第一鉴相器和第二鉴相器的输出端通过一第一乘法器耦接于所述环路滤波器的输入端，所述环路滤波器的输出端耦接于所述压控振荡器的输入端，所述压控振荡器的输出端通过一第二乘法器耦接于所述第一鉴相器的输入端，所述压控振荡器的输出端还耦接于所述信号移相模块的输入端，所述信号移相模块的输出端通过一第三乘法器耦接于所述第二鉴相器的输入端，其特征在于，所述环路滤波器包括PID控制器。

2.根据权利要求1所述的数字COSTAS环，其特征在于，所述环路滤波器为一PID控制器。

3.根据权利要求1所述的数字COSTAS环，其特征在于，所述PID控制器为二阶的比例积分压控低通滤波电路。

4.根据权利要求1所述的数字COSTAS环，其特征在于，所述PID控制器为开闭环自适应结构。

5.根据权利要求1所述的数字COSTAS环，其特征在于，所述PID控制器包括：一第一电阻通过一第二电阻连接于一运算放大器的正向输入端，该运算放大器的正向输入端还通过一第一电容连接于地，该运算放大器的反向输入端分别通过一第三电阻和第四电阻连接于地和其输出端，该运算放大器的输出端和该第一电阻与第二电阻的节点之间连接有一第二电容。

6.根据权利要求1所述的数字COSTAS环，其特征在于，所述第一鉴相器和第二鉴相器结构相同。

7.根据权利要求6所述的数字COSTAS环，其特征在于，所述第一鉴相器或第二鉴相器包括：一第一电阻、一第二电阻和一第三电阻依次串联并与一第一运算放大器的正向输入端连接，该第一运算放大器的输出端通过串联的一第四电阻和一第五电阻连接于一第二运算放大器的正向输入端，该第一电阻和第二电阻的节点通过一第一电容连接于地，该第二电阻和第三电阻的节点通过一第二电容同时连接于该第一运算放大器的正向输入端和输出端，该第一运算放大器的正向输入端通过一第三电容连接于地，该第四电阻和第五电阻的节点通过一第四电容连接于该第二运算放大器的反向输入端和输出端，该第二运算放大器的正向输入端通过一第五电容连接于地。

8.根据权利要求1所述的数字COSTAS环，其特征在于，所述信号移相模块包括：一第一场效应管的源极同时连接于一第一电阻的一端、一第一可变电阻的可变端和第一固定端，该第一可变电阻的第二固定端连接于一第二场效应管的栅极，该第一场效应管的漏极通过一第一电容连接于所述第二场效应管的栅极，所述第二场效应管的源极同时连接于一第二电阻的一端、一第二可变电阻的可变端和第一固定端，该第二可变电阻的第二固定端连接于一第三场效应管的栅极，该第二场效应管的漏极通过一第二电容连接于所述第三场效应管的栅极，该第一场效应管的漏极连接于一第三电阻的一端，该第二场效应管的漏极的连接于一第四电阻的一端，该第三电阻的另一端、该第四电阻的另一端和该第三场效应的漏极与一第五电阻的一端同时连接，该第五电阻的另一端连接于该第一场效应管的栅极，该第一场效应管的栅极还连接于一第六电阻的一端，该第六电阻的另一端同时连接于该第一电阻的另一端和该第二电阻的另一端并通过一第七电阻连接于该第三场效应管的源极。

9.根据权利要求8所述的数字COSTAS环，其特征在于，所述第一场效应管、第二场效应管和第三场效应管均为金属氧化物半导体场效应管。

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