基于FFT载频估计和Costas环的非协作通信载波同步系统的制作方法

【技术领域】

[0001] 本发明涉及本发明属于数字通信技术领域，特别是涉及一种通信载波同步系统。

【背景技术】

[0002] 在通信系统中，同步是一个非常重要的问题，同步电路是接收机不可缺少的重要 组成部分，是进行正常通信的必要保证。在整个同步系统中，并没有包含有用信息的传输， 但是只有在接收端和发送端之间建立了同步以后，双方才能开始正常的信息传输，即接收 端可以正常的接收到发送端发送的信息，从而达到通信的目的，所以同步是进行信息传输 的前提。同步系统性能的好坏将直接影响着通信系统的性能，如果在双方通信之前没有达 到所要求的同步性能，将会严重影响通信质量，甚至无法正常的通信。因此要实现高质量的 信息传输，必须要求同步系统具有很高的可靠性，即能够长时间的保持稳定状态。在同步系 统中，载波同步通常处于接收端数字信号处理系统的前端，要进行解调恢复原始信号，接收 机必须通过载波同步得到相干载波才能能够解调，从而使得接收方得到原始信号，实现成 功通信的目的。

[0003] 载波同步又称为载波恢复，即在接收端设备中产生一个和接收信号的载波同频同 相的本地振荡信号，对接收到的信号进行相干解调，从而得到原始的信号。当接收信号中包 含离散的载频分量时，在接收端可以让接收信号直接通过窄带滤波器分离出信号载波作为 本地相干载波。若接收信号中没有离散载波信号分量，例如DPSK信号和抑制载波的双边带 调幅信号，则接收端设备需要对信号进行非线性变换，间接的从信号中提取载波。无论什么 情况，只要采用相干解调方式，在接收设备中都需要有载波同步电路，以提取相干解调所需 要的相干载波。相干载波必须与接收信号的载波严格的同频同相，否则会降低解调性能，从 而降低通信系统的通信质量。

[0004] 当然，在接收端对接收到的信号进行解调时，也可以不提取相干载波信号，即采用 非相干解调，这种方法在一定的程度上可以降低系统设计的复杂性。由无线通信原理可知， 不论对于那种调制方式，在相同的外部条件干扰下，相干解调的方式都具有比非相干解调 方式更好的误码性能和抗噪声性能。因此为了使得设计出的通信系统具有优良的通信性 能，工程上多采用相干解调的方式，来实现接收机的解调功能。

[0005] 在相干解调中，载波同步的实现方法通常分为直接提取法和插入导频法两种。但 是工程上为了有效利用频率资源，并尽可能的使发射的无线电波中携带有用信息，发射端 通常不会发射专门用于同步的载频信息，因此抑制载波同步技术的应用更为广泛。而在抑 制载波同步技术中，工程上主要利用Costas环来实现载波同步，这是因为Costas环在提取 抑制载波信号的同时，同相支路即是相干解调输出信号，相对于其他方法，Costas环法具有 更高的实现效率(可以简化接收端解调电路的设计)。

[0006] 但是，当初始频偏比较大时，Costa环的捕获时间较长。当初始频差超出一定范围 时，Costas环甚至不能实现载波同步。在非协作通信中，载波同步系统的捕获带宽必须很 宽，这是因为非协作通信中接收方并不知道发送方载波的任何信息，载波同步必须具有很 宽捕获带，才能实现载波的提取。

【发明内容】

[0007] 为了克服上述现有技术存在的捕获时间长和捕获带宽窄的问题，本发明提出了一 种基于FFT载频估计和Costas环的非协作通信载波同步系统，在Costas锁相环路的前端增 加一级频率估计功能电路，将Costas环路的初始频偏限定在一个较小的范围内，这样就可 以缩短捕获时间和间接拓宽捕获带宽，从而完成非协作通信中未知信号的载波同步。

[0008] 1.本发明提出了一种一种基于FFT载频估计和Costas环的非协作通信载波同步系 统，其特征在于，该系统包含两部分，即前端的FFT载频估计模块和后端的Costas环载波同 步模块。其工作原理:输入信号同时作用在两个模块上，FFT载频估计模块先对输入信号进 行载频估计，直到其将估计出的载波频率传输到Costas环时，Costas环的使能端才变为有 效，并以载波频率的估计值为初始振荡频率，传输到Costas环载波同步模块中的数字频率 控制振荡器(NC0)，控制数字频率控制振荡器(NC0)的振荡频率，对输入信号进行高精度的 载波同步；当完成对输入信号的捕获后，数字频率控制振荡器将输出精确的载波提取信号； 其中：

[0009] 所述FFT载频估计模块的结构依照信号处理顺序包括输入信号、平方部件、FFT变 换模块、求模模块和比较模块:输入信号为频谱中不含的载频分量的DPSK信号，平方部件直 接由ISE提供的乘法IP核产生并且采用双输入，即DPSK信号同时由乘法器核的两端输入完 成平方运算;FFT变换模块直接由ISE提供的FFT核产生，输出频谱采样点的序号;求模模块 对输出的虚数求其模长，即把实部与虚部平方后相加;比较模块求出模长最大的点；

[0010]所述Costas环载波同步模块的结构依照信号处理顺序包括输入信号、乘法器、低 通滤波器、环路滤波器和数字控制振荡器:输入信号经同相支路与正交支路分别乘以同相 和正交载波，乘法器主要参数有系统时钟频率、输入数据的位数和输出数据的位数;再分别 通过低通滤波器，低通滤波器直接由ISE提供的FIR核产生，输出的两个信号相乘，得到误差 信号Ud(t)，误差信号Ud(t)经环路滤波器输出控制压控振荡器的控制电压u c(t)，数字控制 振荡器的FPGA实现，直接由ISE软件提供的DDS核产生;根据所述Costas环载波同步模块的 结构进行顶层模块的VHDL程序编写，顶层模块主要完成各个模块的例化、连接和乘法器的 设计。

[00?1 ]与现有技术中相比，本发明将Costas环和FFT载频估计二者相结合，使得当Costas 环在进行载波同步时初始频差很小，甚至为零，大大缩短了捕获时间。通过本发明即可完成 非协作通信中未知信号的载波获取。

【附图说明】

[0012] 图1为本发明的基于FFT载频估计和Costas环的非协作通信载波同步系统结构图；

[0013] 图2为基于FFT载频估计的FPGA实现结构示意图；

[0014] 图3为Costas环结构示意图；

[0015] 图4为符号判决法实现乘法运算的结构示意图；

[0016] 图5为载波频率6MHz，信噪比100dB时，频差函数及载波信号相位的比较图；

[0017]图6为载波频率6MHz，信噪比20dB时，频差函数及载波信号相位的比较图；

[0018]图7为载波频率6MHz，信噪比6dB时，频差函数及载波信号相位的比较图；

[0019]图8为载波频率6.02MHz，信噪比20dB时，频差函数及载波信号相位的比较图。

【具体实施方式】

[0020]以下结合附图及【具体实施方式】，进一步详述本发明的技术方案。

[0021]如图1所示，本发明的基于FFT载频估计和Costas环的非协作通信载波同步系统整 体设计包含两部分，即前端的FFT载频估计模块和后端的Costas环载波同步模块。其工作原 理:输入信号同时作用在两个模块上，FFT载频估计模块先对输入信号进行载频估计，直到 其将估计出的载波频率传输到Costas环时，Costas环的使能端才变为有效，并以载波频率 的估计值为初始振荡频率，对输入信号进行高精度的载波同步。

[0022] Costas环前端加入载频估计的理论依据是:对于模拟锁相环路，压控振荡器(VC0) 的线性控制区域是有限的且固有振荡频率是确定的。因此在模拟锁相环的前端加入载频估 计是无法改变锁相环的载波同步性能。但是对于数字锁相环路中的数字频率控制振荡器 (NC0)来讲，由于其工作原理是在时钟信号的驱动下读取存储在ROM中的三角函数表，所以 其控制特性始终是线性的。数字频率控制振荡器(NC0)的输出信号振荡频率与频率字位宽、 系统时钟信号elk和频率字有关。当系统设计完成后，频率字位宽和系统时钟信号elk都是 固定的。在这种情况下，输出信号振荡频率仅仅与频率字的大小有关，只要改变频率字，NC0 输出的振荡频率就会随之改变。由上述分析可得，在数字锁相环的前端加入载频估计是可 行的。其不仅可以缩短数字锁相环的捕获时间，还可以增加锁相环的捕获带宽。

[0023]采用FFT来实现信号的载频估计的理论依据是:FFT是离散傅里叶变换(DFT)的一 种高效算法，使得DFT的运算大大的简化，当N较大时，其运算速度相比DFT有很大的提高，因 此相对于DFT，FFT能更好的引用于工程设计中。由于目前的无线通信接收机大多采用中频 数字化实现结构，本发明中用于仿真的输入信号为中心频率f〇 = 70MHZ的DPSK信号，信号带 宽为7.2MHz，基带信号带宽为3.6MHz，采用32MHz带通采样。

[0024]如图2所示，基于FFT来实现信号的载频估计，首先要保证输入的信号频谱中有明 显的载频分量，以便能够通过简单的计算得出信号的载波频率。本发明涉及到的是DPSK信 号。对于该信号，信号的频谱中不含载波谱线，因此无法直接对其进行基于FFT载频估计。然 而，可以对DPSK信号进行平方变换，这样所得的信号中含有2倍载波频率分量，然后对其进 行基于FFT载频估计和简单的数据变换，即可得到DPSK信号的载波频率。首先要对输入的信 号平方，其次对信号进行512点的FFT变换，然后对输出的频谱信号进行求模运算，通过比较 得出第1点到第256点中模长最大的点，即幅值最大的点，就可以求出2倍载频所对应的频 率。该结构中：平方部件直接由ISE提供的乘法IP核产生并且采用双输入，即DPSK信号同时 由乘法器核的两端输入完成平方运算。FFT变换直接由ISE提供的IP核产生，为了节约硬件 资源，