一种非数据辅助的oqpsk信号闭环载波同步方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于测试技术领域，尤其涉及的是一种非数据辅助的OQPSK信号闭环载波 同步方法。
【背景技术】
[0002] OQPSK作为一种恒包络的数字调制技术，不仅具有较高的频带利用率和功率利用 率，还消除了 180°载波相位跳变，在带宽有限的实际通信系统中，包络起伏小，已经成为一 种在测控和通信领域中常用的调制方法，如TDMA、CDM系统等。
[0003] 由于很多通信系统均采用相干解调的方法还原调制信号，而接收机在进行相干解 调时，需要产生一个与发射机传送的信号具有相同频率和相位关系的载波信号。因此，要实 现信号的正确传输，获得良好的接收性能，必须对接收信号进行准确的载波同步。
[0004] 通信系统中，载波同步的方法有两类：插入导频法和直接法。前者是已调信号中不 存在载波分量，需要在发送端插入导频信号，或者在接收端对信号进行适当的波形变换，以 取得载波同步信息。后者是已调信号中存在载波分量，可以从接收的信号中提取载波同步 信息。工程上为了有效利用频率资源，并尽可能使空间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波信息。因此，相对于插入导频法，直接法应用更为广 泛，常用的方法为基于锁相环的载波同步方法，同相正交（Costas)环法提取载波的原理框 图如图1所示：Costas环包括两个相干解调器，它们的输入信号相同，分别与本地载波相位 相同的同相信号和经过90°相移13的正交信号进行相干解调，，上支路为同相相干解调 器，下支路为正交相干解调器。两个相干解调器的输出同时送入乘法器，与输入信号相乘， 并通过低通滤波器（LPF) 10滤除高频分量。两路滤波后信号分别与经过符号函数Sgnll判 决的信号交叉相乘，完成鉴相功能，最后经过环路滤波器14输出控制本地振荡器VC012的 误差电压信号，误差电压信号控制VCO稳定在输入信号的载波频率上。
[0005] 基于锁相环的载波同步算法可以实现准确的载波同步并且性能稳定，但需要较长 的入锁时间。载波同步环路的入锁时间受载波频偏的影响非常明显：当频偏较小时，锁相环 可以很快入锁；当频偏较大时，锁相环所需的入锁时间较长；当频偏过大时，锁相环甚至会 出现失锁现象。在实际通信系统中，信号的频偏范围往往较大，单纯的基于锁相环的载波同 步算法不能满足实际系统的处理要求。
[0006] 因此，现有技术存在缺陷，需要改进。
【发明内容】
[0007] 本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种非数据辅助的 OQPSK信号闭环载波同步方法。
[0008] 本发明的技术方案如下：
[0009] 一种非数据辅助的OQPSK信号闭环载波同步方法，其中，包括以下步骤：
[0010] 步骤 1 :设接收信号为s(t) =I(t)cos(?et+ 9 )+Q(t)sinf^c^t+ 0 )，本地载 波信号为本地振荡器（VCO)的输出信号v(t) = (308(04+Qtl)，则与接收信号s(t)进 行正交解调的上下两路信号分别为与载波同相的同相信号力(0 = 和 与载波相位相差90°的正交信号V2(t) = 8111(04+Stl)，接收信号s(t)分别与两 路正交的信号V1(t)和?⑴在混频器中进行正交解调，得到两路正交的解调信号 V3 (^) - - [^U){C0S{(&>0 + +(^0 +^)) +GOS({^>0- -iT {0Q-^))) + ^(/)(8111((^ +ft?0)r + + ^0)) -8111((6?-0>e)t+ (^0 - ^)))] 矛口 - ? v4(?)=^-[/<0(sin{(?0 +^)^ + 090+^))-8111((^-^^ + ((9-(90))) + 2^)(008((^ +?0)?+ (61+ ^0))-cos((^r-6>0)/ + (6^-?)))]其中V3(t)为同相分量，V4(t)为正交分量；
[0011] 步骤2 :两路正交的解调信号分别经过低通滤波器后，低通滤波后的两路信号分 别为同相分量V5 (t)和正交分量V6 (t)，如公式1和公式2所示：
【主权项】
1. 一种非数据辅助的OQPSK信号闭环载波同步方法，其特征在于，包括W下步骤： 步骤 1 ;设接收信号为 S (t) = I (t) cos (W tt+ 0 ) +Q (t) sin (W tt+ 0 )，本地载波 信号为本地振荡器（VCO)的输出信号v(t) =cos(Wut+0。)，则与接收信号s(t)进 行正交解调的上下两路信号分别为与载波同相的同相信号Vi(t) = cos(Wut+0。）和 与载波相位相差90°的正交信号V2(t) =3111(?。*+0。)，接收信号3(*)分别与两 路正交的信号Vi(t)和V2(t)在混频器中进行正交解调，得到两路正交的解调信号 "3的=告[化Wcos((邱+听)(+ (&十谷)) + c〇到(巧啤知+ (巧|-0))) + 0U)(sin((啤+巧|)f+ (0十0〇；))_sin((妨〇_邱知十(谷〇_谷;)別 和 v_4(^ =毒[化)(sin((姑。+邱V +辟+巧)一sm{(巧姑。)W谷一沒U所+掛饼cos^%'+姑。)W谷+研其中 - ) V3(t)为同相分量，V4(t)为正交分量； 步骤2 ;两路正交的解调信号分别经过低通滤波器后，低通滤波后的两路信号分别为 同相分量Vg (t)和正交分量Ve (t)，如公式1和公式2所示：
A目二目〇-目； 步骤3 ;低通滤波后的同相分量V5(t)和正交分量Ve(t)分别分两路进入平方谱频偏粗 估计模块进行频偏粗估计，首先对信号进行平方运算，然后进行快速傅里叶变换，得到信号 的平方谱，对平方谱进行分析，捜索其极大值点，可获得平方谱突出谱线的位置a ;已知信 号传输速率为fi，根据突出谱线a算出频偏范围f。，如果有两条突出谱线a 1和a 2,并且 曰1<〇< a 2,则频偏范围为如果只有一条谱线a,若a <0,则 此时的频偏为负，频偏范围为若a >0,则此时的频偏为正，频偏范围为 ()<乂 < 单 步骤4 ;将低通滤波后的同相分量V5 (t)和正交分量Ve(t)与步骤3得到的频偏范围fe 分别送入点积叉积鉴频器和鉴相器模块进行频偏精估计，首先分别将V5 (t)和Ve (t)两路信 号延时一个符号周期Tb，得到V日(t-1)和Ve (t-1)两路信号，然后对V日(t)、V日(t-1)、Ve (t)和 Ve(t-l)四路信号进行点积叉积运算；定义点积为Dot(t) = V日(t-l)v日(t)+Ve(t-l)Ve(t)， 定义叉积为 Cross (t) = V日（t-1) Ve (t) -Ve (t-1) V日(t)，令 Dot'（t) = Dot (t) -Cross (t)， &〇33'（*)=0〇*似+&〇33似，则鉴频器的输出即频率误差为6^*)=8即值〇*'似） Cross (t)-Dot'（1:)3即(Cross (t)) A 〇1+(：1;将 Vs (t)和￥6(1:)两路信号送入鉴相器， 直接计算得到鉴相器的输出即相位误差为命(0 = sin(2&抑〇) + C ; 步骤5 ;将点积叉积鉴频和鉴相器输出的频率误差ef(t)和相位误差化(t)进行复合 运算，得到误差控制量Vd(t) =ef(t)+化(t)，将误差控制量Vd(t)送入环路滤波器滤除高 频分量，环路滤波器产生误差电压信号控制本地振荡器产生本地载波信号v(t)。
步骤6 ;重复步骤1至步骤5,使步骤4获得频率误差与相位误差趋于零，即完成载波同 步过程，实现了载波频偏的准确估计。
2. 如权利要求1所述的非数据辅助的OQPSK信号闭环载波同步方法，其特征在于， 所述步骤3中，所述平方谱粗估计模块的具体步骤为；设载波频偏为f。，信号传输速率为 fi，平方谱在循环频率a =2fe±fT处存在两条明显的谱线，两条谱线的幅度、位置由载 波频偏影响，当频偏较小时，存在两条明显的谱线，当频偏较大时，一条谱线变的模糊，另 一条谱线更加明显；因此，借助平方谱进行粗估计W缩小待测信号的频偏范围；首先对 信号进行平方运算，然后进行快速傅里叶变换，得到信号的平方谱，对平方谱进行分析， 捜索其极大值点，获得平方谱突出谱线的位置a ;已知信号传输速率为fi，根据突出谱线 曰算出频偏范围fc，如果有两条突出谱线a 1和a 2,并且a 1<〇< a 2,则频偏范围为 如果只有一条谱线a，若a <0,则此时的频偏为负，频偏范围为 ^|^<尤<0;若a >0,则此时的频偏为正，频偏范围为0</c<^^;在得到粗频偏 后，对信号进行校正，若信号的频偏较小时，根据该频偏在点积叉积鉴频和鉴相器模块进行 精估计得到准确的频偏。
3. 如权利要求1所述的非数据辅助的OQPSK信号闭环载波同步方法，其特征在于，所述 步骤3中，所述结合点积叉积鉴频与鉴相器的精估计模块具体步骤为；首先分别将I (t)和 Q (t)两路信号延时一个符号周期Tb，得到I (t-1)和Q (t-1)两路信号，然后对I (t)、I (t-1)、 Q(t)和Q(t-l)四路信号进行点积叉积运算：定义点积为Dot(t) = I(t-l)I(t)+Q(t-l) Q (t)，定义叉积为 Cross (t) = I (t_l) Q (t) -Q (t_l) I (t)，令 Dot'（t = ) Dot t_C Cross) t， &〇33'（1：)=0〇1：(1：)+&〇33(1：)，贝1]鉴频器的输出即频率误差为6^1：)=8肖]1值〇1：'（1：)) Cross(t)-Dot'（1:)3即(化〇33(1:)) Ki A 〇1+。;将 I(t)和 Q(t)两路信号送入鉴相器，直 接计算可得到鉴相器的输出即相位误差为命(0=>1(2雌(/)) +马，其中町、。、1(2、〔2均 为常数；当起始频偏较大时，鉴相器输出的是直流分量约为零的差拍电压，而鉴频器由于频 宽较宽，能够输出与频偏正比的直流分量，此时，锁频环起主要作用；当频偏缩小到预定范 围后，鉴频器输出的误差量约为零，锁相环开始起主导作用。
【专利摘要】本发明提供一种非数据辅助的OQPSK信号闭环载波同步方法，利用OQPSK信号的平方谱特性，采用一种基于平方谱估计的载波频偏粗估计算法，可以有效地减小信号的频率范围。载波同步环路采用一种点积叉积鉴频器与鉴相器相结合的交叉环结构，可同时保证载波同步的速度和精度。环路滤波器采用比例积分滤波器，使得同步环路为二阶环路，在直流增益为无穷大且频偏为常数的情况下，能够实现稳定的环路动态响应。采用上述方案，在平方谱频偏粗估计的基础上，将点积叉积鉴频器与鉴相器联合使用，可以准确估计出频偏，保证载波同步的精度和速度，能够满足通信系统的需求。
【IPC分类】H04L27-18, H04L25-02
【公开号】CN104601506
【申请号】CN201410531403
【发明人】刘磊, 张光山, 付存文, 李龙, 杨晓涛, 苏杰, 陈庆磊
【申请人】中国电子科技集团公司第四十一研究所
【公开日】2015年5月6日
【申请日】2014年10月10日