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时间:2018-04-29
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1、高动态环境下猝发DQPSK系统载波跟踪设计与实现-电气论文高动态环境下猝发DQPSK系统载波跟踪设计与实现丁法珂(中国空空导弹研究院,河南洛阳471009)摘要:针对高动态环境下猝发DQPSK通信系统,提出一种四相鉴频频率牵引、鉴频辅助鉴相的载波跟踪方案,通过Matlab仿真验证,并编写VHDL程序在FPGA中实现,最终在硬件平台上进行性能测试,测试结果表明该方案可行,硬件实现达到了设计指标要求。关键词:DQPSK;载波跟踪;高动态;猝发通信中图分类号:TN850.4?34文献标识码:A文章编号:1004?373X(2015)13
2、?0010?03收稿日期:2015?02?140引言差分四相相移键控(DQPSK)调制具有较好的频带利用率及良好的抗干扰性能,在数字微波通信系统中得到了广泛应用。载波跟踪是DQPSK信号相干接收的关键技术之一,受多普勒频移和本振不稳定等因素的影响,接收信号存在频率漂移,从而使收发载波存在较大频偏,直接影响到接收机的性能,因此必须将频偏消除。而在高动态环境下,且采用猝发通信模式,对系统载波捕获速度与跟踪精度提出更严格的要求,常用的科斯塔斯(COSTAS)载波跟踪环路已不能满足使用要求。因此,采用一种四相鉴频[1-3]频率牵引、鉴频辅
3、助鉴相的载波跟踪方案[4],并编写VHDL程序在FPGA中实现[5-7],最终在硬件平台上进行性能测试,测试结果表明该方案可行,硬件实现达到了设计指标要求。1DQPSK中频接收总体方案中频接收机总体方案如图1所示[8]。经A/D采样的中频信号和NCO输出的正交载波相乘后,频谱搬移到0中频附近,此时数据流的速率仍很高,为40.96MHz,采用积分梳状滤波器低通滤波,同时进行16倍抽取,将数据速率降低到2.56MHz,最后进行匹配滤波得到基带信号。先对下变频、降速率的I,Q两路数据进行四相鉴频频率牵引,牵引到一定频差后四相鉴频器停止工
4、作,转向鉴频辅助鉴相环路跟踪载波,所生成的相位误差信号送入环路滤波器,滤除高频分量后作为载波相位调整信息送入NCO产生所需频率的载波。基带信号在符号判决器中完成解调,再经并/串转换得到输出数据。2载波跟踪具体设计2.1四相鉴频算法输入的中频信号经过正交解调和相关积分后,载波多普勒频移被牵引到一个频率搜索单元范围,此时频率估计误差仍然较大,有可能超出鉴频的线性跟踪范围。因此,首先用四相鉴频器将误差降低到较小的频差范围内。环路中I,Q两路信号积分清零的输出可表示为:I(k)≈AD(k)sinc{[Δf(k)]?πT}cos(φk)+n
5、?I(k)Q(k)≈AD(k)sinc{[Δf(k)]?πT}sin(φk)+n?Q(k)式中:A为信号幅度;D(k)为数据信息;Δf(k)为频偏;φk为相位差。频率误差信号通过比较两个连续时序同相正交信号分量获得,计算同一时刻同相、正交信号分量绝对值之差为:
6、I(k)
7、-
8、Q(k)
9、=A?R[ε(k)]?
10、sinc{[Δf(k)]?πT}
11、?{
12、cosφ
13、k-
14、sinφ
15、k}式中:ε(k)为误差信号;T为数据持续时间。由于载波跟踪时码相位估计对准在一个码片范围内,则R[ε(k)]0,
16、I(k)
17、-
18、Q(k)
19、的符号与η={
20、co
21、sφ
22、k-
23、sinφ
24、k}的符号相同,可将载波频率误差分割成4个区间,设频率误差信号为β,则有:2.2鉴频辅助鉴相四相鉴频牵引后,频差缩小到一定范围,由于系统采用猝发工作模式,要求在尽量小的时间内稳定跟踪载波,而常用的COSTAS环锁相需要的时间较长,为加快载波调整速度,需采用AFC(自动频率控制)环路进行辅助捕获。鉴频辅助鉴相框图如图2所示。积分清零后的基带信号,采用延迟相干解调的方式提取符号信息,并产生辅助鉴相的频率误差信号。实现框图如图3所示。Δφk表示由于调制而引起的相邻符号间的相差,对DQPSK信号而言,此值为0°,90
25、°,180°,270°,Δφmod(k)表示由于收发频差而引起的相邻符号间的相差,Δφrot(k)表示符号旋转角度,这里为-45°旋转。DQPSK信号的频率误差信号为:ε=sign[Dot(k)]?Cross(k)-sign[Cross(k)]?Dot(k)本设计所用的鉴相算法为改进型硬判决COSTAS环鉴相算法[9],在基本的COSTAS环加上的非线性变换能实现最佳相位估计,然而要硬件实现tanh变换相当复杂,于是要寻找简单而容易实现的tanh变换的近似函数。在大信噪比且
26、x
27、1时,发现tanh可以近似看作取信号x的符号(±1)
28、,而取符号运算FPGA实现简单。推广到DQPSK载波恢复,改进后的鉴相算法的相位误差信号为:ε=sign[I]?Q-sign[Q]?I,当环路的相位误差φ=θ-θ?较小或信噪比高的时候,环路的相位误差信号将为ε=Asinφ,为正弦鉴相特性。完成频率
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