高动态环境下猝发dqpsk系统载波跟踪设计与实现

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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