CN101867470A - 高动态条件下载波同步装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高动态条件下载波同步装置和方法。该装置包括：第一滤波器，用于对环路输入信号进行滤波生成滤波信号；鉴频器，用于对滤波信号进行鉴频处理生成频差信号；低阶环路滤波器，用于对频差信号进行滤波生成频率控制字信号；数字控制振荡器，用于据频率控制字信号生成与频率控制字信号对应的本地参考信号；复共轭器，用于对本地参考信号取复共轭，生成取复共轭后的本地参考信号；乘法器，用于将取复共轭后的本地参考信号和输入信号相乘，生成第一环路输出信号。本实施例采用了低阶环路滤波器，使得该载波同步装置为低阶数字锁频环，从而降低了实现载波同步的装置结构的复杂性。

Description

高动态条件下载波同步装置和方法

技术领域

本发明涉及通信领域，特别涉及一种高动态条件下载波同步装置和方法。

背景技术

载波同步是指在相干解调时，接收端需要提供一个与接收信号中的调制载波同频同相的相干载波，该相干载波的获取称为载波提取或者载波同步，载波同步是实现相干解调的先决条件。载波同步通常由锁相环来实现，具体过程可包括：接收一输入信号

其中，f_offset为初始频偏，f_ramp为频率变化率，

为初始相偏；对输入信号进行中频数字采样后得出的信号为

其中，T_s为采样速率；再经过锁相环的后续处理后得到输出信号

其中，Δf为残余频偏，

为残余相偏。载波同步的目的是消除频偏和频率变化率的影响，在上述输出信号中主要是消除残余频偏的影响。

当输入信号的初始频偏和频率变化率较大时，上述载波同步的目的是消除大频偏和大频率变化率的影响，即载波同步的过程应用于大频偏和大频率变化率的高动态条件下。现有技术可采用高阶锁相环实现高动态条件下的载波同步，采用高阶锁相环实现高动态条件下的载波同步时，无需提高环路速率，从而可提高载波同步的可靠性，但是高阶锁相环结构复杂会导致实现载波同步的装置结构复杂。

发明内容

本发明目的是提出一种高动态条件下载波同步装置和方法，从而降低实现载波同步的装置结构的复杂性。

本发明提供了一种高动态条件下载波同步装置，包括：

第一滤波器，用于对环路输入信号进行滤波生成滤波信号；

鉴频器，用于对所述滤波信号进行鉴频处理生成频差信号；

低阶环路滤波器，用于对所述频差信号进行滤波生成频率控制字信号；

数字控制振荡器(Numerically Controlled Oscillator，简称：NCO)，用于根据频率控制字信号生成与所述频率控制字信号对应的本地参考信号；

复共轭器，用于对所述本地参考信号取复共轭，生成取复共轭后的本地参考信号；

乘法器，用于将取复共轭后的本地参考信号和输入信号相乘，生成第一环路输出信号。

本发明还提供了一种高动态条件下载波同步方法，包括：

第一滤波器对环路输入信号进行滤波生成滤波信号；

鉴频器对所述滤波信号进行鉴频处理生成频差信号；

低阶环路滤波器对所述频差信号进行滤波生成频率控制字信号；

数字控制振荡器根据频率控制字信号生成与所述频率控制字信号对应的本地参考信号；

复共轭器对所述本地参考信号取复共轭，生成取复共轭后的本地参考信号；

乘法器将取复共轭后的本地参考信号和输入信号相乘，生成第一环路输出信号。

本发明中的高动态条件下载波同步装置，第一滤波器用于对环路输入信号进行滤波生成滤波信号，鉴频器用于对滤波信号进行鉴频处理生成频差信号，低阶环路滤波器用于对频差信号进行滤波生成频率控制字信号，数字控制振荡器用于根据频率控制字信号生成与频率控制字信号对应的本地参考信号，复共轭器用于对本地参考信号取复共轭生成取复共轭后的本地参考信号，乘法器用于将取复共轭后的本地参考信号和输入信号相乘生成第一环路输出信号。本实施例采用了低阶环路滤波器，使得该载波同步装置为低阶数字锁频环，由于低阶数字锁频环结构简单，使得载波同步装置的结构简单，因此本发明降低了实现载波同步的装置结构的复杂性。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明实施例一提供的一种高动态条件下载波同步装置的结构示意图；

图2为本发明实施例二提供的一种高动态条件下载波同步装置的结构示意图；

图3为本发明IIR滤波器的结构示意图；

图4为本发明二阶环路滤波器的结构示意图；

图5为本发明实施例三提供的一种高动态条件下载波同步方法的流程图；

图6为本发明实施例四提供的一种高动态条件下载波同步方法的流程图。

具体实施方式

图1为本发明实施例一提供的一种高动态条件下载波同步装置的结构示意图，如图1所示，该装置包括第一滤波器1、鉴频器2、低阶环路滤波器3、数字控制振荡器4、复共轭器5和乘法器6。第一滤波器1对环路输入信号进行滤波生成滤波信号；鉴频器2对滤波信号进行鉴频处理生成频差信号；低阶环路滤波器3对频差信号进行滤波生成频率控制字信号；数字控制振荡器4根据频率控制字信号生成与该频率控制字信号对应的本地参考信号；复共轭器5对本地参考信号取复共轭，生成取复共轭后的本地参考信号；乘法器6将取复共轭后的本地参考信号和输入信号相乘，生成第一环路输出信号。

其中，乘法器6在输出第一环路输出信号的同时，还会将该第一环路输出信号作为环路输入信号输出给第一滤波器1。输出给第一滤波器1的第一环路输出信号依次经过第一滤波器1、鉴频器2、低阶环路滤波器3、数字控制振荡器4和复共轭器5的处理生成取复共轭后的本地参考信号，再由乘法器6将取复共轭后的本地参考信号和下一个的输入信号相乘，生成下一个的第一环路输出信号。

本实施例的高动态条件下载波同步装置采用了低阶环路滤波器，因此该载波同步装置为一个低阶数字锁频环，该低阶数字锁频环对环路输入信号进行处理后得出本地参考信号，使本地参考信号的频偏逼近输入信号的初始频偏。将取复共轭后的本地参考信号和输入信号相乘，则可以消除输入信号的初始频偏，即消除生成的第一环路输出信号的残余频偏，从而完成载波同步过程。

本实施例中的高动态条件下载波同步装置，第一滤波器用于对环路输入信号进行滤波生成滤波信号，鉴频器用于对滤波信号进行鉴频处理生成频差信号，低阶环路滤波器用于对频差信号进行滤波生成频率控制字信号，数字控制振荡器用于根据频率控制字信号生成与频率控制字信号对应的本地参考信号，复共轭器用于对本地参考信号取复共轭生成取复共轭后的本地参考信号，乘法器用于将取复共轭后的本地参考信号和输入信号相乘生成第一环路输出信号。本实施例中的高动态条件下载波同步装置采用了低阶环路滤波器，使得该载波同步装置为低阶数字锁频环，由于低阶数字锁频环结构简单，使得载波同步装置的结构简单，因此本实施例降低了实现载波同步的装置结构的复杂性。本实施例中的高动态条件下载波同步装置，在鉴频器进行鉴频处理之前，通过第一滤波器对环路输入信号进行滤波，提高了环路信噪比，从而使该载波同步装置可以在不改变环路速率以及采用低阶环路滤波器的前提下，通过提高环路信噪比来提高高动态条件下载波同步的可靠性。

图2为本发明实施例二提供的一种高动态条件下载波同步装置的结构示意图，如图2所示，本实施例中的装置在上述实施例一基础上增设了积分清洗器7。

本实施例中输入信号

采样速率为500KHz，即T_s＝2us。

乘法器6将上述输入信号和复共轭器5输出的取复共轭后的本地参考信号相乘，生成第一环路输出信号r_kD，乘法器6将第一环路输出信号r_kD输出给积分清洗器7。

积分清洗器7对第一环路输出信号r_kD进行积分清洗处理，生成环路输入信号r_kN，并将该环路输入信号r_kN输出给第一滤波器1。例如，积分清洗器7对第一环路输出信号r_kD中的数据进行1000次累加清零处理，则积分清洗器7输出的环路输入信号为通过积分清洗器7可以将原输入信号r_k的采样速率500KHz降低到500Hz，降低了环路速率，提高了环路信噪比，从而提高高动态条件下载波同步的可靠性。

本实施例中第一滤波器1可采用无限长脉冲响应(Infinite ImpulseResponse，以下简称：IIR)滤波器。图3为本发明IIR滤波器的结构示意图，如图3所示，该IIR滤波器包括第一乘法器11、累加器12、第二乘法器13和延迟器14。第一乘法器11将环路输入信号r_kN和滤波系数α相乘得出r_kNα；第二乘法器13将输出的上一个滤波信号r_IIR和滤波系数1-α相乘，再经过延迟器14的延迟处理得出反馈信号r_IIRf；累加器12对r_kNα和r_IIRf进行累加处理得出滤波信号r_IIR，并将该滤波信号输出给鉴频器2。在鉴频器2进行鉴频处理之前通过第一滤波器1对环路输入信号进行滤波，以提高环路信噪比，从而提高了高动态条件下载波同步的可靠性。由于第一滤波器1仅是通过对第一环路输入信号进行滤波来提高环路信噪比，而不会降低第一环路输入信号的速率，即不会降低环路速率，从而在保证可靠载波同步的同时也使鉴频器2能保持较大的鉴频范围。

本实施例中鉴频器2可采用数字鉴频器。鉴频器2对滤波信号进行鉴频处理生成频差信号，并将该频差信号输出给低阶环路滤波器3，例如，频差信号可表示为：

$\mathrm{\Δ}\hat{f}=\frac{1}{2\mathrm{\π}{T}_s}\arctan \left\{\frac{\underset{n=k}{\overset{k+p}{\mathrm{\Σ}}}[I(n-1)Q\left(n\right)-I\left(n\right)Q(n-1)]}{\underset{n=k}{\overset{k+p}{\mathrm{\Σ}}}[I\left(n\right)I(n-1)+Q(n-1)Q\left(n\right)]}\right\}$

其中，I为滤波信号的实部，Q为滤波信号的虚部。由上述频差信号的公式可以看出，本实施例中鉴频器2的鉴频过程是通过对多个样本求取频差得出频差信号的。具体地，由上述公式中n为k至k+p(p为正整数)可以得出，本实施例中的鉴频过程是通过对p+1个样本求取频差得出频差信号。本实施例中鉴频器2的鉴频过程可通过对多个样本求取频差得出频差信号，从而提高了鉴频器的鉴频性能。

本实施例中低阶环路滤波器3可采用二阶数字环路滤波器。图4为本发明二阶数字环路滤波器的结构示意图，如图4所示，该二阶数字环路滤波器包括二个乘法器、三个累加器和二个延迟器。该二阶数字环路滤波器的传递函数为：

其中，AK和b为环路滤波器参数，z表示z域坐标。输入信号与上述传递函数相乘得出输出信号的z域表达式，从而得出输出信号，其中，低阶环路滤波器3的输入信号为频差信号，输出信号为频率控制字信号。低阶环路滤波器3将生成的频率控制字信号输出给数字控制振荡器4。

数字控制振荡器4根据频率控制字信号生成与该频率控制字信号对应的本地参考信号；

复共轭器5对本地参考信号取复共轭，并将取复共轭后的本地参考信号输出给乘法器6。

乘法器6将输入信号r_k+1和本地参考信号相乘得出第一环路输出信号r_(k+1)D，其中输入信号r_k+1为输入信号r_k的下一个输入信号，第一环路输出信号r_(k+1)D为第一环路输出信号r_kD的下一个第一环路输出信号。并且乘法器6将第一环路输出信号r_(k+1)D分别输出给积分清洗器7和相偏估计器8。

进一步地，该载波同步装置还可以包括相偏估计器8。相偏估计器8对第一环路输出信号r_(k+1)D进行相偏估计和补偿，生成第二环路输出信号。具体地，相偏估计器8对第一环路输出信号中的残余相偏进行纠正，得出的估计相偏为：

其中，S_D(kT₁)为输入到相偏估计器8的信号序列，本实施例中该信号序列为第一环路输出信号。从上述公式可以看出，通过近似认为连续N_φ个采样点具有相同的相偏，从而估计出相偏

该估计出的相偏为第二环路输出信号的相偏。

本实施例中的高动态条件下载波同步装置，第一滤波器用于对环路输入信号进行滤波生成滤波信号，鉴频器用于对滤波信号进行鉴频处理生成频差信号，低阶环路滤波器用于对频差信号进行滤波生成频率控制字信号，数字控制振荡器用于根据频率控制字信号生成与频率控制字信号对应的本地参考信号，复共轭器用于对本地参考信号取复共轭生成取复共轭后的本地参考信号，乘法器用于将取复共轭后的本地参考信号和输入信号相乘生成第一环路输出信号。本实施例中的高动态条件下载波同步装置采用了低阶环路滤波器，使得该载波同步装置为低阶数字锁频环，由于低阶数字锁频环结构简单，使得该载波同步装置的结构简单，因此本实施例降低了实现载波同步的装置结构的复杂性。本实施例中的高动态条件下载波同步装置，在鉴频器进行鉴频处理之前，通过第一滤波器对环路输入信号进行滤波，提高环路信噪比，从而使该载波同步装置可以在不改变环路速率以及采用低阶环路滤波器的前提下，通过提高环路信噪比来提高高动态条件下载波同步的可靠性。采用积分清洗器可降低环路速率，提高环路信噪比，从而提高高动态条件下载波同步的可靠性。通过第一滤波器对第一环路输入信号进行滤波来提高环路信噪比，无需降低环路速率，从而在保证载波同步可靠性的同时也使鉴频器能保持较大的鉴频范围。采用相偏估计器对残余相偏进行估计和补偿，可有效消除残余相偏的影响，便于后续进行相干解调。

图5为本发明实施例三提供的一种高动态条件下载波同步方法的流程图，如图5所示，该方法包括：

步骤101、第一滤波器对环路输入信号进行滤波生成滤波信号；

步骤102、鉴频器对滤波信号进行鉴频处理生成频差信号；

步骤103、低阶环路滤波器对频差信号进行滤波生成频率控制字信号；

步骤104、数字控制振荡器根据频率控制字信号生成与该频率控制字信号对应的本地参考信号；

步骤105、复共轭器对本地参考信号取复共轭，生成取复共轭后的本地参考信号；

步骤106、乘法器将取复共轭后的本地参考信号和输入信号相乘，生成第一环路输出信号。

进一步地，本实施例中乘法器还可以将第一环路输出信号输出给第一滤波器，此时生成的第一环路输出信号为步骤101中的环路输入信号的下一个环路输入信号，重复执行步骤101至步骤106完成后续载波同步的过程。

本实施例中的高动态条件下载波同步方法可采用实施例一中的高动态条件下载波同步装置实现。

本实施例中，第一滤波器对环路输入信号进行滤波生成滤波信号，鉴频器对滤波信号进行鉴频处理生成频差信号，低阶环路滤波器对频差信号进行滤波生成频率控制字信号，数字控制振荡器根据频率控制字信号生成与频率控制字信号对应的本地参考信号，复共轭器对本地参考信号取复共轭生成取复共轭后的本地参考信号，乘法器将取复共轭后的本地参考信号和输入信号相乘生成第一环路输出信号。本实施例采用了低阶环路滤波器对频差信号进行滤波，使得实现该高动态条件下载波同步方法的高动态条件下载波同步装置为低阶数字锁频环，由于低阶数字锁频环结构简单，使得实现该载波同步方法的高动态条件下载波同步装置的结构简单，因此本实施例降低了实现该载波同步方法的高动态条件下载波同步装置结构的复杂性。本实施例中，在鉴频器进行鉴频处理之前，通过第一滤波器对环路输入信号进行滤波生成滤波信号，提高了环路信噪比，从而可以在不改变环路速率以及采用低阶环路滤波器的前提下，通过提高环路信噪比来提高高动态条件下载波同步的可靠性。

图6为本发明实施例四提供的一种高动态条件下载波同步方法的流程图，如图6所示，该方法包括：

步骤201、积分清洗器对第一环路输出信号进行积分清洗处理，生成环路输入信号；

步骤202、第一滤波器对环路输入信号进行滤波生成滤波信号；

步骤203、鉴频器对滤波信号进行鉴频处理生成频差信号；

步骤204、低阶环路滤波器对频差信号进行滤波生成频率控制字信号；

步骤205、数字控制振荡器根据频率控制字信号生成与该频率控制字信号对应的本地参考信号；

步骤206、复共轭器对本地参考信号取复共轭，生成取复共轭后的本地参考信号；

步骤207、乘法器将取复共轭后的本地参考信号和输入信号相乘，生成下一个第一环路输出信号；

具体地，本步骤中的第一环路输出信号为步骤201中的第一环路输出信号的下一个第一环路输出信号。

进一步地，步骤207之后还可以包括：乘法器将生成的下一个第一环路输出信号输出给积分清洗器，并重复执行步骤201至步骤207完成后续载波同步的过程。

步骤208、相偏估计器对步骤207中生成的第一环路输出信号进行相偏估计和补偿，生成第二环路输出信号。

本实施例中的高动态条件下载波同步方法可采用实施例二中的高动态条件下载波同步装置实现。

本实施例中，第一滤波器对环路输入信号进行滤波生成滤波信号，鉴频器对滤波信号进行鉴频处理生成频差信号，低阶环路滤波器对频差信号进行滤波生成频率控制字信号，数字控制振荡器根据频率控制字信号生成与频率控制字信号对应的本地参考信号，复共轭器对本地参考信号取复共轭生成取复共轭后的本地参考信号，乘法器将取复共轭后的本地参考信号和输入信号相乘生成第一环路输出信号。本实施例采用了低阶环路滤波器对频差信号进行滤波，使得实现高动态条件下载波同步方法的高动态条件下载波同步装置为低阶数字锁频环，由于低阶数字锁频环结构简单，使得实现该载波同步方法的高动态条件下载波同步装置的结构简单，因此本实施例降低了实现该载波同步方法的该载波同步装置结构的复杂性。本实施例中，在鉴频器进行鉴频处理之前，通过第一滤波器对环路输入信号进行滤波生成滤波信号，提高了环路信噪比，从而可以在不改变环路速率以及采用低阶环路滤波器的前提下，通过提高环路信噪比来提高高动态条件下载波同步的可靠性。采用积分清洗器进行积分清洗处理可降低环路速率，提高环路信噪比，从而提高高动态条件下载波同步的可靠性。通过第一滤波器对第一环路输入信号进行滤波来提高环路信噪比，而无需降低环路速率，从而在保证载波同步可靠性的同时也使鉴频器能保持较大的鉴频范围。采用相偏估计器对残余相偏进行估计和补偿，可有效消除残余相偏的影响，便于后续进行相干解调。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种高动态条件下载波同步装置，其特征在于，包括：

第一滤波器，用于对环路输入信号进行滤波生成滤波信号；

鉴频器，用于对所述滤波信号进行鉴频处理生成频差信号；

低阶环路滤波器，用于对所述频差信号进行滤波生成频率控制字信号；

数字控制振荡器，用于根据频率控制字信号生成与所述频率控制字信号对应的本地参考信号；

复共轭器，用于对所述本地参考信号取复共轭，生成取复共轭后的本地参考信号；

乘法器，用于将取复共轭后的本地参考信号和输入信号相乘，生成第一环路输出信号。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：

相偏估计器，用于对所述第一环路输出信号进行相偏估计和补偿，生成第二环路输出信号。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：

积分清洗器，用于对所述乘法器生成的所述第一环路输出信号的上一个第一环路输出信号进行积分清洗处理，生成所述环路输入信号，并将所述环路输入信号输出给所述第一滤波器。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，

所述乘法器还用于将所述第一环路输出信号输出给所述第一滤波器，所述第一环路输出信号为所述环路输入信号的下一个环路输入信号。

5.一种高动态条件下载波同步方法，其特征在于，包括：

第一滤波器对环路输入信号进行滤波生成滤波信号；

鉴频器对所述滤波信号进行鉴频处理生成频差信号；

低阶环路滤波器对所述频差信号进行滤波生成频率控制字信号；

数字控制振荡器根据频率控制字信号生成与所述频率控制字信号对应的本地参考信号；

复共轭器对所述本地参考信号取复共轭，生成取复共轭后的本地参考信号；

乘法器将取复共轭后的本地参考信号和输入信号相乘，生成第一环路输出信号。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括：

相偏估计器对所述第一环路输出信号进行相偏估计和补偿，生成第二环路输出信号。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括：

积分清洗器对所述乘法器生成的所述第一环路输出信号的上一个第一环路输出信号进行积分清洗处理，生成所述环路输入信号。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括：

所述乘法器将所述第一环路输出信号输出给所述第一滤波器，所述第一环路输出信号为所述环路输入信号的下一个环路输入信号。

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