CN103391269A - 8qam接收机及其提取本地载波相位误差的方法 - Google Patents

Abstract

本发明适用于卫星通信、卫星遥感、卫星广播地面数字接收技术领域，提供了一种8QAM接收机及其提取本地载波相位误差的方法；所述方法包括下述步骤：步骤A，获取实际接收到的星座点的I路幅度值yR和Q路幅度值yI；步骤B，根据如下公式提取本地载波相位误差E(y)：E(y)=sign(EyR)·sign(yI)-sign(EyI)·sign(yR)，其中，EyR=yR—DyR，EyI=yI—DyI，sign函数为取符号函数，用于提取数值的符号； 本发明与现有技术相比，整个载波相位误差的计算相当简单，只用几个加法器和简单的硬件逻辑即可实现。

Description

8QAM接收机及其提取本地载波相位误差的方法

技术领域

本发明属于卫星通信、卫星遥感、卫星广播地面数字接收技术领域，尤其涉及一种8QAM接收机及其提取本地载波相位误差的方法。

背景技术

在卫星数字通信***中，为了在有限的通道带宽内传输更高数据速率的信号，必须要充分权衡频谱效率及符号差错的概率，符号差错的概率通常用Eb/N0（Energy per transmitted bit versus the Noise spectral density，比特信噪比）来规定，在卫星通信***中，常用的调制方式有PSK（Phase-Shift Keying，相移键控）、QAM（Quadrature Amplitude Modulation，正交幅度调制）、APSK（AmplitudePhase-Shift Keying，振幅相移键控），其中，PSK调制技术又有BPSK（BinaryPhase-Shift Keying，二相相移键控）、QPSK（Quadrature Phase-Shift Keying，正交相移键控）、OQPSK（Offset-QPSK，偏移四相相移键控）、8PSK（八相相移键控）之分，QAM调制技术又有8QAM（八阶正交幅度调制）、16QAM（十六阶正交幅度调制）之分，APSK调制技术又有16APSK（十六阶振幅相移键控）、32APSK（三十二阶振幅相移键控）之分。

高阶的QAM和APSK调制方式可以为带宽受限的信号提供较高的频谱效率，对于QAM调制信号，其特定的一些幅度/相位的状态被用来代表信息比特，这些状态在坐标轴上形成一个星座点的图，而星座点上的每个状态点都可以映射成一组特殊的比特数据，这种映射关系较为多样化，并且适当的选择星座点和映射关系可以降低符号差错的概率。

PSK调制方式的星座点是等间距的分布在圆周上，随着调制阶数的增加，其星座点之间的距离缩短（在发射功率受限的情况下无法通过增大功率来增加星座点之间的距离。通常在卫星链路中存在多个载波信号，为了避免相邻信道之间的干扰，高功率放大器（HPA）应避免工作在非线性状态，所以发射功率是受限的），例如8PSK，在噪声环境中接收机分辨某接收信号点所属星座点的能力降低，符号差错的概率增加，在相同的Eb/N0下，其误比特率会高一些。所以针对这种情况，使用8QAM调制方式会是一种更好的选择，它们具有相同的频谱效率3bits/s/Hz，而且8QAM的星座点分布更加合理，使得在同等发射条件下，其符号差错的概率比8PSK低。

对8QAM解调时需要对本地载波相位误差进行补偿，以实现本地载波对接收的调制信号载波的跟踪，但是目前的载波跟踪的实现电路较为复杂，不利于产品的小型化，也不利于节省成本。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种8QAM提取本地载波相位误差的方法，旨在以简单的硬件逻辑实现载波相位误差的计算。

本发明是这样实现的，一种8QAM提取载波相位误差的方法，所述方法包括下述步骤：

步骤A，获取实际接收到的星座点的I路幅度值yR和Q路幅度值yI；

步骤B，根据如下公式提取本地载波相位误差E(y)：

E(y)=sign(EyR)·sign(yI)-sign(EyI)·sign(yR)

其中，EyR=yR—DyR，EyI=yI—DyI，sign函数为取符号函数，用于提取数值的符号；

$\mathrm{DyR}=\left\{\begin{array}{cc}3& \mathrm{yR}\≥2\\ 1& 2>\mathrm{yR}\≥0\\ -1& 0>\mathrm{yR}\≥-2\\ -3& -2>\mathrm{yR}\end{array}\right\},$ $\mathrm{DyI}=\left\{\begin{array}{cc}3& \mathrm{yI}\≥2\\ 1& 2>\mathrm{yI}\≥0\\ -1& 0>\mathrm{yI}\≥-2\\ -3& -2>\mathrm{yI}\end{array}\right\}.$

本发明还提供了一种8QAM接收机，其特征在于，包括：复数乘法器，用于将接收的已调制信号与本地载波信号进行复数乘法，输出基带I路信号和基带Q路信号；

抽取滤波器，与所述复数乘法器连接，用于将所述基带I路信号和基带Q路信号的处理时钟速率降低到2倍符号时钟速率；

匹配滤波器，与所述抽取滤波器连接，用于输出实际接收到的星座点的I路幅度值yR和Q路幅度值yI；

译码器，与所述匹配滤波器连接，用于对所述I路幅度值yR和Q路幅度值yI进行译码处理；

载波跟踪恢复电路，连接于所述匹配滤波器与所述复数乘法器之间，用于根据如下公式提取本地载波相位误差E(y)，并根据E(y)对本地载波的相位误差进行补偿，然后输出补偿后的本地载波至所述复数乘法器：

E(y)=sign(EyR)·sign(yI)-sign(EyI)·sign(yR)

其中，EyR=yR—DyR，EyI=yI—DyI，sign函数为取符号函数，用于提取数值的符号；

$\mathrm{DyR}=\left\{\begin{array}{cc}3& \mathrm{yR}\≥2\\ 1& 2>\mathrm{yR}\≥0\\ -1& 0>\mathrm{yR}\≥-2\\ -3& -2>\mathrm{yR}\end{array}\right\},$ $\mathrm{DyI}=\left\{\begin{array}{cc}3& \mathrm{yI}\≥2\\ 1& 2>\mathrm{yI}\≥0\\ -1& 0>\mathrm{yI}\≥-2\\ -3& -2>\mathrm{yI}\end{array}\right\}.$

本发明与现有技术相比，整个载波相位误差的计算相当简单，只用几个加法器和简单的硬件逻辑即可实现，这样就可以在原有不具备8QAM解调功能的解调器的基础上非常容易地增加8QAM的解调功能。

附图说明

图1是本发明提供的调制解调***的架构原理图；

图2A和图2B分别是8QAM星座点映射关系和8PSK星座点映射关系示意图；

图3是本发明提供的8QAM发射机的结构原理图；

图4是本发明提供的8QAM接收机的结构原理图；

图5是图4中载波跟踪恢复电路的结构原理图；

图6是图5中载波相位误差提取模块的结构原理图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1示出了本发明提供的调制解调***的架构原理，为了便于描述，仅示出了与本发明相关的部分。

参照图1，本发明提供的调制解调***包括8QAM发射机1和8QAM接收机2，8QAM发射机1用于进行数据编码，然后经调制后由天线发射出去。8QAM接收机2接收到调制信号后，处理得到基带I路信号和基带Q路信号，然后译码。上述调制解调***适用于8QAM技术，8QAM的星座点映射关系如图2A所示，可以看出星座点映射关系不同于图2B示出的8PSK技术。

图3示出了上述8QAM发射机1的结构原理，以编码器11用于产生前向纠错码，例如纠错能力极强的LDPC（其他前向纠错码同样适用），编码器11编码之后输出比特序列(b_3i,b_3i+1,b_3i+2)，其中，i=0,1,2,3……，3个一组是因为后面采用的是8QAM的调制方式，在经过8QAM星座点映射模块12的处理，输出映射之后的正交幅度值；最后通过8QAM调制器13调制及高功率放大器14进行功率放大后，从天线发射该信号。

图4示出了上述8QAM接收机2的结构原理，包括复数乘法器21、抽取滤波器22、匹配滤波器23、译码器24和载波跟踪恢复电路25，其中，复数乘法器21、抽取滤波器22、匹配滤波器23、译码器24顺次连接。复数乘法器21用于将接收的已调制信号与本地载波信号进行复数乘法，输出基带I路信号和基带Q路信号，抽取滤波器22将基带I路信号和基带Q路信号的处理时钟速率降低到2倍符号时钟速率。然后匹配滤波器23输出实际接收到的星座点的I路幅度值yR和Q路幅度值yI，再由译码器24对I路幅度值yR和Q路幅度值yI进行译码处理。

载波跟踪恢复电路25连接于匹配滤波器23与复数乘法器21之间，用于提取本地载波相位误差E(y)，并根据E(y)对本地载波的相位误差进行补偿，然后输出补偿后的本地载波至复数乘法器21。本发明中，载波跟踪恢复电路25根据如下公式提取本地载波相位误差E(y)：

E(y)=sign(EyR)·sign(yI)-sign(EyI)·sign(yR)

其中，EyR=yR—DyR，EyI=yI—DyI，sign函数为取符号函数，用于提取数值的符号；

$\mathrm{DyR}=\left\{\begin{array}{cc}3& \mathrm{yR}\≥2\\ 1& 2>\mathrm{yR}\≥0\\ -1& 0>\mathrm{yR}\≥-2\\ -3& -2>\mathrm{yR}\end{array}\right\},$ $\mathrm{DyI}=\left\{\begin{array}{cc}3& \mathrm{yI}\≥2\\ 1& 2>\mathrm{yI}\≥0\\ -1& 0>\mathrm{yI}\≥-2\\ -3& -2>\mathrm{yI}\end{array}\right\}.$

具体地，载波跟踪恢复电路25的结构如图5所示，包括：载波相位误差提取模块251、二阶环路滤波器252、数控振荡器253，载波相位误差提取模块251用于根据如下公式提取本地载波相位误差E(y)：

E(y)=sign(EyR)·sign(yI)-sign(EyI)·sign(yR)

其中，EyR=yR—DyR，EyI=yI—DyI，sign函数为取符号函数，用于提取数值的符号；

$\mathrm{DyR}=\left\{\begin{array}{cc}3& \mathrm{yR}\≥2\\ 1& 2>\mathrm{yR}\≥0\\ -1& 0>\mathrm{yR}\≥-2\\ -3& -2>\mathrm{yR}\end{array}\right\},$ $\mathrm{DyI}=\left\{\begin{array}{cc}3& \mathrm{yI}\≥2\\ 1& 2>\mathrm{yI}\≥0\\ -1& 0>\mathrm{yI}\≥-2\\ -3& -2>\mathrm{yI}\end{array}\right\}.$

二阶环路滤波器252与载波相位误差提取模块连接，用于对载波相位误差E(y)进行积分，相当于一个低通滤波器的作用。数控振荡器253又与二阶环路滤波器252连接，用于根据二阶环路滤波器252的输出调整其输出的本地载波的相位，实现对本地载波的相位误差进行补偿，然后输出补偿相位后的本地载波至复数乘法器21。

进一步地，图6示出了载波相位误差提取模块251的一种具体结构，包括第一判决器501、第一加法器502、第一sign函数模块503、第二sign函数模块504、第一乘法器505、第二判决器506、第二加法器507、第三sign函数模块508、第四sign函数模块509、第二乘法器510和第三加法器511。各器件/模块的工作原理如下。

第一判决器501的输入端连接匹配滤波器23，用于接收实际接收到的星座点的I路幅度值yR，根据如下方式输出第一硬判决值DyR， $\mathrm{DyR}=\left\{\begin{array}{cc}3& \mathrm{yR}\≥2\\ 1& 2>\mathrm{yR}\≥0\\ -1& 0>\mathrm{yR}\≥-2\\ -3& -2>\mathrm{yR}\end{array}\right\},$ 其工作原理与图2A示出的星座点的位置相关。第一加法器502的一个输入端连接匹配滤波器，接收实际接收到的星座点的I路幅度值yR，另一个输入端连接第一判决器的输出端，用于将I路幅度值yR与第一硬判决值DyR作差，得到差值EyR。第一sign函数模块503的输入端与第一加法器502的输出端连接，用于提取差值EyR的符号。第二sign函数模块504的输入端与匹配滤波器23的输出端连接，用于接收实际接收到的星座点的Q路幅度值yI，提取Q路幅度值yI的符号。第一乘法器505的两个输入端分别连接第一sign函数模块503的输出端和第二sign函数模块504的输出端，用于将提取的差值EyR的符号与Q路幅度值yI的符号相乘，得到第一乘积。第二判决器506的输入端连接匹配滤波器23，用于接收实际接收到的星座点的Q路幅度值yI，根据如下方式输出第二硬判决值DyI， $\mathrm{DyI}=\left\{\begin{array}{cc}3& \mathrm{yI}\≥2\\ 1& 2>\mathrm{yI}\≥0\\ -1& 0>\mathrm{yI}\≥-2\\ -3& -2>\mathrm{yI}\end{array}\right\}.$ 同理，其工作原理也与图2A示出的星座点的位置相关。第二加法器507的一个输入端连接匹配滤波器23，接收实际接收到的星座点的Q路幅度值yI，另一个输入端连接第二判决器506的输出端，用于将Q路幅度值yI与第二硬判决值DyI作差，得到差值EyI。第三sign函数模块508的输入端与第二加法器507的输出端连接，用于提取差值EyI的符号。第四sign函数模块509的输入端与匹配滤波器23连接，用于接收实际接收到的星座点的I路幅度值yR，提取I路幅度值yR的符号。第二乘法器510的两个输入端分别连接第三sign函数模块508的输出端和第四sign函数模块509的输出端，用于将提取的差值EyI的符号与I路幅度值yR的符号相乘，得到第二乘积。第三加法器511的一个输入端连接第一乘法器的输出端，另一个输入端连接第二乘法器的输出端，用于将第一乘积与第二乘积作差，差值即为本地载波的相位误差。

基于上述原理，本发明还提供了一种8QAM提取载波相位误差的方法，包括下述步骤：

步骤A，获取实际接收到的星座点的I路幅度值yR和Q路幅度值yI；

步骤B，根据如下公式提取本地载波相位误差E(y)：

E(y)=sign(EyR)·sign(yI)-sign(EyI)·sign(yR)

其中，EyR=yR—DyR，EyI=yI—DyI，sign函数为取符号函数，用于提取数值的符号；

$\mathrm{DyR}=\left\{\begin{array}{cc}3& \mathrm{yR}\≥2\\ 1& 2>\mathrm{yR}\≥0\\ -1& 0>\mathrm{yR}\≥-2\\ -3& -2>\mathrm{yR}\end{array}\right\},$ $\mathrm{DyI}=\left\{\begin{array}{cc}3& \mathrm{yI}\≥2\\ 1& 2>\mathrm{yI}\≥0\\ -1& 0>\mathrm{yI}\≥-2\\ -3& -2>\mathrm{yI}\end{array}\right\}.$

综上所述，本发明提供的整个载波相位误差的计算相当简单，只用几个加法器和简单的硬件逻辑即可实现，为一种简单有效的载波跟踪恢复的实现技术，可适用于8阶的正交幅度调制***。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.8QAM提取本地载波相位误差的方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：

步骤A，获取实际接收到的星座点的I路幅度值yR和Q路幅度值yI；

步骤B，根据如下公式提取本地载波相位误差E(y)：

E(y)=sign(EyR)·sign(yI)-sign(EyI)·sign(yR)

其中，EyR=yR—DyR，EyI=yI—DyI，sign函数为取符号函数，用于提取数值的符号；

$\mathrm{DyR}=\left\{\begin{array}{cc}3& \mathrm{yR}\≥2\\ 1& 2>\mathrm{yR}\≥0\\ -1& 0>\mathrm{yR}\≥-2\\ -3& -2>\mathrm{yR}\end{array}\right\},$ $\mathrm{DyI}=\left\{\begin{array}{cc}3& \mathrm{yI}\≥2\\ 1& 2>\mathrm{yI}\≥0\\ -1& 0>\mathrm{yI}\≥-2\\ -3& -2>\mathrm{yI}\end{array}\right\}.$

2.一种8QAM接收机，其特征在于，包括：

复数乘法器，用于将接收的已调制信号与本地载波信号进行复数乘法，输出基带I路信号和基带Q路信号；

抽取滤波器，与所述复数乘法器连接，用于将所述基带I路信号和基带Q路信号的处理时钟速率降低到2倍符号时钟速率；

匹配滤波器，与所述抽取滤波器连接，用于输出实际接收到的星座点的I路幅度值yR和Q路幅度值yI；

译码器，与所述匹配滤波器连接，用于对所述I路幅度值yR和Q路幅度值yI进行译码处理；

载波跟踪恢复电路，连接于所述匹配滤波器与所述复数乘法器之间，用于根据如下公式提取本地载波相位误差E(y)，并根据E(y)对本地载波的相位误差进行补偿，然后输出补偿后的本地载波至所述复数乘法器：

E(y)=sign(EyR)·sign(yI)-sign(EyI)·sign(yR)

其中，EyR=yR—DyR，EyI=yI—DyI，sign函数为取符号函数，用于提取数值的符号；

$\mathrm{DyR}=\left\{\begin{array}{cc}3& \mathrm{yR}\≥2\\ 1& 2>\mathrm{yR}\≥0\\ -1& 0>\mathrm{yR}\≥-2\\ -3& -2>\mathrm{yR}\end{array}\right\},$ $\mathrm{DyI}=\left\{\begin{array}{cc}3& \mathrm{yI}\≥2\\ 1& 2>\mathrm{yI}\≥0\\ -1& 0>\mathrm{yI}\≥-2\\ -3& -2>\mathrm{yI}\end{array}\right\}.$

3.如权利要求2所述的8QAM接收机，其特征在于，所述载波跟踪恢复电路包括：

载波相位误差提取模块，用于根据如下公式提取本地载波相位误差E(y)：

E(y)=sign(EyR)·sign(yI)-sign(EyI)·sign(yR)

其中，EyR=yR—DyR，EyI=yI—DyI，sign函数为取符号函数，用于提取数值的符号；

$\mathrm{DyR}=\left\{\begin{array}{cc}3& \mathrm{yR}\≥2\\ 1& 2>\mathrm{yR}\≥0\\ -1& 0>\mathrm{yR}\≥-2\\ -3& -2>\mathrm{yR}\end{array}\right\},$ $\mathrm{DyI}=\left\{\begin{array}{cc}3& \mathrm{yI}\≥2\\ 1& 2>\mathrm{yI}\≥0\\ -1& 0>\mathrm{yI}\≥-2\\ -3& -2>\mathrm{yI}\end{array}\right\};$

二阶环路滤波器，与所述载波相位误差提取模块连接，用于对载波相位误差E(y)进行积分；

数控振荡器，与所述二阶环路滤波器连接，用于根据二阶环路滤波器的输出调整本地载波的相位，实现对本地载波的相位误差进行补偿，然后输出补偿相位后的本地载波至所述复数乘法器。

4.如权利要求3所述的8QAM接收机，其特征在于，所述载波相位误差提取模块包括：

第一判决器，其输入端连接所述匹配滤波器，用于接收实际接收到的星座点的I路幅度值yR，根据如下方式输出第一硬判决值DyR， $\mathrm{DyR}=\left\{\begin{array}{cc}3& \mathrm{yR}\≥2\\ 1& 2>\mathrm{yR}\≥0\\ -1& 0>\mathrm{yR}\≥-2\\ -3& -2>\mathrm{yR}\end{array}\right\};$

第一加法器，其一个输入端连接所述匹配滤波器，接收实际接收到的星座点的I路幅度值yR，另一个输入端连接所述第一判决器的输出端，用于将所述I路幅度值yR与所述第一硬判决值DyR作差，得到差值EyR；

第一sign函数模块，其输入端与所述第一加法器的输出端连接，用于提取差值EyR的符号；

第二sign函数模块，其输入端与所述匹配滤波器的输出端连接，用于接收实际接收到的星座点的Q路幅度值yI，提取Q路幅度值yI的符号；

第一乘法器，其两个输入端分别连接所述第一sign函数模块的输出端和第二sign函数模块的输出端，用于将提取的差值EyR的符号与Q路幅度值yI的符号相乘，得到第一乘积；

第二判决器，其输入端连接所述匹配滤波器，用于接收实际接收到的星座点的Q路幅度值yI，根据如下方式输出第二硬判决值DyI， $\mathrm{DyI}=\left\{\begin{array}{cc}3& \mathrm{yI}\≥2\\ 1& 2>\mathrm{yI}\≥0\\ -1& 0>\mathrm{yI}\≥-2\\ -3& -2>\mathrm{yI}\end{array}\right\};$

第二加法器，其一个输入端连接所述匹配滤波器，接收实际接收到的星座点的Q路幅度值yI，另一个输入端连接所述第二判决器的输出端，用于将所述Q路幅度值yI与所述第二硬判决值DyI作差，得到差值EyI；

第三sign函数模块，其输入端与所述第二加法器的输出端连接，用于提取差值EyI的符号；

第四sign函数模块，其输入端与所述匹配滤波器连接，用于接收实际接收到的星座点的I路幅度值yR，提取I路幅度值yR的符号；

第二乘法器，其两个输入端分别连接所述第三sign函数模块的输出端和第四sign函数模块的输出端，用于将提取的差值EyI的符号与I路幅度值yR的符号相乘，得到第二乘积；

第三加法器，其一个输入端连接所述第一乘法器的输出端，另一个输入端连接第二乘法器的输出端，用于将所述第一乘积与第二乘积作差，差值即为本地载波的相位误差。

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