CN105391539B - Qpsk载波同步锁定检测器 - Google Patents

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Abstract

本发明提出的一种QPSK载波锁定检测器，旨在提供一种能够提供QPSK载波同步环锁定指示的装置。本发明通过下述技术方案予以实现：载波同步环NCO电路输出控制脉冲，积分清零滤波器在控制脉冲的作用下对输入的零中频支路信号作积分清零运算，积分清零运算结果分别经过绝对值电路和两个区间统计电路得到信号在两个区间的幅度分布统计结果，第一区间的统计结果与锁定门限系数相乘得到第一区间的运算结果，第二区间的统计结果直接作为第二区间的运算结果，两个区间的运算结果同时输入比较器，对来自两个区间的运算结果进行比较，输出判决QPSK载波同步环锁定与否的指示。本发明相比现有QPSK载波同步锁定检测方法的信噪比范围适应更宽，能提供误判率更低的锁定指示。

Description

QPSK载波同步锁定检测器
技术领域
本发明涉及一种数字相干通信***中利用分布概率判定正交相移键控QPSK载波同步的锁定检测器。
背景技术
在数字通信***的下行通道中,由于受到信道特性和振荡器不稳定的影响，***接收到的调制信号与本地载波会存在一定的频偏和相位误差，需要载波同步提取一个与接收信号中的调制载波同频同相的相干载波来实现相干解调，消除本地载波与接收到的信号的频率、相位误差，以保证解调的正确性。载波同步的性能直接影响到整个接收机的性能，故载波同步技术是接收机的关键技术之一。在载波同步的实现中，一般需要经过载波捕获与载波跟踪两个阶段。载波捕获阶段希望具有较宽的带宽，能快速捕获较大频率偏差的信号；载波跟踪阶段希望具有较窄的带宽，以降低载波相位估计的方差。载波锁定判决就是为接收机提供载波恢复环路处于跟踪状态还是捕获状态的模块。实现QPSK载波锁定判决的方法包括统计法和门限法两种。为判断当前载波同步的状态，统计法通常需要计算包括二阶矩和四阶距等信号的统计量，门限法则通过比较经过载波同步环路的信号和固定门限的相对大小。以上传统处理中，统计法实现较复杂且在低信噪比下的误判率偏高，门限法也有在低信噪比下易假锁的缺点，而在航天测控、卫星应用、高速数传等领域的工程应用中，用户往往需要精确了解当前接收机的载波同步锁定状态。
发明内容
为了克服传统处理中QPSK载波锁定判决的上述缺陷，本发明提供一种对相干通信中的载波同步环锁定状态进行检测判定的装置，该装置能够适应更宽的信噪比范围，检测判定结果更准确可靠。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种QPSK载波同步锁定检测器，包括载波同步环NCO电路、用于实现输出信号概率特性的正交相移键控QPSK信号分布统计电路和用于实现对载波环路进行锁定判决的动态比较电路，其特征在于：QPSK信号分布统计电路分别连接动态比较电路和载波同步环NCO电路，QPSK信号分布统计电路和动态比较电路相连QPSK载波同步锁定判决电路, 通过载波同步环NCO电路输出控制脉冲，控制对输入基带信号的积分清零运算；在QPSK信号分布统计电路中，积分清零滤波器依次串联绝对值电路和两个并行的区间统计电路，载波同步环NCO电路输出控制脉冲，积分清零滤波器在控制脉冲的作用下对输入的零中频支路信号作积分清零运算，积分清零运算结果经过绝对值电路得到积分绝对值，绝对值电路将积分绝对值分两路并行送给个区间统计电路，两个区间统计电路分别计算约定统计信号点数内信号落在两个区间中的信号点数，得到信号在两个区间的幅度分布统计结果，其中，两个统计电路中的统计区间范围由3个可动态配置的门限及其信号点数确定，第一区间的点数统计结果与锁定门限系数相乘得到第一区间的运算结果，第二区间的信号点数统计结果直接作为第二区间的运算结果，两个区间的运算结果同时输入动态比较器，动态比较器对来自两个区间的运算结果进行比较，输出判决QPSK载波同步环锁定与否的指示，根据载波同步环进入锁定状态时信号满足瑞利分布的特性，有效地提取出反映载波同步环锁定时的本质特征。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
检测判定结果更准确可靠。本发明采用QPSK信号分布统计电路和动态比较电路相连的QPSK载波同步锁定判决电路, 通过载波同步环NCO电路输出控制脉冲，控制对输入基带信号的积分清零运算，积分清零运算结果分别经过绝对值电路和两个区间统计电路得到信号在两个区间的幅度分布统计结果，动态比较器对来自两个区间的运算结果进行比较，输出判决QPSK载波同步环锁定与否的指示。该处理方法根据载波同步环进入锁定状态时信号满足瑞利分布的特性，有效地提取出反映载波同步环锁定时的本质特征，故检测判定结果更准确可靠。
能够适应更宽的信噪比范围。本发明中动态比较电路的锁定门限系数可根据信噪比动态调整，故能够适应更宽的信噪比范围。
附图说明
下面结合附图和实施例对本专利进一步说明。
图1是本发明QPSK载波锁定检测器的电路原理示意图。
图2是锁定状态下信号幅度概率分布及统计区间示意图。
具体实施方式
在图1描述的一个最佳实施例中，QPSK载波锁定检测器主要包括：载波同步环NCO电路、用于实现输出信号概率特性的QPSK信号分布统计电路和用于实现对载波环路进行锁定判决的动态比较电路。换句话说，所述载波同步锁定检测器由一个积分清零滤波器、一个绝对值电路、两个区间统计电路、一个乘法器、一个比较器和一个载波同步环NCO电路组成。其中,QPSK信号分布统计电路分别连接动态比较电路和载波同步环NCO电路，在QPSK信号分布统计电路中，积分清零滤波器依次串联绝对值电路和两个并行的区间统计电路，载波同步环NCO电路输出控制脉冲，积分清零滤波器在控制脉冲的作用下对输入的零中频支路信号作积分清零运算，积分清零运算结果分别经过绝对值电路和两个区间统计电路得到信号在两个区间的幅度分布统计结果，其中，第一区间的信号点数统计结果与锁定门限系数相乘得到第一区间的运算结果，第二区间的信号点数统计结果直接作为第二区间的运算结果，两个区间的运算结果同时输入比较器，比较器对来自两个区间的运算结果进行比较，输出判决QPSK载波同步环锁定与否的指示。
载波同步环NCO电路采用累加器实现，累加器在对相位控制字进行累加过程中产生的进位脉冲作为积分清零滤波器的控制脉冲。
QPSK信号分布统计电路在控制脉冲作用下作积分清零运算，积分清零运算的结果经过绝对值电路得到积分绝对值，上述结果并行送给两个区间统计电路，得到信号在两个区间内的幅度分布统计结果。
两个统计电路中的统计区间范围由3个可动态配置的门限确定，如图2所示。其中第一区间统计信号幅度小于门限1的信号点数，第二区间统计信号幅度大于门限2且小于门限3的信号点数，两个区间统计电路分别计算约定统计信号点数内信号落在两个区间中的信号点数，计数器进行计数，同时累加器对满足区间条件的信号信号点数进行累加，当计数器的计数值达到约定统计信号点数后输出累加器的值作为此次统计的结果并清空累加器，如此循环。约定统计信号点数的取值可根据仿真或调试结果进行设定，也可在电路运行过程中动态配置。
动态比较电路由参与第一区间运算的乘法器和比较器组成，两个区间的统计电路共同相连一个输出锁定指示的比较器。统计电路两个区间的运算结果同时输入比较器，比较器比较第一区间的运算结果与第二区间的运算结果的大小，如果第二区间的运算结果大于第一区间的运算结果,则判决为QPSK载波同步环锁定，否则判决为QPSK载波同步环不锁定。
如果载波同步环NCO电路进入锁定状态，则信号幅度分布在概率上服从瑞利分布，信号幅度落在第二区间的概率大于落在第一区间的概率，也就是第二区间的信号点数大于第一区间的信号点数，在合适的锁定门限系数下满足第二区间的运算结果大于第一区间的运算结果，比较器判决为载波同步环锁定；如果载波同步环NCO电路没有进入锁定状态，则信号幅度分布在概率上不服从瑞利分布，在合适的锁定门限系数下不满足第二区间的运算结果大于第一区间的运算结果，比较器判决为载波同步环不锁定。
锁定门限系数可在QPSK载波锁定判决电路运行过程中动态配置，系数的数值根据不同的信噪比动态调整。
图2描述了信号幅度概率分布及统计区间的相对关系。QPSK信号的同相支路和正交支路相互正交，而两个正交高斯噪声信号之和的包络服从瑞利分布。

Claims (10)

1.一种QPSK载波同步锁定检测器，包括载波同步环NCO电路、用于实现输出信号概率特性的正交相移键控QPSK信号分布统计电路和用于实现对载波环路进行锁定判决的动态比较电路，其特征在于：QPSK信号分布统计电路分别连接动态比较电路和载波同步环NCO电路，QPSK信号分布统计电路和动态比较电路相连QPSK载波同步锁定判决电路, 通过载波同步环NCO电路输出控制脉冲，控制对输入基带信号的积分清零运算；在QPSK信号分布统计电路中，积分清零滤波器依次串联绝对值电路和两个并行的区间统计电路，载波同步环NCO电路输出控制脉冲，积分清零滤波器在控制脉冲的作用下对输入的零中频支路信号作积分清零运算，积分清零运算结果经过绝对值电路得到积分绝对值，绝对值电路将积分绝对值分两路并行送给个区间统计电路，两个区间统计电路分别计算约定统计信号点数内信号落在两个区间中的信号点数，得到信号在两个区间的幅度分布统计结果，其中，两个统计电路中的统计区间范围由3个可动态配置的门限及其信号点数确定，第一区间的点数统计结果与锁定门限系数相乘得到第一区间的运算结果，第二区间的信号点数统计结果直接作为第二区间的运算结果，两个区间的运算结果同时输入动态比较器，动态比较器对来自两个区间的运算结果进行比较，输出判决QPSK载波同步环锁定与否的指示，根据载波同步环进入锁定状态时信号满足瑞利分布的特性，有效地提取出反映载波同步环锁定时的本质特征。
2.按权利要求1所述的QPSK载波同步锁定检测器，其特征在于：载波同步环NCO电路采用累加器实现，累加器在对相位控制字进行累加过程中产生的进位脉冲作为积分清零滤波器的控制脉冲。
3.按权利要求1或2所述的QPSK载波同步锁定检测器，其特征在于：载波同步环NCO电路的控制脉冲是由累加器对相位控制字进行累加过程中产生的进位脉冲。
4.按权利要求1或2所述的QPSK载波同步锁定检测器，其特征在于：约定统计点数的取值根据仿真或调试结果进行设定，或在电路运行过程中动态配置。
5.按权利要求1所述的QPSK载波同步锁定检测器，其特征在于：第一区间统计信号幅度小于门限1的信号点数，第二区间统计信号幅度大于门限2且小于门限3的信号点数，两个区间统计电路分别通过计数器进行计数，同时通过累加器对满足区间条件的信号点数进行累加，当计数器的计数值达到约定统计点数后输出累加器的值作为此次统计的结果并清空累加器，如此循环。
6.按权利要求5所述的QPSK载波同步锁定检测器，其特征在于：锁定门限系数在QPSK载波锁定判决电路运行过程中动态配置，锁定门限系数的数值根据不同的信噪比动态调整。
7.按权利要求1所述的QPSK载波同步锁定检测器，其特征在于：动态比较电路由参与第一区间运算的乘法器和比较器组成，两个区间的统计电路共同相连一个输出锁定指示的比较器。
8.按权利要求1所述的QPSK载波同步锁定检测器，其特征在于：载波同步环NCO电路进入锁定状态，则信号幅度分布在概率上服从瑞利分布，信号幅度落在第二区间的概率大于落在第一区间的概率，也就是第二区间的点数大于第一区间的点数，在合适的锁定门限系数下满足第二区间的运算结果大于第一区间的运算结果，比较器判决为载波同步环锁定。
9.按权利要求1所述的QPSK载波同步锁定检测器，其特征在于：载波同步环NCO电路没有进入锁定状态，则信号幅度分布在概率上不服从瑞利分布，在合适的锁定门限系数下不满足第二区间的运算结果大于第一区间的运算结果，比较器判决为载波同步环不锁定。
10.按权利要求1所述的QPSK载波同步锁定检测器，其特征在于：两个区间的运算结果同时输入比较器，比较器比较第一区间的运算结果与第二区间的运算结果的大小，如果第二区间的运算结果大于第一区间的运算结果,则判决为QPSK载波同步环锁定，否则判决为QPSK载波同步环不锁定。
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