CN107733832B - Apsk接收机及其提取本地载波相位误差的方法 - Google Patents

Apsk接收机及其提取本地载波相位误差的方法 Download PDF

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CN107733832B CN201710907971.8A CN201710907971A CN107733832B CN 107733832 B CN107733832 B CN 107733832B CN 201710907971 A CN201710907971 A CN 201710907971A CN 107733832 B CN107733832 B CN 107733832B
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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APSK接收机及其提取本地载波相位误差的方法，包括：结合实际接收到的星座点的I路幅度值yR和Q路幅度值yI计算星座点的模值R和相位值
Figure DDA0001424218460000011
根据R的大小来判断R在n个区域中的所属区域，并将所属区域的区域编号SEL输出至选通器的输入端；将相位值
Figure DDA0001424218460000012
输入n个与所述n个区域一一对应的相位查找表中，并输出n个标准星座点的相位值
Figure DDA0001424218460000013
至选通器的输入端；根据SEL对输入的n个相位值进行选通，并输出与所述区域编号对应区域的相位查找表输出的标准星座点的相位值
Figure DDA0001424218460000014
利用相位值
Figure DDA0001424218460000015
减去选通器输出的相位值
Figure DDA0001424218460000016
得到本地载波相位误差
Figure DDA0001424218460000017
本发明提供了一种通用性好的方法来实现载波相位误差的计算。

Description

APSK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APSK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 pertransmitted 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(QuadratureAmplitude Modulation，正交幅度调制)、APSK(Amplitude Phase-Shift Keying，振幅相移键控)，其中，APSK调制技术又有8APSK、16APSK、32APSK、64APSK、128APSK、256APSK等。
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APSK调制信号，其星座点分布在不同半径的多个圆周上，以原点为中心向外沿成放射状发散，便于实现变速率调制；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，其相邻星座点之间的角度缩小(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，如图1所示的16PSK，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16APSK调制方式会是一种更好的选择，它们具有相同的频谱效率4bits/s/Hz，而且16APSK的星座点分布在半径不同的2个圆周上，其外圆分布12个点，相邻两点之间的角度相差30°，16PSK相邻两点之间的角度相差22.5°，所以16APSK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16PSK低。
对APSK信号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，目前正在使用的APSK信号有很多种.未来会有更多新的APSK信号出现，针对每一种APSK星座点映射关系单独设计一个接收解调方案是比较复杂和低效的，为此，本发明提供一种通用的APSK接收机及其提取本地载波相位误差的方法，即可降低复杂度，又可以提高效率。
发明内容
本发明提供一种APSK接收机及其提取本地载波相位误差的方法，旨在以一种通用性好的方法来实现载波相位误差的计算。
本发明提供了一种APSK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S1，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S2，利用所述I路幅度值yR和Q路幅度值yI并分别结合模值公式和相位值公式计算所述星座点的模值R和相位值
Figure BDA0001424218440000021
步骤S3，根据模值R的大小来判断模值R在n个区域中的所属区域，并将所属区域的区域编号SEL输出至选通器的输入端；
步骤S4，将相位值
Figure BDA0001424218440000022
输入n个与所述n个区域一一对应的相位查找表中，并输出n个标准星座点的相位值
Figure BDA0001424218440000023
至所述选通器的输入端；
步骤S5，根据所述区域编号SEL对输入的n个所述相位值进行选通，并输出与所述区域编号对应区域的相位查找表输出的标准星座点的相位值
Figure BDA0001424218440000024
步骤S6，利用实际接收到的星座点的相位值
Figure BDA0001424218440000031
减去所述选通器输出的相位值
Figure BDA0001424218440000032
得到本地载波相位误差
Figure BDA0001424218440000033
进一步地，所述步骤S1具体包括：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；并将所述基带I路信号和基带Q路信号的处理时钟速率降低到2倍符号时钟速率后进行匹配滤波，并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。
本发明还提供了一种APSK接收机，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，用于提取本地载波相位误差
Figure BDA0001424218440000034
并根据
Figure BDA0001424218440000035
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。
进一步地，所述载波跟踪恢复电路包括：载波相位误差提取模块、二阶环路滤波器和数控振荡器；
所述载波相位误差提取模块，用于提取本地载波相位误差
Figure BDA0001424218440000036
所述二阶环路滤波器，与所述载波相位误差提取模块连接，用于对所述载波相位误差
Figure BDA0001424218440000037
进行积分；
所述数控振荡器，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。
进一步地，所述载波相位误差提取模块包括：星座点模值计算模块、CORDIC模块、区域判决模块、n个相位查找表模块、选通器和加法器；
所述星座点模值计算模块，用于将所述实际接收到的星座点的I路幅度值yR和Q路幅度值yI利用如下公式计算出所述星座点的模值R；
Figure BDA0001424218440000041
所述CORDIC模块，用于将所述实际接收到的星座点的I路幅度值yR和Q路幅度值yI利用如下公式计算出所述星座点的相位值
Figure BDA0001424218440000042
Figure BDA0001424218440000043
所述区域判决模块，其输入端与所述星座点模值计算模块的输出端连接，用于根据模值R的大小来判断模值R在n个区域中的所属区域，并将所属区域的区域编号SEL输出至选通器的输入端；
所述n个相位查找表模块，其输入端与所述CORDIC模块的输出端连接，用于将相位值
Figure BDA0001424218440000044
输入n个与所述n个区域一一对应的相位查找表中，并输出n个标准星座点的相位值
Figure BDA0001424218440000045
至所述选通器的输入端；
所述选通器，其一个输入端与所述区域判决模块的输出端连接，另n个输入端与所述n个相位查找表模块的输出端连接，用于根据所述区域编号SEL对输入的n个所述相位值进行选通，并输出与所述区域编号对应区域的相位查找表输出的标准星座点的相位值
Figure BDA0001424218440000046
所述加法器，其一个输入端与所述选通器的输出端连接，另一个输入端与所述CORDIC模块的输出端连接，用于将实际接收到的星座点的相位值
Figure BDA0001424218440000047
与所述选通器输出的相位值
Figure BDA0001424218440000048
作差，得到本地载波相位误差
Figure BDA0001424218440000049
本发明与现有技术相比，有益效果在于：本发明提供了一种APSK接收机及其提取本地载波相位误差的方法，根据不同的APSK星座点映射关系，只需要产生相应的分区相位查找表，就可以实现载波相位误差的计算，整个处理结构不需要改变，通用性好；这样在增加各种已有的或未来出现的APSK信号解调功能时，可降低复杂度，提高效率。
附图说明
图1是现有技术提供的16PSK星座点映射关系示意图；
图2是本发明实施例提供的调制解调***的架构原理图；
图3是本发明实施例提供的APSK接收机的结构原理图；
图4是图3中载波跟踪恢复电路的结构原理图；
图5是图4中载波相位误差提取模块的结构原理图；
图6A和图6B分别是本发明实施例提供的16APSK星座点映射关系及模值分区示意图和32APSK星座点映射关系及模值分区示意图；
图7是本发明实施例提供的16APSK模值R所属区域为第一区时的相位分区示意图；
图8是本发明实施例提供的一种APSK提取本地载波相位误差的方法的流程示意图。
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2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2，本发明提供的调制解调***包括APSK(Amplitude Phase-ShiftKeying，振幅相移键控)发射机1和APSK接收机2，APSK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。APSK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。
图3示出了上述APSK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
Figure BDA0001424218440000061
并根据
Figure BDA0001424218440000062
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。
其中，载波跟踪恢复电路25的结构如图4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，
具体地，所述载波相位误差提取模块251，用于提取本地载波相位误差
Figure BDA0001424218440000063
所述二阶环路滤波器252，与所述载波相位误差提取模块连接，用于对载波相位误差
Figure BDA0001424218440000064
进行积分，相当于一个低通滤波器的作用；
所述数控振荡器253，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。
更具体地，所述载波相位误差提取模块的结构原理图可参见图5，所述载波相位误差提取模块251包括：星座点模值计算模块2511、CORDIC模块2512、区域判决模块2513、n个相位查找表模块2514、选通器2515和加法器2516；
具体地，所述星座点模值计算模块2511，用于将所述实际接收到的星座点的I路幅度值yR和Q路幅度值yI利用如下公式计算出所述星座点的模值R；
Figure BDA0001424218440000065
所述CORDIC模块2512，用于将所述实际接收到的星座点的I路幅度值yR和Q路幅度值yI利用如下公式计算出所述星座点的相位值
Figure BDA0001424218440000066
Figure BDA0001424218440000071
具体地，将实际接收到的星座点的坐标(yR,yI)由直角坐标系转成极坐标系
Figure BDA0001424218440000072
具体地，在硬件中，反正切的计算可以通过CORDIC算法实现。
所述区域判决模块2513，其输入端与所述星座点模值计算模块的输出端连接，用于根据模值R的大小来判断模值R在n个区域中的所属区域，并将所属区域的区域编号SEL输出至选通器的输入端；
具体地，
0≤R＜R1,为第1区，则SEL＝1；
R1≤R＜R2,为第2区，则SEL＝2；
R2≤R＜R3,为第3区，则SEL＝3；
……
Rn-1≤R,为第n区，则SEL＝n；
具体地，R1,R2,R3…Rn-1是区域之间的分界线，其值为正实数，SEL取值范围为1～n(n是自然数)。具体的区域数量与调制方式有关，例如，常用的16APSK共分2个区，32APSK共分3个区，16APSK、32APSK的星座点映射关系及模值分区示意图分别如图6A、6B所示。
所述n个相位查找表模块2514，其输入端与所述CORDIC模块的输出端连接，用于将相位值
Figure BDA0001424218440000073
输入n个与所述n个区域一一对应的相位查找表中，并输出n个标准星座点的相位值
Figure BDA0001424218440000074
至所述选通器的输入端；
具体地，对应上面每一个区域，都有一个相位查找表，把
Figure BDA0001424218440000075
值输入每一个相位查找表，每个相位查找表输出一个相位值，n个相位查找表共输出n个相位值，
Figure BDA0001424218440000076
具体到单个相位查找表的处理方法是：
把圆周0°～360°共分为m个扇区(m是自然数)，根据
Figure BDA0001424218440000081
值所属区域，输出此区域内的标准星座点的相位值
Figure BDA0001424218440000082
其中：
Figure BDA0001424218440000083
为第1区，
Figure BDA0001424218440000084
Figure BDA0001424218440000085
为第2区，
Figure BDA0001424218440000086
……
Figure BDA0001424218440000087
和
Figure BDA0001424218440000088
为第m区，
Figure BDA0001424218440000089
具体地，
Figure BDA00014242184400000810
是扇区之间的分界线，其数值范围为0°～360°。具体的扇区数量与调制方式和模值R所属区域有关，例如，常用的16APSK，当模值R所属区域为第一区时，其扇区数量为4，扇区之间的分界线为
Figure BDA00014242184400000811
Figure BDA00014242184400000812
具体如图7所示。
所述选通器2515，其一个输入端与所述区域判决模块的输出端连接，另n个输入端与所述n个相位查找表模块的输出端连接，用于根据所述区域编号SEL对输入的n个所述相位值进行选通，并输出与所述区域编号对应区域的相位查找表输出的标准星座点的相位值
Figure BDA00014242184400000813
具体地，所述选通器是n选1选通器；所述选通器的输入是n个相位值
Figure BDA00014242184400000814
和区域编号SEL；依据SEL的值，对输入相位进行选通，输出
Figure BDA00014242184400000815
具体地，
若SEL＝1，
Figure BDA00014242184400000816
SEL＝2，
Figure BDA00014242184400000817
……
SEL＝n，
Figure BDA00014242184400000818
所述加法器2516，其一个输入端与所述选通器的输出端连接，另一个输入端与所述CORDIC模块的输出端连接，用于将实际接收到的星座点的相位值
Figure BDA00014242184400000819
与所述选通器输出的相位值
Figure BDA00014242184400000820
作差，得到本地载波相位误差
Figure BDA00014242184400000821
即
Figure BDA0001424218440000091
基于上述原理，本发明还提供了一种APSK提取本地载波相位误差的方法，如图8所示，所述方法包括下述步骤：
步骤S1，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；
具体地，所述步骤S1包括：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；并将所述基带I路信号和基带Q路信号的处理时钟速率降低到2倍符号时钟速率后进行匹配滤波，并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。
步骤S2，利用所述I路幅度值yR和Q路幅度值yI并分别结合模值公式和相位值公式计算所述星座点的模值R和相位值
Figure BDA0001424218440000092
具体地，所述模值公式为：
Figure BDA0001424218440000093
具体地，所述相位值公式为：
Figure BDA0001424218440000094
步骤S3，根据模值R的大小来判断模值R在n个区域中的所属区域，并将所属区域的区域编号SEL输出至选通器的输入端；
步骤S4，将相位值
Figure BDA0001424218440000095
输入n个与所述n个区域一一对应的相位查找表中，并输出n个标准星座点的相位值
Figure BDA0001424218440000096
至所述选通器的输入端；
步骤S5，根据所述区域编号SEL对输入的n个所述相位值进行选通，并输出与所述区域编号对应区域的相位查找表输出的标准星座点的相位值
Figure BDA0001424218440000097
步骤S6，利用实际接收到的星座点的相位值
Figure BDA0001424218440000098
减去所述选通器输出的相位值
Figure BDA0001424218440000099
得到本地载波相位误差
Figure BDA00014242184400000910
本发明提供的一种APSK接收机及其提取本地载波相位误差的方法，用于接收解调APSK信号，根据不同的APSK星座点映射关系，只需要产生相应的分区相位查找表，就可以实现载波相位误差的计算，整个处理结构不需要改变，通用性好；即本发明提供的方法为一种简单有效的载波跟踪恢复的实现技术，对不同的APSK均适用。
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 (3)

1.一种APSK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S1，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S2，利用所述I路幅度值yR和Q路幅度值yI并分别结合模值公式和相位值公式计算所述星座点的模值R和相位值
Figure FDA0002620843640000011
步骤S3，根据模值R的大小来判断模值R在n个区域中的所属区域，并将所属区域的区域编号SEL输出至选通器的输入端；
步骤S4，将相位值
Figure FDA0002620843640000012
输入n个与所述n个区域一一对应的相位查找表中，并输出n个标准星座点的相位值
Figure FDA0002620843640000013
至所述选通器的输入端；
步骤S5，根据所述区域编号SEL对输入的n个所述相位值进行选通，并输出与所述区域编号对应区域的相位查找表输出的标准星座点的相位值
Figure FDA0002620843640000014
步骤S6，利用实际接收到的星座点的相位值
Figure FDA0002620843640000015
减去所述选通器输出的相位值
Figure FDA0002620843640000016
得到本地载波相位误差
Figure FDA0002620843640000017
2.如权利要求1所述的APSK提取本地载波相位误差的方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：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；并将所述基带I路信号和基带Q路信号的处理时钟速率降低到2倍符号时钟速率后进行匹配滤波，并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。
3.一种APSK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，用于提取本地载波相位误差
Figure FDA0002620843640000021
并根据
Figure FDA0002620843640000022
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；
所述载波跟踪恢复电路包括：载波相位误差提取模块、二阶环路滤波器和数控振荡器；
所述载波相位误差提取模块，用于提取本地载波相位误差
Figure FDA0002620843640000026
所述二阶环路滤波器，与所述载波相位误差提取模块连接，用于对所述载波相位误差
Figure FDA0002620843640000027
进行积分；
所述数控振荡器，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；
所述载波相位误差提取模块包括：星座点模值计算模块、CORDIC模块、区域判决模块、n个相位查找表模块、选通器和加法器；
所述星座点模值计算模块，用于将所述实际接收到的星座点的I路幅度值yR和Q路幅度值yI利用如下公式计算出所述星座点的模值R；
Figure FDA0002620843640000023
所述CORDIC模块，用于将所述实际接收到的星座点的I路幅度值yR和Q路幅度值yI利用如下公式计算出所述星座点的相位值
Figure FDA0002620843640000024
Figure FDA0002620843640000025
所述区域判决模块，其输入端与所述星座点模值计算模块的输出端连接，用于根据模值R的大小来判断模值R在n个区域中的所属区域，并将所属区域的区域编号SEL输出至选通器的输入端；
所述n个相位查找表模块，其输入端与所述CORDIC模块的输出端连接，用于将相位值
Figure FDA0002620843640000031
输入n个与所述n个区域一一对应的相位查找表中，并输出n个标准星座点的相位值
Figure FDA0002620843640000032
至所述选通器的输入端；
所述选通器，其一个输入端与所述区域判决模块的输出端连接，另n个输入端与所述n个相位查找表模块的输出端连接，用于根据所述区域编号SEL对输入的n个所述相位值进行选通，并输出与所述区域编号对应区域的相位查找表输出的标准星座点的相位值
Figure FDA0002620843640000033
所述加法器，其一个输入端与所述选通器的输出端连接，另一个输入端与所述CORDIC模块的输出端连接，用于将实际接收到的星座点的相位值
Figure FDA0002620843640000034
与所述选通器输出的相位值
Figure FDA0002620843640000035
作差，得到本地载波相位误差
Figure FDA0002620843640000036
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