CN117614795A - 一种适用多种相位调制方式的载波捕获方法 - Google Patents
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Abstract
一种适用多种相位调制方式的载波捕获方法，涉及无线通讯领域，包括以下步骤：S1、将接收信号进行正交下变频得到正交信号；S2、对将正交信号进行相位提取得到所述正交信号的相位信息；S3、将所述相位信息乘以N得到目标相位信息，所述N根据相位调制方式确定；S4、将所述目标相位信息折算到0‑2π相位空间，并恢复到成目标正交信号；S5、将所述目标正交信号进行FFT运算，对FFT运算结果进行捕获得到载波频率。本发明解决了传统载波捕获方式中计算复杂度高的问题，有效提高了信号处理的速度和准确率。
Description
技术领域
本发明涉及无线通讯领域，尤其是涉及一种适用多种相位调制方式的载波捕获方法。
背景技术
在无线电通信中，发射机将需要发送的信号调制在射频载波中，即以一定的载波频率进行发射；在信号接收端的接收机则需要对调制的射频信号进行解调处理，在相干方式的接收机解调中，需要采用锁相环的方式来实现相干载波的提取以实现相干解调；在相干解调之前，接收机需要对信号的载波进行捕获，即通常所说的载波捕获(或载波估计)。
通常，在载波捕获的时候，需要考虑符号跳变对于频谱扩展和载波抑制的影响，也就是用于载波捕获的信号中，在正常传输信息中出现信号的符号跳变将会影响载波捕获时窄带内的能量计算。因此需要进行消除符号跳变影响的操作，目前通用的做法即为采用N次方可以完成去符号的效果。
传统的N次方载波捕获方式即在对信号进行N次方运算后，信号变成了单载波，然后通过对信号进行FFT运算即可得到载波频率；该方式可解决BPSK、QPSK/OQPSK、8PSK的相位调制对于载波抑制、频谱扩展(频率泄露)的影响，但对于16APSK信号和8QAM、16QAM带幅度变化的信号而言，以上方式则无法消除符号跳变的影响，因为幅度项即使在N次方后仍然不为恒定值，信号仍表现为幅度调制的效果。
此外N次方的非线性变换会带来信噪比的损失，因为N次方后的信号中噪声失去了相干累加特性，导致处理增益降低，并且无法消除符号跳变导致的频谱泄露、信噪比损失大的问题。
并且使用N次方运算量大、对于8PSK需要进行8次方运算、16APSK、16QAM需要进行12次方运算，其计算量复杂、其运算量不利于FPGA的实现。
发明内容
为了克服背景技术中的不足，本发明公开了一种适用多种相位调制方式的载波捕获方法。
为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
一种适用多种相位调制方式的载波捕获方法，包含以下步骤：
S1、将接收信号进行正交下变频得到正交信号x(t)；所述正交信号x(t)为：
其中At为幅度信息，表示正交信号中的幅度信息；ωΔ为载波频率，表示正交信号中的残留频差信号；为载波相位，表示正交信号中的相位变化信息；t为时间；
S2、对将正交信号x(t)进行相位提取得到所述正交信号的相位信息
S3、将所述相位信息乘以N得到目标相位信息/>所述N的值根据相位调制方式确定；
S4、将所述目标相位信息折算到0-2π相位空间，并恢复到成目标正交信号，所述目标正交信号x'(t)为：
S5、将所述目标正交信号x'(t)进行FFT运算，对FFT运算结果进行捕获得到载波频率。
具体的，步骤S1具体包括，通过零中频接收机接收射频信号得到所述接收信号，然后对所述接收信号进行正交下变频得到正交信号x(t)。
具体的，步骤S2中所述相位提取的具体为：将正交信号x(t)进行tan值计算及量化，然后通过相位计算提取出所述正交信号的相位信息
具体的，步骤S3中所述相位调制方式为BPSK、QPSK、OQPSK、8PSK、8QAM、16QAM或16APSK中的任意一种。
具体的，BPSK调制方式对应的N为2，QPSK和OQPSK调制方式对应的N为4，8PSK和8QAM调制方式对应的N为8,16QAM和16APSK调制方式对应的N为12。
具体的，步骤S5中对FFT运算结果进行捕获得到载波频率具体为：FFT计算结果的频谱中，能量最高的谱线对应的频率即为载波频率。
本发明公开的一种适用多种相位调制方式的载波捕获方法，包括以下步骤：S1、将接收信号进行正交下变频得到正交信号；S2、对将正交信号进行相位提取得到所述正交信号的相位信息；S3、将所述相位信息乘以N得到目标相位信息，所述N根据相位调制方式确定；S4、将所述目标相位信息折算到0-2π相位空间，并恢复到成目标正交信号；S5、将所述目标正交信号进行FFT运算，对FFT运算结果进行捕获得到载波频率。本发明提供的适用多种相位调制方式的载波捕获方法，有效解决传统的载波捕获方式中计算复杂度高的问题，有效提高了信号处理的速度与准确率。
进一步的，本发明通过对提取出来了相位信息乘以一个N来实现消除相位变化，将N次方运算变成了乘以N的运算，大大降低了计算的复杂度，更利于FPGA的实现；
因不采用N次方的非线性变换，可以避免N次方后的信号中噪声失去了相干累加特性，进而可以消除符号跳变导致的频谱泄露、信噪比损失大的问题。
进一步的，本发明提供的载波捕获方法适用于更多种相位调制方式，可实现BPSK、QPSK/OQPSK、8PSK、8QAM、16QAM等多制式调制方式下的载波捕获，是一种使用范围更广、效率更高的载波捕获方式，可有效提高信号处理的效率；
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据本发明实施例提供的一种适用多种相位调制方式的载波捕获方法流程图；
图2是根据本发明实施例提供的基于相位提取的载波捕获处理流程图；
图3是根据本发明实施例提供的BPSK星座图；
图4是根据本发明实施例提供的QPSK/OQPSK星座图；
图5是根据本发明实施例提供的8PSK星座图；
图6是根据本发明实施例提供的8QAM星座图；
图7是根据本发明实施例提供的16QAM星座图；
图8是根据本发明实施例提供的16APSK星座图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
以下对本申请涉及的一些术语进行解释。
(1)I/Q信号
I/Q是一个射频信号，I是In-Phase，Q是Quadrature(相移90度),即代表两路相位相差90度的信号。在极坐标上可以用振幅和相位来表示，在直角坐标上可以用X和Y的值来表示。但在数字通信***中，一般X用I来代替，表示同相，而Y用Q来代替，表示90°相位。因此产生了所谓I/Q调制器、I/Q解调器以及QPSK(四相键控)调制/解调器。
(2)零中频接收机
零中频接收机是无需经过中频，能直接把射频信号转换为原传送信号的接收机。
(3)FPGA
FPGA(Field Programmable Gate Array)是在PAL(可编程阵列逻辑)、GAL(通用阵列逻辑)等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。
(4)载波频率
载波频率是信号在传输的过程中，并不是将信号直接进行传输，而是将信号负载到一个固定频率的波上，这个过程称为加载，这样的一个固定频率。严格的讲，就是把一个较低的信号频率调制到一个相对较高的频率上去，这被低频调制的较高频率就叫载波频率，也叫基频。
(5)星座图
在模拟调制中，载波参量的改变是按连续的模拟信息。在数字调制中，这些载波参数(幅度，频率和相位)的变化由离散的数字信号决定。从这个意义上讲，数字调制和模拟调制并无本质区别。数字调制信号只须表示离散的调制状态，这些离散状态在矢量图上称为符号点(symbol point)，
(6)NCO
数字控制振荡器(NCO，numerically controlled oscillator)是软件无线电、直接数据频率合成器(DDS，Direct digital synthesizer)、快速傅立叶变换(FFT，FastFourier Transform)等的重要组成部分，同时也是决定其性能的主要因素之一，用于产生可控的正弦波或余弦波。随着芯片集成度的提高、在信号处理、数字通信领域、调制解调、变频调速、制导控制、电力电子等方面得到越来越广泛的应用。符号点的组合称为星座图(constellation)。
(7)正交下变频
正交下变频***的任务便是去除接收信号中的中频载波，无损的提取出信号的同相部分和正交部分。数字正交下变频包括三种方式，分别为低通滤波法，插值法和多相滤波法。
(8)FFT
FFT是一种DFT的高效算法，称为快速傅里叶变换(fast Fourier transform)。傅里叶变换是时域一频域变换分析中最基本的方法之一。FFT算法可分为按时间抽取算法和按频率抽取算法。
实施例一
参考图1-2，本实施例公开了一种适用多种相位调制方式的载波捕获方法，包含以下步骤：
S1、将接收信号进行正交下变频得到正交信号x(t)；所述正交信号x(t)为：
其中At为幅度信息，表示正交信号中的幅度信息；ωΔ为载波频率，表示正交信号中的残留频差信号；为载波相位，表示正交信号中的相位变化信息；t为时间；
具体的，步骤S1具体包括，通过零中频接收机接收射频信号得到所述接收信号，然后对所述接收信号进行正交下变频得到正交信号x(t)。
具体的，所述接收信号包括I和Q，其中I和Q即信号的I之路、Q之路，即表示的是正交的两路信号。
具体的，零中频接收机会将接收的射频信号变成正交的两路信号I、Q，即本实施例中所述接收信号，本实施例中所述正交下变频是在数字域对所述接收信号的另一次正交下变频处理，对本领域技术人员来说，正交的信号是可以多次正交变频的。
NCO为数字正交下变频提供数字本振信号，PINC值为NCO的频率控制值，不同的PINC值就会让NCO输出不同频率的本振信号出来，即通过数字下变频之后，得到了一个频率再降低一个PINC值所对应的频率值。
参考图2，本实施例中数字正交下变频和NCO一同构成了一个数字变频结构，通过合适的PINC值，使得残留的载波频率信号在经过相位提取和线性变换后其载波频率仍处于FFT可分析的范围内。
本领域技术人员可以根据具体的FFT可分析的范围对PINC值进行确定，此为现有技术，此处便不再赘述。
本实施例中使用零中频接收机对信号进行接收，对接收机接收后信号的正交两路信号进行正交下变频得到正交信号x(t)：
其中At为幅度信息，表示正交信号中的幅度信息，与调制星座图中的幅度调制相关；
其中ωΔ为载波频率，表示正交信号中的残留频差信号，对于非调频信号，可认为是固定值，这也是我们载波捕获所需要去估计的结果；
其中为载波相位，表示正交信号中的相位变化情况，与调制星座图中的相位调制相关；t为时间；
对于调制体制而言，At和为的时变构成了符号的星座图映射及星座图中星座图点之间的转换关系。根据不同的调制方式，二者的表达式如下表所示：
S2、对将正交信号x(t)进行相位提取得到所述正交信号的相位信息具体的，步骤S2中所述相位提取的具体为：将正交信号x(t)进行tan值计算及量化，然后通过相位计算提取出所述正交信号的相位信息/>
具体的，步骤S1中正交下变频之后的正交信号模型为：通过欧拉公式从所述正交信号x(t)中换算出它的I之路/>与Q之路/>
要得到相位信息可以先将正交信号x(t)进行tan值计算及量化，即先得到/>的值，通过以下公式可得：
然后通过相位计算提取相位信息，即再通过arctan(Q/I)计算后即可得到相位信息
atan查表就是以查表的方式来完成arctan计算。
具体的，舍弃信号幅度的调制信息，通过提取出信号的相位信息(即先得到的时域信号)。
S3、将所述相位信息乘以N得到目标相位信息/>所述N的值根据相位调制方式确定；
对于载波的频率捕获而言，我们就是要想办法去除或减小信号中At和的变化而带来的载波抑制、频谱扩展(频率泄露)等影响频率估计的因素。而根据不同的调制方式中At和/>的变化特点，我们可以对正交信号进行非线性变化来消除这种影响。
具体的，本实施例中通过线性变化消除相位调制的影响的方式与上述N次方的方法类似，但有区别，上述的N次方只能对信号整体进行变化来消除符号(相位调制)的影响，而本方法中既然已经提取出来了相位信息那么只需要对纯相位信息进行变化即可，即通过乘以一个N来实现消除相位变化，将N次方运算变成了乘以N的运算。
具体的，步骤S3中所述相位调制方式为BPSK、QPSK、OQPSK、8PSK、8QAM、16QAM或16APSK中的任意一种。
具体的，BPSK调制方式对应的N为2，QPSK和OQPSK调制方式对应的N为4，8PSK和8QAM调制方式对应的N为8,16QAM和16APSK调制方式对应的N为12。
S4、将所述目标相位信息折算到0-2π相位空间，并恢复到成目标正交信号，所述目标正交信号x'(t)为：
本实施例中以8QAM调制方式为例，通过步骤S2已得到的波形，而其表达式：
当幅度为R1时(内圈)：
当幅度为R2时(外圈)：
因此直接将的波形直接乘以8，则会得到一个/>但其中/>是一个在相位上重叠的一个点，即表现不出相位调制。
此时再将恢复成正交信号，/>中的/>值为1，因此只剩下了频率信息，但是此时的频率估计结果为原始信号频率的8倍。
DDS表中包含cos(x)和sin(x)的结果，其中x取值范围为0～2pi，当进行信号恢复时，就是由已经得到的0～2pi的相位角，然后通过计算cos(x)和sin(x)值来恢复正交信号。
具体的，将相位信息恢复成正交信号即是将数学公式表示的信号重新恢复成数据流表示，可通过DDS查表实现，对本领域技术人员来说此为本领域基础知识，此处便不再赘述。
S5、将所述目标正交信号x'(t)进行FFT运算，对FFT运算结果进行捕获得到载波频率。
具体的，步骤S5中对FFT运算结果进行捕获得到载波频率具体为：FFT计算结果的频谱中，能量最高的谱线对应的频率即为载波频率，即完成了捕获。
设信号的采样率为Fs，N为线性变化的因子，FFT的运算点数为M，则使用本实施例的载波捕获方法所得到捕获范围和捕获精度如下：
捕获范围：±Fs/N/2，
捕获精度：±Fs/M/N
FFT中的峰值频率：为输入信号频率的N倍。
本实施例公开的一种适用多种相位调制方式的载波捕获方法，包括以下步骤：S1、将接收信号进行正交下变频得到正交信号；S2、对将正交信号进行相位提取得到所述正交信号的相位信息；S3、将所述相位信息乘以N得到目标相位信息，所述N根据相位调制方式确定；S4、将所述目标相位信息折算到0-2π相位空间，并恢复到成目标正交信号；S5、将所述目标正交信号进行FFT运算，对FFT运算结果进行捕获得到载波频率。本实施例提供的适用多种相位调制方式的载波捕获方法，有效解决传统的载波捕获方式中计算复杂度高的问题，有效提高了信号处理的速度与准确率。
进一步的，本实施例通过对提取出来了相位信息乘以一个N来实现消除相位变化，将N次方运算变成了乘以N的运算，大大降低了计算的复杂度，更利于FPGA的实现；
因不采用N次方的非线性变换，可以避免N次方后的信号中噪声失去了相干累加特性，进而可以消除符号跳变导致的频谱泄露、信噪比损失大的问题。
进一步的，本实施例提供的载波捕获方法适用于更多种相位调制方式，可实现BPSK、QPSK/OQPSK、8PSK、8QAM、16QAM等多制式调制方式下的载波捕获，是一种使用范围更广、效率更高的载波捕获方式，可有效提高信号处理的效率；
本发明未详述部分为现有技术，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明；因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，旨在将落在等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
Claims (6)
1.一种适用多种相位调制方式的载波捕获方法，其特征在于，包含以下步骤：
S1、将接收信号进行正交下变频得到正交信号x(t)；所述正交信号x(t)为：
其中At为幅度信息，表示正交信号中的幅度信息；ωΔ为载波频率，表示正交信号中的残留频差信号；为载波相位，表示正交信号中的相位变化信息；t为时间；
S2、对将正交信号x(t)进行相位提取得到所述正交信号的相位信息
S3、将所述相位信息乘以N得到目标相位信息/>所述N的值根据相位调制方式确定；
S4、将所述目标相位信息折算到0-2π相位空间，并恢复到目标正交信号，所述目标正交信号x'(t)为：
S5、将所述目标正交信号x'(t)进行FFT运算，对FFT运算结果进行捕获得到载波频率。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1具体包括，通过零中频接收机接收射频信号得到所述接收信号，然后对所述接收信号进行正交下变频得到正交信号x(t)。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2中所述相位提取具体为：将正交信号x(t)进行tan值计算及量化，然后通过相位计算提取出所述正交信号的相位信息
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S3中所述相位调制方式为BPSK、QPSK、OQPSK、8PSK、8QAM、16QAM或16APSK中的任意一种。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，BPSK调制方式对应的N为2，QPSK和OQPSK调制方式对应的N为4，8PSK和8QAM调制方式对应的N为8,16QAM和16APSK调制方式对应的N为12。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S5中对FFT运算结果进行捕获得到载波频率具体为：FFT计算结果的频谱中，能量最高的谱线对应的频率即为载波频率。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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