一种用于非相干解调电路中的载波相位同步方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种用于非相干解调电路中的载波相位同步方法及装置。该方法及装置为全数字实现方式，分为相位捕获模式、相位跟踪模式两种工作模式。在前导码周期中为相位捕获阶段：通过对前导码的延迟相关计算可以估算出载波频率偏移量；然后利用频偏估计的结果和已知前导码序列，估算出初始相位；对接收到的数据进行频率相位补偿计算。等到前导码周期结束后，开始解扩数据，这时进入相位跟踪阶段：利用已经解调出来的符号对应的扩频码数据跟接收到的数据进行相关计算，估计出每个符号的残余相位差，再对接收到的数据进行相位补偿计算。本发明专利技术用于非相干解调数字基带设计的载波相位同步，能够在低信噪比的条件下实现载波相位精确同步。

【技术实现步骤摘要】
-种用于非相干解调电路中的载波相位同步方法及装置
[〇〇〇1] 本专利技术涉及通信领域，尤其是涉及采用非相干解调方式实现的兼容IEEE 802. 15. 4标准的通信系统，本专利技术用于实现对接收信号的载波相位同步。
技术介绍
IEEE 802. 15. 4标准定义了低速无线个域网（LR-WPAN)的物理层和媒体接入控制 层两个规范。IEEE 802. 15. 4低速率、低功耗和短距离传输的特点使它适合应用于无线传感 器网络领域。IEEE 802. 15. 4c物理层规定了三个频段，即2. 4GHz频段、868/915MHZ频段和 780MHz频段。在中国专用的780MHz频段，规范规定了两种物理层调制方案：采用0-QPSK调 制方案和直接序列扩频技术及采用MPSK调制方案和直接序列扩频技术，两种调制方案都 采用升余弦脉冲成型方式。 由于IEEE 802. 15. 4标准面向的是低功耗、低成本的应用，所用的器件要求体积 小、集成度要高，所以IEEE 802. 15. 4标准的解调电路一般采用的是非相干解调方式。而非 相干解调方式是不知道载波的频率偏移和初始相位的，需要有电路对载波的频率偏移、初 始相位进行估计，再进行频率及相位补偿来完成载波相位同步。 目前载波相位同步的方法主要是利用锁相环PLL和压控振荡器VC0在RF前端进 行闭环前向载波同步，常用的结构有同相正交环、平方环及Μ方环等方式来实现载波相位 的同步，这一类的同步大多采用模拟器件在射频RF端实现，功耗和体积都比较大，不便于 集成。而目前用于IEEE 802. 15. 4的载波相位同步电路主要有两类：第一类是在数字基带 处理中估计频率偏移及初始相位，而相位补偿不在数字基带中处理，数字基带本身不做相 位补偿运算，而是将频率相位错误的指示信息传递给压控振荡器VC0,让VC0来锁定，从而 完成载波相位同步的。第二类是在数字基带处理中完成频率偏移及初始相位估计并进行相 位补偿计算，来完成载波相位同步。第二类方法采用的是全数字的设计方案，其优点是可以 降低RF设计的复杂度及功耗，减少整个接收机的面积，集成度高，可以很容易集成到片上 系统S0C分区设计中去。 而在全数字的设计方案中，载波频偏估计大多是利用接收到的数据进行延迟相关 计算来完成频率偏移估计的，若在低信噪比的情况下，其频率偏移估计的精度会严重恶化， 因为其没有利用已知前导码序列的相关信息来降低噪声的干扰，另外其相位补偿只是针对 于频率偏移相位补偿，一般都没有考虑初始相位估计和相位残余误差跟踪，这样由于存在 频率估计误差，随着包长度的增加，接收的数据点的相位差会累计到一个很大的值，这会给 解调电路造成很大的误码率。
技术实现思路
(1)专利技术目的 本专利技术提供一种直接序列扩频通信系统中采用非相干解调电路中的全数字实现、 在低信噪比条件下能够精确进行载波相位同步的方法及装置，在低信噪比环境中，该方法 及装置能够实现载波相位的精确估计和跟踪，可以显著降低系统的误码率，提高接收机的 性能。 (2)技术方案 本专利技术是一种用于非相干解调电路中的载波相位同步方法及装置，其载波相位同 步方法是：载波相位同步分为相位获取模式和相位跟踪模式两种工作模式，在前导码周期 阶段，工作在相位获取模式，其包含频率偏移估计和初始相位估计，在数据解扩周期中，采 用相位跟踪模式来实现符号的残余相位误差估计，精确跟踪相位。其载波同步的过程是： 在前导码周期内，首先对接收到的长度为L个数据的前导码进行延迟相关计算，延迟时间 为一个码片周期（L小于等于前导码长度），对计算的结果利用已知前导码序列延迟相关得 到的系数进行滤波处理，并计算出处理后的相位的均值△ ω，得到频率偏移的估计值；根 据Λω的值对接收到的延迟L个码片周期的数据进行旋转，消除频率偏移的影响，即对每 个数据进行频率偏移补偿计算，再将补偿后的数据跟接收到的L个数据所对应的前导码码 片进行相关计算，对计算结果求出其相位的均值Θ，作为初始相位的估计值；在数据解扩 周期中，利用已经解扩出来的符号对应的码片值跟延迟一个符号周期的接收到的数据进行 相关计算，并计算其结果的相位均值Φ，作为符号的残余相位误差。然后根据△?、Θ及 Φ的结果，计算出接收到的每个数据的相位偏移量Ψ，进行相位补偿计算，完成载波相位 同步。其中数据相位偏移量的计算方式如下：在相位获取阶段，每个数据的相位偏移量Ψ 为相位累加值（每个数据的相位累加计算增量为△ ω)与Θ的和；在相位跟踪阶段，每个 符号的起始数据的相位偏移量Ψ为相位累加值（每个数据的相位累加计算增量为△ ω)、 Θ和Φ的和，在一个符号周期内的数据的相位偏移量Ψ等于上一个数据的相位偏移量加 上频率偏移相位递增量Λ ω。 ⑶技术效果[〇〇11] 本专利技术的载波相位同步方法及装置包含相位偏移计算和补偿计算，全部都是数字 化实现，集成度高，并且其考虑到了利用已知的前导码序列对接收到的数据进行匹配滤波， 降低噪声对频率估计误差的影响。同时提出了一种新的判决-反馈型的载波残余相位跟踪 技术来消除相位误差积累的不利影响，通过MATLAB仿真和编写RTL代码，进行数字化设计 验证，表明该方法能够在IEEE 802. 15. 4协议规定的最大频率偏移，数据包长度为128,信 噪比低于8. 5dB的条件下，在保证误包率小于0. 01的前提下完成载波的精准同步。图6给 出了没有采用已知的前导码序列对接收到的数据进行匹配滤波和相位跟踪的传统载波同 步方式及专利文献[1]所述方法跟本专利所述方法的性能比较图，从图6中可以看出本专 利采用的方法在相同的信噪比情况下能够大大降低系统的误码率，提高了接收机的抗噪声 性能，在相同误码率的情况下，本方法比文献[1]大概有2. 5dB性能的提升，比传统方式大 概有6dB性能的提升。 参考专利文献 专利文献[1]:吕强梁忠闯等.一种无线通信系统载波同步中的频偏估计方法：中 国，200910242498. 1 [P] · 2010. 05. 19. 【附图说明】 图1是本专利技术载波相位同步方法的流程图。 图2是本专利技术载波相位同步器的总体结构示意图，包含频率补偿估计、初始相位 估计、相位误差跟踪子模块、累加器、加法器、数据选择器、乘法器、数字振荡器NC0模块。 图3是本专利技术频率偏移估计子模块结构示意图。[〇〇17] 图4是本专利技术初始相位估计子模块结构示意图。 图5是本专利技术相位误差跟踪子模块结构示意图。[〇〇19] 图6是本专利技术载波相位同步性能与传统方法及专利文献[1]方法效果对比图。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于非相干解调电路中的载波相位同步方法，包括以下步骤：步骤S101：在前导码周期内，对接收到的长度为L个数据进行延迟相关计算，延迟时间为一个码片周期，L小于等于前导码长度；步骤S102：预先计算好这L个数据所对应的前导码码片的延迟相关值，以作备用，延迟时间为一个码片周期；步骤S103:求步骤S101和S102的计算结果的乘积，并计算乘积项的相位，求出相位的均值Δω，作为频率偏移的估计值；步骤S104：对每个数据进行频率偏移补偿计算，将计算的结果延迟L个单位，并计算出其与这L个数据所对应的前导码码片的相关值，对计算结果求出相位，并求出相位的平均值θ，作为初始相位的估计值；步骤S105：将步骤S103和S104的结果相加，计算出接收到的每个数据的相位偏移量Ψ；步骤S106：在数据解扩周期中，将接收到的一个符号数据延迟一个符号周期，并查找解扩出来的符号对应的码片值，并将延迟的数据与对应的码片进行相关计算，计算出相关值的相位，求出其均值φ，作为相位跟踪阶段的符号残余相位误差估计值；步骤S107：在每个符号的起始位置，将步骤S103、S104和S106的结果相加，计算出接收到的每个符号的起始位置的数据的相位偏移量Ψ，在一个符号周期内部，每个接收到的数据的相位偏移量为前一个数据的相位偏移量Ψ累加Δω；步骤S108：根据步骤S105和步骤S107的计算结果，对接收到的数据进行频率相位补偿。...

【技术特征摘要】
1. 一种用于非相干解调电路中的载波相位同步方法，包括以下步骤： 步骤S101 :在前导码周期内，对接收到的长度为L个数据进行延迟相关计算，延迟时间 为一个码片周期，L小于等于前导码长度； 步骤S102 :预先计算好这L个数据所对应的前导码码片的延迟相关值，以作备用，延迟 时间为一个码片周期； 步骤S103:求步骤S101和S102的计算结果的乘积，并计算乘积项的相位，求出相位的 均值△ ω，作为频率偏移的估计值； 步骤S104 :对每个数据进行频率偏移补偿计算，将计算的结果延迟L个单位，并计算出 其与这L个数据所对应的前导码码片的相关值，对计算结果求出相位，并求出相位的平均 值Θ，作为初始相位的估计值； 步骤S105 :将步骤S103和S104的结果相加，计算出接收到的每个数据的相位偏移量 Ψ ; 步骤S106 :在数据解扩周期中，将接收到的一个符号数据延迟一个符号周期，并查找 解扩出来的符号对应的码片值，并将延迟的数据与对应的码片进行相关计算，计算出相关 值的相位，求出其均值Φ，作为相位跟踪阶段的符号残余相位误差估计值； 步骤S107 :在每个符号的起始位置，将步骤S103、S104和S106的结果相加，计算出接 收到的每个符号的起始位置的数据的相位偏移量Ψ，在一个符号周期内部，每个接收到的 数据的相位偏移量为前一个数据的相位偏移量Ψ累加△ ω ; 步骤S108 :根据步骤S105和步骤S107的计算结果，对接收到的数据进行频率相位补 偿。2. 根据权利要求1所述用于非相干解调电路中的载波相位同步方法，其特征在于，所 述方法用于兼容IEEE 802. 15. 4标准的通信系统。3. 根据权利要求1所述用于非相干解调电路中的载波相位同步方法，步骤S103中利用 前导码已知的码片值及其延时的相关结果来滤波步骤S101的结果，达到降低噪声干扰的 目的。4. 根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘昊，袁斌，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32