基于FFT载频估计和Costas环的非协作通信载波同步系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于FFT载频估计和Costas环的非协作通信载波同步系统，该系统包含两部分，即前端的FFT载频估计模块和后端的Costas环载波同步模块。其工作原理：输入信号同时作用在两个模块上，FFT载频估计模块先对输入信号进行载频估计，直到其将估计出的载波频率传输到Costas环时，Costas环的使能端才变为有效，并以载波频率的估计值为初始振荡频率，传输到Costas环载波同步模块中的数字频率控制振荡器(NCO)，控制数字频率控制振荡器(NCO)的振荡频率，对输入信号进行高精度的载波同步；当完成对输入信号的捕获后，数字频率控制振荡器将输出精确的载波提取信号。利用本发明专利技术缩短捕获时间和间接拓宽捕获带宽，从而完成非协作通信中未知信号的载波同步。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及本专利技术属于数字通信
，特别是涉及一种通信载波同步系统。
技术介绍
在通信系统中，同步是一个非常重要的问题，同步电路是接收机不可缺少的重要 组成部分，是进行正常通信的必要保证。在整个同步系统中，并没有包含有用信息的传输， 但是只有在接收端和发送端之间建立了同步以后，双方才能开始正常的信息传输，即接收 端可以正常的接收到发送端发送的信息，从而达到通信的目的，所以同步是进行信息传输 的前提。同步系统性能的好坏将直接影响着通信系统的性能，如果在双方通信之前没有达 到所要求的同步性能，将会严重影响通信质量，甚至无法正常的通信。因此要实现高质量的 信息传输，必须要求同步系统具有很高的可靠性，即能够长时间的保持稳定状态。在同步系 统中，载波同步通常处于接收端数字信号处理系统的前端，要进行解调恢复原始信号，接收 机必须通过载波同步得到相干载波才能能够解调，从而使得接收方得到原始信号，实现成 功通信的目的。 载波同步又称为载波恢复，即在接收端设备中产生一个和接收信号的载波同频同 相的本地振荡信号，对接收到的信号进行相干解调，从而得到原始的信号。当接收信号中包 含离散的载频分量时，在接收端可以让接收信号直接通过窄带滤波器分离出信号载波作为 本地相干载波。若接收信号中没有离散载波信号分量，例如DPSK信号和抑制载波的双边带 调幅信号，则接收端设备需要对信号进行非线性变换，间接的从信号中提取载波。无论什么 情况，只要采用相干解调方式，在接收设备中都需要有载波同步电路，以提取相干解调所需 要的相干载波。相干载波必须与接收信号的载波严格的同频同相，否则会降低解调性能，从 而降低通信系统的通信质量。 当然，在接收端对接收到的信号进行解调时，也可以不提取相干载波信号，即采用 非相干解调，这种方法在一定的程度上可以降低系统设计的复杂性。由无线通信原理可知， 不论对于那种调制方式，在相同的外部条件干扰下，相干解调的方式都具有比非相干解调 方式更好的误码性能和抗噪声性能。因此为了使得设计出的通信系统具有优良的通信性 能，工程上多采用相干解调的方式，来实现接收机的解调功能。 在相干解调中，载波同步的实现方法通常分为直接提取法和插入导频法两种。但 是工程上为了有效利用频率资源，并尽可能的使发射的无线电波中携带有用信息，发射端 通常不会发射专门用于同步的载频信息，因此抑制载波同步技术的应用更为广泛。而在抑 制载波同步技术中，工程上主要利用Costas环来实现载波同步，这是因为Costas环在提取 抑制载波信号的同时，同相支路即是相干解调输出信号，相对于其他方法，Costas环法具有 更高的实现效率(可以简化接收端解调电路的设计）。 但是，当初始频偏比较大时，Costa环的捕获时间较长。当初始频差超出一定范围 时，Costas环甚至不能实现载波同步。在非协作通信中，载波同步系统的捕获带宽必须很 宽，这是因为非协作通信中接收方并不知道发送方载波的任何信息，载波同步必须具有很 宽捕获带，才能实现载波的提取。
技术实现思路
为了克服上述现有技术存在的捕获时间长和捕获带宽窄的问题，本专利技术提出了一 种基于FFT载频估计和Costas环的非协作通信载波同步系统，在Costas锁相环路的前端增 加一级频率估计功能电路，将Costas环路的初始频偏限定在一个较小的范围内，这样就可 以缩短捕获时间和间接拓宽捕获带宽，从而完成非协作通信中未知信号的载波同步。 1.本专利技术提出了一种一种基于FFT载频估计和Costas环的非协作通信载波同步系 统，其特征在于，该系统包含两部分，即前端的FFT载频估计模块和后端的Costas环载波同 步模块。其工作原理:输入信号同时作用在两个模块上，FFT载频估计模块先对输入信号进 行载频估计，直到其将估计出的载波频率传输到Costas环时，Costas环的使能端才变为有 效，并以载波频率的估计值为初始振荡频率，传输到Costas环载波同步模块中的数字频率 控制振荡器(NC0)，控制数字频率控制振荡器(NC0)的振荡频率，对输入信号进行高精度的 载波同步；当完成对输入信号的捕获后，数字频率控制振荡器将输出精确的载波提取信号； 其中： 所述FFT载频估计模块的结构依照信号处理顺序包括输入信号、平方部件、FFT变 换模块、求模模块和比较模块:输入信号为频谱中不含的载频分量的DPSK信号，平方部件直 接由ISE提供的乘法IP核产生并且采用双输入，即DPSK信号同时由乘法器核的两端输入完 成平方运算;FFT变换模块直接由ISE提供的FFT核产生，输出频谱采样点的序号;求模模块 对输出的虚数求其模长，即把实部与虚部平方后相加;比较模块求出模长最大的点；所述Costas环载波同步模块的结构依照信号处理顺序包括输入信号、乘法器、低 通滤波器、环路滤波器和数字控制振荡器:输入信号经同相支路与正交支路分别乘以同相 和正交载波，乘法器主要参数有系统时钟频率、输入数据的位数和输出数据的位数;再分别 通过低通滤波器，低通滤波器直接由ISE提供的FIR核产生，输出的两个信号相乘，得到误差 信号Ud(t)，误差信号Ud(t)经环路滤波器输出控制压控振荡器的控制电压u c(t)，数字控制 振荡器的FPGA实现，直接由ISE软件提供的DDS核产生;根据所述Costas环载波同步模块的 结构进行顶层模块的VHDL程序编写，顶层模块主要完成各个模块的例化、连接和乘法器的 设计。与现有技术中相比，本专利技术将Costas环和FFT载频估计二者相结合，使得当Costas 环在进行载波同步时初始频差很小，甚至为零，大大缩短了捕获时间。通过本专利技术即可完成 非协作通信中未知信号的载波获取。【附图说明】 图1为本专利技术的基于FFT载频估计和Costas环的非协作通信载波同步系统结构图； 图2为基于FFT载频估计的FPGA实现结构示意图； 图3为Costas环结构示意图； 图4为符号判决法实现乘法运算的结构示意图； 图5为载波频率6MHz，信噪比100dB时，频差函数及载波信号相位的比较图；图6为载波频率6MHz，信噪比20dB时，频差函数及载波信号相位的比较图；图7为载波频率6MHz，信噪比6dB时，频差函数及载波信号相位的比较图；图8为载波频率6.02MHz，信噪比20dB时，频差函数及载波信号相位的比较图。【具体实施方式】以下结合附图及【具体实施方式】，进一步详述本专利技术的技术方案。如图1所示，本专利技术的基于FFT载频估计和Costas环的非协作通信载波同步系统整 体设计包含两部分，即前端的FFT载频估计模块和后端的Costas环载波同步模块。其工作原 理:输入信号同时作用在两个模块上，FFT载频估计模块先对输入信号进行载频估计，直到 其将估计出的载波频率传输到Costas环时，Costas环的使能端才变为有效，并以载波频率 的估计值为初始振荡频率，对输入信号进行高精度的载波同步。 Costas环前端加入载频估计的理论依据是:对于模拟锁相环路，压控振荡器(VC0) 的线性控制区域是有限的且固有振荡频率是确定的。因此在模拟锁相环的前端加入载频估 计是无法改变锁相环的载波同步性能。但是对于数字锁相环路中的数字频率控制振荡器 (NC0)来讲，由于其工作本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于FFT载频估计和Costas环的非协作通信载波同步系统，其特征在于，该系统包含两部分，即前端的FFT载频估计模块和后端的Costas环载波同步模块。其工作原理：输入信号同时作用在两个模块上，FFT载频估计模块先对输入信号进行载频估计，直到其将估计出的载波频率传输到Costas环时，Costas环的使能端才变为有效，并以载波频率的估计值为初始振荡频率，传输到Costas环载波同步模块中的数字频率控制振荡器(NCO)，控制数字频率控制振荡器(NCO)的振荡频率，对输入信号进行高精度的载波同步；当完成对输入信号的捕获后，数字频率控制振荡器将输出精确的载波提取信号；其中：所述FFT载频估计模块的结构依照信号处理顺序包括输入信号、平方部件、FFT变换模块、求模模块和比较模块：输入信号为频谱中不含的载频分量的DPSK信号，平方部件直接由ISE提供的乘法IP核产生并且采用双输入，即DPSK信号同时由乘法器核的两端输入完成平方运算；FFT变换模块直接由ISE提供的FFT核产生，输出频谱采样点的序号；求模模块对输出的虚数求其模长，即把实部与虚部平方后相加；比较模块求出模长最大的点；所述Costas环载波同步模块的结构依照信号处理顺序包括输入信号、乘法器、低通滤波器、环路滤波器和数字控制振荡器：输入信号经同相支路与正交支路分别乘以同相和正交载波，乘法器参数有系统时钟频率、输入数据的位数和输出数据的位数；再分别通过低通滤波器，低通滤波器直接由ISE提供的FIR核产生，输出的两个信号相乘，得到误差信号ud(t)，误差信号ud(t)经环路滤波器输出控制压控振荡器的控制电压uc(t)，数字控制振荡器的FPGA实现，直接由ISE软件提供的DDS核产生；根据所述Costas环载波同步模块的结构进行顶层模块的VHDL程序编写，顶层模块主要完成各个模块的例化、连接和乘法器的设计。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：由磊，赵建军，杨沫，李冰，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12