一种离散型同相正交环的增强方法技术

本发明专利技术公开了一种离散型同相正交环的增强方法。首先根据锁相环理论，设计用于载波同步的时间离散的同相正交环，然后在其环路滤波器中增加比较开关电路，利用误差增量对环路滤波器的输出进行控制。当误差增量小于门限时，环路滤波器正常更新输出；若误差增量超过门限，环路滤波器则不作更新，继续保持上一次的输出值。本发明专利技术完全继承了传统离散型同相正交环载波同步方法的便利，仅增加极少的比较开关电路，即可有效扩大频率捕获范围，捕获时间亦显著减少。

【技术实现步骤摘要】
一种离散型同相正交环的增强方法
本专利技术属于数字通信的同步技术，具体涉及对传统的离散型同相正交环载波同步方法的增强。
技术介绍
锁相环是载波同步中常用的方法。其中，同相正交环法同时使用本地压控振荡器的输出信号和它的正交信号，分别对环路的输入信号进行混频，这正是同相正交环名称的由来，有时也称这种环路为Costas环。两支路的混频信号经低通滤波后再相乘，即可提取出输入信号与压控振荡器的相位差完成鉴相。鉴相器获得的相位误差信号通过环路滤波器之后，可以去控制压控振荡器的相位与频率。显然，同相正交环属于相位跟踪环，可以跟踪相位差异，或者较小的频率偏移。与模拟同相正交环相比，离散型同相正交环除了全部模块数字化，还在其鉴相器中引入直接判决，不仅结构简单易于实现，还提高了环路的噪声性能。但是，直接判决会导致鉴相器的特性曲线不断跳变，缩小环路的频率捕获范围。
技术实现思路
专利技术目的：为了克服现有技术中存在的不足，本专利技术提供一种离散型同相正交环载波同步的增强方法，消除其因鉴相特性的急剧变化带来的频率捕获范围缩小的不利影响。技术方案：为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种离散型同相正交环的增强方法，包括以下步骤：步骤1，根据锁相环理论，设计用于载波同步的时间离散的同相正交环，包括鉴相器、环路滤波器和数控振荡器(NCO)三部分：1)数控振荡器(NCO)利用直接数字频率合成器(DDS)，通过查表法产生波形。2)鉴相器以BPSK信号为例，假设混频后的基带信号如下：x(k)＝m(k)exp{j*θ(k)}其中，x(k)表示混频后的BPSK基带信号，exp{}表示指数函数，j表示虚数单位，m(k)表示发送的信息数据，且m(k)∈{+1,-1}，θ(k)表示剩余的相偏；假设直接数字频率合成器DDS的输出信号为：其中，y(k)表示DDS的输出波形，表示估计的相偏；则经相位检测中的共轭相乘后得到：其中，y*(k)表示y(k)的共轭；令又因为sign{m(k)}*m(k)≡1，sign{}表示符号函数，所以相位检测输出的误差信号为：e(k)＝sign{m(k)cos(θe(k))}*m(k)sin(θe(k))＝sign{m(k)}*sign{cos(θe(k))}*m(k)sin(θe(k))＝sign{cos(θe(k))}*sin(θe(k))其中，e(k)表示相位检测输出的误差信号。3)环路滤波器以二阶二型锁相环为例，采用比例积分的环路滤波器。根据锁相环理论，其参数设计过程如下：其中，Kp为鉴相器增益，K0为DDS增益，K1为环路滤波器的比例系数，K2为环路滤波器积分系数，ξ为环路的阻尼系数，ωn分别为环路无阻尼振荡频率，Bn为环路噪声带宽，Ts为环路采样周期。首先设定噪声带宽与采样频率的比值BnTs以及阻尼系数ξ，然后计算中间值θn，最后分别计算出环路滤波器的比例系数K1和积分系数K2。步骤2，在环路滤波器中增加比较开关电路，利用误差增量对环路滤波器的输出进行控制；当误差增量小于门限时，环路滤波器正常更新输出；若误差增量超过门限，环路滤波器则不作更新，继续保持上一次的输出值。优选的：所述门限为1.5。本专利技术相比现有技术，具有以下有益效果：本专利技术完全继承了传统离散型同相正交环载波同步方法的便利，仅增加极少的比较开关电路，即可有效扩大频率捕获范围，捕获时间亦显著减少。附图说明图1是离散型同相正交环法载波同步。图2是离散型同相正交环的鉴相器特性。图3是输入不同频偏的BPSK基带信号时离散型同相正交环的环路滤波输出。图4是输入不同频偏的BPSK基带信号时对比参考(正弦鉴相特性)的环路滤波输出。图5是本专利技术的增强的离散型数字同相正交环。图6是输入不同频偏的BPSK基带信号时本专利技术的环路滤波输出。具体实施方式下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本专利技术，应理解这些实例仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围，在阅读了本专利技术之后，本领域技术人员对本专利技术的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。一种离散型同相正交环载波同步的增强方法如图1所示，包括101鉴相器、102环路滤波和103DDS(直接数字频率合成器)三部分，其作用是捕获和跟踪频率粗同步后剩余的频偏和相偏。假设输入的BPSK(二进制相移键控)基带信号如下：x(k)＝m(k)exp{j*θ(k)}(1)其中，m(k)表示发送的信息数据，且m(k)∈{+1,-1}，θ(k)表示剩余的相偏，以及DDS的输出信号为：则经相位检测中的共轭相乘后得到：令又因为sign{m(k)}*m(k)≡1，所以相位检测输出的误差信号为：其鉴相特性如图2所示，与周期等于2π的正弦曲线相似，但在π/2＜θe＜3π/2区间的值被符号运算取反。由于在同相支路引入直接判决，噪声性能提高了3dB。但也正是因为直接判决自身的符号运算，让原本连续的鉴相特性曲线不断地跳变，缩小了环路的频率捕获范围，以下将通过实例对比给予说明。根据锁相环理论，对于图1中采用的比例积分环路滤波器，存在以下关系：其中，Kp和K0分别为鉴相器增益和DDS增益，K1和K2分别为环路滤波器的比例和积分系数，ξ和ωn分别为环路的阻尼系数和无阻尼振荡频率，Bn和Ts分别表示环路噪声带宽和采样周期。按照图1的组成结构，Kp和K0均为1，若选定ξ＝0.707，以及BnTs＝0.05时，可以计算出K1＝0.1247和K2＝0.0083。在图1中输入不同频偏的BPSK基带信号，即式(1)中令θ(k)＝ωk，且采样周期Ts等于BPSK信号的符号周期，然后对ω取不同的频偏值，观察环路滤波的收敛情况，如图3所示。可见，环路滤波在捕获过程中不断抖动，捕获成功则最后收敛至ω。并且频偏ω越大，环路的捕获时间越长。当ω增大至2π/12时，环路无法锁定，始终处于抖动状态。而按照锁相环理论，图1中如果相位检测的鉴相特性是标准正弦曲线，即去除同相支路的直接判决，则环路对固定频偏的捕获范围是∞。为此，去除图1中相位检测的判决模块，并将误差信号放大两倍后再进行滤波，作为图1结构的对比参考。此时，相位检测的特性曲线变成周期等于π幅值为1的正弦曲线，这里不再画出。与图2的特性曲线比较，两者的周期和幅值一样，但图2的特性曲线存在跳变，而对比参考的是连续曲线。对比参考中将误差信号放大两倍是为了抵消三角运算引入的1/2的影响，以便得到与式(4)中误差信号同样的幅值。因为在捕获阶段，决定捕获性能的主要是误差信号的幅值，而非稳定平衡点附近的变化率。在对比参考中同样输入不同频偏的BPSK基带信号，并观察环路滤波的收敛情况，如图4所示。对比本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种离散型同相正交环的增强方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1，根据锁相环理论，设计用于载波同步的时间离散的同相正交环，包括鉴相器、环路滤波器和数控振荡器NCO三部分：/n1)数控振荡器NCO/n利用直接数字频率合成器DDS，通过查表法产生波形；/n2)鉴相器/nBPSK信号混频后的基带信号如下：/nx(k)＝m(k)exp{j*θ(k)}/n其中，x(k)表示混频后的BPSK基带信号，exp{}表示指数函数，j表示虚数单位，m(k)表示发送的信息数据，且m(k)∈{+1,-1}，θ(k)表示剩余的相偏；/n直接数字频率合成器DDS的输出信号为：/n

【技术特征摘要】
1.一种离散型同相正交环的增强方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，根据锁相环理论，设计用于载波同步的时间离散的同相正交环，包括鉴相器、环路滤波器和数控振荡器NCO三部分：
1)数控振荡器NCO
利用直接数字频率合成器DDS，通过查表法产生波形；
2)鉴相器
BPSK信号混频后的基带信号如下：
x(k)＝m(k)exp{j*θ(k)}
其中，x(k)表示混频后的BPSK基带信号，exp{}表示指数函数，j表示虚数单位，m(k)表示发送的信息数据，且m(k)∈{+1,-1}，θ(k)表示剩余的相偏；
直接数字频率合成器DDS的输出信号为：



其中，y(k)表示DDS的输出波形，表示估计的相偏；
则经相位检测中的共轭相乘后得到：



其中，y*(k)表示y(k)的共轭；
令又因为sign{m(k)}*m(k)≡1，sign{}表示符号函数，所以相位检测输出的误差信号为：
e(k)＝sign{m(k)cos(θe(k))}*m(k)sin(θe(k))
＝sign{m...

【专利技术属性】
技术研发人员：雷俊，赵勇，马中海，杨锐强，李淼，
申请(专利权)人：南京熊猫电子股份有限公司，南京熊猫汉达科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32