一种QPSK信号的自适应载波和符号联合同步方法技术

本发明专利技术提出一种QPSK信号的自适应载波和符号联合同步方法，所述方法包括确定输入信号、获得相互正交的两路QPSK基带信号、分别利用鉴相器和Gardner定时误差检测器计算基带信号的载波相位误差信号和定时相位误差信号、计算特征值并将同步过程分为三个阶段：粗同步阶段，过渡阶段和细同步阶段、对现同步阶段进行识别选择相应的环路滤波器、对信号进行矫正输出最终判决信号。本发明专利技术所述方法能够有效地同时提高同步环路的同步速度和同步精度两大技术指标，尤其是对具有大偏差的QPSK信号的同步效果提高更加明显。

【技术实现步骤摘要】
一种QPSK信号的自适应载波和符号联合同步方法
本专利技术属于无线通信
，具体应用于数字接收机中，特别是涉及一种正交相移键控(theQuadraturePhaseShiftKeying，QPSK)信号的自适应载波和符号联合同步方法。
技术介绍
数字接收机中的载波同步和符号同步是在上个世纪80年代提出的。2014年中国科学技术大学的华杰和其研究团队对经典的Costas载波同步环路和Gardner符号同步环路进行了有机结合，构成了联合同步环路。其提出的联合同步环路整体分为了Costas载波同步和Gardner符号同步两个部分。其信号处理的流程如下：数字中频信号首先进入Costas载波同步环路，将脉冲成型滤波器的输出直接输入插值滤波器，进入Gardner符号同步环路，在将插值滤波器的输出同时反馈给Gardner定时误差检测器和鉴相器，从而将Costas载波同步环和Gardner符号同步环路进行有机的结合，构成了一个联合同步环路，有效的提高了信号的同步速度和同步精度，如图1所示。但是，该联合同步环路仅仅是简单的将Costas载波同步环路和Gardner符号同步环路简单的结合，载波和符号同步环路均只有一个环路滤波器，这样的设计就会导致环路滤波器的参数设置较为单一，针对于不同偏差的QPSK信号需要根据经验不断地调整参数，尤其是针对于具有大偏差的QPSK信号该方法并不能兼顾同步速度和同步精度。
技术实现思路
本专利技术目的是为了解决现有的联合同步方法环路参数设置单一，尤其是针对于具有较大偏差的QPSK信号不能兼顾同步速度和同步精度的问题，提出了一种QPSK信号的自适应载波和符号联合同步方法。本专利技术是通过以下技术方案实现的，本专利技术提出一种QPSK信号的自适应载波和符号联合同步方法，具体包括以下步骤：步骤1：确定自适应载波和符号联合同步环路的输入信号，所述输入信号为QPSK数字中频信号；步骤2：所述输入信号经过混频、低通滤波和匹配滤波后得到相互正交的两路QPSK基带信号I(n)和Q(n)；步骤3：利用鉴相器计算相互正交的两路QPSK基带信号I(n)和Q(n)的载波相位误差信号ec(n)，利用Gardner定时误差检测器计算相互正交的两路QPSK基带信号I(n)和Q(n)的定时相位误差信号eT(n)；步骤4：将所述载波相位误差送入分段点选择模块进行特征值的计算，通过对特征值进行分析，设立两个门限值Threshold1和Threshold2将整个同步过程分为三个阶段：粗同步阶段，过渡阶段和细同步阶段；步骤5：根据所述分段点选择模块的计算结果分别对鉴相器和Gardner定时误差检测器的现同步阶段进行识别，识别阶段后，所述鉴相器和Gardner定时误差检测器分别选择与识别的同步阶段对应参数的环路滤波器进行同步工作；所述鉴相器识别出的同步阶段与Gardner定时误差检测器识别出的同步阶段相同；所述粗同步阶段选择大带宽的环路滤波器；所述过渡阶段选择中等带宽的环路滤波器；所述细同步阶段选择小带宽的环路滤波器；步骤6：所述鉴相器输出的载波相位误差ec(n)经过所选环路滤波器和数控振荡器后得到本地载波信号，从而对QPSK数字中频信号进行载波偏差的矫正；Gardner定时误差检测器输出的定时相位误差eT(n)经过所选环路滤波器和插值控制器后得到最佳采样时刻从而对相互正交的两路QPSK基带信号I(n)和Q(n)进行符号偏差的矫正，并输出最终判决信号。进一步地，所述步骤1具体为：确定QPSK信号的自适应载波和符号联合同步系统的输入信号，通过下式表示QPSK信号自适应载波和符号联合同步环路的输入信号SQPSK(n)：SQPSK(n)＝m1(n)cos(ωcn+θ)+m2(n)sin(ωcn+θ)其中，SQPSK(n)为输入的QPSK数字中频信号；m1(n)为支路I的调制数据；m2(n)为支路Q的调制数据；ωc为输入信号的载波频率；θ为输入信号载波的相位。进一步地，所述步骤2中所述的相互正交的两路QPSK基带信号由下式表示：其中，I(n)表示正交支路的QPSK信号；Q(n)表示同相支路的QPSK信号；Δω表示信号具有的载波频率偏差；Δθ表示信号具有的载波相位偏差。进一步地，在步骤3中，由于Costas环结构的载波同步环路属于二阶系统，而二阶系统的响应曲线为衰减震荡曲线，最终在一定范围内进行等幅振荡，因此载波相位误差信号ec(n)由下式定义：其中，ec(n)为鉴相器输出的载波相位误差信号；N为系统进入稳定状态前输入系统的符号数；A为相位误差的初始振幅；A′为稳定状态后相位误差的振幅；α为相位误差的衰减率；ω为误差信号的振荡频率；T为采样周期。进一步地，所述步骤4具体为：步骤4.1：将载波相位误差信号求取累加平均值，通过下式表示计算得到的载波相位误差信号的累加平均值E(n)：步骤4.2：为方便后续门限值的选择和设定，避免信号幅值的不同导致门限值需要不断调整，对累加平均值的取值范围进行限定，令累加平均值的取值范围在[0,1]之间变化，限定范围后的累加平均值记作E′(n)，其按照下式计算：其中，max(E(n))表示在前n个计算点内选择最大的累加平均值；步骤4.3：设立不同的门限值Threshold1，Threshold2将同步过程分为三个阶段，找到不同载波相位误差信号的衰减程度atten之间的关系，选择不同衰减程度对应的特征值，即限定范围后的累加平均值E′(n)设置为相应的门限值。进一步地，所述步骤5中三个阶段中环路滤波器的参数计算方式如下：二阶系统环路滤波器具有两个参数：比例支路的比例参数k1；积分支路的积分参数k2，其由下式计算得到：其中，K是最小回路的总增益；ωn是二阶系统的无阻尼振荡角频率；ζ是阻尼系数；Ts是Gardner定时误差检测器的工作周期；利用等效环路噪声带宽Bn对环路性能进行评估，将上式中的无阻尼振荡角频率利用等效环路噪声带宽进行替换得到新的参数计算公式：其中，BnTs为等效环路噪声带宽与定时误差检测器的工作周期的乘积，记作环路带宽参数；三个同步阶段对应三个不同的环路带宽参数，载波同步环路粗同步阶段至细同步阶段的环路带宽参数分别记作BnTs_C1，BnTs_C2，BnTs_C3；符号同步环路粗同步阶段至细同步阶段的环路带宽参数分别记作BnTs_T1，BnTs_T2，BnTs_T3；三个参数依靠两个门限值Threshold1，Threshold2来设置；记Threshold1对应的衰减程度为atten1，Threshold2对应的衰减程度为atten2；根据二阶环路快捕带的概念，需要三个环路带宽参数之间满足如下关系：本专利技术具有以下有益效果：1、本专利技术利用对不同大小的环路带宽参数的环路滤波器的选择，将同步本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种QPSK信号的自适应载波和符号联合同步方法，其特征在于：具体包括以下步骤：/n步骤1：确定自适应载波和符号联合同步环路的输入信号，所述输入信号为QPSK数字中频信号；/n步骤2：所述输入信号经过混频、低通滤波和匹配滤波后得到相互正交的两路QPSK基带信号I(n)和Q(n)；/n步骤3：利用鉴相器计算相互正交的两路QPSK基带信号I(n)和Q(n)的载波相位误差信号e

【技术特征摘要】
1.一种QPSK信号的自适应载波和符号联合同步方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
步骤1：确定自适应载波和符号联合同步环路的输入信号，所述输入信号为QPSK数字中频信号；
步骤2：所述输入信号经过混频、低通滤波和匹配滤波后得到相互正交的两路QPSK基带信号I(n)和Q(n)；
步骤3：利用鉴相器计算相互正交的两路QPSK基带信号I(n)和Q(n)的载波相位误差信号ec(n)，利用Gardner定时误差检测器计算相互正交的两路QPSK基带信号I(n)和Q(n)的定时相位误差信号eT(n)；
步骤4：将所述载波相位误差送入分段点选择模块进行特征值的计算，通过对特征值进行分析，设立两个门限值Threshold1和Threshold2将整个同步过程分为三个阶段：粗同步阶段，过渡阶段和细同步阶段；
步骤5：根据所述分段点选择模块的计算结果分别对鉴相器和Gardner定时误差检测器的现同步阶段进行识别，识别阶段后，所述鉴相器和Gardner定时误差检测器分别选择与识别的同步阶段对应参数的环路滤波器进行同步工作；所述鉴相器识别出的同步阶段与Gardner定时误差检测器识别出的同步阶段相同；所述粗同步阶段选择大带宽的环路滤波器；所述过渡阶段选择中等带宽的环路滤波器；所述细同步阶段选择小带宽的环路滤波器；
步骤6：所述鉴相器输出的载波相位误差ec(n)经过所选环路滤波器和数控振荡器后得到本地载波信号，从而对QPSK数字中频信号进行载波偏差的矫正；Gardner定时误差检测器输出的定时相位误差eT(n)经过所选环路滤波器和插值控制器后得到最佳采样时刻从而对相互正交的两路QPSK基带信号I(n)和Q(n)进行符号偏差的矫正，并输出最终判决信号。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤1具体为：确定QPSK信号的自适应载波和符号联合同步系统的输入信号，通过下式表示QPSK信号自适应载波和符号联合同步环路的输入信号SQPSK(n)：
SQPSK(n)＝m1(n)cos(ωcn+θ)+m2(n)sin(ωcn+θ)
其中，SQPSK(n)为输入的QPSK数字中频信号；m1(n)为支路I的调制数据；m2(n)为支路Q的调制数据；ωc为输入信号的载波频率；θ为输入信号载波的相位。


3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述步骤2中所述的相互正交的两路QPSK基带信号由下式表示：






其中，I(n)表示正交支路的QPSK信号；Q(n)表示同相支路的QPSK信号；Δω表示信号具有的载波频率偏差；Δθ表示信号具有的载波相位偏差。


4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：在步骤3中，由于Cost...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨智明，季鑫，宋志一，孙谋迅，刘旺，乔立岩，张峰，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23