高动态环境下猝DQPSK系统载波跟踪设计方案与实现

高动态环境下猝发DQPSK系统载波跟踪设计与实现•电气论文

高动态环境下猝发DQPSK系统载波跟踪设计与实现

丁法珂

（中国空空导弹研究院,河南洛阳471009）

摘要：针对高动态环境下猝发DQPSK通信系统,提出一种四相鉴频频率牵弓I、

鉴频辅助鉴相的载波跟踪方案,通过Matlab仿真验证,并编写VHDL程序在FPGA

中实现,最终在硬件平台上进行性能测试，测试结果表明该方案可行，硬件实现

达到了设计扌詬要求。

关键词:DQPSK;载波跟踪；高动态；猝发通信

中图分类号：TN850.4734文献标识码：A文章编号：10047373X（2015）
13?0010?03 收稿日期：2015?02?14

0引言

差分四相相移键控（DQPSK）调制具有较好的频带利用率及良好的抗干扰

性能,在数字微波通信系统中得到了广泛应用。载波跟踪是DQPSK信号相干接收

的关键技术之一,受多普勒频移和本振不稳定等因素的影响，接收信号存在频率

漂移，从而使收发载波存在较大频偏，直接影响到接收机的性能，因此必须将

频偏消除。而在高动态环境下，且采用猝发通信模式，对系统载波捕获速度与

跟踪精度提出更严格的要求，常用的科斯塔斯（COSTAS）载波跟踪环路已不能

满足使用要求。因此，采用一种四相鉴频［1-3］频率牵引、鉴频辅助鉴相的载

波跟踪方案［4］,并编写VHDL程序在FPGA中实现［5-7］,最终在硬件

平台上进行性能测试,测试结果表明该方案可行，硬件实现达到了设计指标要求。

1DQPSK 中频接收总体方案

中频接收机总体方案如图1所示［8］。

经A/D采样的中频信号和NCO输出的正交载波相乘后,频谱搬移到0中频附

近，此时数据流的速率仍很高,为40.96MHz ,采用积分梳状滤波器低通滤波z

同时进行16倍抽取,将数据速率降低到2.56MHz ,最后进行匹配滤波得到基带

信号。

先对下变频、降速率的I,Q 两路数据进行四相鉴频频率牵引，牵引到一定

频差后四相鉴频器停止工作,转向鉴频辅助鉴相环路跟踪载波,所生成的相位误

差信号送入环路滤波器,滤除高频分量后作为载波相位调整信息送入NCO产生所

需频率的载波。
基带信号在符号判决器中完成解调,再经并/串转疑号到输出数据。

3釈*IJT ，

旬

2载波跟踪具体附

2.1四相鉴频算法

输入的中频信号经过正交解调和相关积分后，载波多普勒频移被牵引到一

个频率搜索单元范围,此时频率估计误差仍然较大,有可能超出鉴频的线性跟踪

范围。因此,首先用四相鉴频器将误差降低到较小的频差范围内。

环路中I,Q两路信号积分清零的输出可表示为：

I(k)«AD(k)sinc{[Af (k)] ? nT}cos((pk) + n?I (k)

Q(k)«AD(k)sinc{[Af (k)] ? nT}sin((pk) + n?Q (k)

式中：A为信号幅度;D(k)为数据信息;Af(k)为频偏；(pk为相位差。

频率误差信号通过比较两个连续时序同相正交信号分量获得,计算同一时刻

同相、正交信号分量绝对值之差为：

II(k)| - |Q(k)| = A ? R[e(k)] ? |sinc{[Af (k)] ? nT}| ?

{|cos(p | k - |sin (p | k}

式中：£(k)为误差信号;T为数据捋续时间。由于载波跟踪时码相位估计对

准在一个码片范围内，则R[e(k)]0, | I(k)| - |Q(k)|的符号与q二{|cos(p

|k -|sin (p | k}

的符号相同,可将载波频率误差分割成4个区间,设频率误差信号为p, 则

有:

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2.2鉴频辅助鉴相

四相鉴频牵引后,频差缩小到一定范围，由于系统采用猝发工作模式，要求

在尽量小的时间内稳定跟踪载波,而常用的COSTAS环锁相需要的时间较长,为

加快载波调整速度,需采用AFC(自动频率控制)环路进行辅助捕获。

鉴频辅助鉴相框图如图2所示。

积分清零后的基带信号，采用延迟相干解调的方式提取符号信息,并产生

辅助鉴相的频率误差信号。实现框图如图3所示。

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A(pk表示由于调制而弓I起的相邻符号间的相差，对DQPSK信号而言，此

值为0°, 90° , 180°, 270° , A(pmod (k)表示由于收发频差而引起的相邻符

号间的相差,A(prot(k)表示符号旋转角度,这里为-45°旋转。

DQPSK信号的频率误差信号为：

8二sign[Dot(k)]? Cross(k) - sign[Cross(k)] ? Dot(k)

本设计所用的鉴相算法为改进型硬判决COSTAS环鉴相算法[9],在基本的

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COSTAS环加上I叽丿的非线性变换能实现最佳相位估计,然而要硬件实现tanh

变换相当复杂,于是要寻找简单而容易实现的tanh变换的近似函数。在大信噪

比且|x | 1时，发现tanh可以近似看作取信号x的符号(±1)，而取符号运

算FPGA实现简单。

推广到DQPSK载波恢复,改进后的鉴相算法的相位误差信号为：£二

sign[I]? Q - sign[Q] ?1,当环路的相位误差(p= 6 - 6?较小或信噪比高的时

候，环路的相位误差信号将为£二Asin (p ,为正弦鉴相持性。完成频率误差和

相位误差运算后,按照图2所示的结构,采用一阶锁频环辅助二阶锁相环。 可以看出,四相鉴频、鉴频辅助鉴相结构相似,VDHL实现简单，取符号运算

只需判断信号的最高位是O还是’1'，各项误差信号只需进行基本的加法、乘

积运算便可得出。四相鉴频环路将频差缩小到一定范围后便停止工作,转向鉴频

鉴相环路捕获跟踪载波,最后误差信号经环路滤波器后，作为载波NCO的频率控

制字的调整量,调整NCO输出所需频率的载波。

3仿真测试

Matlab仿真时,调制信息速率设为20kHz ,载波频率设为70MHz , A/D采样

速率为40.96MHz。调制信息通过串/并转换、差分编码、载波调制后经AWGN信

道输出,A/D采样后的数据通过DDC下变频，CIC抽取滤波[10],数据速率降至

2.56MHz ,之后进入载波跟踪环路计算载波频差反馈给本地载波NCO。当载波中

心频率存在4kHz 偏移的情况下，系统正常工作，完全满足指标要求。

频差跟踪仿真结果如图4所示。

载波跟踪算法经VHDL实现后，嵌入到中频接收系统中，最后下载到Altera公

司EP2S60芯片内进行测试,结果表明所采用的算法及实现满足技术

4 结论

本文针对高动态环境下猝发DQPSK通信系统，提出一种四相鉴频频率牵弓

I、鉴频辅助鉴相的载波跟踪方案，并编写VHDL程序在FPGA中实现。实际测试

结果表明,所采用的载波跟踪算法捕获时间短、跟踪范围宽，满足设计指标要求。

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［10］

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作者简介：丁法珂(1982—)，男，山东平邑人,工程师。研究方向为无线通

信技术。