一种高阶调制解调中载波恢复的方法专利检索-定时同步计算机网络专利检索查询-专利查询网

一种高阶调制解调中载波恢复的方法

阅读：815发布：2024-01-24

专利汇可以提供一种高阶调制解调中载波恢复的方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及微波通信领域，特别涉及一种高阶调制解调中载波恢复的方法。该方法通过插入辅助序列并利用辅助序列的相关性进行载波恢复，分为时钟提取、产生定时帧、收发载波频差恢复与补偿、收发载波相差恢复与补偿以及相位含糊度的去除等步骤。本发明重复利用辅助序列进行相关运算，计算频差、相差，并进行相关补偿，抗干扰性能好，可以在低信噪比的情况下可靠的恢复出载波相位，完成信号解调，鲁棒性高；实现过程中采用符号速率，实现所依赖硬件平台要求较低，编码实现简单。，下面是一种高阶调制解调中载波恢复的方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种高阶调制解调中载波恢复的方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）时钟提取：利用Gardner 算法提取同步时钟；
（2）帧定时：利用辅助序列进行互相关运算，产生各种帧定时信号；
（3）收发载波频差恢复与补偿：利用辅助序列分两段对I、Q两路进行相关运算求出两个相关值，并利用Cordic算法求出对应的两个相位值Φ1、Φ2，求出辅助序列前后两段之间的相位差ΔΦ，从而计算出收发载波的大频差Δf，再利用辅助序列互相关运算及帧定时，计算出小频差Δβ，利用补偿公式对频差进行补偿；
（4）收发载波相差恢复与补偿：完成频差补偿后，再次利用辅助序列进行互相关运算，求出当前信号中辅助序列所对应的相位ρ2,得到收发载波相位差为Δρ＝ρ2-ρ1，其中ρ1为发端辅助训练序列所对应的相位，然后进行相差的补偿；
（5）去除载波相位模糊度。
2.根据权利要求1所述的高阶调制解调中载波恢复的方法，其特征在于：上述步骤在FPGA芯片中完成，其中步骤（1）中Gardner算法的公式为
采样数据在FPGA内进行直流电平调整，通过FPGA提取同步定时误差信号Ut(r)，进行累加平均得到信号E(r)，将E(r)通过模数转换器转换为模拟信号来控制压控振荡器，从而提取同步时钟。
3.根据权利要求1所述的高阶调制解调中载波恢复的方法，其特征在于：步骤（2）的具体步骤为：利用辅助序列的相关性，对辅助序列进行互相关运算，得到R(k)，利用R(k)的幅度特性，对R(k)取模值后进行平方运算，得
到M(k)，利用M(k)可以得到帧定时。
4.根据权利要求3所述的高阶调制解调中载波恢复的方法，其特征在于：步骤（3）具体步骤如下：
（3-1）把整个辅助序列段分为PN1、PN2两个部分，利用步骤（2）中R(k)的计算公式分别进行互相关运算；
（3-2）由辅助序列的 PN1 段序列互相关运算得到 R1(k)，由辅助序列的PN2段序列互相关运算得到R2
（k)，辅助序列Ck取值为[+A–A],幅
2
度相同的正数或负数，所以CK×CK=A，为一定值，设为C，则
（3-3）利用帧定时，从连续的码流中取出PN1、PN2所对应的互相关运算结果R1(k)、R2(k)，假定R1(k)、R2(k)所对应的相位值Φ1、Φ2，则有
（3-4）利用全段辅助序列求出前后两帧的相位差ΔΦ，进而求得收发载波的大频差（3-5）基于全部Nbit辅助序列进行互相关运算，每一帧得到一个互相关运算结果G(k)，利用帧定时找出每帧辅助序列互相关运算结果，依次得
到G1(k)、G2(k)、G3(k)、G4(k)……，设小频差为Δβ，每帧为Mbit，则对小频差Δβ进行滑动平均，得到一个准确的小频偏差值；
（3-6）结合计算出的大频差和小频差，进行频差补偿，补偿公式为
Q绝1(t)＝I相(t)×sinΨ+Q相(t)×cosΨ
I绝1(t)＝I相(t)×cosΔΨρ-Q相(t)×sinΨ
Ψ＝(Δf+Δβ)×t。
5.根据权利要求4所述的高阶调制解调中载波恢复的方法，其特征在于：步骤（4）的具体步骤如下：
（4-1）将完成频差补偿的信号h(t)按照辅助序列进行互相关运算，可得互相关运算结果y(k)，
（4-2）当前信号辅助训练序列在星座图中的映射相位
发端辅助训练序列映射在ρ1相位上，
可得收发载波的相位差Δρ＝ρ2-ρ1；
（4-3）对完成频差补偿后的信号再次进行相位补偿，补偿公式为
Q绝(t)＝I绝1(t)×sinΔρ+Q绝1(t)×cosΔρ
I绝(t)＝I绝1(t)×cosΔρ-Q绝1(t)×sinΔρ 。

说明书全文

一种高阶调制解调中载波恢复的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及微波通信领域，特别涉及一种高阶调制解调中载波恢复的方法。

背景技术

[0002] 随着当前通信技术的日益发展，频率资源越来越紧张，传统通信系统的容量已经越来越不能满足用户的要求，高阶调制解调越来越受到人们的关注。高阶调制解调不仅能提高系统的传输容量，而且大大地提高了频谱利用率。数字信号处理器件的发展以及人们对宽带无线领域应用的兴趣，促进了高阶调制解调技术的快速增长。随着微电子技术的高度发展，通过芯片集成系统（SOC）中的三个关键技术（软、硬件的协同设计技术，IP模块库技术，模块界面间的综合分析技术）的突破与创新，使得FPGA的规模越来越大，为各种算法提供了硬件设计条件，同时对设计人员来说采用FPGA设计具有很大的自由度，不用仅仅拘泥于寄存器等电路。而且EDA技术的快速发展使得许多方法的验证可以直接利用计算机实现，为设计者提供了很大的方便。

[0003] 传统的通信系统中，通常采用锁相环实现载波同步，这些方法不能用于高阶调制解调。现有的高阶载波恢复方法大都采用数字处理方式，主要利用开环频率估计算法直接估计出接收载波和本地载波的频差，然后加以矫正。所用的方法主要有：最大似然参数估计（ML）误差估计算法，该算法求似然函数过程复杂，实现起来非常困难；面向判决（DD）算法，该算法实现简单，但载波捕捉范围小于±10kHz，不能满足用户的需求；RC算法，该算法不适用没有外角点的128QAM系统；极性判决相位检测算法是目前用的最多的一种算法，但当频偏非常大的时候，极性算法变地非常复杂。

发明内容

[0004] 为解决上述问题，本发明提供了一种基于FPGA来实现的用于高阶调制解调中载波恢复的方法，由于该载波恢复方法依附于辅助训练序列（BPSK调制），所以在小信噪比的情况下，该载波恢复方法依然能稳定的工作；同时因载波恢复过程分为时钟提取及帧定时、大频偏及小频偏恢复、相差恢复三个步骤来完成，所以稳态相位抖动小。

[0005] 为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

[0006] 一种高阶调制解调中载波恢复的方法，包括如下步骤：

[0007] （1）时钟提取：利用Gardner算法提取同步时钟；

[0008] （2）帧定时：利用辅助序列进行互相关运算，产生各种帧定时信号；

[0009] （3）收发载波频差恢复与补偿：利用辅助序列分两段对I、Q两路进行相关运算求出两个相关值，并利用Cordic算法求出对应的两个相位值Φ1、Φ2，求出辅助序列前后两段之间的相位差ΔΦ，从而计算出收发载波的大频差Δf，再利用辅助序列互相关运算及帧定时，计算出小频差Δβ，利用补偿公式对频差进行补偿；

[0010] （4）收发载波相差恢复与补偿：完成频差补偿后，再次利用辅助序列进行互相关运算，求出当前信号中辅助序列所对应的相位ρ2,得到收发载波相位差为Δρ＝ρ2-ρ1，其中ρ1为发端辅助序列所对应的相位，然后进行相差的补偿。

[0011] （5）去除载波相位模糊度。

[0012] 本方法中使用的载波恢复方法是基于前馈式开环结构同步方法,分为五步来完成载波频差和相差的恢复与补偿。运用Cordic算法，求出各相关值对应的当前相位，然后对相位差值进行连续的滑动平均。之所以采用该算法，是因为它基于前馈式开环结构同步方法，具有同步速度快、载波锁定范围宽的特点。另外，这种算法结构简单、运算量小，不占用大量的RAM空间，易于在实际电路中实现，有利于技术的推广及应用。

[0013] 本发明载波恢复与补偿的计算在一块FPGA芯片中完成，本发明中所用的时钟提取方法是基于Gardner算法，Gardner算法的公式为

[0014]

[0015]

[0016] Gardner算法是一种适用于限带的BPSK、QPSK调制信号的同步定时误差检测方法，要求采样速率为符号速率的两倍。本发明针对128QAM多级电平调制，对Gardner算法进行了改进，消除了高阶调制噪声，为了提高时钟相位稳定度，所采用的采样速率为符号速率的4倍。改进后Gardner算法的公式为采样数据在FPGA内进行直流电平调整，通过FPGA提取同步定时误差信号Ut(r)，进行累加平均得到信号E(r)，将E(r)通过模数转换器转换为模拟信号来控制压控振荡器，从而提取同步时钟。该方法不仅适用于BPSK、QPSK，而且适用于各种QAM系统。本发明提取的同步时钟相位抖动小，为载波恢复提供了良好的基础。

[0017] 步骤（2）的具体步骤为：利用辅助序列的相关性，对辅助序列进行互相关运算，得到R(k)，利用R(k)的幅度特性，对R(k)取模值后进行平方运算，得到M(k)，利用M(k)可以得到帧定时。

[0018] 步骤（3）具体步骤如下：

[0019] （3-1）把整个辅助序列段分为PN1、PN2两个部分，利用步骤（2）中R(k)的计算公式分别进行互相关运算；

[0020] （3-2）由辅助序列的 PN1 段序列互相关运算得到 R1(k)，由辅助序列的PN2段序列互相关运算得到R2（k)，辅助序列Ck取值为[+A–A],
2
幅度相同的正数或负数，所以CK×CK=A，为一定值，设为C，则

[0021] （3-3）利用帧定时，从连续的码流中取出PN1、PN2所对应的互相关运算结果R1(k)、R2(k)，假定R1(k)、R2(k)所对应的相位值Φ1、Φ2，则有

[0022]

[0023]

[0024] （3-4）利用全段辅助序列求出前后两帧的相位差ΔΦ，进而求得收发载波的大频差

[0025]

[0026]

[0027] （3-5）基于全部Nbit辅助训练序列进行互相关运算，每一帧得到一个互相关运算结果G(k)，利用帧定时找出每帧辅助序列互相关运算结果，依次得到G1(k)、G2(k)、G3(k)、G4(k)……，设小频差为Δβ，每帧为Mbit，则[0028]

[0029] 对小频差Δβ进行滑动平均，得到一个准确的小频偏差值；

[0030] （3-6）结合计算出的大频差和小频差，进行频差补偿，补偿公式为[0031] Q绝1(t)＝I相(t)×sinΨ+Q相(t)×cosΨ

[0032] I绝1(t)＝I相(t)×ccsΔΨρ-Q相(t)×sinΨ

[0033] Ψ＝(Δf+Δβ)×t。

[0034] 步骤（4）的具体步骤如下：

[0035] （4-1）将完成频差补偿的信号h(t)按照辅助序列进行互相关运算，可得互相关运算结果y(k)，

[0036] （4-2）当前信号辅助序列在星座图中的映射相位

[0037] 发端辅助训练序列映射在ρ1相位上，可得收发载波的相位差Δρ＝ρ2-ρ1；

[0038] （4-3）对完成频差补偿后的信号再次进行相位补偿，补偿公式为[0039] Q绝(t)＝I绝1(t)×sinΔρ+Q绝1(t)×cosΔρ

[0040] I绝(t)＝I绝1(t)×cosΔρ-Q绝1(t)×sinΔρ 。

[0041]

[0042] 本发明重复利用辅助序列进行相关运算，计算频差、相差，并进行相关补偿，抗干扰性能好，可以在低信噪比的情况下可靠的恢复出载波相位，完成信号解调，鲁棒性高；实现过程中采用符号速率，实现所依赖硬件平台要求较低，编码实现简单。附图说明

[0043] 图1是本发明所使用硬件平台结构示意图；

[0044] 图2是由辅助序列经互相关计算后的峰-峰值示意图；

[0045] 图3是帧结构示意图；

[0046] 图4是包含收发载波频差和相差的128QAM星座图；

[0047] 图5是利用本发明中阐述的载波恢复方法，对图4中的信号去除频差和相差后所得信号的128QAM星座图。

具体实施方式

[0048] 图1是本发明实施时所需的硬件平台结构示意图，该硬件平台主要由业务接口部分、监控单元、FPGA电路、D/A转换器、正交调制电路、正交解调电路、本振电路、A/D转换器组成。业务信息进入FPGA后经采样、分接成帧、多级编码映射、插入辅助训练序列、成型滤波、D/A转换后，进行正交调制成中频信号；收端将收到的已调中频信号经正交解调变成I、Q两路正交信号，经低通滤波器滤波后，进行差分放大送到A/D转换器。A/D输出的I、Q两路10位信号送到FPGA单元，提取时钟后，利用所插入辅助训练序列进行相关运算，产生各种帧定时信号。

[0049] 一种高阶调制解调中载波恢复的方法，包括如下步骤：

[0050] 1、时钟提取：基于Gardner算法提取同步时钟，所采用的Gardner算法公式为[0051]

[0052]

[0053] 通过A/D转换器的采样数据在FPGA内进行直流电平调整，然后再通过FPGA提取同步定时误差信号Ut(r)，进行累加平均得到信号E(r)，将E(r)通过模数转换器转换为模拟信号来控制压控振荡器，从而提取同步时钟。

[0054] 2、帧定时：利用辅助序列（辅助序列在帧结构的位置关系如图3所示）的相关性，对辅助序列进行互相关运算，得到R(k)，然后对R(k)取模值后进行平方运算，得到M(k)，M(k)＝[abs(R(k))]2，M(k)的时域峰-峰值图形如图2所示，利用M(k)可以得到帧定时。

[0055] 3、收发载波大频差的恢复：

[0056] 收端接收到的信号可以表示为

[0057] r(k)＝ck×ej2π×θ(k)+n(k)＝ck×ej2π×Δf×k+n(k)，其中ck是发送的复值数据，θ(k)是未知的载波频偏移，n(k)是高斯白噪声，且满足θ(k)～N(0.2σ2)，其同相和正交分量的方差均为σ2。

[0058] （1）、把整个辅助序列段分为PN1、PN2两个部分，对收到的信号进行互相关运算，运算公式如下

[0059] 其中T为一个码元周期，对R(t)以T为间隔进行采样，得到R(k)，式中Δθ＝
Δf×T，R（k）表示互相关运算在第k个信号采样点的运算结果。

[0060] （2）、按照发端插入的辅助序列，由辅助序列的PN1段序列互相关运算得到R1(k)，由辅助序列的PN2段序列互相关运算得到R2（k)，令 AK=CK×CK，则有
又因辅助训练序列Ck取值为[+A–A],幅度相同的正数或负
数，所以AK为一定值，设为C，则

[0061]

[0062]

[0063] （3）、利用帧定时，从连续的码流中取出PN1、PN2所对应的互相关运算结果R1(k)、R2(k)，假定R1(k)、R2(k)所对应的相位值Φ1、Φ2，则有

[0064]

[0065]

[0066] （4）、利用全段辅助序列求出前后两帧的相位差ΔΦ，因两PN序列的互相关运算结果相差N/2个码元周期，求得收发载波的大频差

[0067]

[0068]

[0069] 4、收发载波小频差的恢复：

[0070] 基于全部Nbit辅助训练序列进行互相关运算，每一帧得到一个互相关运算结果G(k)，利用帧定时找出每帧辅助序列互相关运算结果，依次得到G1(k)、G2(k)、G3(k)、G4(k)……，设小频差为Δβ，每帧为Mbit，则对小频差Δβ进
行滑动平均，得到一个准确的小频偏差值。

[0071] 5、收发载波频差补偿：结合计算出的大频差和小频差，进行频差补偿，补偿公式为[0072] Q绝1(t)＝I相(t)×sinψ+Q相(t)×cosψ

[0073] I绝1(t)＝I相(t)×coSΔψρ-Q相(t)×SinΨ

[0074] ψ＝(Δf+Δβ)×t。

[0075] 1、收发载波相差的恢复：

[0076] （1）将完成频差补偿的信号h(t)按照辅助序列进行互相关运算，可得互相关运算结果y(k)，

[0077] （2）当前信号辅助序列在星座图中的映射相位

[0078] 发端辅助训练序列映射在ρ1相位上，可得收发载波的相位差Δρ＝ρ2-ρ1;

[0079] 7、收发载波相差补偿：对完成频差补偿后的信号再次进行相位补偿，补偿公式为[0080] Q绝(t)＝I绝1(t)×sinΔρ+Q绝1(t)×cosΔρ

[0081] I绝(t)＝I绝1(t)×cosΔρ-Q绝1(t)×sinΔρ 。

[0082]

[0083] 8、去除载波相位含糊度。

[0084] 补偿后的信号经均衡器均衡后进行软判决、维特比译码、缓存、二次判决、复接成帧、最终发送到业务接口单元。

[0085] 图4中的信号经过该发明中所述的方法进行载波恢复与补偿后，消除了收发载波的频差和相差，最终所得到的信号星座图如图5所示。

标题	发布/更新时间	阅读量
摄像装置、摄像系统、摄像方法	2022-08-14	0
电子设备	2020-06-19	2
液晶显示器及其扫描背光驱动方法	2022-07-28	2
一种时钟同步的方法及装置	2022-07-08	2
OFDM电力线通信系统窄带干扰的检测装置	2020-08-15	2
Radio relay apparatus and control method	2022-05-11	2
検出装置におけるデータ検出方法および検出装置	2022-05-19	2
矿井声发射实时自动监测仪	2022-12-01	1
IMAGE PROCESSING SYSTEM	2021-07-22	2
スペクトラム拡散信号受信装置および拡散符号の初期化方法	2020-12-16	2

一种高阶调制解调中载波恢复的方法

一种高阶调制解调中载波恢复的方法

技术领域

背景技术

发明内容

具体实施方式

该功能需要专业版企业版VIP权限，您可以：