基于高速铁路车地通信系统的调制解调的方法及系统与流程

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种高基于高速铁路车地通信系统的调制解调的方法及系统。

背景技术：

当前，基于相位数字调制的QPSK是最主流的调制方式，在各通信系统中得到广泛应用，它做到了传输效率与实现成本之间的最优平衡，因此，本通信系统方案中也采用该调制方式。但数字调制方式对通信链路的同步精度要求较高，较大的同步精度误差会带来解调门限的增加，甚至失同步，以致通信链路的终端。

锁相环结构和锁频环结构载波同步过程中常用的技术方案，锁相环在低动态时具有较高精度和较好的抗噪性能，但是在较大多普勒频偏条件下锁相环必须增加环路带宽才能对载频进行跟踪，而这也意味着更多噪声的进入，必然减低跟踪精度；而锁频环虽然直接跟踪载波频率,具有较好的动态性能,但是跟踪的精度不如锁相环。

载波同步跟踪技术可以分为纯载波跟踪环跟踪技术和外部辅助载波跟踪技术两大类。

纯环路载波跟踪技术主要通过设计、优化锁相环或锁频环实现方案，以提高系统载波频率捕获速度和减小载波同步误差，使得通信系统适应高动态环境下通信要求。如图1所示，在该结构中，通过不同的优化算法控制器模块对该方案进行改进，以适应不同的应用场景，或者不同的性能指标要求，如，利用最大似然估计(MLE：Maximum Likehood Estimate)方法、利用卡尔曼滤波、以及改进数字锁相环等算法对载波多普勒频率进行估计，提高信道参数估计的准确性。

外部辅助载波跟踪技术是一种借助外部辅助设备，如，GPS测量信息，提高系统载波同步跟踪性能。通过卫星导航或者惯性导航等通信终端状态信息，辅助通信接收端对载波频偏等信息进行估计，利用GPS的误差无积累效应，提高载波参数估计精度。如图2所示，在载波同步跟踪环中，引入外部GPS/惯导等信息 对载波信息进行辅助估计，根据其估计结果对数据振荡器进行修正，以提高接收端载波捕获与跟踪精度。

不同于普通的数字通信系统应用场景，高速铁路车地通信系统有着自己特有的特点，首先是“高动态性”，列车最高运行时速超过380Km/h，导致无线通信载波频率多普勒频偏达几十KHz，同时，列车运行过程中速度是动态变化的，其近站时，速度逐渐降低，最终停靠在站台，速度为零；列车启动时又逐渐加速，最终到达最高速度；列车正常运行期间，遇到转弯、天气突变等因素，会动态调整列车速度。因此，通信系统多普勒频移的大小也是一个动态变化的值，这就造成载波同步时载波捕获难度大，常规技术解决方案容易造成高铁通信过程中的载波捕获丢失。

传统纯环路载波跟踪技术一般通过优化信道参数估计算法、或者优化鉴频/相器、以及滤波器等关键模块，提升整个环路结构方案性能，一般存在算法计算量大、硬件需求较高等弊端，该技术方案的出发点一般基于寻求频带带宽与噪声强度之间的平衡，尤其是在高动态环境下，不能根本上解决宽带宽捕获范围与低噪声之间的矛盾。

而传统外部辅助载波跟踪技术方案尽管有这较好的效能提升效果，但系统复杂度较高，实现难度较大，尤其是在针对高铁通信中，列车对通信设备的稳定性、复杂性、大小重量等有着苛刻的要求，该方案并不能满足实际需要。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，本发明提供了一种基于高速铁路车地通信系统的调制解调的方法及系统，解决高铁车地通信过程中，高动态性对通信系统的影响，基于锁频环功能模块利用其宽带宽捕获优势，实现通信链路载波信号的快速捕获；然后通过锁相环功能模块实现载波信号的精确同步与跟踪，最终实现调制调解过程。

为了解决上述问题，本发明提出了一种基于高速铁路车地通信系统的调制解调的方法，包括如下步骤：

基于高速铁路车地通信系统的接收端进行中频载波信号捕获；

在完成中频载波信号捕获后，进入锁频环模块对信号进行第一次载波频偏估计；

判断第一次载波频偏估计误差值是否小于最大阈值上限，若判断第一次载波频偏估计误差值小于最大阈值上限，则实现通信链路的粗同步状态，并进入锁相环模块对信号进行第二次载波频偏估计；

判断第二次载波频偏估计误差值是否小于最小阈值下限，若判断第二次载波频偏估计误差值小于最小阈值下限，则通信链路进入细同步状态完成载波同步跟踪；

基于数字解调模块进行数字解调。

所述基于高速铁路车地通信系统的接收端进行中频载波信号捕获包括：

采用快速傅里叶变换FFT来进行载波多普勒频移的粗略估计，实现载波信号的提取，则将信号分成I路信号和Q路信号。

所述采用快速傅里叶变换FFT来进行载波多普勒频移的粗略估计包括：

将低通滤波器输出的信号进行4096点的快速傅里叶变换，然后把计算出的功率谱的峰值频率，选择为信号频偏的最佳估计。

所述方法还包括：

基于信号频偏的最佳估计调整数控振荡器NCO的频率。

所述方法还包括：

在判断第一次载波频偏估计误差值是否小于最大阈值上限过程中，对载波信号进行平滑处理；和/或

在判断第二次载波频偏估计误差值是否小于最小阈值下限过程中，对载波信号进行平滑处理。

相应的，本发明还提出了一种基于高速铁路车地通信系统的调制解调的系统，其特征在于，所述系统包括：

中频模块，用于基于高速铁路车地通信系统的接收端进行中频载波信号捕获；

锁频环模块，用于在在完成中频载波信号捕获后，对信号进行第一次载波频偏估计；在判断第一次载波频偏估计误差值小于最大阈值上限时，实现通信链路的粗同步状态；

阈值判决模块，用于判断第一次载波频偏估计误差值是否小于最大阈值上限，以及判断第二次载波频偏估计误差值是否小于最小阈值下限；

锁相环模块，用于在通信链路进入粗同步状态后，对信号进行第二次载波频偏估计；以及在判断第二次载波频偏估计误差值小于最小阈值下限时，通信链路进入细同步状态完成载波同步跟踪；

数字解调模块，用于对完成载波同步跟踪的载波信号进行数字解调。

所述中频模块采用快速傅里叶变换FFT来进行载波多普勒频移的粗略估计，实现载波信号的提取，则将信号分成I路信号和Q路信号。

所述中频模块将低通滤波器输出的信号进行4096点的快速傅里叶变换，然后把计算出的功率谱的峰值频率，选择为信号频偏的最佳估计。

所述系统还包括数控振荡器NCO，所述数控振荡器NCO用于基于信号频偏的最佳估计调整数控振荡器NCO的频率。

所述阈值判决模块还用于在判断第一次载波频偏估计误差值是否小于最大阈值上限过程中，对载波信号进行平滑处理；和/或

在判断第二次载波频偏估计误差值是否小于最小阈值下限过程中，对载波信号进行平滑处理。

在本发明实施例中采用锁频环和锁相环相结合的电路，通过锁频环路加快锁定时间，再应用锁相环路实现载波的锁定，整个调制调解结构简单、灵活，同时支持锁频环功能和锁相环功能，锁频环功能模块利用其宽带宽捕获优势，实现通信链路载波信号的快速捕获；然后通过锁相环功能模块实现载波信号的精确同步与跟踪，实现了高速铁路车地通信过程中的调制解调更简单和灵活。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是现有技术中的纯环路载波跟踪结构示意图；

图2是现有技术中的载波同步跟踪环结构示意图；

图3是本发明实施例中的基于高速跌路车地通信系统的调制解调中的FLL与PLL相结合载波同步跟踪的电路原理图；

图4是本发明实施例中的基于高速铁路车地通信系统的调制解调的系统结构示意图；

图5是本发明实施例中的锁频环滤波器结构图；

图6是本发明实施例中的环路滤波器采用三阶Jaffe-Rechtin滤波器结构示意图；

图7是本发明实施例中的同步精度示意图；

图8是本发明实施例中的基于高速铁路车地通信系统的调制解调的方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例中的基于高速铁路车地通信系统的调制解调的方法，其基于高速铁路车地通信系统的接收端进行中频载波信号捕获；在完成中频载波信号捕获后，进入锁频环模块对信号进行第一次载波频偏估计；判断第一次载波频偏估计误差值是否小于最大阈值上限，若判断第一次载波频偏估计误差值小于最大阈值上限，则实现通信链路的粗同步状态，并进入锁相环模块对信号进行第二次载波频偏估计；判断第二次载波频偏估计误差值是否小于最小阈值下限，若判断第二次载波频偏估计误差值小于最小阈值下限，则通信链路进入细同步状态完成载波同步跟踪；基于数字解调模块进行数字解调。

在高铁车地通信系统中，列车速度可高达380km/h以上，此时多普勒频移较大，本发明实施例中车地通信的调制方式采用数字QPSK调制。四相相移键控(Quadrature Phase Shift Keying，QPSK)作为数字键控的一个典型代表，由于具有较高的频谱利用率、较强的抗干扰性能及电路实现简单等优势，而广泛应用于无线通信中，成为了现代通信中重要的数字调制方式之一。

锁频环与锁相环是工程中普遍采用的两类载波跟踪方式，，锁相环的跟踪精度较高，但是只限于低动态环境且跟踪速度较慢。如要提高动态适应能力，需要增加环路带宽，而后果是将削弱其对噪声的滤除能力。锁频环本质上是一类自动频率调节控制环，直接对载波频率进行跟踪。锁频环的跟踪速度以及动态适应性要明显优于锁相环，但跟踪精度较差。本发明实施例中采用锁频环和锁相环相结合的电路，通过锁频环路加快锁定时间，再应用锁相环路实现载波的锁定。

在高速铁路运行过程中，多普勒频移不大于20kHz，而调制信号的码率高达40.96Mbps以上，因此可以选用锁相环路滤波器的带宽为100KHz左右，实现对 载波的跟踪，将锁相环输出信号与接收信号I、Q混频，可以实现对输入信号的解调。

具体的，图3示出了本发明实施例中的基于高速跌路车地通信系统的调制解调中的FLL与PLL相结合载波同步跟踪的电路原理图，具体包括：载波信号的获取，进行I/Q路信号的抽样处理，基于积分-滤波器进入到鉴频器进行锁频环处理，实现粗同步后，进行相位转换，在进行鉴相器进行锁相环处理，实现载波同步跟踪，完成数字解调处理。

具体的，图4示出了本发明实施例中的基于高速铁路车地通信系统的调制解调的系统结构示意图，该系统包括：

中频模块，用于基于高速铁路车地通信系统的接收端进行中频载波信号捕获。

具体实施过程中，该中频模块采用快速傅里叶变换FFT来进行载波多普勒频移的粗略估计，实现载波信号的提取，则将信号分成I路信号和Q路信号，中频模块将低通滤波器输出的信号进行4096点的快速傅里叶变换，然后把计算出的功率谱的峰值频率，选择为信号频偏的最佳估计。

具体实施过程中，中频信号的捕获通常采用快速傅里叶变换(FFT)来进行载波多普勒频移的粗略估计，实现载波频率的粗捕。首先要用FFT对载波的频偏进行捕获。FFT进行频率估计的方法，将低通滤波器输出的信号C(t)＝I(t)+j Q(t)，进行4096点的快速傅里叶变换，然后把计算出的功率谱的峰值频率，选择为信号频偏的最佳估计，用这个值可以实现NCO频率的调整。这种方法可以在输入信号的频率未知的情况下，估计出频差的值，且可以工作在信噪比很低的环境下。

锁频环模块，用于在在完成中频载波信号捕获后，对信号进行第一次载波频偏估计；在判断第一次载波频偏估计误差值小于最大阈值上限时，实现通信链路的粗同步状态。

本发明实施例中的锁频环滤波器采用二阶Jaffe-Rechtin滤波器，图5示出了本发明实施例中的锁频环滤波器结构图，该滤波器的传递函数为：H(s)＝(1.414*ωfn*s+ω²n)/s²，其中，ωfn为锁频环环路滤波器带宽，令s＝(2/T)*((1-z^-1)/(1+z^-1))，对上式进行线性变换可得，H(z)＝((1.414*ωfnT+ω²fnT²)+ω²fnT²z^-1/2+(ω²fnT²/4-1.414*ωfnT/2)z^-2)/(1-2z^-1+z^-2)。在本系统中，滤波器 带宽设置为ωfn＝100KHz，T＝1ms，输入信号为L波段信号，即950～1450MHz范围内有效载波信号。

锁相环模块，用于在通信链路进入粗同步状态后，对信号进行第二次载波频偏估计；以及在判断第二次载波频偏估计误差值小于最小阈值下限时，通信链路进入细同步状态完成载波同步跟踪。

具体实施过程中，当锁频环实现粗同步后，锁相环则开始工作，执行细同步过程，为最后的解调模块做准备。本方案锁相环模块采用反向正切鉴相器，即，Ψ_e＝atctan(Q_n/I_n)，环路滤波器采用三阶Jaffe-Rechtin滤波器，具体如图6中所示，该滤波器的传递函数为H(z)＝2.4ω_fn+1.1ω²_fn(T/2)((1+z^-1)/(1-z^-1))+ω ³_fn((T/2*((1+z^-1)/(1-z^-1))))，滤波器带宽设置为ωfn＝100KHz，T＝1ms，输入信号为L波段信号，即950～1450MHz范围内有效载波信号。

阈值判决模块，用于判断第一次载波频偏估计误差值是否小于最大阈值上限，以及判断第二次载波频偏估计误差值是否小于最小阈值下限。

具体实施过程中，阈值判决模块主要功能是判定当前各环路工作状态，以确定列车与地面站之间通信链路的同步状态，即粗载波同步与细载波同步之间的状态转变判定。当链路频偏值小于设定的最大阈值上限时，链路载波同步转变为粗同步；当链路频偏值小于设定的最小阈值下限时，链路状态即进入细载波同步状态。图7示出了本发明实施例中的同步精度示意图，阈值_上即最大阈值上限，阈值_下即最小阈值下限。

具体实施过程中，粗同步与细同步之间的差别在同步精度不一样，锁频环的优势是捕获频偏范围大，但是其同步精度较差，当锁频环工作时，无线链路载波同步属于粗同步；当无线链路实现粗同步后，锁相环电路模块将开始工作，最后实现整个链路的精度更高的载波同步，即细同步。当由于外部因素，如高速列车与地面基站成相对而行时，多普勒频偏过大，锁相环会失锁，系统将切换至锁频环工作状态。载波同步根据载波同步精度(误差大小)不同，分为粗同步和细同步，所谓的细载波同步或者细同步在本实施例中是指锁相环正常工作下链路载波同步状态，这也是链路能够正常数据传输的必要条件。

具体实施过程中，频偏误差值阈值大小的设定与接收机解调器性能有关，“阈 值_上”大小为链路能够实现载波粗同步的误差最大值，即如果计算出来的误差值比该值大，则无法实现粗同步，比该值小的时候，则链路实现载波粗同步。“阈值_下”表示无线链路处于粗同步状态时，其载波同步精度的一个值域范围，当无线链路载波同步误差小于“阈值_下”时，无线链路载波同步将进入细同步状态，也就是说链路的载波同步精度足够高。

数字解调模块，用于对完成载波同步跟踪的载波信号进行数字解调。

具体实施过程中，该系统还包括数控振荡器NCO，该数控振荡器NCO用于基于信号频偏的最佳估计调整数控振荡器NCO的频率，该NCO可详见图3中所示中。

具体实施过程中，该阈值判决模块还用于在判断第一次载波频偏估计误差值是否小于最大阈值上限过程中，对载波信号进行平滑处理；和/或在判断第二次载波频偏估计误差值是否小于最小阈值下限过程中，对载波信号进行平滑处理。

具体实施过程中，当无线链路载波同步误差足够小，进入细同步状态后，接收机解调模块能够准估计出接收载波信号的有效信息位，正确解调出数据，链路正常传输数据。链路载波同步误差是一个动态变化的值，而且该系统是一个反馈系统，载波同步误差值将变换成数字化误差值信号，反馈至数字控制振荡器，调整振荡器输出的本地端载波输出信号，以进一步减小载波同步误差值。更新NCO的具体内容实际上就是NCO通过动态输入的载波同步误差数字化反馈控制信息，动态调整NCO输出的载波信号。

相应的，图8示出了本发明实施例中的基于高速铁路车地通信系统的调制解调的方法流程图，包括如下步骤：

S801、基于高速铁路车地通信系统的接收端进行中频载波信号捕获；

接收端信号到达后，首先进行载波信号捕获，本系统利用FFT快速傅立叶变换实现载波载波信号的提取，如果提取成功，则将信号分成I路信号和Q路信号。将低通滤波器输出的信号进行4096点的快速傅里叶变换，然后把计算出的功率谱的峰值频率，选择为信号频偏的最佳估计。

具体实施过程中，中频信号的捕获通常采用快速傅里叶变换(FFT)来进行载波多普勒频移的粗略估计，实现载波频率的粗捕。首先要用FFT对载波的频偏进行捕获。FFT进行频率估计的方法，将低通滤波器输出的信号C(t)＝I(t)+j Q(t)， 进行4096点的快速傅里叶变换，然后把计算出的功率谱的峰值频率，选择为信号频偏的最佳估计，用这个值可以实现NCO频率的调整。这种方法可以在输入信号的频率未知的情况下，估计出频差的值，且可以工作在信噪比很低的环境下。

S802、在完成中频载波信号捕获后，进入锁频环模块对信号进行第一次载波频偏估计；

S803、判断第一次载波频偏估计误差值是否小于最大阈值上限，若小于则进入S804、否则继续S803；

中频载波信号成功接收到以后，由于该信号有较大范围的动态频偏，首先进入锁频环模块，对信号进行载波频偏估计，当频偏估计误差值小于最大阈值上限“阈值_上”时，则链路实现粗同步。

粗同步与细同步之间的差别在同步精度不一样，锁频环的优势是捕获频偏范围大，但是其同步精度较差，当锁频环工作时，无线链路载波同步属于粗同步；当无线链路实现粗同步后，锁相环电路模块将开始工作，最后实现整个链路的精度更高的载波同步，即细同步。当由于外部因素，如高速列车与地面基站成相对而行时，多普勒频偏过大，锁相环会失锁，系统将切换至锁频环工作状态。载波同步根据载波同步精度(误差大小)不同，分为粗同步和细同步，所谓的细载波同步或者细同步在本实施例中是指锁相环正常工作下链路载波同步状态，这也是链路能够正常数据传输的必要条件。

S804、若判断第一次载波频偏估计误差值小于最大阈值上限，则实现通信链路的粗同步状态；

S805、进入锁相环模块对信号进行第二次载波频偏估计；

S806、判断第二次载波频偏估计误差值是否小于最小阈值下限，若小于则进入S807、否则继续S806；

S807、若判断第二次载波频偏估计误差值小于最小阈值下限，则通信链路进入细同步状态完成载波同步跟踪；

频偏误差值阈值大小的设定与接收机解调器性能有关，“阈值_上”大小为链路能够实现载波粗同步的误差最大值，即如果计算出来的误差值比该值大，则无法实现粗同步，比该值小的时候，则链路实现载波粗同步。“阈值_下”表示无线 链路处于粗同步状态时，其载波同步精度的一个值域范围，当无线链路载波同步误差小于“阈值_下”时，无线链路载波同步将进入细同步状态，也就是说链路的载波同步精度足够高

S808、基于数字解调模块进行数字解调。

具体实施过程中，

基于信号频偏的最佳估计调整数控振荡器NCO的频率。

当无线链路载波同步误差足够小，进入细同步状态后，接收机解调模块能够准估计出接收载波信号的有效信息位，正确解调出数据，链路正常传输数据。链路载波同步误差是一个动态变化的值，而且该系统是一个反馈系统，载波同步误差值将变换成数字化误差值信号，反馈至数字控制振荡器，调整振荡器输出的本地端载波输出信号，以进一步减小载波同步误差值。

为了保持系统的稳定性，锁相环和锁频环模块输出多个判定信号，并对这些信号进行平滑操作后才进行判别，以防干扰性坏值的出现影响整个系统的稳定性。具体在判断第一次载波频偏估计误差值是否小于最大阈值上限过程中，对载波信号进行平滑处理；和/或在判断第二次载波频偏估计误差值是否小于最小阈值下限过程中，对载波信号进行平滑处理。整个同步过程分为两个状态，即，粗同步与细同步，两个状态的切换依靠的是阈值判断，为了防止乒乓效应的出现，不能够按照每个时间的输入值进行判断，而是要将多个连续的点输入后，在进行做平滑处理(如加权平均等方法)后进行判别。该步骤属于阈值判别的一部分，其通过阈值判决模块来实现。

综上，在本发明实施例中采用锁频环和锁相环相结合的电路，通过锁频环路加快锁定时间，再应用锁相环路实现载波的锁定，整个调制调解结构简单、灵活，同时支持锁频环功能和锁相环功能，锁频环功能模块利用其宽带宽捕获优势，实现通信链路载波信号的快速捕获；然后通过锁相环功能模块实现载波信号的精确同步与跟踪，实现了高速铁路车地通信过程中的调制解调更简单和灵活。

本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器(ROM，Read Only Memory)、随机存取 存储器(RAM，Random Access Memory)、磁盘或光盘等。

另外，以上对本发明实施例所提供的基于高速铁路车地通信系统的调制解调的方法及系统进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。