一种基于二级环路滤波的高阶QAM信号解调载波同步设计方法与流程

本发明涉及信号处理领域，具体涉及一种基于二级环路滤波的高阶qam信号解调载波同步设计方法。

背景技术：

1、本节中的陈述仅提供与本公开相关的背景信息，并且可能不构成现有技术。

2、从20世纪中叶起，通信技术日益发展，现代通信技术克服了时间和空间的局限性，使得人们随时随地获取和交流信息成为了可能。这其中，数字通信由于其抗干扰能力强、易于调制、保密性高以及便于和计算机相结合的优势，在如今的通信系统中得到了广泛的使用。典型的数字通信接收系统信号处理过程包括：多址接入、频率解扩、信号采样、数字解调、信道译码、解密、信源译码，数字解调器作为数字接收系统最基本和核心的部分，相当于整个接收系统的“大脑”，它对受到信道恶化的发送波形进行处理，将其还原成一个数字序列。高阶正交振幅调制(quadrature amplitude modulation，qam)，以其较高的频带利用率和较好的功率利用率，广泛应用于超短波通信和卫星通信中。在实际应用场景下，发送系统和接收系统往往存在一定程度的时间和频率的误差，伴随着电磁环境的变化，信号在信道传输过程中还可能存在多普勒频移等载频的变化。因此，对qam信号解调时，载波同步是信息正确传输的关键，其性能直接决定了通信的质量，几乎在所有通信系统中都要解决同步问题，稳定准确的同步对高阶qam信号解调至关重要。

3、常规的载波同步处理模块包括：载波补偿器、数字鉴频器、数字环路滤波、数控振荡器和锁定检测器等。载波同步处理模块有两种基本的工作状态：捕获状态和同步状态。评价捕获过程的性能有两个主要性能指标：一个是数字环路的捕获带，即载波同步模块能通过捕获过程而进入同步状态的最大固有频差，若输入信号的频差大于同步模块的固有频差，同步模块则不能进入同步状态；另一个是捕获时间，它是载波同步由起始时刻到进入同步状态的时刻之间的时间间隔。捕获过程的性能优劣主要取决于数字环路滤波的参数设置，即环路带宽的确定。通常情况下，环路带宽越小，则载波同步锁定时要求的信噪比越低，即同步模块更容易在恶劣的条件下锁定，且锁定后的稳态相差越小，捕获时间也越长；环路带宽越大，同步模块的捕获带宽越宽，捕获就越迅速，但相应的抗噪能力和稳定性会越差。在实际应用中，面对越来越复杂多变的电磁环境，常规的载波同步处理方法已难以满足多变的用户需求。

4、如何兼顾稳态相差及捕获带宽是保证信号解调载波同步性能的关键。在常规方法中，数字环路滤波参数决定了解调载波同步的性能，但适应各类情况下的通用参数很难确定。二级数字环路滤波设计不去试图寻找兼顾稳态相差及捕获带宽的平衡点参数，而是通过设计不同的环路参数分别单独考虑稳态相差和捕获带宽两项关键性能指标：第一级数字环路滤波只考虑捕获带宽，将频率初步锁定在一定范围内，此时允许解调星座图仍存在残留的小频偏和相偏；第二级数字环路滤波则考虑稳态相差，利用较小的环路带宽跟踪残留的频偏和相偏，同时得到较好的抗噪能力。

技术实现思路

1、本发明的目的在于：针对现有技术中存在的问题，提供了一种基于二级环路滤波的高阶qam信号解调载波同步设计方法，兼顾载波同步的稳态相差及捕获带宽，覆盖多种应用场景，提供良好解调性能。

2、本发明的技术方案如下：

3、一种基于二级环路滤波的高阶qam信号解调载波同步设计方法，包括：

4、步骤s1：对高阶qam复信号进行环路带宽较大的初步频偏捕获，产生载波补偿信号，输出补偿后的高阶qam复信号，并对环路一进行锁定检测；

5、步骤s2：待步骤s1中锁定检测标识有效后，再对补偿后的高阶qam复信号进行环路带宽较小的二次同步跟踪，产生相位补偿信号，输出二次补偿后的高阶qam复信号，并对环路二进行锁定检测；

6、步骤s3：当环路一和环路二的锁定检测标识均有效后，二次补偿后的高阶qam复信号即为载波同步完成后的信号。

7、进一步地，所述环路一，包括：载波补偿器、数字鉴频器、数控振荡器、一级数字环路滤波器、频率锁定检测器；

8、所述环路二，包括：载波补偿器、数字鉴相器、数控振荡器、二级数字环路滤波器、相位锁定检测器。

9、进一步地，所述步骤s1，包括：

10、步骤s11：通过数字鉴频器对高阶qam复信号s1(n)进行数字鉴频处理，得到频率误差ψa(n)；

11、步骤s12：将频率误差ψa(n)送入一级数字环路滤波器，输出频率误差控制字ωa(n)；同时，频率锁定检测器开始对一级数字环路滤波器进行锁定检测；

12、步骤s13：将频率误差控制字ωa(n)送入数控振荡器，产生一级载波补偿信号并进入载波补偿器对高阶qam复信号s1(n)进行补偿，输出补偿后的高阶qam复信号s2(n)。

13、进一步地，所述步骤s2，包括：

14、步骤s21：通过数字鉴频器对补偿后的高阶qam复信号s2(n)进行数字鉴频处理，得到相位误差ψb(n)；

15、步骤s22：将相位误差ψb(n)送入二级数字环路滤波器，输出相位误差控制字ωb(n)；同时，相位锁定检测器开始对二级数字环路滤波器进行锁定检测；

16、步骤s23：将相位误差控制字ωb(n)送入数控振荡器，产生二级载波补偿信号并进入载波补偿器对补偿后的高阶qam复信号s2(n)进行补偿，输出二次补偿后的高阶qam复信号s3(n)。

17、进一步地，所述频率误差控制字ωa(n)表示为：

18、ωa(n)＝ωa(n-1)+ca1(ψa(n)-ψa(n-1))+ca2ψa(n)

19、其中，ca1、ca2分别为一级数字环路滤波器的环路参数，ω1n为环路带宽，ξ为阻尼系数，t为采样周期。

20、进一步地，所述相位误差控制字ωb(n)表示为：

21、ωb(n)＝ωb(n-1)+cb1(ψb(n)-ψb(n-1))+cb2ψb(n)

22、其中，cb1、cb2分别为二级数字环路滤波器的环路参数，ω2n为环路带宽，ξ为阻尼系数，t为采样周期。

23、进一步地，所述数字鉴频器采用极性判决相位检测算法。

24、进一步地，环路的输入信号为经过下变频、重采样、匹配滤波以及位同步之后的i、q信号。

25、进一步地，环路的输出信号为载波锁定的输出信号，即调制信号的星座图。

26、进一步地，环路适用的调制样式为4qam、8qam、16qam、32qam、64qam、128qam、256qam、512qam、1024qam。

27、与现有的技术相比本发明的有益效果是：

28、1、本发明通过设计二级数字环路滤波，对高阶qam信号解调中载波同步进行优化处理，第一级数字环路滤波对信号较大的载波频偏快速捕获，将频率初步锁定在一定范围内，此时允许解调星座图仍存在残留的小频偏和相偏；第二级数字环路滤波则考虑稳态相差，利用较小的环路带宽跟踪残留的频偏和相偏，同时得到较好的抗噪能力，有效兼顾载波同步的稳态相差及捕获带宽，提供良好解调性能。

29、2、本发明具有对载波同步捕获范围大，同步精度高，抗噪能力强的特点，适配性和通用性良好。