高速通信中的載波相位跟蹤

引言

采用擴(kuò)頻體制的通信系統(tǒng)具有較高的抗干擾能力，但由于擴(kuò)頻通信體制通信速率相對(duì)較低，無法滿足一些高速通信的需要，如高清圖像的無線傳輸，因此只有通過解調(diào)基帶碼流才能獲取較高的信道速率，從而滿足此類場(chǎng)合的無線數(shù)據(jù)傳輸需求。而實(shí)現(xiàn)高速基帶解調(diào)的其中一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)就是載波相位跟蹤。為此，本文對(duì)高速通信中的載波相位跟蹤技術(shù)進(jìn)行了研究。

1載波相位跟蹤理論分析

1.1載波相位誤差對(duì)信息解調(diào)的影響

對(duì)于以相位鍵控方式調(diào)制的中頻信號(hào)，接收方通常在中頻采樣后采用正交下變頻的方式將輸入的中頻采樣信號(hào)分解為兩路正交的基帶碼流/路和a路。以BPSK信號(hào)為例，中頻采樣數(shù)據(jù)流在采樣時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)下同本地正交的兩個(gè)NCO相乘產(chǎn)生/(同相路)、a(正交路)基帶碼流，這兩組碼流包含了信息調(diào)制方的二進(jìn)制相位信息。接收方通過位同步可將/或a中包含的相位信息提取，得到原始調(diào)制數(shù)據(jù)。前提條件是在信息的提取前和提取過程中必須使本地的振蕩器(NCO)同輸出中頻信號(hào)之間的相位誤差控制在可接受的范圍內(nèi)，這既所謂載波相位跟蹤。中頻輸入信號(hào)同本地NCO之間的相位誤差會(huì)對(duì)信息解調(diào)造成的影響，應(yīng)定量對(duì)其做出理論分析。

以載頻為100MHz、碼速率為10Mb/s的BPSK調(diào)制信號(hào)為例，調(diào)制方將輸入的二進(jìn)制碼流轉(zhuǎn)換成載波相位的變化量，假定相位為0代表信息1,相位為，代表信息0(-1)。其表達(dá)式為：

該信號(hào)同接收方的兩個(gè)正交本振信號(hào)混頻得到下式：同相路：

正交路：

上式信號(hào)經(jīng)低通濾波后，將混頻后產(chǎn)生的2倍載頻高頻信號(hào)濾除得到：

由上式可知在無相位差的理想情況下，通過/路信號(hào)的符號(hào)和幅度解調(diào)輸入信號(hào)所代表的信息。但實(shí)際信號(hào)的輸入中頻信號(hào)同本地振蕩器之間存在相位誤差A(yù)0則上式變化為：

由上式可知，如果本地NCO的相位同輸入信號(hào)相位誤差A(yù)?為n，則載波相位所攜帶的相位信息被反相，相應(yīng)其攜帶的信息符號(hào)反轉(zhuǎn),符號(hào)為“+”的碼元反轉(zhuǎn)成而符號(hào)為“-”的碼元反轉(zhuǎn)成"+”，其結(jié)果是全部信息誤碼。同樣叫會(huì)給基帶信號(hào)的幅度造成一定的影響。通過計(jì)算得到表1所列數(shù)據(jù)。

由表1可知，當(dāng)A?=n/4時(shí)，基帶信號(hào)幅度同無相位誤差時(shí)的信號(hào)幅度相比下降了3dB，嚴(yán)重影響信號(hào)的解調(diào)，導(dǎo)致接收靈敏度下降。當(dāng)A?=n/2時(shí)，信號(hào)幅度為0,無法提取符號(hào)信息。當(dāng)A?>n/2時(shí),信息符號(hào)反向，解調(diào)信息全部為誤碼。由此可見，要正確解調(diào)信息，并且使基帶解調(diào)信號(hào)的幅度誤差控制在1dB內(nèi)，必須在解調(diào)信息的過程中使本地NCO的相位同輸入信號(hào)相位誤差小于n用。

1.2載波相位修正的基本思路

通過1.1節(jié)的分析可知，要從基帶碼流中以較高質(zhì)量解調(diào)出源碼信息，必須在有效信號(hào)到達(dá)之前將信號(hào)的相位誤差控制在n/8內(nèi)，同時(shí)在信息的解調(diào)過程中實(shí)時(shí)跟蹤載波相位,并通過反饋機(jī)制控制相位誤差始終不超過n用。要實(shí)現(xiàn)這樣的載波相位修正功能，首先要通過足夠長(zhǎng)的測(cè)試信號(hào)在有效信息到達(dá)之前檢測(cè)出相位誤差并逐步調(diào)整，直至相位一致（假定相位誤差為可能最大值n）當(dāng)攜帶有效信息的信號(hào)到達(dá)時(shí)，通過插入信號(hào)時(shí)序的測(cè)試信號(hào)以一定的周期提取載波相位符號(hào),以確定當(dāng)前相位誤差值，并通過反饋機(jī)制在小范圍內(nèi)調(diào)整本地振蕩器的相位。

發(fā)射方和接收方在沒有頻率差的理想信道下，其初始相位誤差可以通過測(cè)試信號(hào)I、Q的符號(hào)在短時(shí)間內(nèi)迅速得到修正。但實(shí)際情況是，發(fā)射方同接收方不僅存在初始相位誤差，同時(shí)也存在頻率差。若發(fā)射方同接收方存在相對(duì)速度時(shí)，還會(huì)因多普勒頻移加大雙方的頻率誤差范圍。頻率的誤差同樣會(huì)導(dǎo)致相位誤差，當(dāng)頻率誤差造成的相位累計(jì)差高于信息碼元速率時(shí)，信息的解調(diào)將無法完成。因此，收發(fā)雙方的頻率誤差必須控制在一定的范圍內(nèi)。一個(gè)原則是產(chǎn)生中頻調(diào)制信號(hào)的時(shí)鐘源的頻率穩(wěn)定度和頻率準(zhǔn)確度盡可能高，這樣就可以在一定程度上保證收發(fā)雙方的載波頻率差降到最低限度。對(duì)于多普勒頻移造成的頻率差，在不同相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度的平臺(tái)下和不同射頻載波頻率下情況不同，在此本文不作論述。

2載波相位跟蹤實(shí)現(xiàn)途徑

2.1載波相位的信息提取

載波相位信息的提取是實(shí)現(xiàn)載波相位跟蹤的第一步。發(fā)射方在發(fā)送有效信息之前，首先發(fā)送的是測(cè)試信號(hào)。測(cè)試信號(hào)由若干個(gè)擴(kuò)頻字符組成，接收方在收到測(cè)試信號(hào)后，通過正交下變頻將輸出信號(hào)分解成I/Q兩路基帶信號(hào)的示意圖如圖1所示。

圖1     兩路基帶信號(hào)

I/Q兩路基帶碼流經(jīng)過低通濾波和數(shù)據(jù)相關(guān)運(yùn)算后產(chǎn)生I/Q兩路有符號(hào)相關(guān)峰，接收信號(hào)同本地振蕩器的相位誤差就包含在相關(guān)峰的符號(hào)和I/Q兩路信號(hào)的幅度比值內(nèi)，圖2所示是兩路信號(hào)的幅度比值曲線圖。

圖2     兩路信號(hào)的幅度比值

在以基帶信號(hào)相關(guān)峰符號(hào)構(gòu)建的坐標(biāo)系內(nèi)，當(dāng)I,Q信號(hào)的符號(hào)同為正時(shí)，表示相位誤差在n/2以內(nèi)；負(fù)Q正表示相位誤差在n/2到p之間；I,Q均為負(fù)表示相位誤差在n到-n/2之間;I正Q負(fù)表示相位誤差在0至0-n/2之間。

通過I,Q兩路相關(guān)峰符號(hào)可以將當(dāng)前相位誤差定位到n/2之內(nèi)，這樣的相位誤差估算精度遠(yuǎn)達(dá)不到n/8的基本要求,需要通過I/Q兩路信號(hào)的幅度計(jì)算n/8以內(nèi)相位誤差。如下公式：

由上式可知：當(dāng)Q為0而I為最大值時(shí)，B，即輸入信號(hào)同本振信號(hào)的相位誤差為零。當(dāng)|Q|/|I=0.414時(shí)，A0=n/8,即輸入信號(hào)同本振信號(hào)的相位誤差為n/8。因此，根據(jù)公式計(jì)算可以得到叫的準(zhǔn)確值。

通過相關(guān)峰符號(hào)象限的確定和A0的準(zhǔn)確值的計(jì)算可以確定當(dāng)前輸入信號(hào)同本振之間的相位誤差。在確定了上述兩個(gè)重要參數(shù)后，接下來就是如何調(diào)整本振信號(hào)的相位，以使其同輸入信號(hào)的相位誤差控制在n/8之內(nèi)。

2.2本地振蕩器相位修正

通過1.1節(jié)中的分析可以得出相位修正的方法。第一步,首先判斷I路的符號(hào)，若I的符號(hào)為負(fù)，說明輸入信號(hào)和本振的相位誤差大于n在第二或第三象限內(nèi)，應(yīng)調(diào)整本地振蕩器的相位翻轉(zhuǎn)n，L（p的范圍被調(diào)整到［-n/2,n/2］之間。調(diào)整之后第二次可以檢測(cè)到I路相關(guān)峰符號(hào)反向?yàn)檎?。與此同時(shí)檢測(cè)Q路相關(guān)峰的符號(hào)，若符號(hào)為正說明Ap處在第一象限內(nèi)，應(yīng)將本振信號(hào)的相位滯后n/8。調(diào)整之后再次檢測(cè)Q路相關(guān)峰符號(hào)，若符號(hào)仍然為正，再次將本振信號(hào)的相位滯后n/8。依次類推，直到檢測(cè)到的相關(guān)峰符號(hào)為負(fù)。同樣檢測(cè)Q路相關(guān)峰的符號(hào)，若符號(hào)為負(fù)說明Ap處在第二象限內(nèi)，應(yīng)將本振信號(hào)的相位提前n/8。調(diào)整之后再次檢測(cè)Q路相關(guān)峰符號(hào)，若符號(hào)仍然為負(fù)，再次將本振信號(hào)的相位提前n/8。依次類推，直到檢測(cè)到的相關(guān)峰符號(hào)為正。通過上述的本振信號(hào)的相位調(diào)整，最終使Ap控制在n/8之內(nèi)。

2.3基本信號(hào)格式設(shè)計(jì)

首先為實(shí)現(xiàn)載波相位的跟蹤，發(fā)射信號(hào)需要在發(fā)送有效信息之前發(fā)送一定數(shù)據(jù)的測(cè)試信號(hào)，這些測(cè)試信號(hào)是一序列擴(kuò)頻字符，每個(gè)擴(kuò)頻字符可以將相位誤差調(diào)整n/8（根據(jù)相關(guān)峰符號(hào)可以調(diào)整n）。因此，要使相位誤差從最大可能的誤差基本歸零（-n/2），至少需要5個(gè)以上的測(cè)試信號(hào)對(duì)載波相位誤差進(jìn)行調(diào)整。但考慮到實(shí)際信道的不可靠性，測(cè)試信號(hào)應(yīng)當(dāng)在20個(gè)以上，是理論值的4倍。設(shè)計(jì)時(shí)可以根據(jù)具體需要將修正精度調(diào)整到n/16甚至n/32，當(dāng)然，實(shí)現(xiàn)更高精度的載波相位跟蹤，需要更多的測(cè)試信號(hào)。

有效信息之間也必須根據(jù)需要插入一定數(shù)量的測(cè)試信號(hào),以使收發(fā)雙方存在頻率差的情況下，可以通過插入有效信息之間的測(cè)試信號(hào)將頻率差弓起的相位差得到實(shí)時(shí)修正。表2為可實(shí)現(xiàn)載波跟蹤的基本信號(hào)格式。

3載波相位跟蹤電路設(shè)計(jì)

3.1相位可跳變NCO

相位可跳變NCO（數(shù)控振蕩器）是載波相位跟蹤電路的一個(gè)基本組成，通過輸入誤差值可以使NCO的輸出相位按一定的分辨率進(jìn)行調(diào)整。相位可跳變NCO電路組成分為兩個(gè)部分。第一部分為正弦、余弦查找表。此表由高速RAM構(gòu)成,表內(nèi)存儲(chǔ)了若干個(gè)單元的正弦、余弦信號(hào)幅值數(shù)據(jù)，每個(gè)幅值都對(duì)應(yīng)一個(gè)正弦、余弦信號(hào)的相位。通過控制RAM的輸入地址可以使NCO輸出不同離散的幅相信號(hào)。

通常情況下NCO的輸出幅相是連續(xù)變化的，但為了實(shí)現(xiàn)載波相位跟蹤，NCO必須是可跳變的。要實(shí)現(xiàn)這樣的功能,必須設(shè)計(jì)一套控制機(jī)制使NCO查找表的輸入地址實(shí)時(shí)跳變。這就是相位可跳變NCO電路的第二個(gè)組成部分，相位誤差檢測(cè)調(diào)整器。相位誤差檢測(cè)調(diào)整器的基本工作原理參見2.1節(jié)內(nèi)容。該邏輯電路可以通過輸入的基帶I/Q相關(guān)峰的符號(hào)檢測(cè)出本地NCO同輸入信號(hào)之間的相位誤差，并通過本地NCO與當(dāng)前相位同誤差值進(jìn)行加減運(yùn)算得到修正后的NCO相位值,最終以RAM地址的信號(hào)格式輸出，控制RAM跳變到修正后的相位上。

相位可跳變NCO的原理框圖如圖3所示。

相位修正地址

圖3     相位可跳變NCO的原理圖

3.2正交相關(guān)峰符號(hào)提取

I/Q兩路相關(guān)峰符號(hào)由若干位的補(bǔ)碼數(shù)據(jù)組成，無論相關(guān)器輸出的位數(shù)有多大，其最高位必定是有效符號(hào)位。直接通過提取I/Q兩路相關(guān)峰的最高位即可獲得其符號(hào)信息。

4結(jié)語

在碼速率為10Mb/s、載頻為100MHz的通信系統(tǒng)中，該載波相位跟蹤算法得到了驗(yàn)證并達(dá)到了工程應(yīng)用的要求。以該算法為基礎(chǔ)構(gòu)建的數(shù)字中頻通信信號(hào)處理邏輯電路實(shí)現(xiàn)了高速圖像的實(shí)時(shí)無線信道收發(fā)。

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