（信息与通信工程专业论文）高动态环境下载波同步模块的数字化实现及算法研究.pdf

国防科学技术人学研究生院工学硕上学位论文 摘要 载波i 叫步是无线通信系统中的荧键环节。 针对某遥测遥控全数字接收机的研制对相干载波同步r 1 1 的锁相环、锁频环、 d p l ，l 、本地n c o 等进行了详细的分析和优化设计，在f p g a 上实现了高动态全 数d s q p s k 接收机中的载波同步模块，解决了大范围和动态多普勒频移下接收 机的相二f 载波提取与跟踪问题。 为更好地解决高动态环境中的载波同步问题，本文进一步研究了存在动态多 普勒频移情况下的开环相干载波同步问题，包括基于扩展卡尔曼滤波、最小二乘 算法等的频羞、相差联合估计方法。从工程实用化的角度出发，给出了一种新的 r l s 联合估计算法，该算法在速度和运算精度上均比上述算法有所改进。 主题词：载波同步c o s t a s 环环路滤波器开环估计r l s 算法多普勒频 移 第1 页 网防科学技术人学研究生院工学硕i 学位论文 a b s t r a c t c a r r i c r 行e q u e n c yc s t i m a t i o n l sas i g n 哟c a n tp r o b l e mi nw l r e 【豁sc o m m u n i c a 哟n b a s e do nt h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no fa na l l d 蟾i tr e c e i v e rf 打r e m o t cs e n s i n ga n d r e m o t ec o n t r o l ，ac o s t a sl o o pw i t hf l l ( 丘朝u e n c y 1 0 c k e dl o o p ) i si n t m d u c e di nt h i s p a p e rt h ep r i n c i p l ea n ds t r u c t u r eo fp l l ( p h a s e - l o c k e dl o o p ) ，i n c l u d i n gf l la n dl o o p f j i i e r ，a r ea m l y z e da n dd e s c 抽e d t h em o d u l eo fc a r r i e rs y n c h r o n i z a t i c mi nt h ea l l d 远“ d s q p s kr c c e i v e rw a sc a r r i e do u ti nt h ef p g ac h i p t h ep m b l 哪a b o u tt h ec s t i r n a t i o n a n dt r a c ko ft h ec o r r e l a t i v ec 枷e r 自e q u e n c yu n d c rh i g hd y n a r n i cc i r c u m s t a n c e s 、v a s r e s o l v e dv c r yw e l l s e v e r a lc a r r i e rn 铷u e n c ye s t 蛔a 矗o na 1 9 0 r i i 量l i i l si n c l u d i n ge k f 卸dr l sw i m o p e n e di o o pa r ea n a l y z e d ，w h i c ha i mt os e n l et h ec a r r i e rp h a s ee s t i m a t i o np m b l e m p r e f e r a b l yu n d e rh i 曲d y n a l t i i cc i r c u i n s t a n c 髂a ni m p m v e dp h a s ea n df k q u e n c ye s t i m a t i o na l g o r i t h mi sp r o p o s e di nt 1 1 ep a p e r s 汹l a t i o nr e s u l t ss h o wd l a tt h ea l g o r i m mj s f a s t e ra n dm o r ep r e c i s i o nt h a no t h e ra l g o r i t h l m k e yw o r d s ：c a m e rf r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o nc o s _ t a si o o pl o o pf i n 针 e s t 计n a t i o nw t ho p e n e dl o o pr l sa i g o r i t h m d o p p l e rf r e q u e n c yo f f s e t 第1 i 页 i q 防科学技术人学研究生院_ 学硕上学位论文 图目录 图i 1 中频数字接收机的总体实现结构图。3 雕2 1 由佶值理论推导出豹载波 露镱跟踪环的结掏9 剿2 2 判决一反馈环的载波抑制跟踪环的结构9 翔2 3d s q p s l ( 孛频正交调潮结构图 图2 4d s q p s k 中频解调结构图 瀚2 5 载波褶位蹑踪的骧理圈一 刚2 6 龄频器结构图1 3 翻2 7 数字环路滤波器方框黼1 4 刚2 8n c o 的功能结构图1 6 图3 1c o s 妞s 环路结构框图1 9 豳3 2 蹦周模式( m = 1 ) 矢量旋转轨迹2 0 刚3 3 线性模式( m = o ) 矢量旋转轨迹2 0 恻3 。4 双莹线模式汹= 一1 ) 矢撬旋转轨述+ 2 0 圈3 5 一次c o r d i c 迭代的基奉实现结构( 注：a = 2 1 “) 2 2 翻3 6 具有a c 强n 功能的撑核结构一2 4 图3 7 利用c o r d i c 算法实现求a c t a n 的电路示意图2 5 闲3 8 攀稠电路仿真翊 阁3 9 锁频环的电路结构2 6 网3 1 0 二阶数字环路滤波器的结构框图。2 7 图3 1 l 线性化数字环路滤波器模型2 8 阁3 1 2 环路滤波器的电路结构。3 0 图3 1 3 锁耜环路的环路滤波器的时序仿真图，3 0 黼3 1 4 锁频环路的环路滤波器的时序仿真幽3 1 划3 1 5 鉴频鉴相环臻分辩工终示意幽一3 2 圈3 1 6n c o 的设计原坪图3 3 阔3 1 7 中频模块搏艉测试框图。3 5 阁3 1 8 烂机性能测试框图。3 6 闲4 1l o o h z 撅差卜相位昭实明估计4 0 j 到4 2 确：翱差变化情况。卜- 相位的实时估计4 0 淄4 3 仃稿：连续多辨鞠频移情况卜的频率实时跟踪4 l 阁4 ，4 采用r l s 算法的信号流程圈4 3 f 司4 5 存在多蒋勒频移情况下的相麓实时估计4 5 1 丽贾 困防科学技术人学研究生院工学硕上学位论文 图4 6r l s 算法和e k f 算法估计相差精度比较4 5 h4 7r l s 算法结构图4 6 第i v 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目：直塾查巫境王戴退回生搓基数熬主垡塞巍霾簋洼盈究 学位论文作者签名：奎尘堕日期：j 阿年，月t j 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借闻；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目：壶型查至缠王夔这回生搓缝煎熬主毡塞塑丞差洼煎究 学位论文作者签名：盎! ：煎日期：姗f 年j ，月j ，日 作者指导教师签名：璺i 三日期：耐年_ 月塔日 h 防种技术人学研究生院工学硕上学位论文 第一章绪论 同步是通信系统中一个最要的芙键问题。在通信系统中，同步具有相当煎要 的地位。逶焦系统戆甭有效遣、可靠地工露，艰大程度上依毅予宥无良好豹弑步 系统。通信系统中的同步又可分为载波同步、位同步、帧同步、网同步几大类。 为实现专 ll 接收，接收端需要产生一个本遗褥j f 载波，其频率和相位必须与 接收佑u 的频率和| = h 位严格保持一致。这个过程即称为载波同步。载波同步一般 有两类方法：粪是插入导频法。郄在发送调制傣号时，在适当的频率位置上插 入个( 成多个) 被称作导频的正弦波，接收端就可以根据导频提取出载波。当 已调制信号本穿存在载波分罱时，也可以直接用锁相环来捕获并跟踪该载波：另 1 类足自同步或腹接法。在抑制载波的调制h 不能用锁相环或窄带滤波器宜接 从调制信号t ir 提取参考糊位载波。因此，首先必须对调制信号进行某种非线性处 删，消除相位调铡信息来恢复含有参考相位信息的分量，然麝加以提纯，产生相 i 检测所必须的参考相椒载波，从而文现载波同步，这就是自同步法的基本恩想。 1 1 载波陌步技术的发展 随着卫星通信技术、遥测技术、g p s 技术以及移动通信技术的飞速发展，人 们对无线通信技术中载波同步闯题的研究越来越重视。由于通信环境的复杂度越 来越大，通信载体的高速运动导致的多径干扰和多普勒频移对无线移动通信的影 晌越来越挝著。新的通信技术，如自适应天线的使用，也焘要对传统的载波同步 技术进行改进。传统的载波同步技术越来越不适应当前技术发展的要求。根据发 艇的需要，入们提出越来越多的针对馒豹技术改进和突破。 传统的载波恢复过程主要考虑的是相差，随着g p s 、移动通信，卫星通信等技 术豹发震，在载波剐步方两，也进行了改变，院魏文献【l 】申，在载波跟踪环路就 增加了鉴频环路。弭比如说，传统的闭环锁相技术在高动态环境下已经开始被开 环估计载波误差技术替代。在文献【2 】中，作者对各种开环载频频差估计方法进行 丁介绍。文献【3 】中，作者对g p s 系统的载波估计系统作了详细的分析，提出了数 据相位信息与载频估计同时进行的方法。由于对载频的估计采用e k f ( e x t e n d e d k a l m a nf i l t c r ) 算法开环估汁，这样口j 以直接将估计的相差频差对本地载波n c o 进 i 修j 1 ：。】j 筇法充分母虑了彩普勒频移以及多普勒频移的变化，加之e k f 算法 的i 适斑性，能够隆常精确的供计出频差及其变化。在【4 】中，作者提出利用囊适 应滤波加平滑技术埘载波相位相差和频差进行分析。可以获得很好的效果。 辇l 页 围骆辩学技术火学研究生院工学硕_ _ - 学位论文 1 2 课题背景 本文的深趱背景是菜直扩序列遥测遥控系统的研制，该系统需要_ 丁作在商动 奄珂：境f 完成3 2 k b p s 视频数据的发射和接收任务，采用d s q p s k 调制方式，对 高动念环境卜的中频数宁解调其有眈较巅的要求。 1 2 + l 设备缀成 系统j ! 要出台扩频发射机和叁扩频接收极组成。 扩频发射机用于产生p c m - c d m a q p s k 扩频遥测信号，工作于s 波段，射频 频率不变。二 二耍由伪籀桃玛、扩频q p s k 调制、赛于频等三部分组成。基带数据流 的速率为3 2 k b p s ，用来模拟产生遥损遥控信号。扩频序列采用g o l d 序列，码长1 0 2 3 他，系统扩展眈为1 0 2 3 。采用d s q p s k 体制：射频部分产生频率为1 5 g h 2 的射 绷侪弓，发射功率为1 0 w 。 扩频接收机用于接收天线输出的s 频段无线信号，完成对扩频遥测信号的解 扩解调。 ：要包括接收天线输出的高频无线信号，完成射频的频谱搬移、高动态 a g c 、t t 数车c 3 ；拟铱譬的魂接采样，实现高速数宁下燮频、完全并行快速玛捕获、 i 梵波蚓步笆功能，经螂扩、解调后输出遥测帧数据流。 l ，2 2 主要技术指标要求 1 z 三射税 射频频率：1 5 g h z ； g o l d 序列长度( 扩展比) ：1 0 2 3 位： 遥测信号速率：3 2 蚰： 调f | ；i | 方式为：d s q p s k ： t 扣撅载波频率；8 嘲h z ； 发射功率：l o w ； 杂波抑制；6 0 招。 2 接收机 剁频频率：1 5 g z ； 接收机灵敏度：一1 4 国彬( 尹t s l l o - 4 ) 整机噪声系数：l + 5 ： 接收视动态范蔺：6 0 d b ， a g e 时闷常数：l o m s ； 第2 黉 田防科学技术人学研究生院工学硕士学位论文 d 前的中频频率：8 0 m h z ； 斛扩方，：1 0 2 ： 能个距配相关； 接收机的棚偏( 包括多普勒频移) ：1 0 0 k 成。 1 2 3 中频数字接收机 i | i 频数宁化接收机l ! 要完成卜述功能：模拟信号的高速a d 采样；数字- 卜i 变 刿：伪码的快速捕获与跟踪：相干载波提取；3 2 k b p s 数据恢复。 8 0 m h z 0 d b m 图ll 中额数字接收机的总体实现结构图 罔1 1 给出了中频d s q p s k 数字接收机的总体实现结构。中频数字化采用高 性能a d c 专用芯片a d 6 6 4 5 。数字下变频与匹配滤波由片c x 2 v 3 0 0 0 完成。完 全并行相关运算与码捕获由两片超大容量的f p g a 芯片x c v 6 0 0 0 完成。解扩解调 m 步由一片x c 2 v 3 0 0 0 并辅以一片单片机完成。其中单片机主要是便于对环路滤 波器系数的调整及对载波系统的控制。 1 3 本文的主要工作 本文往传统c o s t a s 环的基础上，依据课题设计的要求，给出了d s q p s k 全数 字接收机t 扣相干载波同步环路部分的设计与实现，对其中鉴相器、鉴频器、环路 滤波器以及控制部分作了详细的阐述。针对载波同步技术的发展，木文对采用自 适应算法开环估讨频差技术进行了研究，并提出了一种结合r l s 算法的利于硬件 实现的频筹估计算法。：t 要内奔如下： 第章概括了载波同步理论和技术方面的最新发展和突破，并介绍了论文的 课题 ? 景。 笫：r ：t 概述r 数字载波同步环设计的基础理沦，对适合课题的c o s t a s 环的基 第3 页 翻防科学技术人学研究生院王学硕士学位论文 奉结构进行r 详细的介绍。 第置带沣毙介绍了栩二f 载波阔步环路冬部分的参数设计，然后分裂对签相器， 黔频器以硬蝰路滤波嚣的t 乜路结构进行了详细说明。 第列章在分析。照常见开环载波阔步算法的鏊础。，提出弗分褫了- 种改进 的适合硬件实现的结合r l s 算法的频差估计方法。 第五孝总结了本文沟工作。 第4 委 羽防科学技术大学研究生院工学硕上学位论文 第二章高动态环境下数宇载波同步环设计原理 矧步在通信系统中至关熏要，数字通信中同步有网同步、群同步( 帧同步) 、 载波同步和位嗣步。当采用捆于释调或捌于捡测辩，接收溃霜要提供个与发射 端调制载波同频同相的相f ：载波，这个相j i 二载波的获取就称为载波提取或称为载 澈同步。提取载波豹方法一般分为二类：粪是在发送有用信号的嗣封，辅助传 送一个或多个比较弱的载波信号，称为插入导频法，接收端可以用锁相环路的窄 带跟踪镶能来褥取这个导频：另一种是直接胰接收静毫调信号中提取载波。在数 字通信中，常用相移键控信号，它不含有载频的分最，用普通的锁相环路无法提 取，需设计特殊的锁相环路，朝所谓的抑f i ；! | 载波跟踪环，才能完成载波同步的功 能。抑制载波跟踪环包括平方环、同榴正交环和反调制环( 或称判决反馈环) 【9 】，本 章蕈点讲述的i 昆适应谍题设计要求的同相正交环的原理与结构。 在扩频通信系统中，大多数采用数字调隹4 技术。一般方法趋利用抑制载波的 洲制方法，将全部功率注入到数据中而载波分量币消耗任何功率。这里所谓的载 波翔制系统就是没有连续波可跟踪残留载波分量的系统。抑制载波信号是数字通 竹系统中最蒸本的传输信息的信号形式。例如，二相相移键控信号 s ( f ) = ( ) s i n ( 虢f + 印。当线性调涮信号掰的功率谱中没有藏漉分繁对，它就 是个在载波频率上无频率分量的抑制载波信号。但是由于小( f ) 只墩1 的有限 位，因而s ( 0 仍包含有载波信怠，只要接收端采用某种方式来抵消掉调制坍( f ) ， 通常就可以恢复出频率为墙的载波信号，并把它作为信号检测所需的相干参考载 频信号。 由寸二夺直扩递信孛常采用m p s k 调刳救术，弼有用信号又没于噪声中，一般 的抑制载波跟踪环很雉提取其相干载波，因而不能采用相干解调方式而往往使用 | | 栩| 织澜方式，刚时需要露经獒c 。s t a s 躐踪环骺! 进一步的改善，以便能够慰勰 扩信号进行正常的解调。本章将在介绍经典的载波抑制跟踪环的基础理论之上， 对数字c o s t 瑟环进行详细的分丰斥，并重点分析直扩通信中豹数字c o s t a s 环的结构。 2 1 载波抑制跟踪环盼基础理论 垂。个彝l 纯谰翻系统中，解调嚣成为解调部分的重要一环，掰解调器的荧键 必是如何从相位调制信号中提取一个跟发射载波相同的参考载频信号。在二相( 或 勰相，多鞠) 数字调制系统瓣频谱中不存在载波颧率豹谱线，它在调制过程中就 被抑制掉r 。那么如何在接收端恢复出个跟发射载波相同的参考信号昵? 列目 瓣为i f ：存缀多载波提取方法不过应用较多斡是网倍频系统和“判决一菠馈”锁相 第5 页 因防科学技术人学研究生院工学硕_ 上学位论文 环。甄对于载频较赢豹情况，普遥锁相环的电路制作稻派试存毙较大的困难。所 以通常采川“判决一反馈”型方式的锁相环系统来实现抑制载波的提取。 c o s t a s 环将输入待甲方后，形成离散的谱线，然磊通过这些谱线跟踪输入信 叶。小过帧拟的c o s t a s 环存存着个潜存性的问题就是同相( i ) 和正交( q ) 两 支维绉剃秣的不。f 衡性。下面我们从理论上作简单的分析。 2 1 1 载波跟踪环的搂整 载波跟踪环的基本琢理楚：对接收豹搀潮载波敕s 薹( 信号进行非线性处理， 再用p l l 环路把载波恢复m 来，获得相二1 二解调必需的参考载波。 暇设拨收信号波形为一个n 相豹相移键控信号，郎 工( ，) = ks i n 【n 舻+ 6 ：+ 胡( 2 1 ) 当伍 r 毋，那么式( 2 1 1 ) 的数学鞭望僵 将大于零；若占 t 。 掇据裘2 1 中豹算法：；，缎容易缛到频蓑豹鉴别算法： 第1 2 页 网防科学技术人学研究生院工学硕士学位论文 m = 湫n d 叫。 ( 2 2 6 ) 其中矿( k ) 是e 时刻的相位估计值，t = 瓦。一瓦。 得到频差以后，可以将之作为辅助变量嵌入锁相环的环路滤波器，同时实现 坩小地n ( 【) ( n l l m c r ic a l lyc n n t m l l e ( 1o s c i | l a t o r ) 频率校1 e 和相位校止。其结 构h h 2 “所以： j ，| n 2 2 4 数字环路滤波器 图2 6 鉴频器结构图 数字环路滤波器在环路中对输入噪声起抑制作用，并且对环路的校正速度还 刈以起到调节作用。环路数字滤波器有各种荇样的结构形式和设计方法，在【1 0 】 中有专门的详细介绍。这里讨论一下针对b p s k ( 或q p s k ) 数字c o s t 髂解调环的 具体参数设计。 环路滤波器的作用是用来降低噪声以便在输出端对原始信号进行精确的估 计，环路滤波器的阶数和噪声带宽决定了环路滤波器对信号的动态响应。环路滤 波器在锁相环路、锁频环路、d l l 环路中起若非常重要的作用，环路滤波器形式 和参数的选取是系统设计与调试的关键，它在很大程度上决定了环路的噪声性能、 捕获和跟踪性能等。 下丽介绍环路滤波器的通用形式。 表2 2 给出了l 阶、2 阶、3 阶环路滤波器的参数设计及其特性，其中环 路滤波器的自然角频率是通过选定的环路滤波器噪声带宽b 。计算出来的。 借助_ r 对模拟环路滤波器的知识，我们将得到图2 7 所示的数字环路滤波器 结构框蚓。虚线框内为双线性z 变换数字积分器，其中t 为采样的时间间隔，即 数! ，杉! 分器f l 的甲位延时z 。 第1 3 页 日防科学技术人学研究生院工学硕上学位论文 农z t 通用镄频环的鉴别器 豁频算法输出频差特性 j 婚n ( ，j ，2 十q 】q ) ( ，q 2 一，2 9 )高信噪比时接近最 r 2 一f l s i n 2 ( 以一西) 佳，斜率正比于信号幅 f 2 一f l 度，适中的运算量要求 2 生终二生垒 低信噪比时接近最 f 2 一f 1 s i n ( 如一磊)佳，斜率正比于信号幅度 f 2 一的平方，对运算量的要求 最低 ： 胁n 【恕一2 2 + q i q 2 】 如一稿 最大似然估计，斜率 与信号幅度无关，对运算 ( t 一) 3 6 0 ( f 2 一f 。) 3 6 0 量的要求最高 ( b ) 2 阶 ( c ) 3 阶 同2 7 数宁环路滤波器方框图 伪码和载波跟踪环i 一环路滤波器的设计直接决定了高动态条件下扩频接收机 的傩能，伪码和载波跟踪环是非线性的，为了软得最佳的环路跟踪性能，即在一 定环踏i 州j 带宽最小化跟踪测量误差，往往需要在高动态和一定的信噪比条件下 埘接收舸l 作蒙特卡罗模拟仿真以确定各环路滤波器的最优参数进行仿真。当然也 第1 4 页 妒 嘲防科学技术学研究生院王学顶上学位论史 f 叛掇掘h 璐跟踪测量溪差的预测公式使壤经验方法，下翻分别给出。 表2 2 环路滤波器的特性 环潞噪声带宽滤波器的典型 阶数 ( b n z )值 特性说明 对速度敏感，对于所有 l 除 4 b 。= 0 1 2 5 的噪声带宽都是无条 件稳定的。 蝣 对加速度敏感，对于所 2 阶 些! ! 塑8 2 = 1 4 1 4 有的噪声带宽都是无 4 a 2 b 。= o _ 5 3 鳓 条件稳定的。 啄 ( a 3 b ；+ a ；曲3a ：四= 1 1 罐 对加加速度敏感， ： 阶 4 ( a ，一1 ) b 3 = 2 4 b 。1 8 h z 时保蒋稳 b 。= 0 7 8 4 5 定。 需凄说明的是，无论是仿真值还是理论值，都需要在实际电路调试过程中对 锫环路滤波； | 的参数作适当的优化绒微小的调整。 等效噪声带宽是环路滤波器的关键参数，在锁相环中它决定了环路的相位抖 动和快搪带大小。 4 1 l 付制动的计锋公式直下： 咖畿【l + 笔辩】( 姻 ( 2 2 7 ) 其f | c ，n 。为环路输入载噪毙；b 为环路蘩豹数据带窕，一般取耱号速率豹2 倍。 为r 减少环路相位辩动对数据解调的影响，般选取等效噪声带宽与数据率 之比为b 。r b o - l ，例如当r b = 3 2 k b p s ，则b 。蔓o + l r b = 3 2 k h z 。 锁牛1 l 环的快捕带是通过非线性分析直接引用而来的，即 | a m 嘲峨= 鲁争( & ) ( 2 2 8 ) 为j 挺垂| 定的余鼙，。般馕况。f ，选择环鼹的阻照系数茚= o 7 0 7 。 ( 2 2 7 ) 、( 2 2 8 ) 1 1 j 1 知：b 。越人，相位抖动越人，快捕带也越人：数据率越高， 幸 胙的矧位抖动下，b 可取傣的熬大，环路的捕获带宽越大。 第1 5 砸 嘲防科学投术人学研究生院工学硕上学位论文 2 2 。5n c o 锁蚓环路矧锁频环路的输i 拈洪麓成为n c o 的控制字，来调整本地载波的相位 和i 频率，从嘶实现本地载波与信号载波的。致性。所以，n c o 的目标就是产牛- 个j | ：豫翁；j ，j 频率霹l 榭位勺信号豹载波尽量相同。 n c of 。：蚪! 舐弦波敏简甲摄有效的方法就是采用查表法即事先根据各个n c o j e 弦波糍位计算好相位的正弦健，弗按耀位角度作为地址存储该相位熟正弦傻数 据，这就是直接频率合成技术( d d s ) 。 n c o + 般可班分为二二大部分：耀位鬃翻器、丰眭位加法器及正弦表哭读存储器， 如幽2 8 所示。相位累加器的作用就是将数字本振频率和本振频率之和转换为相 位，每采个时钟脉冲，稻位存原采的摹础一 ：增加“个稻位增量，相位加法器豹 功能是设胃定的初始相位以满足某些应用的需要。相位的正弦值用查正弦表得。 数字小振 频率输入 柑佛攀加 蚓2 。8 i c o 豹功能结构图 影响n c o 性能的主要因数有两个：一魁表示数字本振、输入信号以及混频乘 法运算的样本数值的有限字长所 起的误差；一是数字本振相艇的分辨率不够蔼 引起数字本振样本数值的近似取值。 鼙化嗓声主饕来f 相位餐亿误差和幅度量化误差。福位量化误差怒甫波形存 储器寻址位宽限制引入的，丽幅度墩化误蓑则与存储器输出波形的糖度有关。一 般来说，这两类误差引起的信号噪声和输出频率无关，当查找表所用的比特数少 1 ：戢i 似槊朋j 器，。i i 的比特牧叫，就产生相位量化隈差，相位量化误差引入的信噪 比损尖，q 以近似的定搦。丧示为 甜氓“6 8 ( 2 2 锄( 2 2 9 ) 其巾b 是存储器的寻 l 位数。 幅泼鼙化误差引入嬲信噪比可以表示为 s 限= l - 5 ( 2 a 1 ) 2( 2 3 0 ) 其；仁a 怒幅度遂仡位数。 第 6 页 阳防科学技术人学研巍生院】= 学硕上学位论文 综合考虑惩类误菱豹综合作j ；i l ，数控振荡器输出信号的结噪比可戳表示为 姗= _ l o l o g ( 、胖+ 等) ( 2 3 1 ) 数控振荡器功能块内部的查找波大小影响输m 波形的精度，越犬的查找表可 得到越难憋豹波形输嘏。 根据d d s 原理n c o 的棚位分辨率删和频率分辨率观主要取决于相位二 进制数据的位数和样本速率工( 输入数据速率) 。 a = = ( 2 3 2 ) 2 ， 馘。= ( 2 + 3 3 ) 根据系统对载波输出的精度要求，呵以选撵合适的位数执。 上一节将c o s t a s 环路的各部分的设计原理作了分别的说明。随着通信技术的 发艇，比如在g p s 或者遥测技术中，由于通信载体处于商动态环境环境中，通信 过程r l 小j 避免的mj ：彩释f i 扰和多普勒频移带来载波频率的抖动，这给通信过 程中豹载波瓣步带寒芗掰豹问题。 ：面余绍的舆裂c 锵t 8 s 环结鹅寝要睫之改变。 在文献【l l 】中，提出的方案足采j j 两个环路，一个环路用来跟踪相差，另。个用来 跟踪频萋，掰个环路交替工作。当然，还霄的在遂过鸯适应环路对相差额羞进行 平滑处理，直接估计。这些将在接下来的章节中进行介绍和分析。 第1 7 页 川防科学 盘术人学研究生院工学硕上学位论文 第三章全数字d s ，q p s k 接收机相干载波同步实现 存全数7d s q p s k 接收机巾，。般传统方法是采用相干载波同步方法，利j h j 数字锁干1 l 环来消除本地载波接收信号载波之间的相位差及载波频率差。在上一 案1 t ，l ! 绎对丰| i 下载波嗣步的原i h 以及c o s t a s 环的结构原理进行了详细的阐述。 在小章巾，卜耍介绍某随接序列扩频遥控系统的接收机载波同步单元的设计与实 现。 3 1 具有鉴相和鉴频功能的c o s 协s 环设计 3 1 lc o s t 髂环的设计 上一章已经将c o s t a s 环设计原理作了说明，这一节主要说明结构及各部件的 设计方案。| i = i 于整个接收机系统都是在f p g a 中实现的，再加上系统的整体性， 载波刚步目：路和码捕获珥路以及数据恢复都是互相联系的整体。c o s t 酗环路前面i 、 q 两路数据是存码同步后得到的，而环路得到的调整后的本地载波n c o 的输出对 码捕获的一确进行电是必要条什，总体结构图1 1 说明系统是一个整体。 根据系统设计的要求，环路除了锁相环路外，还需要进行鉴频。而如何控制 两个环路l 卜常运行也足一个天键。为了方便起见，这里重点说明鉴相和鉴频的部 j一 分。总体的电路歧汁按照图2 5 所示结构。依照结构流程，首先将二、二等的反 d 倒d 口。 正切求出米，然后将所得的结粜叠加求平均，就得出相差的值，最后利用环路滤 波器对相差进行平滑后，就得到最后的相差控制字，可以对n c o 的频率进行调整。 按照鉴频的算法，鉴相环路输m 的频差目经过前后差分之后，得到差值 护o + 1 ) 一口( f ) ，将差分值除以2 砖丁2 后，就得到频差值。需要经过一个环路滤 波器对频麓进行平滑，滤七噪声，最后得到的频率控制字即为调整n c o 的频率控 制字，从而实现对频率的调整。 卜面是褴个环路的流程，但是如何使整个环路正常的运转却是个很重要的 问题。按照传统的c o s t a s 环路，还必须有1 个锁相检测器，来检测是否失锁，从 斯控制整个环路的运行。n 体刮奎环路的设计，就是如何控制锁榴环和鉴频环的 交许运行。堋为相：多普恸频移比较严重的情况下，必须及时对相位和频差进行调 整。传统的锁十| _ l 环路实现起来都比较复杂，都需要在几百个数据周期之内才能完 成检测过科，这样k 的时间内频差的恶化已经很严重了，所以我们必须寻求更简 单更山便的口法。拜本设计中，我们根据工程经验，采取了分时处理的方法来解 第1 8 页 防科中技术人研究生院工学硬上学位论文 决这1 、问题，n 体过程舡f l i i 章1 ，里介绍。下面图3 1 给出环路的具体结构图。 d i 。 1 叱， d m 1 肌。l 搦分圈f 3 1 2 相差估计 鉴额环路 罔3 1c o s t a s 环路结构框图 地载波 侄d s p 和f p g at i i ，传统的方法足通过建立一个比较详细的角度与反正 切数值的对应表，再通过查表实现。具体过程是，首先利用除法器求 h t a n ( 目) = 旦，再通过查找存储器中存储的与之相对应的p 。这种方法思路简 r ， 啦，似池设汁起来，尤j 七n ：f p g a i ，婴实现除法器和查找表都比较麻烦，而 且比较 i 用资源。这种方法，对d s p 器件还比较方便。在f p g a 巾，由于i p 核的便利，我们可以利用c o r d i c 算法实现，简单方便。 1 c o r d i c 算法 我们先讨论一步基本的c o r d i c 迭代，完熬的c o r d i c 算法是由一系列这些 迭代完成的。常见的一步基本c o r d i c 迭代表达式如下： 工+ i = 工一，h i y i d m j y 。= y + “氐。 ( 3 1 ) z + l ：z ，一口j e 式所代表的意义是，矢最v ，= ( z ，咒) 7 到矢量v 。= ( 工。，y 。) 7 的旋转，及z ， 跟随旋转角度口。，变量m i l ，o ，一l 分别代表圆周( m = 1 ) 、线性( m = o ) 和双曲线( m ；1 ) 系统旋转方向m ，f l 一l 掌控。c o r d i c 迭代的矢量k 的轨迹如图3 _ 2 ，图3 3 ， 斟34 所小。为避免迭代进成的增值，以。定义为： = 扩“一：髫翟慧荔整数 z ， v 卅。 2 。m 一；根值为2 的系统 ”。1 为方便计算与实现，我们j i 考虑根值为2 的系统，即氏。= 2 “。通过以后的 讨论我们会发现移位序列s 。是般的不递减的整数序列。因此，c o r d i c 算法的 实现t 可以通过移位卡办减运锌来完成。 一甄虿贡 国防科学技术凡学研究生院工学硕士学位论文 _ ，压爹j 。l 埘： 聆 图3 2 圆周模式( m = 1 ) 矢景旋转轨迹 - 。 、 么 ，j ， l ， r 工= l t z = ，竹， 吲3 3 线性模式( m ；o ) 欠量旋转轨迹 t 勿。 x z 疑 y 慕k = 齑 罔3 4 双i i f i 线梗式( m 1 ) 欠量旋转轨迹 公式( 3 1 ) 中前两个方程可以再写为以下的矩阵形式： u 一一忘一一戌。铲c w 叶 ( 3 _ 3 ) 为了验证上式所代表的确实足矢量旋转，并且量化相关的缩放比例。我们现 在考虑一个一般的平面旋转矩阵。钊对m = l ，0 ，一l ，以及旋转角度麒口。，其中“代 表旋转方向，口。代表旋转角度，矩阵给出如下： 第2 0 页 嘲防科0 ：技术人学研究生院工学硕上学位论文 f c o s ( m 口。)一声，珑s i n ( 掰球。j ) 1 r u 3 j 华s “屙。，)。0 s ( 届。) 3 4 ) | j 当m = 1 ，0 ，一l 时，仪容易得到验证。姓见下式亦成立 if l 哨厮啪( 品。，) 1 雨葛f 2 【老州而州) - j 。5 划比( 3 - 3 ) ，( 3 5 ) 式，有 亭：弋r 叫= c 墨中氏，= 每a i l ( m 搿州) ( 3 6 ) c o s t 、，m 口。fj m 此式艟见证明巳，矩阵有缩放比例因子1 c o s ( m d 。) 。c 埘，所代表的并不只 怒旋转还育尺度的变化。对于撒= o ，如i = c m - f ，缩放毙例因子为l 。缩放比例因 ，还：由下式表示 k 。= 志= ，6 竺! ! ! ：! i 挚= i ：i ：丽c s ， q 完成n 次迭代腐，显吐 v 。= 兀巳。= 以；1 1 稚， i = 0i = 0j 曲 恻鲡令旋转燕度o n l 疗= 以掰。j 传随有缩放比例凶子 ( 3 8 ) ( 3 9 ) k 。( n ) = n 墨m i ( 3 1 0 ) i = 0 第i 个这 元素z ，仅仅跟随每次迭代角度豢积结果 z l + l = z ：一，掰“ ( 3 1 1 ) n 次迭代后 # z 。= z l j _ 朋岱“ ( 3 1 2 ) 却 洲此。等价j ：，钥篚z 。j 累积旋转角疫积乏羞。 劁3 5 矧尔了次c o r d i c 迭代的处理实现结构。所有内部变量均为定点数， _ ! 圭托预汴筇好的，预存黼在寄存器中的角度掰。由于字长的限制，在移位计算2 “。 之厉，必要的舍入或截断是必须的。 第2 l 页 酮防科学技术人学研究生院工学硕士学位论文 概括以上所述，对于期望角度 ( 在算法的收敛范围内) 的旋转，可以通过 系列角度的旋转歌得，c o r d i c 算法用公式表示，可总结如下 i 一 口。= t a n 。1 ( m 2 “。) ，其i i l o ，l l j( 3 1 3 ) 、，扎 移位序列s 定义了角度序列是收敛的，移位序列的探讨略。 【2 i控制过p d 采：f 了一秆符号序列麒，其中fe o ，n l ，它代表迭代序 州旋转山向的选取，且保证序列是收敛的。为了解释c o r d i c 算法的 控制过程，我们定义角度a 是f 次迭代后尚需旋转的角度，下次旋转 方向的选取必须使这一角度的绝对值更小，即 1 4 + ，卜一i ( 3 1 4 ) c o r d i c 算法模式、角度、缩放比例因子和移位序列状态之间的关系如表3 1 所永， 阿3 5 一次c o r d i c 迭代的基本实现结构( 注：a = 2 叫w ) 应用c o r d i c 旋转模式或矢量模式，可以计算一系列的复杂函数，详细内存如表 3 2 所町j 。 表3 1c o r d i c 算法模式 模- i _ i =角度( 口。)移位序列缩放比例因子 z 口s ，k 。伽斗o o ) 0 i t a n l l ( 2 ) z 1 6 4 6 7 6 1 ，2 ，3 ，4 ，f ， l ，2 ，3 ，4 ，5 ， o 2 。 1 o f + l 1 t a n h “( 2 。)l ，2 ，3 4 4 ，5 o 8 2 8 1 6 第2 2 负 【：| 4 随科学技术大学研究篷院工学硕土学位论文 丧3 ，2 意钵漪存在6 秘搽作模式，正确选择裙始毽，就可以壹接计算彬，y 工， s i n ( z ) ，c o s ( z ) ，t a n l ( z ) ，s i n h ( z ) ，c o s h ( z ) 和t a n h ( z ) 。 当然，除了l ：谢掇列的六种以外，还有其他操作模式，这里不一一列出来。 2 功能实现 我f i 、】选群i s e 7 1 i i 带的i p 拔c o r d l c 3 o 来实现相短的计算。在i p 核的 生成工_ ! - h 钊对a c t a n 功能对其进行管脚和功能配置以及相关约柬石，就能实 现反正切的远夔功能。 袁3 ，2c o r c 算法功娩 埘 模式初始俊输出 = 茹 工。# 爱l ( 姓) ( 工e o s 疗一y s i n 护) y o = y y 。监茁l ( n ) ( y c o s 毋+ x s i n 印 z o = 护 z 。= o l旋转模式 x o = 南茗。= c o s 疗 = o，。盎s i n 扫 z 0 = 护 z 。茳o 2 xx 。= 蜀t ( n ) s 堙 ( 南) 工2 + ，2 i矢最模式 y o = y y 。拦o z o = 护 z 。；毋十a n 。e ) h = x。x o旋转模式 y o = yy 。= y + 疑 zo=zz 。掌o = x工 兰x o矢量投式y o = y y 。= o z 0 = zz 。= z + 五 = x ，。= 置一i ( 摊) ( z c o s h 口+ y s i n h 毋) = y 岁。拦置一l ( 砖) ( y c o s h 占+ 工s i l l h 9 ) z o = 扫 z 尝o 1 旋转模式 民2 f 府工= c o s h p y o = o，。= s 溅8 z 0 = p z 。= 0 工n = j = 量一l ( n ) 5 培n ( ) 茗2 一y 2 一l矢鬣模式2 y y 。= o z n = 口 z 。= 占+ 伽_ l h 。皓) 第2 3 页 l 胁科。7 ：技j t 亡人学研究生院工学硕_ 上_ 学位论文 荑j ：l p 梭的姐休f 卜成过程的参数和管脚定义，可参考其手册，这里不作介绍， h 足强渊建京的地方： 输入输数据位数的定义 存c 0 r d i c 3 o 中，要啦输入数据在一l l 之阈，所以在数据输入之蘸， 我们应对数据进 j ：规化处理。这里就牵涉到数据位数的取舍和精度闻 逛。这墨我髓采拜j 豹方法爱同比倒的放缩，即在保持1 6 位左右二进制数 的情况下，对输入数据矧时缩放到一l l 之间。缩放产生的误差磁2 。1 5 r a d 之肉，这对整个环路不会产生什么影响。 输出数据为一丌一万，用带符号的定点进制数表示。需要注意的是， 数辩存后续的处理过群中肯定要进行位数的增加和减少，那么就癸严密注 意二进制数据位数的定义，尤其在n c o 控制字的位数确定时，一定要注 意数据的其体含义。 数据格式 在c 0 r c 3 0 中，对输入输出数据均采用带符号定点数模式，输入 数据的格式为带符号的l q n 数据，即阎定符号位秘一位憨数位，其余为 小数位：输m 数据的格式为带符号的2 q n 数据，即周定符号位和二位懿 数位，其余为小数位。根据运算精度的要求，可以灵活的选取竣入的数据 位数。 数攥延迟潮题 由0 二内部运算的原因，输入数据和输出数据有+ 定的延迟。这个延迟 醛据配置穰度的不同在6 一1 6 个时闻周期不等。一般来说，在低速觜况下， 这样的时延对系统的实时性影响并不大。关键是要将输入数据和延迟后的 输出韬位数据一“1 对应好。 在i p 核的生成工具中对功能和数据的位数按设计的要求设置好后，i s e 7 1 系统 ( i 动! l i 成c o r c 簧：轻；静i p 梭，只要在程序中把该梭警作个功缝