韓 強(qiáng)，鐘 升，張 盼，楊 恒

（1.西安微電子技術(shù)研究所，西安710065；2.西安通信學(xué)院，西安710106）

·微機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通信·

一種基于混合函數(shù)鑒相的改進(jìn)型Costas環(huán)路

韓 強(qiáng)1，鐘 升1，張 盼1，楊 恒2

（1.西安微電子技術(shù)研究所，西安710065；2.西安通信學(xué)院，西安710106）

針對(duì)SC－FDE系統(tǒng)中，基于Zadoff－Chu序列頻偏估測(cè)方法存在的相位模糊問(wèn)題，提出一種基于混合函數(shù)鑒相的改進(jìn)型Costas環(huán)路方案。經(jīng)MATLAB軟件仿真驗(yàn)證，該方案能顯著改善頻偏估測(cè)模糊問(wèn)題。經(jīng)FPGA系統(tǒng)驗(yàn)證，該方案中的改進(jìn)型Costas環(huán)路相較傳統(tǒng)Costas環(huán)路擁有入鎖時(shí)間短的優(yōu)點(diǎn)。該方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)，具有良好的工程應(yīng)用價(jià)值。

頻偏估測(cè)；入鎖時(shí)間；改進(jìn)型Costas環(huán)路；鑒相；Zaddof＿Chu序列；符號(hào)函數(shù)

1 引 言

傳統(tǒng)的Zadoff－Chu序列頻偏估測(cè)采用一種基于幀同步的估測(cè)方法［1］，往往存在幀同步點(diǎn)模糊問(wèn)題，導(dǎo)致頻偏估測(cè)不準(zhǔn)。針對(duì)該問(wèn)題，提出一種改進(jìn)型Costas環(huán)路，以實(shí)現(xiàn)頻偏精確估測(cè)。

傳統(tǒng)的Costas環(huán)路對(duì)QPSK信號(hào)多采用符號(hào)函數(shù)法鑒相［2］，此方法存在較大鑒相偏差。提出符號(hào)函數(shù)和反三角函數(shù)混合鑒相的方法，該方法能明顯改善鑒相偏差，且有更好的收斂性，具有良好的工程價(jià)值。第一節(jié)介紹Costas環(huán)路的改進(jìn)方案及仿真驗(yàn)證結(jié)論，第二節(jié)介紹改進(jìn)型Costas環(huán)路的FPGA實(shí)現(xiàn)方法及系統(tǒng)驗(yàn)證結(jié)論，第三節(jié)是結(jié)束語(yǔ)。

2 Costas環(huán)路改進(jìn)方案及仿真驗(yàn)證結(jié)論

在通信系統(tǒng)中，Costas環(huán)路常被用于載波同步和相干解調(diào)［3］。Costas環(huán)路的結(jié)構(gòu)包括鑒相器，環(huán)路濾波器，數(shù)控振蕩器三部分，其原理圖如圖1所示［4］。Coats環(huán)路的性能主要體現(xiàn)在頻率估測(cè)精度和入鎖時(shí)間兩方面，鑒相器是Costas環(huán)路的核心部分，其鑒相方法的選擇對(duì)環(huán)路性能有極大影響［5］。

通過(guò)對(duì)QPSK調(diào)制信號(hào)的鑒相方法進(jìn)行研究，傳統(tǒng)Costas環(huán)路采用符號(hào)函數(shù)法，其在δ趨于0時(shí)成立，在δ較大時(shí)存在不可忽略的鑒相偏差，嚴(yán)重影響了鎖相環(huán)性能。該方法的計(jì)算式如式（1）所示：

改進(jìn)型Costas環(huán)路采用混合函數(shù)鑒相法鑒相，其基于δ＝arctan（tanδ）理論，該理論的鑒相精度與δ是否為0無(wú)關(guān)，故其鑒相偏差明顯縮小。該方法的計(jì)算式如式（2）所示：

圖1 Costas環(huán)路原理圖

其理論依據(jù)如下：

im為信號(hào)虛部可以表示為：

im＝m（t）sin［δ＋φ］［6］，則3，δ為相差，re為信號(hào)實(shí)部可以表示為：

即：

通過(guò)matlab軟件對(duì)傳統(tǒng)Costas環(huán)路和改進(jìn)型Costas環(huán)路進(jìn)行性能仿真，其頻率響應(yīng)曲線如圖2所示。

圖2中橫坐標(biāo)表示基帶信號(hào)點(diǎn)個(gè)數(shù)，縱坐標(biāo)表示鎖相環(huán)輸出的信號(hào)頻率值，實(shí)線為傳統(tǒng)Costas環(huán)路的頻率響應(yīng)曲線，虛線為改進(jìn)型Costas環(huán)路頻率響應(yīng)曲線。傳統(tǒng)Costas環(huán)路的收斂點(diǎn)在200點(diǎn)左右，改進(jìn)型Costas環(huán)路的收斂點(diǎn)在150點(diǎn)左右，比較后明顯可以看出改進(jìn)型Costas環(huán)路具有更好的收斂性。

圖2 兩種鑒相方法頻率響應(yīng)曲線

通過(guò)matlab軟件對(duì)傳統(tǒng)Zadoff－Chu序列頻偏估測(cè)法和改進(jìn)型Costas環(huán)路頻偏估測(cè)法進(jìn)行性能仿真，其去頻偏后星座圖如圖3、4所示。

圖3 傳統(tǒng)方法去頻偏星座圖

圖4 改進(jìn)型Costas環(huán)路去頻偏星座圖

明顯可以看出圖4比圖3有更好的聚攏性，即改進(jìn)型Costas環(huán)路顯著改善了頻偏估測(cè)模糊問(wèn)題。

3 改進(jìn)型Costas環(huán)路的FPGA實(shí)現(xiàn)方法及系統(tǒng)驗(yàn)證結(jié)論

改進(jìn)型Costas環(huán)路的FPGA邏輯結(jié)構(gòu)圖如圖5所示，其鑒相器模塊調(diào)用cordic核完成鑒相，傳統(tǒng)Costas環(huán)路的鑒相器模塊調(diào)用乘法器完成鑒相［6］。圖5中各模塊聯(lián)系如下：數(shù)控振蕩器模塊產(chǎn)生的正余弦信號(hào)和頂層模塊輸入的兩路信號(hào)進(jìn)入復(fù)乘器模塊做復(fù)數(shù)乘，其結(jié)果輸入鑒相器模塊進(jìn)行鑒相，得到鑒相角經(jīng)過(guò)環(huán)路濾波器模塊進(jìn)行平滑濾波后控制數(shù)控振蕩器模塊的輸出［7］。

圖5 改進(jìn)型Costas環(huán)路的FPGA邏輯結(jié)構(gòu)圖

用Xinlinx的Virtex－V芯片對(duì)上述兩種邏輯結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)驗(yàn)證，在兩種邏輯結(jié)構(gòu)資源占用率大致相同的情況下頻率響應(yīng)曲線如圖6、7所示。

圖6 傳統(tǒng)Costas環(huán)路頻率響應(yīng)曲線

圖7 改進(jìn)型Costas環(huán)路頻率響應(yīng)曲線

圖6中鎖相環(huán)在120us進(jìn)入鎖定狀態(tài)，圖7中鎖相環(huán)在80us進(jìn)入鎖定狀態(tài)，故改進(jìn)型Costas環(huán)路較傳統(tǒng)Costas環(huán)路大幅縮短了入鎖時(shí)間。

4 結(jié)束語(yǔ)

同步技術(shù)是無(wú)線通信系統(tǒng)的底層核心技術(shù)［8］，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中不可或缺，其性能的優(yōu)劣對(duì)系統(tǒng)性能影響顯著。提出的改進(jìn)型Costas環(huán)路方案，能顯著改善頻偏估測(cè)模糊且入鎖時(shí)間短等問(wèn)題，提高了同步精確度和可靠性，具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。

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A Modified Costas Loop Based on Phase Discrim ination Utilizing Mixed Function

Han Qiang1，Zhong Sheng1，Zhang Pan1，Yang Heng2
（1.Xi’an Microelectronics Technology Institute，Xi’an 710065，China；2.Xi’an Communication Institute，Xi’an 710106，China）

A modified Costas loop based on phase discrimination，utilizing mixed function，is proposed in this paper to resolve the fuzzy problem of frequency offset estimation in Zadoff－Chu sequence.The simulations show the fuzzy problem of frequency offset estimation is improved significantly and the lock time is greatly shortened comparing to the traditional one.In a word，this new modified Costas loop has great value in engineering application.

Frequency offset estimation；The lock time；Modified Costas loop；Phase demodulation；Zaddof－Chu sequence；Symbolic function

10.3969/j.issn.1002－2279.2015.05.005

TN919.3

A

1002－2279（2015）05－0014－04

韓強(qiáng)（1989－），男，山東省棗莊市人，碩士研究生，主研方向：無(wú)線通信中的基帶信號(hào)處理。

2015－01－28