張 萌

基于Costas環(huán)的通用數字信號載波恢復及FPGA實現

張 萌

（中國電子科技集團公司第二十研究所，西安 710068）

BPSK、QPSK、OQPSK、8PSK和16QAM在數字通信中應用廣泛。針對非合作接收機解調數字通信信號的需求，研究了基于Costas環(huán)的通用數字信號載波恢復技術。僅需通過調整環(huán)路濾波參數和改變Costas環(huán)中鑒相器的鑒相方式，即可實現BPSK、QPSK、OQPSK、8PSK和16QAM等數字信號的載波恢復。對算法進行了仿真驗證，并在FPGA上完成了硬件實現。

Costas環(huán)；通用數字解調；FPGA

0 引言

通信接收機的解調一般分為相干解調和非相干解調兩類。相干解調性能優(yōu)于非相干解調。但采用相干方法進行解調時，需要構造一個與發(fā)送端載波同頻同相的相干載波，即必須從接收信號中恢復出載波信號，使收發(fā)雙方載波的頻率、相位一致，這一過程稱為載波恢復或載波同步。當前通信系統大多采用在發(fā)送信號中添加接收方已知的訓練序列用于接收端的載波恢復，該方法對于已知發(fā)射信號載波頻率和訓練序列的接收機而言具有較好性能，但對于無法獲取發(fā)射信號載波頻率和訓練序列的非合作接收機，無法采用通過訓練序列的方法恢復載波，造成應用場景受限。本文提出一種針對通用數字信號的載波恢復方法，采用Costas環(huán)路濾波，僅需通過改變環(huán)路濾波參數和鑒相方式，即可實現對BPSK、QPSK、OQPSK、8PSK和16QAM等數字信號的載波恢復，提高了架構的靈活性和通用性。

1 Costas環(huán)基本原理

圖1 Costas環(huán)工作原理

Costas環(huán)主要由鑒相器、環(huán)路濾波和DDS等模塊組成。其中，鑒相器用于消除低通濾波后調制信號的影響；環(huán)路濾波用于提取相差；DDS根據相差產生對應的本振信號，對下變頻信號進行調整。通過Costas環(huán)的不斷反饋迭代，最終可實現整個環(huán)路的鎖定，完成對應信號的載波恢復。

1.1 鑒相器原理

鑒相器用于得到相位差函數，其鑒相方式和鑒相性能直接決定了Costas環(huán)的鎖定性能。常用Costas鑒相器有乘法鑒相器、正切鑒相器和反正切鑒相器等多種，不同鑒相方式的效果不同。以BPSK為例，給出了幾種鑒相方式及其對應的鑒相特性，如表1所示。

表1 不同鑒相方式的鑒相特性比較

1.2 環(huán)路濾波器原理

環(huán)路濾波器是一種線性低通濾波器，其作用是濾除鑒相器所帶來的高頻分量和噪聲。環(huán)路濾波器的架構和參數直接決定了Costas環(huán)是否能夠收斂、收斂速度等。

環(huán)路濾波一般采用鎖相環(huán)形式，可分為一階環(huán)、二階環(huán)和三階環(huán)，一階環(huán)結構簡單但性能很差；三階效果最好，但實現復雜；因此本方案采用二階鎖相環(huán)，其結構如圖2所示。

圖2 環(huán)路濾波器工作原理

2 Costas環(huán)設計及FPGA實現

本文提出的Costas環(huán)可通過統一的接收架構，實現對BPSK、QPSK、OQPSK、8PSK和16QAM等多種數字信號的載波恢復，從而支持后端不同的數字解調。針對BPSK、QPSK和OQPSK，只需通過改變Costas環(huán)內部鑒相器的鑒相方式，即可實現對三種調制方式的載波恢復；而針對8PSK和16QAM等高階調制方式，除了改變鑒相器的鑒相方式外，還需要在Costas環(huán)之前加入歸一化模塊，對輸入信號進行歸一化處理。接收解調模塊的整體組成如圖3所示。

圖3 接收解調模塊整體架構

Costas環(huán)設計的關鍵在于鑒相方式的選擇以及環(huán)路濾波器系數的確定，不同調制方式對應的鑒相方式和環(huán)路濾波器系數有所不同。

對于BPSK，其鑒相方式如式（3）所示：

即的符號乘以的值，而對于QPSK和OQPSK，其鑒相方式如式（4）所示：

8PSK和16QAM屬于高階調制方式，其解調性能受幅度影響較大，為提高鑒相精度，排除幅度波動所引入的失鎖問題，首先需要對輸入信號進行歸一化處理；在鎖定過程中，還需要根據輸入信號求得解調均值，以此為參考調整鑒相器的參數。

每次收到8PSK或16QAM等高階調制的解調指令后，取輸入路信號和信號的前20 000個點分別求模，分別找出其中和最大值，之后輸入信號分別與的最大值和的最大值相除，并進行16 bit量化處理，最終得到歸一化后的數據，送入Costas環(huán)進行載波恢復處理，即：

對于8PSK，鑒相器需要首先通過10 000個點鎖定路或路的最大值，鎖定前后，鑒相方式有所不同。

鎖定最大值后如式（8）所示：

式中，表示歸一化后的數據路數據；表示歸一化后的數據。

得到解調均值前后，其鑒相方式有所區(qū)別，在得到解調均值前，其鑒相方式如式（10）所示：

得到解調均值后，其鑒相方式如式（11）所示：

按照上述參數，在FPGA上對Costas環(huán)進行硬件實現，得到的實際RTL電路。

通過該電路，對ADC采集并經過DDC后的調制信號進行載波恢復，在經過最初的震蕩后，頻差逐漸收斂，相位和載波逐漸穩(wěn)定，整個環(huán)路最終鎖定，如圖4所示。

圖4 Costas環(huán)路鎖定示意圖

圖4中，LoI和LoQ為DDS產生的本振信號；data_out為DDS輸入的相位值。環(huán)路鎖定前，相位時刻跳變，本振信號十分雜亂；鎖定后，相位規(guī)律變化，本振信號保持穩(wěn)定。

信號經過Costas環(huán)后，載波得以恢復，通過星座圖可以看出載波恢復前后的明顯變化，如圖5所示。

3 結論

本文提出了一種適用于通用數字信號的載波恢復方案，研究了Costas環(huán)中鑒相器和環(huán)路濾波器的工作原理，重點研究了針對不同調制方式，鑒相器和對應的環(huán)路濾波系數的選擇，并根據仿真確定的系數，在FPGA中實現了整個架構，成功對實際采集調制信號進行載波恢復。最終證明該方法穩(wěn)定可靠，且占用資源較少。

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Design and FPGA Implementation of Multipurpose Digital Signal Carrier Recovery Based on Costas Loop

ZHANG Meng

BPSK, QPSK, OQPSK, 8PSK and 16QAM is widely used in digital communication system. In view of multipurpose digital demodulation of non-cooperative receiver, carrier recovery technology based on Costas loop is studied. BPSK, QPSK, OQPSK, 8PSK and 16QAM can be carrier recovered just by changing the parameter of loop filter and phase discriminator. Algorithm is fully verified by simulation and the logic circuit is implemented in FPGA chip.

Costas Loop; Multipurpose Digital Demodulation; FPGA

TN925

A

1674-7976-(2022)-02-147-06

2022-03-08。張萌（1988.08—），河南鄭州人，碩士研究生，工程師，主要研究方向為通信信號處理。