高动态环境下猝发DQPSK系统载波跟踪设计与实现

丁法珂

（中国空空导弹研究院，河南洛阳471009）

摘要：针对高动态环境下猝发DQPSK通信系统，提出一种四相鉴频频率牵引、鉴频辅助鉴相的载波跟踪方案，通过Matlab仿真验证，并编写VHDL程序在FPGA中实现，最终在硬件平台上进行性能测试，测试结果表明该方案可行，硬件实现达到了设计指标要求。

教育期刊网 http://www.jyqkw.com
关键词 ：DQPSK；载波跟踪；高动态；猝发通信

中图分类号：TN850.4?34 文献标识码：A 文章编号：1004?373X（2015）13?0010?03

收稿日期：2015?02?14

0 引言

差分四相相移键控（DQPSK）调制具有较好的频带利用率及良好的抗干扰性能，在数字微波通信系统中得到了广泛应用。载波跟踪是DQPSK信号相干接收的关键技术之一，受多普勒频移和本振不稳定等因素的影响，接收信号存在频率漂移，从而使收发载波存在较大频偏，直接影响到接收机的性能，因此必须将频偏消除。而在高动态环境下，且采用猝发通信模式，对系统载波捕获速度与跟踪精度提出更严格的要求，常用的科斯塔斯（COSTAS）载波跟踪环路已不能满足使用要求。因此，采用一种四相鉴频[1-3]频率牵引、鉴频辅助鉴相的载波跟踪方案[4]，并编写VHDL程序在FPGA中实现[5-7]，最终在硬件平台上进行性能测试，测试结果表明该方案可行，硬件实现达到了设计指标要求。

1 DQPSK 中频接收总体方案

中频接收机总体方案如图1所示[8]。

经A/D采样的中频信号和NCO输出的正交载波相乘后，频谱搬移到0中频附近，此时数据流的速率仍很高，为40.96 MHz，采用积分梳状滤波器低通滤波，同时进行16倍抽取，将数据速率降低到2.56 MHz，最后进行匹配滤波得到基带信号。

先对下变频、降速率的I，Q两路数据进行四相鉴频频率牵引，牵引到一定频差后四相鉴频器停止工作，转向鉴频辅助鉴相环路跟踪载波，所生成的相位误差信号送入环路滤波器，滤除高频分量后作为载波相位调整信息送入NCO产生所需频率的载波。

基带信号在符号判决器中完成解调，再经并/串转换得到输出数据。

2 载波跟踪具体设计

2.1 四相鉴频算法

输入的中频信号经过正交解调和相关积分后，载波多普勒频移被牵引到一个频率搜索单元范围，此时频率估计误差仍然较大，有可能超出鉴频的线性跟踪范围。因此，首先用四相鉴频器将误差降低到较小的频差范围内。

环路中I，Q两路信号积分清零的输出可表示为：

I(k)≈ AD(k)sinc{[Δf (k)] ? πT}cos(φk) + n?I (k)

Q(k)≈ AD(k)sinc{[Δf (k)] ? πT}sin(φk) + n?Q (k)

式中：A 为信号幅度；D(k) 为数据信息；Δf (k) 为频偏；φk 为相位差。

频率误差信号通过比较两个连续时序同相正交信号分量获得，计算同一时刻同相、正交信号分量绝对值之差为：

| I(k)| - |Q(k)| = A ? R[ε(k)] ? |sinc{[Δf (k)] ? πT}| ?

{|cos φ | k - |sin φ | k }

式中：ε(k) 为误差信号；T 为数据持续时间。由于载波跟踪时码相位估计对准在一个码片范围内，则R[ε(k)] > 0，| I(k)| - |Q(k)|的符号与η ={|cos φ | k - |sin φ | k }

的符号相同，可将载波频率误差分割成4个区间，设频率误差信号为β ，则有：

2.2 鉴频辅助鉴相

四相鉴频牵引后，频差缩小到一定范围，由于系统采用猝发工作模式，要求在尽量小的时间内稳定跟踪载波，而常用的COSTAS 环锁相需要的时间较长，为加快载波调整速度，需采用AFC（自动频率控制）环路进行辅助捕获。鉴频辅助鉴相框图如图2所示。

积分清零后的基带信号，采用延迟相干解调的方式提取符号信息，并产生辅助鉴相的频率误差信号。实现框图如图3所示。

Δφk 表示由于调制而引起的相邻符号间的相差，对DQPSK信号而言，此值为0°，90°，180°，270°，Δφmod (k) 表示由于收发频差而引起的相邻符号间的相差，Δφrot (k)表示符号旋转角度，这里为-45°旋转。

DQPSK信号的频率误差信号为：

ε = sign[Dot(k)] ? Cross(k) - sign[Cross(k)] ? Dot(k)

本设计所用的鉴相算法为改进型硬判决COSTAS环鉴相算法[9]，在基本的COSTAS 环加上的非线性变换能实现最佳相位估计，然而要硬件实现tanh变换相当复杂，于是要寻找简单而容易实现的tanh 变换的近似函数。在大信噪比且| x | >>1时，发现tanh 可以近似看作取信号x 的符号（±1），而取符号运算FPGA实现简单。

推广到DQPSK 载波恢复，改进后的鉴相算法的相位误差信号为：ε = sign[I] ? Q - sign[Q] ? I，当环路的相位误差φ = θ - θ? 较小或信噪比高的时候，环路的相位误差信号将为ε = A sin φ，为正弦鉴相特性。完成频率误差和相位误差运算后，按照图2所示的结构，采用一阶锁频环辅助二阶锁相环。

可以看出，四相鉴频、鉴频辅助鉴相结构相似，VDHL实现简单，取符号运算只需判断信号的最高位是‘0’还是‘1’，各项误差信号只需进行基本的加法、乘积运算便可得出。四相鉴频环路将频差缩小到一定范围后便停止工作，转向鉴频鉴相环路捕获跟踪载波，最后误差信号经环路滤波器后，作为载波NCO 的频率控制字的调整量，调整NCO输出所需频率的载波。

3 仿真测试

Matlab仿真时，调制信息速率设为20 kHz，载波频率设为70 MHz，A/D采样速率为40.96 MHz。调制信息通过串/并转换、差分编码、载波调制后经AWGN信道输出，A/D 采样后的数据通过DDC 下变频，CIC 抽取滤波[10]，数据速率降至2.56 MHz，之后进入载波跟踪环路计算载波频差反馈给本地载波NCO。当载波中心频率存在4 kHz 偏移的情况下，系统正常工作，完全满足指标要求。

频差跟踪仿真结果如图4所示。

载波跟踪算法经VHDL实现后，嵌入到中频接收系统中，最后下载到Altera公司EP2S60芯片内进行测试，结果表明所采用的算法及实现满足技术指标要求。

4 结论

本文针对高动态环境下猝发DQPSK 通信系统，提出一种四相鉴频频率牵引、鉴频辅助鉴相的载波跟踪方案，并编写VHDL程序在FPGA中实现。实际测试结果表明，所采用的载波跟踪算法捕获时间短、跟踪范围宽，满足设计指标要求。

教育期刊网 http://www.jyqkw.com
参考文献

[1] 沈亮.QPSK中频数字接收的同步算法研究[D].南京：南京理工大学，2006.

[2] 赵维刚，姚廷燕，张其善，等.提高gps接收机四相鉴频频率牵引性能的算法设计[J].遥测遥控，2006（2）：28?31.

[3] 李陟，吕卫华.一种应用四相鉴频的扩频接收机载波快速同步技术研究[J].科学技术与工程，2008（18）：5178?5182.

[4] 张伯川，张其善.高动态接收机的关键技术研究[J].电子学报，2003，31（12）：1844?1846.

[5] 刑建平，曾繁泰.VHDL程序设计教程[M].北京：清华大学出版社，2005.

[6] 胡振华.VHDL与FPGA设计[M].北京：中国铁道出版社，2003.

[7] 王诚，吴继华，范丽珍，等.Altera FPAG/CPLD设计[M].北京：人民邮电出版社，2005.

[8] 樊昌信.通信原理教程[M].北京：电子工业出版社，2005.

[9] 洪振宏.高码率QPSK 解调器载波恢复环的算法与实现[D].北京：中国科学院研究生院，2007.

[10] 杨小牛，楼才义，徐建良.软件无线电原理与应用[M].北京：电子工业出版社，2005.

作者简介：丁法珂（1982—），男，山东平邑人，工程师。研究方向为无线通信技术。