Tcm-8psk基帶信號解調方法
2023-06-07 06:17:06
Tcm-8psk基帶信號解調方法
【專利摘要】本發明公開了一種TCM-8PSK基帶信號解調方法，涉及通信【技術領域】，其解調方法包括以下步驟：數位訊號進入FPGA,進行FFT信號快捕獲，同時進入下採樣模塊；第一選擇器選擇信號載波同步進入快速鎖定或者慢速鎖定；下變頻模塊恢復出基帶IQ路信號；基帶IQ路信號分別通過LPF模塊；信號進入載波同步支路，同時信號進入碼元同步支路後流出FPGA，進入DSP；從DSP中解調出的信息反饋給第一選擇器。本發明的有益效果在於：大大提高在短時突發通信中要求信號的快速捕獲和快速同步。通過採用信號分支處理，碼元同步和載波同步分別使用不同的採樣速率，實現AD採樣率與符號速率非整數倍關係情況下的正確解調。
【專利說明】TCM-8PSK基帶信號解調方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及通信【技術領域】，特別是TCM-8PSK基帶信號解調方法。
【背景技術】
[0002]TCM-8PSK在衛星通信、數據鏈電臺等領域有廣泛應用。TCM-8PSK短包突發通信只適合相干解調，接收機通常需要對發送載波的初始相位以及收發端之間的載波頻偏進行估計，然後通過跟蹤環路將殘餘頻偏補償回去，從而達到正確解調的目的。傳統方法的初相和頻偏估計以及跟蹤過程往往通過上百個符號完成，其優點在於能夠對較大的載波頻偏進行補償，但是跟蹤時間長，而且在通常情況下硬體開銷較大。
[0003]數據鏈的短包信息，每個數據包的長度不超過8192個符號，而且每包中用於信號捕獲以及載波初值估計與跟蹤的前導字長度不超過50個符號，在這種條件下，雖然前後每個信息包的頻偏值相對差距相對不大，但是每個信號包都需要重新完成載波跟蹤，且前導字很短，需要快速完成同步。通過實際仿真發現，在低信噪比下快速同步極易出現載波失鎖或鎖相環帶入過調量而造成相位誤差，從而人為地增加了信號的相位噪聲。因此，在短包突發通信中，無法解決既能完成快速同步又能使信號跟蹤穩定的問題。
[0004]總之，對於短包系統而言，理想的接收機載波同步環路應該具有以下特點:I)對小頻偏能夠快速跟蹤；2)環路過調量小，能夠承受一定的初相估計誤差；3)為了節約硬體開銷，實現複雜度不宜過大。
[0005]在FPGA中，反饋環路在非整數倍的跨時鐘域處理是比較棘手的問題，該問題往往會造成時序的不穩定，實際實現的鎖定效果不能達到仿真的效果，如何避免跨時鐘域也是很重要的問題。
【發明內容】
[0006]本發明的目的在於:針對現有技術所存在的缺點，提供一種能快速捕獲信號、載波快速同步、載波平穩跟蹤、以及極低信噪比的條件下能正確解調TCM-8PSK信號的TCM-8PSK
基帶信號解調方法。
[0007]為了實現上述目的，TCM-8PSK基帶信號解調方法，包括以下步驟:
步驟一:數位訊號進入FPGA，進行FFT信號快捕獲，同時下採樣模塊將數位訊號高速採樣變為低速採樣；
步驟二:第一選擇器選擇信號載波同步進入快速鎖定或者慢速鎖定；
步驟三:下變頻模塊完成載波剝離，恢復出基帶IQ路信號；
步驟四:基帶IQ路信號分別通過LPF模塊；
步驟五:信號進入載波同步支路，同時信號進入碼元同步支路；
步驟六:經過步驟五中的進入碼元同步支路的信號流出FPGA，進入DSP ；
步驟七=WDSP中解調出的信息反饋給第一選擇器。
[0008]優選地，上述步驟一中的FFT信號快捕獲利用引導碼為單載波，在FPGA中採用FFTipcore計算引導碼的頻譜，通過檢測引導碼段的頻譜圖變化來捕獲信號。
[0009]優選地，上述步驟五中的載波同步支路分為載波快同步支路，載波慢同步支路和載波跟蹤支路。
[0010]優選地，上述載波快同步支路採用簡化的COSTAS環鎖定頻率，再通過求平均值的方法得到頻偏估計值。
[0011]優選地，上述載波慢同步支路處理步驟為，
步驟一、從LPF出來的信號經過採樣速率變換；
步驟二、信號經過FDRC模塊，使頻譜範圍收縮；
步驟三、信號通過CORDIC模塊；
步驟四、信號經過V&V模塊，完成信號的非線性變換；
步驟五、信號經過RAM後，信號進入慢同步COSTAS環。
[0012]優選地，載波跟蹤支路的處理步驟為，
步驟一、從LPF出來的信號經過採樣速率變換；
步驟二、信號經過FDRC模塊，使頻譜範圍收縮；
步驟三、信號通過CORDIC模塊；
步驟四、信號經過V&V模塊，完成信號的非線性變換；
步驟五、信號經過RAM後，信號進入信號跟蹤COSTAS環。
[0013]優選地，上述的碼元同步支路的處理步驟為，
步驟一、從LPF出來的信號通過採樣速率變換，完成非整數倍速率下的跨時鐘域處理； 步驟二、信號經過TDRC模塊，完成匹配濾波；
步驟三、信號經過相位旋轉；
步驟四、信號通過CORDIC模塊；
步驟五、信號經過多路符號判決；
步驟六、信號經過碼元選擇和IQ信號選擇；
步驟七、IQ路歸一化；
步驟八、信號進入DSP進行處理。
[0014]本發明的有益效果:本發明通過FFT信號快捕獲，用於快速捕獲每個信息包的到來情況，大大提高在短時突發通信中要求信號的快速捕獲和快速同步，其從捕獲到同步穩定時間僅僅為20-30個符號之間。
[0015]本發明採用了載波快同步和碼元同步，當信號EVM小於等於25%，可以正確實現載波同步，不出現失鎖現象；當信號存在畸變的情況下，碼元同步方法可以儘可能消除信號畸變帶來的影響，實現在極低信噪比和信號畸變的條件下，TCM-8PSK信號的正確解調。
[0016]本發明採用信號分支處理，分為載波同步支路和碼元同步支路，並且載波同步和碼元同步分別使用不同的採樣速率，很好的解決了在FPGA中，反饋環路在非整數倍的跨時鐘域難處理的問題，實現AD採樣率與符號速率非整數倍關係情況下的正確解調。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]說明書附圖用來提供對本發明的進一步理解，構成本發明的一部分，本發明的示意性實施例及其說明用於解釋本發明，並不構成對本發明的不當限定。在附圖中: 圖1為本發明解調過程的整體框圖。
[0018]圖2為FFT信號快捕獲實現時序關係圖。
[0019]圖3為載波快同步原理框圖。
【具體實施方式】
[0020]下面結合具體實施例和附圖對本發明作進一步的說明。
[0021]實施例:TCM-8PSK基帶信號的解調方法，主要是對TCM-8PSK基帶信號調製解調、信號處理、信息解析以及信號轉發的功能，其核心內容為TCM-8PSK信號在極低信噪比下的解調算法，TCM-8PSK的解調算法在FPGA中完成，解碼和解幀在DSP中完成。TCM-8PSK基帶信號解調方法的工作流程如圖1所示:中頻信號進過ADC將模擬信號變成數位訊號後，送入到FPGA，在FPGA中完成調製解調。其過程為:數位訊號送入FPGA首先完成信號的快速捕獲，然後經過下變頻模塊恢復出基帶IQ路信號，IQ路信號分別通過LPF濾波後，分別進入載波同步支路和碼元同步支路。信號進入載波同步支路，載波同步支路分為3條支路，載波快同步支路，載波慢同步支路和載波跟蹤支路。信號先完成載波快同步，當載波快速同步以後，進入到載波慢同步，結合V&V算法消除微小的頻率偏差，最後進入載波跟蹤階段，即保持信號的載波變化在可接受的範圍內，同時最大程度上減小載波同步環對信號造成的相位抖動；當信號進入碼元同步支路，在該支路中依次完成相位旋轉，CORDIC算法，多路符號判決，IQ信號選擇，碼元選擇，IQ信號歸一化，維特比解碼，RS解碼，信號碼元恢復，最終實現信號的正確解調。下面對解調步驟做進一步詳細說明:
1> FFT (Fast Fourier Transform-快速傅立葉變換)信號快捕獲模塊短包通信包頭有引導碼，其引導碼符號為長連O。信號捕獲的過程中，利用引導碼為單載波的條件，在FPGA中採用FFTipcore計算其頻譜，即使在信噪比極低的情況，引導碼段依然可以獲得尖銳的頻譜圖，通過檢測其頻譜圖的變化，可以快速準確的捕獲信號信噪比極低的信號。
[0022]信號捕獲實現的時序關係圖如圖2所示。信號捕獲是利用引導碼信號頻譜出現的脈衝作為捕獲依據，而信號捕獲的保持和釋放是利用DSP通過解調的信息包計算出的數據包長度值來進行信號的保持，當信號接收完成後釋放信號捕獲的標誌，進入下一包信號的捕獲等待狀態。
[0023]2、下採樣模塊
下採樣模塊實現信號由高速採樣變為低速採樣，並且頻譜產生搬移，這樣處理有利於在FPGA中可以實現高階濾波器，達到更好的濾波效果，同時後續信號的處理會在較低的時鐘頻率下完成，大大減小了 FPGA對後續處理的時序壓力。
[0024]3、選擇器
第一選擇器用來選擇信號載波同步由快速鎖定進入到慢速鎖定的控制。第二選擇器完成載波同步的選通。
[0025]4、FIFO (First In First Out-先進先出)緩存模塊
FIFO緩存用來緩存信號，當載波快速鎖定以後，通過第一選擇器輸出FIFO中緩存的值，完成載波慢速鎖定和跟蹤。
[0026]5、下變頻模塊 下變頻模塊採用正交解調方式完成載波剝離，恢復出基帶IQ路信號，其中NCO(Numerically Controlled Oscillator-數控振蕩器)的頻率控制字由載波同步模塊產生，控制其產生的載波相位和頻率。
[0027]6、LPF (低通濾波器)模塊
LPF模塊為低通濾波器，完成基帶信號的濾波，消除諧波和帶外雜散。
[0028]該處理器由於AD的採樣速率與碼元速率不為整數倍，在FPGA處理中，若存在有反饋的環路時，為了處理簡單有效，應儘量避免環路輸入輸出信號之間存在跨時鐘域問題。因此，信號進入LPF模塊之後，信號被分為兩路，一路為同時鐘域下實現載波同步支路，一路為跨時鐘域下實現碼元同步支路。
[0029]7、載波同步支路
載波同步支路包括載波快同步支路，載波慢同步支路和載波跟蹤支路。
[0030]載波快同步支路完成載波的快速同步，實現較大頻偏的糾偏。其採用的簡化的COSTAS (科斯塔斯)環鎖定頻率，並通過求平均值得到較準確的頻偏估計值，其原理圖如圖3所示。
[0031]載波慢同步支路和跟蹤支路是在信號完成載波快同步之後殘留頻偏的糾偏，並採用載波跟蹤方式將載波頻率保持在可以接受的範圍內波動，儘可能減少由環路濾波帶來的相位波動，提高解調準確率。其處理步驟為:從LPF模塊出來的信號經過採樣速率變換；進行FDRC (頻域升餘弦)，頻譜收縮在較窄的範圍內；通過CORDIC模塊計算相角；結合V&V算法，完成信號的非線性變換；變換後的信號經過慢同步COSTAS環完成信號的慢同步。當信號慢同步結束以後，從LPF模塊出來的信號經過採樣速率變換；進行FDRC(頻域升餘弦)，頻譜收縮在較窄的範圍內；通過CORDIC模塊計算相角；結合V&V算法，完成信號的非線性變換；信號通過跟蹤COSTAS環進入信號的跟蹤過程。當信號的信噪比極低的時候，信號的相位噪聲過大，信號的相位不易調整過於頻繁，因此該過程將慢同步和跟蹤過程在較低速率下完成，減小每個採樣點調整的頻率，達到穩定跟蹤的目的。
[0032]以上載波同步由第二選擇器完成選通任務。
[0033]8、碼元同步支路
該支路實現信號的碼元同步、判決、解幀等功能，實現信息碼元的最終恢復。其主要處理步驟如下:
信號通過採樣速率變換，完成非整數倍速率下的跨時鐘域處理。
[0034]處理後的信號經過TDRC (時域升餘弦)模塊濾波，完成匹配濾波。
[0035]正交解調的8PSK信號存在初相的模糊問題，因此相位旋轉模塊採用複數相乘的方法，消除信號的初相模糊問題。
[0036]CORDIC模塊計算符號象限，用於符號的判決。
[0037]多路符號判決模塊和碼元選擇模塊是碼元同步的核心內容。若上一級的採樣率為8*fb，fb為基帶碼元速率，則此處每一個符號可以依次判決出8路結果。通過計算得到8路信號中出現最大概率的符號值，同時選擇該符號值中最靠近中心採樣點的採樣符號即認為是實際該符號的正確解，同時刻為最佳採樣時刻，從而判斷出正確的符號值和最佳採樣時刻的IQ兩路幅度值，用於後續的維特比軟判決。這樣處理的好處為，若信號存在畸變的情況下，最佳採樣點並非中心判決點，該發明提出的碼元同步方法可以儘可能消除信號畸變帶來的影響。
[0038]IQ路歸一化模塊是將上述中IQ兩路幅度值通過初判決並歸一化到2 7範圍內，便於傳輸給DSP完成維特比的軟判決。
[0039]9、維特比編解碼模塊
採用軟判決的方式實現信號維特比解碼。
[0040]10、RS (Reed-Solomon)編解碼模塊 該模塊完成RS的編解碼。
[0041]11、時鐘分頻模塊
由於算法處理過程中存在信號採樣率的多次變換，因此需要不同速率的時鐘，該模塊完成信號時鐘的分頻和控制，保證時鐘的穩定，為算法時序的穩定奠定基礎。
[0042]12、信號控制模塊
由於算法處理過程涉及的模塊和功能比較多，需要專門設置一個模塊用於多路控制信號的統一管理，保證信號處理流程的清晰簡潔，為調試和控制提供支持。
[0043]以上所述僅為本發明的優選實施例而已，並不用於限制本發明，對於本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1.TCM-8PSK基帶信號解調方法，其特徵在於:包括以下步驟， 步驟一:數位訊號進入FPGA，進行FFT信號快捕獲，同時下採樣模塊將數位訊號高速採樣變為低速採樣； 步驟二:第一選擇器選擇信號載波同步進入快速鎖定或者慢速鎖定； 步驟三:下變頻模塊完成載波剝離，恢復出基帶IQ路信號； 步驟四:基帶IQ路信號分別通過LPF模塊； 步驟五:信號進入載波同步支路，同時信號進入碼元同步支路； 步驟六:經過步驟五中的進入碼元同步支路的信號流出FPGA，進入DSP ； 步驟七=WDSP中解調出的信息反饋給第一選擇器。
2.如權利要求1所述的TCM-8PSK基帶信號解調方法，其特徵在於:所述步驟一中的FFT信號快捕獲利用引導碼為單載波，在FPGA中採用FFTipcore計算引導碼的頻譜，通過檢測引導碼段的頻譜圖變 化來捕獲信號。
3.如權利要求1所述的TCM-8PSK基帶信號解調方法，其特徵在於:所述步驟五中的載波同步支路分為載波快同步支路，載波慢同步支路和載波跟蹤支路。
4.如權利要求3所述的TCM-8PSK基帶信號解調方法，其特徵在於:所述載波快同步支路採用簡化的COSTAS環鎖定頻率，再通過求平均值的方法得到頻偏估計值。
5.如權利要求3所述的TCM-8PSK基帶信號解調方法，其特徵在於:所述載波慢同步支路的處理步驟為， 步驟一、從LPF出來的信號經過採樣速率變換； 步驟二、信號經過FDRC模塊，使頻譜範圍收縮； 步驟三、信號通過CORDIC模塊； 步驟四、信號經過V&V模塊，完成信號的非線性變換； 步驟五、信號經過RAM後，信號進入慢同步COSTAS環。
6.如權利要求3所述的TCM-8PSK基帶信號解調方法，其特徵在於:所述載波跟蹤支路的處理步驟為， 步驟一、從LPF出來的信號經過採樣速率變換； 步驟二、信號經過FDRC模塊，使頻譜範圍收縮； 步驟三、信號通過CORDIC模塊； 步驟四、信號進入V&V模塊，完成信號的非線性變換； 步驟五、經過RAM後，信號進入信號跟蹤COSTAS環。
7.如權利要求3所述的TCM-8PSK基帶信號解調方法，其特徵在於:所述步驟五中的碼元同步支路的處理步驟為， 步驟一、從LPF出來的信號通過採樣速率變換，完成非整數倍速率下的跨時鐘域處理； 步驟二、信號經過TDRC模塊，完成匹配濾波； 步驟三、信號經過相位旋轉； 步驟四、信號通過CORDIC模塊； 步驟五、信號經過多路符號判決； 步驟六、信號經過碼元選擇和IQ信號選擇； 步驟七、IQ路歸一化，步驟八、 信號進入DSP進行處理。
【文檔編號】H04L27/22GK103532894SQ201310514693
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年10月28日 優先權日:2013年10月28日
【發明者】趙建宏, 喻娜, 折衛東, 李川 申請人:成都航天通信設備有限責任公司