一種通用MPSK載波同步方法及其FPGA實現(xiàn)

李湘魯

(中國工程物理研究院電子工程研究所,四川綿陽621900)

0 引言

載波恢復是數(shù)字通信調(diào)制解調(diào)器中一個關(guān)鍵組成部分,特別是在有大范圍載波頻率偏差的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中,更需要有頻率跟蹤控制環(huán)路輔助載波相位跟蹤環(huán)路。首先提出一種用于MPSK信號的適應大頻偏的快速傅里葉變換(FFT)載波頻偏估計器結(jié)構(gòu),無需輔助數(shù)據(jù)(NDA),能直接檢測得到載波頻偏絕對值大小。同時給出一種適合MPSK信號的通用鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)。具體介紹FFT載波頻偏估計器與通用鎖相環(huán)在FPGA中的實現(xiàn)過程,并給出硬件實現(xiàn)結(jié)果和具體性能。

1 載波同步原理

MPSK(多相移鍵控)調(diào)制信號在無線通信系統(tǒng)中有著廣泛的應用,因此研究其載波恢復方法具有普遍的意義。在工程應用中常首先用最大似然頻率估計法將絕對頻率縮小到一定范圍后采用鎖相環(huán)進行精確載波同步,本文也采用同樣的思路。

在信噪比足夠高時最大似然頻率估計是無偏的,同時也有非線性估計器所共有的門限效應:即在信噪比低于某個門限時,均方估計誤差上升很快。而在門限以上,均方估計誤差可以達到Cramer-Rao限[1]。最大似然估計的均方誤差除了在極靠近邊帶的地方之外,均與實際頻率無關(guān)。FFT算法可以看成是最大似然估計的逼近。

假設(shè)位定時已知,用于計算的樣點從匹配濾波器之后提取,每符號提取一個最佳采樣點;匹配濾波器沖激響應滿足奈奎斯特無碼間串擾采樣定理[2]。匹配濾波后的輸入信號可以表示為:

式中,P為信號功率;dn為調(diào)制數(shù)據(jù),Δf為頻偏絕對值;Ts為符號周期;φ0為載波初始相位;zn為高斯噪聲。

提出的MPSK信號載波同步整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 MPSK載波同步結(jié)構(gòu)

圖1中,MPSK載波同步結(jié)構(gòu)包括數(shù)字下變頻、FFT頻率估計模塊、通用鎖相環(huán)相位跟蹤模塊和NCO控制模塊等。

FFT頻率估計部分首先要將已調(diào)制信號疊加在未調(diào)載波上的調(diào)制相位去除,因此,第1步就要去調(diào)制。去調(diào)制后要將去調(diào)制后的相位映射到同相和正交分量上。將2個分量送入FFT處理器中,選擇最大值的位置。最后根據(jù)采樣頻率和FFT計算點數(shù)將最大值映射到實際的頻率值。

頻偏導致未調(diào)載波的相位以每符號2πΔfTs速率變化,為了得到頻偏估計值就必須去除數(shù)據(jù)調(diào)制的影響以得到未調(diào)載波。去調(diào)制可以分為DA和NDA兩種方法,其中DA方法一般用于有前導碼字的系統(tǒng),NDA方法一般采用模2π/M和M次方法。本文中采用了M次方法,有

式中,θn為調(diào)制數(shù)據(jù)相位;Vn為等效相位噪聲。因為 θn為 2π/M的整數(shù)倍,將r′n的相位模 2π是不影響相位值運算,可以得到:

將去調(diào)制之后的信號送入FFT模塊中,再通過搜索FFT輸出信號的最大值所在位置即可推算出絕對頻偏的大小。

通過FFT頻偏估計算法得到頻偏估計值并輸入數(shù)控振蕩器(NCO)之后,就可以使用鎖相環(huán)對載波相位進行精確跟蹤以提高解調(diào)精度。為適應多種PSK調(diào)制體制需求,采用一種通用鎖相環(huán)對MPSK信號進行相差檢測。該通用鎖相環(huán)鑒相特征函數(shù)如下[3]:

可見該鎖相環(huán)鑒相過程僅需要與非門異或器、加法器和多電平限幅器非常適合FPGA實現(xiàn)。通過對調(diào)制樣式的選擇可以對多電平限幅器進行定義,就可用于對BPSK、QPSK、8PSK等多種調(diào)制信號的載波同步。

2 載波同步FPGA實現(xiàn)

通過介紹MPSK信號載波同步原理,下面主要介紹如何通過FPGA來實現(xiàn)載波同步兩大主要模塊,即FFT頻率估計模塊與通用鎖相環(huán)模塊。下面以QPSK信號為例進行分析。

2.1 FFT測頻模塊實現(xiàn)

2.1.1 去調(diào)制模塊

去調(diào)制可以使用2種方法來實現(xiàn):①通過反正弦求取每個符號的相位值,反正弦函數(shù)可通過查表法計算。本方法運算量很小,對硬件要求較低,但是由于反正弦函數(shù)在不同的取值范圍內(nèi),變化速率變化很大,如果查找表的內(nèi)容采用線性計算方式,那么查找表的尺寸將很大。如果要將查找表的尺寸壓縮到可接受的程度,那么其精確度又是不能接受的,故具有一定局限性;②直接采用復數(shù)乘法器進行M次方運算將I/Q數(shù)據(jù)去調(diào)制,該方法運算量較大,對硬件要求較高,但精度較高。本文采用第2種方法,復數(shù)乘法器可以自己搭建或采用Xilinx公司提供的復數(shù)乘法器IP核。

2.1.2 FFT處理模塊

FFT處理模塊是頻率估計模塊的核心部件,本文中采用Xilinx公司提供的FFT v5.0 IP核來實現(xiàn)。考慮到硬件實際情況與測頻精度要求,確定FFT點數(shù)為4 096點,輸入輸出位數(shù)均為16位。為減少對硬核乘法器(DSP 48s)的使用量,FFT IP核設(shè)置為Radix-2 Burst I/O模式。為了方便后續(xù)對FFT輸出信號的最大值所在位置進行搜索,將“Output Ordering”選項設(shè)置為“Natural Order”。

2.1.3 搜索最大值與頻率映射

在FFT運算完成之后,就得到4 096組輸出信號(實部與虛部)以及對應的INDEX值,將輸出信號進行取模運算之后得到FFT運算的絕對值,再通過搜索4 096個絕對值中的最大值就可得到FFT譜線峰值所對應的INDEX值。記該最大INDEX值為N,FFT IP核的采樣時鐘為fs,可以得到實際頻偏計算公式為:

式中,乘以1/4是因為針對QPSK信號做的去調(diào)制時引入4倍數(shù)關(guān)系。

2.2 通用鎖相環(huán)模塊實現(xiàn)

鎖相環(huán)一般都由鑒相器、環(huán)路濾波器與數(shù)控振蕩器3部分組成。本文中數(shù)控振蕩器分別為FFT測頻模塊與鎖相環(huán)模塊共用。主要介紹前2部分實現(xiàn)要點。

其中鑒相器部分實現(xiàn)結(jié)構(gòu)在上面已詳細介紹,需要注意的是針對不同的調(diào)制體制選取不同電平幅度。環(huán)路濾波器的結(jié)構(gòu)已有很多文章詳細說明,這里就不贅述。主要工作是設(shè)計合理的環(huán)路濾波器帶寬,本文中的FFT測頻模塊的頻偏估計精度是與采樣率掛鉤的,以采樣率為4倍符號率為例,則估計出的頻偏為符號率的千分之一以內(nèi)。以此為依據(jù),設(shè)計捕獲能力為符號率的1/1000到1/500的鎖相環(huán)即可滿足要求。

2.3 下變頻模塊與控制模塊

要實現(xiàn)MPSK信號載波同步,下變頻模塊是不可或缺的。通常下變頻模塊由混頻器、CIC濾波器、半帶濾波器和數(shù)控振蕩器(NCO)等組成。在工程中既可使用FPGA來實現(xiàn),也可以使用專用DDC芯片,如ISL5416、GC5016等來實現(xiàn)。這里采用FPGA來實現(xiàn),DDC模塊中各個組件的設(shè)計實現(xiàn)方法也有較多文章論述,這里不再闡述。

由于FFT測頻模塊產(chǎn)生的頻控字(FW)與通用鎖相環(huán)模塊產(chǎn)生的相控字(PW)均要控制下變頻模塊中的NCO,如何控制好二者發(fā)送順序就很關(guān)鍵。本文中是通過FFT測頻模塊檢測到輸入信號頻偏值大于一定門限時就發(fā)送頻控字,小于門限時發(fā)送相控字。還以采樣率為4倍符號率為例,檢測當輸入信號頻偏大于1/1000的符號率時就發(fā)送頻控字,直到檢測到頻偏小于1/1000的符號率時才發(fā)相控字。

3 性能驗證與分析

整個MPSK信號載波同步電路主要分為FFT頻率估計、通用鎖相環(huán)、命令字發(fā)送控制與數(shù)字下變頻4個模塊:使用ISE開發(fā)軟件,本電路在Xilinx公司的Virtex4系列芯片的XC4VLX200上實現(xiàn),對碼速率Rb=2 Mbps的QPSK信號在信噪比SNR=5 dB的條件下測量載波頻率,FFT模塊估計的載波頻率值平均誤差為0.21%,最大誤差為0.35%,具體數(shù)據(jù)如表1所示。經(jīng)過測試表明,在信噪比大于2 dB的情況下FFT模塊可以正常工作,當信噪比低于2 dB后FFT測頻性能很快惡化。

表1 FFT頻率頻率估計表

本載波同步電路使用Virtex4系列XC4VLX200芯片進行綜合,使用了Slice 11020個占全部的6%,硬核乘法器Dsp48s使用24個,RAMB16s資源使用30個占全部8%。整個電路可以工作到128.9MHz。

4 結(jié)束語

針對MPSK信號提出一種適合多體制的通用載波同步方案,介紹其主要原理與關(guān)鍵模塊設(shè)計方法,并利用FPGA開發(fā)軟件通過硬件加以實現(xiàn)。通過測試,該載波同步電路具有適應較大頻偏變化范圍、較低信噪比、占用硬件資源較少等良好特性,并已應用于某通用數(shù)字解調(diào)設(shè)備中。

[1]RIFE D,BOOR STYN R.Single-tone Parameter Estimation from Discrete-time Observations[J].IEEE Trans on Information Theory,1974,20(5):591-598.

[2]葉淦華,張邦寧.基于FFT的校頻技術(shù)及其FPGA實現(xiàn)[J].電子工程師,2007,33(2):31-34.

[3]FILIP M,PANG K H.Simulation of a Universal Base-band Carrier Recovery Loop[J].New Synchronisation Techniques for Radio Systems,IEE Colloquium on,1995(11):51-56.