科斯塔斯环总结报告.docx

Costas环研究总结报告研究目的:高速移动通信系统中,收、发送机的相对运动使得接收信号不可避免地形成快衰落信道,从而引入较大的多普勒偏移和多普勒变化率,故此必须纠正或补偿多普勒频偏和多普勒变化率,以保证收发系统间的信号同步。由于较大的多普勒频偏和多普勒变化率的存在,造成接收载波与给定载波在频率和相位上均存在较大的差别,为正确解调需使用载波跟踪机制来提取相干载波,costas环路是高效、可靠的跟踪环路,在成熟系统中常见来来提取接收信号相干载波,以实现对接收信号进行精确相干解调,确保收发系统信号间高可靠和高精度的同步。二、性能要求:依系统指标需求,要求该环路能够狗在100us(约合200个复值信号点)之内达到求解稳定,输出相干载波的实时频偏估测值,并纠正频偏,纠偏范围依系统指标需求应达到1khz-30khz(载波2Mhz);频率抖动范围在频偏的10%以内(噪声≤10db);相位抖动范围在±5o(噪声≤10db)。基于costas环路的高效性和可靠性以及较低的实现代价,本课题经过仿真验证,选择该环路作为该功能模块的实现环路。三、costas环路基本原理概述:Costas环路在系统架构中的接入示意图如图1所示:图1costas环路系统架构中的接入图Costas环路功能结构图如图2所示:图2costas环路功能结构图设输入的下变频后的2PSK信号(假设没有GAWN噪声影响),其中m(t)是基带调制信号cos(WCt)是调制载波,假定环路锁定,且不考虑噪声影响,则振荡器输出的两路互为正交的本地载波分别为(2)(3)为本地载波与输入相干载波之间的相位差。由图1所示输入信号分别与锁定后的本地载波即式(2)、(3)相乘得到(4)(5)经过低通滤波器滤除2倍分量得到(6)(7)V5和V6相乘得到(8)能够把上面部分看做是一个鉴相的过程,就是鉴相结果。环路滤波器的功能结构图如图3所示:图3环路滤波器则经过环路滤波器得到(10)环路滤波器输出相角,控制VCO的相位和频率,使一直变小直到接近于0,此时锁相环进入稳定状态,此时V1就是所需的相干载波,而V5就是相干解调输出。四、costas环路具体算法实现图4QPSK信号相干载波提取与相干解调实现下变频后得到两路信号(假设在理想状态下点的偏转只和频偏有关忽略噪声的影响)(9)为初相,等于频偏和载波的比值。VCO输出信号能够表示为(10)令(9)与(10)相乘(11)(12)(13)鉴相:1)反正切函数法(14)基于QPSK调制,QPSK调制所有的点都位于,若想正确解调信号,则解调后的所有点都应位于旋转的坐标轴上。相角为(15)符号函数法(16)乘法器+低通滤波器法令已调信号VCO输出(17)经过低通滤波器滤除2倍分量得到(18)综上所述三种鉴相方法,(2)和(3)都用到(这公式只在很小时成立,因此(1)精确度最高,本研究采用反正切函数法。环路滤波器:环路滤波器对输入信号的噪声起抑制作用,并调节环路的矫正速度。常见的环路滤波器有无源比例积分滤波器,有源比例积分滤波器,理想比例积分滤波器。选择理想比例积分滤波器进行讨论:图3理想比例积分滤波器(19)K1和K2是此环路滤波器的两个系数,(20)为环路增益,是锁相环阻尼系数,为环路固有角频率,是环路噪声带宽,是环路滤波器的采样周期(即NCO相位调整时间间隔)。根据(20)式计算环路滤波器系数:确定阻尼系数()。根据锁相环的跟踪精度要求及跟踪范围要求确定其等效噪声带宽(一般取为信息数据速率)。由量化的阶数及NCO输出的量化幅度值计算环路增益。VCO:用于根据给定的相角产生正弦和余弦三角函数。根据接收信号得到相角,经过环路滤波器后去控制VCO的输出,使得相角逐渐变小,最终使相角减小到很小的数值,得到稳定的能够估计出频率偏移,re和im就是信号的相干解调后的实部和虚部。五、VHDL仿真实现已下变频调制后的QPSK信号I和Q两路,载波2Mhz,噪声10dB,设定环路滤波器系数C1=1/2,c2=1/2^7。VHDL各模块端口描述:PONENTcostas_PLL3PORT(clk200m:INstd_logic;------200M时钟用于高速计算clk2m:INstd_logic;-----2M时钟信号输入时钟rst:INstd_logic;-----复位信号高有效IM_in:INstd_logic_vector(15downto0);------输入信号虚部RE_in:INstd_logic_vector(15downto0);------输入信号实部chu_enable:INstd_logic;-----chu序列有效标志位data_enable:INstd_logic;-----有效数据有效标志位IM_out:OUTstd_logic_