基于DSP的高階COSTAS鎖相環(huán)的設計

1. 引言

MPSK調制是應用最為廣泛的數字調制方式之一。按照信號檢測理論，對MPSK調制信號的平均誤碼率最小的最佳接收方式為采用鎖相環(huán)路的相干接收方式。但是，MPSK調制信號是抑制載波的信號，不能用常規的鎖相環(huán)或窄帶濾波器直接提取參考載波。而且不同于一些相位連續的調制信號，其載波相位變化只能取有限的幾個(gè)離散值，說(shuō)明調制信號中包含了參考載波的相位信息?？梢酝ㄟ^(guò)非線(xiàn)性處理，消除信號中的調制信息，恢復調制信號中的隱含的載波信號，從而完成信號的相干解調。目前，常用的MPSK載波恢復的方法包括：平方環(huán)法，鎖相環(huán)法等。本文中，作者設計了新型的高階COSTAS環(huán)，它具有可靠、捕捉帶寬大、能快速實(shí)現同步的優(yōu)點(diǎn)。

2. 高階COSTAS環(huán)路的工作原理和結構

Costas在1956年首先提出采用同相－正交環(huán)來(lái)恢復載波信號。隨后，Riter等人證明跟蹤低信噪比的抑制載波信號的最佳裝置為COSTAS環(huán)及平方環(huán)。COSTAS環(huán)路是一種閉環(huán)自動(dòng)調整系統，傳統的模擬COSTAS環(huán)路因為同相支路與正交支路的不平衡性從而使環(huán)路的性能受到一定影響，并且模擬電路存在直流零點(diǎn)漂移、調試困難的缺點(diǎn)，而全數字COSTAS環(huán)可以避免以上缺點(diǎn)，而且基于軟件無(wú)線(xiàn)電原理的COSTAS環(huán)路具有很強的兼容性。

2.1 普通COSTAS環(huán)路的工作原理和設計

2.1.1 COSTAS環(huán)路的一般原理

COSTAS環(huán)路包括鑒相器、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器。鑒相器是一個(gè)簡(jiǎn)單的乘法器。LF(環(huán)路濾波器)在COSTAS環(huán)路中不僅能起到低通濾波器的作用，并決定了COSTAS環(huán)路的性能參數。由于理想二階有源環(huán)路濾波器性能遠優(yōu)于其它環(huán)路，鎖定時(shí)穩態(tài)相差為0，同步帶大，本文采用理想二階環(huán)路，其數字化原理圖如圖1所示。

圖1 COSTAS基本原理

2.2 多相信號中提取載波

對于BPSK有兩個(gè)相位，可用上述方法來(lái)提取載波。但是常用的MPSK有M個(gè)相點(diǎn)，不能采用圖1的COSTAS環(huán)路來(lái)提取載波，必須采用多相COSTAS環(huán)。

圖2 四相PSK信號COSTAS環(huán)原理框圖

3. 高階COSTAS環(huán)路的DSP算法優(yōu)化

從上面M=8的高階鎖相環(huán)的結構來(lái)看，8PSK信號進(jìn)入高階COSTAS環(huán)路，需要采用DSP實(shí)現八路鑒相器，八路低通濾波器（濾掉倍頻分量，得到低頻分量）和壓控振蕩器，計算量是非常龐大的。如何進(jìn)行資源合理配置、達到DSP實(shí)時(shí)處理是載波恢復的難點(diǎn)，因此需要對DSP程序的優(yōu)化作深入的研究。

在用C語(yǔ)言進(jìn)行DSP軟件開(kāi)發(fā)時(shí)，一般先在PC機上對算法進(jìn)行仿真，再將C語(yǔ)言移植到DSP平臺中。按照開(kāi)發(fā)的順序，相應的優(yōu)化工作也包括兩部分：一是仿真環(huán)境中的優(yōu)化，二是DSP目標環(huán)境的進(jìn)一步優(yōu)化。下面結合TI公司的TMS320C64x系列DSP的C編譯器，討論在MPSK的相干解調中的具體優(yōu)化工作。