高阶QAM系统载波恢复方法及装置

摘要

本发明公开了一种高阶QAM系统中载波恢复方法及装置，本发明中载波恢复分为两个阶段：粗载波恢复阶段和细载波恢复阶段。载波恢复开始默认使用基于极性判决算法的粗载波恢复阶段，捕获相对较大的频率误差，根据锁定检测的状态，当频率误差校正到低于一个设定值后，载波恢复切换到细载波恢复阶段，校正残留频率误差和相位误差。整个载波恢复方法装置具有较宽的频率误差捕获范围及锁定后较小相位抖动，且载波恢复的模式切换可靠性高。

权利要求

1.一种高阶QAM系统中载波恢复的方法，其特征是按如下步骤进行：-jθ(n)

a、将存在载波干扰的QAM信号y(n)与由数控振荡器产生的本地载波信号e 进行混频，得到校正后的信号q(n)，所述n为符号序列；

b、对校正后的信号q(n)进行I、Q分离,得到I路信号qI(n)和Q路信号qQ(n)；

c、对所述I路信号qI(n)进行功率检测，输出符合功率检测要求的I路信号qPI(n)；对所述Q路信号qQ(n)进行功率检测，输出符合功率检测要求的Q路信号qPQ(n)；

d、对所述符合功率检测要求的I路信号qPI(n)和符合功率检测要求的Q路信号qPQ(n)分别进行极性判决，得到判决后的I路信号qIS(n)和判决后的Q路信号qQS(n)；

e、利用所述符合功率检测要求的I路信号qPI(n)、符合功率检测要求的Q路信号qPQ(n)、以及判决后的I路信号qIS(n)和判决后的Q路信号qQS(n)进行相位误差检测，得到相位误差φe(n)：f、将所述相位误差φe(n)与预先设定的相位模糊阈值进行比较，所述相位模糊阈值为

45度；若所述相位误差φe(n)大于相位模糊阈值，则将当前相位误差值φe(n)舍弃，重复步骤f；若所述相位误差φe(n)小于相位模糊阈值，则按步骤g进行；

g、利用相邻两个符号序列的相位误差值φe(n)和相位误差值φe(n-1)进行频率误差值计算，得到频率误差值ferr(n)：ferr(n)＝φe(n)-φe(n-1) (2)

h、将所述频率误差值ferr(n)进行一阶低通滤波，得到一阶低通滤波后的频率误差值ferrL(n)；

i、将所述一阶低通滤波后的频率误差值ferrL(n)与频率误差阈值ferr_th(n)进行比较，所述频率误差阈值ferr_th(n)等于20K；若ferrL(n)≥ferr_th(n)，则进入粗载波恢复模式，所述粗载波恢复是将所述一阶低通滤波后的频率误差值ferrL(n)进行环路滤波，得到环路滤波后的频率误差fif(n)，用所述环路滤波后的频率误差fif(n)控制所述数控振荡器产生新的本地载波信号e-jθ(n)，完成粗载波恢复；

j、设置一个频率误差计数器，用于记录连续ferrL(n)

k、循环步骤a到步骤j的过程，完成高阶QAM系统中载波恢复。

2.根据权利要求1所述的高阶QAM系统中载波恢复方法，其特征是所述步骤c中功率检测的方法是：按式(3)首先计算所述I路信号qI(n)和Q路信号qQ(n)的功率之和P(n)，然后按式(4)输出所述功率之和P(n)大于功率阈值powerth的I路信号qPI(n)和Q路信号qPQ(n)：

2 2

|qI(n)|+|qQ(n)| ＝p(n) (3)

P(n)>powerth (4)

所述功率阈值powerth按表1确定：

表1

调制阶数 功率阈值

32QAM 31

64QAM 66

128QAM 154

256QAM 322

512QAM 682

1024QAM 1530

。

3.根据权利要求1所述的高阶QAM系统中载波恢复方法，其特征是所述步骤d中极性判决的方法是：按式(5)对所述I路信号qI(n)和Q路信号qQ(n)进行极性判决,将所述I路信号qI(n)和Q路信号qQ(n)分别判决到对应象限的角分线上，分别得到判决后的I路信号qIS(n)和判决后的Q路信号qQS(n)：

4.根据权利要求1所述的高阶QAM系统中载波恢复方法，其特征是所述步骤j中相位误差pherr(n)按式(6)计算获得：pherr(n)＝qId(n).qQ(n)-qQd(n).qI(n) (6)。

说明书

高阶QAM系统载波恢复方法及装置

技术领域

[0001] 本发明涉及数字通信和无线通信领域，尤其涉及使用同步技术进行高阶QAM系统载波恢复方法及装置。

背景技术

[0002] 在数字通信系统中，载波偏移对QAM调制过程影响非常大，这使得载波恢复技术显得尤为重要。因此，载波恢复是数字通信系统中一个必不可少的单元，它的目的是在接收端得到一个和发送端发送的信号具有同频同相的载波信号。高阶的QAM调制系统对相位抖动很敏感，在载波恢复后要求的相位抖动很小，同时发射端和接收端的射频振荡器的频率不匹配，可能会导致几百K赫兹的频率偏差，这就要求载波恢复环路应具有较大的校正频率误差的能力。

发明内容

[0003] 本发明目的是为了解决上述问题，提供一种高阶QAM系统中载波恢复方法及装置，通过粗载波载波恢复和细载波恢复两个过程，能够很好的校正较大的频率误差，同时校正载波恢复后较小的相位抖动问题，提高了高阶QAM系统中载波恢复的性能。

[0004] 本发明通过以下技术方案实现：

[0005] 本发明高阶QAM系统中载波恢复的方法的特点是按如下步骤进行：

[0006] a、将存在载波干扰的QAM信号y(n)与由数控振荡器产生的本地载波信号e-jθ(n)进行混频，得到校正后的信号q(n)，所述n为符号序列；

[0007] b、对校正后的信号q(n)进行I、Q分离,得到I路信号qI(n)和Q路信号qQ(n)；

[0008] c、对所述I路信号qI(n)进行功率检测，输出符合功率检测要求的I路信号qPI(n);对所述Q路信号qQ(n)进行功率检测，输出符合功率检测要求的Q路信号qPQ(n)；

[0009] d、对所述符合功率检测要求的I路信号qPI(n)和符合功率检测要求的Q路信号qPQ(n)分别进行极性判决，得到判决后的I路信号qIS(n)和判决后的Q路信号qQS(n)；

[0010] e、利用所述符合功率检测要求的I路信号qPI(n)、符合功率检测要求的Q路信号qPQ(n)、以及判决后的I路信号qIS(n)和判决后的Q路信号qQS(n)进行相位误差检测，得到相位误差φe(n)：

[0011]

[0012] f、将所述相位误差φe(n)与预先设定的相位模糊阈值进行比较，所述相位模糊阈值为45度；若所述相位误差φe(n)大于相位模糊阈值，则将当前相位误差值φe(n)舍弃，重复步骤f;若所述相位误差φe(n)小于相位模糊阈值，则按步骤g进行；

[0013] g、利用相邻两个符号序列的相位误差值φe(n)和相位误差值φe(n-1)进行频率误差值计算，得到频率误差值ferr(n)：

[0014] ferr(n)=φe(n)-φe(n-1) （2）

[0015] h、将所述频率误差值ferr(n)进行一阶低通滤波，得到一阶低通滤波后的频率误差值ferrL(n)；

[0016] i、将所述一阶低通滤波后的频率误差值ferrL(n)与频率误差阈值ferr_th(n)进行比较，所述频率误差阈值ferr_th(n)等于20K；若ferrL(n)≥ferr_th(n)，则进入粗载波恢复模式，所述粗载波恢复是将所述一阶低通滤波后的频率误差值ferrL(n)进行环路滤波，得到环路滤波后的频率误差fif(n)，用所述环路滤波后的频率误差fif(n)控制所述数控振荡器产生-jθ(n)新的本地载波信号e ，完成粗载波恢复；

[0017] j、设置一个频率误差计数器，用于记录连续ferrL(n)

[0018] 首先对所述q(n)信号的I路信号qI(n)和Q路信号qQ(n)进行星座点判决，所述星座点判决是使所述I路信号qI(n)和Q路信号qQ(n)的星座点用标准调制方式下的最接近的星座点代替，得到星座点判决后的I路信号qId(n)和星座点判决后的Q路信号qQd(n)；利用所述I路信号qI(n)Q路信号qQ(n)星座点判决后的I路信号qId(n)星座点判决后的Q路信号qQd(n)进行相位误差检测，得到相位误差值pherr(n)；将所述相位误差值pherr(n)进行环路滤波，得到环路滤波后的相位误差值phif(n)，用所述环路滤波后的相位误差值phif(n)-jθ(n)控制数控振荡器产生新的本地载波e ，完成精细载波恢复；所述环路滤波过程中，环路滤波系数由环路滤波系数寄存器产生，C1是所述频率误差fif(n)的环路滤波系数，可调范-6 -9 -9 -12
围在10 ～10 ，C2是所述相位误差值pherr(n)的环路滤波系数，可调范围在10 ～10 ；

[0019] k、循环步骤a到步骤j的过程，完成高阶QAM系统中载波恢复。

[0020] 本发明高阶QAM系统中载波恢复方法的特点也在于：

[0021] 所述步骤c中功率检测的方法是：

[0022] 按式(3)首先计算所述I路信号qI(n)和Q路信号qQ(n)的功率之和P(N)，然后按式（4）输出所述功率之和P(n)大于功率阈值powerth的I路信号qPI(n)和Q路信号qPQ(n)：

[0023] |qI(n)|2+|qQ(n)|2=p(n) (3)

[0024] p(n)>powerth (4)

[0025] 所述功率阈值powerth按表1确定：

[0026] 表1

[0027]调制阶数 功率阈值
32QAM 31
64QAM 66
128QAM 154
256QAM 322
512QAM 682
1024QAM 1530

[0028] 所述步骤d中极性判决的方法是：

[0029] 按式（5）对所述I路信号qI(n)和Q路信号qQ(n)进行极性判决,将所述I路信号qI(n)和Q路信号qQ(n)分别判决到对应象限的角分线上，分别得到判决后的I路信号qIS(n)和判决后的Q路信号qQS(n)：

[0030]

[0031] 所述步骤l中相位误差pherr(n)按式(6)计算获得：

[0032] pherr(n)=qId(n)·qQ(n)-qQd(n)·qI(n) (6)

[0033] 本发明用于实现高阶QAM系统中载波恢复方法的装置的特点是包括：

[0034] 混频器：用于将接收到的QAM信号与数控振荡器产生的本地载波信号进行混频，得到校正后的QAM信号q(n)；

[0035] I/Q分离器：用于将所述校正后的QAM信号q(n)分离成I路信号和Q路信号；

[0036] 功率检测：用于检测所述I路信号和Q路信号的功率，输出符合功率检测要求的I路信号qPI(n)和符合功率检测要求的Q路信号qPQ(n)；

[0037] 鉴频器：鉴频器由极性判决器、相位误差计算器、相位模糊检测器、频率误差计算器和一阶低通滤波器构成，其中所述极性判决器用于实现功率检测后QAM信号极性的判决；相位误差计算器用于完成QAM信号在极性判决后的相位误差计算；相位模糊检测器用于检测当前的频率误差是否超过系统规定的相位模糊域值；频率误差计算器用于完成利用连续两个QAM信号的相位误差得到频率误差的计算；一阶低通滤波器用于对频率误差值取平均值。通过对所述符合功率检测要求的I路信号qPI(n)和Q路信号qPQ(n)进行极性判决、相位误差计算、相位模糊检测、频率误差计算和一阶低通滤波，输出用于粗校正的频率误差值ferrL(n)；

[0038] 鉴相器：用于对所述q(n)号的I路信号qI(n)和Q路信号qQ(n)进行星座点判决得到星座点判决后的I路信号qId(n)和星座点判决后的Q路信号qQd(n)，再利用所述qI(n)、qQ(n)、qId(n)和qQd(n）进行相位误差检测，得到相位误差值pherr(n）；

[0039] 模式转换器：模式转换器由频率误差阈值存储器、环路参数存储器和模式控制器组成，其中所述频率误差阈值存储器用于存放模式切换的频率误差阈值；所述环路参数存储器用于存放频率误差值ferrL(n）和相位误差值pherr(n）环路的参数；所述模式控制器用于切换载波恢复模式及环路参数；通过所述模式转换器，完成粗校正模式和细校正模式之间的转换，输出频率误差值ferrL(n）或相位误差值pherr(n）以及相对应的环路参数；

[0040] 环路滤波器：用于对频率误差值ferrL(n）相位误差值pherr(n）进行环路滤波，滤除高频误差分量，提高系统的抗干扰性能，输出环路滤波后的频率误差fif(n）或环路滤波后的相位误差值Phif(n)。

[0041] 环路滤波系数寄存器：用于产生环路滤波系数。

[0042] 数字控制振荡器：用于对所述环路滤波后的频率误差fif(n）或环路滤波后的相位误差值phif(n）进行数控振荡，产生一个用于高阶QAM系统中载波恢复的本地载波信号-jθ(n)e 。

[0043] 与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

[0044] 1、本发明将载波恢复分为粗载波恢复和细载波恢复两个阶段进行，这样不仅可以校正较大的频率误差，同时也能校正载波恢复后很小的相位抖动对系统的影响。

[0045] 2、本发明中用于工作模式切换的阈值和环路滤波的参数可以根据QAM系统中不同的调制方式进行调节，提高了QAM系统的适应性。

[0046] 3、本发明中采用相位模糊检测技术，有效消除相位模糊问题，使系统不仅适用于方形的星座图调制(64QAM、256QAM、1024QAM)，同时也适用于十字形调制(128QAM、512QAM)。

[0047] 4、本发明的装置结构简单，便于实施。

附图说明

[0048] 图1是本发明高阶QAM系统中载波恢复方法示意图；

[0049] 图2是本发明环路滤波结构示意图；

[0050] 图3是本发明高阶QAM系统中载波恢复的模式切换流程图；

[0051] 图4是本发明高阶QAM系统中载波恢复装置结构示意图；具体实施方式：

[0052] 如图1所示，本实施例中高阶QAM系统中载波恢复的方法按如下步骤进行：

[0053] 步骤1、将存在载波干扰的QAM信号y(n)与由数控振荡器产生的本地载波信号-jθ(n)e 进行混频，得到校正后的信号q(n)，所述n为符号序列；

[0054] 步骤2、对校正后的信号q(n)进行I、Q分离,得到I路信号qI(n)和Q路信号qQ(n)

[0055] 步骤3、对所述I路信号qI(n)进行功率检测，输出符合功率检测要求的I路信号qPI(n);对所述Q路信号qQ(n)进行功率检测，输出符合功率检测要求的Q路信号qPQ(n)[0056] 步骤4、对所述符合功率检测要求的I路信号qPI(n)和符合功率检测要求的Q路信号qPQ(n)分别进行极性判决，得到判决后的I路信号qIS(n)和判决后的Q路信号qQS(n）；

[0057] 步骤5、计算相位误差：利用所述符合功率检测要求的I路信号qPI(n)、符合功率检测要求的Q路信号qPQ(n)、以及判决后的I路信号qIS(n)和判决后的Q路信号qQS(n)进行相位误差检测，得到相位误差φe(n)：

[0058]

[0059] 步骤6、相位模糊检测：将所述相位误差φe(n)与预先设定的相位模糊阈值进行比较，所述相位模糊阈值为45度；若所述相位误差φe(n)大于相位模糊阈值，则将当前相位误差值φe(n)舍弃，重复步骤f；若所述相位误差φe(n)小于相位模糊阈值，则按步骤g进行；

[0060] 步骤7、计算频率误差：利用相邻两个符号序列的相位误差值φe(n)和相位误差值φe(n-1)进行频率误差值计算，得到频率误差值ferr(n)：

[0061] ferr(n)=φe(n)-φe(n-1) （2）

[0062] 步骤8、将所述频率误差值ferr(n)进行一阶低通滤波，得到一阶低通滤波后的频率误差值ferrL(n)；

[0063] 步骤9、如图2所示，将所述一阶低通滤波后的频率误差值ferrL(n)与频率误差阈值ferr_th(n)进行比较，所述频率误差阈值ferr_th(n)等于20K；若ferrL(n)≥ferr_th(n)，则进入粗载波恢复模式。粗载波恢复是将所述一阶低通滤波后的频率误差值ferrL(n)进行环路滤波，如图3所示，得到环路滤波后的频率误差fif(n)，用环路滤波后的频率误差fif(n)控-jθ(n)制数控振荡器产生新的本地载波信号e ，完成粗载波恢复；

[0064] 步骤10、如图2所示，设置一个频率误差计数器，用于记录连续ferrL(n)

[0065] 首先对q(n)信号的I路信号qI(n)和Q路信号qQ(n)进行星座点判决，星座点判决是使I路信号qI(n)和Q路信号qQ(n)的星座点用标准调制方式下的最接近的星座点代替，得到星座点判决后的I路信号qId(n)和星座点判决后的Q路信号qQd(n)；计算相位误差：利用所述I路信号qI(n)Q路信号qQ(n)星座点判决后的I路信号qId(n)和星座点判决后的Q路信号qQd(n)进行相位误差检测，得到相位误差值pherr(n)；将所述相位误差值pherr(n)进行环路滤波，如图3所示，得到环路滤波后的相位误差值phif(n)，用所述环路滤波后的相位-jθ(n)误差值phif(n)控制数控振荡器产生新的本地载波e ，完成精细载波恢复；图3中的环路滤波系数由环路滤波系数寄存器产生，C1是频率误差fif(n)的环路滤波系数，可调范围-6 -9 -9 -12
在10 ~10 ，C2是相位误差值pherr(n)的环路滤波系数，可调范围在10 ~10 ；

[0066] 步骤11、循环步骤1到步骤10的过程，完成高阶QAM系统中载波恢复。

[0067] 上述步骤3中，功率检测的方法按如下方法进行：

[0068] 按式(3)首先计算I路信号qI(n)和Q路信号qQ(n)的功率之和P(n)，然后按式（4）输出所述功率之和P(n)大于功率阈值powerth的I路信号qPI(n)和Q路信号qPQ(n)：

[0069] |qI(n)|2+|qQ(n)|2=p(n) (3)

[0070] p(n)>powerth (4)

[0071] 功率阈值powerth按表1确定：

[0072] 表1

[0073]调制阶数 功率阈值
32QAM 31
64QAM 66
128QAM 154
256QAM 322
512QAM 682
1024QAM 1530

[0074] 步骤4中，极性判决的方法按如下方法进行：

[0075] 按式（5）对I路信号qI(n)和Q路信号qQ(n)进行极性判决,将所述I路信号qI(n)和Q路信号qQ(n)分别判决到对应象限的角分线上，分别得到判决后的I路信号qIS(n)和判决后的Q路信号qQS(n)：

[0076]

[0077] 步骤10中相位误差pherr(n）pherr(n）按式(6)计算获得：

[0078] pherr(n）=qId(n）·qQ(n）-qQd(n）·qI(n） (6)

[0079] 如图4所示，本实施例中用于实现高阶QAM系统中载波恢复方法的装置包括：

[0080] 混频器：用于将接收到的QAM信号与数控振荡器产生的本地载波信号进行混频，得到校正后的QAM信号q（n）；

[0081] I/Q分离器：用于将所述校正后的QAM信号q（n）分离成I路信号和Q路信号；

[0082] 功率检测：用于检测所述I路信号和Q路信号的功率，输出符合功率检测要求的I路信号qPI(n）和符合功率检测要求的Q路信号qPQ（n）；

[0083] 鉴频器：鉴频器由极性判决器、相位误差计算器、相位模糊检测器、频率误差计算器和一阶低通滤波器构成，其中所述极性判决器用于实现功率检测后QAM信号极性的判决；相位误差计算器用于完成QAM信号在极性判决后的相位误差计算；相位模糊检测器用于检测当前的频率误差是否超过系统规定的相位模糊域值；频率误差计算器用于完成利用连续两个QAM信号的相位误差得到频率误差的计算；一阶低通滤波器用于对频率误差值取平均值。通过对所述符合功率检测要求的I路信号qPI(n)和Q路信号qPQ(n）进行极性判决、相位误差计算、相位模糊检测、频率误差计算和一阶低通滤波，输出用于粗校正的频率误差值ferrL(n）；

[0084] 鉴相器：用于对所述q（n）信号的I路信号qI(n）和Q路信号qQ(n）进行星座点判决得到星座点判决后的I路信号qId(n)和星座点判决后的Q路信号qQd(n），再利用所述qI(n）、qQ(n）、qId(n0和qQd(n）进行相位误差检测，得到相位误差值pherr(n）；

[0085] 模式转换器：模式转换器由频率误差阈值存储器、环路参数存储器和模式控制器组成，其中所述频率误差阈值存储器用于存放模式切换的频率误差阈值；所述环路参数存储器用于存放频率误差值ferrL(n）和相位误差值pherr(n）的环路的参数；所述模式控制器用于切换载波恢复模式及环路参数；通过所述模式转换器，完成粗校正模式和细校正模式之间的转换，输出频率误差值ferrL(n）或相位误差值pherr(n）以及相对应的环路参数；

[0086] 环路滤波器：用于对频率误差值ferrL(n）或相位误差值pherr(n）进行环路滤波，滤除高频误差分量，提高系统的抗干扰性能，输出环路滤波后的频率误差fif(n）或环路滤波后的相位误差值phif(n)。

[0087] 环路滤波系数寄存器：用于产生环路滤波系数。

[0088] 数字控制振荡器：用于对所述环路滤波后的频率误差fif(n）或环路滤波后的相位误差值phif(n）进行数控振荡，产生一个用于高阶QAM系统中载波恢复的本地载波信号-jθ(n)e 。