中频数字解调器的载波同步算法研究

摘要

同步是中频数字解调器中一个非常重要的问题，解调系统性能的好坏很大程度上依赖于同步技术的优劣。其中，载波同步是同步的一个重要分支，是实现相干解调的基础。本文主要针对中频数字解调器的载波同步算法进行深入研究。
　　 本文首先介绍了中频数字解调器的结构及其关键技术，然后分析了中频数字解调的信号处理过程以及载波同步对解调性能的影响。在此基础上，重点研究了载波频率和相位同步算法。对于闭环载波同步方法，重点分析了叉积自动频率控制环(AFC)和Costas环的原理和性能。通过对各方面性能的比较，构建了AFC辅助Costas环的闭环结构实现载波同步，同时保证了载波同步的速度和精确度。对于开环载波同步算法，深入研究了FFT频偏估计、基于接收信号相位的频偏估计和最大似然载波频偏估计算法，从估计范围、估计均值和估计精确度等方面对各个算法的性能进行了分析比较。提出了一种最大似然估计简化算法，兼顾了估值范围和估值精确度。在上述研究的基础上，结合开环载波估计和闭环载波恢复的优点，提出了FFT频偏估计辅助解旋环的载波同步方案。用该方案实现的载波同步捕获速度快，跟踪性能好，可以在低信噪比大频偏范围内工作，并且计算简单，易于实现。同时，对载波锁定检测算法进行了研究，将传统的M阶非线性检测算法和在其基础上改进的自归一化载波锁定检测算法进行了分析比较。自归一化载波锁定检测算法具有不受信号幅度的影响，对AGC不敏感的优点。
　　 其中，FFT频偏估计辅助解旋环的载波同步方案和归一化载波锁定检测算法已成功应用于符号速率为8MSPS、中频频率60MHz的QDPSK中频全数字解调器的FPGA实现中，达到了项目的技术指标要求。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1课题研究背景

1.2载波同步的国内外研究现状

1.3本文的主要工作和内容安排

2中频数字解调的理论基础

2.1中频数字解调的原理

2.2中频数字解调的关键技术

2.2.1中频采样

2.2.2数字下变频技术

2.2.3多速率信号处理

2.3载波同步对解调器性能的影响

2.4本章小结

3闭环载波同步算法研究

3.1锁相环的基本结构

3.2自动频率跟踪控制环(AFC)

3.2.1延迟叉积AFC环路

3.2.2点积叉积AFC环路

3.3载波相位跟踪算法

3.3.1 M次方环

3.3.2判决反馈环

3.3.3数字科斯塔斯环

3.4载波锁定检测算法

3.4.1载波锁定检测算法的原理

3.4.2载波锁定检测算法的性能分析

3.5 Costas环性能分析

3.5.1捕获时间分析

3.5.2跟踪性能分析

3.6鉴频辅助的Costas环

3.7本章小结

4开环载波同步算法研究

4.1快速傅里叶变换载波频偏估计算法

4.1.1 FFT频偏估计的原理

4.1.2性能分析

4.2基于接收信号相位的频偏估计算法

4.2.1基本原理

4.2.2性能分析

4.3载波频偏的最大似然估计

4.3.1最大似然估计的原理

4.3.2最大似然估计的简化算法

4.3.3最大似然估计简化算法的性能分析

4.3.4一种新的最大似然估计简化算法

4.4载波相位估计

4.4.1基于非线性变换的相位估计

4.4.2 M方次相位估计

4.4.3最大似然估计

4.5本章小结

5 FFT频偏估计辅助解旋环载波同步方案

5.1 FFT频偏估计辅助解旋环载波同步原理

5.2相位解旋环的原理

5.3 FFT频偏估计辅助解旋环载波同步系统的性能

5.4本章小结

6总结

致谢

参考文献