用于卫星通信系统的PSK调制信号接收机的载波锁相检测设备

摘要

载波锁相检测设备被设置在包括压控振荡器(VCO)、解调器、鉴相器和环路滤波器的PSK调制装置中，该设备包括用VCO的基准载波信号逆向地调制解调信号的第一乘法器、将第一乘法器的输出乘以输入的PSK调制信号的第二乘法器以及根据第二乘法器的输出检测载波锁相的判断电路。

说明书

本发明涉及在卫星通信系统的PSK调制的信号接收机中的载波锁相检测设备。

由于多普勒频移、本地振荡器的漂移和/或在地面一侧或卫星一侧的自动频率控制（AFC）中的剩余不得不对卫星通信系统中使用的载频进行补偿。特别是由于通常希望减小卫星地面站的尺寸和造价，使用了较低稳定性的振荡器，所以导致了载频的较大偏移。因此在接收机中已采用了各种措施来获得快速的载波频率和相位捕获以便克服这样的频率偏移。例如，这样的设计，在接收机中广泛用于载波恢复的锁相环（PLL）电路，使得在PLL电路中的输出基准载波信号的压控振荡器（VCO）被频率控制扫频直至输入载波被捕获为止。这样一来，即使存在载波频率偏移也能捕获载波。另外，为了缩短锁相时间和克服载波频率偏移，设计PLL电路使其在载波捕获期间具有较大的环路带宽，在载波捕获之后环路带宽被转换为较窄的带宽以便能够克服噪声进行载波捕获。

在移动卫星通信系统中，由在运输通道上的建筑物和其它障碍物造成的接收信号静区另外导致VCO的误操作。因此需要尽可能迅速地检测静区的存在，由此在静区期间根据错误相位差检测信号禁止对VCO的控制。

为了转换PLL电路中的上述环路带宽和检测在移动卫星通信中的静区，提供载波锁相检测功能来检测载波锁相条件。图1表示包括已有技术载波锁相检测设备的常用PSK调制信号接收机。

在图1中，包括VCO1、解调器2、鉴相器3和环路滤波器4的PLL电路装置解调输入的PSK调制信号并传送解调的数据。为了载波锁相检测使用了唯一字（UW）检测电路5和帧同步电路6。因此，电路6的帧同步信号作为载波锁相检测信号被传送给扫频控制电路7。当建立了帧同步时，扫频控制电路7停止对VCO1的扫频操作。在该图中，加法器8对环路滤波器4和扫频控制电路7的控制信号求和。对载波锁相检测也有利用前向纠错（FEC）技术的方法。

上述已有技术的载波锁相检测设备存在以下不足。对于利用UW检测电路的已有技术，由于通常排列包括UW的帧单元使其具有大量的比特，所以需要很长时间进行载波锁相检测。此外;在移动卫星通信系统中，为了分散由静区造成的猝发错误，在很长的帧单元中对与UW有关的数据进行隔行扫描。这时帧同步是通过检测帧中的隔行扫描的UW来判断的。因此，利用UW检测电路的已有技术的载波锁相检测设备需要较长的时间在移动卫星通信系统中进行载波锁相检测。顺便说说，隔行扫描的帧长度是在静区时间内和接收功率变化期间内被确定的，其它不足是利用UW检测电路的已有技术需要复杂的电路结构，并且解调电路结构另外需要UW检测电路和帧同步电路。

另一方面，由于FEC技术需要冗余信息进行纠错，所以利用FEC技术的已有技术也有需要较长的时间进行载波锁相检测的不足。

因此，已有技术的载波锁相检测设备不能够象所希望那样迅速地进行载波锁相检测。

因此，本发明的目的就是提供能够进行快速载波锁相检测的载波锁相检测设备。

本发明的另一个目的是提供具有简单的电路结构并且能够装备有解调电路的载波锁相检测设备。

本发明提供的载波锁相检测设备包括根据控制信号产生基准载波信号的压控振荡器、根据基准载波信号解调接收的PSK调制信号以便提供解调信号的解调器、根据解调信号检测接收的PSK调制信号和基准载波信号之间的相位差以便提供相位差信号的鉴相器、滤波相位差信号以便提供控制信号的环路滤波器、延迟接收的PSK调制信号以便提供延迟的PSK调制信号的延迟装置、将解调信号乘以基准载波信号以便逆向地调制解调信号的第一乘法器、将第一乘法器的输出乘以延迟的PSK调制信号的第二乘法器和根据第二乘法器的输出确定载波锁相的判断装置。

图1是表示包括已有技术的载波锁相检测设备的常用解调装置的方框图;

图2是表示本发明实施例的方框图;

图3表示图2所示的解调器的电路结构;

图4表示图2所示的鉴相器的特性;

图5说明图2所示实施例的运行。

参看图2，附加的电路结构9被装备有图1所示的常用PLL电路装置。在图2中，用于载波锁相的PLL电路装置包括输出基准载波信号的压控振荡器（VCO）1、解调数字调制的两相PSK信号的解调器2、根据解调信号提供输入信号和VCO1的输出之间的相位差的鉴相器3和滤波鉴相器3的输出的环路滤波器4。用于载波锁相检测的附加电路结构9包括延迟输入信号的延迟电路10、将解调器2的解调信号乘以基准载波信号的乘法器11、将乘法器11的输出乘以被延迟电路10延迟的信号的乘法器12、滤波乘法器12的输出的滤波器电路13以及通过将滤波器电路13的输出与预置的阈值作比较给出关于载波相位是否已被锁住的判断的判断电路14。

以下将描述这一实施例的运行。两相PSK信号在频带被限制和如图3所示被以VCO1输出的基准载波进行正交检测后被输入到解调器2。由这一正交检测得到的正交解调信号被输出给鉴相器3。鉴相器3输出一输入信号和一误差信号，该误差信号相应于VCO1输出的基准载波的相位和输入信号的相位之间的相位差。误差信号的高频分量被环路滤波器4抑制并被传送给VCO1。这一锁相环沿着相对于输入信号压缩相位误差方向控制VCO1的基准载波信号的相位并使两相PSK信号能被正确地解调。

参看公式描述这一解调过程。在时刻t的PSK信号S（t）由公式（1）表示。

S（t）＝A（t）e^j（ω^ct+θ^i（t））…（1）

其中A（t）是发送数据代码±d，ωc是输入信号的载频，而θi（t）是输入载波信号的相位。VCO1的基准载波信号r（t）由公式（2）表示。

r（t）＝e^-j（ω^ct+θ^o（t））…（2）

其中θo（t）是基准载波的相位。解调器2通过复数乘法检测输入信号S（t）和基准载波信号r（t）以便给出由公式（3）表示的结果。

S（t）·r（t）＝A（t）e^j（θ^i（t）-θ^o（t））

＝A（t）e^jθ^e（t）

＝A（t）｛cosθe（t）+jsinθe（t）｝    …（3）

其中θe（t）是θi（t）-θo（t），表示输入信号和基准信号之间的相位差。就两相PSK信号而言，因为在其中实部A（t）cosθe（t）和虚部A（t）sinθe（t）相互正交的同相和四相解调信号的缘故，所以鉴相器的检测特性如图4所示，给出由公式（4）表示的误差信号e（t）

e（t）＝A（t）sinθe（t）·SGN[A（t）cosθe（t）]    …（4）

其中SGN[    ]表示正负号函数（硬限制器）。这一误差信号被滤波并被传送给VCO1。环路滤波器4选择环路的传递函数以便确定环路的特性。锁相环如此地动作以便将输入信号和VCO1的基准信号之间的相位差减少到零。

此外，当解调器2的解调信号被乘法器11利用VCO1输出基准载波逆向地调制时，乘法器11的输出信号用公式（5）来表示。

｛S（t）·r（t）｝·r（t）＝A（t）e^j（θ^e（t）-ω^ct-θ^o（t））…（5）

其中延迟电路5是将输入信号延迟解调和逆向调制所需的时间的电路。然后乘法器12将其延迟已被调整的输入信号乘以乘法器11的输出以便输出由公式（6）表示的信号Y（t）。

Y（t）＝A²（t）e^j2θ^e（t）

＝A²（t）cos（2θe（t））+jA²（t）sin（2θe（t））…（6）

当载波相位在PLL中被同步并且输入信号和由VCO1输出的基准载波之间的相位差变得较小时，在由乘法器12输出的信号的实部和虚部中的cos2θ和sin2θ分别成为1和0。因此，当载波相位被锁住时，就从乘法器12的输出信号的实部和虚部得到其Re Y（t）由d²表示和Im>

通过分别求这些信号的平均值并分别将它们与合适的阈值进行比较就能够检测载波相位的锁定。详细来说，乘法器12的输出信号被低通滤波器电路13平均以便减少信号的信噪比较低时的误检测和无法检测。判断电路14通过与预置的阈值比较给出载波相位是否被锁住的判断。因此，如在图5的示意图中所示，如果载波相位锁定在乘法器12的输出信号电平超过阈值的时刻被检测，相位锁定状态将会被证实。否则，就认为没有建立载波相位锁定。在图5中，虽然只描述了信号Re，但也能够用信号Im的值“零”来确定何时载波相位被锁住。很容易设计接收两个信号Re和Im、给出判断输出的逻辑电路。虽然判断电路14在图4中也在±π处检测载波相位锁定，但这一检测不表示正常的解调操作。在这一情形中，例如，为了进行正确的解调操作，VCO1还被基于UW检测的另一控制信号扫频。本发明的重点就是载波锁相检测。

在图2的实施例中，在快速载波相位锁定检测信号的基础上，①在捕获输入载波时能够进行快速的扫频控制;②能够进行环路滤波器的快速带宽转换以便建立载波捕获或保持载波捕获;③在静区条件下能够实现载波和锁相信息的快速保存及频率控制（AFC）的快速禁止。

如上所述，本发明的载波锁相检测设备具有比利用UW控制电路和帧同步电路的已有技术简单的电路结构，但能在较短的时间内检测载波相位锁定。