COSTAS环解调器设计及实践初探

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COSTAS环解调器设计及实践初探,对于设计BPSK,QPSK的有用
胡王林徐建军: COSTAS环解调器设计及实践初探 在接收到信号R(t)后判断和估计随机相位θ,按最大后验概率准则判断值,在信噪比较低 的情况下,用锁相环路就能比较准确地估计和判断θ值。或者说锁相环路能以较小的相位误 差有效地跟踪输入DPSK制载波信号的随机相位变化。这就是在相干解调中提取基准载波的 基本方法。 天线系统接收端收到的GMS-4卫星DFSK调制的信号为 R。()=±√2v0m(t)sin(o0t+0)+n() 式中m(t):载波含的数字信息,取±1。 V:0载波频率有效振幅o:载波角频率 n():单边带噪声功率谱密度,(W/Hz)。 接收端不能直接用锁相环路从这种信号中提取基准载波。从频谱上看,R。(t)中不包含 有载频分量,无法用窄带滤波特性取出基准载波。另外,锁相环路对这种相位变化平均值为 零,当误差信号的正,负极性不能确定时,失去控制作用。 但将R。(t)信号经过非线性处理后,使之产生离散的载频和倍频成份,再用平方环和 COSTAS环解调器之类的锁相环路就可方便地将基准载波提取出来。 平方环是用平方律非线性器件将输入信号R(t)频率经平方作用后,产生200的离散频率 成份,再利用锁相环路来提取稳定的2@。振荡频率,经二分频得ω。频率基准载波输岀(对于中 频频率较高的DPSK制载波信号,制作难度较大)。 2.2 COSTAS环解调器设计 在相干解调中, COSTAS环及其变形改进环路,由于门限信噪比(SNR)L较低(一般选在 10dB附近),环路压控振荡器(V.C.O)频率等于接收机中放输出频率,制作容易,调整方便, 能实现基准载波提取和相干解调两种功能而得到广泛应用。 根据天线系统在接收GMS-4卫星的信号时中放端输出信噪比(CNR)在10dB以上,选用 COSTAS环解调器是合适的。环路组成方块图如下 同相鉴相器 低通边P 基带效字淀 轴出 输入 压控振 防「环路 R(4) 电 c渡都}祖位比较 x/2移相 正交鉴相器 低通滤波 图3 COSTAS环组成方块图 工作原理:由压控振荡器(V,C.O)提供两路基准载波v,V3,分别与输入的R(t)信息 V1在同相鉴相器和移相π/2后到正交鉴相器进行相位检测,经低通滤波器得到基带数字信号 V4Vs。再经相位比较器进行比相后得Ve这个反应V.C,O振荡频率与输入R。(t)载波频率相 55 994-2015 China Academic Journal Electronic Publishing House. AlL rights reserved 1990年 成都气象学院学报 第1期 位之差的电压再经环路滤波器后去控制V.C.O频率,使V.C.O频率相位完全跟上R(t)的载 波频率相位(误差仍在,但很小)而输出稳定的基准载波。 在同相(或正交)鉴相器经低通滤波输出基带数字信息。 有噪声作用下,环路各点电压间的关系有: V, m(t)sin(oot+01)+n(t) 式中:61为载波频率相位上的随机相位 当压控振荡器V.C.O输出的V2,V3基准载波与V1分别在同相鉴相器和正交鉴相器进行相 位检测后经低通滤波器输出v4V为 Va=Iom(t)cos02+n,(t) Vs=Iom(t)sine, +n2(t) 式中:n1(t)=n2(t1)=√/9n3(t),n,(t),n2(t)为窄带噪声的正交分量。 V4,V5经相位比较器比相后,输出V。为: v.-1VioSin20e+Vio m(t)cos0en2 (t)+Iom(t)sinon(t)+n2(t)n (4) 第一项为信号项,其后是与噪声关联项。 ix v(t)=Vio m(t)cose n2(t)+vio m(t)sing n,(t)+n2(t)n,(t) =V4·n2(t)+V。·n1(t)+n2(t)1(t) 运用谱密度与自相关函数之间的付立叶变换关系式,可求得v(t)的功率谱密度,也就 是环路上滤波器输入端的噪声功率密度。 v(t)的自相关函数: + R,(τ) w(o)e d f 功率谱密度函数: W(o)= R(r)e"Jo d 在正频率积分域内信号功率应为总信号功率的一半,即 W,=√2w;vn2+1wB 式中:W为单边带功率谱密度。B为带宽。 将相位比较器输出V中的信号项v=1vo2sin26线性化后,令sn20=20得 v.=V1020e+v(t) 56 91994 2015 China Academic Journal Rlectronic Publishing H 胡玉林徐建军: COSTAS环解调器设计及实践初探 根据上式可求得 COSTAS环路的等效线性相加噪声模型 十 VI K·P K/s 若环路噪声带宽B满足B≤时,利用相位方差θ,。2与环路信噪比(SNR)1之间的关 系,可求得 COSTAS环路信噪比为 1 (SNR)L 26。22WB1B1(√2WiV;02+w12B) 式中:B为通带宽度(鉴相前取1.2×10.7×10Hz频率带宽) 环路(SNR)的选择是由所取平均误码率确定的,由P=2[1-cr/1作一定修 正,得: P 兀exp(acos6e) 21-erf./2E Ine x 2tIo(a) 得平均误码率与环路信噪比关系曲线如图4。 可以看出,将环路信噪比选择在(SNR)L≤10dB附近能得到满意效果。 2.3环路参数B1,E、On、Kd及K选取 10-1 10 环路噪声带宽B1可由环路信噪比与中放 10 输出端中频信噪比的关系求: 10-5 1.0 10 100 (SNR)L 图4修正后平均误码率与环路信噪比关系曲线 (SNR),(CNR). F 2B L 式中(CNR):中放输出端信噪比为10dB BF:中放输出端带宽为1.5×10°Hz (SNR)L:环路信噪比选为10dB 则:1010gB=20dB 2B F:23v100 得: BF1.5×10 100 2BL=15×10HzB1=7,kHz 994-2015chnaAcademicJournalElectroniePublishinghoUse.Allrightsreservedhttp://www.cnkf.ne 1990年 成都气象学院学报 第1期 环路自然谐振频率ω,在环路鉴相器增益κ和压控振荡器增益K。很髙时,按照环路噪声 带宽B≤7,5kHz的要求,用B1B(1+42)=0n 2(+)求出环路(SNR)2=1018 时要求的an 若环路阻尼系数4≈0.707(欠阻尼状态)时,满足B≤7,5kHz的a2×7,5×108中 1.06 15×103 1,0615×10°rad/s 鉴相器增益K4由试验和所选择器件确定,当选用本文的鉴相器时,Ka=200mV/rad 压控振荡器(V.C.O)增益K。由所选器件试验确定。 环路低通滤波器为滤去高频份量,选择通带宽度为B′≈1,2×660kHz≈800kHz即可 3 COSTAS环解调器基本电路 31输入电路 根据天线系统中放端输出的中频频率f。=10。7mc,阻抗x=200,幅度um≥200mV。 采用三级射随器来完成阻抗匹配和隔离构成输入回路(见图7)。 32同相,正交鉴相器 采用对称性好,隔离度高(>60dB),损耗小,稳定忪高的集成二极管环形鉴相器,来作 7o o2为同相,正交鉴相的两个关键器件, V.C0人 5 23中频输入如图5 6 D2 鉴相原理:由于T1和T2以及D1 8e D o1D2DD4都是互相对称的,A、B、C、 D各点电压均对称相等。DD3完成鉴 相作用,D2D4起隔离作用(或称开 图5二极管环形鉴相器 关作用)输入与输出相互隔离。中频 输入和V.C.O输入采用相等的+7dB或一大一小幅度输入均能完成鉴相作用。本文所用鉴相 器鉴相特性曲线如图6。 300 200F 从特性曲线上可见两信号相位差在士时它有鉴相输出0 10 灵敏的鉴相特性。鉴相器增益K≈200mV/rad。 200 鉴相输出眼图见图8。 300s 30°690°120°150°190° 图6鉴相特性曲线 58 2015 China A cademic Journal eleetronie Publishing house 胡玉林徐建军: COSTAS环解调器设计及实践初探 藏>世期 民标站 <∞ QOm∽共擒河四 大 知 塔<? z 9 994-2015 China Academic Journal Eleetronic Publishing House. All rights reserve 1990年 成都气象学院学报 第1期 33低通滤波器 两鉴相器输出支路釆用相同汋RC无源比例积分滤波器。从环路瞬态相位特征岀发,尽 可能让数字基带信息无失真通过,滤去高频成份;滤波器带宽为1.2×660kb·s-1≈800H2z 鉴相器输出阻抗Z1=50,在-3dB倍频程为截止频率时,得 ①0三 T= RC KF·F(S)= (S)·RC+1 式中:O0:800 kHz KE:鉴相增益F(S);环路传递函数。 计算得:R1=1k9R2≈209,C≈190pF 具体电路见图7。 34相泣比夜器,环寄滤波器和压控振荡器v,C.O 这几部份电路采用了国产单片集成锁相环L。2块,其內部电路有:相位比较器,滤波器, 去加重电路,限幅器和压控振荡器(V.C.O)。Ls。2块内部电路功能分布这里不赘述,具体 接法见图7。 5兀/2移相器 正交鉴相器的基准载波(v3)输入,必须经过π/2移相,为调整方便和简单,采用RC移 相电路即能满足要求。 RC积分移相电路的传递函数KF·F(S) (S)·RC+1 得频率响应相位中1(a)=-tg ORC,适当选择RC及输入输出电容配合,电容选在C≈120pF-280pF范围、兀/2移相完全能 做到。 4其它 4.1根据 COSTAS环解调器组成方块图,可见除上面介绍的基本电路外,从同相(或正交) 鉴相器输出的基带数字信息,还应通过整形放大,滤波,完成DPSK一NRZ—M数字信号完 全解调 4.2供给 COSTAS环解调器用的+15V电源,对波纹要求严格,必须使用两次稳压滤波电 源才能有效地保证环路工作稳定。 5 COSTAS解调器效果 接收GMS一4卫星发的数字云图信号经本解调器解调,实际输出眼图如图8。此时中放 端信噪比≤10dB时,后级时钟提取稳定可靠,达到可用程度。 60 91994-2015 China Academic Journal Blectrenie Publishing House A 胡玉林徐建军: COSTAS环解调器设计及实践初探 长解调器所用器件全为国产品,而难调D 的器件一鉴相器采用vH8集成块,无需调整。 由于采用了Ls6x集成块,使环路很简单。其 余电路均由普通的电压放大和射随器组成, 只要安装正确,不需复杂调整即能正常工η 作。 文图3中鉴相器出经低通滤波输出 的眼图如图8,各点波形如图9。 V 出 时钟 于于一 图8输出“眼图”和提取时钟方波照片 注:V1:二相DPSK调制10.7MHz载波 V2V3:V.C.O输出基准载波 V4:同相鉴相输出波型 V:正交鉴相输出波型 图9 COSTAS环解调器各点波形图 参考文献 1王士林等。现代数字调制技术。北京:科技出版社,1984 2郑继禹等。锁相环路原理与应用。北京:人民邮电出版社,1984 (编辑崔桂媛) 自然科学十二大发现 1.毕达哥拉斯公元前500年发现毕达哥拉斯定理。2哈维1628年发现血液循环。 3.哥白尼1543年发现并创立日心说。4.牛顿1687年发现万有引力定律。 5,琴纳1796年发现种痘免疫。6.富兰克林1752年发现雷中带电。 7.巴斯德1881年发现狂犬病疫苗。8,达尔文1858年发现生物进化规律,创立进化论 9伦琴1895年发现X射线。10.居里夫妇1898年发现镭 11.弗莱明1928年发现青霉素。12.爱因斯坦1905年与1915年发现空间、物质、运动的 统一关系,分别创立狭义相对论和广义相对论。 61 21994-2015ChinaAcademicJOurnalElectronicPublishinghOuseAllrightsreservedhttp:/www.enkinet

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mr_ok1 一篇水平不高的论文,不值
2017-12-19
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