高速通信中的载波相位跟踪

引言

采用扩频体制的通信系统具有较高的抗干扰能力，但由于扩频通信体制通信速率相对较低，无法满足一些高速通信的需要，如高清图像的无线传输，因此只有通过解调基带码流才能获取较高的信道速率，从而满足此类场合的无线数据传输需求。而实现高速基带解调的其中一项关键技术就是载波相位跟踪。为此，本文对高速通信中的载波相位跟踪技术进行了研究。

1载波相位跟踪理论分析

1.1载波相位误差对信息解调的影响

对于以相位键控方式调制的中频信号，接收方通常在中频采样后采用正交下变频的方式将输入的中频采样信号分解为两路正交的基带码流/路和a路。以BPSK信号为例，中频采样数据流在采样时钟的驱动下同本地正交的两个NCO相乘产生/(同相路)、a(正交路)基带码流，这两组码流包含了信息调制方的二进制相位信息。接收方通过位同步可将/或a中包含的相位信息提取，得到原始调制数据。前提条件是在信息的提取前和提取过程中必须使本地的振荡器(NCO)同输出中频信号之间的相位误差控制在可接受的范围内，这既所谓载波相位跟踪。中频输入信号同本地NCO之间的相位误差会对信息解调造成的影响，应定量对其做出理论分析。

以载频为100MHz、码速率为10Mb/s的BPSK调制信号为例，调制方将输入的二进制码流转换成载波相位的变化量，假定相位为0代表信息1,相位为，代表信息0(-1)。其表达式为：

该信号同接收方的两个正交本振信号混频得到下式：同相路：

正交路：

上式信号经低通滤波后，将混频后产生的2倍载频高频信号滤除得到：

由上式可知在无相位差的理想情况下，通过/路信号的符号和幅度解调输入信号所代表的信息。但实际信号的输入中频信号同本地振荡器之间存在相位误差A0则上式变化为：

由上式可知，如果本地NCO的相位同输入信号相位误差A?为n，则载波相位所携带的相位信息被反相，相应其携带的信息符号反转,符号为“+”的码元反转成而符号为“-”的码元反转成"+”，其结果是全部信息误码。同样叫会给基带信号的幅度造成一定的影响。通过计算得到表1所列数据。

由表1可知，当A?=n/4时，基带信号幅度同无相位误差时的信号幅度相比下降了3dB，严重影响信号的解调，导致接收灵敏度下降。当A?=n/2时，信号幅度为0,无法提取符号信息。当A?>n/2时,信息符号反向，解调信息全部为误码。由此可见，要正确解调信息，并且使基带解调信号的幅度误差控制在1dB内，必须在解调信息的过程中使本地NCO的相位同输入信号相位误差小于n用。

1.2载波相位修正的基本思路

通过1.1节的分析可知，要从基带码流中以较高质量解调出源码信息，必须在有效信号到达之前将信号的相位误差控制在n/8内，同时在信息的解调过程中实时跟踪载波相位,并通过反馈机制控制相位误差始终不超过n用。要实现这样的载波相位修正功能，首先要通过足够长的测试信号在有效信息到达之前检测出相位误差并逐步调整，直至相位一致（假定相位误差为可能最大值n）当携带有效信息的信号到达时，通过插入信号时序的测试信号以一定的周期提取载波相位符号,以确定当前相位误差值，并通过反馈机制在小范围内调整本地振荡器的相位。

发射方和接收方在没有频率差的理想信道下，其初始相位误差可以通过测试信号I、Q的符号在短时间内迅速得到修正。但实际情况是，发射方同接收方不仅存在初始相位误差，同时也存在频率差。若发射方同接收方存在相对速度时，还会因多普勒频移加大双方的频率误差范围。频率的误差同样会导致相位误差，当频率误差造成的相位累计差高于信息码元速率时，信息的解调将无法完成。因此，收发双方的频率误差必须控制在一定的范围内。一个原则是产生中频调制信号的时钟源的频率稳定度和频率准确度尽可能高，这样就可以在一定程度上保证收发双方的载波频率差降到最低限度。对于多普勒频移造成的频率差，在不同相对运动速度的平台下和不同射频载波频率下情况不同，在此本文不作论述。

2载波相位跟踪实现途径

2.1载波相位的信息提取

载波相位信息的提取是实现载波相位跟踪的第一步。发射方在发送有效信息之前，首先发送的是测试信号。测试信号由若干个扩频字符组成，接收方在收到测试信号后，通过正交下变频将输出信号分解成I/Q两路基带信号的示意图如图1所示。

图1     两路基带信号

I/Q两路基带码流经过低通滤波和数据相关运算后产生I/Q两路有符号相关峰，接收信号同本地振荡器的相位误差就包含在相关峰的符号和I/Q两路信号的幅度比值内，图2所示是两路信号的幅度比值曲线图。

图2     两路信号的幅度比值

在以基带信号相关峰符号构建的坐标系内，当I,Q信号的符号同为正时，表示相位误差在n/2以内；负Q正表示相位误差在n/2到p之间；I,Q均为负表示相位误差在n到-n/2之间;I正Q负表示相位误差在0至0-n/2之间。

通过I,Q两路相关峰符号可以将当前相位误差定位到n/2之内，这样的相位误差估算精度远达不到n/8的基本要求,需要通过I/Q两路信号的幅度计算n/8以内相位误差。如下公式：

由上式可知：当Q为0而I为最大值时，B，即输入信号同本振信号的相位误差为零。当|Q|/|I=0.414时，A0=n/8,即输入信号同本振信号的相位误差为n/8。因此，根据公式计算可以得到叫的准确值。

通过相关峰符号象限的确定和A0的准确值的计算可以确定当前输入信号同本振之间的相位误差。在确定了上述两个重要参数后，接下来就是如何调整本振信号的相位，以使其同输入信号的相位误差控制在n/8之内。

2.2本地振荡器相位修正

通过1.1节中的分析可以得出相位修正的方法。第一步,首先判断I路的符号，若I的符号为负，说明输入信号和本振的相位误差大于n在第二或第三象限内，应调整本地振荡器的相位翻转n，L（p的范围被调整到［-n/2,n/2］之间。调整之后第二次可以检测到I路相关峰符号反向为正。与此同时检测Q路相关峰的符号，若符号为正说明Ap处在第一象限内，应将本振信号的相位滞后n/8。调整之后再次检测Q路相关峰符号，若符号仍然为正，再次将本振信号的相位滞后n/8。依次类推，直到检测到的相关峰符号为负。同样检测Q路相关峰的符号，若符号为负说明Ap处在第二象限内，应将本振信号的相位提前n/8。调整之后再次检测Q路相关峰符号，若符号仍然为负，再次将本振信号的相位提前n/8。依次类推，直到检测到的相关峰符号为正。通过上述的本振信号的相位调整，最终使Ap控制在n/8之内。

2.3基本信号格式设计

首先为实现载波相位的跟踪，发射信号需要在发送有效信息之前发送一定数据的测试信号，这些测试信号是一序列扩频字符，每个扩频字符可以将相位误差调整n/8（根据相关峰符号可以调整n）。因此，要使相位误差从最大可能的误差基本归零（-n/2），至少需要5个以上的测试信号对载波相位误差进行调整。但考虑到实际信道的不可靠性，测试信号应当在20个以上，是理论值的4倍。设计时可以根据具体需要将修正精度调整到n/16甚至n/32，当然，实现更高精度的载波相位跟踪，需要更多的测试信号。

有效信息之间也必须根据需要插入一定数量的测试信号,以使收发双方存在频率差的情况下，可以通过插入有效信息之间的测试信号将频率差弓起的相位差得到实时修正。表2为可实现载波跟踪的基本信号格式。

3载波相位跟踪电路设计

3.1相位可跳变NCO

相位可跳变NCO（数控振荡器）是载波相位跟踪电路的一个基本组成，通过输入误差值可以使NCO的输出相位按一定的分辨率进行调整。相位可跳变NCO电路组成分为两个部分。第一部分为正弦、余弦查找表。此表由高速RAM构成,表内存储了若干个单元的正弦、余弦信号幅值数据，每个幅值都对应一个正弦、余弦信号的相位。通过控制RAM的输入地址可以使NCO输出不同离散的幅相信号。

通常情况下NCO的输出幅相是连续变化的，但为了实现载波相位跟踪，NCO必须是可跳变的。要实现这样的功能,必须设计一套控制机制使NCO查找表的输入地址实时跳变。这就是相位可跳变NCO电路的第二个组成部分，相位误差检测调整器。相位误差检测调整器的基本工作原理参见2.1节内容。该逻辑电路可以通过输入的基带I/Q相关峰的符号检测出本地NCO同输入信号之间的相位误差，并通过本地NCO与当前相位同误差值进行加减运算得到修正后的NCO相位值,最终以RAM地址的信号格式输出，控制RAM跳变到修正后的相位上。

相位可跳变NCO的原理框图如图3所示。

相位修正地址

图3     相位可跳变NCO的原理图

3.2正交相关峰符号提取

I/Q两路相关峰符号由若干位的补码数据组成，无论相关器输出的位数有多大，其最高位必定是有效符号位。直接通过提取I/Q两路相关峰的最高位即可获得其符号信息。

4结语

在码速率为10Mb/s、载频为100MHz的通信系统中，该载波相位跟踪算法得到了验证并达到了工程应用的要求。以该算法为基础构建的数字中频通信信号处理逻辑电路实现了高速图像的实时无线信道收发。

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