1、Costas環研究總結報告一、研究目的：高速移動通信系統中，收、發送機的相對運動使得接收信號不可避免地形成快衰落信道，從而引入較大的多普勒偏移和多普勒變化率，故此必須糾正或補償多普勒頻偏和多普勒變化 率，以保證收發系統間的信號同步。由于較大的多普勒頻偏和多普勒變化率的存在，造成接收載波與給定載波在頻率和相位上均存在較大的差別，為正確解調需使用載波跟蹤機制來提取相干載波，costas環路是高效、可靠的跟蹤環路，在成熟系統中常用來來提取接收信號相干載波，以實現對接收信號進行精確相干解調，確保收發系統信號間高可靠和高精度的同步。二、性能要求：依系統指標需求，要求該環路能夠狗在 100 US （約合2

2、00個復值信號點）之內達到求解 穩定，輸出相干載波的實時頻偏估測值，并糾正頻偏，糾偏范圍依系統指標需求應達到 1khz-30khz （載波2Mhz）。頻率抖動范圍在頻偏的10%以內（噪聲w 1Odb）。相位抖動范圍在土 50 （噪聲w 10db）。基于costas環路的高效性和可靠性以及較低的實現代價，本課題經過仿真驗證，選擇該環路作為該功能模塊的實現環路。三、costas環路基本原理概述：Costas環路在系統架構中的接入示意圖如圖1所示:圖1 costas環路系統架構中的接入圖Costas環路功能結構圖如圖2所示:v5信號輸入已調v3低通v d環路濾 波器低通v6圖2costas環路功能結

3、構圖設輸入的下變頻后的 2PSK信號(假設沒有 GAWN噪聲影響) m(t)COS(Wct)，其中 m(t)是基帶調制信號 cos(Wct)是調制載波，假定環路鎖定，且不考慮噪聲影響，則振蕩器輸 出的兩路互為正交的本地載波分別為v1 =COS(WCtr (t) (2)v2 =si n( wctv(t)-(t)為本地載波與輸入相干載波之間的相位差。由圖1所示輸入信號 m(t)cos(wct)分別與鎖定后的本地載波即式(2)、(3)相乘得到1v3 = m(t)cos(w ct) cos(wct )(t) m(t)cos" (t)cos(2w ct 二(t) I2(4)1v4 二 m(t)

4、cos(w ct) sin(wct(t) m(t)sin(二(t)sin(2w ct (t)】2(5)經過低通濾波器濾除 2倍分量得到1v5m(t)cos(r (t) (6)1v6 m(t)s in (珂t)V5和V6相乘得到Vd(t)就是鑒相結果。Vd(t)二 KdSin(2(t)(8)可以把上面部分看做是一個鑒相的過程，環路濾波器的功能結構圖如圖3所示:Vd(t)圖3環路濾波器則vd(t)經過環路濾波器得到dVd(t)=Vd(t)K1 Vd(t-1)K2(10)V (t)控制VCO的相位和頻率，使 dV1就是所需的相干載波，而v (t) 一直變小直到接近 dV5就是相干解調輸出。環路濾波器

5、輸出相角vjt)，于0,此時鎖相環進入穩定狀態，此時四、costas環路具體算法實現I路圖4QPSK信號相干載波提取與相干解調實現下變頻后得到兩路信號(假設在理想狀態下點的偏轉只和頻偏有關忽略噪聲的影響)j ( + ct)S(t) =m(t)e八廠(9)為初相，wc等于頻偏和載波的比值。vco輸出信號可以表示為e j(w dt)(io)令(9)與(10)相乘m(t)ej(wct')釘(心)=m(t)ej(Wc4d)t"(ii)re = m(t)cos- wjtI(12)im 二 m(t)sin(wc - wd)t丨(13)鑒相：1) 反正切函數法=arctan(m/re)=玄

6、說疋刑阿訕】)m(t)coswc 一 wd)i* - 3廠 Wd)t + ®(0,1,2)(21 + 1)基于qpsk調制(n = 1,2,3,4Qpsk調制所有的點都位于445,135, 225,315，若想正確解調信號，則解調后的所有點都應位于旋轉45的坐標(Wc - Wd)t(2n 1)二軸上。相角為62)符號函數法jiM(k = 0,1,2)( n = 0,1,2,3)-(15),_ sig n(im) re-sig n(re) im；re2 im2(16)43)乘法器+低通濾波器法令已調信號 m(t)cos(Wct) vco輸出sin(Wct 旳1v7 = m(t)cos(

7、w ct) sin(wct ) m(t) kin( ) cos(2w ct ) 1(17)經過低通濾波器濾除 2倍分量得到' 二一m(t)sin(二)(18)2綜上所述三種鑒相方法，和都用到v - sin(旳(這公式只在二很小時成立，所以(1)精確度最高，本研究采用反正切函數法。環路濾波器：環路濾波器對輸入信號的噪聲起抑制作用， 并調節環路的矯正速度。 常用的環路濾波器 有無源比例積分濾波器，有源比例積分濾波器，理想比例積分濾波器。選擇理想比例積分濾 波器進行討論：圖3理想比例積分濾波器kY（k）二 K1X（k） K2' X（n）n工K1和K2是此環路濾波器的兩個系數,1KoK

8、d1KoKd8匚 WnTs44 WnTs (WnTs)24( WnTs)2(20)K 二 KoKd 為環路增益，匚是鎖相環阻尼系數,8 bWn=4比為環路固有角頻率,Bl是環路噪聲帶寬，Ts是環路濾波器的采樣周期（即NCO相位調整時間間隔）4 4 WnTs(WnTs)2根據（20）式計算環路濾波器系數：Bl : 0.1R|3 Rb1）確定阻尼系數（工程取值一般為0.707）。2）根據鎖相環的跟蹤精度要求及跟蹤范圍要求確定其等效噪聲帶寬（通常取為信息數據速率）3）由量化的階數及 NCO輸出的量化幅度值計算環路增益。VCO用于根據給定的相角產生正弦和余弦三角函數。根據接收信號得到相角，經過環路濾波

9、器后去控制VCO的輸出，使得相角逐漸變小，最終使相角減小到很小的數值，得到穩定的Wd可以估計出頻率偏移，re和im就是信號的相干解調后的實部和虛部。五、VHDL仿真實現已下變頻調制后的 QPSK信號I和Q兩路，載波2Mhz，噪聲10dB，設定環路濾波器系 數 6=12，c2=1/2A7。VHDL各模塊端口描述:圖4 VHDL結構圖頂層模塊COMPONENT costas_PLL3PORT(clk200m : IN std_logic;200M時鐘用于高速計算clk2m : IN std_logic;2M時鐘 信號輸入時鐘rst : IN std_logic;復位信號高有效IMn : IN st

10、d_logic_vector(15 downto 0);輸入信號虛部RE_in : IN std_logic_vector(15 dow nto 0);輸入信號實部chu_enable : IN std_logic; chu 序列有效標志位 data_e nable : IN std_logic;有效數據有效標志位IM_out : OUT stdo gic_vector(15 dow nto 0); 虛部輸出 RE_out : OUT stdogic_vector(15 downto 0);_-實部輸出chu_v : OUT std_logic; -chu 序列標志位 data_v : OUT

11、 std_logic; 有效數據標志位clk_out : OUT std_logic; 輸出時鐘);END COMPONENT;復乘模塊Component complexport( clk:in std_logic; 輸入 200M 高速時鐘ar:in std_logic_vector(15 downto 0); 輸入數據實部ai:in std_logic_vector(15 downto 0); 輸入數據虛部br:in std_logic_vector(15 downto 0); 相角余弦輸入bi:in std_logic_vector(15 downto 0); 相角正弦輸入pr:out

12、std_logic_vector(31 downto 0); 輸出實部pi:out std_logic_vector(31 downto 0);end component; 輸出虛部鑒相模塊 component phase_out port(clk:in std_logic; 輸入 200M 高速時鐘reset:in std_logic; 復位信號enable:in std_logic; 鑒相使能標志位x_in:in std_logic_vector(15 downto 0); 輸入復乘器的實部結果y_in:in std_logic_vector(15 downto 0); 輸入復乘器的虛部結

13、果phase_out:out std_logic_vector(15 downto 0); 相位角輸出(相位響應輸出)end component;環路濾波器模塊component loop_filterport(clk:in std_logic; 200M 高速工作時鐘reset:in std_logic; 復位信號count2:in std_logic_vector(15 downto 0); 計數器(循環計數周期100 )phase_in:in std_logic_vector(15 downto 0); 輸入鑒相器輸出的相角角freq_part1:out std_logic_vector

14、(15 downto 0); 頻率響應輸出phase_out1:out std_logic_vector(15 downto 0);- 輸出一個經環路濾波器平滑后的相位角 end component;VCO模塊component cordic-用 cordic 模塊作為 VCOport(clk:in std_logic; 200M 高速時鐘phase_in:in std_logic_vector(15 downto 0); 環路濾波器輸出的相位角sin:out std_logic_vector(15 downto 0); 輸入的相角的正弦函數輸出cosine:out std_logic_vec

15、tor(15 downto 0); 輸入的相位角的余弦函數輸出end component;仿真結果輸出入下圖： 進入鎖相環的信號星座圖如下圖：進入的鎖相環數星唾圖據巴 nEPIgno-1000-15002000-2500-2000 -1000 0 1000 2000In-Phase圖5 :進入鎖相環的信號星座圖信號經過鎖相環后其頻率響應曲線如下圖圖6:鎖相環頻率響應曲線圖信號經過鎖相環的相位響應曲線如下圖：圖7鎖相環相位響應曲線圖信號經過鎖相環后的星座圖如下圖| SavE Figu佗|經過0相環后輸出sruspenc300-200*1000100200300IrnPhase圖&信號經過鎖相環后輸出的星座圖（此星座圖是鎖相環鎖定后估計出平均頻偏后逐 點糾頻所得，由于初相角未知固此星座圖有個固定偏移）得出結論：在130點后鎖相環進入鎖定狀態， 估計出頻偏大概為6Khz,頻偏抖動范圍是500hz,相位在二5范圍內抖動，星座聚攏在四個點上，鎖相環成功鎖定。鎖相環的鎖定頻偏的范圍 可以通過改變程序中的環路濾波器系數來改變，本程序的鎖定范圍大概在800hz-30Khz。鎖相環鎖定時間和其精度是負相關的，若要縮短鎖定時間必然要犧牲精度，反之亦然。六、缺點與不