直擴(kuò)OQPSK系統(tǒng)載波跟蹤的 設(shè)計(jì)及FPGA實(shí)現(xiàn)

0 引言
??? 載波同步是無線通信系統(tǒng)中一個(gè)重要的實(shí)際問題，是基帶信號(hào)處理的關(guān)鍵技術(shù)。導(dǎo)致載波頻率及相位不確定性的主要因素有：一是頻率源的漂移會(huì)引起載波頻率的漂移；二是電波傳輸?shù)臅r(shí)延會(huì)產(chǎn)生載波相位的偏移；三是多普勒頻移，即在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)產(chǎn)生相對(duì)移動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生多普勒頻移，從而導(dǎo)致載波頻率的偏移；四是多徑效應(yīng)，即信號(hào)在傳輸過程中由于多路徑(發(fā)射、折射1傳播引起多徑效應(yīng)，從而帶來載波頻率和相位的延遲。

1 OQPSK調(diào)制原理
??? 偏移四相相移鍵控(Offset QPSK，OQPSK)與QPSK信號(hào)常見于擴(kuò)展頻譜調(diào)制，與QPSK信號(hào)類似，OQPSK信號(hào)的Q路信號(hào)相比I路信號(hào)延遲半個(gè)碼元寬度。其結(jié)果是消除了已調(diào)信號(hào)中突然相移π的現(xiàn)象。這樣，每二分之一碼片時(shí)間信號(hào)就只能發(fā)生+π／2的變化。一般擴(kuò)譜QPSK或OQPSK信號(hào)可用下式表示：

??? 式中，θd(t)表示數(shù)據(jù)相位調(diào)制，c1(t)和c2(t)是相互獨(dú)立的正交擴(kuò)譜碼，一般采用雙極性不歸零碼(±1)。c1(t)和c2(t)碼的元寬度相同。若c1(t)和c2(t)在時(shí)間上同步，即為QPSK調(diào)制。若c2(t)比c1(t)延遲半個(gè)碼片時(shí)間，則為OQPSK調(diào)制。其中同相通道和正交通道的數(shù)據(jù)可以不同，這種調(diào)制叫雙通道QPSK或OQPSK調(diào)制。其輸出信號(hào)可以表示為：
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??? 另外，QPSK和OQPSK還允許同相通道和正交通道的發(fā)射功率不同。

2 OQPSK調(diào)制載波跟蹤環(huán)的設(shè)計(jì)
??? 由于系統(tǒng)收發(fā)時(shí)鐘的不同源和多譜勒頻移等問題，通常系統(tǒng)的收發(fā)會(huì)存在一定的頻差，并且頻差是隨著時(shí)間變化的。對(duì)于OQPSK調(diào)制信號(hào)，這種頻差所造成的后果是很嚴(yán)重的，不僅會(huì)引起信噪比下降，而且還會(huì)引起信號(hào)畸變，故應(yīng)引入載波跟蹤。下面以直擴(kuò)OQPsK系統(tǒng)為例來說明其載波跟蹤電路的設(shè)計(jì)。
??? 圖1所示是擴(kuò)頻OQPSK信號(hào)載波跟蹤環(huán)的原理圖。圖中的r(k)為經(jīng)過中頻放大后的采樣信號(hào)，可由下式表示：

??? 其中，P為信號(hào)幅度，dI、dQ為I、Q兩路信息數(shù)據(jù)，cI、cQ為I、Q兩路擴(kuò)頻碼序列，n(k)為噪聲分量，信源編碼方式為不歸零碼。

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??? 載波NCO輸出信號(hào)為：可由其對(duì)兩路正交信號(hào)進(jìn)行頻率和相位調(diào)整。為了抑制倒相現(xiàn)象的發(fā)生，可將I支路分別與CI(k)和CQ(k)相乘，并進(jìn)行解擴(kuò)處理。若擴(kuò)頻碼已經(jīng)取得完全同步，因I、Q兩路擴(kuò)頻碼近似正交，則RII(t)遠(yuǎn)大于RIQ(t)和噪聲分量。然后由此誤差來控制載波NCO并產(chǎn)生相應(yīng)載波，再跟蹤輸入信號(hào)載波。

?系統(tǒng)仿真時(shí)，可取10個(gè)二進(jìn)制雙極性碼為信碼，中頻取7．2 MHz，載波NCO相位累加器的位寬為18位，載波NCO的參考頻率為28．8 MHz。這樣，載波NCO的輸出頻率精度為28．8 MHz／218≈0．1 kHz 。然后由NCO頻率控制字公式k=f02N/fc，即可計(jì)算頻率控制字的輸入。
??? 跟蹤環(huán)路中累加器的長(zhǎng)度為一個(gè)信碼的長(zhǎng)度即一個(gè)擴(kuò)頻碼周期，由此發(fā)射載頻和本地載波跟蹤環(huán)路，即可輸出瞬時(shí)相位誤差，其具體數(shù)據(jù)如表1所列。

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?? 根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)，由式ω=0θ／(NTpn)可計(jì)算出補(bǔ)償頻率，經(jīng)驗(yàn)證與頻偏大致相同(誤差不超過300 Hz)。其中θ為表1中的誤差，N為擴(kuò)頻碼序列的長(zhǎng)度；Tpn為擴(kuò)頻碼一個(gè)碼片時(shí)間。把該補(bǔ)償頻率與載波NCO系統(tǒng)之前輸出的頻率相加，然后計(jì)算出載波NCO頻率控制字的輸入，即可產(chǎn)生所需頻率。在實(shí)際項(xiàng)目開發(fā)中，載波跟蹤環(huán)路算法可在FPGA中實(shí)現(xiàn)。

3 載波NCO的設(shè)計(jì)
??? 載波NCO可由ALTERA提供的IP核生成，也可由自己設(shè)計(jì)，圖2所示是載波NCO的設(shè)計(jì)原理圖。
??? 由圖2可見，載波NCO主要由相位累加器、相位調(diào)制器和波形存儲(chǔ)器三部分組成。

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3．1 相位累加器
??? 相位累加器是NCO的核心，可完成相位累加功能。每來一個(gè)時(shí)鐘脈沖，累加器都將頻率控制字FW(N-1：0)與寄存器輸出的相位累加數(shù)據(jù)相加，再把相加后的結(jié)果送至累加器的輸入端。同時(shí)寄存器將加法器在上一個(gè)時(shí)鐘作用后產(chǎn)生的相位數(shù)據(jù)反饋到加法器的輸入端，以使加法器在下一個(gè)時(shí)鐘作用下繼續(xù)與頻率控制字進(jìn)行相加。這樣，相位累加器即可在時(shí)鐘的作用下進(jìn)行相位累加。每當(dāng)累加器加滿時(shí)，產(chǎn)生一次溢出，以控制各寄存器異步清零，從而完成一個(gè)周期動(dòng)作。而當(dāng)下一時(shí)鐘來時(shí)，再開始下一周期的累加。這里的頻率控制字與輸出頻率f0的關(guān)系式為：
??? k=f02N/f
3．2 相位調(diào)制器
??? 相位調(diào)制器可接收相位累加器的相位輸出。這里應(yīng)加一個(gè)相位偏移值，主要用于實(shí)現(xiàn)信號(hào)的相位調(diào)制，如PSK(相移鍵控)等，在不使用時(shí)可以去掉該部分，或加一個(gè)固定的相位控制字。
3．3 波形存儲(chǔ)器
??? 波形存儲(chǔ)器即正弦ROM查找表，它采用相位累加器輸出的數(shù)據(jù)作為波形存儲(chǔ)器的取樣地址，然后進(jìn)行波形的相位一幅值轉(zhuǎn)換，從而在給定的時(shí)間上確定輸出的波形的抽樣幅值。N位的尋址ROM相當(dāng)于把0~360°的正弦信號(hào)離散成具有2N個(gè)采樣值的序列。若波形有D位數(shù)據(jù)位，則2N個(gè)采樣值的幅值將以D位二進(jìn)制數(shù)固化在ROM中，這樣，按照地址的不同，就可以輸出相應(yīng)的正弦信號(hào)的幅值。

4 結(jié)束語
??? 本文介紹了直擴(kuò)OQPSK系統(tǒng)載波跟蹤的原理及FPGA實(shí)現(xiàn)方法。經(jīng)實(shí)際的系統(tǒng)調(diào)試證明，該方法能有效的抑制OQPSK調(diào)制的倒相現(xiàn)象，即能在相位誤差積累到一定程度后，有效地反饋到載波NCO的輸入端．從而有效實(shí)現(xiàn)對(duì)高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的載波跟蹤。