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1、专业资料Costas环研究总结报告一、研究目的：高速移动通信系统中，收、发送机的相对运动使得接收信号不可避免地形成快衰落 信道，从而引入较大的多普勒偏移和多普勒变化率，故此必须纠正或补偿多普勒频偏和多普勒变化率，以保证收发系统间的信号同步。由于较大的多普勒频偏和多普勒变化率的存在，造成接收载波与给定载波在频率和相位上均存在较大的差别，为正确解调需使用载波跟踪机制来提取相干载波，costas环路是高效、可靠的跟踪环路，在成熟系统中常用来来提取接收信号相干载波，以实现对接收信号进行精确相干解调，确保收发系统信号间高可靠和高精度的同步。二、性能要求：依系统指标需求，要求该环路能够狗在100 us （
2、约合200个复值信号点）之内达到求解稳定，输出相干载波的实时频偏估测值，并纠正频偏，纠偏范围依系统指标需求应达到 1khz-30khz （载波2MhZ ;频率抖动范围在频偏的 10%内（噪声w 1Odb）;相位抖动范围在 芳0 （噪声w 10db）。基于costas环路的高效性和可靠性以及较低的实现代价，本课题经过仿真验证，选择该环路作为该功能模块的实现环路。三、costas环路基本原理概述：word完美格式Costas环路功能结构图如图 2所示:图2 costas环路功能结构图m(t)cos(Wct),其中 m(t)设输入的下变频后的 2PSK信号（假设没有GAWI噪声影响）是基带调制信号
3、cos(Wt)是调制载波，假定环路锁定，且不考虑噪声影响，则振荡器输出的两路互为正交的本地载波分别为=cos(wct r (t)v2 = sin(wct n(t)= (t)为本地载波与输入相干载波之间的相位差。由图1所示输入信号 m(t)cos(w ct)分别与锁定后的本地载波即式(2)、(3)相乘得到1v3 = m(t)cos(w ct) cos(wct r(t) m(t) Lcos(t)cos(2wct 二)】2(4)1v4 二 m(t)cos(w ct) sin( wct 二)m(t) Is in L(t) si n(2w ct r(t)l2(5)经过低通滤波器滤除 2倍分量得到1v5
4、m(t)cos()(t)21v6m(t)si n(t)V5和V6相乘得到vd(t) =KdS in (2 珂t)(8)可以把上面部分看做是一个鉴相的过程，Vd (t)就是鉴相结果。环路滤波器的功能结构图如图3所示：专业资料图3环路滤波器Vd(t)则V/t)经过环路滤波器得到vd (t)=v d(t)K1 Vd(t-1)K2(10)环路滤波器输出相角Vd(t) , Vd (t)控制VCO的相位和频率，使 Vd (t) 一直变小直到接近于0,此时锁相环进入稳定状态，此时V1就是所需的相干载波，而V5就是相干解调输出。四、costas环路具体算法实现QPS信号S(t)+I 路3Q路Q路imQ路输出9
5、0 相I移 +站职环路滤6V求相角*振荡器波器求相角cosSinre图4 QPSK信号相干载波提取与相干解调实现F变频后得到两路信号(假设在理想状态下点的偏转只和频偏有关忽略噪声的影响)S(t)二 m(t)ej( Wct)(9)I路输出:为初相，Wc等于频偏和载波的比值。vco输出信号可以表示为 eT(Wdt)令(9)与(10)相乘j (Wet ? ：) j(W d t)j (Wc -Wi )t Jm(t)ee =m(t)e(10)re = m(t)cos- )t I(12)im 二 m(t)sin l(wc - wd)t(13)(11)word完美格式专业资料鉴相：1) 反正切函数法=arc
6、tan(m/re) = arctan严彷泊【他讥片) m(t)cos(wc - Wd) + (14)* = (wc - wd )t + - (k = 0,1,2)(21 + 1)基于 qpsk调制(n =1,2,3,4psk调制所有的点都位于445,135, 225 ,315，若想正确解调信号，则解调后的所有点都应位于旋转45的坐标ji饭(k = 0,1,2)(n = 0,1,2,3)(15)4(16)轴上。相角为(2n 1)二 他 - wjt42) 符号函数法, sign(im) resign(re) im o =fJre2 + im23) 乘法器+低通滤波器法令已调信号 m(t)cos(w
7、ct) vco输出sin(wct 叮1v7 = m(t)cos(w ct) sin(wct ) m(t) l.sin( ) cos(2wct Jl(17)2经过低通滤波器滤除 2倍分量得到1 二m(t)sin( J(18)综上所述三种鉴相方法，(2)和 都用到- sin()(这公式只在二很小时成立，所以(1)精确度最高，本研究采用反正切函数法。环路滤波器：环路滤波器对输入信号的噪声起抑制作用，并调节环路的矫正速度。 常用的环路滤波器有无源比例积分滤波器，有源比例积分滤波器，理想比例积分滤波器。选择理想比例积分滤 波器进行讨论：图3理想比例积分滤波器kY(k) = K1X(k) K2 X(n)(
8、19)ndK1和K2是此环路滤波器的两个系数,K1 二K 2 二1KoKd1KoKd8 匚 WnTs44 WnTs (WnTs)24( WnTs)24 4 WnTs(WnTs)2(20)K 二 KoKd 为环路增益，匚是锁相环阻尼系数,Wn 竽L为环路固有角频率,4 2 1Bl是word完美格式环路噪声带宽，Ts是环路滤波器的采样周期（即NCO相位调整时间间隔）根据（20）式计算环路滤波器系数：Bl : 0.1Rb1）确定阻尼系数（工程取值一般为 0.707）。2）根据锁相环的跟踪精度要求及跟踪范围要求确定其等效噪声带宽（通常取Rb为信息数据速率）。3）由量化的阶数及 NCO俞出的量化幅度值计
9、算环路增益。VCO用于根据给定的相角产生正弦和余弦三角函数。根据接收信号得到相角，经过环路滤波器后去控制VCO的输出，使得相角逐渐变小，最终使相角减小到很小的数值，得到稳定的Wd可以估计出频率偏移，re和im就是信号的相干解调后的实部和虚部。五、VHDL仿真实现已下变频调制后的 QPSKW号I和Q两路，载波2Mhz 噪声10dB,设定环路滤波器系 数 C1=1/2，c2=1/2A7。VHDL各模块端口描述：图4 VHDL结构图顶层模块COMPONENT costas_PLL3PORT(clk200m : IN std_logic; 200Mclk2m : IN std_logic;2Mrst
10、: IN std_logic; 时钟用于高速计算 时钟信号输入时钟复位信号高有效IMn : IN stdo gic_vector(15 dow nto 0);RE_in : IN stdo gic_vector(15 dow nto 0); chu_e nable : IN std_logic; chu输入信号虚部输入信号实部序列有效标志位data_e nable : IN std_logic; 有效数据有效标志位IM_out : OUT std_logic_vector(15 dow nto 0);虚部输出RE_out : OUT stdo gic_vector(15 dow nto 0);
11、-实部输出chu_v : OUT std_logic; -chu序列标志位data_v : OUT std_logic; -有效数据标志位clk_out : OUT stdo gic; -输出时钟);END COMPONENT; 复乘模块Comp onent complexport( clk:in std_logic; 输入 200M高速时钟ar:in stdo gic_vector(15 dow nto 0);输入数据实部ai:i n stdo gic_vector(15 dow nto 0);输入数据虚部br:in stdo gic_vector(15 dow nto 0);-相角余弦输入
12、bi:i n stdo gic_vector(15 dow nto 0);-相角正弦输入pr:out std_logic_vector(31 dow nto 0);输出实部pi:out std_logic_vector(31 dow nto 0);e nd component;输出虚咅 B鉴相模块comp onent phase_outport(clk:in std_logic;输入 200M高速时钟reset: in std_logic;复位信号en able:i n std_logic;鉴相使能标志位x_i n:in stdo gic_vector(15 dow nto 0); 输入复乘器
13、的实部结果y_i n:in stdo gic_vector(15 dow nto 0); 输入复乘器的虚部结果phase_out:outstdo gic_vector(15dow nto 0); 相位角输出(相位响应输出)end comp onent;环路滤波器模块comp onent loop_filterport(clk:in std_logic; 200M高速工作时钟reset:i n std_logic;复位信号cou nt2:in std_logic_vector(15 dow nto 0); 计数器(循环计数周期100)phase_i n:in std_logic_vector(15 dow nto 0);输入鉴相器输出的相角角freq_part1:out stdo gic_vector(15 dow nto 0); 频率响应输出phase_out1:outstdogic_vector(15downto 0);-输出一个经环路滤波器平滑后的相位角end comp onent;vcO莫块component cordic - 用 cordic 模块作为 VCOport(clk:in std_logic; -200M高速时钟phase_i n:in std_logic_vector(15 dow nto 0);环路滤波器输出的相位角si n:out stdo gic_ve
