科斯塔斯环总结报告..docx

Costas 环研究总结报告研究目的： 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（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%以内（噪声≤10db）；相位抖动范围在±5o（噪声≤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： Costas环路在系统架构中的接入示意图如图1所示： 图1 costas环路系统架构中的接入图 Costas环路功能结构图如图2所示： 图2 costas环路功能结构图设输入的下变频后的2PSK信号（假设没有GAWN噪声影响），其中m(t)是基带调制信号cos(WCt)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 (2) (3)为本地载波与输入相干载波之间的相位差。由图1所示输入信号分别与锁定后的本地载波即式(2)、(3)相乘得到 (4) (5)经过低通滤波器滤除2倍分量得到 (6) (7)V5和V6相乘得到 (8)可以把上面部分看做是一个鉴相的过程，就是鉴相结果。环路滤波器的功能结构图如图3所示： 图3 环路滤波器则经过环路滤波器得到 (10)环路滤波器输出相角，控制VCO的相位和频率，使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 图4 QPSK信号相干载波提取与相干解调实现 下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） (9)为初相，等于频偏和载波的比值。 VCO输出信号可以表示为 (10)令(9)与(10)相乘 (11) (12) (13)鉴相： 1) 反正切函数法 （14）基于QPSK调制，QPSK调制所有的点都位于，若想正确解调信号，则解调后的所有点都应位于旋转的坐标轴上。相角为 (15)符号函数法 (16)乘法器+低通滤波器法 令已调信号 VCO输出 (17)经过低通滤波器滤除2倍分量得到 (18) 综上所述三种鉴相方法，(2)和(3)都用到(这公式只在很小时成立，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 (19)K1和K2是此环路滤波器的两个系数， (20)为环路增益，是锁相环阻尼系数，为环路固有角频率，是环路噪声带宽，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：确定阻尼系数(工程取值一般为0.707)。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 为信息数据速率）。由量化的阶数及NCO输出的量化幅度值计算环路增益。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QPSK信号I和Q两路，载波2Mhz，噪声10dB，设定环路滤波器系数C1=1/2，c2=1/2^7。 VHDL各模块端口描述： 图4 VHDL结构图顶层模块 COMPONENT costas_PLL3 PORT( clk200m : IN std_logic; ------200M时钟用于高速计算 clk2m : IN std_logic; -----2M时钟 信号输入时钟 rst : IN std_logic; -----复位信号 高有效 IM_in : IN std_logic_vector(15 downto 0); ------输入信号虚部 RE_i