基于DSP的高階COSTAS鎖相環的設計

COSTAS環是一種閉環自適應系統，用于提取相干載波。本文主要介紹了一種用于載波同步的高階COSTAS環路，用于完成MPSK的相干解調中的載波同步。本文提出了一種便于軟件實現的COSTAS環路的簡化結構，用于完成8PSK的載波同步，并詳細討論了采取數字信號處理器（DSP）編程實現COSTAS環路的一些問題。
關鍵詞：COSTAS環,?DSP,?MPSK,?載波同步

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圖1 COSTAS基本原理

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2.2 多相信號中提取載波

對于BPSK有兩個相位，可用上述方法來提取載波。但是常用的MPSK有M個相點，不能采用圖1的COSTAS環路來提取載波，必須采用多相COSTAS環。

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圖2 四相PSK信號COSTAS環原理框圖

3. 高階COSTAS環路的DSP算法優化

從上面M=8的高階鎖相環的結構來看，8PSK信號進入高階COSTAS環路，需要采用DSP實現八路鑒相器，八路低通濾波器（濾掉倍頻分量，得到低頻分量）和壓控振蕩器，計算量是非常龐大的。如何進行資源合理配置、達到DSP實時處理是載波恢復的難點，因此需要對DSP程序的優化作深入的研究。

在用C語言進行DSP軟件開發時，一般先在PC機上對算法進行仿真，再將C語言移植到DSP平臺中。按照開發的順序，相應的優化工作也包括兩部分：一是仿真環境中的優化，二是DSP目標環境的進一步優化。下面結合TI公司的TMS320C64x系列DSP的C編譯器，討論在MPSK的相干解調中的具體優化工作。

3.1 SIN/COS函數的查表算法

為了提高算法的實現效率，介紹運行時計算的時間開銷，應盡可能把一些運行時計算的參數做成查找表或常數數值。這不僅適用于一些比較規整的參數表，對于一些并不規整的運行時的計算，例如上下變頻和VCO中，用到與載波相乘的SIN/COS的計算，可以采用寫成數組，用查表來實現。

3.2 運算的流水處理

DSP的CPU多采用流水線結構。DSP的大多數指令為單周期指令，而跳轉類指令卻通常要耗費較多的機器周期。可以將多重循環拆開，減少對外層循環次數進行控制轉移的時間，充分利用優化器構成的流水線。

3.3 CIC梳狀濾波器的使用

利用CIC濾波器代替低通濾波器，達到減少定點乘法和加法運算的目的，解決了單片C6416資源不足的問題。例如：本文中載波速率為4800kHz,采樣率為230.4kHz，鑒相器輸出的高頻頻率為9600kHz，采用48階CIC可以將9600kHz的頻率分量濾掉。由于在 的位置，因此濾除效果非常好，遠大于 。CIC濾波器每項系數都是1，利用加法運算可以實現需要大量乘法和加法運算的功能，減少對DSP片內資源的使用。

3.4數據傳輸的EDMA方式

在調制解調過程中，DSP和外部之間存在大量數據的交換，這部分的優化工作影響系統性能。C64x支持EDMA，EDMA是增強型DMA,是一種在沒有CPU介入情況下的訪問存儲器的方式，即由EDMA控制器控制數據在L2內存/緩存和片內集成外設及片外設備之間的傳輸，而同時CPU可以并行的執行其它指令。EDMA是一種有效的數據傳輸方式，可以有效的減少EMIF在CPU下操作需要的資源。

具體實現方法如下：在片內數據存儲區定BUF的長度，并一分為二，可設為BUF1和BUF2。在EMDA里BUF1和BUF2都是等存儲大小的。在數據幀同步信號的上升沿，DSP以EDMA的方式從外部讀一幀的數據到BUF1；同時BUF2內的數據進行MPSK的解調算法。同理，在下一個數據幀同步信號的上升沿，DSP以EDMA的方式從外部讀另一幀的數據到BUF1 。BUF1讀滿后，DSP對BUF1內的數據進行MPSK的解調算法，同時BUF2進行數據的讀操作，實現EDMA的乒乓處理。

4、高階COSTAS環路的DSP實現結果

本文選取8PSK的符號速率為2400kbps,載波速率為4800kHz,采樣率為230.4kHz。圖2所示的兩路信號分別是利用CCS開發工具的觀察窗口觀察到的，提取的同頻同相的載波信號和8PSK的調制信號。

圖3 恢復的載波信號（上）和接收到的基帶信號（下）

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圖4 8PSK接收端解調前星座圖（AWGN信道，SNR＝17dB）

5. 結束語

本文主要介紹了一種新型的適用于MPSK載波提取的高階COSTAS環路，能滿足MPSK相干解調的需要，且便于DSP實現。針對COSTAS環算法的DSP實時實現問題，進行了詳細的討論。最后，針對一個具有較高數據速率8PSK調制解調實例，在單片C6416上完成了基于高階COSTAS環的載波同步及相干解調，并給出了通過CCS工具觀察到的DSP實現結果，證明高階COSTAS鎖相環具有較好的載波同步性能。

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