直擴OQPSK系統載波跟蹤的 設計及FPGA實現

0 引言
??? 載波同步是無線通信系統中一個重要的實際問題，是基帶信號處理的關鍵技術。導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引起載波頻率的漂移；二是電波傳輸的時延會產生載波相位的偏移；三是多普勒頻移，即在發射機和接收機產生相對移動時，會產生多普勒頻移，從而導致載波頻率的偏移；四是多徑效應，即信號在傳輸過程中由于多路徑(發射、折射1傳播引起多徑效應，從而帶來載波頻率和相位的延遲。

1 OQPSK調制原理
??? 偏移四相相移鍵控(Offset QPSK，OQPSK)與QPSK信號常見于擴展頻譜調制，與QPSK信號類似，OQPSK信號的Q路信號相比I路信號延遲半個碼元寬度。其結果是消除了已調信號中突然相移π的現象。這樣，每二分之一碼片時間信號就只能發生+π／2的變化。一般擴譜QPSK或OQPSK信號可用下式表示：

??? 式中，θd(t)表示數據相位調制，c1(t)和c2(t)是相互獨立的正交擴譜碼，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)在時間上同步，即為QPSK調制。若c2(t)比c1(t)延遲半個碼片時間，則為OQPSK調制。其中同相通道和正交通道的數據可以不同，這種調制叫雙通道QPSK或OQPSK調制。其輸出信號可以表示為：
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??? 另外，QPSK和OQPSK還允許同相通道和正交通道的發射功率不同。

2 OQPSK調制載波跟蹤環的設計
??? 由于系統收發時鐘的不同源和多譜勒頻移等問題，通常系統的收發會存在一定的頻差，并且頻差是隨著時間變化的。對于OQPSK調制信號，這種頻差所造成的后果是很嚴重的，不僅會引起信噪比下降，而且還會引起信號畸變，故應引入載波跟蹤。下面以直擴OQPsK系統為例來說明其載波跟蹤電路的設計。
??? 圖1所示是擴頻OQPSK信號載波跟蹤環的原理圖。圖中的r(k)為經過中頻放大后的采樣信號，可由下式表示：

??? 其中，P為信號幅度，dI、dQ為I、Q兩路信息數據，cI、cQ為I、Q兩路擴頻碼序列，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輸出信號為：可由其對兩路正交信號進行頻率和相位調整。為了抑制倒相現象的發生，可將I支路分別與CI(k)和CQ(k)相乘，并進行解擴處理。若擴頻碼已經取得完全同步，因I、Q兩路擴頻碼近似正交，則RII(t)遠大于RIQ(t)和噪聲分量。然后由此誤差來控制載波NCO并產生相應載波，再跟蹤輸入信號載波。

?系統仿真時，可取10個二進制雙極性碼為信碼，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，即可計算頻率控制字的輸入。
??? 跟蹤環路中累加器的長度為一個信碼的長度即一個擴頻碼周期，由此發射載頻和本地載波跟蹤環路，即可輸出瞬時相位誤差，其具體數據如表1所列。

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?? 根據表1中的數據，由式ω=0θ／(NTpn)可計算出補償頻率，經驗證與頻偏大致相同(誤差不超過300 Hz)。其中θ為表1中的誤差，N為擴頻碼序列的長度；Tpn為擴頻碼一個碼片時間。把該補償頻率與載波NCO系統之前輸出的頻率相加，然后計算出載波NCO頻率控制字的輸入，即可產生所需頻率。在實際項目開發中，載波跟蹤環路算法可在FPGA中實現。

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

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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。每來一個時鐘脈沖，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據相加，再把相加后的結果送至累加器的輸入端。同時寄存器將加法器在上一個時鐘作用后產生的相位數據反饋到加法器的輸入端，以使加法器在下一個時鐘作用下繼續與頻率控制字進行相加。這樣，相位累加器即可在時鐘的作用下進行相位累加。每當累加器加滿時，產生一次溢出，以控制各寄存器異步清零，從而完成一個周期動作。而當下一時鐘來時，再開始下一周期的累加。這里的頻率控制字與輸出頻率f0的關系式為：
??? k=f02N/f
3．2 相位調制器
??? 相位調制器可接收相位累加器的相位輸出。這里應加一個相位偏移值，主要用于實現信號的相位調制，如PSK(相移鍵控)等，在不使用時可以去掉該部分，或加一個固定的相位控制字。
3．3 波形存儲器
??? 波形存儲器即正弦ROM查找表，它采用相位累加器輸出的數據作為波形存儲器的取樣地址，然后進行波形的相位一幅值轉換，從而在給定的時間上確定輸出的波形的抽樣幅值。N位的尋址ROM相當于把0~360°的正弦信號離散成具有2N個采樣值的序列。若波形有D位數據位，則2N個采樣值的幅值將以D位二進制數固化在ROM中，這樣，按照地址的不同，就可以輸出相應的正弦信號的幅值。

4 結束語
??? 本文介紹了直擴OQPSK系統載波跟蹤的原理及FPGA實現方法。經實際的系統調試證明，該方法能有效的抑制OQPSK調制的倒相現象，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．從而有效實現對高速運動目標的載波跟蹤。