一种航空无线通信双导频载波恢复装置的制造方法
一种航空无线通信双导频载波恢复装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及航空无线通信领域，尤其设及航空无线数字化宽带传输系统的载波恢 复设计，是一种面向航空无线信道环境提出的，基于粗、精两级结构并利用双导频实现载波 恢复的方法。 技术背景
[0002] 无线通信系统中收发信机的振荡器存在固有的频率和相位偏差，将引起收发信号 的载波存在频率和相位的偏差，此外，收发信机相对运动带来的多普勒效应将增大载波频 率的偏差。对于大部分的无线通信系统，收信机接收的信号必须通过载波恢复处理，使其载 波的频相与发信机发射信号的载波频相一致，才能确保信息被正确地恢复输出。现有的载 波恢复方式可分为两种；一是收信机直接从接收到的已调信号中提取载波，称为直接提取 法或自同步法；另一方法是发信机在发送数据信息的同时还发送较小功率的载波或导频信 息，称为插入导频法或外同步法。
[0003] 在航空无线通信中，航空飞行器的高速、高机动运动将会带来强烈、快速时变的多 普勒效应，传统的仅采用锁频锁相环恢复载波的技术在高动态环境下存在捕获速度与跟踪 精度之间的矛盾，较难同时满足动态能力与稳态性能的需求。
[0004] 此外，原理上利用单一导频信息就可W实现载波恢复，然而，在航空飞行器起降及 近地飞行阶段，可能存在强多径信号，信号频谱将出现很深的谷。当多径信号处于一定的延 迟或相位时，该单一导频有可能被大幅度衰减，W至无法实现载波恢复。针对单一导频信息 进行载波恢复的缺陷，出现了双导频信息进行载波恢复的技术，其在调制信号上下边带上 分别加上一个导频，利用双导频信息因多径干扰而同时大幅度衰减的可能性很小的特点， 提升载波恢复在多径信号干扰下的工作鲁椿性。
【发明内容】
[0005] 为解决高动态环境下，无线通信系统对载波恢复的收敛速度和精度提出的要求， 本发明提供了一种航空无线通信双导频载波恢复装置，用于提升载波恢复精度和稳定性 能。
[0006] 本发明的发明目的通过W下技术方案实现：
[0007] 一种航空无线通信双导频载波恢复装置，包含多级卷积级联滤波模块、粗载波恢 复模块、精载波恢复模块；
[000引所述多级卷积级联滤波模块根据粗载波恢复模块提供的粗载波恢复信息进行多 级卷积级联滤波，分别获得上边带导频信息、下边带导频信息和含导频信息的调制数据信 息；
[0009] 所述粗载波恢复模块对多级卷积级联滤波模块提供的上边带导频信息、下边带导 频信息进行鉴频及分析，控制完成准复基带信号的粗载波偏移补偿并将其输出至多级卷积 级联滤波板块；
[0010] 所述精载波恢复模块对多级卷积级联滤波模块提供的上边带导频信息、下边带导 频信息进行鉴相及分析，并根据鉴相及分析的结果对多级卷积级联滤波模块提供的调制数 据信息完成精载波偏移补偿输出复基带信号。
[0011] 依据上述特征，所述多级卷积级联滤波模块包含匹配根升余弦滤波器、高通滤波 器、正频滤波器、负频滤波器、第=变频模块、第四变频模块；
[0012] 所述匹配根升余弦滤波器用于抑制粗载波恢复信息的有效带宽外噪声，产生二路 含导频信息的调制数据信息，其中一路调制数据信息直接输出至精载波恢复模块，另一路 调制数据信息输出至高通滤波器；
[0013] 所述高通滤波器对调制数据信息的有效带宽内低频分量进行抑制，提取二路双导 频信息分别送入正频滤波器和负频滤波器；
[0014] 所述正频滤波器用于提取双导频信息中的准上边带导频信息；
[0015] 所述负频滤波器用于提取双导频信息中的准下边带导频信息；
[0016] 所述第=变频模块采用固定频率为将准上边带导频信息搬移至零频附近 输出上边带导频信息；
[0017] 所述第四变频模块采用固定频率为将准下边带导频信息搬移至零频附近 输出下边带导频信息；
[001引其中RsymbDl为理想信号有效带宽。
[0019] 依据上述特征，所述正频滤波器、负频滤波器均为希尔伯特变换器，利用90°的相 位偏移产生单边带导频信息。
[0020] 依据上述特征，所述粗载波恢复模块包含第一FFT鉴频模块、第二FFT鉴频模块、 加权锁存积分模块、第一变频模块；
[0021] 所述第一FFT鉴频模块接收多级卷积级联滤波模块输出的上边带导频信息，进行 CIC抽取滤波、缓存、FFT时频转换及频域分析，获得每段上边带导频信息的频偏信息及功 率信息；
[0022] 所述第二FFT鉴频模块接收多级卷积级联滤波模块输出的下边带导频信息，进行 CIC抽取滤波、缓存、FFT时频转换及频域分析，获得每段下边带导频信息的频偏信息及功 率信息；
[0023] 所述加权锁存积分模块用于依据第一FFT鉴频模块、第二FFT鉴频模块输出上边 带导频信息、下边带导频信息的功率信息，对频偏信息进行归一化加权求和，设置一定的有 效频偏波动范围，将当前加权结果与锁存的前一次加权结果进行比较，择有效进行积分，积 分结果即粗载波恢复的频偏校准信息；
[0024] 所述第一变频模块用于依据加权锁存积分模块输出的频偏校准信息完成准复基 带信号的粗载波偏移补偿。
[0025] 依据上述特征，所述精载波恢复模块包含第一鉴相模块、第二鉴相模块、加权比例 积分滤波模块、第二变频模块、第五变频模块、第六变频模块；
[0026] 所述第一鉴相模块接收第五变频模块输出的经过载波偏移补偿的上边带导频信 息，进行限幅和极性翻转，完成相位误差信号的测量并输出上边带导频信息的鉴相结果；
[0027] 所述第二鉴相模块接收第六变频模块输出的经过载波偏移补偿的下边带导频信 息，进行限幅和极性翻转，完成相位误差信号的测量并输出下边带导频信息的鉴相结果； [002引所述加权比例积分滤波模块用于实现环路滤波效果，分别接收第一鉴相模块、第 二鉴相模块输出的上边带导频信息、下边带导频信息的鉴相结果W及第五变频模块、第六 变频模块输出的经过载波偏移补偿的上边带导频信息、下边带导频信息，依据两路导频信 息的时域幅值，对鉴相结果进行加权求和，得到归一化的相位误差信号，通过内部移位寄存 器和积分器得到当前输入信号的载波频相校准信息；
[0029] 第二变频模块用于接收加权比例积分滤波模块输出的载波频相校准信息，对调制 数据信息进行载波偏移补偿，完成精载波偏移校准；
[0030] 第五变频模块用于接收加权比例积分滤波模块输出的载波频相校准信息，对下边 带导频信息进行载波偏移补偿；
[0031] 第六变频模块用于接收加权比例积分滤波模块输出的载波频相校准信息，对下边 带导频信息进行载波偏移补偿；
[0032] 依据上述特征，所述第一鉴相模块由限幅器和反相器构成，限幅器对上边带导频 信息的I路信号进行限幅，得到± 1的输出，反相器W限幅器输出信号对上边带导频信息的 Q路信号进行极性翻转，完成相位误差信号的测量。
[0033] 依据上述特征，所述第二鉴相 模块由限幅器和反相器构成，限幅器对下边带导频 信息的I路信号进行限幅，得到± 1的输出，反相器W限幅器输出信号对下边带导频信息的 Q路信号进行极性翻转，完成相位误差信号的测量。
[0034] 本发明由如下几个主要的技术要点；
[0035] 1、充分利用多级卷积级联滤波结构（匹配根升余弦滤波器、高通滤波器、正、负频 滤波器），使导频信息的提取在噪声抑制能力和硬件工程实现复杂度得到合理折衷。
[0036] 2、采用闭环结构实现基于FFT频偏校准的粗载波恢复，利用锁存积分策略实现 FFT频偏校准信息的输出，提高频偏校准信息可靠性的同时，使滤波器资源得到有效复用， 不需要为FFT鉴频的输入提供额外的滤波模块，为硬件工程实现优化资源。
[0037] 3、充分利用双导频信息在多径信号干扰下，同时发生衰落的几率很小的特点，分 别利用上、下边带的导频信息进行独立的粗、精载波偏移估计，W上、下边带导频信息的频 域幅值为权值对粗载波偏移估计量进行归一化加权，得到粗载波恢复的校准信息，W上、下 边带导频信息的时域幅值为权值对精载波偏移估计量进行归一化加权，得到精载波恢复的 校准信息。有效提升多径信号干扰下，载波恢复的可靠性。
[003引 4、综合FFT频偏校准模块和锁频锁相环模块的特点，利用粗、精前后两级载波恢 复，形成FFT频偏校准模块动态载波捕获能力强，锁频锁相环模块载波跟踪精度高的优势 互补，对抗航空无线通信系统收发信机高速相对运动带来的大多普勒效应问题。
[0039] 与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
[0040] 1、利用多级卷积级联滤波模块，在对等的硬件工程实现复杂度下，双导频信息的 滤波提取效果得到提升（噪声抑制更显著），从而带来了载波恢复精度和稳定性能的提升。
[0041] 2、利用锁存积分策略采用闭环结构实现的粗载波恢复，实现了滤波器资源的复 用，有效节省了硬件工程实现的资源消耗。
[0042] 3、利用上、下边带导频信息进行独立载波偏移提取和归一化加权输出的方式，有 效弥补了因单一导频衰落对载波恢复带来的不利影响，在多径衰落信道环境下测试表明： 在发生单一导频发生衰落的情况下，本算法仍能正常纠正频偏。
[0043] 4、利用粗、精两级载波恢复，合理规避了FFT频偏校准算法和锁频锁相环技术的 缺点，能够快速地完成载波频率偏移的捕获并进入载波偏移跟踪补偿过程，具有很高的频 偏捕获范围（W5MHz的信号有效带宽系统为例，频偏校准范围达±19. 5KHZ)和稳态跟踪 精度，使大多普勒效应下的载波恢复过程获得收敛速度和精度的性能优化。
【附图说明】
[0044] 图1为本发明一种航空无线通信双导频载波恢复装置的结构示意图；
[0045] 图2为本发明中多级卷积级联滤波模块的结构示意图；
[0046] 图3为本发明中粗载波恢复模块的结构示意图；
[0047] 图4为本发明中精载波恢复模块的结构示意图。
【具体实施方式】
[0048] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
[0049] 本发明采用分段式策略，设计粗、精两级结构的载波恢复。通过粗载波恢复，利用FFT频偏校准算法，快速地捕获接收信号的载波频率偏移范围，控制缩小信号的载波频偏 量；通过精载波恢复，利用锁频锁相环技术，完成对粗载波恢复精度限制导致的剩余载波频 率频偏的补偿W及相位偏移的跟踪，提高载波恢复的实时性和有效性。同时，为提高多径信 号干扰下的系统载波恢复稳定性和可靠性，采用双导频信息载波恢复策略，利用两个导频 信息进行两路独立的载波偏移提取，依据两个导频信息的功率评估值，对该两个偏移测量 量进行归一化加权，控制系统完成载波偏移的校准。如图1所示，本发明主要包括；多级卷 积级联滤波模块、粗载波恢复模块、精载波恢复模块。
[0化日](1)多级卷积级联滤波模块
[0化1] 如图2所示，多级卷积级联滤波模块对经过粗载波恢复模块中第一变频模块处理 的准复基带信号分别进行上边带导频信息、下边带导频信息和含导频信息的调制数据信息 的滤波提取。输入信号首先经过RRCF(匹配根升余弦滤波器），抑制信号有效带宽外噪声， 获得二路含导频信息的调制数据信息，其中一路调制数据信息直接输出，另一路调制数据 信息输出至HPF(高通滤波器），HPF对信号有效带宽内低频分量进行抑制，提取双导频信 息，然后分别进入PFF(正频滤波器）和NFF(负频滤波器）提取准上边带导频、下边带导频， 最后固定频率分别为-%^21和^：2：!2!；21的第=变频模块、第四变频模块将准上边带导频、准 2 2 下边带导频分别搬移至零频附近输出，其中RwmbDl为理想信号有效带宽。
[0化2] 此处我们利用RRCF和HPF的卷积级联，形成一个过渡带睹峭的等效窄带滤波器， 提取双导频信息；此外，PFF、NFF是两个希尔伯特变换器，利用90°的相位偏移产生单边带 信号。
[0化3] (2)粗载波恢复模块
[0化4] 如图3所示，粗载波恢复模块包含第一FFT鉴频模块、第二FFT鉴频模块、加权锁 存积分模块、第一变频模块，通过对双导频信息的鉴频及分析，控制完成粗载波偏移补偿。 具体为：第一FFT鉴频模块、第二FFT鉴频模块分别接收多级卷积级联滤波模块输出的上边 带导频信息、下边带导频信息，进行CIC抽取滤波、缓存、FFT时频转换及频域分析，获得每 段观测数据的频偏信息及功率（频域幅值）信息；在加权锁存积分模块，依据上边带导频信 息、下边带导频信息的功率信息，对第一FFT鉴频模块、第二FFT鉴频模块输出的频偏信息 进行归一化加权求和，设置一定的有效频偏波动范围，将当前加权结果与锁存的前一次加 权结果进行比较，择有效进行积分，积分结果即粗载波恢复的频偏校准信息，控制第一变频 模块完成准复基带信号的粗载波偏移校准。其中，第一FFT鉴频模块、第二FFT鉴频模块对 载波频率进行了有限范围和精度的量化，鉴频范围与CIC抽取滤波倍数相关，量化精度与 FFT点数相关，可根据实际无线传输系统的射频频率及航空飞行器平台的运动速度进行参 数优化。
[0055] (3)精载波恢复模块
[0化6]如图4所示，精载波恢复模块包含第一鉴相模块、第二鉴相模块、加权比例积分滤 波模块、第二变频模块、第五变频模块、第六变频模块，通过对双导频信息的鉴相及分析，控 制完成精载波偏移补偿。具体为；鉴相模块均由限幅器和反相器构成，第一鉴相模块、第二 鉴相模块分别接收第五变频模块、第六变频模块输出的上边带导频信息、下边带导频信息， 内部的限幅器对导频信息的I路信号进行限幅，得到±1的输出，反相器W该限幅输出信号 对导频信息Q路信号，即相位误差信号进行极性翻转，完成相位误差信号的测量；加权比例 积分滤波模块实现环路滤波效果，分别接收第一鉴相模块、第二鉴相模块输出的上边带导 频信息、下边带导频信息的鉴相结果W及第五变频模块、第六变频模块输出的经过载波偏 移补偿的上边带导频信息、下边带导频信息，依据两路单边导频信息的时域幅值， 对鉴相结 果进行加权求和，得到归一化的相位误差信号，通过内部移位寄存器和积分器得到当前输 入信号的剩余载波频率偏移和载波相位误差，即载波频相校准信息；第二变频模块接收加 权比例积分滤波模块输出的载波频相校准信息，对调制数据信息进行载波偏移补偿，完成 精载波偏移校准，输出复基带信号。第五变频模块、第六变频模块接收加权比例积分滤波模 块输出的载波频相校准信息，分别对上边带导频信息、下边带导频信息进行载波偏移补偿。 [0057] 本发明采用数字信号处理技术，可W轻松应对航空无线通信系统对载波恢复范围 及精度的需求，达到掌握具有自主知识产权的航空无线通信载波恢复设计的目的。
[005引可W理解的是，对本领域普通技术人员来说，可W根据本发明的技术方案及其发 明构思加W等同替换或改变，而所有该些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保 护范围。
【主权项】
1. 一种航空无线通信双导频载波恢复装置，包含多级卷积级联滤波模块、粗载波恢复 模块、精载波恢复模块，其特征在于： 所述多级卷积级联滤波模块根据粗载波恢复模块提供的粗载波恢复信息进行多级卷 积级联滤波，分别获得上边带导频信息、下边带导频信息和含导频信息的调制数据信息； 所述粗载波恢复模块对多级卷积级联滤波模块提供的上边带导频信息、下边带导频信 息进行鉴频及分析，控制完成准复基带信号的粗载波偏移补偿并将其输出至多级卷积级联 滤波模块； 所述精载波恢复模块对多级卷积级联滤波模块提供的上边带导频信息、下边带导频信 息进行鉴相及分析，并根据鉴相及分析的结果对多级卷积级联滤波模块提供的调制数据信 息完成精载波偏移补偿输出复基带信号。2. 根据权利要求1所述的一种航空无线通信双导频载波恢复装置，其特征在于所述多 级卷积级联滤波模块包含匹配根升余弦滤波器、高通滤波器、正频滤波器、负频滤波器、第 三变频模块、第四变频模块； 所述匹配根升余弦滤波器用于抑制粗载波恢复信息的有效带宽外噪声，产生二路含导 频信息的调制数据信息，其中一路调制数据信息直接输出至精载波恢复模块，另一路调制 数据信息输出至高通滤波器； 所述高通滤波器对调制数据信息的有效带宽内低频分量进行抑制，提取二路双导频信 息分别送入正频滤波器和负频滤波器； 所述正频滤波器用于提取双导频信息中的准上边带导频信息； 所述负频滤波器用于提取双导频信息中的准下边带导频信息； 所述第三变频模块采用固定频率为将准上边带导频信息搬移至零频附近输出 上边带导频信息； 所述第四变频模块采用固定频率为将准下边带导频信息搬移至零频附近输出 下边带导频信息； 其中RsymbtjlS理想信号有效带宽。3. 根据权利要求2所述的一种航空无线通信双导频载波恢复装置，其特征在于所述正 频滤波器、负频滤波器均为希尔伯特变换器，利用90°的相位偏移产生单边带导频信息。4. 根据权利要求1所述的一种航空无线通信双导频载波恢复装置，其特征在于所述粗 载波恢复模块包含第一 FFT鉴频模块、第二FFT鉴频模块、加权锁存积分模块、第一变频模 块； 所述第一 FFT鉴频模块接收多级卷积级联滤波模块输出的上边带导频信息，进行CIC 抽取滤波、缓存、FFT时频转换及频域分析，获得每段上边带导频信息的频偏信息及功率信 息； 所述第二FFT鉴频模块接收多级卷积级联滤波模块输出的下边带导频信息，进行CIC 抽取滤波、缓存、FFT时频转换及频域分析，获得每段下边带导频信息的频偏信息及功率信 息； 所述加权锁存积分模块用于依据第一 FFT鉴频模块、第二FFT鉴频模块输出上边带导 频信息、下边带导频信息的功率信息，对频偏信息进行归一化加权求和，设置一定的有效频 偏波动范围，将当前加权结果与锁存的前一次加权结果进行比较，择有效进行积分，积分结 果即粗载波恢复的频偏校准信息； 所述第一变频模块用于依据加权锁存积分模块输出的频偏校准信息完成准复基带信 号的粗载波偏移补偿。5. 根据权利要求1所述的一种航空无线通信双导频载波恢复装置，其特征在于所述精 载波恢复模块包含第一鉴相模块、第二鉴相模块、加权比例积分滤波模块、第二变频模块、 第五变频模块、第六变频模块； 所述第一鉴相模块接收第五变频模块输出的经过载波偏移补偿的上边带导频信息，进 行限幅和极性翻转，完成相位误差信号的测量并输出上边带导频信息的鉴相结果； 所述第二鉴相模块接收第六变频模块输出的经过载波偏移补偿的下边带导频信息，进 行限幅和极性翻转，完成相位误差信号的测量并输出下边带导频信息的鉴相结果； 所述加权比例积分滤波模块用于实现环路滤波效果，分别接收第一鉴相模块、第二鉴 相模块输出的上边带导频信息、下边带导频信息的鉴相结果以及第五变频模块、第六变频 模块输出的经过载波偏移补偿的上边带导频信息、下边带导频信息，依据两路导频信息的 时域幅值，对鉴相结果进行加权求和，得到归一化的相位误差信号，通过内部移位寄存器和 积分器得到当前输入信号的载波频相校准信息； 第二变频模块用于接收加权比例积分滤波模块输出的载波频相校准信息，对调制数据 信息进行载波偏移补偿，完成精载波偏移校准； 第五变频模块用于接收加权比例积分滤波模块输出的载波频相校准信息，对下边带导 频信息进行载波偏移补偿； 第六变频模块用于接收加权比例积分滤波模块输出的载波频相校准信息，对下边带导 频信息进行载波偏移补偿。6. 根据权利要求5所述的一种航空无线通信双导频载波恢复装置，其特征在于所述第 一鉴相模块由限幅器和反相器构成，限幅器对上边带导频信息的I路信号进行限幅，得到 ±1的输出，反相器以限幅器输出信号对上边带导频信息的Q路信号进行极性翻转，完成相 位误差信号的测量。7. 根据权利要求5所述的一种航空无线通信双导频载波恢复装置，其特征在于所述第 二鉴相模块由限幅器和反相器构成，限幅器对下边带导频信息的I路信号进行限幅，得到 ±1的输出，反相器以限幅器输出信号对下边带导频信息的Q路信号进行极性翻转，完成相 位误差信号的测量。
【专利摘要】本发明一种航空无线通信双导频载波恢复装置，包含多级卷积级联滤波模块、粗载波恢复模块、精载波恢复模块，所述多级卷积级联滤波模块根据粗载波恢复模块提供的粗载波恢复信息进行多级卷积级联滤波，分别获得上边带导频信息、下边带导频信息和含导频信息的调制数据信息；所述粗载波恢复模块对多级卷积级联滤波模块提供的上边带导频信息、下边带导频信息进行鉴频及分析，控制完成准复基带信号的粗载波偏移补偿并将其输出至多级卷积级联滤波模块；所述精载波恢复模块对多级卷积级联滤波模块提供的上边带导频信息、下边带导频信息进行鉴相及分析，并根据鉴相及分析的结果对多级卷积级联滤波模块提供的调制数据信息完成精载波偏移补偿。
【IPC分类】H04B7/08, H04L27/34, H04B7/06, H04L25/03
【公开号】CN104901912
【申请号】CN201510253118
【发明人】金哲仕, 丁勇飞, 李金喜, 邹星, 殷晓晨, 王洋
【申请人】中国航空无线电电子研究所
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年5月18日
【技术领域】
[0001] 本发明设及航空无线通信领域，尤其设及航空无线数字化宽带传输系统的载波恢 复设计，是一种面向航空无线信道环境提出的，基于粗、精两级结构并利用双导频实现载波 恢复的方法。 技术背景
[0002] 无线通信系统中收发信机的振荡器存在固有的频率和相位偏差，将引起收发信号 的载波存在频率和相位的偏差，此外，收发信机相对运动带来的多普勒效应将增大载波频 率的偏差。对于大部分的无线通信系统，收信机接收的信号必须通过载波恢复处理，使其载 波的频相与发信机发射信号的载波频相一致，才能确保信息被正确地恢复输出。现有的载 波恢复方式可分为两种；一是收信机直接从接收到的已调信号中提取载波，称为直接提取 法或自同步法；另一方法是发信机在发送数据信息的同时还发送较小功率的载波或导频信 息，称为插入导频法或外同步法。
[0003] 在航空无线通信中，航空飞行器的高速、高机动运动将会带来强烈、快速时变的多 普勒效应，传统的仅采用锁频锁相环恢复载波的技术在高动态环境下存在捕获速度与跟踪 精度之间的矛盾，较难同时满足动态能力与稳态性能的需求。
[0004] 此外，原理上利用单一导频信息就可W实现载波恢复，然而，在航空飞行器起降及 近地飞行阶段，可能存在强多径信号，信号频谱将出现很深的谷。当多径信号处于一定的延 迟或相位时，该单一导频有可能被大幅度衰减，W至无法实现载波恢复。针对单一导频信息 进行载波恢复的缺陷，出现了双导频信息进行载波恢复的技术，其在调制信号上下边带上 分别加上一个导频，利用双导频信息因多径干扰而同时大幅度衰减的可能性很小的特点， 提升载波恢复在多径信号干扰下的工作鲁椿性。
【发明内容】
[0005] 为解决高动态环境下，无线通信系统对载波恢复的收敛速度和精度提出的要求， 本发明提供了一种航空无线通信双导频载波恢复装置，用于提升载波恢复精度和稳定性 能。
[0006] 本发明的发明目的通过W下技术方案实现：
[0007] 一种航空无线通信双导频载波恢复装置，包含多级卷积级联滤波模块、粗载波恢 复模块、精载波恢复模块；
[000引所述多级卷积级联滤波模块根据粗载波恢复模块提供的粗载波恢复信息进行多 级卷积级联滤波，分别获得上边带导频信息、下边带导频信息和含导频信息的调制数据信 息；
[0009] 所述粗载波恢复模块对多级卷积级联滤波模块提供的上边带导频信息、下边带导 频信息进行鉴频及分析，控制完成准复基带信号的粗载波偏移补偿并将其输出至多级卷积 级联滤波板块；
[0010] 所述精载波恢复模块对多级卷积级联滤波模块提供的上边带导频信息、下边带导 频信息进行鉴相及分析，并根据鉴相及分析的结果对多级卷积级联滤波模块提供的调制数 据信息完成精载波偏移补偿输出复基带信号。
[0011] 依据上述特征，所述多级卷积级联滤波模块包含匹配根升余弦滤波器、高通滤波 器、正频滤波器、负频滤波器、第=变频模块、第四变频模块；
[0012] 所述匹配根升余弦滤波器用于抑制粗载波恢复信息的有效带宽外噪声，产生二路 含导频信息的调制数据信息，其中一路调制数据信息直接输出至精载波恢复模块，另一路 调制数据信息输出至高通滤波器；
[0013] 所述高通滤波器对调制数据信息的有效带宽内低频分量进行抑制，提取二路双导 频信息分别送入正频滤波器和负频滤波器；
[0014] 所述正频滤波器用于提取双导频信息中的准上边带导频信息；
[0015] 所述负频滤波器用于提取双导频信息中的准下边带导频信息；
[0016] 所述第=变频模块采用固定频率为将准上边带导频信息搬移至零频附近 输出上边带导频信息；
[0017] 所述第四变频模块采用固定频率为将准下边带导频信息搬移至零频附近 输出下边带导频信息；
[001引其中RsymbDl为理想信号有效带宽。
[0019] 依据上述特征，所述正频滤波器、负频滤波器均为希尔伯特变换器，利用90°的相 位偏移产生单边带导频信息。
[0020] 依据上述特征，所述粗载波恢复模块包含第一FFT鉴频模块、第二FFT鉴频模块、 加权锁存积分模块、第一变频模块；
[0021] 所述第一FFT鉴频模块接收多级卷积级联滤波模块输出的上边带导频信息，进行 CIC抽取滤波、缓存、FFT时频转换及频域分析，获得每段上边带导频信息的频偏信息及功 率信息；
[0022] 所述第二FFT鉴频模块接收多级卷积级联滤波模块输出的下边带导频信息，进行 CIC抽取滤波、缓存、FFT时频转换及频域分析，获得每段下边带导频信息的频偏信息及功 率信息；
[0023] 所述加权锁存积分模块用于依据第一FFT鉴频模块、第二FFT鉴频模块输出上边 带导频信息、下边带导频信息的功率信息，对频偏信息进行归一化加权求和，设置一定的有 效频偏波动范围，将当前加权结果与锁存的前一次加权结果进行比较，择有效进行积分，积 分结果即粗载波恢复的频偏校准信息；
[0024] 所述第一变频模块用于依据加权锁存积分模块输出的频偏校准信息完成准复基 带信号的粗载波偏移补偿。
[0025] 依据上述特征，所述精载波恢复模块包含第一鉴相模块、第二鉴相模块、加权比例 积分滤波模块、第二变频模块、第五变频模块、第六变频模块；
[0026] 所述第一鉴相模块接收第五变频模块输出的经过载波偏移补偿的上边带导频信 息，进行限幅和极性翻转，完成相位误差信号的测量并输出上边带导频信息的鉴相结果；
[0027] 所述第二鉴相模块接收第六变频模块输出的经过载波偏移补偿的下边带导频信 息，进行限幅和极性翻转，完成相位误差信号的测量并输出下边带导频信息的鉴相结果； [002引所述加权比例积分滤波模块用于实现环路滤波效果，分别接收第一鉴相模块、第 二鉴相模块输出的上边带导频信息、下边带导频信息的鉴相结果W及第五变频模块、第六 变频模块输出的经过载波偏移补偿的上边带导频信息、下边带导频信息，依据两路导频信 息的时域幅值，对鉴相结果进行加权求和，得到归一化的相位误差信号，通过内部移位寄存 器和积分器得到当前输入信号的载波频相校准信息；
[0029] 第二变频模块用于接收加权比例积分滤波模块输出的载波频相校准信息，对调制 数据信息进行载波偏移补偿，完成精载波偏移校准；
[0030] 第五变频模块用于接收加权比例积分滤波模块输出的载波频相校准信息，对下边 带导频信息进行载波偏移补偿；
[0031] 第六变频模块用于接收加权比例积分滤波模块输出的载波频相校准信息，对下边 带导频信息进行载波偏移补偿；
[0032] 依据上述特征，所述第一鉴相模块由限幅器和反相器构成，限幅器对上边带导频 信息的I路信号进行限幅，得到± 1的输出，反相器W限幅器输出信号对上边带导频信息的 Q路信号进行极性翻转，完成相位误差信号的测量。
[0033] 依据上述特征，所述第二鉴相 模块由限幅器和反相器构成，限幅器对下边带导频 信息的I路信号进行限幅，得到± 1的输出，反相器W限幅器输出信号对下边带导频信息的 Q路信号进行极性翻转，完成相位误差信号的测量。
[0034] 本发明由如下几个主要的技术要点；
[0035] 1、充分利用多级卷积级联滤波结构（匹配根升余弦滤波器、高通滤波器、正、负频 滤波器），使导频信息的提取在噪声抑制能力和硬件工程实现复杂度得到合理折衷。
[0036] 2、采用闭环结构实现基于FFT频偏校准的粗载波恢复，利用锁存积分策略实现 FFT频偏校准信息的输出，提高频偏校准信息可靠性的同时，使滤波器资源得到有效复用， 不需要为FFT鉴频的输入提供额外的滤波模块，为硬件工程实现优化资源。
[0037] 3、充分利用双导频信息在多径信号干扰下，同时发生衰落的几率很小的特点，分 别利用上、下边带的导频信息进行独立的粗、精载波偏移估计，W上、下边带导频信息的频 域幅值为权值对粗载波偏移估计量进行归一化加权，得到粗载波恢复的校准信息，W上、下 边带导频信息的时域幅值为权值对精载波偏移估计量进行归一化加权，得到精载波恢复的 校准信息。有效提升多径信号干扰下，载波恢复的可靠性。
[003引 4、综合FFT频偏校准模块和锁频锁相环模块的特点，利用粗、精前后两级载波恢 复，形成FFT频偏校准模块动态载波捕获能力强，锁频锁相环模块载波跟踪精度高的优势 互补，对抗航空无线通信系统收发信机高速相对运动带来的大多普勒效应问题。
[0039] 与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
[0040] 1、利用多级卷积级联滤波模块，在对等的硬件工程实现复杂度下，双导频信息的 滤波提取效果得到提升（噪声抑制更显著），从而带来了载波恢复精度和稳定性能的提升。
[0041] 2、利用锁存积分策略采用闭环结构实现的粗载波恢复，实现了滤波器资源的复 用，有效节省了硬件工程实现的资源消耗。
[0042] 3、利用上、下边带导频信息进行独立载波偏移提取和归一化加权输出的方式，有 效弥补了因单一导频衰落对载波恢复带来的不利影响，在多径衰落信道环境下测试表明： 在发生单一导频发生衰落的情况下，本算法仍能正常纠正频偏。
[0043] 4、利用粗、精两级载波恢复，合理规避了FFT频偏校准算法和锁频锁相环技术的 缺点，能够快速地完成载波频率偏移的捕获并进入载波偏移跟踪补偿过程，具有很高的频 偏捕获范围（W5MHz的信号有效带宽系统为例，频偏校准范围达±19. 5KHZ)和稳态跟踪 精度，使大多普勒效应下的载波恢复过程获得收敛速度和精度的性能优化。
【附图说明】
[0044] 图1为本发明一种航空无线通信双导频载波恢复装置的结构示意图；
[0045] 图2为本发明中多级卷积级联滤波模块的结构示意图；
[0046] 图3为本发明中粗载波恢复模块的结构示意图；
[0047] 图4为本发明中精载波恢复模块的结构示意图。
【具体实施方式】
[0048] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
[0049] 本发明采用分段式策略，设计粗、精两级结构的载波恢复。通过粗载波恢复，利用FFT频偏校准算法，快速地捕获接收信号的载波频率偏移范围，控制缩小信号的载波频偏 量；通过精载波恢复，利用锁频锁相环技术，完成对粗载波恢复精度限制导致的剩余载波频 率频偏的补偿W及相位偏移的跟踪，提高载波恢复的实时性和有效性。同时，为提高多径信 号干扰下的系统载波恢复稳定性和可靠性，采用双导频信息载波恢复策略，利用两个导频 信息进行两路独立的载波偏移提取，依据两个导频信息的功率评估值，对该两个偏移测量 量进行归一化加权，控制系统完成载波偏移的校准。如图1所示，本发明主要包括；多级卷 积级联滤波模块、粗载波恢复模块、精载波恢复模块。
[0化日](1)多级卷积级联滤波模块
[0化1] 如图2所示，多级卷积级联滤波模块对经过粗载波恢复模块中第一变频模块处理 的准复基带信号分别进行上边带导频信息、下边带导频信息和含导频信息的调制数据信息 的滤波提取。输入信号首先经过RRCF(匹配根升余弦滤波器），抑制信号有效带宽外噪声， 获得二路含导频信息的调制数据信息，其中一路调制数据信息直接输出，另一路调制数据 信息输出至HPF(高通滤波器），HPF对信号有效带宽内低频分量进行抑制，提取双导频信 息，然后分别进入PFF(正频滤波器）和NFF(负频滤波器）提取准上边带导频、下边带导频， 最后固定频率分别为-%^21和^：2：!2!；21的第=变频模块、第四变频模块将准上边带导频、准 2 2 下边带导频分别搬移至零频附近输出，其中RwmbDl为理想信号有效带宽。
[0化2] 此处我们利用RRCF和HPF的卷积级联，形成一个过渡带睹峭的等效窄带滤波器， 提取双导频信息；此外，PFF、NFF是两个希尔伯特变换器，利用90°的相位偏移产生单边带 信号。
[0化3] (2)粗载波恢复模块
[0化4] 如图3所示，粗载波恢复模块包含第一FFT鉴频模块、第二FFT鉴频模块、加权锁 存积分模块、第一变频模块，通过对双导频信息的鉴频及分析，控制完成粗载波偏移补偿。 具体为：第一FFT鉴频模块、第二FFT鉴频模块分别接收多级卷积级联滤波模块输出的上边 带导频信息、下边带导频信息，进行CIC抽取滤波、缓存、FFT时频转换及频域分析，获得每 段观测数据的频偏信息及功率（频域幅值）信息；在加权锁存积分模块，依据上边带导频信 息、下边带导频信息的功率信息，对第一FFT鉴频模块、第二FFT鉴频模块输出的频偏信息 进行归一化加权求和，设置一定的有效频偏波动范围，将当前加权结果与锁存的前一次加 权结果进行比较，择有效进行积分，积分结果即粗载波恢复的频偏校准信息，控制第一变频 模块完成准复基带信号的粗载波偏移校准。其中，第一FFT鉴频模块、第二FFT鉴频模块对 载波频率进行了有限范围和精度的量化，鉴频范围与CIC抽取滤波倍数相关，量化精度与 FFT点数相关，可根据实际无线传输系统的射频频率及航空飞行器平台的运动速度进行参 数优化。
[0055] (3)精载波恢复模块
[0化6]如图4所示，精载波恢复模块包含第一鉴相模块、第二鉴相模块、加权比例积分滤 波模块、第二变频模块、第五变频模块、第六变频模块，通过对双导频信息的鉴相及分析，控 制完成精载波偏移补偿。具体为；鉴相模块均由限幅器和反相器构成，第一鉴相模块、第二 鉴相模块分别接收第五变频模块、第六变频模块输出的上边带导频信息、下边带导频信息， 内部的限幅器对导频信息的I路信号进行限幅，得到±1的输出，反相器W该限幅输出信号 对导频信息Q路信号，即相位误差信号进行极性翻转，完成相位误差信号的测量；加权比例 积分滤波模块实现环路滤波效果，分别接收第一鉴相模块、第二鉴相模块输出的上边带导 频信息、下边带导频信息的鉴相结果W及第五变频模块、第六变频模块输出的经过载波偏 移补偿的上边带导频信息、下边带导频信息，依据两路单边导频信息的时域幅值， 对鉴相结 果进行加权求和，得到归一化的相位误差信号，通过内部移位寄存器和积分器得到当前输 入信号的剩余载波频率偏移和载波相位误差，即载波频相校准信息；第二变频模块接收加 权比例积分滤波模块输出的载波频相校准信息，对调制数据信息进行载波偏移补偿，完成 精载波偏移校准，输出复基带信号。第五变频模块、第六变频模块接收加权比例积分滤波模 块输出的载波频相校准信息，分别对上边带导频信息、下边带导频信息进行载波偏移补偿。 [0057] 本发明采用数字信号处理技术，可W轻松应对航空无线通信系统对载波恢复范围 及精度的需求，达到掌握具有自主知识产权的航空无线通信载波恢复设计的目的。
[005引可W理解的是，对本领域普通技术人员来说，可W根据本发明的技术方案及其发 明构思加W等同替换或改变，而所有该些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保 护范围。
【主权项】
1. 一种航空无线通信双导频载波恢复装置，包含多级卷积级联滤波模块、粗载波恢复 模块、精载波恢复模块，其特征在于： 所述多级卷积级联滤波模块根据粗载波恢复模块提供的粗载波恢复信息进行多级卷 积级联滤波，分别获得上边带导频信息、下边带导频信息和含导频信息的调制数据信息； 所述粗载波恢复模块对多级卷积级联滤波模块提供的上边带导频信息、下边带导频信 息进行鉴频及分析，控制完成准复基带信号的粗载波偏移补偿并将其输出至多级卷积级联 滤波模块； 所述精载波恢复模块对多级卷积级联滤波模块提供的上边带导频信息、下边带导频信 息进行鉴相及分析，并根据鉴相及分析的结果对多级卷积级联滤波模块提供的调制数据信 息完成精载波偏移补偿输出复基带信号。2. 根据权利要求1所述的一种航空无线通信双导频载波恢复装置，其特征在于所述多 级卷积级联滤波模块包含匹配根升余弦滤波器、高通滤波器、正频滤波器、负频滤波器、第 三变频模块、第四变频模块； 所述匹配根升余弦滤波器用于抑制粗载波恢复信息的有效带宽外噪声，产生二路含导 频信息的调制数据信息，其中一路调制数据信息直接输出至精载波恢复模块，另一路调制 数据信息输出至高通滤波器； 所述高通滤波器对调制数据信息的有效带宽内低频分量进行抑制，提取二路双导频信 息分别送入正频滤波器和负频滤波器； 所述正频滤波器用于提取双导频信息中的准上边带导频信息； 所述负频滤波器用于提取双导频信息中的准下边带导频信息； 所述第三变频模块采用固定频率为将准上边带导频信息搬移至零频附近输出 上边带导频信息； 所述第四变频模块采用固定频率为将准下边带导频信息搬移至零频附近输出 下边带导频信息； 其中RsymbtjlS理想信号有效带宽。3. 根据权利要求2所述的一种航空无线通信双导频载波恢复装置，其特征在于所述正 频滤波器、负频滤波器均为希尔伯特变换器，利用90°的相位偏移产生单边带导频信息。4. 根据权利要求1所述的一种航空无线通信双导频载波恢复装置，其特征在于所述粗 载波恢复模块包含第一 FFT鉴频模块、第二FFT鉴频模块、加权锁存积分模块、第一变频模 块； 所述第一 FFT鉴频模块接收多级卷积级联滤波模块输出的上边带导频信息，进行CIC 抽取滤波、缓存、FFT时频转换及频域分析，获得每段上边带导频信息的频偏信息及功率信 息； 所述第二FFT鉴频模块接收多级卷积级联滤波模块输出的下边带导频信息，进行CIC 抽取滤波、缓存、FFT时频转换及频域分析，获得每段下边带导频信息的频偏信息及功率信 息； 所述加权锁存积分模块用于依据第一 FFT鉴频模块、第二FFT鉴频模块输出上边带导 频信息、下边带导频信息的功率信息，对频偏信息进行归一化加权求和，设置一定的有效频 偏波动范围，将当前加权结果与锁存的前一次加权结果进行比较，择有效进行积分，积分结 果即粗载波恢复的频偏校准信息； 所述第一变频模块用于依据加权锁存积分模块输出的频偏校准信息完成准复基带信 号的粗载波偏移补偿。5. 根据权利要求1所述的一种航空无线通信双导频载波恢复装置，其特征在于所述精 载波恢复模块包含第一鉴相模块、第二鉴相模块、加权比例积分滤波模块、第二变频模块、 第五变频模块、第六变频模块； 所述第一鉴相模块接收第五变频模块输出的经过载波偏移补偿的上边带导频信息，进 行限幅和极性翻转，完成相位误差信号的测量并输出上边带导频信息的鉴相结果； 所述第二鉴相模块接收第六变频模块输出的经过载波偏移补偿的下边带导频信息，进 行限幅和极性翻转，完成相位误差信号的测量并输出下边带导频信息的鉴相结果； 所述加权比例积分滤波模块用于实现环路滤波效果，分别接收第一鉴相模块、第二鉴 相模块输出的上边带导频信息、下边带导频信息的鉴相结果以及第五变频模块、第六变频 模块输出的经过载波偏移补偿的上边带导频信息、下边带导频信息，依据两路导频信息的 时域幅值，对鉴相结果进行加权求和，得到归一化的相位误差信号，通过内部移位寄存器和 积分器得到当前输入信号的载波频相校准信息； 第二变频模块用于接收加权比例积分滤波模块输出的载波频相校准信息，对调制数据 信息进行载波偏移补偿，完成精载波偏移校准； 第五变频模块用于接收加权比例积分滤波模块输出的载波频相校准信息，对下边带导 频信息进行载波偏移补偿； 第六变频模块用于接收加权比例积分滤波模块输出的载波频相校准信息，对下边带导 频信息进行载波偏移补偿。6. 根据权利要求5所述的一种航空无线通信双导频载波恢复装置，其特征在于所述第 一鉴相模块由限幅器和反相器构成，限幅器对上边带导频信息的I路信号进行限幅，得到 ±1的输出，反相器以限幅器输出信号对上边带导频信息的Q路信号进行极性翻转，完成相 位误差信号的测量。7. 根据权利要求5所述的一种航空无线通信双导频载波恢复装置，其特征在于所述第 二鉴相模块由限幅器和反相器构成，限幅器对下边带导频信息的I路信号进行限幅，得到 ±1的输出，反相器以限幅器输出信号对下边带导频信息的Q路信号进行极性翻转，完成相 位误差信号的测量。
【专利摘要】本发明一种航空无线通信双导频载波恢复装置，包含多级卷积级联滤波模块、粗载波恢复模块、精载波恢复模块，所述多级卷积级联滤波模块根据粗载波恢复模块提供的粗载波恢复信息进行多级卷积级联滤波，分别获得上边带导频信息、下边带导频信息和含导频信息的调制数据信息；所述粗载波恢复模块对多级卷积级联滤波模块提供的上边带导频信息、下边带导频信息进行鉴频及分析，控制完成准复基带信号的粗载波偏移补偿并将其输出至多级卷积级联滤波模块；所述精载波恢复模块对多级卷积级联滤波模块提供的上边带导频信息、下边带导频信息进行鉴相及分析，并根据鉴相及分析的结果对多级卷积级联滤波模块提供的调制数据信息完成精载波偏移补偿。
【IPC分类】H04B7/08, H04L27/34, H04B7/06, H04L25/03
【公开号】CN104901912
【申请号】CN201510253118
【发明人】金哲仕, 丁勇飞, 李金喜, 邹星, 殷晓晨, 王洋
【申请人】中国航空无线电电子研究所
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年5月18日
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