matlab源碼-costas載波同步環.docx

在利用相干解調的數字通信系統中，載波同步是正確解調的前提，也是實際通信中的一項關鍵技術，沒有載波同步就不可能正確的恢復出數字信號。常用的載波同步方法有平方環和COSTAS環等，由于COSTAS環有跟蹤低信噪比的抑制載波信號的特性而在實際系統中得到廣泛的應用，目前國內外對COSTAS環尤其是改進后的COSTAS環進行了一系列的研究，尚耀波等建立了COSTAS環的Z域模型，通過軟件編程實現，稱之為軟件COSTAS環；李波等根據COSTAS環的結構，在FPGA芯片中完成了硬件實現。然而，這些研究大部分都是基于傳統的COSTAS環結構，同時也沒有考慮到程序在實際應用中的資源占用情況。本文在仔細分析COSTAS環的構成原理后，根據實際硬件的片上資源調整了濾波器的結構，提出一種用CIC濾波器來取代傳統的環路濾波器。最后，本文結合項目的應用，首先在SIMULINK平臺上實現了該算法，然后移植到VERILOG上，用實際的FPGA芯片對此算法進行了驗證。1COSTAS環原理11傳統COSTAS環的結構科斯塔斯環又稱同相正交環COSTAS環，COSTAS環由COSTAS1956年提出，其環路工作頻率為載波頻率，遠遠低于平方環的工作頻率，實現成本較低。其原理框圖如圖1(A)ACOSTAS環原理框圖B改進后COSTAS環原理框圖圖1改進前后COSTAS環原理框圖在COSTAS環環路中，誤差信號V7是通過兩路低通濾波輸出相乘得到。壓控振蕩器VCO輸出信號直接供給一路相乘器，供給另一路的則是壓控振蕩器輸出經90O移相后的信號。兩路相乘后經過低通濾波和環路可以得到僅與載波相位偏差信號有關的信號V7用此信號來控制VCO就可以調整VCO輸出和載波信號保持一致的相位。現在從理論上對COSTAS環的工作過程加以說明。設輸入調制信號為，則(11)(12)經低通濾波器后的輸出分別為將V5和V6在相乘器中相乘，得，(13)(13)中Θ是壓控振蕩器輸出信號與輸入信號載波之間的相位誤差，當Θ較小時，(14)(14)中的V7大小與相位誤差Θ成正比，它就相當于一個鑒相器的輸出。用V7去調整壓控振蕩器輸出信號的相位，最后使穩定相位誤差減小到很小的數值。這樣壓控振蕩器的輸出就是所需提取的載波。12本設計COSTAS環的結構考慮到FPGA資源的消耗的問題，本設計在實際過程中采用了CIC加低通濾波器的結構，并且用CIC濾波器代替了環路濾波器，改進后的結構圖如圖1(B)所示，仿真結果表明，在提取載波效果相同的基礎上，改進后的COATAS環大大節省了資源。2COSTAS環的SIMULINK實現本SIMULINK仿真在MATLAB65環境下通過。仿真模型如圖2所示。調制模塊采用BERNOULLIBINARYGENERATOR模塊產生的32K的NRZ碼與SINEWAVE模塊產生的128K的載波相乘，然后與壓控振蕩器VCO恢復的本地載波進行相乘，VCO輸出信號90度移相是通過希爾伯特變換來完成的。圖2COSTAS環載波恢復和解調模型調制后的信號與VCO恢復的相互正交的兩路本地載波進行相乘后，分為IQ兩路，經過低通濾波器成為基帶信號的解調輸出，考慮到采樣頻率過高會造成FPGA芯片資源消耗嚴重，所以此處低通濾波器用CIC濾波器加低通濾波器的結構代替。COSTAS環設計的重點是環路濾波和VCO參數的調整。1環路濾波本設計環路濾波部分用CIC濾波取代。CIC濾波器可以對數據流進行降速處理，本設計IQ兩路采用抽取后濾波，降低4倍的采樣速率(見圖3中的DOWNSAMPLE模塊)。圖2中的CIC內部結構圖如圖3所示，后面的FPGA仿真也驗證了此方法的優點和正確性。圖3CIC濾波器結構圖2VCO本COSTAS環調頻信號用VOLTAGECONTROLLEDOSCILLATOR產生，中心頻率和輸出信號幅度和載波信號保持一致，壓控靈敏度根據實際情況計算調節。(21)(22)本設計中為信號的中心頻率，為調整步進，MCLK取4096M，N取22位，則(23)壓控靈敏度取09765625。(3)仿真結果圖4為運行SIMULINK模型后的波形。圖4(A)是圖2中示波器SCOPE的波形，為低通濾波后的IQ兩路信號與VCO輸入電壓。圖4(B)是圖2中示波器SCOPE1的波形，為調制載波與恢復載波。A低通濾波后的IQ兩路信號與VCO輸入電壓B調制載波與恢復載波圖4COSTAS環SIMULINK仿真結果由圖4(A)仿真波形可以看出，VCO輸入電壓在過一段時間后波形穩定，低通濾波后的IQ兩路信號恒包絡并且一路趨于為零，表示環路得到鎖定。圖4(B)仿真波形可以看出，環路恢復出的載波與調制載波頻率相同，表示環路已經成功的恢復出了載波信號。3COSTAS環的FPGA實現本系統由VERILOG語言進行設計，硬件選擇CYCLONEⅡ系列的EP2C5Q208C8芯片，布局布線。綜合工具選擇QUARTUSⅡ81，波形仿真工具MODELSIMSE61F，系統由正交分量相乘模塊，CIC濾波模塊，低通濾波模塊，誤差相乘模塊和DDS模塊組成。FPGA實現后的頂層RTL結構圖如圖5所示。圖5FPGA實現后的頂層RTL結構圖1DDS模塊DDS模塊調用QUARTUS自帶的IPCORENCO數控振蕩器。NCO在波形仿真中要注意拷貝CORE中的DDS_COS_CHEX，DDS_COS_FHEX，DDS_SIN_CHEX，DDS_SIN_FHEX這4個文件到SIMULATION\MODELSIM文件夾下，此4個文件用來產生正弦波，如果仿真過程中VCO沒波形，要注意檢查此問題，并且在改變NCO的設置時，同樣要檢查這4個文件是否同時更新。2環路鎖定的判定圖6A為環路鎖定后的波形，圖6B為環路鎖定后的波形放大圖。圖中COSTAS_OUT為環路恢復出的正弦波，DDS_IN為壓控振蕩器的輸入電壓，I_LPF為I路信號經過低通濾波器后信號，Q_LPF為Q路信號經過低通濾波器后信號。A環路鎖定后的波形B環路鎖定后的波形放大圖圖6COSTAS環MODELSIM仿真結果由圖6可以看出，此環路已經很好的鎖定。

總結

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