一种基于混合函数鉴相的改进型Costas环路

韩 强，钟 升，张 盼，杨 恒

（1.西安微电子技术研究所，西安710065；2.西安通信学院，西安710106）

·微机网络与通信·

一种基于混合函数鉴相的改进型Costas环路

韩 强1，钟 升1，张 盼1，杨 恒2

（1.西安微电子技术研究所，西安710065；2.西安通信学院，西安710106）

针对SC－FDE系统中，基于Zadoff－Chu序列频偏估测方法存在的相位模糊问题，提出一种基于混合函数鉴相的改进型Costas环路方案。经MATLAB软件仿真验证，该方案能显著改善频偏估测模糊问题。经FPGA系统验证，该方案中的改进型Costas环路相较传统Costas环路拥有入锁时间短的优点。该方案结构简单易于实现，具有良好的工程应用价值。

频偏估测；入锁时间；改进型Costas环路；鉴相；Zaddof＿Chu序列；符号函数

1 引 言

传统的Zadoff－Chu序列频偏估测采用一种基于帧同步的估测方法［1］，往往存在帧同步点模糊问题，导致频偏估测不准。针对该问题，提出一种改进型Costas环路，以实现频偏精确估测。

传统的Costas环路对QPSK信号多采用符号函数法鉴相［2］，此方法存在较大鉴相偏差。提出符号函数和反三角函数混合鉴相的方法，该方法能明显改善鉴相偏差，且有更好的收敛性，具有良好的工程价值。第一节介绍Costas环路的改进方案及仿真验证结论，第二节介绍改进型Costas环路的FPGA实现方法及系统验证结论，第三节是结束语。

2 Costas环路改进方案及仿真验证结论

在通信系统中，Costas环路常被用于载波同步和相干解调［3］。Costas环路的结构包括鉴相器，环路滤波器，数控振荡器三部分，其原理图如图1所示［4］。Coats环路的性能主要体现在频率估测精度和入锁时间两方面，鉴相器是Costas环路的核心部分，其鉴相方法的选择对环路性能有极大影响［5］。

通过对QPSK调制信号的鉴相方法进行研究，传统Costas环路采用符号函数法，其在δ趋于0时成立，在δ较大时存在不可忽略的鉴相偏差，严重影响了锁相环性能。该方法的计算式如式（1）所示：

改进型Costas环路采用混合函数鉴相法鉴相，其基于δ＝arctan（tanδ）理论，该理论的鉴相精度与δ是否为0无关，故其鉴相偏差明显缩小。该方法的计算式如式（2）所示：

图1 Costas环路原理图

其理论依据如下：

im为信号虚部可以表示为：

im＝m（t）sin［δ＋φ］［6］，则3，δ为相差，re为信号实部可以表示为：

即：

通过matlab软件对传统Costas环路和改进型Costas环路进行性能仿真，其频率响应曲线如图2所示。

图2中横坐标表示基带信号点个数，纵坐标表示锁相环输出的信号频率值，实线为传统Costas环路的频率响应曲线，虚线为改进型Costas环路频率响应曲线。传统Costas环路的收敛点在200点左右，改进型Costas环路的收敛点在150点左右，比较后明显可以看出改进型Costas环路具有更好的收敛性。

图2 两种鉴相方法频率响应曲线

通过matlab软件对传统Zadoff－Chu序列频偏估测法和改进型Costas环路频偏估测法进行性能仿真，其去频偏后星座图如图3、4所示。

图3 传统方法去频偏星座图

图4 改进型Costas环路去频偏星座图

明显可以看出图4比图3有更好的聚拢性，即改进型Costas环路显著改善了频偏估测模糊问题。

3 改进型Costas环路的FPGA实现方法及系统验证结论

改进型Costas环路的FPGA逻辑结构图如图5所示，其鉴相器模块调用cordic核完成鉴相，传统Costas环路的鉴相器模块调用乘法器完成鉴相［6］。图5中各模块联系如下：数控振荡器模块产生的正余弦信号和顶层模块输入的两路信号进入复乘器模块做复数乘，其结果输入鉴相器模块进行鉴相，得到鉴相角经过环路滤波器模块进行平滑滤波后控制数控振荡器模块的输出［7］。

图5 改进型Costas环路的FPGA逻辑结构图

用Xinlinx的Virtex－V芯片对上述两种逻辑结构进行系统验证，在两种逻辑结构资源占用率大致相同的情况下频率响应曲线如图6、7所示。

图6 传统Costas环路频率响应曲线

图7 改进型Costas环路频率响应曲线

图6中锁相环在120us进入锁定状态，图7中锁相环在80us进入锁定状态，故改进型Costas环路较传统Costas环路大幅缩短了入锁时间。

4 结束语

同步技术是无线通信系统的底层核心技术［8］，在系统设计中不可或缺，其性能的优劣对系统性能影响显著。提出的改进型Costas环路方案，能显著改善频偏估测模糊且入锁时间短等问题，提高了同步精确度和可靠性，具有较高的工程应用价值。

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A Modified Costas Loop Based on Phase Discrim ination Utilizing Mixed Function

Han Qiang1，Zhong Sheng1，Zhang Pan1，Yang Heng2
（1.Xi’an Microelectronics Technology Institute，Xi’an 710065，China；2.Xi’an Communication Institute，Xi’an 710106，China）

A modified Costas loop based on phase discrimination，utilizing mixed function，is proposed in this paper to resolve the fuzzy problem of frequency offset estimation in Zadoff－Chu sequence.The simulations show the fuzzy problem of frequency offset estimation is improved significantly and the lock time is greatly shortened comparing to the traditional one.In a word，this new modified Costas loop has great value in engineering application.

Frequency offset estimation；The lock time；Modified Costas loop；Phase demodulation；Zaddof－Chu sequence；Symbolic function

10.3969/j.issn.1002－2279.2015.05.005

TN919.3

A

1002－2279（2015）05－0014－04

韩强（1989－），男，山东省枣庄市人，硕士研究生，主研方向：无线通信中的基带信号处理。

2015－01－28