适用于MPSK载波提取的高阶COSTAS环路设计解析

COSTAS环是一种闭环自适应系统，用于提取相干载波。本文主要介绍了一种用于载波同步的高阶COSTAS环路，用于完成MPSK的相干解调中的载波同步。本文提出了一种便于软件实现的COSTAS环路的简化结构，用于完成8PSK的载波同步，并详细讨论了采取数字信号处理器（DSP）编程实现COSTAS环路的一些问题。
　　关键词：COSTAS环， DSP， MPSK， 载波同步
　　1. 引言
　　MPSK调制是应用最为广泛的数字调制方式之一。按照信号检测理论，对MPSK调制信号的平均误码率最小的最佳接收方式为采用锁相环路的相干接收方式。但是，MPSK调制信号是抑制载波的信号，不能用常规的锁相环或窄带滤波器直接提取参考载波。而且不同于一些相位连续的调制信号，其载波相位变化只能取有限的几个离散值，说明调制信号中包含了参考载波的相位信息。可以通过非线性处理，消除信号中的调制信息，恢复调制信号中的隐含的载波信号，从而完成信号的相干解调。目前，常用的MPSK载波恢复的方法包括：平方环法，锁相环法等。本文中，作者设计了新型的高阶COSTAS环，它具有可靠、捕捉带宽大、能快速实现同步的优点。
　　2. 高阶COSTAS环路的工作原理和结构
　　Costas在1956年首先提出采用同相－正交环来恢复载波信号。随后，Riter等人证明跟踪低信噪比的抑制载波信号的最佳装置为COSTAS环及平方环。COSTAS环路是一种闭环自动调整系统，传统的模拟COSTAS环路因为同相支路与正交支路的不平衡性从而使环路的性能受到一定影响，并且模拟电路存在直流零点漂移、调试困难的缺点，而全数字COSTAS环可以避免以上缺点，而且基于软件无线电原理的COSTAS环路具有很强的兼容性。
　　2.1 普通COSTAS环路的工作原理和设计
　　2.1.1 COSTAS环路的一般原理
　　COSTAS环路包括鉴相器、环路滤波器、压控振荡器。鉴相器是一个简单的乘法器。LF（环路滤波器）在COSTAS环路中不仅能起到低通滤波器的作用，并决定了COSTAS环路的性能参数。由于理想二阶有源环路滤波器性能远优于其它环路，锁定时稳态相差为0，同步带大，本文采用理想二阶环路，其数字化原理图如图1所示。
　　
　　图1 COSTAS基本原理
　　2.2 多相信号中提取载波
　　对于BPSK有两个相位，可用上述方法来提取载波。但是常用的MPSK有M个相点，不能采用图1的COSTAS环路来提取载波，必须采用多相COSTAS环。
　　
　　图2 四相PSK信号COSTAS环原理框图