1. 引言

MPSK調(diào)制是應(yīng)用最為廣泛的數(shù)字調(diào)制方式之一,。按照信號檢測理論，對MPSK調(diào)制信號的平均誤碼率最小的最佳接收方式為采用鎖相環(huán)路的相干接收方式,。但是,，MPSK調(diào)制信號是抑制載波的信號，不能用常規(guī)的鎖相環(huán)或窄帶濾波器直接提取參考載波,。而且不同于一些相位連續(xù)的調(diào)制信號,，其載波相位變化只能取有限的幾個離散值，說明調(diào)制信號中包含了參考載波的相位信息,?？梢酝ㄟ^非線性處理，消除信號中的調(diào)制信息,，恢復(fù)調(diào)制信號中的隱含的載波信號,，從而完成信號的相干解調(diào)。目前,，常用的MPSK載波恢復(fù)的方法包括：平方環(huán)法,，鎖相環(huán)法等。本文中,，作者設(shè)計(jì)了新型的高階COSTAS環(huán),，它具有可靠、捕捉帶寬大,、能快速實(shí)現(xiàn)同步的優(yōu)點(diǎn),。

2. 高階COSTAS環(huán)路的工作原理和結(jié)構(gòu)

Costas在1956年首先提出采用同相－正交環(huán)來恢復(fù)載波信號,。隨后,，Riter等人證明跟蹤低信噪比的抑制載波信號的最佳裝置為COSTAS環(huán)及平方環(huán)。COSTAS環(huán)路是一種閉環(huán)自動調(diào)整系統(tǒng),，傳統(tǒng)的模擬COSTAS環(huán)路因?yàn)橥嘀放c正交支路的不平衡性從而使環(huán)路的性能受到一定影響,，并且模擬電路存在直流零點(diǎn)漂移、調(diào)試?yán)щy的缺點(diǎn),，而全數(shù)字COSTAS環(huán)可以避免以上缺點(diǎn),，而且基于軟件無線電原理的COSTAS環(huán)路具有很強(qiáng)的兼容性。

2.1 普通COSTAS環(huán)路的工作原理和設(shè)計(jì)

2.1.1 COSTAS環(huán)路的一般原理

COSTAS環(huán)路包括鑒相器,、環(huán)路濾波器,、壓控振蕩器,。鑒相器是一個簡單的乘法器。LF(環(huán)路濾波器)在COSTAS環(huán)路中不僅能起到低通濾波器的作用,，并決定了COSTAS環(huán)路的性能參數(shù),。由于理想二階有源環(huán)路濾波器性能遠(yuǎn)優(yōu)于其它環(huán)路，鎖定時穩(wěn)態(tài)相差為0,，同步帶大,，本文采用理想二階環(huán)路，其數(shù)字化原理圖如圖1所示,。

2.2 多相信號中提取載波

對于BPSK有兩個相位,，可用上述方法來提取載波。但是常用的MPSK有M個相點(diǎn),，不能采用圖1的COSTAS環(huán)路來提取載波,，必須采用多相COSTAS環(huán)。

圖2 四相PSK信號COSTAS環(huán)原理框圖

3. 高階COSTAS環(huán)路的DSP算法優(yōu)化

從上面M=8的高階鎖相環(huán)的結(jié)構(gòu)來看,，8PSK信號進(jìn)入高階COSTAS環(huán)路,，需要采用DSP實(shí)現(xiàn)八路鑒相器，八路低通濾波器（濾掉倍頻分量,，得到低頻分量）和壓控振蕩器,，計(jì)算量是非常龐大的。如何進(jìn)行資源合理配置,、達(dá)到DSP實(shí)時處理是載波恢復(fù)的難點(diǎn),，因此需要對DSP程序的優(yōu)化作深入的研究。

在用C語言進(jìn)行DSP軟件開發(fā)時,，一般先在PC機(jī)上對算法進(jìn)行仿真,，再將C語言移植到DSP平臺中。按照開發(fā)的順序,，相應(yīng)的優(yōu)化工作也包括兩部分：一是仿真環(huán)境中的優(yōu)化,，二是DSP目標(biāo)環(huán)境的進(jìn)一步優(yōu)化。下面結(jié)合TI公司的TMS320C64x系列DSP的C編譯器,，討論在MPSK的相干解調(diào)中的具體優(yōu)化工作,。

3.1 SIN/COS函數(shù)的查表算法

為了提高算法的實(shí)現(xiàn)效率，介紹運(yùn)行時計(jì)算的時間開銷,，應(yīng)盡可能把一些運(yùn)行時計(jì)算的參數(shù)做成查找表或常數(shù)數(shù)值,。這不僅適用于一些比較規(guī)整的參數(shù)表，對于一些并不規(guī)整的運(yùn)行時的計(jì)算,，例如上下變頻和VCO中,，用到與載波相乘的SIN/COS的計(jì)算，可以采用寫成數(shù)組,，用查表來實(shí)現(xiàn),。

3.2 運(yùn)算的流水處理

DSP的CPU多采用流水線結(jié)構(gòu),。DSP的大多數(shù)指令為單周期指令，而跳轉(zhuǎn)類指令卻通常要耗費(fèi)較多的機(jī)器周期,?？梢詫⒍嘀匮h(huán)拆開，減少對外層循環(huán)次數(shù)進(jìn)行控制轉(zhuǎn)移的時間,，充分利用優(yōu)化器構(gòu)成的流水線,。

3.3 CIC梳狀濾波器的使用

利用CIC濾波器代替低通濾波器，達(dá)到減少定點(diǎn)乘法和加法運(yùn)算的目的,，解決了單片C6416資源不足的問題,。例如：本文中載波速率為4800kHz,采樣率為230.4kHz，鑒相器輸出的高頻頻率為9600kHz,，采用48階CIC可以將9600kHz的頻率分量濾掉,。由于在 的位置，因此濾除效果非常好,，遠(yuǎn)大于 ,。CIC濾波器每項(xiàng)系數(shù)都是1，利用加法運(yùn)算可以實(shí)現(xiàn)需要大量乘法和加法運(yùn)算的功能,，減少對DSP片內(nèi)資源的使用,。

3.4數(shù)據(jù)傳輸?shù)腅DMA方式

在調(diào)制解調(diào)過程中，DSP和外部之間存在大量數(shù)據(jù)的交換,，這部分的優(yōu)化工作影響系統(tǒng)性能,。C64x支持EDMA，EDMA是增強(qiáng)型DMA,是一種在沒有CPU介入情況下的訪問存儲器的方式,，即由EDMA控制器控制數(shù)據(jù)在L2內(nèi)存/緩存和片內(nèi)集成外設(shè)及片外設(shè)備之間的傳輸,，而同時CPU可以并行的執(zhí)行其它指令。EDMA是一種有效的數(shù)據(jù)傳輸方式,，可以有效的減少EMIF在CPU下操作需要的資源,。

具體實(shí)現(xiàn)方法如下：在片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲區(qū)定BUF的長度，并一分為二,，可設(shè)為BUF1和BUF2,。在EMDA里BUF1和BUF2都是等存儲大小的。在數(shù)據(jù)幀同步信號的上升沿,，DSP以EDMA的方式從外部讀一幀的數(shù)據(jù)到BUF1,；同時BUF2內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行MPSK的解調(diào)算法。同理,，在下一個數(shù)據(jù)幀同步信號的上升沿，DSP以EDMA的方式從外部讀另一幀的數(shù)據(jù)到BUF1 ,。BUF1讀滿后,，DSP對BUF1內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行MPSK的解調(diào)算法,，同時BUF2進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀操作，實(shí)現(xiàn)EDMA的乒乓處理,。

4,、高階COSTAS環(huán)路的DSP實(shí)現(xiàn)結(jié)果

本文選取8PSK的符號速率為2400kbps,載波速率為4800kHz,采樣率為230.4kHz。圖2所示的兩路信號分別是利用CCS開發(fā)工具的觀察窗口觀察到的,，提取的同頻同相的載波信號和8PSK的調(diào)制信號,。

圖3 恢復(fù)的載波信號（上）和接收到的基帶信號（下）

圖4 8PSK接收端解調(diào)前星座圖（AWGN信道，SNR＝17dB）

5. 結(jié)束語

本文主要介紹了一種新型的適用于MPSK載波提取的高階COSTAS環(huán)路,，能滿足MPSK相干解調(diào)的需要,，且便于DSP實(shí)現(xiàn)。針對COSTAS環(huán)算法的DSP實(shí)時實(shí)現(xiàn)問題,，進(jìn)行了詳細(xì)的討論,。最后，針對一個具有較高數(shù)據(jù)速率8PSK調(diào)制解調(diào)實(shí)例,，在單片C6416上完成了基于高階COSTAS環(huán)的載波同步及相干解調(diào),，并給出了通過CCS工具觀察到的DSP實(shí)現(xiàn)結(jié)果，證明高階COSTAS鎖相環(huán)具有較好的載波同步性能,。