COSTAS環(huán)是一種閉環(huán)自適應(yīng)系統(tǒng)，用于提取相干載波。本文主要介紹了一種用于載波同步的高階COSTAS環(huán)路，用于完成MPSK的相干解調(diào)中的載波同步。本文提出了一種便于軟件實現(xiàn)的COSTAS環(huán)路的簡化結(jié)構(gòu)，用于完成8PSK的載波同步，并詳細(xì)討論了采取數(shù)字信號處理器（DSP）編程實現(xiàn)COSTAS環(huán)路的一些問題。
關(guān)鍵詞：COSTAS環(huán), DSP, MPSK, 載波同步
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)計了新型的高階COSTAS環(huán)，它具有可靠、捕捉帶寬大、能快速實現(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)路因為同相支路與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
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，計算量是非常龐大的。如何進(jìn)行資源合理配置、達(dá)到DSP實時處理是載波恢復(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
為了提高算法的實現(xiàn)效率，介紹運(yùn)行時計算的時間開銷，應(yīng)盡可能把一些運(yùn)行時計算的參數(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)行時的計算，例如上下變頻和VCO中，用到與載波相乘的SIN/COS的計算，可以采用寫成數(shù)組，用查表來實現(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。可以將多重循環(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濾波器每項系數(shù)都是1，利用加法運(yùn)算可以實現(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，實現(xiàn)EDMA的乒乓處理。
4、高階COSTAS環(huán)路的DSP實現(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實現(xiàn)。針對COSTAS環(huán)算法的DSP實時實現(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。