基于 FFT 的 QPSK 粗载波恢复

信息处理 fft 数字通信 格努拉迪奥
2022-01-30 08:40:09

基于 FFT 的粗略频率采集模块正在 GNU Radio 中进行测试。使用的算法可以在 GOES 卫星用户手册中找到,并在下图中进行了总结。 去收购 该算法通过以下方式工作:

  1. 通过绝对定律、平方定律或四次幂定律进行载波检测。平方律检测器涉及对 IQ 信号进行平方,而四次幂律使用 IQ 信号的四次方。
  2. 寻找 FFT
  3. 平均连续的 FFT 序列
  4. 通过查看 8 个具有最高幅度的相邻 bin 来找到峰值。

我已经能够在 GNU Radio 中实现该算法,至少对于 BPSK。该算法能够在所有偏移情况下恢复载波(偏移 < 10% 符号率,偏移 ~ 符号率,偏移 > 符号率)。 fft-采集-gnuradio fft-采集-bpsk

根据 GOES 手册,相同的算法应该适用于 OQPSK,我假设扩展名为 QPSK。但是,对于 QPSK 的情况,算法得出的载波非常糟糕,尤其是在低 SNR 场景中。

我有两个问题

  1. 有没有关于频率检测器(平方,四次方)如何工作的文献资料?我基本上已经实现了算法,但我并不完全理解它们的数学推导。

  2. 除了可以补救这种情况的平方/四次方/绝对定律之外,还有更有效的 QPSK 频率检测器吗?

问候,摩西。

编辑

免责声明:使用@DanBoschen 提出的第四定律可实现预期的 BER 性能。出于所有意图和目的,答案已经被接受。但是,我已经观察到与这个问题有关的 FFT 本质的一些行为。我想没有必要提出一个新问题,因为我们已经在这里了。

在流程图中,使用的采样率为 8Mhz。第四定律导出的载波可以从 -4Mhz 跟踪到 +4Mhz。当偏移频率高于18-th 采样率,即高于 1Mhz 的任何值。以 1.5Mhz 的偏移量为例。第四定律探测器将创建一个 6Mhz 的载波,该载波将在第二奈奎斯特区被包裹到 -2Mhz。将其除以 4 得到 -0.5Mhz 的偏移,而不是 1.5Mhz,如下图所示(导出的载波为绿色)。

我们可以通过简单地使用采样率来解决这个问题,该采样率是第四定律的最大偏移量的 8 倍或平方定律的最大偏移量的 4 倍。但是,当然,这不是一个理想的解决方案。我想知道是否有更好的方法。

fft-歧义

1个回答

平方运算为 BPSK 信号以 2 倍载波频率创建未调制的音调(对于信号未经滤波或矩形脉冲在 BPSK 调制中具有完美相位和幅度平衡的情况,通常是具有较弱边带的更强载波的情况下的纯音调)在更常见的过滤或脉冲形状的情况下)。对于 QPSK 信号(包括 OQPSK),需要第四定律运算,它以 4 倍的载波频率产生相同的结果。

这可以通过知道相乘信号会导致它们的相位相加来解释。因此,经过 0° 到 180° 调制的信号与自身相乘(平方)将变为 0° 到 360°,这与 0°(未调制)相同。对于 QPSK,状态是 0°、90°、180° 和 270°,其中可以看出,将这些相位中的任何一个乘以 4 会导致在添加相位时使用相同的模 360 运算得到 0°。

当使用这种方法进行载波恢复时,通常还使用 PLL 来跟踪恢复的 4x 载波,以清除由有限带宽调制信号产生的残余(低得多)边带,然后对 PLL 滤波的信号进行分频完成载体恢复。

我倾向于不使用这种方法,因为在实现所有数字系统时需要更高的采样频率并且与其他方法相对复杂,但这将使使用模拟倍频器的模拟方法相对简单。我详细介绍了另一种特定于 BPSK、QPSK 和 QAM 的载波恢复方法,我认为这对于本文中的数字无线电实现更有效:高调制指数 PSK - 载波恢复

这也是 fred harris 提出的一种有趣的锁频环方法,我相信它可以用于 QPSK 载波采集和额外的后续相位跟踪:这个 FLL 是如何工作的?