基于DSP的高阶COSTAS锁相环的设计

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
 

图1 COSTAS基本原理[!--empirenews.page--]

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

3. 高阶COSTAS环路的DSP算法优化

从上面M=8的高阶锁相环的结构来看，8PSK信号进入高阶COSTAS环路，需要采用DSP实现八路鉴相器，八路低通滤波器（滤掉倍频分量，得到低频分量）和压控振荡器，计算量是非常庞大的。如何进行资源合理配置、达到DSP实时处理是载波恢复的难点，因此需要对DSP程序的优化作深入的研究。

在用C语言进行DSP软件开发时，一般先在PC机上对算法进行仿真，再将C语言移植到DSP平台中。按照开发的顺序，相应的优化工作也包括两部分：一是仿真环境中的优化，二是DSP目标环境的进一步优化。下面结合TI公司的TMS320C64x系列DSP的C编译器，讨论在MPSK的相干解调中的具体优化工作。

3.1 SIN/COS函数的查表算法

为了提高算法的实现效率，介绍运行时计算的时间开销，应尽可能把一些运行时计算的参数做成查找表或常数数值。这不仅适用于一些比较规整的参数表，对于一些并不规整的运行时的计算，例如上下变频和VCO中，用到与载波相乘的SIN/COS的计算，可以采用写成数组，用查表来实现。

3.2 运算的流水处理

DSP的CPU多采用流水线结构。DSP的大多数指令为单周期指令，而跳转类指令却通常要耗费较多的机器周期。可以将多重循环拆开，减少对外层循环次数进行控制转移的时间，充分利用优化器构成的流水线。

3.3 CIC梳状滤波器的使用

利用CIC滤波器代替低通滤波器，达到减少定点乘法和加法运算的目的，解决了单片C6416资源不足的问题。例如：本文中载波速率为4800kHz,采样率为230.4kHz，鉴相器输出的高频频率为9600kHz，采用48阶CIC可以将9600kHz的频率分量滤掉。由于在 的位置，因此滤除效果非常好，远大于 。CIC滤波器每项系数都是1，利用加法运算可以实现需要大量乘法和加法运算的功能，减少对DSP片内资源的使用。

3.4数据传输的EDMA方式

在调制解调过程中，DSP和外部之间存在大量数据的交换，这部分的优化工作影响系统性能。C64x支持EDMA，EDMA是增强型DMA,是一种在没有CPU介入情况下的访问存储器的方式，即由EDMA控制器控制数据在L2内存/缓存和片内集成外设及片外设备之间的传输，而同时CPU可以并行的执行其它指令。EDMA是一种有效的数据传输方式，可以有效的减少EMIF在CPU下操作需要的资源。

具体实现方法如下：在片内数据存储区定BUF的长度，并一分为二，可设为BUF1和BUF2。在EMDA里BUF1和BUF2都是等存储大小的。在数据帧同步信号的上升沿，DSP以EDMA的方式从外部读一帧的数据到BUF1；同时BUF2内的数据进行MPSK的解调算法。同理，在下一个数据帧同步信号的上升沿，DSP以EDMA的方式从外部读另一帧的数据到BUF1 。BUF1读满后，DSP对BUF1内的数据进行MPSK的解调算法，同时BUF2进行数据的读操作，实现EDMA的乒乓处理。[!--empirenews.page--]

4、高阶COSTAS环路的DSP实现结果

本文选取8PSK的符号速率为2400kbps,载波速率为4800kHz,采样率为230.4kHz。图2所示的两路信号分别是利用CCS开发工具的观察窗口观察到的，提取的同频同相的载波信号和8PSK的调制信号。

图3 恢复的载波信号（上）和接收到的基带信号（下）

图4 8PSK接收端解调前星座图（AWGN信道，SNR＝17dB）

5. 结束语

本文主要介绍了一种新型的适用于MPSK载波提取的高阶COSTAS环路，能满足MPSK相干解调的需要，且便于DSP实现。针对COSTAS环算法的DSP实时实现问题，进行了详细的讨论。最后，针对一个具有较高数据速率8PSK调制解调实例，在单片C6416上完成了基于高阶COSTAS环的载波同步及相干解调，并给出了通过CCS工具观察到的DSP实现结果，证明高阶COSTAS锁相环具有较好的载波同步性能。