本發(fā)明涉及通信技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種高基于高速鐵路車地通信系統(tǒng)的調(diào)制解調(diào)的方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

當(dāng)前，基于相位數(shù)字調(diào)制的QPSK是最主流的調(diào)制方式，在各通信系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，它做到了傳輸效率與實(shí)現(xiàn)成本之間的最優(yōu)平衡，因此，本通信系統(tǒng)方案中也采用該調(diào)制方式。但數(shù)字調(diào)制方式對通信鏈路的同步精度要求較高，較大的同步精度誤差會帶來解調(diào)門限的增加，甚至失同步，以致通信鏈路的終端。

鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)和鎖頻環(huán)結(jié)構(gòu)載波同步過程中常用的技術(shù)方案，鎖相環(huán)在低動態(tài)時(shí)具有較高精度和較好的抗噪性能，但是在較大多普勒頻偏條件下鎖相環(huán)必須增加環(huán)路帶寬才能對載頻進(jìn)行跟蹤，而這也意味著更多噪聲的進(jìn)入，必然減低跟蹤精度；而鎖頻環(huán)雖然直接跟蹤載波頻率,具有較好的動態(tài)性能,但是跟蹤的精度不如鎖相環(huán)。

載波同步跟蹤技術(shù)可以分為純載波跟蹤環(huán)跟蹤技術(shù)和外部輔助載波跟蹤技術(shù)兩大類。

純環(huán)路載波跟蹤技術(shù)主要通過設(shè)計(jì)、優(yōu)化鎖相環(huán)或鎖頻環(huán)實(shí)現(xiàn)方案，以提高系統(tǒng)載波頻率捕獲速度和減小載波同步誤差，使得通信系統(tǒng)適應(yīng)高動態(tài)環(huán)境下通信要求。如圖1所示，在該結(jié)構(gòu)中，通過不同的優(yōu)化算法控制器模塊對該方案進(jìn)行改進(jìn)，以適應(yīng)不同的應(yīng)用場景，或者不同的性能指標(biāo)要求，如，利用最大似然估計(jì)(MLE：Maximum Likehood Estimate)方法、利用卡爾曼濾波、以及改進(jìn)數(shù)字鎖相環(huán)等算法對載波多普勒頻率進(jìn)行估計(jì)，提高信道參數(shù)估計(jì)的準(zhǔn)確性。

外部輔助載波跟蹤技術(shù)是一種借助外部輔助設(shè)備，如，GPS測量信息，提高系統(tǒng)載波同步跟蹤性能。通過衛(wèi)星導(dǎo)航或者慣性導(dǎo)航等通信終端狀態(tài)信息，輔助通信接收端對載波頻偏等信息進(jìn)行估計(jì)，利用GPS的誤差無積累效應(yīng)，提高載波參數(shù)估計(jì)精度。如圖2所示，在載波同步跟蹤環(huán)中，引入外部GPS/慣導(dǎo)等信息 對載波信息進(jìn)行輔助估計(jì)，根據(jù)其估計(jì)結(jié)果對數(shù)據(jù)振蕩器進(jìn)行修正，以提高接收端載波捕獲與跟蹤精度。

不同于普通的數(shù)字通信系統(tǒng)應(yīng)用場景，高速鐵路車地通信系統(tǒng)有著自己特有的特點(diǎn)，首先是“高動態(tài)性”，列車最高運(yùn)行時(shí)速超過380Km/h，導(dǎo)致無線通信載波頻率多普勒頻偏達(dá)幾十KHz，同時(shí)，列車運(yùn)行過程中速度是動態(tài)變化的，其近站時(shí)，速度逐漸降低，最終停靠在站臺，速度為零；列車啟動時(shí)又逐漸加速，最終到達(dá)最高速度；列車正常運(yùn)行期間，遇到轉(zhuǎn)彎、天氣突變等因素，會動態(tài)調(diào)整列車速度。因此，通信系統(tǒng)多普勒頻移的大小也是一個(gè)動態(tài)變化的值，這就造成載波同步時(shí)載波捕獲難度大，常規(guī)技術(shù)解決方案容易造成高鐵通信過程中的載波捕獲丟失。

傳統(tǒng)純環(huán)路載波跟蹤技術(shù)一般通過優(yōu)化信道參數(shù)估計(jì)算法、或者優(yōu)化鑒頻/相器、以及濾波器等關(guān)鍵模塊，提升整個(gè)環(huán)路結(jié)構(gòu)方案性能，一般存在算法計(jì)算量大、硬件需求較高等弊端，該技術(shù)方案的出發(fā)點(diǎn)一般基于尋求頻帶帶寬與噪聲強(qiáng)度之間的平衡，尤其是在高動態(tài)環(huán)境下，不能根本上解決寬帶寬捕獲范圍與低噪聲之間的矛盾。

而傳統(tǒng)外部輔助載波跟蹤技術(shù)方案盡管有這較好的效能提升效果，但系統(tǒng)復(fù)雜度較高，實(shí)現(xiàn)難度較大，尤其是在針對高鐵通信中，列車對通信設(shè)備的穩(wěn)定性、復(fù)雜性、大小重量等有著苛刻的要求，該方案并不能滿足實(shí)際需要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種基于高速鐵路車地通信系統(tǒng)的調(diào)制解調(diào)的方法及系統(tǒng)，解決高鐵車地通信過程中，高動態(tài)性對通信系統(tǒng)的影響，基于鎖頻環(huán)功能模塊利用其寬帶寬捕獲優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)通信鏈路載波信號的快速捕獲；然后通過鎖相環(huán)功能模塊實(shí)現(xiàn)載波信號的精確同步與跟蹤，最終實(shí)現(xiàn)調(diào)制調(diào)解過程。

為了解決上述問題，本發(fā)明提出了一種基于高速鐵路車地通信系統(tǒng)的調(diào)制解調(diào)的方法，包括如下步驟：

基于高速鐵路車地通信系統(tǒng)的接收端進(jìn)行中頻載波信號捕獲；

在完成中頻載波信號捕獲后，進(jìn)入鎖頻環(huán)模塊對信號進(jìn)行第一次載波頻偏估計(jì)；

判斷第一次載波頻偏估計(jì)誤差值是否小于最大閾值上限，若判斷第一次載波頻偏估計(jì)誤差值小于最大閾值上限，則實(shí)現(xiàn)通信鏈路的粗同步狀態(tài)，并進(jìn)入鎖相環(huán)模塊對信號進(jìn)行第二次載波頻偏估計(jì)；

判斷第二次載波頻偏估計(jì)誤差值是否小于最小閾值下限，若判斷第二次載波頻偏估計(jì)誤差值小于最小閾值下限，則通信鏈路進(jìn)入細(xì)同步狀態(tài)完成載波同步跟蹤；

基于數(shù)字解調(diào)模塊進(jìn)行數(shù)字解調(diào)。

所述基于高速鐵路車地通信系統(tǒng)的接收端進(jìn)行中頻載波信號捕獲包括：

采用快速傅里葉變換FFT來進(jìn)行載波多普勒頻移的粗略估計(jì)，實(shí)現(xiàn)載波信號的提取，則將信號分成I路信號和Q路信號。

所述采用快速傅里葉變換FFT來進(jìn)行載波多普勒頻移的粗略估計(jì)包括：

將低通濾波器輸出的信號進(jìn)行4096點(diǎn)的快速傅里葉變換，然后把計(jì)算出的功率譜的峰值頻率，選擇為信號頻偏的最佳估計(jì)。

所述方法還包括：

基于信號頻偏的最佳估計(jì)調(diào)整數(shù)控振蕩器NCO的頻率。

所述方法還包括：

在判斷第一次載波頻偏估計(jì)誤差值是否小于最大閾值上限過程中，對載波信號進(jìn)行平滑處理；和/或

在判斷第二次載波頻偏估計(jì)誤差值是否小于最小閾值下限過程中，對載波信號進(jìn)行平滑處理。

相應(yīng)的，本發(fā)明還提出了一種基于高速鐵路車地通信系統(tǒng)的調(diào)制解調(diào)的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括：

中頻模塊，用于基于高速鐵路車地通信系統(tǒng)的接收端進(jìn)行中頻載波信號捕獲；

鎖頻環(huán)模塊，用于在在完成中頻載波信號捕獲后，對信號進(jìn)行第一次載波頻偏估計(jì)；在判斷第一次載波頻偏估計(jì)誤差值小于最大閾值上限時(shí)，實(shí)現(xiàn)通信鏈路的粗同步狀態(tài)；

閾值判決模塊，用于判斷第一次載波頻偏估計(jì)誤差值是否小于最大閾值上限，以及判斷第二次載波頻偏估計(jì)誤差值是否小于最小閾值下限；

鎖相環(huán)模塊，用于在通信鏈路進(jìn)入粗同步狀態(tài)后，對信號進(jìn)行第二次載波頻偏估計(jì)；以及在判斷第二次載波頻偏估計(jì)誤差值小于最小閾值下限時(shí)，通信鏈路進(jìn)入細(xì)同步狀態(tài)完成載波同步跟蹤；

數(shù)字解調(diào)模塊，用于對完成載波同步跟蹤的載波信號進(jìn)行數(shù)字解調(diào)。

所述中頻模塊采用快速傅里葉變換FFT來進(jìn)行載波多普勒頻移的粗略估計(jì)，實(shí)現(xiàn)載波信號的提取，則將信號分成I路信號和Q路信號。

所述中頻模塊將低通濾波器輸出的信號進(jìn)行4096點(diǎn)的快速傅里葉變換，然后把計(jì)算出的功率譜的峰值頻率，選擇為信號頻偏的最佳估計(jì)。

所述系統(tǒng)還包括數(shù)控振蕩器NCO，所述數(shù)控振蕩器NCO用于基于信號頻偏的最佳估計(jì)調(diào)整數(shù)控振蕩器NCO的頻率。

所述閾值判決模塊還用于在判斷第一次載波頻偏估計(jì)誤差值是否小于最大閾值上限過程中，對載波信號進(jìn)行平滑處理；和/或

在判斷第二次載波頻偏估計(jì)誤差值是否小于最小閾值下限過程中，對載波信號進(jìn)行平滑處理。

在本發(fā)明實(shí)施例中采用鎖頻環(huán)和鎖相環(huán)相結(jié)合的電路，通過鎖頻環(huán)路加快鎖定時(shí)間，再應(yīng)用鎖相環(huán)路實(shí)現(xiàn)載波的鎖定，整個(gè)調(diào)制調(diào)解結(jié)構(gòu)簡單、靈活，同時(shí)支持鎖頻環(huán)功能和鎖相環(huán)功能，鎖頻環(huán)功能模塊利用其寬帶寬捕獲優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)通信鏈路載波信號的快速捕獲；然后通過鎖相環(huán)功能模塊實(shí)現(xiàn)載波信號的精確同步與跟蹤，實(shí)現(xiàn)了高速鐵路車地通信過程中的調(diào)制解調(diào)更簡單和靈活。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其它的附圖。

圖1是現(xiàn)有技術(shù)中的純環(huán)路載波跟蹤結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是現(xiàn)有技術(shù)中的載波同步跟蹤環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明實(shí)施例中的基于高速跌路車地通信系統(tǒng)的調(diào)制解調(diào)中的FLL與PLL相結(jié)合載波同步跟蹤的電路原理圖；

圖4是本發(fā)明實(shí)施例中的基于高速鐵路車地通信系統(tǒng)的調(diào)制解調(diào)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是本發(fā)明實(shí)施例中的鎖頻環(huán)濾波器結(jié)構(gòu)圖；

圖6是本發(fā)明實(shí)施例中的環(huán)路濾波器采用三階Jaffe-Rechtin濾波器結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7是本發(fā)明實(shí)施例中的同步精度示意圖；

圖8是本發(fā)明實(shí)施例中的基于高速鐵路車地通信系統(tǒng)的調(diào)制解調(diào)的方法流程圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

本發(fā)明實(shí)施例中的基于高速鐵路車地通信系統(tǒng)的調(diào)制解調(diào)的方法，其基于高速鐵路車地通信系統(tǒng)的接收端進(jìn)行中頻載波信號捕獲；在完成中頻載波信號捕獲后，進(jìn)入鎖頻環(huán)模塊對信號進(jìn)行第一次載波頻偏估計(jì)；判斷第一次載波頻偏估計(jì)誤差值是否小于最大閾值上限，若判斷第一次載波頻偏估計(jì)誤差值小于最大閾值上限，則實(shí)現(xiàn)通信鏈路的粗同步狀態(tài)，并進(jìn)入鎖相環(huán)模塊對信號進(jìn)行第二次載波頻偏估計(jì)；判斷第二次載波頻偏估計(jì)誤差值是否小于最小閾值下限，若判斷第二次載波頻偏估計(jì)誤差值小于最小閾值下限，則通信鏈路進(jìn)入細(xì)同步狀態(tài)完成載波同步跟蹤；基于數(shù)字解調(diào)模塊進(jìn)行數(shù)字解調(diào)。

在高鐵車地通信系統(tǒng)中，列車速度可高達(dá)380km/h以上，此時(shí)多普勒頻移較大，本發(fā)明實(shí)施例中車地通信的調(diào)制方式采用數(shù)字QPSK調(diào)制。四相相移鍵控(Quadrature Phase Shift Keying，QPSK)作為數(shù)字鍵控的一個(gè)典型代表，由于具有較高的頻譜利用率、較強(qiáng)的抗干擾性能及電路實(shí)現(xiàn)簡單等優(yōu)勢，而廣泛應(yīng)用于無線通信中，成為了現(xiàn)代通信中重要的數(shù)字調(diào)制方式之一。

鎖頻環(huán)與鎖相環(huán)是工程中普遍采用的兩類載波跟蹤方式，，鎖相環(huán)的跟蹤精度較高，但是只限于低動態(tài)環(huán)境且跟蹤速度較慢。如要提高動態(tài)適應(yīng)能力，需要增加環(huán)路帶寬，而后果是將削弱其對噪聲的濾除能力。鎖頻環(huán)本質(zhì)上是一類自動頻率調(diào)節(jié)控制環(huán)，直接對載波頻率進(jìn)行跟蹤。鎖頻環(huán)的跟蹤速度以及動態(tài)適應(yīng)性要明顯優(yōu)于鎖相環(huán)，但跟蹤精度較差。本發(fā)明實(shí)施例中采用鎖頻環(huán)和鎖相環(huán)相結(jié)合的電路，通過鎖頻環(huán)路加快鎖定時(shí)間，再應(yīng)用鎖相環(huán)路實(shí)現(xiàn)載波的鎖定。

在高速鐵路運(yùn)行過程中，多普勒頻移不大于20kHz，而調(diào)制信號的碼率高達(dá)40.96Mbps以上，因此可以選用鎖相環(huán)路濾波器的帶寬為100KHz左右，實(shí)現(xiàn)對 載波的跟蹤，將鎖相環(huán)輸出信號與接收信號I、Q混頻，可以實(shí)現(xiàn)對輸入信號的解調(diào)。

具體的，圖3示出了本發(fā)明實(shí)施例中的基于高速跌路車地通信系統(tǒng)的調(diào)制解調(diào)中的FLL與PLL相結(jié)合載波同步跟蹤的電路原理圖，具體包括：載波信號的獲取，進(jìn)行I/Q路信號的抽樣處理，基于積分-濾波器進(jìn)入到鑒頻器進(jìn)行鎖頻環(huán)處理，實(shí)現(xiàn)粗同步后，進(jìn)行相位轉(zhuǎn)換，在進(jìn)行鑒相器進(jìn)行鎖相環(huán)處理，實(shí)現(xiàn)載波同步跟蹤，完成數(shù)字解調(diào)處理。

具體的，圖4示出了本發(fā)明實(shí)施例中的基于高速鐵路車地通信系統(tǒng)的調(diào)制解調(diào)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，該系統(tǒng)包括：

中頻模塊，用于基于高速鐵路車地通信系統(tǒng)的接收端進(jìn)行中頻載波信號捕獲。

具體實(shí)施過程中，該中頻模塊采用快速傅里葉變換FFT來進(jìn)行載波多普勒頻移的粗略估計(jì)，實(shí)現(xiàn)載波信號的提取，則將信號分成I路信號和Q路信號，中頻模塊將低通濾波器輸出的信號進(jìn)行4096點(diǎn)的快速傅里葉變換，然后把計(jì)算出的功率譜的峰值頻率，選擇為信號頻偏的最佳估計(jì)。

具體實(shí)施過程中，中頻信號的捕獲通常采用快速傅里葉變換(FFT)來進(jìn)行載波多普勒頻移的粗略估計(jì)，實(shí)現(xiàn)載波頻率的粗捕。首先要用FFT對載波的頻偏進(jìn)行捕獲。FFT進(jìn)行頻率估計(jì)的方法，將低通濾波器輸出的信號C(t)＝I(t)+j Q(t)，進(jìn)行4096點(diǎn)的快速傅里葉變換，然后把計(jì)算出的功率譜的峰值頻率，選擇為信號頻偏的最佳估計(jì)，用這個(gè)值可以實(shí)現(xiàn)NCO頻率的調(diào)整。這種方法可以在輸入信號的頻率未知的情況下，估計(jì)出頻差的值，且可以工作在信噪比很低的環(huán)境下。

鎖頻環(huán)模塊，用于在在完成中頻載波信號捕獲后，對信號進(jìn)行第一次載波頻偏估計(jì)；在判斷第一次載波頻偏估計(jì)誤差值小于最大閾值上限時(shí)，實(shí)現(xiàn)通信鏈路的粗同步狀態(tài)。

本發(fā)明實(shí)施例中的鎖頻環(huán)濾波器采用二階Jaffe-Rechtin濾波器，圖5示出了本發(fā)明實(shí)施例中的鎖頻環(huán)濾波器結(jié)構(gòu)圖，該濾波器的傳遞函數(shù)為：H(s)＝(1.414*ωfn*s+ω²n)/s²，其中，ωfn為鎖頻環(huán)環(huán)路濾波器帶寬，令s＝(2/T)*((1-z^-1)/(1+z^-1))，對上式進(jìn)行線性變換可得，H(z)＝((1.414*ωfnT+ω²fnT²)+ω²fnT²z^-1/2+(ω²fnT²/4-1.414*ωfnT/2)z^-2)/(1-2z^-1+z^-2)。在本系統(tǒng)中，濾波器 帶寬設(shè)置為ωfn＝100KHz，T＝1ms，輸入信號為L波段信號，即950～1450MHz范圍內(nèi)有效載波信號。

鎖相環(huán)模塊，用于在通信鏈路進(jìn)入粗同步狀態(tài)后，對信號進(jìn)行第二次載波頻偏估計(jì)；以及在判斷第二次載波頻偏估計(jì)誤差值小于最小閾值下限時(shí)，通信鏈路進(jìn)入細(xì)同步狀態(tài)完成載波同步跟蹤。

具體實(shí)施過程中，當(dāng)鎖頻環(huán)實(shí)現(xiàn)粗同步后，鎖相環(huán)則開始工作，執(zhí)行細(xì)同步過程，為最后的解調(diào)模塊做準(zhǔn)備。本方案鎖相環(huán)模塊采用反向正切鑒相器，即，Ψ_e＝atctan(Q_n/I_n)，環(huán)路濾波器采用三階Jaffe-Rechtin濾波器，具體如圖6中所示，該濾波器的傳遞函數(shù)為H(z)＝2.4ω_fn+1.1ω²_fn(T/2)((1+z^-1)/(1-z^-1))+ω ³_fn((T/2*((1+z^-1)/(1-z^-1))))，濾波器帶寬設(shè)置為ωfn＝100KHz，T＝1ms，輸入信號為L波段信號，即950～1450MHz范圍內(nèi)有效載波信號。

閾值判決模塊，用于判斷第一次載波頻偏估計(jì)誤差值是否小于最大閾值上限，以及判斷第二次載波頻偏估計(jì)誤差值是否小于最小閾值下限。

具體實(shí)施過程中，閾值判決模塊主要功能是判定當(dāng)前各環(huán)路工作狀態(tài)，以確定列車與地面站之間通信鏈路的同步狀態(tài)，即粗載波同步與細(xì)載波同步之間的狀態(tài)轉(zhuǎn)變判定。當(dāng)鏈路頻偏值小于設(shè)定的最大閾值上限時(shí)，鏈路載波同步轉(zhuǎn)變?yōu)榇滞?；?dāng)鏈路頻偏值小于設(shè)定的最小閾值下限時(shí)，鏈路狀態(tài)即進(jìn)入細(xì)載波同步狀態(tài)。圖7示出了本發(fā)明實(shí)施例中的同步精度示意圖，閾值_上即最大閾值上限，閾值_下即最小閾值下限。

具體實(shí)施過程中，粗同步與細(xì)同步之間的差別在同步精度不一樣，鎖頻環(huán)的優(yōu)勢是捕獲頻偏范圍大，但是其同步精度較差，當(dāng)鎖頻環(huán)工作時(shí)，無線鏈路載波同步屬于粗同步；當(dāng)無線鏈路實(shí)現(xiàn)粗同步后，鎖相環(huán)電路模塊將開始工作，最后實(shí)現(xiàn)整個(gè)鏈路的精度更高的載波同步，即細(xì)同步。當(dāng)由于外部因素，如高速列車與地面基站成相對而行時(shí)，多普勒頻偏過大，鎖相環(huán)會失鎖，系統(tǒng)將切換至鎖頻環(huán)工作狀態(tài)。載波同步根據(jù)載波同步精度(誤差大小)不同，分為粗同步和細(xì)同步，所謂的細(xì)載波同步或者細(xì)同步在本實(shí)施例中是指鎖相環(huán)正常工作下鏈路載波同步狀態(tài)，這也是鏈路能夠正常數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋匾獥l件。

具體實(shí)施過程中，頻偏誤差值閾值大小的設(shè)定與接收機(jī)解調(diào)器性能有關(guān)，“閾 值_上”大小為鏈路能夠?qū)崿F(xiàn)載波粗同步的誤差最大值，即如果計(jì)算出來的誤差值比該值大，則無法實(shí)現(xiàn)粗同步，比該值小的時(shí)候，則鏈路實(shí)現(xiàn)載波粗同步?！伴撝礯下”表示無線鏈路處于粗同步狀態(tài)時(shí)，其載波同步精度的一個(gè)值域范圍，當(dāng)無線鏈路載波同步誤差小于“閾值_下”時(shí)，無線鏈路載波同步將進(jìn)入細(xì)同步狀態(tài)，也就是說鏈路的載波同步精度足夠高。

數(shù)字解調(diào)模塊，用于對完成載波同步跟蹤的載波信號進(jìn)行數(shù)字解調(diào)。

具體實(shí)施過程中，該系統(tǒng)還包括數(shù)控振蕩器NCO，該數(shù)控振蕩器NCO用于基于信號頻偏的最佳估計(jì)調(diào)整數(shù)控振蕩器NCO的頻率，該NCO可詳見圖3中所示中。

具體實(shí)施過程中，該閾值判決模塊還用于在判斷第一次載波頻偏估計(jì)誤差值是否小于最大閾值上限過程中，對載波信號進(jìn)行平滑處理；和/或在判斷第二次載波頻偏估計(jì)誤差值是否小于最小閾值下限過程中，對載波信號進(jìn)行平滑處理。

具體實(shí)施過程中，當(dāng)無線鏈路載波同步誤差足夠小，進(jìn)入細(xì)同步狀態(tài)后，接收機(jī)解調(diào)模塊能夠準(zhǔn)估計(jì)出接收載波信號的有效信息位，正確解調(diào)出數(shù)據(jù)，鏈路正常傳輸數(shù)據(jù)。鏈路載波同步誤差是一個(gè)動態(tài)變化的值，而且該系統(tǒng)是一個(gè)反饋系統(tǒng)，載波同步誤差值將變換成數(shù)字化誤差值信號，反饋至數(shù)字控制振蕩器，調(diào)整振蕩器輸出的本地端載波輸出信號，以進(jìn)一步減小載波同步誤差值。更新NCO的具體內(nèi)容實(shí)際上就是NCO通過動態(tài)輸入的載波同步誤差數(shù)字化反饋控制信息，動態(tài)調(diào)整NCO輸出的載波信號。

相應(yīng)的，圖8示出了本發(fā)明實(shí)施例中的基于高速鐵路車地通信系統(tǒng)的調(diào)制解調(diào)的方法流程圖，包括如下步驟：

S801、基于高速鐵路車地通信系統(tǒng)的接收端進(jìn)行中頻載波信號捕獲；

接收端信號到達(dá)后，首先進(jìn)行載波信號捕獲，本系統(tǒng)利用FFT快速傅立葉變換實(shí)現(xiàn)載波載波信號的提取，如果提取成功，則將信號分成I路信號和Q路信號。將低通濾波器輸出的信號進(jìn)行4096點(diǎn)的快速傅里葉變換，然后把計(jì)算出的功率譜的峰值頻率，選擇為信號頻偏的最佳估計(jì)。

具體實(shí)施過程中，中頻信號的捕獲通常采用快速傅里葉變換(FFT)來進(jìn)行載波多普勒頻移的粗略估計(jì)，實(shí)現(xiàn)載波頻率的粗捕。首先要用FFT對載波的頻偏進(jìn)行捕獲。FFT進(jìn)行頻率估計(jì)的方法，將低通濾波器輸出的信號C(t)＝I(t)+j Q(t)， 進(jìn)行4096點(diǎn)的快速傅里葉變換，然后把計(jì)算出的功率譜的峰值頻率，選擇為信號頻偏的最佳估計(jì)，用這個(gè)值可以實(shí)現(xiàn)NCO頻率的調(diào)整。這種方法可以在輸入信號的頻率未知的情況下，估計(jì)出頻差的值，且可以工作在信噪比很低的環(huán)境下。

S802、在完成中頻載波信號捕獲后，進(jìn)入鎖頻環(huán)模塊對信號進(jìn)行第一次載波頻偏估計(jì)；

S803、判斷第一次載波頻偏估計(jì)誤差值是否小于最大閾值上限，若小于則進(jìn)入S804、否則繼續(xù)S803；

中頻載波信號成功接收到以后，由于該信號有較大范圍的動態(tài)頻偏，首先進(jìn)入鎖頻環(huán)模塊，對信號進(jìn)行載波頻偏估計(jì)，當(dāng)頻偏估計(jì)誤差值小于最大閾值上限“閾值_上”時(shí)，則鏈路實(shí)現(xiàn)粗同步。

粗同步與細(xì)同步之間的差別在同步精度不一樣，鎖頻環(huán)的優(yōu)勢是捕獲頻偏范圍大，但是其同步精度較差，當(dāng)鎖頻環(huán)工作時(shí)，無線鏈路載波同步屬于粗同步；當(dāng)無線鏈路實(shí)現(xiàn)粗同步后，鎖相環(huán)電路模塊將開始工作，最后實(shí)現(xiàn)整個(gè)鏈路的精度更高的載波同步，即細(xì)同步。當(dāng)由于外部因素，如高速列車與地面基站成相對而行時(shí)，多普勒頻偏過大，鎖相環(huán)會失鎖，系統(tǒng)將切換至鎖頻環(huán)工作狀態(tài)。載波同步根據(jù)載波同步精度(誤差大小)不同，分為粗同步和細(xì)同步，所謂的細(xì)載波同步或者細(xì)同步在本實(shí)施例中是指鎖相環(huán)正常工作下鏈路載波同步狀態(tài)，這也是鏈路能夠正常數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋匾獥l件。

S804、若判斷第一次載波頻偏估計(jì)誤差值小于最大閾值上限，則實(shí)現(xiàn)通信鏈路的粗同步狀態(tài)；

S805、進(jìn)入鎖相環(huán)模塊對信號進(jìn)行第二次載波頻偏估計(jì)；

S806、判斷第二次載波頻偏估計(jì)誤差值是否小于最小閾值下限，若小于則進(jìn)入S807、否則繼續(xù)S806；

S807、若判斷第二次載波頻偏估計(jì)誤差值小于最小閾值下限，則通信鏈路進(jìn)入細(xì)同步狀態(tài)完成載波同步跟蹤；

頻偏誤差值閾值大小的設(shè)定與接收機(jī)解調(diào)器性能有關(guān)，“閾值_上”大小為鏈路能夠?qū)崿F(xiàn)載波粗同步的誤差最大值，即如果計(jì)算出來的誤差值比該值大，則無法實(shí)現(xiàn)粗同步，比該值小的時(shí)候，則鏈路實(shí)現(xiàn)載波粗同步?！伴撝礯下”表示無線 鏈路處于粗同步狀態(tài)時(shí)，其載波同步精度的一個(gè)值域范圍，當(dāng)無線鏈路載波同步誤差小于“閾值_下”時(shí)，無線鏈路載波同步將進(jìn)入細(xì)同步狀態(tài)，也就是說鏈路的載波同步精度足夠高

S808、基于數(shù)字解調(diào)模塊進(jìn)行數(shù)字解調(diào)。

具體實(shí)施過程中，

基于信號頻偏的最佳估計(jì)調(diào)整數(shù)控振蕩器NCO的頻率。

當(dāng)無線鏈路載波同步誤差足夠小，進(jìn)入細(xì)同步狀態(tài)后，接收機(jī)解調(diào)模塊能夠準(zhǔn)估計(jì)出接收載波信號的有效信息位，正確解調(diào)出數(shù)據(jù)，鏈路正常傳輸數(shù)據(jù)。鏈路載波同步誤差是一個(gè)動態(tài)變化的值，而且該系統(tǒng)是一個(gè)反饋系統(tǒng)，載波同步誤差值將變換成數(shù)字化誤差值信號，反饋至數(shù)字控制振蕩器，調(diào)整振蕩器輸出的本地端載波輸出信號，以進(jìn)一步減小載波同步誤差值。

為了保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性，鎖相環(huán)和鎖頻環(huán)模塊輸出多個(gè)判定信號，并對這些信號進(jìn)行平滑操作后才進(jìn)行判別，以防干擾性壞值的出現(xiàn)影響整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。具體在判斷第一次載波頻偏估計(jì)誤差值是否小于最大閾值上限過程中，對載波信號進(jìn)行平滑處理；和/或在判斷第二次載波頻偏估計(jì)誤差值是否小于最小閾值下限過程中，對載波信號進(jìn)行平滑處理。整個(gè)同步過程分為兩個(gè)狀態(tài)，即，粗同步與細(xì)同步，兩個(gè)狀態(tài)的切換依靠的是閾值判斷，為了防止乒乓效應(yīng)的出現(xiàn)，不能夠按照每個(gè)時(shí)間的輸入值進(jìn)行判斷，而是要將多個(gè)連續(xù)的點(diǎn)輸入后，在進(jìn)行做平滑處理(如加權(quán)平均等方法)后進(jìn)行判別。該步驟屬于閾值判別的一部分，其通過閾值判決模塊來實(shí)現(xiàn)。

綜上，在本發(fā)明實(shí)施例中采用鎖頻環(huán)和鎖相環(huán)相結(jié)合的電路，通過鎖頻環(huán)路加快鎖定時(shí)間，再應(yīng)用鎖相環(huán)路實(shí)現(xiàn)載波的鎖定，整個(gè)調(diào)制調(diào)解結(jié)構(gòu)簡單、靈活，同時(shí)支持鎖頻環(huán)功能和鎖相環(huán)功能，鎖頻環(huán)功能模塊利用其寬帶寬捕獲優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)通信鏈路載波信號的快速捕獲；然后通過鎖相環(huán)功能模塊實(shí)現(xiàn)載波信號的精確同步與跟蹤，實(shí)現(xiàn)了高速鐵路車地通信過程中的調(diào)制解調(diào)更簡單和靈活。

本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以理解上述實(shí)施例的各種方法中的全部或部分步驟是可以通過程序來指令相關(guān)的硬件來完成，該程序可以存儲于一計(jì)算機(jī)可讀存儲介質(zhì)中，存儲介質(zhì)可以包括：只讀存儲器(ROM，Read Only Memory)、隨機(jī)存取 存儲器(RAM，Random Access Memory)、磁盤或光盤等。

另外，以上對本發(fā)明實(shí)施例所提供的基于高速鐵路車地通信系統(tǒng)的調(diào)制解調(diào)的方法及系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)介紹，本文中應(yīng)用了具體個(gè)例對本發(fā)明的原理及實(shí)施方式進(jìn)行了闡述，以上實(shí)施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想；同時(shí)，對于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員，依據(jù)本發(fā)明的思想，在具體實(shí)施方式及應(yīng)用范圍上均會有改變之處，綜上所述，本說明書內(nèi)容不應(yīng)理解為對本發(fā)明的限制。