（信号与信息处理专业论文）数字接收机中同步技术研究.pdf

a b s t r a c t abs tract s y n c h r o n i z a t i o n i s a c h a l l e n g i n g a n d v e ry i m p o r t a n t t a s k i n d i g it a l c o m m u n i c a t i o n . i n d i g i t a l c o m m u n i c a t i o n s y s te m , a h i e r a r c h y o f s y n c h r o n i z a t i o n p ro b le m h a s t o b e c o n s i d e r e d , w h e t h e r c o m m u n i c a t i o n s y s t e m s c a n w o r k v a l i d l y a n d r e l i a b ly o r n o t d e p e n d s o n s y n c h ro n i z a t io n t e c h n o lo g y , s o it i s a k e y t e c h n o l o g y i n c o m m u n i c a t i o n s y s t e m . t h i s p a p e r d e a l s w i t h t h e e s t i m a t i o n a n d a d j u s t m e n t o f c a r r i e r fr e q u e n c y o ff s e t , p h a s e e r r o r a n d s y m b o l t i m i n g e r r o r , t h e n c o m p l e t e s s y n c h r o n i z a t i o n i n t h e d i g it a l r e c e i v e r a c c o r d i n g t o t h e r e s e a r c h w o r k s a c t u a l n e e d s . t h e s y n c h r o n i z a t i o n t e c h n o l o g y i n t h e d i g i t a l r e c e i v e r i s i n tr o d u c e d i n t h i s p a p e r fi r s t l y , i n c l u d i n g c a r r i e r s y n c h r o n i z a t i o n a n d s y m b o l s y n c h ro n i z a t i o n . s y n c h ro n i z a t i o n a l g o r i t h m m a i n l y i n c l u d e s t w o k i n d s : o p e n e d lo o p a l g o r i t h m a n d c lo s e d l o o p a l g o r i t h m . t h e n , t h e a u t h o r s t u d i e s s o m e t y p i c a l c a r r ie r s y n c h r o n i z a t i o n a l g o r i t h m a n d s y m b o l s y n c h r o n i z a t i o n a l g o r i t h m . t h i s p a p e r a im s t o r e s e a r c h i n g a p p ro p r i a t e s y n c h r o n i z a t i o n s c h e m e f o r t h e d i 乡 回 r e c e i v e r a n d p u tt 吨 f o r w a r d s y n c h r o n i z a t i o n a l g o r i t h m b a s e d o n t h e p r e d e c e s s o r s a c h ie v e m e n t . t h e m a i n j o b a n d c o n t r i b u t i o n o f t h i s p a p e r c o n t a i n s s u c h a s p e c t s a s f o ll o w s : 1 . t h e d i s s e r t a t i o n h a s s t u d i e d t h e a p p r o p r i a t e d i g i t a l r e c e i v e r s i g n a l m o d e l , a n d t e s t i f i e d 伽 i m p o r t a n c e o f s y n c h r o n i z a t i o n t e c h n o l o g y i n t h e d i g i t a l re c e i v e r . 2 . t h e d i s s e r t a t i o n p u t s f o r w a r d a n e w c a r r i e r s y n c h r o n i z a t i o n a l g o r i t h m b a s e d o n a d a p t i v e s t e p . i n。 川 “ t o s o l v e t h e ma x i m u m l i k e l i h o o d ( ml ) e s t i m a t i o n a lg o r i t h m s n o n - l i n e a r o p t i m i z a t i o n p r o b l e m , t h i s n e w a l g o r i t h m i s d e s i g n e d , c o m b i n e d w it h p a r t i c l e s w a r m o p t i m i n z a i t o n a l g o r i t h m ( p s o ) . t h e a l g o r i t h m c a n s e a r c h a n d r e a l i z e 山 。 e s t i m a t i o n a c c u r a t e l y . 3 . i n t e r m s o f s y m b o l s y n c h r o n i z a t i o n a l g o r i t h m， i n o r d e r t o s o l v e t h e s y m b o l s y n c h r o n i z a t i o n p r o b l e m o f th e c h a n g i n g s y m b o l r a t e c o m m u n i c a t i o n s s y s t e m , t h e p a p e r p r e s e n t s a s y m b o l r a t e a d a p t iv e s y n c h r o n i z a t i o n s c h e m e , a n e w s c h e m e w h i c h c o m b i n e d w it h s y m b o l r a t e e s t i m a t i o n u s i n g w a v e l e t t r a n s f o r m i s d e s i g n e d . t h e a u t h o r a l s o c o n s t r u c t s i t s r e a l i z a t i o n d i a g r a m , a n d t h e n s i m u l a t e d t h e k e y m o d u l e s . n a b s t r a c t 4 . t h e p a p e r c o n s t r u c t s a n i n t e g r i t y s y n c h r o n i z a t i o n s i m u l a t i o n s y s t e m w it h ma t l a b , s p e c ifi e d t h e w h o le p r o c e s s f ro m s i g n a l m o d e l p r o d u c t i o n t o s y n c h r o n i z a t i o n s y s t e m o u t p u t s i m u l a t i o n , w h i c h p r o v i d e s a v e ry u s e f u l ma t l a b s im u l a t i o n p la t f o r m f o r s t u d y i n g t h e s y n c h r o n i z a t i o n a lg o r it h m i n d i g it a l r e c e i v e r . 5 . t h e p a p e r i n t r o d u c e d t h e h a r d w a r e d e b u g p l a t f o r m f o r s y n c h r o n i z a t i o n a l g o r it h m i n d e t a i l , a n d t h e p l a t f o r m i s a d i g it a l w h i c h i s d e s i g n e d b a s e d o n c o n c e p t o f s o ft w a r e r a d i o . t h e d i g it a l r e c e i v e r f u n c t io n i n c l u d e s : fr e q u e n c y s c a n n i n g , s p e c i fi e d fr e q u e n c y s i g n a l i n t e r c e p t i o n , i d e n t ifi c a t i o n a n d d e m o d u la t i o n , w h i c h p r o v i d e s re f e r e n c e f o r t h e d i g i t a l r e c e i v e r h a r d w a r e d e s i g n . k e y w o r d s : a l l - d i g i t a l s i mu l a t i o n e s t i ma t i o n c a r r i e r s y n c h r o n i z a t i o n ; s y m b o l s y n c h r o n i z a t i o n ; o f s y s t e m; m 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人己 经发 表或 撰写过的 研究 成果， 也不 包含为获得 南昌大学 或其 他教 育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名( 手写) 签 字 日 期 :甲 年 4 a w 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了 解南昌大学 有关 保留 、 使 用学 位论文的 规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅 和借阅。 本人 授权南昌大学可以 将学 位论文的 全部或 部分内 容 编入 有关数据库 进行检索，可以 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 马 学 位 论 文 作 者 签 名 、手 写 。:寿导师签名 ( 手写) : 签 字 日 期 : 场 日 年乙 月 泌日签字日期 -;f * 年6 月 只日 学位论文作者毕业后去向: 工作单位: 通讯地址: 电话: 邮编: 第 1 章 绪论 第 1 章 绪论 1 . 1论文的研究背景 同步技术在通信中是一项非常关键和艰巨的任务，它的失败将使通信系统 的 性能受到灾难性的影响川 . 同步是系统中最重要的环节之一， 然而在大多 数关 于数字通信的教科书和参考教材中，对于同步的理论与技术涉及较少或仅作了 肤浅的阐述。于是容易给人一种错误印象，在数字通信中同步是容易实现的或 是微不足道的，系统的误码性能仅与系统的调制制式有关。然而实际工程中， 情况则大相径庭。同步系统的好坏对于系统的误码性能起着至关重要的作用， 系统能否正常工作和到达设计的性能很大程度上要取决于同步系统的好坏，事 实上通信系统设计中的大量工作是围 绕同步问 题展开的。 在通信系统中，有用的数据序列都是经过一定的方式映射，发射机将其调 制到一定的频率通过信道发送出去，接收机接收到的数据其参数受到发送机， 接收机和信道的影响，最终的工作是要求在对这些参数准确估计的基础上依靠 判决装置恢复发送数据。同步技术就是对这些参数实现准确的估计和校正川 . 早期采用锁相环( 闭 环) 的结构来提取信号中所含的频率和相位分量，由此 可生成用于接收机的本振信号以达到同步的目的。但这种同步方法捕获时间较 长 ， 存 在 假 锁c h a n g - u p 2 1 ) 问 题， 并 且 接 收 机的 结 构与 特定的 同 步 方 法 密 切 相 关。 近十年来，用于数字化接收机的同步方法已成为研究热点。在这种接收机 中，采样信号的时钟和解调用的本地参考载波均独立振荡于固定的频率，由 此 带来了 载波的频差、相差及定时误差，其消除可用 d s p处理器完成， 靠软件的 方法实现。这样的接收机结构不受具体同步方法的影响，从而有利于设计实现 具有通用性的接收机硬件结构。因此，针对这种通用结构的开环同步算法研究 具有重要的意义。由于大规模集成电路和d s p技术的高速发展，以及数字通信 系统的客观需要，用数字方法实现通信信号的解调变为可能;此方面的研究也 是如雨后春笋般地涌现，复杂的同步算法能够在d s p中实现，这样可以使整个 通信系统更加稳定，而且可以通过修改d s p中的核心算法来更新系统功能。 在非合作通信环境下，同步过程的完成是只能靠接收到的采样数据，而先 验知识相对较少，很多都只能用经验值，这样就对同步工作加大了难度，这也 第 t 章 绪论 需要研究者提出更好的，更合适有效的同步算法。 1 .2数字接收机同步的分类和同步系统的构成 数字接收机中同步的主要研究内容可细分为载波相差、载波频差和符号定 时误差的估计和校正。图1 . 1 大略表示了数字接收机中同步系统的构成。 吸户 j 于 门性泊浪 润侧目 一 rt# x(k: w. j.6. b) 参 s.n-a d yy62fe- 定时钻计 相位间步 绷令同步 图l . 1 . 数字通信系统同步框图 现行数字信号的解调都是用i . q两路正交解调， 载波同步所需要解决的问 题就是要产生一个与发送端同频同相的参考载波。在特定的应用环境中，需要 考虑更多的因素，比如说多谱勒频移、多径信道的影响等。同步的另一个问题 就是符号定时同步，为恢复发送端以符号间隔传送的符号序列， 接收机必须以 符号间隔为 周期对解调器输出 进行抽样判决。 有文献指出e3 :， 依据无 符号间干 扰 ( i s i ) 要求， 在一个符号时间间隔内存在一个使i s t 或误码率最小的最佳采样时 刻。由于通信信号受到的信道和多径时延是未知的，在接收端必须采取符号同 步装置即符号同步器来确定最佳的采样时刻。很明显， 正确的判决严格依赖于 采样脉冲时刻的准确度。 1 . 3对前人研究的简要总结 目 前开 环算法是 研究的主要方向3 。 早在8 0 年代初， 如: 1 9 8 0 年， l . e . f r a n k s 对数字信号的载波相位估计和符号定时误差估计作了详细的探讨，并提出了一 第 1 章 绪论 种基于最大 似然参 数 估计 m l ) 的 符号定时误差估计算 法。 1 9 8 3 年， a .j .f r a n k 和 a .m. v t e r b i 提出了 一种典型的数字载波相位估计算法，这种算法直接从带有载 波相位误差或频率误差的b p s k/ q p s k中 频信号中提取载波相位。这两篇文章 标志着全数字解调研究的真正开始，此后全数字接收机逐渐成为通信研究领域 的研究热点。 现有载波相 位估计算法3 ;: 众所周知 最早的 有1 9 5 6 年科斯塔斯发明的同 相 正交环. 1 9 6 4 年普罗 基斯等人( p r o a k i s ) 以及纳塔利和瓦尔贝 塞( n a t a l i 在 第 1 章 绪论 高信噪比和三种偏差分开估计的前提下有较好的估计效果，1 9 9 9年，刑观斌， 沈伯弘，项海格提出了一种数据辅助的载波频差估值算法，有人提出高阶统计 量的估计算法，也有很多对经典算法改进的文章。在此不一一列举，前人的这 些研究，给我们提供了很好的研究基础，也是一种鞭策。 1 .4本文研究课题的来派 本文课题是与解放军x x 军工厂合作的通信与通信对抗项目中的一个子系 统，项目要求设计一个能够对常用的几种短波数字通信调制信号进行自动识别， 符号速率自 适应的数字解调器， 所要识别的数字信号调制方式有m f s k ( m= 2 , 4 , 8 ) , m p s k ( m= 2 , 4 , 8 ) , o q p s k 。 实际 上就是 要 求设计一个以 软件无 线 电技术为基础的数字接收机，该数字接收机能有效地接收并自适应解调出多种 调制方式的数字信号。载波相差、载波频差和符号同步误差估计与校正是数字 接收机中同步模块所要解决的问题，是整个数字接收机的关键技术，同步算法 的优劣直接影响整个接收机的性能。 1 . 5本文研究内 容的安排 本文主要研究的对象是数字通信系统中的同步算法，研究的目 标主要是为 了解决三个参数估计问题: .载波相位估计 .载波频偏估计 .符号同步误差估计 并且完成校正，达到理想同步效果。按照研究目 标对本论文的主要研究内容作 如下安排: 1 ).研究短波数字传输系统信号的数学模型，这是构建同步仿真系统的基 础，也是重要的一环，本文所用的仿真信号就是依据这节的模型产生 的，要求能很好地模拟实际传输信号。 2 ) . 对同 步的 重要 性进行计算机仿真， 也详细 研究同 步参数估计的 性能 评 价 c r l b ，并对载波相位估计，载波频偏估计和符号同步误差估计的 m c r l b 进行计算机仿真。 3 ).对载波同步算法的闭环进行研究仿真，重点对开环算法深入研究，在 第 1 章 绪论 研究前人算法的基础上，为了 解决最大似然载波相位估计算法的非线 性优化问 题，寻求一种自 适应步长搜索的载波相位估计算法。 4 ) . 对符号同 步算法进行理论上的 研究 和计算机仿真， 结合符号 率估计的 小波变换方法，构建一种自 适应符号率的符号同步方案。 5 ) . 结 合高 效 数 字调制8 p s k信号 用m a t l a b 构建完整的同步 仿真系 统， 该同步系统要求易于移植，只要将同步参数估计的核心算法程序修 改，就可改变同步仿真系统的性能。 6 ) . 结合课题组 项目( 数字调制信号的自 动识别) ， 对短波数字 接收机中的 各主要单元进行详细研究，这个也是项目 组同步算法的调试平台。能 够为数字接收的硬件设计提供技术基础。 本论文在章节的组织上就是依据上面内容安排展开的。 第2 章 数字接收机中同步技术基础 第2 章 数字接收机中同步技术基础 本章首先讨论项目的总体框架，从中引出项目 中的同步问题，然后对数字 接收机传输信号的数学模型进行详细的推导，并对同步参数估计的评价体系和 同步的重要性进行具体的仿真研究。这些基本的理论和方法将为后面的研究工 作打下良好的基础。也只有深入理解这些基本理论和方法，才能更好地理解和 研究同步问题。 2 . 1项目的总体框架和数字接收机中的同步技术 2 . 1 . 1项目的总体框架 根据项目的总要求，可以得到总体结构框架，载波同步和符号同步是项目 中的关键模块， 同步算法的性能直接影响整个接收机的性能。 图2 . 1 给出了 项目 的总体框架图。 图2 . 1 项目 总体框图 由上图可以看出，没有向模拟前端进行反馈的信号，这就是用开环算法实 现同步的特点之一。限于现有的硬件处理水平，接收机从天线接收到射频信号， 要在射频模拟端进行模拟混频，得到中频信号，中频数字信号通过带通滤波 ( b p f )滤除带外噪声，优化频谱.输入到 a / d转换器， 采样率一般较高，以 第2 章 数字接收机中同步技术基础 满足采样定理，由 于采样信号是由独立的振荡器产生的， 然后经过数字下变频 ( d d c ) 就得到必然 带有频差、 相差和时延的 基带正 交1 , q信号， 本论文首先 要对这种频差、相差和时延进行估计，然后对其进行校正，达到同步的目的， 以 利于调制方式的 识别和解调。 2 . 1 . 2栽波同步技术基础 如2 . 1 . 1 所述， 载波同步在数字接收机中占有重要位置，数字接收机在载波 同步技术方面与传统接收机相比 有着不可比 拟的优点，为了 对比，先介绍传统 接收 机的结 构与 功能 特点 15 1 图2 . 2传统接收机框图 在传统接收机中， 如图2 .2 所示， 各解调单元都是用模拟处理的方法和器件 实现的， 它们的 共同 之处在于使用了 模拟滤波器、 鉴相器和压控振荡器( v c o ) 这些传统的模拟解调单元。载波同步电 路的目 的就是跟踪接收信号的相位偏移 方向并且将其逆向旋转。 这样一直将载波同步系统输出的各个信号逆向旋转， 以 便接近它们没有相位偏移的理想位置。传统接收机闭环载波恢复的弊端前面 己 有叙述，所以很难实现数字信号的最佳接收。 数字接收机的关键体现在载波同步中不含有向模拟前端进行反馈的控制信 号， 模数转换器a / d界定了 解调器的模拟和数字部分，即模数转换器的位置决 定了 接收机的数字化程度。从项目 框图可以看出， 本文研究的是中频采样开环 结构接收机。数字接收机解调单元的载波同步和符号同步将完全在数字部分由 软件完成，因此数字接收机充分体现了软件无线电的思想，是软件无线电 在现 有技术条件下的一种实现。图2 . 3 是数字接收机同步模块框图。 第2 章 数字接收机中同步技术基础 图2 .3 数字接收机同步模块框图 由图2 . 3 可以看出， 开环结构的数字接收机同步技术必须解决三个误差估计 问题: . 载波频率误差估计 . 符号定时误差估计 一 载波相位误差估计 这三者理论上是先实现符号同步，再实现载波同步，但三者在整个同步过 程中环环相扣，一种误差的估计性能较低必将影响其他误差的估计，使整个系 统的同步性能下降。在接收机中，提取载波的方法按照是否含有向模拟前端进 行反馈的标准一般分为两类: 一类是闭环载波同步方法，通常采用锁相环和锁频环跟踪发送载波的相位 和频率。 另一类是开环载波同步方法，这种方法从己调信号直接导出载波同步参数 的估计值，在软件无线电实践中这种方法更为普遍。该方法有一个很明显的优 点，即全部发送功率都分配给了携带信息的信号，提高了功率利用率。它不需 要训练序列，只从接收信号本身估计频差和相差。这两大类同步算法将在第 3 章详细讨论。 2 . 1 .3符号同 步技术基础 接收机中的实现同符号同步的方法一般也可分为两类，一类是通过反馈环 控制采样时钟的相位来实现同步，另一类是使采样时钟独立工作，采用数字信 号处理方法直接从未同步的采样信号中获取准确采样时刻的信号值。前者在传 统接收机中应用广泛，而随着 d s p技术的提高，符号同步的第二类方法受到了 越来越多的重视。事实上，第二类方法也更适于软件无线电接收机应用，因此 第2 章 数字接收机中同步技术基础 本文仅讨论第二类方法。本节只作个问题的阐述， 详细方法及其实现在第 4章 中讨论。图2 .4 给出了 这类数字符号同步结构的示意图。 x ( m t ) 一一叫， w m ;n 朴一 y ( k t ) 公! 符号同步误差估计 图2 .4数字符号同步结构的示意图 在该 结构中 ， 使 用内 插 器来估 计 准确 采样时 刻的 信号 值y ( k t , ) ， 而内 插的 位置则由 符号定时 提取模块产生的定时参数r 来控制。 显然， 内 插滤波器的性能 和t 的准确程度都将对这种结构的定时性能产生影响。 内插滤波器和符号定时误 差t 的估计是符号同步的主要内容。 2 . 2数字接收机传输信号的数学模型 本节主要讨论数字接收机同步系统输入信号的数学模型，这是构建同步仿 真系统的第一步， 也是很重要的一步。图2 . 5 是典型的数据信号传输的 模型4 1 但文献 4 】 中讨论的 是 合作 通信下的 信号 模型， 也就是假设 接收 端是同 步的 情况 下作的数学推导，考虑到本课题的实际需要，接收端的参考本振完全独立于发 送端，存在频率和相位偏移，其详细推导过程如下。 图2 . 5数据信号传输的基本模型 图2 .5 中调制信号为: s ( t ) =s ( t ) + j - s o ( t )( 2 . 1 ) 第2 章 数字接收机中同步技术基础 是信源数据与发 送滤波器响应的卷积， 上标i , q分别表示调制信号正交的i 通 道分量和q通道 分量. 其中发 送滤波器h ( t ) 包括调 制器、 成形滤波器等， 信源 数 据为a = a , q - r + a n a ia + a ， 下 标i 表 示 是 在t = i t 时 刻 传 输 的 第i 个 数 据 符 号 ， t 为符号周期，且数据一般为复数离散序列: a , = a ir + j a 4r , a ， a q 。 ( o , m一 1 ) ( 2 .2 ) m表示多进制调制，改变m可得到不同调制方式的基带数据取值域。由图 2 . 5 有: s t ( t ) = 艺a il h ( t 一 t ) , s 2 ( t ) = 艺a ,q - h ( t - i t ) ( 2 . 3 ) 对已 调信号s ( t ) 经射频复调制后， 取实部就可变成信道上可传输的实带通信 号: sc(t)= r e s ( t ) fe (- * e ) 其中w t 为 射频载波的 角频率，0 为载波的初始 相位。 ( 2 . 4 ) 发射信号通过信道与噪声 叠加后到达接收端.设接收机收到的信号为x ( t ) 则有: x ( t ) = s c ( t ) + n ( t ) ( 2 . 5 ) 其中n ( t ) 是 双 边 功 率 谱密 度为n o / 2 的 加 性高 斯白 噪 声 ， ro , 表示高 频噪 声 频率。 接收 信号x ( t ) 经正 交解调下变频成复信号x d ( t ) ， x 0 ( t ) = x c ( t ) . 扼七 一 - - - - 一 - 一 1 - - - - 一 - - - 一 - - - - 一 - 一 r 一) - - 一 一 一 - 一 尸一 一 一 一 一 一 一 1 一 r 一 一 一 一 一 一 月 一 .一 ! 一 - - - 一 - 一 一 l . - - - - - - 一1 尸 - - 一 - - 一 ， l .一 . 一 一 一 一 一 一 一 1 牙 甘 - 一 刃 一 -一一t . _ . 厂一一一-一一一 一一 l_ _ _ _ _ _ _一 厂 一一一 一一一一 .一 . _ _ _ _ _ _ _一 . -一一 . ._ _ 1- -一-一， .一 .一 1 -一门 .l .l一 i 一 f 一 fl一 卫 1 一 ! _ _ _ _ _ _ _主 _ _ _ _ _ _ !_ _ _ _ _ _ 甘 l一 .l .l 一 矛 一 一- - 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( 约+ v n ( 2 . 1 4 ) 上式就是仿真中产生同步器输入信号的模型，在模型中没有考虑多径影响和实 际噪声环境。其中下标n 表示第n 个符号，考虑传输时延迟，参数s 表示抽样时 刻 相对于符号中 心的 偏 移即、 ( 约= x ( n t - z ) ， 符号同 步 就 是要 求 估 计出 这个 偏 移量，进而找到最佳的抽样判决时刻，使误码率最小为目 的。其中 1 2 第2 章 数字接收机中同 步技术基础 y n ( t ) = 艺a _ , - g ( i t 一 z ) , ( 2 . 1 5 ) 实际中考虑脉冲响 应玉数宫 仍的有限影响，上式又可表成: mr ) = 艺a _ , g ( i t 一 z ) , ( 2 . 1 6 ) 才 =一m 所谓有限响应是指脉冲响应的幅度大于某一指定门限的时间间隔， 常用符号周 期作单 位。 例如对 于 滚降系数a = 0 .4 的升余 弦响 应，门 限 取为 = 0 .0 0 5 时， 则 有2 m十 卜7 ， 又称 此为在门 限 下的 信道记忆长度。 这个有限响 应的 论断从图 2 .6 -图2 .7 中也得到了直观的证明， 2 3载波同步与符号同步孟要性仿真 2 . 3 . 1同步孟要性的星座图仿弃实 脸 问 题的提出:载波同步分为输入载波频率和相位的同步，为什么要载波同 步，不同步有什么表现，对解调性能有什么影响。下面以星座图的结果呈现。 由于在第 5章的仿真结果也要用到星座图，在这里有必要对星座图作点说 明， 星座图是结合向 量理论对已 调信号的一种分析方法。 仿真环境和参数的假设:假设在载波同步之前已经获得很好的定时同步， 则接收到的调制信号通过a / d采样、下变频后可以表示为: x= a 。 e j ( 2 x a f n t + b , )n+ v n ( 2 . 1 7 ) 对接收数据在信号空间用向量表示为: a c o s ( 2 a 4 f n t + b e ) + v q , a , s in ( 2 na f n t + b , ) + 谬( 2 .1 8 ) 当 在二维坐标上将上面的向 量端点画出来时，称之为星座图， 又叫矢量图， 即星座图是己调信号在信号空间中的矢量分布，这样，就把己调信号映射到信 号空间中。星座图不是本来就有的，只是我们这样表示出来的。 星座图对于判 断数字解调的误码率和是否同 步等有很直观的效用。 第2 章 数字接收机中同步技术基础 除了 a还存 在 两 个未知 参 数: 载波 频 偏琴和载 波 相 位 误差凡， 这 两 个同 步 参数在接收过程中肯定存在，由下面几个方面引起:接收机本振的中心频率偏 移以 及相位噪声引起的载波相位和频率偏差。运动中的物体进行通信时出现的 多普勒效应，即会使接收信号的频率发生变化。如何恢复这两个同步参数，将 直接影响到 接收机的整体性能和 误码率。 以q p s k 信号为 例， 对式( 2 . 1 8 ) 进行仿 真， 通 过 仿 真 给出 这两 个误差 信 号 对解调 的 影响。 仿真中 颐为 符号 速 率t 的1 / 4 , 相位 误差几在( - x / 8 , 二 / 8 ) 内 均匀 分布。 仿真结果如下:以信号的星座图来表示，因为由信号的星座图可以识别信 号的调制方式，这是基于星座图清晰的情况下，如果不同步可以看到星座图是 旋转的， 不进行同步，解调的错误概率肯定是比较大的. 一 二屯 生一 护 食 们翻朋:. a 峨波频率 同步，相位不同步b 载波频率和相位都同步 月 .4 二. 王口压二.司.嗯 。 暇波犯率相位部不同步d 艘波颇率相位不同步且符号不同步 图2 . 8不同步信号的星座图表示 图2 .8 中横坐标和纵坐标是归一化信号的幅度。 第2 章 数字接收机中同步技术基础 2 . 3 . 2同步f要性的误码率仿宾实验 问 题的提出: 通过对离散数字通信系统的蒙特卡罗仿真，从接收端解调误 码率的角度验证载波和符号不同步对系统的影响。 实验参数与假设， 当 有相位偏差和符号偏差时， 对s p s k进行蒙特卡罗仿真， 得到有偏差与实际的误码率比较，如图2 .9 所示。 ， 白 ， 叮二 仁一 一 一 一- 一 _ _ 一 一 一 _ _ 户m g 曰er est i m et s th.口n缺1 。一 曰er -一一一i-别 臼 ，份- - 奋 曲 。.产11 一 ，1f-r。， 圣- - . i 1 “ - - 一 帕:曰，. 1-冲:山j: - 一 一 - - 一 甘 卜 一 行 - - - 一 一卜 - - - - 一 十 一; 一 十 - - - 一 份 - - - - 一 砚 . 勺 卜 7 0 i . 0万1 0 i s 2 0之吞 相 4 2砚 住( 度 ) /p1- en o r s t d . d o v . ( do g r e s s ) 翻o 几 不同 相位误差对系统误码率的影响 二 0 藕 11一 :;，一 ，实 卜 f i 码 翻 匹 理 论 误 石 枯率 _ _ _ _ 一 - - 一 ， 一 l一 l一 !l i!一 _ . . .一 .一 汀一 l _ _ _ _ 一_ _ _ _ _ _ _ 扛 一_一 i _ _ _ -卜 _ _ - 一_ 一 ll !l ll l月 翻 一: 一 一 _ _ _ 一 卜 闷 卜 l! 一 : 一_ _ _ _ _ ， 勺 叫 *一 ; - - 一 1 卜一 . - - - 一 .一 .l .! .l一一一一 一 一 ! 一一一一r- 一， !件 !巨 1【 压1“ 全1 一: 一 _ 一 _一_一 r - - - 一 .l 二 . l， ，一_一 c一一_曰 .遥口臼砚:分口 符 号 同 步 误 差 的 标 准 差_ c r l b ( 0 ) _ m c r l b ( 0 ) ( 2 .2 5 ) 成立;并且相位、频率和定时估计的mc r l b为: ( 2 . 2 6 ) + c o ) c i c o 这 里 ， s (t) 表 示 传 输 脉 冲 : (t ) 的 二 次 导 数 ， 其 中 ， g (t ) 一 c h (m )h (t 十 。 ” 。 第2 章 数字接收机中同步技术基础 2 . 4 ) 不同符号长度的同步参效m c r l b 仿宾实验 问题的提出: 对2 .4 .2 节讨论的相位、 频率和定时估计的m c r l b 进行仿真， 为后面更好地比较开环同步算法的性能作比较。 仿真结果，分别给出了l=5 0 , 2 0 0 , 5 0 0 各同步参 数的m c r l b 仿真图。 相 位 估 计 的mc r l b 一l 二5 0 _._户 . 矛 口 一l二 z uu 一l =5 0 0 oo丫rr了r i 2 0 3 0 4 0 5 0 s n p / 信 噪 比 a相位估计的m c r l b曲 线 符号定时估计的mc r l b 日0 70 .仁史rlf卜.lo ro- or 1 e lo 1 0 203 0叨 s n r / 信 噪 比 b符号定时估计的m c r l b曲 线 ( 升余弦滚将系数0 . 5 ) 第2 章 数字接收机中同步技术基础 1 0 0 频 偏估计 的mc r l b l =5 0 l =2 00 l-5 00 o-;r or 口砂巴呈 s n r / 信噪 比 c频偏估计的m c r l b曲线 田2 . ，相位、 频率和定时估计的m c r l b限 结论:随着接收数据的增多，估计结果的均方误差可达到的理论下限也就 越小，只要同步算法选择适当，就可以获得满意的同步效果。 2 . 5本章小结 本章主要研究了同步算法之前必须解决的基础理论问 题，重点研究了同步仿 真系统信号产生的数学模型， 这是很多研究者忽视了的重要问题，往往得不到同 步算法满意的结果， 主要是信号模型就没有生成好， 接着研究了 项目 的整体框架， 同时也对同步性能不理想造成系统误码率的情况进行了 仿真， 最后深入研究了同 步参数估计中的评价问题。对相位、频率和定时估计的m c r i l限进行了仿真。 这些研究为后面更好 地研究具体的同 步算法起到了 一个很好的基础作用。 第3 章 载波同步算法研究 第3 章 载波同步算法研究 本章主要在研究项目的基础上对数字通信系统中载波同步方法进行研究， 先研究传统的利用锁相环闭环同步方法，为更好的对比和引出数字接收机中开 环载波同步算法，开环同步算法的研究是本章的重点内容之一。更重要的是， 在总结前人研究成果的基础上，为了解决最大似然估计算法的非线性最优化问 题， 提出了一种自 适应步长搜索的载波同步算法， 以8 p s k调制信号仿真了算法 的性能，表明该算法具