（信息与通信工程专业论文）高速数传系统中匹配滤波及定时同步算法改进及实现研究.pdf

国防科学技术火学研究生院1 ：学硕十学位论文 摘要 随着人们获取信息手段的同益复杂，所关注的信息也越来越多，信息膨胀已 成为信息社会发展的一个重要特征，因此对信息传输速率的要求也越来越高。从 以往的几十m b p s 、几百m b p s ，直至目前的上g b p s 的数据传输系统也已得到研究 和应用。各种侦察卫星、资源探测卫星、预警机、高空侦察机、登月计划等等都 迫切需要更高速率的数传系统来传输和获取海量信息。 本文论述的是高速数传系统中匹配滤波及定时同步算法的改进与实现。首先， 针对教研室前期项目( ( 8 0 0 m b p s 速率高速数传接收机中匹配滤波及定时同步模 块提出了具体改进思路，分别对匹配滤波、定时同步及调制方式分析利弊，提出 了改进方案；其次，在对现有f p g a 器件的数据处理速度进行分析之后，利用并 行思想，完成了时域匹配滤波器的设计；然后，作为对全数字处理方式的一种探 索，在第四章围绕1 6 q a m 调制提出采用g a r d n e r 定时估计算法与内插滤波法进行 定时同步，针对算法的原理与特性设计了具体实现方法并进行了m a t l a b 仿真； 最后，经过精心分析与设计，在f p g a 上实现了速率为1 2 g b p s 的时域匹配滤波模 块和定时同步模块。 主题词：高速数传定时同步 1 6 q a mf p g a1 2 g b p s内插法g a r d n e r 定时估计算法 第i 页 国防科学技术大学研究生院f 学硕十学伉论文 a b s t r a c t n o w a d a y sm o r ea n dm o r ei n f o r m a t i o ni sa t t r a c t i n g0 1 1 1 7a t t e n t i o na st h em e t h o d s t o a c q u i r ei n f o r m a t i o nb e c o m em o r ec o m p l i c a t e d ，a n di n f o r m a t i o ne x p a n s i o nh a sb e c o m e as i g n i f i c a n tc h a r a c t e r i s t i co ft h ed e v e l o p m e n to ft h ei n f o r m a t i o ns o c i e t y a n dw ed e s i r e t h ei n f o r m a t i o nr a t eh i g h e ra n dh i g h e rf r o my e s t e r d a y st e n so fm b p s ，h u n d r e d so f m b p st ot o d a y su pt og b p s h i 曲d a t ar a t es y s t e mt ot r a n s m i ta n da c q u i r el a r g e i n f o r m a t i o ni su r g e n t l yn e e d e di nm a n ya p p l i c a t i o n ss u c ha ss p y - s a t e l l i t e ，r e s o u r c e e x p l o r a t i o ns a t e l l i t e ，a l a r mp l a n e ，s c o u to nu p p e ra i r ，l a n d i n go nm o o n a n ds oo n t h i sp a p e rd e a l sw i t ht h ei m p r o v e m e n ta n di m p l e m e n t a t i o no ft h em a t c h e df i l t e r a n dt i m i n gs y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h mi nh i 醇d a t ar a t es y s t e m s f i r s t l yam e t h o di s p r e s e n t e d t oi m p r o v et h et i m i n gs y n c h r o n i z a t i o nm o d u l ei nt h ep r o g r a m a n dt h er e l e v a n tk n o w l e d g es u c ha s t h et h e o r yo fm o d u l a t i o n ， m a t c h e df i l t e ra n dt i m i n gs y n c h r o n i z a t i o na l ei n t r o d u c e d ；s e c o n d l yt h i sp a p e rd e s i g n s a nm a t c h e df i l t e ri nt i m ed o m a i nw i t ht h ei d e ao f p a r a l l e lo p e r a t i o n ；t h i r d l yi nt h ef o r t h c h a p t e r ，a sad i s c u s so fa l ld i g i t a lm e t h o d ，16 q a mm o d u l a t i o ni sm a d ea sa ne x a m p l e a n dt h i sp a p e rd e s i g n st h es t r u c t u r eo ft i m i n gs y n c h r o n i z a t i o nm o d u l e ，w h i c hc o n s i s t so f g a r d n e rt i m i n ga l g o r i t h ma n dt h ei n t e r p o l a t i o nf i l t e r ，a n a l y z e st h et h e o r ya n dt h e c h a r a c t e r i s t i co ft h ea l g o r i t h ma n da l s op e r f o r m sm a t l a bs i m u l a t i o n s ；f i n a l l yt h i sp a p e r i m p l e m e n t so nf p g at h et i m i n gs y n c h r o n i z a ! i o nm o d u l ew i t hc a r e f u ld e s i g n ，w h o s e s p e e di su pt o1 2 g b p s k e yw o r d s ：h i g h r a t e d a t at r a n s m i s s i o n ，t i m i n gs y n c h r o n i z a t i o n ， 16 q a m ，f p g a ，1 。2 g b p s ，i n t e r p o l a t i o nf i l t e r ，g a r d n e rt i m i n ge s t i m a t ea l g o r i t h m _ _ _ - _ _ _ i _ _ _ - _ _ _ _ _ - _ - _ _ - _ _ i - _ _ _ - _ _ - _ _ i _ _ - - i - _ _ l _ - 一- - _ _ _ - _ - _ - _ - _ 。_ _ i _ _ - _ _ i _ _ _ _ - l - _ - _ _ l - _ _ - - - 一 第i i 页 国防科学技术人学研究生院工学硕十学位论文 表目录 表4 1 立方插值滤波器的f a r r o w 系数2 9 表5 1 i s e 设计工具表3 5 表5 2 d s p 4 8 模式设置3 8 表5 3 频域匹配滤波中芯片资源占用情况4 l 表5 4 时域匹配滤波中芯片资源占用情况4 1 第1 i i 页 国防科学技术大学研究生院工学硕十学位论文 图目录 图2 18 0 0 m b p s 高速数传接收机系统实现框图4 图2 28 0 0 m b p s 高速数传接收机所采用频域匹配滤波框图5 图2 3f i r 滤波器的一般结构5 图2 4 1 6 p s k 和1 6 q a m 的星座图6 图2 5m q a m 星座图7 图2 6 包络平方定时误差估计方框图8 图2 7 定时相位误差估计的高速数据并行结构算法9 图2 8g a r d n e r 算法与内插法实现定时同步结构框图9 图2 9q a m 调制原理图l l 图2 1 01 6 q a m 矩形信号星座图1 2 图2 1 1q a m 信号解调原理图1 2 图2 1 21 6 q a m 误码率曲线图1 4 图2 1 3 加入高斯白噪声前后1 6 q a m 星座图1 4 图3 1匹配滤波器时域冲激响应1 7 图3 2 匹配滤波器的频域特性1 7 图3 3a d c 模块与时域匹配滤波模块连接框图1 8 图3 4 时域高速匹配滤波并行结构框图1 8 图3 5 两路并行结构实现f i r 滤波1 9 图3 6 四路并行结构实现f i r 滤波2 0 图4 1m a t l a b 仿真结构2 l 图4 2 基于数据调整的同步框图2 2 图4 3g a r d n e r 算法原理简图2 2 图4 4t e d 实现图2 3 图4 5 q p s k 与q a m 定时恢复波形2 4 图4 6 定时误差提取模块2 4 图4 7 定时误差估计值与真实时偏值关系图2 5 图4 8 估计值与真实时偏值关系仿真图2 6 图4 9 带连续时间滤波器的速率转换器( 即内插原理) 2 6 图4 1 0 抽样和内插时问示意图2 7 图4 1 1f a r r o w 结构图2 9 图4 1 2 环路滤波器与数控振荡器的连接关系3 0 图4 1 3 环路滤波器3 0 第1 v 页 国防科学技术人学研究生院丁= 学硕十学位论文 图4 1 4 数控振荡器3 0 图4 1 5 数控振荡器计算示意图3 1 图4 1 6 小数部分u 3 l 图4 17 仿真流程图3 2 图4 18 误码率3 2 图4 1 9 不同时偏时误码率3 3 图4 2 0 定时同步前后星座图比较3 3 图5 1x c 4 v l x l 0 0 的器件图3 6 图5 2f p g a 实现实物图3 7 图5 3 四抽头f i r 滤波器结构、3 7 图5 4d s p 4 8s l i c e 内部结构3 8 图5 5 d s p 4 8 构成f i r 滤波器3 8 图5 6 匹配滤波器实现框图3 9 图5 7f p g a 中位置约束图3 9 图5 8m a t l a b 中滤波器冲激响应h ( n ) 和滤波器输出4 0 图5 9 布线后仿真图4 0 图5 1 0 定时同步模块总体结构4 1 图5 1li s e 仿真中量化结构4 2 图5 1 2 量化前后仿真误码率4 2 图5 1 3f a r r o w 结构拆分框图4 3 图5 1 4f a r r o w 结构拆分得到4 抽头滤波器4 3 图5 1 5f a r r o w 结构拆分出四抽头滤波器的实现结构4 4 图5 1 6 内插滤波器模块仿真结果4 4 图5 1 7 定时误差估计模块实现结构4 5 图5 1 8n c o 模块仿真结果4 5 图5 1 9 定时同步模块整体实现结构4 6 图5 2 0 定时同步前后星座图比较4 6 第v 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教 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 学位论文题目：直逮数笾丞统主塞吐固生篡洼邀进区塞垫亟蕉 学位论文作者鲐垃l 魄埘年，月卜日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权国 防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文 档，允许论文被查阅和借阅；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。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文作者签名：聿玉鱼l 作者指导教师签名： 日，期：沙7 年f 月j 、日 日期：- ff 年f f 月罗日 国防科学技术人学研究生院亡学硕十学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究背景 随着信息时代的到来，信息和数字技术飞跃发展，人们获取信息的手段r 益 复杂，所关注的信息也越来越多，信息膨胀己成为信息社会发展的一个重要特征， 因此对信息传输速率的要求也越来越高。目前，国际上遥感卫星的平台和传感器 已从过去的单一型向多样化发展，其分辨率得到了显著提高，使得目前遥感卫星 对数据传输的速率需求也从以往的几十m b p s 向几百甚至1 0 b p s 的方向发展。此外， 在各种有海量数据传输的星间或星地通信环境中，如星载s a r 、数据中继卫星、 对地探测卫星以及军事侦察卫星等都面临大量图像数据和其他海量数据的传输问 题，信息速率高达1 g b p s 以上的高速数传系统成为解决上述数据传输问题的关键。 从军事发展来看，未来高技术战争形势瞬息万变，要想取得战争的主动权就 必须要做到快速反应，这在很大程度上取决于信息的获取和通信的质量。因此， 为了保证打得赢未来战争，就必须构架一个能够完成高速率数据传输的的可靠的 通信系统。 目前高速数传的调制方式仍然以m p s k 为主，如q p s k 、8 p s k 等。这是由于 p s k 调制方式实现起来较为简单、成熟，特别是其低信噪比条件下出色的解调能 力，适于卫星信道传输。一般建议在几百m b p s 的数传系统中，窄带调制和宽带调 制均采用p s k 调制方式。但随着数传速率的进一步提高，空间信道频谱资源的日 趋紧张，使用p s k 调制所带来的带宽激增，传输效率低下等问题也日益突出，因 此更高进制的调制体制以及混合调制体制被使用到高速数传上来，如m q a m 等。 定时同步是数字通信中的关键技术。当定时同步信号本身有抖动、错位或者 是抖动沿线累积就会直接降低通信设备的抗干扰性能而增加误码甚至发生传输中 断。因此恢复好定时信号不仅对传输设备本身而且对整个系统、线路与网路均有 至关重要的意义。 1 2 国内外研究现状 国外在高速数传系统方面研究已经取得了一些成就，上世纪末就开展了上 g b p s 高速数传系统的研制，美国、日本、法国、澳大利亚等在这方面研究比较先 进。在国外，已经有1 1 0 b p s 、1 2 g b p s 的调制解调器产品问世，甚至1 7 g b p s 的 调制解调器也已经开始生产。 在国内，“8 6 3 ”、武器装备预研基金等已设立了专门的课题，资助开展1 2 0 b p s 第1 页 国防科学技术人学研究生院工学硕士学位论文 高速数传系统的研究，但主要停留在方案论证以及关键技术研究上。对于工程化 的高速数传系统而言，我国第一代中继卫星高速数传系统采用q p s k 调制方式， 信息速率仅为1 5 0 m b p s ，远远不能满足现有各用户的需求。第二代数字中继卫星 计划将速率提高到了3 0 0 m b p s ，然而这仍然达不到用户的需要。此外，相比国外 而言，我国高速数传系统研制面临高速器件缺乏等一系列基础问题，使得实现上 g b p s 的高速数传系统面临更大的困难。因此，进行高速数传系统及其工程化关键 技术研究就显得尤其迫切。 高速数据传输的关键技术是符号定时和载波同步，许多人对此进行了大量的 研究，提出了很多算法和实现方案。具有代表性的有：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狗：号定时误差估计作了详细的探讨，并提出了一种基于 最大似然参数估计的符号定时误差估计算法；1 9 8 3 年，a j v i t e r b i 和a m v i 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p s k 中频信号中提取载波：1 9 8 5 年新加坡学者p y k a m 在假定采样 时钟无偏差且信噪比足够高的情况下提出了数据辅助( d a ) 的载波相位估计算法， 该算法无需载波环路和压控振荡器巴( v c o ) ：1 9 8 7 年德国学者m o e r d e r 和h m e y r 对于带限信号在采样时钟振荡于固定频率的情况下，利用数字滤波和平方律检波 的方法给出了一种时钟延时误差的估计算法，该万法与载波相位无关：1 9 8 5 年德 国学者g a s c h e i d ，m o e l d e r 等利用极大似然准则和并行处理算法从系统的角度给 出了一种高数据率的带限传输全数字接收机的设计方案；1 9 9 3 年f m g a r d o r ， l e r u p ，r a h a r r i s 等对全数字接收机的插值算法作了详尽的分析，并给出几种插 值器的参数。上世纪9 0 年代初开始，国内学者开始对全数字接收机的算法进行了 广泛研究。1 9 9 2 年居红兵等对网格编码即s k 的同步算法进行了研究；1 9 9 6 年樊 平毅和冯重熙提出了f i r 结构的插值滤波器的设计及其优化设汁方法；1 9 9 8 年郑 大春、项海格提出了一种最大平均功率定时同步算法；2 0 0 0 年，周德锁、田红心 通过估计一个新序列的周期来估计载波频偏的大频偏校正方法。各种解调算法的 不断提出与完善促进了全数字接收机技术的发展，为将来实现更高速率数据传输 提供了理论基础。 1 3 本文内容和结构 本文的目的是尝试教研室前期项目( ( 8 0 0 m b p s 速率高速数传接收机中匹配 滤波和定时同步模块进行改进，争取使数据速率达到1 2 g b p s 。改进主要是在以下 三个方面进行了尝试：用时域匹配滤波模块取代频域匹配滤波；用1 6 q a m 取代 8 p s k 调制解调体制；用内插滤波法加g a r d n e r 定时估计算法取代包络平方法。 第2 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 本文章节结构安排如下： 第一章是绪论，介绍了课题研究背景和国内外在该领域的研究现状，并简单 介绍了本文的主要工作。 第二章分别对匹配滤波、定时同步及调制方式三部分内容进行分析，通过对 比，确定了改进思路并介绍了相关基础理论。 第三章时域匹配滤波器的高速实现，经过认真分析，通过并行处理完成了时 域匹配滤波器的具体设计。 第四章定时同步分析与设计，结合1 6 q a m 调制技术提出了定时同步的整体结 构，分析了定时估计算法与定时误差纠正算法的原理与特性，进行了m a t l a b 仿 真。 第五章f p g a 实现，在第三章、第四章分析与设计的基础上，对匹配滤波和 定时同步模块进行了硬件仿真。 第3 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 第二章改进方案及相关基础理论介绍 2 1 改进方案 本文的目标是在8 0 0 m b p s 高速数传接收机的基础上实现12 g b p s 数传系统中 的匹配滤波与定时同步模块a 为了对8 0 0 m b p s 高速数传接收机的匹配滤波模块与 定时同步模块进行改进，这里先介绍其实现方案及工作原理。8 0 0 m b p s 高速数传 接收机的整体实现结构如图2i 所示： 一 忑磊i i 谳 一一 图2i 8 0 0 m b p s 高速数传接收机系统实现框图 从图2 1 中可阻看出，匹配滤波部分位于3 2 点d f t 与3 2 点f t 之间，即匹 配滤波是在频域进行的；定时同步模块包含两个环路，其中下面一条环路反馈调 整a d c 频率。从整体来看因为匹配滤波与定时校正都是在频域进行处理，数据 就必须经过d f t 和i d f t 的过程，结构就会复杂。本文准备提出以下改进：用时 域匹配滤波代替频域匹配滤波；用1 6 q a m 调制方式取代8 p s k ：用内插滤波法加 g a r d n e r 定时估计算法取代平方法。 211 时域匹配滤波代替频域匹配滤波 在8 0 0 m b p s 高速数传接收机中进行频域匹配滤波主要是基于以下两点考虑： l 、两个序列的时域卷积对应频域乘积，可以将卷积运算转化为乘积运算，乘 法相对容易实现。 2 、a d c 直接对符号速率为2 6 67 m s p s 的8 p s k 信号进行4 倍采样得到 1 0 6 7 g s p s 的采样信号，采样速率很高，在频域并行处理较容易。 而从图2i 及频域匹配滤波的原理可以知道，这种处理方法存在以下两点不 足： 1 、图21 清楚说明8 0 0 m b p s 高速数传接收机所采用的频域匹配滤波结构如图 第4 五 t#*#潆m蔓 ， o：僭型下黼 瓣 国防科学技术人学研究生院l ，学硕士学忙论文 2 2 所示： 斟磊i 斟面珥杠冷 幽22 $ 0 0 m b p s 高速数传接收机所采用频域匹配滤波框图 因为要变换到频域处理，多了d f t 与i d f t 模块，结构较复杂。 2 、虽然通过变换可以将卷积运算变为乘积运算但两个离散傅立叶变换的相 乘对应的是两个序列时域的循环卷积，而不是线性卷积。为了不产生混叠，就必 须对数据进行一定的处理，如分段等等，比较复杂。 鉴于以上分析，本文准备不进行d f t 与i d f r 变换，而是直接对采样数据进行 时域匹配滤波。而实现的难点就是在现有硬件的条件下如何保证达到1 0 6 7 g s p s 以 上的处理速度。 f i r 滤波器的数学表达式为： y ( n ) = ( ) z ( 一一 ) ( 21 ) 其对应的一般结构如图2 3 所示： i 抽) 一一一 b 州2 ) 札( n _ l 酗2 3f i r 滤波器的一般结构 为了达到l0 6 7 g s p s 以上的处理速度，必须采用并行处理思想。观察图23 ，输入 数据只是进行了延时和乘法两种运算，可以考虑栗用数学处理手段实现多路并行 输入、经一定的运算之后并行输出。具体分析与设计在第三章中介绍。 2 12 采用1 6 q a m 取代8 p s k 8 0 0 m b p s 速率高速数传接收机中采用的调制体制为8 p s k 调制。为了达到更高 的处理速度，有必要采用更高进制的调制体制。本文提出采用1 6 q a m 作为调制方 式。下面首先说明多进制调制的优越性，然后具体比较m p s k 与m q a m 的性能。 在现代通信中，提高频谱利用率一直是人们关注的焦点之一。近年来，随着 通信业务需求的迅速增长寻找频谱利用率高的数字调制方式己成为数字通信系 统设计、研究的主要目标之一。采用多进制调制就是一种提高频谱利用率的有效 方法。 在多进制数字调制中“”，在每个符号间隔内可能发送的符号有m 种： s ( f ) ，最( f ) r ( t ) 。在实际应用中，通常取m = 2 “，n 为大于1 的正整数。当携 第5 页 r 量i 一 一 _ d - k 卜 h 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 带信息的参数分别为载波的幅度、频率或相位时，可以有m 进制幅度键控( m a s k ) 、 m 进制频移键控( m f s k ) 或m 进制相移键控( m p s k ) 之分；也可以把其中的两个参 数组合起来调制，例如把幅度和相位组合起来得到m 迸制幅相键控( m a p k ) 或它 的特殊形式m 进制正交幅度调韦i ( m q a m ) 等。 与二进制数字调制系统相比，多进制数字调制具有以下特点【培1 ： 1 、在一个码元间隔内，二进制调制含有l b i t 信息，而m ( m 2 ) 进制调制含 有l o g ，mb i t 信息。因此在码元速率相同的条件下，m 进制可提高传信率，提高频 谱利用率，从而提高系统的有效性。 2 、在信息速率相同的条件下，可降低码元速率。此时m 进制码元宽度是二进 制的l o g ，m 倍，这样可增加每个码元能量，减小码元串扰的影响。 随着社会对信息传输需求的增长和现代技术的发展，多进制数字调制已经并 必将得到更广泛的应用。 单独使用幅度或相位携带信息时，不能最充分地利用信号平面，这可以由矢 量图中信号矢量端点的分布直观地观察到。m a s k 时矢量端点在一条轴上分布， m p s k 时矢量端点在一个圆上分布。随着m 增大，这些矢量端点之间的最小距离 也随之减小。但如果充分地利用整个平面，将矢量端点重新合理地分布，则有可 能在不减少最小距离的情况下增加信号矢量自勺端点数目。基于上述概念可以引出 幅度与相位相结合的调制方式。 通常，把信号矢量端点的分布图称为星座图。以1 6 迸制调制为例，采用1 6 p s k 时，其星座图如图2 4 ( a ) 所示。若采用幅度与相位相结合的有1 6 个信号点的调制， 一种可能的的星座图如图z 4 ( b ) 所示，称为正交幅度调制，记作1 6 q a m 。 (a)16psk(b)16qam 图2 41 6 p s k 和1 6 q a m 的星座图 目前，正交幅度调制正得到目益广泛的应用。它的星座图常为矩形或十字形， 如图2 5 所示。 第6 页 、0l：， ， ， 一 ， i。，i li!j；l，l 一 一 ， 一 h ， 一 - 、； ， 一 r r ， - | -， 国防科学技术大学研究生院： 学硕十学位论文 m = 2 5 6 一- - 一 一l m = 1 2 8 一一一 | ：m = 6 4 一t - m = 3 2 ；1 6 ， ；卜：m - 4 ；+ 。一? 十一一_ 二一1 一一- 一一一： + 争 1 争， 1 一 十 + 。一 中 。p 一一。 一一一一r 一一一一1 图2 5m q a m 星座图 其中m = 4 ，1 6 ，6 4 ，2 5 6 时，星座图为矩形，而m = 3 2 ，1 2 8 时则为十字形。前者m 为 2 的偶次方，即每个符号携带偶数个比特信息；后者为2 的奇次方，每个符号携带 奇数个比特信息。 假设己调信号的最大幅度为l ，不难算出m p s k 时星座图上信号点间的最小距 离为： 地；n 而在m q a m 中，若星座图为矩形，则最d , l g e n y 刁： rr d m q a m2 西q 2 2 而4 五2 这里，m = r ，l 为星座图上信号点在水平轴和垂直轴上投影的电平数。 ( 2 2 ) ( 2 3 ) i ：l d 式( 2 2 ) 及式( 2 3 ) g 矢n ，当m = 4 时，以燃= 吐刚埘。a g e 上，吐燃与以剑埘的 星座图相同。t _ an m 4 时，例如m = 1 6 ，则可算得4 6 蹦= 0 3 9 ，4 6 洲= 0 4 7 。 4 6 ( 删 d 1 6 燃，这说明1 6 q a m 的抗干扰能力优于1 6 p s k 。 当平均功率受限时，m q a m 的优点更为显著，因为m q a m 信号的峰值功率 与平均功率之比为： 第7 页 国防科学技术大学研究生院j 学硕士学位论文 七2 西r ( i 面- o - 故此时吨删又可加大为石倍。m = 1 6 时， d 1 6 删d 1 6 脒= 1 6 2 ( 2 4 ) k = 1 8 。d 1 6 洲= o 4 7 两= o 6 3 ， 通过以上分析可知，从信息传输速率上来说，多进制调制方式要优于二进制 调制方式；从码间距这个角度来说，m q a m 要优于m p s k 。在8 0 0 m b p s 速率高速 数传接收机中，调制方式为8 p s k 。在1 2 g b p s 数传系统中，如果采用8 p s k ，符 号速率将达到4 0 0 m s p s ：如果采用1 6 q a m ，符号速率为3 0 0 m b p s 。而且q a m 调 制已经是一种成熟的技术，实现起来比较容易。为了设计更高速率的数传系统， 在本文中选用1 6 q a m 作为调制方式。 2 1 3 采用内插法加g a r d n e r 定时估计算法取代包络平方法 在8 0 0 m b p s 速率高速数传接收机中定时同步模块采用的是包络平方定时恢复 算法【1 9 1 。这种算法是一种频域实现的提取定时误差信号算法。算法框图如图2 6 所示： 三野 图2 6 包络平方定时误苇估计方挺绺 包络平方定时恢复算法先对输入复包络信号取平方( 即非线性变换处理) ， 然后通过d f t 变换，提取符号周期的频率谱线，再统计地估计出其频谱矢量的相 位。对匹配滤波后的信号以采样速率z = 4 t ( 即每符4 倍采样) 进行采样，并计 算其包络平方，得到的序列为： i 1 1 x k = 盯= l a g ( k t 4 ，l r 一订) + 以( k t 4 ) i ( 2 5 ) i = 部i 这罩为发送的复值序列，g p ) 为系统脉_ 串响应，歹为符号周期，丁为采样时阋 误差，n ( k t 4 ) 为双边功率谱密度为0 2 的高斯白噪声。 设l 符号分为一段。则通过离散傅里时变换( d f t ) 可锝到其第m 段序列的 在符号速率频谱线上的频谱分量为： ( 册+ i l l i 疋= 。磊乎叫h ( 2 ，6 ) t = 虏 ， 可以证明此频谱分量的归一化相位角： l 己= 一去a r g ( 以) ( 2 7 ) 第客页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 在具体实现中，包络平方定时相位误差估计的高速数据并行结构算法方框图如图 2 7 所示： 并行 i m 1 褊l 厂1 蓑i 矗述 包络 刨b 到 o f t a r g 【l 2 u “，j l k 1 1 2 方 一愿卜网一 - 采样 图2 7 定时相位误差估计的高速数据并行结构算法 实际程序中，定时估计包含两个环路：直接频率调整环路和相位调整环路。 工作之初，使用直接频率调整坏路，通过定时相差估计换算为频率偏差，而后直 接调整a d c 频率。待频差调整小于一个固定频偏范围时，关闭直接频率调整环路， 开启相位调整环路。此时，信号会在频域进行相位偏差的旋转调整，同时根据旋 转的残差去反馈调整频率。可以看出，这种方法还是通过反馈对采样时钟进行了 调整，没有完全脱离传统模拟接收机。 本文提出采用g a r d n e r 算法与内插滤波法来实现定时误差估计与定时误差校 正。算法实现结构如图2 8 所示： 篙上一t j - j 一：二二上矗湮而z 广王一一黧 “w 协 ?f 锻羁 ii 检测器i o j 。一：一一 嚣眷2 船ji 控制器l 琶要鎏o 一j 一一j 1 一恹衔- 一 幽2 8g a r d n e r 算法与内插法实现定时同步结构框图 图中z 为采样周期，z 为内插器输出信号周期。 这种实现方法与平方法最大的区别在于估计出定时误差后，直接对采样数据 进行内插，不调整采样时钟，即采样时钟是完全独立的。这种完全采用数字方式 的定时同步算法将会是未来全数字接收机普遍采用的方法。全数字接收机理论指 出( i9 1 ，全数字接收机与传统模拟接收系统非常明显的一个区别就在于定时同步模 块。现有的接收机定时同步有三种基本方式：模拟方式、混合方式和数字方式， 在传统的数字通信系统接收机中定时同步和最佳判决时刻是通过模拟锁相环调整 取得。全数字接收机一般采用数字方式，其采样时钟是独立于发送符号时钟的。 它大大简化了定时恢复系统的结构，并且数字定时恢复系统的工作非常稳定，而 且其硬件平台可以是通用，采用不同的定时恢复方案只需要更改相应的软件算法。 而本文所采用的g a r d n e r 算法与内插滤波法就属于完全数字方式的定时同步算法。 经过比较，本文所采用的算法与平方法相比有以下优点： 1 、8 0 0 m b p s 速率高速数传接收机中定时同步模块所采用的平方法属于模拟与 第9 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 数字的混合方式，需要调整采样时钟；g a r d n e r 算法与内插滤波法直接对采样数据 进行内插，不调整采样时钟，结构简单，代表了未来数字通信的一个重要方向。 2 、从图2 4 所示结构可见，平方法需要经过d f t 将数据交换到频域之后，进 行处理得到定时误差值，结构较复杂：g a r d n e r 算法与内插滤波法直接在时域进行 处理，相对简单。 3 、平方法需要对一段数据进行累积，有足够长的数据后才能进行运算得到定 时误差值；g a r d n e r 定时误差估计算法对每个码元进行一次运算，得到一个估计值， 不需要累积，且运算简单。 综上所述，本文采用的g a r d n e r 算法与内插滤波法较包络平方法有定优势， 在后面章节将通过仿真进一步给予证明。 2 2 q a m 调制解调技术 由于本文将选取1 6 q a m 作为调制方式，将会在1 6 q a m 的基础上研究定时同 步算法并进行性能仿真，因此必须搭建一个完整的1 6 q a m 调制解调系统，在此有 必要简单介绍一下q a m 调制的原理及特性。 q a m 调制1 3 1 l 是一种高效的调制方式具有很高的频谱利用效率，实现起来也 比较方便，在各种通信系统中有着广泛的应用，是数字微波通信、卫星通信、有 线电视网数字视频广播等的主要调制方式，在短波电台、传呼机、对讲机中也有 定的应用。 2 1 2 1q a m 调制原理 q a m 正交幅度调制是用两路独立的信号分别去调制同相与正交两个载波， q a n 已调信号可以表示为： & ( f ) = 足【( + 儿) g ( r ) 一2 卿】， ( m = 1 ，2 ，m ，0 t r ) ( 2 8 1 = a 。g ( t ) c o s ( 2 z c f t ) - a g ( t ) s i n ( 2 r c f d ) 、 这里，以。和如是承载信息的载波的信号幅度。g ( f ) 是信号脉冲。 用另一种方法可将q a m 信号波形表示为： j ，( ，) = r ，【e p g ( t ) e h ，f ，】 门q 、 = a 。g ( f ) c o s ( 2 x 九r ) 一a 。g ( f ) s i n ( 2 x 丘f ) 、 。 式中圪= 如2 + 以，2 ，允t a n - 1 ( 以，仅) 。该表达式表明q a m 信号波形可以看 作幅度和相位联合调制。 q a m 信号调制原理如图2 9 所示。 第j o 页 国防科学技术大学研究生院： 学硕十学位论文 图2 9q a m 调制原理图 图2 9 中，输入的二进制序列经过串并变换器输出速率减半的两路并行序列， 再分别经过2 电平到l 电平的变换，形成l 电平的基带信号。为了抑制己调信号 的带外辐射，该l 电平的基带信号还要经过预调制低通滤波器，形成x ( t ) 和y ( d ， 再分别与同相载波和正交载波相乘。最后将两路信号相加可得到q a m 调制信号。 2 2 2q a m 调制性能 q a m 信号的波形可以表示成两个标准正交信号波形f 1 ( t ) 和f 2 ( t ) 的线性组 合，即： & ( f ) = ( t ) f ( t ) + s m ：( t ) f 2 ( t ) ( 2 1 0 ) 式中 胁- gg ( t ) c o s ( 2 删棚归一居( t ) s i n a ( 2 r r 且 s 。( f ) = 【s ，is 。2 】 ，刊。万压】 q 1u 式中，安是信号脉冲g ( t ) 的能量。 任意一对向量之间的欧式距离是： d 扣。i 。= l l s - s i i 。：历巧而 q _ 2 在特殊情况下，即信号幅度取一组离散值 ( 2 扰一1 - m ) d ，所= 1 ，2 ，m ) ，信号 星座图是矩形的。在这种情况下，相邻两点间的欧氏距离即最小距离为： d m i l l = d 瓜 ( 2 1 3 ) 为了求q a m 的错误概率，必须详细说明信号点星座图，图2 1 0 是1 6 q a m 的一个 矩形信号点星座图： 第1 1 页 国防科学技术大学研究生院- 【学硕十学位论文 ( 翕) ( - 暴)( $ )( 暴) ( 1 ) ( 暑) ( 1 ，1 )( 3 ，1 ) ( 睾1 ) ( 0 1 )( i i ) ( 暴) ( j ! 1 3 ) ( - 巴)f 岛) ( 暴) 图2 1 01 6 q a m 矩形信号星厣图 因为错误概率的一个重要影响因素是信号之间的最小距离，对信号星座图施 加条件。= 2 a ，并根据所有点是等概的前提条件来计算平均发送功率，有： 名= 去m m = l 2 + 厶2 ) 。寺善( a 一2 + a 一2 ) ( 2 1 4 ) 式中，m 是q a m 星座图的点数，( ，) 是由a 归一化的信号点座标。 2 2 3q a m 解调原理 解调实质上是调制的逆过程，在理想情况下，m q a m 信号的频带利用率为 l o g ，m ( b s n z ) ，当收发基带滤波器合成响应为滚降因子a 的升余弦滚降滤波器 时，m q a m 信号的频带利用率为l o g ，m ( 1 + a ) ( b s h z ) 。目前，对q a m 信号的 解调方法很多，其主要方法有以下三种：模拟相干解调、数字相干解调、全数字 解调。本文采用相干解调方法对q a m 进行解调。 m q a m 信号可以采用相干解调方法，其解调原理如图2 1 l 所示。 图2 1 1q a m 信号解调原理图 在接收端接收到的己调信号分别和两路相互正交的载波信号相乘，化简之后 同相信号的表达式为： ，0 ) = y ( t ) c o s q f = ( a