（信号与信息处理专业论文）wimax中符号同步技术的研究.pdf

摘要 摘要 近年来。无线通信领域发展非常迅速，各种新技术层出不穷，无线通信正向更高速率、更大 的覆盖范围、更好的移动性能方向发展，各种产业联盟及标准也相应推出w i m a x 作为宽带无 线接入产业联盟推出基于i e e e s 0 2 1 6 系列标准的无线城域网技术。它的出现正好满足了人们对于 无线 n t e m e t 的需要。是“最后一公里”接入的解决方案之一。 w i m a x 技术基于i e e e 8 0 2 1 6 系列标准包括8 0 2 1 6 、8 0 2 1 6 a 、8 0 2 1 6 c 、8 0 2 1 6 d 、8 0 2 1 6 e 、 8 0 2 1 6 f 和8 0 2 1 6 9 共七个。按照固定和移动两种接入方式包含i e e e 8 0 2 1 6 d 和i e e e s 0 2 1 6 e 两大 标准，i e e e 8 0 2 1 6 d 支持固定宽带无线接入，i e e e 8 0 2 1 6 e 支持移动宽带无线接，ki e e e 8 0 2 1 6 d 物理层分成五种结构：单载波( s c ) 、单载波增强( s c a ) 、多载波( o f d m2 5 6 ) 和多载波( o f d m a 2 0 4 8 ) 和w i r e l e s s h u m a n 。 本文主要研究了i e e e8 0 2 1 6 d 协议规范中单载波( s c ) 和多载波( o f d m2 5 6 ) 两种典型物 理层中的符号同步技术及适用方案。其中单载波调制是目前无线宽带接入的主要调制方式，而 o f d m + 交织和编码也开始走向应用 对于单载波( s c ) 符号同步，本文主要对数字滤波和平方的符号同步检测算法进行了研究， 理论和计算机仿真说明了该估计偏差是无偏的且不受载波频偏影响。以此算法为基础，结合 e m g a r d n e r 提出的插值滤波器构成全数字锁相环路，对环路的各个模块进行了较详细描述和仿 真。结果表明存在最大采样时钟偏差时：在4 - o a m 时该环路性能接近系统理想无采样偏差误码率， 1 6 q a m 和6 4 0 a m 时与理想无采样偏差误码率下降不超过l d b 对于多载波( o f d m2 5 6 ) 符号同步，在时域帧捕获阶段，针对s c h m i d l & c o xi 和i i 算法存 在峰值平台而导致定时不准确，在长前导时结合载波粗同步由自相关估计算法来精确符号定时， 短前导时m i n na 方法也可得到明显的定时峰值。在频域，基于提取的已知导频，本文推导了不 同导频位置的逆矩阵求时域信道响应进而搜索到功率最强路径，最后由延迟锁定环路纠正剩余的 采样时钟偏差。 本文针对单载波和多载波物理层的符号同步方案。都包含了先捕获( 粗同步) 后跟踪( 细同 步) 的完整步骤，并按照实际系统流程搭建仿真平台，仿真结果证明了两套方案都可以纠正采样 时钟相位偏差和协议规定最大时钟频率偏差( 8 0 p p m ) 且不同于以往调整采样时钟的模拟或数模 混合电路，本论文方案由固定频率时钟采样，整个方案可由全数字电路实现，结构简单，可集成 度高，适合现代数字信号处理 关键词：w i m a x ，1 e e e 8 0 2 1 6 d ，最大似然准则，数字滤波和平方符号同步算法，插值滤波器 路径时延估计，延迟锁定环路 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t g q r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sd e v e l o p m e n ti su n d e r g o i n gr a p i d l yi nr e c e n ty e a r s ，w i t hn e w t e c h n o l o g ye m e r g i n go n ea f t e ra n o t h e r 1 1 1 ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sa r ee v o l v i n gt o w a r d sh i g l l e r s p e e dr a t e ，b i g g e rc o v e rs c o p e ，a n db e t t e rm o b i l i t y v a r i o u si n d u s t r i a la l l i a n c e sa n ds t a n d a r d sa l s o c o r r e s p o n d i n g l yg o tp r o m o t e d a s a l la l l i a n c eo ft h ei n d u s t r i a lb r o a d b a n dw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n s ，w i m a x p r o p o s e d t h e w i r e l e s s m e t r o p o l i t a n a r e a n e t w o r k t e c h n o i o g y b a s e d o r t h ei e e e 8 0 2 1 6s t a n d a r ds e r i e s i t sa p p e a r a n c eh a p p e n st os a t i s f yt h en e e do f w i r e l e s si n t e r a c t i t i sa l s oo n eo f t h es o l u t i o n st ot h ea c c o s $ o f ”t h el a s tk i l o m e t e r ” i e e e 8 0 2 1 6s t a n d a r ds e r i e si n c l u d ea l t o g e t h e rs e v e ns t a n d a r d s ：8 0 2 1 6 ，8 0 2 1 6 a , 8 0 2 1 6 c ， 8 0 2 1 6 d ，8 0 2 1 6 e ，8 0 2 1 6 fa n d8 0 2 1 6 9 c o r r e s p o n d i n gt om o b i l i 可a n di m m o b i l i t y , w i m a x s u p ! o o 他i e e e 8 0 2 1 6 da n d1 e e e 8 0 2 1 6 et w os t a n d a r d s i e e e 8 0 2 1 6 ds u p p o r t st h ef i xb r o a d b a n d w i r e l e s sa c c e s sw h i t e e e e 8 0 2 。1 6 es u p p o r t sm o b i l eb r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s s t h el e e e 8 0 2 。1 6 d p h y s i c a ll a y e rc o n t a i n sf i v ek i n d so fs t r u c t u r e s ：s cp h ys c ap h y , o f d m2 5 6p h y ，o f d m a 2 0 4 8a n dw i r e l e s s h u m a n n i st h e s i sm a i n l ys t u d i e ds y m b o ls y n c h r o n i z a t i o nt e c h n o l o g ya n ds u i t a b l es c h e m e sf o rb o t h s i n g l e - c a r r i e r ( s c ) p h yl a y e ra n dt h em u l t ic a r r i e r s ( o f d m2 5 6 ) p h yl a y e ro f t h et w ot y p i c a l p h y s i c a ll a y e r si n i e e e 8 0 2 1 6 ds t a n d a r d s i n 窖l e - c a r r i e rm o d u l 鲥o ni st h em a l nm o d u l a t i o n t e c h n o l o g ya tp r e s e n t , b a to f d mp l u si n t e r l e a v i n ga n dc h a n n e lc o d i n ga l s os l a f tt oa p p l yn o w f o rs i n g l e - c a r d e r s ( s c ) s y m b o ls y n c h r o n i z a t i o n , d i g i m lf i l t e r i n ga n ds q u a r i n ga l g o r i t h ma r c m a i n l ys t u d i e da n da n a l y z e d t h e o r ya n ds i m u l a t i o ni n d i c a t et h a tt h ee s t i m a t e de r r o ri sn o n b i a s e d a n df r e ef r o mt h e e f f e c to ft h ec a r r i e ro r s e t b a s e do l lt h i sa l g o r i t h m ，c o m b i n e dw i t hc u b i c i n t e r p o l a t o ri n t r o d u c e db ye m g a r d n e r , ad i g i t a lp h a s e l o c kl o o pc a nb ec o n s t r u c t e d t h el o o pi s d i s c u s s e da n ds i m u l a t e di nd e t a i l s i m u l a t i o r si n d i c a r et h a tt h eb e rp e r f o r m a n c ei nt l l el o o pi s c l o s et 0t h a to f i d e a ls y s t e mw i t h o u ts a m p l i n go f f s e tf o r4 q a m f o rm u l t i - - e a s r i e r ( o f d m2 5 6 ) s y m b o ls y n c h r o n i z a t i o n ，i nf r a m ec a p t u r es t a g e ，a st h e s c h m i d l & c o xia n di ia l g o r i t h m sh a v ep e a l 【p l a t f o r mc a u s i n gu n c e r t a i n t yo ft i m i n gr e c o v e r y , a u t o e o r r e l a t i o na s s o c i a t e dw i t hc o a r s ec a r d e ro f f s e te s t i m a t ec a nb ee m p l o y e di na l l u s i o nt ol o n g p r e a m b l e w h e ni ne a s eo fs h o r tp r e a m b l e ，m i n nam e t h o dc a ng e tt h eo b v i o u sp e a k i nt h e f e q u e n c yd o m a i n , b a s e do nt h ee x t r a c t i o no fk n o w ni n s e r t i n gp i l o t s ，w ei n f e rt h ei n v e r s em a t r i x o fp i l o t si nd i f f e r e n tl o c a t i o n s ，a f t e r w a r dg e tt h ec h a n n e li m p u l s er e s p o u s e ，a n df u r t h e rf i n dt h e p o w e rs t r o n g e s tw a y a tl a s t , t h ed e l a yl o c k e dl o o pc a l lc o r r e c tt h el e rs a m p l i n gc l o c kd e v i a t i o n t h es i n g l e - c a r r i e ra n dm u l t i c a r r i e rs y m b o ls y n c h r o n i z a t i o ns c h e m e sm e n t i o n e da b o v e i n c l u d ef i r s tc a t c h i n g ( c o a r s es y n c h r o n o u s ) t h e nt r a c k i n g ( f i n es y n c h r o n o u s ) i n t e g r i t ys t e p s ，a n d t h es i m u l a t i o np l a t f o r mi sb u i l tu pi na c c o r d a n c ew i t ht h ea c t u a ls y s t e mf l o ws t r u c t u r e 1 1 1 e s i m u l a t i o nr e s u l t sp r o v et h a tt h et w os c h e m e sc a nc o r r e c tb o t hs a m p l i n gc l o c kp h a s ea n dl a r g e s t c l o c kf r e q u e n c yd e v i a t i o n ( 8 0 p p m ) s t a t e di n e e 8 0 2 1 6 d d i f f e r i n gf r o mp r e v i o u ss a m p l i n g c l o c ka d j u s t m e n ta n a l o go rm i x e dd i g i t a l - a n a l o gc i r c u i t s ，t h i st h e s i ss u g g e s t saf i x e df r e q u e n c y c l o c ks a m p l i n gs c h e m e ，w h i c hc a nb ei m p l e m e n t e db ya l l d i g i t a lc i r c u i t sw i t hs i m p l es t r u c t u r e ， h i g hi n t e g r a t i o n k e yw o r d ：w i m a x i e e 8 0 2 1 6 d , m a x i m u ml i k e h o o dc r i t e r i o n , d i g i t a lf i l t e r i n ga n ds q u a r i n g a l g o r i t h m ，i n t e r p o l a t o r , p a t ht i m ee s t i m a t i o n ，d e l a yl o c k e dl o o p n 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我 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或撰写过的研究成 ，也不包含为获得东南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 对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：查盘e t 期： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内 相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的 部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：为升导师签名： 第一章绪论 第一章绪论 当前，在全球激烈竞争和发展减缓的电信市场中。无线通信领域依然保持了较好的增长势头。 除传统的移动通信技术的应用推广。无线新技术层出不穷，使无线通信领域呈现出勃勃生机。无 线代表了人类对自由的渴望，而“更快，更高、更强”作为人们对信息交流的期望，也已成为 无线通信发展的重要方向 1 1 论文背景 随着计算机通信网络的迅猛发展以多媒体通信业务为主的新的网络应用日益成为网络与通 信领域新的经济增长点，以a d s l 为代表的有线宽带接入技术发展非常迅速。在宽带接入网市场 上占据了主导性的地位，网络带宽瓶颈逐步缓解。但传统的有线网络，其各类网络设备被网络连 线所禁锢，在缺乏有效的有线接入手段的地域内，无需光纤或双绞线等线缆资源的宽带无线接入 技术得到了运营商的青睐，通过架设无线网络，用户同样可以便捷地接入到宽带网络：另一方面， 宽带无线接入有着有线系统无法比拟的优势，宽带无线接入系统建设速度很快，又可以按需安装， 这大大减低了运营商的投资风险，因为诸如a d s l 接入、以太网接入等方式要求运营商在初期大 规模投入，建设或改造现有有线网络，投资风险很大因此宽带无线接入有着广阔的发展前景。 目前，在国内或国外已经存在了多种无线宽带接入的方式【1 i ，从所使用的频带上分为两类， 一个是低频段的m m d s 系统，另外一个是高频段的l m d s 系统。其中主要包括2 5 g h z ，3 5 g h z ， 5 g h z ，2 4 g h z ，2 6 g h z 等频段。北美国家主要分配了2 5 g h z ，欧洲的国家则主要分配了3 5 g h z 频率资源。m m d s ( 多通道多点分配业务) 系统的特色在于受雨衰影响小，全天候可靠覆盖范围 一般在l o 公里以上，但是带宽较小。适合s m e ( 中小型企业) 和s o h o ( 在家工作族) 用户使 用；2 0 g h z 以上的宽带无线接入技术统称为本地多点分配技术( l m d s ) 。l m d s 系统的特色在于 可用带宽较大，全天候可靠覆盖范围一般在5 公里以内，适合商务热点地区的使用我国为b w a ( 宽带无线接入技术) 分配的频率资源包括3 5 g h z ，5 8 g h z ，2 6 g h zl m d s ，其中5 8 g h z 为扩 频通信系统、宽带无线接入系统、高速无线局域网、蓝牙系统等共享的频段，其余两个频带则是 宽带无线接入专有频带。 一方面，宽带固定无线接入经过几年的发展，设备相对比较成熟，网络已经形成一定规模， 技术随着实际网络的需求在不断发展。另一方面，一些设备厂商希望能统一空中接口，这样将有 助于设备成本的下降和设备互通，使宽带无线接入这一产业进一步繁荣壮大2 0 0 1 年4 月9 日， 由主流无线接入设备制造商和芯片制造商参与形成了w t m a x 联盟。w 讯4 a x ( w o r l d w i d e i n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v ea c c e s s ) 意即全球微波接入互操作性认证产业联盟它是基于 i e e e 8 0 2 1 6 标准的无线城域网技术，主要任务是通过对产品进行兼容性和互操作性认证，消除 i e e e 8 0 2 1 6 标准应用的障碍，扩大标准的应用范围。作为一项新兴宽带无线移动技术。w i m a x 在全球得到了普遍关注。 8 0 2 1 6 是由i e e e 8 0 2 开发的无线接入技术空中接口标准之一，i e e e s 0 2 涉及的无线领域中目 前主要有四个工作组进行相关的标准研究工作。如图1 - 1 所示：他们分别是8 0 2 1 5 、8 0 2 1 1 、8 0 2 1 6 、 1 东南大学硕士学位论文 8 0 2 2 0 。覆盖范围可以从1 0 m 内部到1 0 0 m 以内再到城市覆盖范围，再到极大的覆盖范围，最底 下8 0 2 1 5 ，主要是在家庭网络中这方面用的比较多。第二个无线局域网，第三个无线城域网，最 后一个无线广域网。还有一个8 0 2 2 1 工作组，这做切换的标准研究工作。 图1 1i e e e 8 0 2 开发无线接入标准层次示意图 为更好地理解w i m a x 这项技术，可以结合我们所熟悉的w i f i 进行比较认识。w i f i 是一项 无线局域网接入技术，其信号传输半径只有几百米远，适用于近距离、视距条件，应用于小区域 内对q o s 要求不高的业务的汇接，而w i m a x 是一项无线城域网接入技术，其信号传输半径达到 5 0 公里，基本上能覆盖到城郊。正是由于这种远距离传输特性，w i m a x 可以作为有线网络接入 ( c a b l e 、d s l ) 的无线扩展。成为“最后一公里”接入的解决方案。w i m a x 在技术上优于懒f i ， 但比w i f i 更复杂。这是由于w i m a x 面对的传播环境比w i - f i 复杂、恶劣得多。 w i m a x 与蜂窝移动通信网络特别是3 g 相比在带宽、移动性、覆盖、成熟度等方面有所不 同，下表是3 g 与w i m a x 技术的一个简单比较： 表1 - 1w i m a x 与3 g 比较 3 g w i m a x 目标 无线宽带化宽带无线化 业务能力语音及d a t a 传输大量d a t a 传输 适用范围传输距离5 k m 5 0 k m 最高带宽 传输速率2 一m b p $ 7 0 m b s 网络包括无线接入网、基于电路型和分组型的基于全m 的网络架构 网络结构 核心网，整体网络向全i p 的网络结构演进标准只定义了无线接入网 成熟度发展时程早 最近开始推展 2 第一章绪论 由此表我们可以看出。3 g 网络的核心功能是提供移动电话服务，也可以用来传输数据，3 g 着眼于手机，数据速率相对较低，但在话音和手机应用方面将做得比较出色；而w i m a x 着眼予 笔记本电脑，标准是高速率的数据传输，语音质量并不是关键要求。虽然w i m a x 晟终将能移动， 但在话音上不会喧宾夺主。因此这两种技术各自的任务和目标都不相同。w 讣v l a x 的着眼点是实现 宽带无线化，而3 g 则更多地倾向于实现无线宽带化 可以看到，w i m a x 与以往的无线接入方式既有竞争性又有延伸性的特性使它具有很强的吸 引力，而它的带宽优势又是其它接入方式无法比拟的。但我们也看到它作为一项新标准，受到设 备开放程度，成本，基础建设网络等多方面的制约。尽管如此，随着消费者对于数据业务需求的 不断上升，只要有空间，相信随着w i m a x 技术的成熟，必将在技术和成本上显现出越来越大的 优越性。 1 2 论文组织结构 本论文的主要任务是对基于i e e e s 0 2 1 6 d 标准的物理层符号定时进行研究。i e e e 8 0 2 1 6 d 标 准根据不同的应用情况划分了五种不同的物理层，选取了其中两种代表性的单载波( s c ) 和多载 波( o f d m2 5 6 ) 调制方式，分别研究了两种模式下符号定时的解决方案，并给出了性能及其分 析。 论文结构的安排如下： 第一章为绪论，主要介绍了w i m a x 产生的背景、w i m a x 基于的协议及其系列标准，w i m a x 与w i f i 以及3 g 的关系比较。 第二章为i e e e 8 0 2 1 6 协议介绍，包括i e e e s 0 2 1 6 的系列标准，发布时间、内容；基于 i e e e s 0 2 1 6 d 协议模型，物理层五种规范。i e e e8 0 2 1 6 d 单载波( s c ) 和多载波( o f d m 2 5 6 ) 物 理层规范 第三章介绍了单载波符号同步，单载波调制、符号同步基本原理及其最大似然算法，并由该 准则针对单载波物理层提出了相应的符号捕获、符号跟踪环路方案。 第四章介绍了多载波符号同步，o f d m 调制基本原理，符号偏差对o f d m 系统造成的性能 影响，分析了基于循环前缀、前导和导频的符号同步算法，针对多载波物理层提出相应符号捕获、 符号跟踪环路方案。 第五章总结全文，提出系统改进的及需要进一步研究的方向。 第二章i e e e s 0 2 1 6 标准介绍 第二章i e e e 8 0 2 1 6 标准介绍 i e e e8 0 2 1 6 标准又称为i e e ew i r e l e s sm a n 空中接口标准，对工作于不同频带的无线接入系 统空中接口进行了规范。由于它所规定的无线系统覆盖范围在公里( k i n ) 量级，因此8 0 2 1 6 系 统主要应用于城域网根据使用频带高低的不同，8 0 2 1 6 系统可分为应用于视距和非视距两种， 其中使用2 1 1 g i - i z 频带的系统可以应用于非视距( n l o s ) 范围，而使用1 0 6 6 ( 3 h z 频带的系 统应用于视距( l o s ) 范围。根据是否支持移动特性，8 0 2 1 6 标准又可分为固定宽带无线接入空 中接口标准和移动宽带无线接入空中接口标准。 2 1i e e e8 0 2 1 6 系列标准介绍1 2 i i e e e8 0 2 1 6 系列标准包括8 0 2 1 6 、8 0 2 1 6 a 、8 0 2 1 6 c 、8 0 2 1 6 d 、8 0 2 1 6 e 、8 0 2 1 6 f 和8 0 2 1 6 9 共 七个标准，如表2 1 所示。其中：8 0 2 1 6 、1 6 a 、1 6 d 属于固定无线接入空中接口标准，而8 0 2 1 6 e 属丁移动宽带无线接入空中标准 表2 18 0 2 1 6 系列标准 标准号 负责的技术领域 8 0 2 1 61 0 6 6 g h z 固定宽带无线接入系统空中接口标准 8 0 2 1 6 a2 l i g h z 固定宽带无线接入系统空中接口标准 8 0 2 1 6 c 1 0 6 6 g h z 固定宽带无线接入系统关于兼容性的增补文件 8 0 2 1 6 d 固定宽带无线接入系统空中接口标准( 1 0 - - 6 6 g h z 、 1 i g h z ) 8 0 2 1 6 e 固定和移动宽带无线接入系统空中接口标准( 6 g h z ) 8 0 2 1 6 f 固定宽带无线接入系统空中接r a m l b 要求 8 0 2 1 6 9 固定和移动宽带无线接入系统空中接口管理平面流程和服务要求 2 0 0 1 年1 2 月颁布的8 0 2 1 6 标准，对工作在l o 6 6 g h z 频段的固定宽带无线接入系统的空中接 口物理层和i m a c 层进行了规范。由于其使用的频段较高，因此仅能应用于视距( l o s ) 传输。 2 0 0 3 年1 月颁布的8 0 2 1 6 a 标, 准对之前颁布的8 0 2 1 6 标准进行了扩展，对使用2 1 1 g h z 许可和 免许可频段的固定宽带无线接入系统的空中接口物理层和m a c 层进行了规范，该频段具有非视距 ( n l o s ) 传输的特点。 2 0 0 2 年正式发布的8 0 2 1 6 c 标准是对8 0 2 1 6 标准的增补文件，是对工作在1 0 6 6 g h z 频段 8 0 2 1 6 系统的兼容性规范，它详细规定了1 0 6 6 g h z 频段8 0 2 1 6 系统在实现上的一系列特性和功 能。 8 0 2 1 6 d 标准是8 0 2 1 6 标准系列的一个修订版本，是相对比较成熟并且最具有实用性的一个标 东南大学硕士学位论文 准版本8 0 2 1 6 d 对1 0 - 6 6 蝴段和 l m h z 耋贞段的固定宽带无线接入空中接口物理层和m a c 层 进行了详细规定，定义了支持多种业务类型的固定宽带无线接入系统的m a c 层和相对应的多个物 理层该标准对前几个8 0 2 1 6 标准迸行了整合和修订，仍属于固定宽带无线接入规范。它保持了 8 0 2 1 6 、1 6 a 等标准中的所有模式和主要特性同时未增加新的模式，增加或修改的内容用来提高系 统性能和简化部署，或者用来更正错误、不明确或不完整的描述，其中包括对部分系统信息的增 补和修订。2 0 0 4 年6 月2 3 日，i e e e 正式批准了8 0 2 1 6 d 标准。 8 0 2 1 6 e 标准区别于前几个标准的最大区别在于对移动性的支持。该标准规定了可同时支持嘲 定和移动宽带无线接入的系统，工作在 ， 揪、尚，。锄： + ， ，、q m 调制 7 l 转女叫 飞s j 7 i 一 。网。r = ：= = a n z 。, r a 杰。 图3 1 q a m 调制方框图 如图3 1 所示，发送端的同相与正交两路基带信号先进行电平变换，经过成形滤波，再分别 对同相载波和正交载波进行线性调制( 即相乘运算) ，最后相减即得到m q a m 发送信号 1 7 东南大学硕士学位论文 图3 - 2q a m 接收机解调框图 如图3 - 2 所示，接收端解调过程：输入信号与通过载波恢复电路出来的发送端同频载波进行 线性解调( 相乘运算) ，经过匹配滤波，由符号同步电路恢复出来的发送端同频同相时钟进行取 样判决，最后并串转换就可以得n - - 进制信号本章讨论的就是符号同步模块 3 1 2q a m 符号同步原理及其最大似然算法 在数字通信系统中，消息是由一串相继的码元传递的。这些码元通常具有相同的持续时间。 接收端接收这个码元序列时，需要知道每个码元的起止时刻，即在接收机中需要有一个与发送符 号同频同相的位定时脉冲控制信号，称为符号时钟或比特时钟，而符号时钟依靠同步电路从接收 信号中提取，位定时的准确与否将直接影响判决效果。 最佳采样时刻最佳采样时捌 5 图3 - 31 6 q a m 眼图模型 1 8 0 5 8，兰厶e诬里争三 ； 第三章单载波( s c ) 符号同步的研究 在单载波q a m 中，符号同步的作用是保证a d 在最佳时刻抽样在成形和匹配滤波器为均 方根升余弦时，如图3 3 所示，最佳抽样时刻应是“眼睛”张开最大的时刻。其余采样判决时刻， 信号不能达到最大值，相邻码元波形也对信号判决形成干扰，偏差越大，这种影响越大图3 _ 4 为不同相位采样判决时解调的星座图。 ( 。) 定l t 稿差一十符号一辩2 5 ，。* _ “m 注币灌j 瀚萄萌丽r 一 图3 4 不同相位符号判决的星座图 因此，q a m 符号同步性能直接影响信号接收的误码率，如果没有定时同步电路，则采样的 频率和相位得不到保证，这样解调起的符号误判率将大幅增加，甚至出现符号的丢失，而在最佳 时刻抽样，将使采样数据具有最大的信噪比( s n r ) ，从而使解调器的误码率( b e r ) 减小 符号定时的最大似然算法啷； 假设接收信号为r ，相位偏移口，定时偏移占，频率偏移q ，发送数据序列d 。接收信号的 概率密度函数： p ( r l p ，占，q 口) = e x p ( 一袁i ，- 口| 2 ) ( 3 2 ) 由矢量运算公式：l r - 4 f = l , 1 2 + l a l 2 - 2 r e ( ) 。因为l r l 2 和k f 是常数，因此可以得到与 式3 - 2 成正比的似然： ， 三( 口，f ，f 2 ，口) = e x p 寺r e 【 】 ( 3 - 3 ) 1 9 东南大学硕士学位论文 则解调的基本任务就是寻找这样的0 、占、q 和a ，使式3 3 最大。考虑k 个符号的观察区间 五= k t ，式3 - 3 可以写为； 上( 只占，q 口) = e x p 熹or e r ! ，o 砖( f ) e - j ( p x + o ) 奶 ( 3 - 4 ) a 蝴u s c q ) = a k q c ( t - k t - c t ) 代入式3 - 4 我们得到 t = - 哪 ( 只岛q 2 c x p 瓦2k 刍- ir e 蕊e 卅哪矿衄菇( t - k t - 占t 妙】) ( 3 - 5 ) 考虑匹配滤波器g o ( f ) = 菇( - f ) ，如果我们令x ( 七r + s 丁，q ) = ( 七( f ) + g o ( f ) ) ( f ) i ，：肌盯，式3 - 5 变成： 三( 口，b q ，球) = e x p 争r e 工( 耵4 - 打，f ) e - j e 】 ( 3 - 6 ) 1 0k - 0 通常频率偏移是在模拟域先粗估计并补偿，实际上，相位和定时估计工作在只有残余频偏情 况下，这时还需要精频偏估计模块补偿剩余频偏。 假定式3 6 频偏q = 0 ，则 1k - i ( p ，即) = e x p ( 吾r e x ( f ) e - j o 】 ， = k - 1e x p 瓦2 k e 【吼+ 埘) e 印 在信嗓比0 1 ，由式3 - 7 指数形式二阶泰勒展开得 ( 3 - 7 ) cxp意荟鼬雄(占矿p】)引+袁荟鼬【p弦卅十畴n荟rea：(占)e-ja-1 】2 1 # 一l1# 一i f 3 - 8 ) 假设发送数据序列是独立同分布且e 吼】= 0 ，取数据口的期望，得到不依赖发送数据口的似然函 数： e m 以( 占) p 一归) 】- r e & a a x a 占) e - j a 】= 0 ( 3 - 9 ) 【i k 口二黾p ) e 一妒】2 = 去【碗 弦。妒+ q ) e p 】2 k = ok - o = 去【t 口二& ( f ) 靠( 占) g 2 9 + 吼( f ) ( g ) p 口9 + 2 a 。a m x a e ) x ；( e ) mm 2 0 第三章单载波( s c ) 符号同步的研究 + 圭【( ) 2 瓴p ) ) 2 e - j 2 9 + c a d 2 c x , ；c 占) ) 2 p 2 0 + 2 k 1 2 k ( f ) 1 2 】( 3 1 0 ) - r i 。0 疋【k - ir e 耳p ) e - j q 2 = i i k - ie 0 吼i 2 】k ( s ) 1 2 + i i k - ir e 【压】( ( 占) ) ：p 脚】 ( 3 - 1 1 ) k - o二k - o二k f f i o 综合式3 - 9 和式3 - i 1 得到对数似然 上( 只占) ：篁硎吼j 2 】l 也( 占) j 2 + r 。【k - i 研】( ( ) ) 2 e 2 0 ( 3 1 2 ) k = ok f f i o 式3 一1 2 就是非数据辅助的联台相位和符号定时估计基本公式。 ；：a r g n e 4 嚷1 2 】k - 1 k p ) j 2 + i e 】k - ! ( s ) i ( 3 1 3 ) k - - o l k - o l 台= 一互1a r g 荟k - ie 讯柏) 2 三p ) ：研l 吼1 2 】k - j 黾p ) 1 2 + k 】k - 1 p ) i三p ) = 研l 吼2 】j 黾p ) 1 2 + 陋 】p ) i k f f i 0 l k - - 0 i 若相侥均匀分布，取式3 1 2 期望得到不依赖相位的对数似然 三( s ) ：芝i 黾( 占) 1 2 k - 0 ( 3 1 4 ) ( 3 1 5 ) ( 3 1 6 ) 比较式3 - 1 5 和式3 - 1 6 我们注意到：如果发送信号嚷是= 维信号关于石2 旋转对称的，则 e 【】= 0 。因此对于二维万2 旋转对称星座图，式3 - 1 5 和式3 - 1 6 是等价的。 圃严一一 即f ，i ： 芒 塾 斗扣鲥，轴1 岖 醋竺一。 蹴，i ： 图3 - 5 非数据辅助联合相位和定时的估计算法 2 l 东南大学硕士学位论文 图3 - 5 即为在层【彳】0 条件下，非数据辅助联合相位和定时估计的框图，么( f ) 为中频或基 带抗混叠输入，经采样后，进行匹配滤波9 0 ，取一个符号周期不同时刻输出结果 以p ) ) 黾p 9 ) ，分为两路，一路求模平方并k 符号累加，另一路先平方，与发送信号平方 的期望研】相乘，并求k 符号累加值，再求模值。两路结果进行相加运算，最大值即为符号定 时估计值；，载波相位的最大似然估计值台根据已估算符号定时偏移；求3 1 4 式。 3 2 基于i e e e 8 0 2 1 6 d 前导的q a m 符号捕获的设计 接收设备必须在2 4 节中列出的上下行1 6 或3 2 个重复序列中检测出前导码。前导码晟明显 的用途就是显示物理层突发( b u r s t ) 要被发送。事实上，检测前导码是接收数据的一个前提。 i e e e 8 0 2 1 6 d 单载波( s c ) 中前导序列具如下特性：发送序列时域恒包络，使得它抵御噪声 的能力很强，同时该序列的自相关函数在除零点以外的其他点上都很小，类似伪随机序列。 所以我们这里采用基于前导序列数据辅助( d a ) 的载波恢复1 6 1 和采样时钟联合估计的相关最 大似然检测方法。 假设已知c 时间段内前导数据c ( t ) ，接收到的匹配基带信号可以表示为： x ( r ) = s ( t s r ，c 弦。埘柑g ( f ) + 以( r ) ( 3 1 7 ) j u 一占r ，c ) 为发送复值数据，f 为归一化符号时钟偏差，a r a 和p 分别为载波频偏和相偏，9 0 ( ，) 为匹配滤波器，n ( t ) 为复高斯噪声。对z ( ，) 以1 t , 速率采样： z ( 七) = s ( k r , 一s 丁，c ) p 7 础+ 9 g f ( 七t ) + 弹( i ) ( 3 1 8 ) 假设前导序列c ( _ | ) 在a r , 采样速率下总长为2 l 。用半个c ( 七) 序列与接收到的含有噪声和频偏的 信号作相关运算： 如( n ) = 口 杰吣) 1 2 k - i 口为归一化系数。 根据前导序列的相关特性。会产生两个相关峰 第一个相关峰为： ( 3 1 9 ) 第三章单载波( s c ) 符号同步的研究 同时令： 如( o ) = 口 壹盼) 1 2 i - l lll 以( o ) = 工( 七) ( 七) = p ( 七) t ( t ) ) e x p ( ，七正+ 目) + t ( 七) ，z ( 七) i - 1 - 1i - lt = 1 ( 3 - 2 0 ) = 喜似喊( 砌e j t t , a r , _ e 1 ：；a 。l r , + v 1 ( 3 - 2 1 ) 式中v | 为是零均值复高斯噪声，其实部和虚部分量的方差均为上万2 2 。 第二个相关峰为： 如( 工) = 口 同时令 2 l2 工2 l2 l 砧( 三) = x ( ) 蠢( | i ) = ( c ( | i ) t ( 七) ) e x p ( j ( a a k t , + p ) ) + 蠢( j | ) 珂( j ) k - l + ll - + li l + l k = l + l o - 2 2 ) = 黑，) 砸加m e j t i , o t , _ e j 广a o l r 吃 ( 3 - 2 3 ) 式中v 2 为零均值复高斯噪声。其实部和虚部分量的方差为l d 2 2 1 2 ( ) 发送黼 导经匹配赣出目相分量 1 2 0 0 ( b ) 发送靖前寻经匹配输出正文分量 2 d“ 。m 东南文学硕士学位论文 1 02 04 05 0 ( d ) 接收端相关序列正文序列 图3 - 6 下行t d m a 收发短前导 以表“( b ) 下行t d m a 前导为例，图3 ( a ) 、( b ) 分剐为经过匹配滤波后2 倍重复的下行 1 6 前导符号，图3 - 6 ( c ) 和( d ) 分别为本地接收下行单倍8 个前导符号。由式3 1 9 运算，我们 可以得到图3 7 的结果。 静导赶始曹导结束壹 葡导起始 i 【 j tr 献 前导刍柬盘 旷r| f 砷辄洲 式中后三项是噪声项。由于第一项的模远远大于其它三项和的模，因此。由上式可以近似得到： 疋(