（信息与通信工程专业论文）卫通高速数传解调技术研究.pdf

国防科学技术大学研究生院学位论文 摘要 调制解调技术是卫星数据传输系统的核心技术之一， 特别是对于高码速率数 传系统而言， 这是关键。随着我国航天事业的飞速发展， 对卫星到地面的实时传 输速率要求越来越高， 但到目前为止， 国内上百兆数据数率的卫通数传调制解调 器还没有研制出来。 所以 研究开发高速卫星通信数传调制解调， 并将其作为我的 学位论文课题具有深远的意义。 本论文以 1 5 0 m b p s卫星通信数传为课题背景， 对解调技术进行了 深入的 研 究。 解调技术因为涉及到载波同步和码元定时两个关键技术， 而成为调制解调技 术乃至整个数传系统中的重点和难点。 本文首先在第二章对各种调制解调方式进行了深入的对比研究， 参考和借鉴 了国外相同领域的研究成果， 从星上载荷的具体条件限制， 诸如低功耗、 小体积、 . 高速宽带、 实现容易、 工作可靠等方面考虑， 选择了技术成熟、 实现复杂度适中、 可实 现好、具有较强抗干扰能力的q p s k体制。由于数字器件本身的 速度限制， 当 前还 很难实 现码速率为 1 5 0 m b p s 的 全数字解调， 所以 必 须采用并行处理的 方 式来实现解调算法。 第三章对载波恢复和码元同步技术进行了较深入的探讨， 采 用频率捕获和相位跟踪相结合的方法实现载波恢复， 高斯噪声引起的频差和相差 由数字 c o s t a s锁相环跟踪，在大频偏情况下靠前面的频率跟踪器牵引本地载 波进入锁相环的捕获范围; 由于采用了并行解调技术， 每个单元的处理速率已 大 为降低， 所以， 码元同步可以 利用采样得到的样值点直接计算定时误差， 利用此 误差， 通过插值算法计算出最佳判决点的信号值。 这种方法比反馈环法定时精度 高，定时误差捕获快，并且不需要时钟源， 不占用片内硬件资源， 适合于全软件 化设计要求。 第四章对本文讨论的部分内容进行了算法仿真， 并对仿真结果进行 了分析。 关键词: o p s k 解调 并行接收 载波恢复 码元同步 c o s t a s 环 插值算法 第 v i i 国防科学技术大学研究生院学位论文 abs tract m o d e m is o n e o f t h e k e y t e c h n o lo g ie s o f t h e d a t a t r a n s m is s io n o f t h e s a t e ll it e s y s t e m . it is a k e y e s p e c ia lly t o s p r e a d t h e s y s t e m t o a h ig h d a t a t r a n s m is s io n y a r d s . wit h t h e r a p id d e v e lo p m e n t o f t h e s p a c e p r o j e c t o f o u r c o u n t ry , t h e r e q u i r e m e n t o f r e a l- t im e t r a n s f e r d a t a r a t e f r o m t h e s a t e ll it e t o t h e g r o u n d i s h ig h e r a n d h ig h e r . b u t u p t ill n o w , t h e h u n d r e d s m b p s m o d e m h a s n o t y e t b e e n d e v e lo p e d in c h i n a . s o it m a k e s f a r - r e a c h i n g s e n s e t o c h o o s e t h e s u b j e c t a s m y s u b j e c t o f a c a d e m ic d is s e r t a t io n i n t h is p a p e r t h e a u t h o r h a s d o n e p le n t y o f r e s e a r c h w o r k o n d e m o d u la t io n t e c h n o lo g y , w h ic h is b a c k g r o u n d e d 1 5 0 m b p s s a t e ll it e d a t a t r a n s m is s io n . t h e d e m o d u la t io n t e c h n o lo g y i n v o lv e s c a r r ie r r e c o v e ry a n d t im e s y n c h r o n iz a t io n , s o t h a t it is t h e k e y a n d d if f ic u lt f a c t o r o f t h e m o d e m a n d e v e n o f t h e w h o le d a t a t r a n s m is s io n s y s t e m. t h is p a p e r c o n t r a s t s d e e p ly v a r io u s k in d s o f m o d e m f r a m e w o r k in c h a p t e r t w o , a n d r e f e r s t h e a c h ie v e m e n t s o f t h e s a m e r e s e a r c h f ie ld a b r o a d . t a k in g in t o a c c o u n t t h e s a t e llit e lo a d l im it s , s u c h a s lo w p o w e r c o n s u mp t io n , s m a ll c u b a g e , h ig h s p e e d b r o a d b a n d , e a s y im p le m e n t a t io n a n d h ig h r e lia b i lit y , t h e q p s k m o d e m f r a m e w o r k w it h r i p e t e c h n o lo g y , m o d e r a t e a lg o r it h m c o m p le x it y a n d s t r o n g a n t i- i n t e rf e r e n c e , is e m p l o y e d . b e c a u s e o f t h e r e s t r ic t io n o f d ig it a l d e v ic e s p e e d , p r e s e n t ly , it is v e ry d if f ic u lt t o r e a liz e a ll d ig it a l d e m o d u la t io n s w h o s e t r a n s m is s io n s p e e d is a s h ig h a s 1 5 0 m b p s .s o t h e p a r a lle l r e c e iv e r t e c h n o lo g y m u s t b e e m p lo y e d . in c h a p t e r t h r e e t h e a u t h o r o ff e r s a r e la t iv e ly d e e p d is c u s s io n o n c a r r ie r r e c o v e ry a n d t im e s y n c h r o n iz a t io n . a d o p t t h e f r e q u e n c y t r a c k i n g a n d p h a s e t r a c k i n g m e t h o d t o c o m b in e t o g e t h e r t o r e a liz e t h e c a r r ie r r e c o v e ry . t h e c o s t a s lo o p c a n a n t i t h e g a u s s n o is e , a n d i n t h e c a s e o f t h e s e r io u s s h ift f r e q u e n c y t h e f r e q u e n c y t r a c k in g c ir c u it c a n d r a w t h e lo c a l c a r r ie r in t o t h e r a n g e o f c a t c h in g o f c o s t a s lo o p . a s t h e p a r a l le l r e c e iv e r t e c h n o lo g y i s u s e d , t h e o p e r a t io n a l s p e e d o f e a c h u n it is g r e a t ly r e d u c e d , c o n s e q u e n t ly t h e in t e r p o la t io n a lg o r it h m c a n b e e m p lo y e d t o im p le m e n t t h e t im e s y n c h r o n iz a t io n . t h e t im e e r r o r is c a lc u la t e d d ir e c t ly f r o m s a m p le d v a lu e a n d t h e n t h e in t e r p o la t io n a lg o r it h m c a n r u n w it h t h e t im e e r r o r . c o n t r a s t e d w it h t h e f e e d b a c k lo o p t h is m e t h o d is m o r e a c c u r a t e , t h e t im in g e r r o r is c a u g h t f a s t e r , t h e t im e r e s o u r c e is n o t n e c e s s a ry a n d it d o e s n o t o c c u p y r e s o u r c e s o f t h e h a r d w a r e in d s p . t h e r e f o r e it is s u it a b le f o r t h e d e s ig n in g r e q u ir e m e n t o f t h e w h o le s o f t w a r e r e a l iz a t io n . i n c h a p t e r f o u r s o m e a lg o r it h m s d is c u s s e d in t h is p a p e r is s imu la t e d , a n d t h e s i m u la t io n r e s u lt is a n a ly z e d . k e y w o r d s : q p s k d e m o d u l a t i o n , p a r a l l e l r e c e i v e r t e c h n o l o g y , c a r r i e r r e c o v e r y , t i m e s y n c h r o n iz a t i o n , c o s t a s l o o p , i n t e r p o l a t i o n a l g o r i t h m 第 v 1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 : 卫通高速数 传解调技术 研究 学位论文作者签名: 日 期 : 么 。 哆年， l 月 1 多 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。 ) 学位论文题目: 学位论文作者签名 作者指导 教师签名 国防科学技术人学研究生院学位论文 图 目 录 图2 - 1 解调器原理框图. ， . ， ， . . . . . . . . . . . . . 图2 . 2差分解码框图. . . . ， . . . . 图2 . 3 并行处理结构 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 图 3 . 1 q p s k 判决反馈环 ， . . . . ，. 图3 . 2 q p s k 端点图 和关于cp 的 相点 轨迹图 . . 图3 . 3 q p s k 信号平面分割 二， . . . . . . . . . . . . . . . . 图3 . 4 数字 c o s t a s 环 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 图 3 . 5基带数字环路鉴相特性 . . ， . ， . . 图3 . 6锁相环等效图. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 图3 . 7 c o s t a s 环路等效结构图 . ， ， 卜 . ， 图3 . 8频率跟踪和c o s t a s 跟踪. . . . . . . . . . . . . . . 图4 . 1 q p s k 信号源仿真图 . . . . . . . . . . . . 图4 . 2随机数产生参数 ， . ， . . . . . . . . . . 图4 . 3时钟发生器参数. . . . . . . . . . . . . . . . . . 图4 . 4 工 支路调制函数 。 . 卜 . . ， . . . 图4 . 5 q 支路调制函数 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 图4 . 6 a w g n 信道参数 。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 一 图4 . 7 带通滤波器参数. . . . . . . . . ， . 图4 . 8 切比雪夫带通滤波器响应 ， ， ， ， ， ， . 图4 . 9 q p s k 解调仿真图. . . . . . ， . . . . . 图4 . 1 0巴 特沃思滤波器幅频特性. . . . . . . . . 图4 . 1 1 c h e b y s h e v i 型模拟低通滤 波器幅频 特性 . . 图4 . 1 1同 频情况下工 路码元序列眼图. . . . . . 图4 . 1 2 v c o 控制电压 二，. . . . . . . . . . . . . . . 图4 . 1 3 v c o 输出信号 f f t . . . . . . . . . . . . . . . . . ， . 图4 . 1 4存在频偏情况下仿真结果. . . . . . . . . 卜 . . . ， . ， 6 1 0 1 1 1 8 2 0 . . . 2 i 2 2 ， . . 2 4 2 4 . 2 6 . . . . . 2 8 。 3 4 3 5 . . . 3 6 . . 3 7 卜 3 7 3 8 . . . 3 9 . . . . . . 3 9 ， . . 4 0 . . 4 1 ， 二 4 4 . . 4 5 性 6 。 。 二 4 了 ， . . . 4 8 第 川 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 表 目 录 表2 . 1几种调制方式的性能比较， 二 ， ， . ， . . . . . . 二 ， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 表2 .2正交解调判决规则. . . . . . . .， . ， ， . . . . . . . . . . . . . . . . ， . . 7 表2 .3信号相位逻辑关系 . ， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ， 二 _ . . ， 二 ， . . . . . . . . . . . . . 7 表2 .4相对码变换逻辑功能.卜， 二 价 . ， ， ， . ， . ， . . 、 . ， . . . . . . . . . . . . 8 表2 .5码变换器逻辑关系. . . ， ， . . . . . ， ， ， ， . . . . . . . . ， ， 二. ， 二 ， . . ， . . . . . . . 9 表3 . 1 常用载波恢复方案 ， ， . . ，. ， ， . ，. . . . . . ，. . “ .， ， ， ， ，. “ 二 1 4 表3 .2 时钟恢复可能方案. . ， . . . . ， ， 二 ， . . . . . . . . . . . . . . ， ，. ，. . . . . 1 4 表3 .3不同插值器的计算复杂度， 二， . . ， . . . . . . . . . . . . . . . ， 二 . ， . . ， . ，. . . 3 2 表4 . 1 q p s k解调系统仿真参数设置表二 ， ， ， ， ， . . . ， ， . . . . . ， .“. ， . . . . . . . . . . . . . 4 2 第 i v 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第一章 绪论 1 . 1 高速数传的应用前景 国内目 前卫星信道速率一般在几十m b p s 左右， 随着我国 航天事业的飞速发 展， 数据传输业务进一步增加， 对卫星到地面的实时传输速率要求越来越高， 通. 过卫星实时传输各种遥感图像数据， 需要上百m b p s 的 传输速率，因此研制开发 高速率数据传输系统有迫切的需要。 调制解调技术是卫星数据传输系统的核心技 术之一， 特别是对于高速率数传系统的研究与设计更是如此。 解调技术因为涉及 到载波恢复和位同步技术是调制解调技术中的关键， 也是制约高速数据传输系统 研究的瓶颈。 高速数传解调技术的研究， 对于进一步提高卫星数据传输能力有着 十分重要的意义， 适合卫星通信的高速解调技术的研究， 在我国未来的卫星数据 传输系统以及再生通信转发器系统中将有十分广阔的应用前景。 ; 1 . 2 国外进展情况 美国c o ms a t 使用1 6 p s k , 1 6 q a m体制开发了传输速率能达到3 0 0 m b p s 的 卫 星调制 解调器。 9 7 年， 美国j p l ( j e t p r o p u l s i o n l a b o r a t o r y ) 实 验室与g s f c ( g o d d a r d s p a c e f l i g h t c e n t e r ) 联合提出了 一 种全数字化并行解调方案。 采用1 6 路 并 行 接收， 解调 方式 采 用q p s k ， 传 输 速率能 达到3 0 0 m b p s 以 上 1 0 2 0 0 1 年 n a s a公司 提出 用o f d m体制实 现6 2 2 m b p s 的 调制 解调体制 2 0 q p s k调制解调器是高速数传关键技术之一。 在国 外， 8 0年代初该 项技术 的研究就己 走向成熟并成果累累， 美国的h p 公司、 贝尔实验室、 h u g h e s 公司， 日 本的f u j i t s u ( 富士通) 公司、 n tt 公司等为代表的世界著名制造商都先后报道 了 相应的 研究结果， 部分公司己 开 发出 毫 米波段的宽 带q p s k调制器， 数据速率 也有越来越高的趋势。 1 . 3 高码速率情况下解调技术的难点 ( 1 )当码速率很高时，若采用模拟解调或模拟数字混合解调方案，t i 门几 载 波频率很高， 模拟部分很难达到指标要求。 若采用全数字化解调，由于采样器件 第 1页 国防科学技术大学研究生院学位论文 采样精度得不到保证，因此增加了后续数字信号处理的难度。 ( 2 ) 在低速时成熟的载波恢复和位同步等算法，在高速时由于算法的复杂 度太高， 无法达到高速的实时处理要求， 不能直接应用。 须对算法进行改进或研 究新的算法。 ( 3 )高速同步解调器通常采用相干载波的恢复技术， 而且随着调制速率和 调制状态数越来越高， 对同步解调器尤其是对其中的载波恢复环路的要求也将越 来越严格，载波恢复的好坏又是决定同步解调性能优劣的关键。 ( 4 ) 在卫星数传系统中， 随着传输码速率的提高， 在做差分编译码时， 对 基带码源的上升沿和下降沿的要求也随之提高。 ( 5 )在高速情况下，信道更加恶化，对信道均衡技术要求更高。 1 . 4 本论文的主要工作 我在攻读硕士学位阶段先后参加了程控交换仿真训练系统的研制、 卫星通信 高速数传解调技术研究等两个科研项目， 后一个项目 是作为我的学位课题来研究 的，也是本论文的课题背景。 本论文的撰写过程所做的工作包括: 在前期工作中， 对当前国内外高速卫通数传的发展做了充分的调研， 主要关 注解调技术及同步技术的发展情况。 查阅了国内各大院校、 科研院所近几年来的 技术刊物对相关问题的论述。 查阅了国外的一些相关研究机构和技术刊物， 包括 n a s a公司、 j p l 实验室、 g s f c 等研究机构的技术报告， i e e e 期刊等对相关问 题的论述。 在进行了充分调研的基础上确定了本论文中数字解调方案所采取总体 方案和基本思路。 从卫星通信数据传输的具体条件出发， 综合技术的先进性和设 计实现的可行性等因素，选择最佳的并且可行解调方案。 应用数字通信理论、 检测与估值理论、 信号系统理论、 随机信号分析理论对 要处理的问题进行分析、 综合。 设计出数字解调方案所要采用的基本算法和数学 模型。 本论文讨论的主要问 题包括: 针对 1 5 0 m b p s 传输速率下， 对解调中的 关 键技术进行 研究。 在第二章， 对 解调方案选择、 基本原理和实现途径进行概括性论述。 本课题要求高速宽带、 易 第 2 3 : 国防科学技术人学研究生院学位论文 于实现、 可靠性高等特点， 所以 选择了技术成熟、 实现复杂度适中、 具有较强抗 干扰能力的q p s k体制。 第三章研究载波恢复和位同步技术， 因为载波恢复和位 同 步技术是解调技术中的关键， 也是数据传输技术中的难点， 本论文对该部分内 容进行了 详细研究。 第四 章利用m a t l a b 和s y s t e m v i e w仿真工具对第三章研究的 部分算法进行仿真，并对仿真结果进行了详细的分析口 本论文在处理载波、 码元同步方面， 将各并行支路分别提取的误差参量进行 算术平均处理， 再将平均结果作为反馈量( 对于载波恢复环) 和插值误差参 ; ( 对 于时钟插值算法) ，这种处理在串并变换电 路得到精确延迟的前 提下，对解调系 统的对抗噪声性能有很大好处，从而可以 提高解调的误码率性能。 第 3更 国防科学技术大学研究生院学位论文 第二章 解调总体方案 2 . 1高速数字解调方案选择 数字调制解调方式分为a s k , f s k , p s k 等。 a s k 为双边谱， 信号带宽为基带脉 冲 波 形 带 宽 的 两 倍， f s k 信 号 带 宽 为 f = if - f , + 2 f , p s k 频 谱 带 宽 为 基 带 脉 冲 波形带宽的两倍。本课题要求适用于卫星信道特点，传输速率能达到1 5 0 m b p s a 从抗干扰能力和频谱利用率综合考虑，宜采用p s k 方式。恒定包络的p s k主要 包括b p s k ( 二相p s k ) , q p s k ( 四 相p s k ) , o q p s k ( 偏置四相p s k ) 和m s k ( 最小 移频键控) 。 上述四种传统的调制方案， 其功率利用率都很接近。 当采用相干检波时， 比 特误码率均为: 。 一2e b 1n jjjio ( 2 . 1 ) “ 中 erf c (x ， 一 法f e yzl2dy o e b 是 比 ” 能 量 率 谱密 度。当e b / n o = 0 .5 而当每 码元采样为8 次时，则每个基带处理单元只需处理3 7 .5 mb / s 的数据信息。第四 章验证q p s k解调的 仿真中， 为 便于码元眼图的显示， 采用每比 特8 次采样。 在 工程实现时， 每个码元只需采样 4次即可 9 。因此并行处理结构的每个支路内 可以续h i f p c a _ a c t c 臼 t .c t 迪 第 1 1页 国防科学技术大学研究生院学位论文 的 解调 功能 1 2 1 。 每个 基带处理支 路通过共 享控制总 线或专用总线与 控制处 理系 统相接， 完成对载波恢复和时钟同步的控制。 在这些并行处理电路中完成载波频 差相差估计、 时钟同步和q p s k解调等功能。 i 路和q路数据按顺序对应地送入 相应的基带处理单元进行处理，将每个处理单元提取的误差信号进行算术平均 得: ( 2 . 1 3 ) .价少. 16艺二 必 = 1 6 i 这样， 在采样分配位延迟足够精确的条件下，各个基带处理单元的平均对突发性噪声 具有一定的抑制作用。 2 . 4小结 本章对高速数传解调方案进行了选择和论证，为适应卫星通信， 小体积、 低 功耗等特点， 选择了具有较高频谱利用率、 较强抗非线性能力、 实现简单的q p s k 调制解调体制。 在q p s k解调的前提下， 设计了 一种并行解调模式， 这种模式的 思想就是将一路高速数据变为多路低速数据来处理。 利用这种并行解调模式， 可 以 在现有 器件水平下完成1 5 0 m b p s 数 传的 全数字化解调。 本章还针对q p s k相 干解调方式， 设计简单可行的差分解码电路。 解调中的两个关键技术: 载波恢复 和时钟同步将在下一章专门研究。 第 1 2页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第三章 载波恢复和位同步 3 . 1概述 同步是通信系统中一个至关重要的问题，采用相干解调时，接收端需要提 供一个与发射端同频同相的相干载波， 这个相干载波的获取称为载波恢复。 为了 获得相干解调必需的载波， 要从接收的q p s k信号中 通过非线性处理， 把载波分 量提取出来。 相干载波又必须是纯净的， 受噪声干扰严重的参考载波必须经过进 一步提纯处理 。总之，载波恢复必须完成两个重要功能: ( 1 ) 从接收的q p s k信号中， 通过非线性处理消除调制， 提取参考载波。 ( 2 ) 从获得的参考载波中，通过线性处理滤出噪声，提纯参考载波。 简单说，载波恢复就是消除调制，滤出噪声。 对于q p s k调制， 载 波恢复电 路按其功能可分为两步: ( 1 )消除调制，消除调制可在中频上进行，也可在基带上进行;在中频土 消除调制可用m次乘方法 ( 对q p s k , m为4 ) ，也可用重调制，逆调制的方法 与原接收p s k信号合成， 来消除调制。 基带处理法可用判决反馈环法和c o s t a s 环法。 ( 2 ) 滤除噪声， 滤除噪声可用带通率波器和锁相环法两种方法。 带通滤波 法， 直观、 简单， 而且对恢复载波无“ 拖曳” 效应， 恢复时间短， 但无频率自 动 跟踪能力。 本课题由于存在多普勒频移， 不宜采用此法， 应采用锁相环法， 锁相 环不 仅可以 获得很纯净的载波， 还具有自 动频率跟踪能力， 使得q p s k载波发生 偏移时， 恢复参考载波也能与之同步， 不影响解调性能。 锁相环的缺点是等效鉴 相特性为非线性并且存在不稳定相位区间， 使其平均捕捉时间加长， 即存在“ 拖 拽” 效应。常用载波恢复方案如表3 . 1 a 得到相干载波就可完成相干解调， 解调后输出的波形含有噪声和千扰，而 且由 于信道带限造成波形失真， 这个信号是不能用来作后续处理的， 必须用时钟 抽样脉冲对解调的基带信号进行抽样， 再进行电平判决， 以消除噪声及传输失真 带来的影响， 还原出原调制脉冲序列， 进而完成差分解码和并串变换。 获得这个 同步时钟就叫位同步。 第1 3页 国防科学技术大学研究生院学 位论文 表3 . 1 常用载波恢复方案 消除调制 中频处理基带处理 m 次乘方c o s t a s 环 重调制和逆调制判决反馈环 滤除噪声 带通滤波器锁相环 锁相环 q p s k信号通过解调还原成基带信号后， 其时钟频率分量为零， 频率分量， 必须要把解调获得的基带信号进行非线性处理， 刁 能得到 钟信息的提取。 由于热噪声及时钟频率附近的信号的连续谱的影响 时钟信号质量差，不能使用，必须经过提纯处理。 要获得时钟 ，这就是时 使得提取的 时钟恢复电路按功能可分为时钟信息提取和时钟信息提纯，时钟信息提取 可在中频也可在基带通过非线性处理获得， 时钟信号提纯 ( 滤除噪声) 通常用窄 带滤波器和锁相环。常用时钟恢复方案如表3 .2 所示。 表3 .2 时钟恢复可能方案 中频处理基带处理 时钟信息提取1 包络检测 2 .中频延时检测 1 .数字信号的全微分整流 2 数字信号延时，模2 加 3 .同相积分一窗口积分 滤除噪声1 .窄带滤波器 2 .锁相环 1 .窄带滤波器 2 .锁相环 中频处理中，中频延时检波提取时钟信息的抗干扰性比包络检测好。基带 处理方法中，第一种多用于信噪比高，速率低的情况，第二种用于信噪比 较高 数据速率较高的情况，第三种用在信噪比较低，数据速率也较高的情况下。 ; 3 . 2载波相位估计与载波恢复 第 1 4页 国防科学技术人学研究生院学位论文 3 . 2 . 1最大似然估计 载波相位估计属于信号参数估计问 题， 有两个基本准则 1 4 :最大似然准则 ( m l ) 和最大后验准则 ( m a p ) ， 一般可假定信号参数的先验概率为均匀分布， 则m a p 准则与m l 准则相同。由于信号参数不是固定不变的， 而是随时间缓慢 变化的，为了跟踪和估计这种变化，需要从过去的m个接收样点中估计现在时 刻的参数值， 而不是仅从当前接收样点估计当前的参数值。设码元间隔为丁 ，则 m t 称为一个观测间隔， 考虑数字传输的第k 个符号间隔 k t , ( k +l ) t ，井假 定符号定时已求得，即令定时误差: = 0 ， 接收信号可表示为: r ( k ) = s , ( k ) e x p ( j 0 ) + n ( k ) ( 3 . 1 ) 式中， s ,( k ) 为 具有数据调制的 等效 低通复 包络:功 为 未知相 位 ( 假设在一个 观 测f1 隔内沪 保持 不 变) ; n ( k ) 为 复 值高 斯随 机噪 声， e n ( k ) = 0 , e n ( k ) n * ( k ) = n o . r ( k ) 是经正交下变频和匹配滤波g ( t - t ) 得到的采样值，其中g ( t ) 是符号脉冲波形， rt八二1 ， : : 几* 口口、 ， 、 ， 人口*_ ， _ 、 _ _、 r ，二 ，、 ;. 八 、 巧 g ( t ) g * ( t ) d t = 1 假 设 信 号 具 有2 n 个 星 座 ， 5 ，( k ) e 执 ， - n s i o ) ( 3 1 6 ) ( x o ) 3 2 3 2 2 基带处理数字c o s t a 环结构 根据q p s k 基带数字处理函数式( 3 1 5 ) 可画出实现结构框图如图3 4 所示 1 8 1 9 。 3 2 ，3 2 3 环路特性 假设输入q p s k 信号为： s o ) = x ( f ) c o s ( c f + q ) + y ( f ) s i n ( n o f + q ) 送至p d l 、p d 2 鉴相器的参考载波分别为： s i n ( c u d + 6 p 2 ) c o s ( c o c t + 吃) 对于p d l 支路： ( 3 1 7 ) ( 3 1g ) ( 3 1 9 ) s ( ) c o s ( c o c t + ) = 【砸) c 。s ( f 锄) + _ y ( 咖l n ( f + q ) 】c 。s ( f + 唿) 。2 第2 l 页 国防科学技术人学研究生院学位论文 图3 4 数字c o s t a s 环 利用三角函数积化和差公式，将上式展升得： 专x ( t ) c o s ( c p l 一q 口2 ) + 专x ( t ) c o s ( 2 c o c t + 媚+ 伤) 一 一 一一 1 + 圭_ y ( ) s i n ( 2 0 9 c t + c p l + c p 2 ) + l y ( t ) s i n ( q 一晚) 滤除倍频分量后得： “l = 圭x ( f ) s i n ( q 一吃) + 圭y ( f ) c 。s ( 统一吃) 同理，对于p d 2 支路： 鉴相器输出为： s ( f ) s i n ( c o c t + ( 0 2 ) = ) c o s ( h q ) + j ，( 伽n ( h q ) 】s i n ( c o o t + 0 2 ) 展开得： ( 3 2 1 ) ( 3 2 2 ) ( 3 2 3 ) 第2 2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 圭x ( f ) s i n ( 2 c o e t + q + e 2 ) 一1 x ( f ) s i n ( 够1 一吃) 一l y ( t ) c 。s ( 2 c o c t + 吁+ 吃) + 圭y ( f ) c 。s ( q 一吻) 滤除倍频分量得： 拦2 = 专y 擘) c 。s ( q 一眨) 一圭x o ) s i n ( q 一吃) 令旷q 一眨则： ( 3 2 4 ) ( 3 2 5 ) u 3 1 剐l 刊2 ， ( 3 2 6 ) = 告x o ) c o s ( 妒) + s i n ( 妒) + 告y o ) s i n ( o ) - - c o s ( o ) 、j 7 u 4 1 刮1 州2 ， ( 3 2 7 ) = 毒x o ) c o s ( 妒) 一s i n ( 妒) 】+ 告y ( r ) s i n ( 妒) + c o s ( 妒) 、。 图中限幄函数表达式可用符号函数s g n 表示，根据模2 加运算法则： s g n x + s g n y 】- s g n x y ( 3 2 8 ) 假定当x ，y 符号相同时s g n x y = + 1 而当x ，y 符号不同时s g n x y = 一 1 ，则： u d = s g n u l s 驴? 。8 9 n 匕。8 9 m 4 ( 3 2 9 ) 2 8 9 n 【“1 u 2 u 3 - u 4 1 。 将式( 3 2 2 ) 、( 3 ，2 5 ) 、( 3 2 6 ) 、( 3 2 7 ) 代入式( ，2 9 ) 整理化简得： u d 2 s g n 4 q g ( 3 3 0 ) 理想鉴相特性如图3 5 所示。 由图3 5 可知这是矩形鉴相特性，周期为t r 2 ，在相位差够的2 口区问存在 4 个稳定平衡点，即有4 重相位模糊。由于是矩形特性，故鉴相灵敏度k d ( h 口鉴 相特性在稳定平衡点处的斜率) 非常大，所以环路增益提高，从而降低静态误差， 有利于改善接收系统的误码率性能。这里采用算术运算和逻辑运算的方法，对正 交解调输出的两路基带信号进行非线性处理，来消除调制，同时产生只和相位差 有关的误差信号，来控制提纯和跟踪载波。 要使静态相差小、同步带宽，就要提高环路增益，对具有矩型鉴相特性的 第2 3 厦 国防科学技术火学研究生院学位论文 环路来说，环路增益为无穷大，故它能以很小的相差对输入信号进行跟踪，且具 图3 5 基带数字环路鉴相特性 有很宽同步带。因此，该环宜被选做高速率、宽捕捉带、高性能的q p s k 解调器 的载波恢复环路。 3 2 4 环路滤波器设计 图3 6 锁相环等效图 参考文献【5 中作者对c o s t a s 环中的滤波器进行了等效，等效图如图3 6 所示。 对于一阶环 所以：闭环传递函数为： f ( s ) = 1 ( 3 3 1 ) 第2 4 贝 国防科学技术大学研究生院学位论文 雨k f 丽( s ) ( 3 3 2 ) k 一百r 所以环路增益k 是唯一可调整的参数，如果需要大的环路增益，从而可保 证良好的跟踪性能，则带宽也必须很大，所以一阶环中窄带和跟踪性能二者是不 相容的 3 7 】。 二阶锁相环闭环传递函数为 5 ： 川d 2 再2 薪孝c o n s 。3 3 j 上+ + z 这里善为阻尼系数，c o 为环路自然角频率。开环传递函数与闭环传递函数的 关系由式3 3 4 给出。 h ( 5 ) 2 丽1 两 3 3 4 其中g ( s ) 为开环传递函数。 由等效图可以看出开环传递函数g ( s ) 与滤波器传递函数f ( s ) 的关系可由式 3 3 5 给出。 g = 器= 掣 ( 3 3 5 ) 从向，由式( 3 3 3 ) 、( 3 3 4 ) 、( 3 3 5 ) 得环路滤波器传递函数为： f ( j ) = 2 亭c o n s r + 一2 ( 3 1 3 6 ) 再由式3 3 5 式得相应的开环传递函数为： g ( s ) ：2 善o ) n _ s + 广c o n 2 ( 3 3 7 ) j 厶 利用z o h ( z e r o o r d e rh o l d ) 技术 6 】将s 域开环响应函数映射到z 域，z 域的开环响应函数为： ) = 争z 警】 ( 3 ，s ) 由此得开环响应为【5 1 ： 第2 5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 c ( z ) ：2 考c o n t ( z - 1 ) + c o _ n 2 r t 2 ( z + 一1 ) 2 ( 3 3 9 ) ( z - 1 ) z 其中t 为采样时间间隔，在后面第四章仿真中t 为仿真采样时间间隔，使 用m a t l a b 仿真时，使用的频率是n y q u i s t 频率( 采样频率的一半) ，在滤波器 的阶数选择和设计中均使用n y q u i s t 频率进行归一化处理。本课题仿真：i s = 3 7 5 m h z ，则本地载波频率为9 3 7 5 m h z ，其归一化频率为：9 3 7 5 3 7 5 = 0 2 5 。如 果要将归一化频率转换为角频率则乘丌，如果要转成h z 则乘f s 2 。 因此可将环路开环响