（信号与信息处理专业论文）wimax中的载波恢复技术研究.pdf

摘要 摘要 本文的工作分为两部分，第一部分为数字微波链路中q a m 载波恢复技术的研究：第二部分为w i m a x 中o f d m 载波恢复技术的研究。 在与国人公司合作的3 g 基站互联项目中，为了高效率的利用频带，我们采用了基于q a m 调制的数字 微波链路的设计方案。在高阶q a m 调制解调器设计中，由于q a m 信号本身结构所具有的特点，它容易 受信道中各种衰落、失真等因素的影响，而解调中再生载波的相位误差、相位抖动等对q a m 系统的信噪 比恶化特别敏感。因此如何高精度地恢复q a m 系统中的载波，是提高系统实际性能的关键问题。文章第 一部分在分析总结了经典算法的优缺点的基础上，提出了q a m 载波恢复环路设计中的三大问题：一是要 有一个足够大的捕捉范围，足以捕捉到发送端和接收端的最大频差；二是在稳态时达到足够小的相位抖动 来满足高阶q a m 调制的要求；三是消除载波恢复算法带来的n ，r 2 相位模糊。针对这三个问题，本文的 载波恢复环路采用一个鉴频器( f d ) 加一个鉴相器( p d ) 的结构，并采用差分相关编码消除了该载波恢复 算法带来的舰2 相位模糊。该结构中的f d 采用了r c f d ，它与传统的g f d 相比有着类似的性能，而且 通过在时域匹配滤波器的结构上衍生出频域匹配滤波器结构，大大节省了实现开销；该结构中的p d 采用 了改进的d d 算法，该算法在环路中添加了一个平均器来统计一段时间误差的平均值，根据误差大小来控 制环路中的增益因子，从而防止了噪声的扩散。仿真表明，该载波恢复环路可以达到3 0 0 k h z 的捕获范 围，信噪比大于1 3 d b 时，稳态对的频率误差能控制在5 k h z 以内，在1 0 e - 3 误码率时，改进后的环路误 码率比改进前约有了2 5 d b 的提高。 o f d m 是一种多载波调制技术，具有频谱效率高、抗多径干扰能力强、均衡简单等突出优点，被看作 下一代无线局域网的标准和4 g 移动通信的支撑技术。而o f d m 系统设计中的难点之一就是o f d m 系统对载 波频率同步的精度要求特别高。载波频偏对o f d m 系统影响有两大方面：一方面它使得星座图发生了旋转； 另一方面它破坏了子载波间的正交性，带来了载波问干扰。文章第二部分先分析了几种经典的o f d m 载波 频偏捕获算法和载波频偏跟踪算法，然后分小数频偏估计、整数频偏估计，残留相偏估计三部分介绍了自 己的o f d m 载波恢复算法。其中小数频偏估计部分详细分析了s c a 算法和共轭对称算法的性能，再作出比 较之后，选择了估计范围大，误差小的s c a 算法；整数频偏估计部分采用了只用一个前导符号，利用p n 序 列的相关性来估计整数频偏的简化算法，并验证了该算法在多径信道下的可行性；残留相偏估计部分采用 利用导频进行相偏跟踪的方法，并采用补偿后估计的结构来增加估计的精度。 关键字：q a m ，r c f d ，d d 、差分相关编码、o f d m 、s c a 、小数频偏、整数频偏、残留相偏、导频。 a b s t r a c t a b s t r a c t t h i sp a p e ri n c l u d e st w om a i np a r i s o n ep a r td o e sr e s e a r c ho nq a mc a r r i e rr e c o v e r yt e c h n i q u e si nd i g i t a l n 1 i c r o w a v el i n k s ；w h i l et h eo t h e rp a r tt a l k sa b o u to f d mc a r d e rr e c o v e r yt e c h n i q u e si nw i m a x i nt h e3 gb a s es t a t i o ni n t e r c o n n e c t i o np r o j e c tc o o p e r a t e dw i t hp o w e r c o mc o m p a n y , w eb a s e do u rp l a no n q a m m o d u l a t i o nf o rf r e q u e n c ye f f i c i e n c y h i g ho r d e rq a mm o d e md e s i g n sa h i g h l ye f f e c t e db yf a d i n gi nt h e c h a n n e ls i g n 鲥d i s t o r t i o na n do t h e rp r o b l e m sb e c a m eo f t h ec h a r a c t e r i s t i c so f q a ms i g n a l s t h ep h a s ee r r o ra n d p h a s ej i t t e ro ft h er e c o v e r e dc a r r i e ra r ev e r ys e n s i t i v et ot h es n rf a i l u r eo ft h eq a ms y s t e m s oi ti sak e y p r o b l e mt od ot h ec a r r i e rr e c o v e r yp r e c i s e l y w ef i r s ta r i s et h r e em a i np r o b l e m si nq a m c a r r i e rr e c o v e r y t h ef i r s t p r o b l e mi st h a tt h er e c o v e r yl o o pm a s th a v eaa c q u i s i t i o nr a n g ee n o u g l lt oc h a t ht h eb i g g e s t 呐u e n c ye r r o r ；t h e s e c o n di st or e a c hap h a s ej i t t e rs m a l le n o u g ht om e e th i g hl e v e lq a mm o d u l a t i o nr e q u i r e m e n t s ；t h et h i r di st o e m i l i a t et h en 冗l2p h a s ea m b i g u i t y t os o l v et h et h r e ep r o b l e m , t h ep a p e ru t i l i z eas t r u c t a r eo faf da n dap d a n da m i l i a t et h en ；j r 2p h a s ea m b i g u 酊u s i n gt h ed i f f e r e n t i a lc o d i n g t h ef da s c sr c f da l g o r i t h m r c f dh a s s i m i l a rp e r f o r m a n c ea sg f d w h i l ei tc o s t sl e s si nr e a l i z a t i o n ，b e c a u s ei tr e a l i z et h et i m em a t c hf i l t e ra n d f r e q u e n c ym a t c hf i l t e ri no n es t r u c t u r e t h ep du s e si m p r o v e dd ds t n m m r e ，t h i sa l g o r i t h ma d d sa ne r r o re s t i m a t o r i nt h el o o p 幻c o n t r o lt h eg a i nf a i r1 a t e rs oa st oc e n t r e lt h en o i s e i nt h el o o p t h es i m u l a t i o ns h o w st h a tt h e u t i c rr e c o v e r yl o o ph a sl a r g ea c q u i s i t i o nr a n g eu pt o3 0 0 k h z , s m a l ls t a t i cp h a s ej i t t e ru pt o5 k h z , a n dh a v e i m p r o v e dp e r f o r m a n c ei nl o ws n rp e r f o r m a n c e o f d mi sam u l t i c a r r i e rm o d u l a t i o nt e c h i n i q u e , i th a sh i g hf r e q u e n c ye f f i c i e n c y , a n t im u l t i p a t hd i s t o r t i o na n d m a n yo t h e ra n d v a n t a g e s o n eo ft h ek e yp r o b l e m si no f d ms y s t e md e s i g ni st h a to f d ms y s t e mh a sh i 曲 r e q u i r e m e n t sa b o u tc a r r i e rs y n c h r o n i z a t i o n c a r r i e ro f f s e th a st w om a i ni n f l u e n c eo no f d ms y s t e m s ：o n0 1 1 eh a n d i tm a k e st h ec o n s t e l l a t i o nr o t a t e s ；o nt h eo t h e rh a n d , ；td e s t r o y st h eo n l l o o n a l i t yb e t w e e nc 硎e r s ，s oc a g s e si n t e r c a r r i e rd i s t o r t i o n t h es e c o n dp a r to f t h ep a p e rf i r s ti n t r o d t t c e ss e v e r a lc l a s s i c0 f d mc a r r i e rr e c o v e r ya l g o r i t h m s a n dt h e ni n t r o d u c e so u ro f d mc a r d e rr e c o v e r ys y s t e mi nt h r e es m a l lp a r t s ：f r a c t i o n a le r r o re s t i m a t i o n , i n t e g r a l e r r o re s t i m a t i o na n dp h a s ee r r o re s t i m a t i o n t h ef r a c t i o n a le r r o re s t i m a t i o np a na n a l y z e st h ep e r f o r m a n c eo fs c a a n dc o n j u g a t es y m m e t r ya l g o r i t h m a f t e rc o m p a r i n gt h ep e r f o r m a n c eo ft h et w oa l g o r i t h m s ，w ec h o o s es c a ， w h i c hh a sal a r g e re s t i m a t i o nr a n g ea n ds m a l l e re r r o r t h ei n t e g r a le s t i m a t i o np a r tu t i l i z e so n l yo n ep r e a m b l e s y m b e la n dt a k e st h ea d v a n t a g eo f t h er e l a t i v i t yo f t h ep nc e d et oe s t i m a t et h ee r r o lt h ep h a s eu 豇t o re s t i m a t i o n p a r tu t i l i z eo o ep i l o tt o n et ot r a c kt h ep h a s ee r r o ra n du s e st h ee s t i m a t i o na f t e rc o m p e n s a t i o ns t r u c t u r et oi m p r o v e p r e c i s i o n k e yw o r d s ：q a m ，r c f d ，d d d i f f e r e n t i a lr e l a t i o n a lc o d i n go f d m ，s c a ，f r a c t i o n a le r r o re s t i m a t i o n ，i n t e g r a l e r r o re s t i m a t i o n ，p h a s ee r r o re s t i m a t i o n ，p i l o tt o n e 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或撰写过的 研究成果，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了谢意。 研究生签名：蕉幽日期：旦生：移 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 和电子文档，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 文的内容相一致。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) 论文的全部或部分内容。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：基盘 导师签名：日期：谚；z o 第一章绪论 1 1 w i m a x 技术背景介绍 1 1 1 r i m a x 协议标准的发展 第一章绪论 w i m a x ( w o r l d w i d ei n t e m 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 ) 是一种基于i e e e8 0 2 1 6 标准的宽带无线接 入城域网( b r o a d b a n d w i r e l e s s a c c e s m e t r o p o l i t a n a r e a n e t w o r k ) 技术。w i m a x 最高可以提供7 5 m b i t s 的传输 率，单基站覆盖范围最大可达到4 8 k m 。w i m a x 能应用于很多领域，包括“晟后一公里”接入、热点、蜂 窝回程技术以及商业用户的企业级连接。 最早的i e e e8 0 2 1 6 标准是在2 0 0 1 年1 2 月获得批准的，是针对1 0 6 6 g h z 高频段视距( l j n eo f s i g h t ) 环境 而制定的无线城域网标准。但目前所说的8 0 2 1 6 标准主要包括8 0 2 1 6 a f l 】1 2 】、8 0 2 1 6 d 和8 0 2 1 6 e 三个标准。其 中8 0 2 1 6 a 是为工作在2 ilg h 灏段的非视距( n o n l i n eo fs i g h t ) 宽带固定接入系统而设计的，在_ 2 0 0 3 年1 月被i e e e 批准通过：8 0 2 1 6 d 是8 0 2 1 6 a 的增强版本，主要是统一固定无线接入的空中接口，该标准已经于2 0 0 4 年6 月正式批准。而8 0 2 1 6 e 的目标是在8 0 2 1 6 d 固定无线接入标准研制的基础上，支持移动特性，8 0 2 1 6 e 目前正在加入新的特性，如切换、安全等。表1 1 对比了8 0 2 1 6 协议各个版本的特点。 表i 1 ：w i m a x 各个版本协议对比 8 0 2 1 68 0 2 1 6 a d8 0 2 1 6 e 频率 1 0 6 6g h z2 l l g h z2 6 g h z 带宽 2 0 ，2 5 2 8m h z1 2 5 2 0m h z1 2 5 | 2 0m h z 数据速率 3 2 一1 3 4m b i f f s7 5m b i f f s1 5 - 6 0m b i f f s 传输条件 视距 非视距 非视距 调制方式 q p s k 、1 6 q a m 和 o f d m 、b p s k 、o f d m 、b p s k 、 6 4 q a m q p s k 、1 6 q a m 、q p s k 、1 6 q a m 、 6 4 q a m 6 4 q a m 终端移动特性固定固定 1 5 0 k m h 最初，8 0 2 1 6 标准的目标只局限在固定无线接入的范围内，w i m a x 的成员大部分也是原来的固定无线 接入设备厂商和运营商。随着8 0 2 1 6 e 的提出，w i m a x 的概念有了很大的突破，已经涉足到移动的领域， 其目标定在了1 2 0k m h 的速度下实现宽带无线接入。i e e e8 0 2 1 6 e 足移动宽带无线接入标准，该标准后 向兼容i e e e8 0 2 1 6 d 、i e e e8 0 2 1 6 e 的物理层实现方式与i e e e8 0 2 1 6 d 是基本一致的，主要差别是对o f d m a 进行了扩展，可以支持2 0 4 8 点、1 0 2 4 点、5 1 2 点和1 2 8 点的快速傅立叶变换，以适应不同载波带宽的需要。 为了支持移动性，8 0 2 1 6 e 还在m a c 层引入了很多新的特性。 东南大学硕士学位论文 1 1 2w i m a x 的应用与前景 w i m a x 从本质上说是一种无线电技术，它能够提供双向互联网接人服务，速率高达每秒7 5m b s ，该 技术能够在5 0 公里范围内借助无线方式进行数据传输，并能够覆盖半径达1 6 公里的范围，在这个范围里， 其数据带宽优于d s l 和c a b l em o d e m 。所以w i m a x 具备一定的技术和价格优势，但此技术目前仍然处在早 期的测试实验阶段，其宜称的性能尚未得到全面的证实。w i m a x 技术预期将于2 0 0 6 年用于笔记本电脑和 p d a ，从而使城区以及城市之间形成“城域地带( m e t r o z o n e s ) ”，为用户提供便携的室外宽带无线接入。 随着因特尔的倡导，w i m a x 论坛的成员越来越多，w i m a x 的前景也似乎一片看好，根据国外公司预 测，2 0 0 4 2 0 0 7 年w i m a x 基站和用户端设备的销售收人年均增长率将达到1 4 2 5 ；在2 0 0 8 2 0 0 9 年， 市场将进入快速增长期，销售牧人将分别增长4 7 和6 6 。到2 0 0 9 年，市场规模将达到2 6 亿美元。w m a x 作为一种面向“最后一公里”接人的标准，尤其在目前全球缺乏统一宽带无线接人标准之际，有重要现实 意义与战略价值；而且就覆盖环境限制及部属成本考虑，对于用x d s l 、c a b l e m o d e m 方式不能有效覆盂、 不便于和不值得部署有线网络的区域，w i m a x 更是大有用武之地。而且在8 0 2 1 6 a 基础上增强改进的 s 0 2 1 6 c 标准，更有助于有效延伸w l a n 的连接，从而将有望与w i f i 互补联手，有力地推进热点地区及家 庭与s o h o 等小型办公区域的w i f i 有效发展，使w i f i 与w l m a x 互补发展，形成一种健康、合理的发展格局。 1 1 3w i g a x 面临的挑战 首先是在市场需求方面。拿w i f i 为例子，尽管技术已经十分成熟，但w i f i 用户实际需求不足导致目前 w i f i 热装冷用得局面。w i f i 的使用情况也给w i m a x 敲响了警钟。w i m a x 的个人用户定位显然还需要段 过程，而对于晰m a x 的集团用户定位，则受到光纤等有线接人的强有力挑战，虽然晰m a x 具备无线优势， 但无处不在的光纤和铜缆注定w i m & x 只能处于辅助接人方式地位。 其次是技术上得竞争。w i m a x 的定位是无线城域网，而在城域网范畴使用的宽带无线接人手段多种多 样，除了w i m a x 以外，f s o 、3 5 g 、l m d s 等固定宽带无线接入技术均可以做到高带宽和远距离覆盖， w i m a x 的商用需要直接和以上各种成熟的技术展开竞争。从目前来看，l m d s 、f s o 、3 5 g 的应用非常广 泛，而且随着使用数量的扩大，成本优势逐渐体现出来。 最后，w i m a x 面临的重要挑战是其建设成本和设备价格，y a n k e eg r o u p 的分析数据指出，目前m m d s 多点多信道分布式系统，包括w i m a x 天线部署在内的每用户成本高达3 0 0 0 美元左右，这不仅使运营商难以 获得足够的投资回报，也将使用户无法接受，更何况对中国3 5 g h z 频段这一资源很有限的m m d s 宽带无 线接入系统，经过几轮方案更新及技术创新后，各类设备己具备相当优良的性价比，w i m a x 如果按上述类 似的价位参与竞争将面临严峻的挑战。 1 2 高速单载波调制技术简介 1 2 1 数字微波技术简介 数字微波通信( d i g i t a lm i c r o w a v ec o m m u n i c a t i o n ) 是一种基于时分复用技术的数字通信体制。常采用 2 第一章绪论 高阶正交调幅( q a n i ) 或移相键控( p s k ) 等调制方式。可以用来传输语音、数据和图像信号。数字微波 通信具有两大技术特征：一是传送的信号是按照时隙位置分列复用而成的统数据流，具有综合传输的特 性；二是利用微波信道来传送信息，拥有很宽的传输带宽，可以复用大量的数字电话信号，可以传送电视 图像或高速数据等宽带信号。 由于微波电磁信号按直线传播，数字微波通信可以按直视距离设站( 基站间距可达5 0 千米) ；因此， 建设起来比较容易。特别在丘陵山区或其它地理微波条件比较恶劣的地区，数字微波通信具有一定的优越 性。在整个国家通信的传输体系中，数字微波通信也是重要的辅助通信手段。 我国的数字微波通信研究始于2 0 世纪6 0 年代。在2 0 世纪6 0 年代至7 0 年代初为起步阶段，研制出了 小、中容量数字通信系统，并很快投入了应用，调制方式以q p s k 为主，并有少量设备使用了8 p s k 调制。 2 0 世纪8 0 年代，我国数字微波通信的单载波传输速率上升到1 4 0 m 1 # $ ，调制方式一般采用1 6 q a m ，同时 自适应均衡、中频合成和空间分集接收等高新技术开始出现。2 0 世纪加年代后期至今，随着同步数字序 列( s d h ) 在传输系统中的推广应用，数字微波通信进入了重要的发展时期。目前，单载波传输速率可达 3 0 0 m b s 以上，6 4 q a m 甚至2 5 6 q a m 等高阶调制技术被广泛采用：另外，为了进一步提高数字微波系统 的频谱利用率，同渡道交叉极化传输、多重空间分集接收和无损伤切换等技术得到了应用。这些新技术的 使用将进一步推动数字微波通信系统的发展。 1 2 2 数字微波通信的特点 数字微波通信是用微波作为载波来传递数字信号的一种通信方式，它同时具有数字通信和微波通信的 一些特点：抗干扰能力强，线路噪声不积累；保密性强：便于组成数字通信网；设备体积小，功耗低。 1 3 本文的主要内容及结构 本文的主要内容分为两大部分，第一部分为与国人通信公司合作的3 g 基站互联项目中q a m 解调器载 波恢复环路的设计：第二部分为基于w i m a x 的o f d m 载波恢复环路设计。 第一章首先从w i m a x 协议标准的发展、w i m a x 的应用与前景以及w i m a x 面临的挑战三个方面介 绍了w i m a x 的技术背景。然后在简单的介绍了数字微波之后，分析了数字微波技术的特点。 第二章深入研究了q a m 载波恢复环路设计方法。本章首先分析了q a m 载波同步性能对解调信号的 影响，然后介绍了几种经典的非数据辅助载波恢复算法。在总结了各个方法的特点之后，文章提出了q a m 载波环路设计中的三个问题，并针对这三个问题设计了自己的载波恢复环路，提出了差分相关编码。本章 的最后给出了该载波恢复环路的误码率曲线。 第三章首先介绍了o f d m 的技术原理及概念，着重介绍了o f d m 的f f t 实现、o f d m 基带系统的结 构以及o f d m 中的保护间隔和循环前缀。然后文章在简单介绍了i e e 髓0 2 1 6 协议的基础上，着重介绍了 与载波恢复相关的前导序列以及导频结构。 第四章为基于w i m a x 的o f d m 载波恢复环路设计在分析了载波频偏对o f d m 调制的影响之后，分 载波频偏捕获和载波频偏跟踪两部分介绍了一些o f d m 载波恢复的经典算法。在分析了各种经典算法之 后，本文分小数频偏估计、整数频偏估计和残留相偏估计三部分介绍了本文基于8 0 2 1 6 的载波频偏估计算 3 东南大学硕士学位论文 法。并在每部分后给出了仿真结果。 第五章总结了全文，并提出了下一步工作的建议。 4 第二章q a m 载波恢复环路设计 第二章o a t l 载波恢复环路设计 2 1q a m 载波恢复设计方法综述 高阶q a m 信号的解调对载波同步要求很严格，很小的相位偏差都会带来较大的误码率。由于q a m 信 号本身结构所具有的特点，它容易受信道中各种衰落、失真等因素的影响，而解调中再生载波的相位误差、 相位抖动等对q a m 系统造成的信噪比恶化特别敏感。如何高精度地恢复q a m 系统中的载波，是提高系 统实际性能的关键问题。比如对1 2 8 q a m 信号，2 度的静态相位误差会带来3 d b 的性能损失，对于2 5 6 q a m 信号2 度的相位误差将会带来6 d b 性能损失聊可见，载波相位的准确性对q a m 信号解调性能的影响非常 大，并且阶数越高的q a m 信号对同步性能的要求越高。 q a m 信号的载波误差估计分为数据辅助类方法和非数据辅助类方法两大类 6 1 。其中，数据辅助类方法 主要借助于训练符号或导频来提取载波同步的信息。这类方法依靠判决器的输出判决来产生有正确频率和 相位的本地载波，有着较高的精度，然而依靠数据判决的方法由于频率衰落等原因会破坏数据判决的精度， 从而导致恢复出的载波不但有偏差而且有很长的时延【4 j ，而且采用插入导频的方法会损失一定的信号功率 和频谱利用率p 】。非数据辅助类方法在发送端不专门传送载波或有关载波的信息，接收端直接从收到的已 调信号中提取载波，即环路提取载波法。该类方法不需要在发送端发送导频，因而效率高，且发送电路简 单。在3 g 网络互联的系统的设计中，数据都是按照数据流来处理的，没有固定的格式，因此数据辅助的估 计方法不适用于本系统，而采用非数据辅助类的方法。 用特殊的锁相环来获得载波同步按其信号所述频段范围可划分为两大类【h ：一类为中频处理方式；一 类足基带处理方式。中频处理方式有倍频环、逆调制和再生调制环。6 0 年代末至7 0 年代中期产生和发展了 倍频环，7 0 年代初至中期逆调制环和再生调制环甚为流行。7 0 年代后期开始，同步解调的研究多转向基带 处理方式，有利于高速化、通用化和集成化，并且随着高效调制信号矢量点变多，直接对键控点信号进行 非线性处理会比较复杂，因而采用基带处理方式。 本章首先从理论上分析了载波误差对解调性能的影响，然后分别介绍了几种经典的q a m 载波恢复算 法。再分析了备种算法优点和缺点的基础上。文章提出t q a m 载波恢复环路设计中的三个问题，并针对这 三个问题提出了自己的载波恢复算法，并给出了仿真结果。 2 2q a m 载波同步性能对解调信号的影响 载波同步系统的主要性能指标是高效率及高稽度。高效率指在获得载波的情况下，尽量减少发送功率 的消耗。高精度是要求所提取的相干载波的相位误差尽量少。除此之外，还有同步建立的时间、保持时间 及相位抖动等指标。这些指标对不同的提取方法、不同信号及噪声的情况备有不同，而主要取决于提取载 波的锁相环的性能。 对解调信号的影响主要体现为所提取的载波与接收信号中的载波的相位误差。在q a m 调制中，q a m 信号可以表示为： 东南大学硕士学位论文 s ( t ) = a ( t ) c o s ( a g t + q 6 ) 一b ( t ) s i n ( c a j + ) ( 2 - 1 ) 在接收端两个正交子载波分别为： c 暑( f ) = c o s ( c o j + # ) 和c ：( f ) = 一s i n ( 6 咚f + ) ( 2 - 2 ) 相关解调后的同相和正交分量分别为： r = l 2 a ( t ) c o s ( # - 庐) 一l 2 b ( t ) s i n ( # 一妒)( 2 - 3 ) = 1 2 b ( t ) c o s ( # - # ) + 1 2 a ( t ) s i n ( 一) ( 2 - 4 ) 可以看到，相位误差痧= 声一妒：如果设稳态相差为b ，相位抖动为以，则有 矽= 包+ 瓦( 2 - 5 ) 由式( 2 3 ) 和式( 2 - 4 ) 可以看出，相位误差妒的存在，不但使得期望信号的功率减少了c o s 2 ，而且在 同相和正交分量之间引入了正交干扰阁。由于a ( t ) 和b ( t ) 的平均电平功率相似，一个很小的相位误差就可能 引起性能较大的下降。可见载波恢复在整个接收机中有着很重要的作用。 2 3 几种经典的非数据辅助载波恢复算法 2 3 1 四次方载波恢复法 在使用q a m 调制的数字微波链路中，接收端的载波恢复环路保证了解调的相关性，是一个十分重要 的环节。q a m 可以看成足q p s k 的逻辑扩展，因此应用于q p s k 的传统的四次方环载波恢复法也可以用 在q a m 中。四次方载波恢复环路通过一个4 的乘法器产生一根频率为4 c 的谱线( 其中c 为载波频率) 和其他噪声分量。再把信号通过一个窄带p l l 环路，从中提取出4 c 的谱线，然后四分频，就得到了载波 频率e 。 图2 1 数字微波接收器中的四次方恢复研、路 图2 i 是数字微波接收器中的一个四次方载波恢复环路。从r f 接收到的信号旨先进行下变频，然后在 6 第二章q a m 载波恢复环路设计 图中i f ，a g c 模块中进行放大、滤波和a g c 处理，处理后的信号被送到载波恢复环路。载波恢复环路中包 括一个非线性的x 4 阶段，经过非线性的处理之后会产生根四倍于i f 输入频率的谱线，同时由于非线性 处理，带来了其他的噪声分量，绝大多数噪声分量将被后面的p l l 去除。p l l 的构成由如图中的虚线框， 通过在v c o 和p l l 相位检测器之间加入一个x 4 的环节，v c o 稳定后的频率将会在希望得到的中频上。 因此，p l l 的输出就是希望得到的本地中频，可以用在后面的相关解调中。解调后的信号包括v q 两路基 带信号，这两路信号将被送入基带处理及检测器模块，基带模块包括滤波、自适应均衡、时间同步以及数 据判决。 历帮 一 c ，、。 ” 图2 21 6 q a m 信号四次方环原理示意图 图2 2 以1 6 q a m 为例子说明了四次方环载波恢复方法的原理。图中的a ，b 、c 三点，经过4 ”乘法后分 别被映射到了4 、b 和c 。其中爿和c 只有同相分量，没有正交分量，正好形成了4 ，二的谱线，用窄带 锁相环将锃的谱线提取出来，再经过四分频就得到了载波频率z 。然而，由于q a m 信号星座点的幅度变 化太大，如c 的信号幅度太小，很难驱动数字锁相环，只有采用模拟p l l 才能保证载波恢复环路的正常工 作。同时口中的信号还带有正交分量，它会带来相位抖动，产生调制噪声。针对这些问题，y o n g t a el e e ， y o u n g - o kp a r k 等分别在文献【9 】，【l o 】中提出了一些改进方，这里不详细讨论。 从上面的讨论可以看出，四次方载波恢复算法的最大优点是无需精确的数据判决，即使信道中存在严 重的衰落，误比特率较高，载波也可以实现同步，这样载波环路可以独立于均衡器而实现。但是，一方面 随着q a m 星座点阶数的升高，两种类型星座点的区分将越来越难，对信号幅度误差也会更加敏感，这样环 路捕捉能力将不断降低，输出相位抖动也将随之增加；另一方面，在系统要同时实现m q a m ( m = 3 2 、6 4 、 1 2 ) 的情况下，各种情况区别集合的方法各不相同，硬件复杂度较高。从实现角度上看，四次方环法属于 中频处理方式，环路工作在载波频率上，从芯片实现考虑，对时序和硬件资源要求都比较高。 7 东南大学硕士学位论文 2 3 2 同相一正交环载波恢复算法 周相一正交环又称科斯塔斯( c o s t a s ) 环，模拟实现框图如图3 3 所示。用模二和电路取代乘法器，增加 判决器，即可实现数字化处理，数字化后的环路叫松尾环。 同相一正交环路的鉴相式子为： = 圻。白，( + 竹) ( 物一砟) ( 2 - 6 ) 经过简化处理后可以得到数字处理表达式： = s g n ( s i n4)(2-7) 其中表示恢复载波和已调信号载波间的相位误差。通过分析可以知道，鉴相s 曲线周期为，r 2 ， 在( 一万，筇) 之间有4 个可能锁定的点，因此这种方法会带来a 1 2 相位模糊，可以用文中提到的相关差分编码 解决。这种同相一正交环是一种统计跟踪方式l ，要求信号的矢量点严格等概分布，否则将在环路跟踪时 出现假锁点。该方法一般用于q p s k 相干解调，若要实现q a m 解调，需要进行一定的修正。因为q a m 信号 星座点只有部分位于对角线上，采用松尾环不可能完全消除己调信号中的调制信息，会引入调制噪声。可 以采用带选择控制的松尾环，基本思想就是扣除非对角线上矢量的相位信息，在这里不详细讨论。这种环 路属于基带处理方式，具有构成简单、性能较好等优点。是7 0 年代中期数字微波广泛采用的电路。然而， 环路虽然消除了偏离对角线的矢量对环路的干扰，但它并不能使这些矢量对环路起有益作用。从载波跟踪 的角度分析，不起作用的矢量将会降低环路的增益，不利于环路的跟踪。此外，环路内部加入选择控制后， 也会引入和调制码型有关的信息，同样也会增加载波的相位抖动，从而限制了环路信噪比的进一步提高， 降低了解调质量。 2 3 3 通用载波恢复环路 法国国家电信中心实验室莱耳特( a l e c l e r t ) 于1 9 8 3 年提出了一种专门用于q a m 信号的通用载波恢复 环，简称为通用环【“。随后，蒙里特( s m 耐d r ) 等又在通用环基础上稍加改进。通用环的基带处理函数可以 表示为： z 屯= s g n ( u ：一玩) os g n ( 码) 一s g n ( u c ) | 一如) o s g n ( 呒) ( 2 - 8 ) 8 第二章q a m 载波恢复环路设计 其中，嘶和为正交鉴相器输出的两路正交信号，刃和分别是两路正交信号的判决值。器结构如 图2 4 所示： 图2 4 通用环原理框图 这种环路从理论上说可以完全消除统计跟踪法或矢量点扣除法所固有的码型噪声，达到比较理想的载 波跟踪。通用环相位抖动小，可以实现很好的跟踪性能，并且从硬件实现看仅用加法器和异或门即可。无 需乘法器，结构简单，便于芯片实现。 但是，随着m q a m 星座点阶数升高，虽然环路鉴相增益逐渐增大，但同时输出抖动方差也不断加大， s 曲线的线性范围逐步减少，环路可捕捉范围随着阶数增加迅速减少。另外，通用环是面向判决的，它对基 带信号进行了硬判决，基带信号中丰富的信息没有被利用起来。当载波频差比较大或回波干扰比较严重时， 判决都很不可靠，使得提取出的误差也不可靠，这时载波同步环路无法很好地工作。只有当载波频差很小 时，判决比较可靠了。才能有效地恢复出载波。 综上分析，通用环般只用于环路的跟踪。若用于环路的捕捉，捕捉范围将非常小，2 5 6 q a m - - 般不 会超过士1 0 k i - i z 。因此，必须通过其他方法来扩展环路的捕捉范围。比如说频率扫描，环路滤波器切换或 者使用辅助的频率检测( f d ) 电路。 2 3 4g f d ( g a r d n e r sf r e q u e n c yd e t e c t o r ) 频率检测器 辅助的频率捕捉技术用来扩展环路的捕捉范围，它们包括扫频技术、环路滤波器的切换技术和辅助频 率检测器技术等。在这些辅助技术当中，辅助的频率检测器有着最小的捕获时间，因此效率是最高的。 g f d 是辅助频率检测器中的一种，它是由g a r d n c r 在文献【1 3 】中提出的的一种最大似然频率检测器，因 此我们称它为g a r d n e r sf d ( g f d ) 。g f d 采用最大似然原理，它的结构和传统的平方律相关器很相似，唯 一不同的地方是用频域的派生代替了平方律相关器在时间域的派生。同时，除了传统的匹配滤波器( m f ) ， g f d 还采用了一个频域匹配滤波器( f m f ) ，因此加大了接收机的复杂度。图2 5 为g f d 的原理框图： 9 东南丈学硕士学位论文 图2 5g f d 的原理框图 号 以下是结合原理图对g f d 原理的进一步推导。假设在高斯白噪声信道上传递m 2 个状态的q a m 信号， 那么接收到的复信号就是： ，( ，) = a t h ( t - k t - r ) e j ( 2 r o t 棚+ 盯( ，) ( 2 - 9 ) 其中 ( r ) 足发送滤波器的冲激响应，吼是发送的符号数据，t 是符号周期，h ( f ) 是加性噪声。其中延 时“载波频率石，载波相位护都是接收方未知的。 接收到的信号被解调然后送到冲激响应为矿( 一) 的时域匹配滤波器。这时以符号速率采样的输出是： t = r ( t ) e - j ( 2 椭+ 。o 矗) k ( 2 - l o ) 其中。表示卷积，磊和岛分别表示了在解调器中所用的载波频率和载波相位 解调后的信号还将经过一个频域匹配滤波器，其冲击响应为： c ( t ) = - j 2 ，r t h ( - t ) ( 2 11 ) 频域匹配滤波器的输出与匹配滤波器的输出将被同步采样，记它的第k 个采样为y k ，根据最大似然原 理，g a r d n e r 设计出了一个鉴频器，其控制信号为： 毛= r e ( x t 以) ( 2 1 2 ) 如图2 5 ，控制信号被送入环路滤波器进行低通滤波，滤波的输出被用来控制一个v c o ，来纠正载波的 偏差。从上面的推导可以看出，g f d 除了传统的时域匹配滤波器。还采甩了一个频域匹配滤波器来产生控 制信号瓯从而相对于平方律相关嚣，增加了设计的复杂度。 2 4 本文的q a m 载波环路设计 2 4 1q a m 载波恢复环路设计中的三个问题 高阶的q a m 调制由于具有很高的带宽效率，被经常用在高速的数字微波链路中。在数字微波链路中， 射频模块、中频模块、和其他前端处理都可能带来很大的相位噪声，而高阶的q a m 调制对相位噪声很敏 感，很小的的偏差都有可能将信号点旋转至错误的位置，导致误判。因此，对于高阶q a m 调制，接收端 的载波恢复环路显得特别重要。 在本文的q a m 载波恢复环路设计中主要有以下三个问题： 1 0 第二章q a m 载波恢复环路设计 1 ) 要有一个足够大的捕捉范围，足以捕捉到发送端和接收端的最大频差； 2 ) 是要在稳态时达到足够小的相位抖动来满足高阶q a m 调制的要求； 3 ) 消除载波恢复算法带来的聊2 相位模糊。 接收 图2 6 载波恢复环路结构图 为了解决前两个问题，本文采用了如图2 6 所示的p f d 载波恢复环路结构。p f o t ”1 是把f d 和p d 结合成一 个电路，称为相位和频率检测撤p f d ) ，环路锁定前，以f d 方式工作，锁定后，转为p d 方式进行跟踪。图 2 6 中的f d 部分解决了捕获范围的问题，文中的f d 采用r c f d 算法来实现，环路的捕获性能由f d 以及对应 的传输滤波器珥( ，) 决定：图中的p d 部分使稳态时的相位抖动能控制在一个可以接收的范围之内，文中的 p d 采用改进后的d d ”( d