（信号与信息处理专业论文）ebpsk接收机的系统同步.pdf

摘要 摘要 空中的无线电频谱越来越拥挤，频率的资源性影响e l 益彰显。为在单位频带内高速传输信息， 就要尽可能提岛频谱利用率。扩展的二元相移键控( e b p s k ，e x t e n d e db i n a r yp h a s es h i f tk e y i n g ) 就是一种旨在提- 岛频谱利用率的高效调制方法。本文章点研究和实现该调制传输系统中接收机的 同步技术，包括频率同步和时间同步两方面，核心是利用锁相环( p l l ，p h a s el o c k e dl o o p ) 与 该调制波形的技术特征相配合。 首先，通过概述超窄带通信的基本思想，引出了基于锁相环的e b p s k 传输系统的调制、解 调的基本原理。 其次，按照频率同步和时问同步的顺序，从原理和仿真两方面研究了e b p s k 接收机的载波 同步、码速估计、位同步和帧同步技术。其中，载波同步采用了经典的锁相环理论；码速估计在 鉴相器输出信号的频域进行，使得e b p s k 接收机可自动跟踪发射机的传输码率变化；位同步是 基于数锁桐环位并结合e b p s k 信号特点作了相应的简化和补充；帧同步则采用巴克( b a r k e r ) 码作为辅助码按相关法实现。 然后，在p c 平台上仿真实现了包括调制解调在内的较为完整的e b p s k 传输系统，并将其 中的锁相环和位同步模块移植到了t i 公司的t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 处理器开发板( d s k ) 上。 最后，给出了系统的设汁结果和改进设想。 关键，：调制解调，扩胜的二元相移键控，锁相环，同步，数字信号处理器 a b s t r a e t a b s t r a c t r a d i os p e c t r ai nt h ea i ra r ec l o s e p a c k e dm o r ea n dm o r e s oi t si m p a c to ff r e q u e n c ya sav a l u a b l e r e s o u r c ei si n c r e a s i r l 羽yp r o m i n e n t i ti sn e c e s s a r yt oi n c r e a s es p e c t r u me f f i c i e n c yt ot h eb e s to fo u r a b i l i t i e ss o 嬲t ot r a n s m i ti n f o r m a t i o nw i t hh i g l ld a t ar a t ei nc e r t a i nf r e q u e n c yb a n d 1 1 1 ee x t e n d e d b i n a r yp h a s es h i f tk e y i n g ( e b p s k ) i sj u s ta l le f f i c i e n tm o d u l a t i o na i m e dt or i s es p e c t r u me f f i c i e n c y t h i st h e s i sf o c u so nt h er e c e i v e rs y n c h r o n i z a t i o no ft h ee b p s kt r a n s m i s s i o ns y s t e ma tt w oa s p e c t so f b o t hf r e q u e n c ya n dt i m e ，w h e r et h ek e yi st ou t i l i z eap h a s el o c k e dl o o p ( p l l ) t oc o o p e r a t ew i t ht h e t e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i co f t h em o d u l a t e dw a v e f o r m s b ys u m m a r i z i n gt h eb a s i ci d e aa b o u tu l t r an a r r o wb a n d ( u n b ) c o m m u n i c a t i o na tf i r s t , t h e r a t i o n a l eo f m o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o ni nap l l b a s e de b p s kt r a n s m i s s i o ns y s t e mi se l i c i t e d s e c o n d l y ，a c c o r d i n gt ot h eo r d e ro ff r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o na n dt e m p o r a ls y n c h r o n i z a t i o na n d f r o mt h ea s p e c t so ft h e o r ya n ds i m u l a t i o n ，t h i sp a p e rr e s e a r c h e sc a r r i e rs y n c h r o n i z a t i o n ，b i t - r a t e e s t i m a t i o n ，b i ts y n c h r o n i z a t i o n ，a n df r a m es y n c h r o n i z a t i o no ft h ee b p s kr e c e i v e r i nd e t a i l ，t h e t r a d i t i o n a lp l lt h e o r yi su s e di nc a r r i e rs y n c h r o n i z a t i o n ；t h eb i t - r a t ei se s t i m a t e di nf r e q u e n c yd o m a i no f t h ep d ( p h a s ed e t e c t o r ) so u t p u ts i g n a l ，w h i c he n a b l e st h ee b p s kr e c e i v e rt ot r a c kt h ev a r i a b l eb i t - r a t e ( v b r ) a u t o m a t i c a l l y ；t h er e a l i z a t i o no fb i ts y n c h r o n i z a t i o ni sb a s e do nad i g i t a lp l lb u ts i m p l i f i e da n d r e i n f o r c e di nt h el i g h to fs p e c i a le b p s ks i g n a l s ；a n dt h ef r a m es y n c h r o n i z a t i o ni sc o m p l e t e db y c o r r e l a t i o nw h e r et h eb a r k e rc o d ei sa d d e da si t sa s s i s t a n t a n dt h e n ，a na r c h e t y p a le b p s kt r a n s m i s s i o ns y s t e mi n c l u d i n gi t sm o d u l a t o ra n dd e m o d u l a t o ri s s i m u l a t e do np co fw h i c ht h ep l lm o d u l ea n db i ts y n c h r o n i z a t i o nm o d u l ea r et r a n s p l a n t e dt oad s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) e v a l u a t i o nb o a r df o rt i st m s 3 2 0 c 6 7 1 3c h i p f i n a l l yt h i sp a p e rp r e s e n t st h er e s u l to f s y s t e md e s i g na n ds o m ei m p r o v e m e n t a d v i c e k e y w o r d ：m o d u l a t i o n d e m o d u l a t i o n ；e b p s k ；p l l ；s y c h r o n i z a t i o n ；d s p l i 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：蕉筮筮 日期： 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： 檄，导师签名 第一章绪论 1 1 超窄带通信概述 第一章绪论 信息社会对通信提出了越来越高的要求，为了提高数据传输速度。现代通信正朝着宽带，超宽带 ( u w b ：u l t r aw i d eb a n d ) 技术方向发展，占用的频率资源越来越大，但是信息传输的带宽效率却仍然 不高，即便是最新的3 g 移动通信技术t d - s c d m a ，在1 6 m h z 带宽上其数据业务传输速率仅为2 m b s 。 在带宽一定的情况下，如何能使信息传输更快，提高带宽效率非常重要。因而近年来，高效传输技术受 到关注，尤其是超窄带调制技术以其独有的非凡信息传输能力令人刮目相看。 1 1 1 发展历程 超窄带【l i ( u n b ：u l t r an a r r o wb a n d ) 通信( 又被美国的p h o t r o nt e c h n o l o g i e s 公司注册为 u s m ，u l t r as p e c t r a lm o d u l a t i o n ) 是一种可以提供极高频谱利用率的调制技术，最初由美国人h r w a l k e r 提出，并于1 9 8 8 年中请第一项专利。u n b 通信的基本原理是适当调整表示逻辑o ”和“l ” 的载波波形，使得信号的传输码率在数值上等于载频，接收端使用特殊的检测技术检测发送数据， 1 9 9 7 年1 月w a l k e r 在论文中称v m s k 的传输效率已达1 5 b p s h z l 2 1 ；而2 0 0 0 年9 月2 2 日，在美 国麻省伯林顿的m a r r i o t 酒店里，w a l k e r 先生又用一个3 0 k h z 带宽的标准蜂窝时隙传送v m s k 调 制信号，其码率能达到令人吃惊的1 5 4 4 m b p s ，带宽效率高达5 0 b p s h z i ”，但是付出的代价是高 信号功率和处理复杂度。几年来该技术发展迅速，p h o t r o n 公司2 0 0 5 年3 月1 日发布白皮1 5 称， 他们已成功实现端剑端的m a t l a b 仿真，表明u s m 技术具备在带宽为5 0 k h z 的窄带内以5 m b p s 高速传输数据的能力。3 个月后，6 月1 6 日该公司声称用于u s m 传输的f p g a ( f i e l d - p r o g r a m m a b l e g a t e a r r a y s ) 汞l 专用数字滤波器已开发成功，系统无线数据传输的带宽效率达1 0 0 b p s h z ，在5 0 k h z 的窄带内达剑5 m b p s 的高速数据传输率。6 月2 9 日发布的有关资料中窟称其改进的u s m 己达到 技术上一个新的里程碑，成功地由当前的f p g a 实现转化到制作专_ j 集成电路( a s i c ) 实现，从 而使该芯片成为潜在的第一个频谱效率达到l o o b p s h z 的无线通信设备。经过p h o t r o n 公司满心 研究，u s m 技术表现出众，其高速传输的带宽效率是现有其它技术的2 5 倍甚至更高。该技术的 不断成熟和发展将对信息传输产生重大影响，据称已应用到诸多领域。 1 1 2 信号带宽的定义与启示 u n b 通信的优异性能，引起了通信工程界极大的争议和质疑。争议的焦点主要就集中在所谓 “超窄带”的带宽究竟有多窄? 或者说，u n b 调制的频谱利用率究竟有多高? 由于在严格意义下， 时域上有限的信号住频域上必无限，虽然其主体分布在一定的有限频带内，但在这些频带之外仍 有少草的能量泄漏，故信号时域有限和频域有限不可兼得。严格带限信号的不可实现性，决定了 东南大学硕l 论文 “带宽”定义标准的多样化，但这些标准一般不能交换使用。常用的信号带宽定义有以下几种 如图1 1 所示。 p s d 八m |(、j )八 ： i 世 图1 1 信号带宽定义图( 1 ) 半功率( 3 d b ) 带宽( 2 ) 等效噪声带宽( 3 ) 零点到零点带宽 ( 4 ) 9 9 功率带宽( 5 ) 3 5 d b 和5 0 d b 带外功率衰减带宽 ( 1 ) 半功率带宽：功率谱的值下降到峰值的1 2 的两频率之间的频率区间； ( 2 ) 等效噪卢带宽：总功率与功率谱峰值的比值； ( 3 ) 零点剑零点带宽：功率谱主瓣宽度，该定义不具普遍性，因为并非所有信号都具有明显 的主瓣； ( 4 ) 部分功率带宽：9 9 的功率落在该带宽中间； ( 5 ) 有限带外功率衰减带宽：这种定义带宽的方法限制带外功率必须处处低于功率谱峰值一 指定水平，如3 5 d b ，5 0 d b ： ( 6 ) 绝对带宽：指在此带宽以外，功率谱都为零，实际信号绝对带宽都为无穷大。 除了以上常见的带宽定义方式之外，还有其它多种定义方式。严格而言，大部分通信信号在 信道中传输所实际f 吁用的频带，都远远超出了这一带宽，只是对于本信道及相邻信道而言，低于 所州频段背景噪声或接收机本底噪声的杂散频谱分量，对于正常通信已不构成明显的威胁。 高效调制技术所要压缩的，只是发射信号的空中频谱带宽，因为只有空中频谱才可能干扰别 人，才占用公共资源，才应该有偿使用，才必须合理监管，而在接收机内部滤波器或信号的带宽 如何定义与取舍，则是_ i j 户自己的技术水平。因此，美国联邦通信委员会( f c c ) 采纳了部分功 率保留带宽的定义，要求在止截止频率以上和负截止频率以下各留0 5 的信号功率，即带内包含 t 9 9 的信号功率，相当于2 0 d b 带宽。为了区别于通过香农信道容量公式所定义的频谱利用率， 本文将在满足f c c 带宽定义条件下的频谱利用率称为“通过率”。 u n b 通信所涉及剑的各种“高频谱效率”调制，实际上是指“高通过率”调制，或者说，应 该按“高通过率”来理解u n b 的“高带宽效率”。对上述带宽定义的共识，应该是理解、讨论和 2 第一章绪论 研究u n b 调制技术和传输系统的前提。 1 1 3 高效调制的充分必要条件 在承认1 1 2 节作为讨论前提的空中频谱“通过率”带宽定义的基础上，由于单一正弦波的 f o u r i e r 变换是冲击函数，故保留一个载波是实现超窄带通信的一个充分条件。 但是，既为了频谱利用率的高效，又为了能量利用率的高效，就必须充分利用载波的能晕携 带信息，这是高效调制的一个必要条件1 4 】。但这对于完全的幅度调制不可能，只能是角度调制。 相对丁i 调频而言，调相应更理想。不过，经典的二元相移键控( b p s k ) 抑制了载波，故只能是 小角度调相( 相位跳变 1 8 0 。) 或不对称调相( “0 ”、“1 ”符号变化的持续时闻不等) 。这就是e b p s k i ，1 调制信号构思的基本出发点，本文第二章将对这种e b p s k 调制方式进行详细的介绍。 由于载波集中了主要的发射功率，故为了能量利崩率的高效，就必须充分利用载波能量提升 解调性能，这也是高效调制的另一个必要条件。或者理解为：必须充分补偿载波“无用能鬣”的 损失【6 1 。本文的e b p s k 解调器以及整个e b p s k 传输系统的同步，就将充分利用e b p s k 调制信 号中所保留的载波能量这一有利因素。 1 2 软件无线电 1 2 1 基本原理 除了超窄带调制之外，软件无线电 7 1 ( s o f t w a r er a d i o ) 也是伴随着数字通信技术发展起米的一项新 兴技术。软什无线电技术之所以近年来能够取得突飞猛进地发展，主要原因有以下两点： 1 ) 无线电通信技术日趋复杂，通信设备必须符合各种无线通信手段相互协同的要求；同时，由于通 信技术日新月异，为使电台保持与当今先进的通信技术同步，更新或增加电台功能速度加快； 2 1 数字处理理论与技术的高度发展，以及a d 转换器( a d c ) 和数字信号处理器( d s p ) 等器 件的逐步成熟，为发展软件无线电奠定了技术基础。 软t ：无线电借鉴了计算机的发展思想：在公共硬件平台上载入不同的软件就能实现不同的功 能。完整的软制：无线电概念和结构体系最初是由美国m i l t r 公司的j e om i t o l a 于1 9 9 2 年5 月首 次明确提出的。其基本思想是：将宽带a d c 尽可能地靠近射频天线，即尽可能早地将接收剑的 模拟信号数字化，最大程度地通过软件来实现电台的各种功能。通过运行不同的算法，软件无线 电可以实时配置信号波形，提供各种语音编码、信道调制、载波频率、加密算法等无线电通信业 务。软1 ，| ：无线电台不仅可与现有的其它电台通信，还能在两种不同的电台系统问充当“无线电网 关”，使两者能够互通互连。这样就解决了由丁拥有电台类型、性能不同带来的无线电联系的凼 难。 3 东南大学硕i ：论文 1 2 2 系统结构 典型的软件无线电系统包括天线、多频段射频变换器、含有a d c 和d a 变换器( d a c ) 的芯片 以及片上通用处理器和存储器等部件，可以有效地实现无线电台功能及其所需的接口功能。其功能结构 框图如图1 2 所示。 宽带射 多频频 段天 _ 部 线分 一，一一一二一一i ，一， 天线r f 段高速处理段低速处理段 图1 2 软件无线电系统功能结构图 从图可以看出，软件无线电系统和传统的数字通信系统相比主要区别在于a d c 和d a c 靠近r f 端，在基带剑中频范围内对整个系统频带进行采样；用高速d s p c p u 代替传统的专用数字电路与低速 d s p c p u 做a d 后的一系列处理。a d c 和d a c 移向r f 端仅为软件无线电的实现提供了必要条件， 采州通用可编程能力强的器_ f i y d s p 和c p u 等) 代替专州数字电路，由此带来的一系列好处才是软件无 线电的真止目的所在。 由丁数字下变频( d d c ) 、滤波和：次采样是a d 变换后首先要完成的处理工作，也是系统数字处 理运算晕最大的部分，这就要求系统采用的d s p c p u 具备足够的运算能力。现阶段软件无线电 技术发展的真止技术瓶颈正是嵌入式d s p c p u 的运算能力。虽然现代可编程数字信号处理器通 常可提供高达2 0 0 m i p s ( m i l l i o ni n s t r u c t i o n sp e rs e c o n d ) 或5 0 m f l o p s ( m i l i i o nf l o a t i n g - p o i n t o p e r a t i o n sp e rs e c o n d ) 以上的处理能力，但现有的任何单个d s p 仍无法完成高频( 几十m h z ) 滤 波运算。软件无线电的另一核心技术则为系统处理软件，这就要求人们不断去研究新的高效算法， 以弥补d s p 运算速度的不足。 1 2 3 应用 软什无线电技术用于军事通信已有3 0 多年历史了，成功解决了不同部队用于不同目的的无线电 台在= r = 作频段、调制方式上存在差异而无法互通的问题。民用方面我国提出的t d - s c d m a 就大 量使用了软件无线电技术。此外该技术还大量用在通信系统基带仿真，卫星通信，雷达等领域。 1 3 通信系统的同步 同步是数字通信系统必不可少的重要环节，没有准确的同步，就不可能进行可靠的数据传输。 本文所研究的e b p s k 通信系统采用单载波调制方式，整个系统的同步可分为频率同步和时间 4 第一章绪论 同步两部分：频率同步分载波频率同步和采样频率同步，时间同步则包括位同步和帧同步。如图 1 3 所示。 帧同步 ：位同步：采样咧步：载波问步；信道 图1 3e b p s k 通信系统中的同步 具体至 j j e b p s k 接收机： 载波同步的目的是提供一个与发射端同频同相的相干载波，以便对e b p s k 调制信号进行同步 解调或相干检测； 采样同步用于保证e b p s k 解调器的均匀采样间隔是所接收到的e b p s k 调制信号周期的严格 整数倍，以保证解凋性能； 位同步用于从e b p s k 解调信号中估计传输码元的速率并确定码元的起始位置； 帧同步则用于将接收码元序列按照发送端的分组顺序正确划分。 1 4 论文的主要工作 当前对超窄带的研究主要在3 个部分：超窄带凋制波形，噪声滤波器利解调检测方法。其中 第】部分为实现超窄带通信的基础，第2 、第3 部分是能否实现u n b 通信的关键。没有精心设计 的滤波器，就不可能实现低信噪比条件卜的u n b 通信；同样如果没有合理的解调方法，通信也 不可能成功；e b p s k 解调输山信号所叠加的噪声一般不是商斯白噪声，对该信号检测方法的研究 很有可能带米系统检测性能的大幅提高。 1 4 1 课题来源和任务 本课题米臼江苏省高技术研究( b g 2 0 0 4 0 3 5 ) “超窄带高速通信的关键技术研究”和国家自然 科学基金“超窄带高速通信的理论与关键技术”( 6 0 4 7 2 0 5 4 ) 。 本课题主要研究u n b 通信中的系统同步问题，研究内容主要包括系统正交载波信号提取、 位同步信号提取与跟踪、帧同步理论分析及其m a t l a b s i m u l i n k 仿真与d s p 实现。 主要的目标任务有以v ) d 点： 1 用m a t l a b s i m u l i n k 编程对使h e b p s k 调制方式的超窄带通信系统进行原理仿真，并对 系统参数进行优化。 2 在不同的发传输速率下实现系统的同步与解凋。 3 把m a t l a b s i m u l i n k 编程的仿真系统移植剑d s p 上，实现可变速率u n b 通信系统的实际 5 东南大学硕l j 论文 传输演示。 1 4 2 实现目标和技术难点 实现目标： 1 载波频率不低y - 1 0 k h z 动态可调，一旦给定后载波频率不再改变。 2 频带利用率2 5 b p s h z 以上。 3 传输速率l k p s 一1 0 0 k b p s 可调。 本课题研究内容的难点在于： 1 由于超窄带通信技术的理论基础证明尚未充分发表其可行性目前在学术界具有争议 目前国内外研究的机构不多，参考资料比较少。 2 为了在不同的信道条件下实现可靠的通信，通常发端的码元速率需要改变，在这种情况 下，码元速率不再是个常量，码元间隔也在改变，接收机如何自适应地跟踪信源传输速率， 止确地恢复位同步信号成为亟待解决的一个问题。 3 锁相环解调e b p s k 信号在现代数字通信中使用较少，再加上带宽利用率比普通调制方式 来得高，所以在相同信噪比的情况卜误码率较高，如何优化系统参数和设计系统解调算法 来降低误码率是一件艰巨而有意义的_ l 作。 4 通信同步系统建模后移植至d s p 平台，是另一件挑战性较强的= 作。 1 4 3 内容安排 第一章是全文的绪论，概述超窄带通信和软件无线电技术的基本原理，以及通信系统中同步 的类型和作川，给山论文的任务和目标。， 第二章主要从系统的角度介绍基于锁相环的e b p s k 传输系统的调制、解调基本原理，表明 锁相环是一种实心的e b p s k 信号解调器。 第三章主要从原理和仿真两方面讨论e b p s k 系统的载波同步和码速估计。载波同步采用经 典的锁相环理论，码速估计则在鉴相器输出信号的频域进行。 第四章主要从原理和仿真两方面介绍e b p s k 系统的位同步和帧同步。位同步是在数字锁相 环位同步法基础上结合e b p s k 信号特点作了相应的简化和补充，帧同步则采用b a r k e r 码相关法。 第五章详细描述e b p s k 位同步模块的d s p 程序设计，包括程序框图、运行流程、数据处理 等过程的实现：同时还包括在p c 平台上分别实现e b p s k 调制器和对e b p s k 解调结果的后续处 理。 第六章总结了全文的工作，并对进一步的改进方向提出了建议和展望。 6 第二章e b p s k 传输系统 2 1 基本构架 第二章e b p s k 传输系统 任何通信系统都由信源、信道和信宿组成。在数字通信系统中，信源经过编码后通过调制器 将信息序列转换成适合传输的波形，经信道传输到接收端解调器，解调器根据恢复出的位同步信 号对接收信号进行解调，从而完成通信任务。 和其它数字通信系统一样，e b p s k 传输系统也由调制、传输和解调三大模块组成，不同的只 是调制解调方式。e b p s k 传输系统采用e b p s k 调制，锁相环鉴相器作为接收端解调器，对输入 信号的鉴相输出通过一定的准则进行判决就可以实现信号检测，具体系统组成如图2 1 所示。 鬯斗蜂竺地寸恤廿 广l 1 卜磊订 l 竺竺! ! 竺i 籼屯盎h 里 葺巫率赢掘 匝 锁相环 图2 1e b p s k 传输系统原理图 如果调制波形的带外功率谱衰减能到f c c 规定的- 6 0 d b 以下，则调制端的u n b 滤波器就可 以省去，故幽中以虚框表示；而收端的u n b 滤波器的主要作用是在去除噪卢的同时恢复出有用 信号，直接影响整个接收机的性能，可以采用不同的形式，故图中也用虚线表示。 2 2e b p s k 调制 2 2 1 调制波形 由丁实际通信信道不利丁直接传输数字信号，必须用方波信号对载波波形的某些参量进行控 制，使其随数字信息而变化，这个过程就是所谓的正弦载波调制。我们常用的b p s k 就是一种载 波相位随基带脉冲而变化的调制方式，其已调信号的一般表达式为 e o ( t ) = a g ( t n t , ) e o s ( a _ d + c o ) = s ( t ) c o s ( o u + q , ) ( 2 2 1 ) 7 东南大学硕 ：论文 这里g ( t ) 是脉宽为t l 的矩形脉冲，而以概率p 取“1 ”，以概率1 - p 取“一1 ”。这样，在一个码 元持续时间内 盼 = 端耋巍 眩z 彩 当发送端以概率1 发“1 ”时，发送波形为c o s ( r o o t + 咖，其频谱为在吐的冲击函数，理 论带宽为0 ，当然此时也没有任何信息传递；如果以概率p 发“1 ”，则其功率谱密度( p s d ) 表 达式为【8 1 兄( ，) = 去z p ( 1 一p ) i g ( f + 丘) 1 2 + i g ( f l ) 1 2 1 + ( 2 2 3 ) 4 f ) ( 1 2 p ) 2l g ( o ) 1 2 万( ，+ z ) + 6 ( ，一五) 】 其中 g ( ，) = 瓦i 历s i n r r f t , i ( 2 2 - 4 ) 为矩形波颤t ) 的功率谱，z 为发送码元频率。由此可知，b p s k 信号的过零点带宽为2 f , ，频谱 的扩展是由于发送码元改变时对应调制波形的相彳i ) = 有突跳造成的。可以想象如果在发送码元“一1 ” 时，保持原发送波形不变，而在发送码元1 时不是让相位跳变1 8 0 。，而是趋近子令一个小于1 8 0 。 角度曰，那么随着口一o ，整个波形接近正弦波，其频谱能量会更高度集中在载频处，相对应的边 带扩展的宽度和幅度都会趋近于0 ，e b p s k 调制方法正是基于以上思想来设计的。 我们假设数据符号信息的码元持续时间t 为n 个载波周期，其中n 1 ，l i p t = n z 。则e b p s k 调制信号的一般表达式为 x o ) = a o g o u 一托r ) + q 蜀。一n t ) ( 2 2 5 ) j 妲g o ( t ) 为码元“0 ”对应的调制波形。蜀( f ) 为码元“i ”对应的调制波形，其具体表达式如下： fg o ( t ) = a s i n 2 ；r f d ，0 s t r 1 9 l ( f ) ：糍卅0 9 篡筹细 g 2 。6 其中f 为信号相位跳变部分波形持续的时间长度，般为k 个载波周期，k n ；0 为跳变角度。 由式( 2 2 6 ) 可以看出，该调制波形只有在数字“1 ”的起始阶段才可能有短时间的幅度，相位跳变， 除此之外在其余时刻均为正弦波，这种调制波形有助于抑制己调波频谱的展宽，使其能量集中在 载波频率z 处。 8 第二章e b p s k 传输系统 在0 ，i 概率相等的情况下，可以求得x ( t ) 对应的功率谱州如下： 驯，= 寺f g l ( 伊叫，1 2 杀圭w 一外c 争gc 科 其中g j ( ，) 利g l ( 厂) 分别为g o ( t ) 和蜀( ，) 的傅立叶变换。 c 瞄8 七疆抵吼+ a ( e - j 2 臻j t - e j 2 曩n w ( 2 2 8 ) 从e b p s k 的功率谱表达式可以看出，在随机信号“0 ”，“i ”等概率发生的情况下，信号的 功率谱既含有连续分量，又含有离散谱分量，离散谱分量山现在，矿处。 2 2 2 优化后的e b p s k 信号 由式( 2 2 7 ) 可以看出，按交( 2 2 6 ) 定义的e b p s k 调制信号存在离散谱，且离散谱分量较强 衰减较慢，信号带宽展宽。假设去掉线谱后的时域波形为p o ( t ) ，p j ( t ) ，则其p s d 函数为 驯) = 寺1 4 ( s h ( 硝1 + 嘉羔一尹m 旧m 堋科 且麻满足只( 等) + 昂( 等) = o ，m 2 n 。 对其求傅立叶反变换可得其时域表达式为 胁巫巫乎 s i n 2 7 r z f _ s i n ( 2 7 r f d + 丁o ) - 一s i n 2 e r f d ，。 ，f 彳o ) = j 1 丛三! 堑! 旦! 二三尘i ；掣s i n 2 石z r + 曼空堕三等! 二j 宇堂，。 ，r fo(t)：fl(t)：、!(rjsiin!o!)!aj+jir(要1孕-coso)-2tzsinz万zf， 详细推导参见参考文献 1 0 。 9 r ，丁 ( 2 2 1 0 ) ) j 一 阿 空 = 一万 饥 焉 m 0 矽 酏 啦 。弦m q 卜 东南人学颂l 二论文 2 2 3 优化前后的e b p s k 信号仿真 在r b 2 1 0 0 0 b p s ( b p t 2 0 0 0 1 s ) ，c = 1 0 k h z , r = 0 i t ，0 = z r 2 ，a = b = i ，采样频率为1 6 0 k h z 时， 优化前后的e b p s k 调制波形i v l a t l a b 仿真如图2 2 所示。从图中可以看出优化后的e b p s k 调制波 形在第1 个周期内不仅存在相位跳变，调制信号幅度也有所变化。 ，。粼认 图2 2e b p s k 及无线谱的e b p s k 波形 在r b = 1 0 0 0 b p s ( 即t = 0 0 0 1 s ) ，f = l o k h z , r = 0 1 t ，伊= x 2 和x ，a = b = i ，采样频率为1 6 0 k h z 的条件下，对1 0 0 0 0 个码元使h j 汉明( h a m m i n g ) 窗加窗，采崩w e l c h 法，即平均的修正周期图 法，数据重替量为5 0 时，优化前后的e b p s k 调制信号功率谱m a t l a b 仿真结果如图2 3 所示。 图2 3e b p s k 及无线谱的e b p s k 信号功率谱估计 1 0 复害，芑冒z苫岩_zpj弓t昌z警墨l量 占p)-弓暮星=n言lz 1日p】jt5*!=n焉e。z 第二章e b p s k 传输系统 从图2 3 中可以看出，各图的p s d 估计结果均表明在载波处有一明显的谱分量，以载波为中 心，向两侧迅速衰减。对比图中左侧两幅图可以看出，当e b p s k 跳变角度为刀时( 左下) ，其旁 瓣衰减不如跳变7 2 时( 左上) 来得大，比较右侧两圈也可以得出相同结论。对比图中左右两侧 p s d 估计结果可以看出，原e b p s k 调制中的线谱已经被去掉了，调制波形能量集中于载频z 处。 2 3u n b 滤波器 u n b 数字滤波器的性能是影响整个u n b 通信系统性能的关键之一，根据1 1 3 节高效调制的 第二个必要条件，要求该滤波器能呈现出较窄的噪声带宽和较大的信号带宽。这对于经典的滤波 器理论是不可实现的，只能利用现代滤波器理论1 1 ”进行创新。目前关于此类滤波器的设计主要有 以f 儿种i ：美国人 l r w a l k e r 提出的零群时延滤波器，美国x g 公司提出的小波带通滤波器， 美国p h o t r o ns c i e n c e 公司提出的利用分形谱特征，以及本实验室提山的几何特征滤波器1 1 “。 如果有心的信号与有害的干扰或噪声在时间波形和频谱分量上都有混叠，则目前的线性滤波 器将难以有效地滤除噪声和干扰，但是如果把信号的时域波形看成是某种特定的儿何图形或曲 线，则根据信号的儿何特性没计的滤波器有望把叠加了噪声的信号提取出来。人工神经网络 ( a n n ，a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ) 具有表示任意北线性关系和学习的能力，所以几何特性滤波 器可以通过a n n 来实现。本文采用的是函数连接型神经网络( f l n n ，f u n c t i o nl i n kn e u r a l n e t w o r k ) 。该网络通过将原输入变量进行非线性模式扩展作为单层前馈网络的输入，从而将低维 模式转换到高维模式，虽然此时输入信息并没有增多，但模式的增强却带来a n n 结构的简化和 学习速度的提高，使得原米在低维空间中非线性不可解决的问题有可能在高维空间中得到解决。 在发送码元速率为1 0 0 0 b p s ，f = 0 1 t ，发端发送码元“1 0 1 ”时，将受噪声污染的e b p s k 调制信号分别通过通带为9 k h z - 1l k h z 的3 1 阶f i r 滤波器和一个f l n n 后的仿真效果如图2 4 所 叠加嚷声店的信4 9 - ( s n r ；0 d 日) 经过普通f i r 谗渡器后的信号( 3 1 阶) 3 1 1 f f 3 1 麓 2 经过几何特钲滤i 瘦嚣店的信号( s n k - 1 0 d s ) 3 x 1 d t ，s 图2 4e b p s k 调制信号通过不同滤波器的响应 x d 3 2 1 0 1 2 2 ， 0 1 2 1 5 0 5 ，；扣：扣：，；2。m。 东南人学硕i ：论文 示，该f l n n 训练序列的跃度为1 0 0 个码元，外积阶数为l5 从图2 4 中可以看出叠加噪卢后的e b p s k 调制信号通过带宽2 k h z 的f i r 滤波器后相位跳变 部分已经基本被抹平，只是在幅度上还能看出些变化，但是通过f l n n 网络后的信号不仅将大量 的噪卢滤除，最重要的是还保留住了码元“1 ”处的相位跳变( 如时间0 0 0 2 s 处) 。 2 4e b p s k 信号的解调 锁相环【1 3 1 ( p l l ，p h a s el o c k e dl o o p ) 是一个能跟踪输入信号相位变化的闭环自动控制系统， 广泛应用丁无线电技术的各个领域，如：f m 、p m 信号解调，数字相干系统提取载波，频率合成 器等。考虑到锁相环是正弦波的理想跟踪滤波器，e b p s k 信号近似于正弦波，所以可以使用p l l 对e b p s k 调制信号进行鉴相，以提取出码元“1 ”的信号相位跳变部分。 p l l 是一个相位负反馈系统，一般由鉴相器( p d ，p h a s e d e t e c t o r ) ，环路滤波器( l p ，l o o p f i l t e r ) 和电压控制振荡器( v c o 。v o l t a g e c o n t r o l l e d o s c i l l a t o r ) 组成，其基本构成如图2 5 。p d 是一个相 位比较装置，用米检测输入信号鼠( f ) 与反馈信号岛( ，) 之间的相位差f g e ( t ) ，输出的误差信号 u a ( t ) = 厂 眈( f ) 】是相差o a t ) 的函数，鉴相特性f o e ( t ) 】可以多种多样，如正弦形、三角形、锯 齿形等。本系统采_ 一种i q 双路p d 作为锁相环的鉴相器，以避免鉴相输出受信号幅度的影响， 其结构如图2 6 所示。 一一一一一一一一。一一。一一。一。一 m ( f ) 图2 5 锁相环的摹本结构 图2 6 i q 双路鉴相器p l l 结构图 设鉴相器输入信号为 m ( f ) = s i n ( c a , t + p ) 则鉴相器l 、q 两路的输出分别为 1 2 第二章e b p s k 传输系统 u d y ( t ) = 三p f u u os i n ( o j , t + 0 , ) c o s ( c o o t + 皖) 】= k s i n 0 , ( 2 4 - 2 ) ( f ) = 三p f 【u w o i n ( c o , t + 0 , ) s i n ( c o o t + 晓) 】2 k e o s 0 。 ( 2 4 3 ) 故鉴相器输出 o o 。，= a r c t a i l ( 见) = 包 ( 2 4 - 4 ) 由式( 2 4 4 ) 可以看出，鉴相器输出仅取决于相位差晓，而与输入输出信号的幅度及低通滤波 器的增益无关。 在信源码率为l k b p s ，载波频率为1 0 k h z 调制占空比r = 0 1 t ，锁相环v c o 灵敏度 1 0 0 0 0 h z v ，环路振荡频率q - - 2 0 0 r a d 时，对输入码元“1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 0 ”的鉴相输出如图2 7 所示。 p l l r 鉴 日，喻出 一 一 图2 7 锁相环箍相输j 1 从图2 7 可以明显看出，当输入数据为t 时，p l l 鉴相输出有一个正跳变和一个负跳变，分 别对应码元1 起始时刻和f 处的相位跳变；而当输入数据为0 时，输出近似为直流，其输出之 所以不为0 是由丁- 锁相环的跟踪带较宽，v c o 输出能较快跟踪输入信号变化而引起的，减小锁相 环环路滤波器带宽可以降低非0 部分的幅度，但同时也会造成系统捕获时问变长，因此环路滤波 器的带宽戍在输山拖尾效庇和捕获时问之间折衷选择。 2 5 本章小结 本章主要从系统的角度介绑了基丁锁相环的e b p s k 传输系统的调制、解调基本原理。调制 部分土要给出了e b p s k 调制的时域波形和频域分析，显示了e b p s k 用丁高效调制的可能性：解 调部分主要介绍了基于锁相环的e b p s k 信号鉴相原理和仿真波形，表明了锁相环是一种实用的 e b p s k 信号解调器。 6 4 2 1 8 6 4 2 o 孑 ， 1 ， 0 o 0 o o 毫i p 9 z 辱z 第三章e b p s k 接收机的频率同步 第三章e b p s k 接收机的频率同步 频率同步是e b p s k 通信系统必须解决的关键问题。本章首先讨论变速率e b p s k 系统的载波 同步和码元速率估计，第四章再介绍位同步、帧同步等e b p s k 系统的时间同步。 3 1 载波同步 载波同步是通信系统中的一个十分重要的问题。当采川同步解调或相干检测时，接收端需要 提供