（信号与信息处理专业论文）短波qam信号实时解调算法设计.pdf

信息工程大学硕士学位论文 摘要 正交幅度调制( q a m ) 是一种具有较高频带利用率的数字调制技术。正因如此，近年 来，短波q a m 调制已逐渐成为短波高速通信的重要方式之一。深入研究q a m 信号的解 调算法，对于q a m 信号解调的软硬件实现，有非常重要的理论和现实意义。 本文致力于软件无线电关键技术研究，主要侧重于短波q a m 信号解调技术研究。课 题的目标是恢复出信号的星座图。本文所完成的工作是所在学科点承研的总装探索研究项 目“基于软件无线电的新型通用无线通信信号侦察分析处理平台”的一个组成部分。 论文对短波1 6 q a m 信号的解调过程涉及的一系列关键技术，诸如定时同步、载波同 步及信道均衡等技术进行了深入地研究。提出了基于过采样信号循环平稳特性的定时误差 估计算法，算法从信号的二阶循环自相关函数中提取定时信息，可适用于频率选择性衰落 信道。讨论了一种基于非线性变换的载波频偏盲估计算法，通过分析估计出的最小均方误 差，提出了一种适用于中高信噪比下的简化算法。 算法仿真和针对实际信号的实验证实了本文提出算法的可信性和有效性，从而为短波 q a m 信号全数字解调的d s p 硬件实现提供了必要的算法探讨和前期实验基础。 关键词：正交幅度调制；全数字解调；符号同步；载波同步；盲均衡 a b s t r a c t q u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n ( q a m ) i sak i n do fd i g i t a lm o d u l a t i o nt e c h n i q u ew i t h h i g hb a n d w i d t he f f i c i e n c y i nr e c e n ty e a r s ，d u et ot h i sa d v a n t a g e ，q a mh a sg r a d u a l l yb e c o m e o n e0 tt h em o s ti m p o r t a n tm o d u l a t i o nt y p e si ns h o r t w a v e h i g hs p e e dc o m m u n i c a t i o n t h u s t h e d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fr e a lt i m ed e m o d u l a t i o na l g o r i t h mo fq a ms i g n a l sa r eo f s i g n i f i c a n tt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a li m p o r t a n c e t h i sd i s s e r t a t i o ni sd e v o t e dt oas t u d yo ns o m ec r i t i c a lt e c h n i q u e si ns o f t w a r er a d i ow h i l e l a y i n ge m p h a s i so nt h ed e m o d u l a t i o nt e c h n o l o g yo f16 q a m s i g n a l t h eo b je c t i v eo f t h i st h e m e 1 st or e c o v e rt h ec o n s t e l l a t i o no ft h er e c e i v e dq a m s i g n a l s t h ew o r kf i n i s h e di nt h i sp a p e ri sa p a r to f t h eo v e r a l lt a s kt a r g e t i n ga tt h ep r o j e c t so f an o v e li n t e g r a t i v ep l a t f o r mo f r e c o n n a i s s a n c e ，a n a l y s i sa n dp r o c e s s i n go fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns i g n a l sb a s e do ns o f t w a r e r a d i o ”u n d e r t a k e nb yo u rs c i e n t i f i cd i s c i p l i n e i nt h i sp a p e ras e r i e so f k e yt e c h n o l o g i e si n v o l v e di nt h ed e v e l o p m e n to f16q a m s i g n a l d e m o d u l a t i o na l g o r i t h m ，s u c ha st i m i n g r e c o v e r y , c a r t i e rr e c o v e r y , b l i n de q u a l i z a t i o na n ds oo n ， a l es t u d i e di nd e p t h b a s e do nt h es t u d yab l i n dt i m i n ge r r o re s t i m a t i o na l g o r i t h mb a s e d o nt h e c y c l o s t a t i o n a r i t yo ft h eo v e r s a m p l e ds i g n a l si sp r o p o s e d ，w h i c he x t r a c t st h et i m i n ge r r o rf r o mt h e s e c o n do r d e ra u t o c o r r e l a t i o nf u n c t i o na n d i ss u i t a b l ef o rf r e q u e n c y 。s e l e c t i v ef a d i n gc h a n n e l a t y p eo fb l i n df r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o na l g o r i t h mb a s e do nn o n l i n e a rt r a n s f o r m a t i o ni s d i s c u s s e di nd e t a i l ，a n das i m p l i f i e da l g o r i t h mf o rt h es c e n a r i oo f m e d i u ma n d h i g hs n rw a s p r o p o s e db a s e do na n a l y s i so ft h em i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o ro ft h ee s t i m a t o r s i m u l a t i o nr e s u l t sa n dt e s t sw i t hr e g a r dt op r a c t i c a ls i g n a l sh a v ep r o v e dt h ef e a s i b i l i t ya n d e f f e c t i v e n e s so fa l lt h ea l g o r i t h m sp r o p o s e di nt h i sp a p e r t h u s ，t h ew o r kf i n i s h e di nt h i s p a p e r c o u l dp r o v i d ea n e c e s s a r yb a s i so fa l g o r i t h m i cd e s i g na n de x p e r i m e n tf o rr e a li m p l e m e n t a t i o no f l6q a m s i g n a ld e m o d u l a t i o no i ld s pp l a t f o r i l l k e yw o r d s ：q a m ( q u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n ) ，a l l d i g i t a ld e m o d u l a t i o n ，s y m b o l s y n c h r o n i z a t i o n ，c a r r i e rs y n c h r o n i z a t i o n ，b l i n de q u a l i z a t i o n 第1 i 页 信息工程大学硕十学付论文 表目录 表i 三种类型星座图的参数比较7 表2c c i rs t a n d a r dh fc h a n n e l s 1 2 表3 三种类型星座图的参数比较。6 0 第v 贞 信息t 稗大学硕七学付论文 图目录 图1 传统q a m 解调器框图2 图2 全数字q a m 解调的功能框图3 图3q a m 调制原理框图。5 图4q a m 调制解调原理框图6 图5 典型的1 6 q a m 星座图6 图6 短波l l o b 标准q a m 的星座图9 图7 短波1 1 0 b 标准q a m 帧结构9 图8w a t t e r s o n 等效短波信道模型1 l 图9 信号能量检测框图1 4 图l o 信号相关检测框图1 5 图1 1 自适应噪声能量估计1 6 图1 2 自适应噪声能量估计1 7 图1 3 加性高斯白噪声信道下的能量检测算法1 8 图1 4 加性高斯白噪声信道下的相关检测算法1 9 图1 5 短波信道下的能量检测算法2 0 图1 6 短波信道下的相关检测算法2 1 图1 7 相关检测算法性能分析2 l 图1 8 前馈的定时同步结构框图2 3 图1 9 滤波和平方定时误差估计框图2 4 图2 0 离散时间线性随机系统2 9 图2 1 卡尔曼滤波器动态系统框图3 0 图2 2 简化的一阶卡尔曼滤波器3 1 图2 3 内插滤波器的等效实现3 l 图2 4 采样点关系3 2 图2 5 内插滤波器的实现结构3 3 图2 6 定时恢复前后信号的眼图3 4 图2 7 定时恢复前后信号的眼图3 5 第v i 页 信息t 稃大学硕+ 学付论文 图2 8 定时恢复后信号的星座3 5 图2 9 定时误差估计方差分析3 5 图3 0 短波信道下的定时恢复效果3 6 图3 l 短波信道下的定时恢复效果3 6 图3 2 离散信道和均衡器的基带等效模型3 8 图3 3 自适应f i r 复数均衡器原理框图3 9 图3 4 均衡前的星座图4 l 图3 5 无频偏相偏的均衡效果4 1 图3 6 存在频偏相偏的均衡效果4 2 图3 7 均衡后的星座图4 2 图3 8 频偏估计值与频偏对应关系4 6 图3 9 归一化方差曲线4 6 图4 0 矩形q 删最佳非线性变换5 0 图4 1 圆形q a m 最佳非线性变换5 0 图4 2 不同信噪比下矩形q a m 最佳非线性变换5 1 图4 3 不同信噪比下圆形o h m 最佳非线性变换5 1 图4 4 不同信噪比下归一化方差5 5 图4 5 不同信噪比下误码率5 5 图4 6 锁相环路的基本构成5 6 图4 7 锁相环路的相位模型5 7 图4 8 二阶锁相环5 7 图4 9 载波恢复环路框图5 7 图5 0 环路滤波器5 9 图5 1 相偏4 5 度的收敛曲线5 9 图5 2 频偏2 4 h z 相偏4 5 度的收敛曲线5 9 图5 3 载波恢复系统整体框图6 0 图5 4 解调算法框图6 1 图5 5 恢复后的星座图6 l 第v i 贞 独创性声明 所提交的学位论文是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，除了文中标注和致谢的相关内容外，论文中不包含其他个人或集体已经公开的研究成 果。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：垣达q 盟鱼兰塞盟篮迥簋选遮盐 学位论文作者签名：兰：j 邃 日期：j 们g 年月巧日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解信息：r 程大学有关保留、使用学位沦文的规定。本人授权信息工程大学 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：叮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。 ( 涉密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目：焦遮q 丝值呈塞盟鲤迥笠选遮让 学位论文作者签名 作者指导教师签名 日期：二耐年 r 期佗卯酵 占月r 月2 毛日 堕星二登奎堂堡堂生笙茎 第一章绪论 1 1 引言 短波通信是利用波长为l o m l o o m ( 频率为3 m h z 3 0 m h z ) 的电磁波进行的无线电 通信“1 ，又称高频通信。短波通信主要靠天波传输，可经电离层一次或数次反射进行通信， 最远可传至上万公里，如果考虑气候、电离层的电子密度和高度的日变化以及通信距离等 因素，选择合适频率，就可用较小功率进行远距离通信。由于短波通信具有通信距离远、 通信费用低廉、设备简单、灵活机动、抗毁性强等优点，使得它在政府、军事、外交等通 信领域仍占有重要地位，且仍将是战术应急通信和战略指挥通信的重要手段。电离层给短 波的传输创造了得天独厚的条件，同时也带给它许多弱点。由于电离层易受昼夜、季节和 太阳活动等因素的影响，使得短波通信在稳定性、可靠性方面都比较差。多径效应和多普 勒频移等都使短波通信的传输质量急剧下降m 眨1 1 3 1 0 由于多径效应不仅引起瑞利衰落，而 且产生因时延分散而造成的频率选择性衰落，使电波传输特性恶化，造成接收信号既有单 纯电平波动，又伴随有波形失真的产生，因此实际的传输系统中总是不同程度的存在线性 和非线性失真，包括幅度频率失真( 衰减失真) 和相位频率失真( 群延时失真) ，从而引 起码间干扰1 2 1 影响接收质量，且传输速率越高，多径传输所引起的码间干扰越严重。 无线通信中的基本设备是无线电台。从上个世纪七、八十年代开始，随着数字信号处 理技术的发展和成熟，传统的无线电台从系统的控制、信源信道编解码、硬件技术等多方 面都实现了从模拟到数字的过渡，出现了全数字接收机。全数字接收机将电台中的绝大部 分用数字电路代替，将模拟信号经过a d 采样数字化之后，运用数字信号处理技术对数字 进行处理，完成信息的接收和发射。随着数字技术和微电子技术的迅速发展，现代无线电 系统越来越多的功能可以由软件实现。软件无线电就是采用数字信号处理技术，在可编程 控制的通用硬件平台上，利用软件来定义实现无线电台的前端接收、中频处理以及信号基 带处理及控制协议等各部分功能。软件无线电是未来通信系统发展的趋势其核心思想是将 宽带a d 及d ，a 转换器尽可能靠近射频天线。并尽可能用软件实现无线电功能。 传输领域正在经历急剧发展的阶段，新的需求层出不穷，促使新的业务不断产生，导 致信道的频带资源越来越宝贵，这就要求通信系统采用能更有效地利用频谱的调制方式。 多电平正交幅度调制( m q a m ) 是一种灵活的，具有较高频带利用率的调制技术，而且随 着调制电平数( 相应于已调信号星座点数m ) 的增加，其频带利用率也随之增加。因此， 在高速数字通信系统中，为了获得更高的信道频带效率，常常采用q a m 调制方式“1 1 1 2 1 。 现代通信中，数据通信业务剧增，需要在有限的频带上传输更大容量的数字信息。正 交幅度调制( q a m ) 是一种高频带利用率的调制技术，调制信号的幅度和相位都携带有数 据信息。现代短波通信采取了一系列的新技术，不断提高短波通信的质量，增强自适应和 抗干扰能力，使短波通信的可靠性明显提高。正交幅度调制( o h m ) 技术也已经在短波通 信息t 稃大学硕十学付论文 信中日益广泛的开始使用。深入研究q a m 信号解调算法，对于q a m 信号解调的软硬件 实现，有非常重要的理论和现实意义。 1 2q a m 信号的全数字解调 1 2 1 全数字解调的特点 传统的q a m 信号的解调方法是模拟相干解调4 1 ，如图l 所示，q a m 解调器接收到 已调制的模拟信号，从模拟信号中恢复出载波和定时信号；再用同相和正交的一对载波信 号与接收的模拟调制信号相乘，经模拟低通滤波器滤波后得到基带信号；然后用定时信号 控制采样器对基带信号采样、判决。 图1 传统0 a ! 解调器框| 璺l 由于模拟解调是用模拟器件实现，所以存在很多缺点。首先，系统的整体性能对模拟 器件的多种非理想情况很敏感，如模拟滤波器相位失真、放大器及下变频器的非线形等， 为保证系统性能，需要增加许多辅助电路，这使系统构成相当困难且成本很高。其次，模 拟器件构成的通信系统体积大、功耗大、测试不便、易出故障，也不能满足智能化处理的 要求，而且同相( i ) 、正交( q ) 两路模拟通路参数的不一致也容易造成系统性能变差。 随着数字信号处理( d s p ) 芯片和超大规模集成电路( v l s i ) 技术以及数字信号处理 技术的迅速发展，出现了全数字解调技术6 1 ”“们9 ，其算法灵活，易于集成，体积小，可 以克服模拟解调的诸多缺点。全数字解调中解调器首先对接收的已调模拟信号采样并数字 化，a d 变换后的数字信号与同样振荡于固定频率的一对正交载波信号相乘，经数字低通 滤波器滤波后得到数字基带信号，对该数字基带信号进行处理，就可以得到所传输的数字 信号系列。如图2 所示，解调单元的载波同步和符号同步完全在数字部分由软件完成，载 波同步中不含有向模拟前端进行反馈的控制信号，其中虚线框内的各个部分可以根据实际 情况调整次序。 在全数字解调算法中，提倡直接对中频甚至射频信号数字化，以便尽可能多地利用数 字信号处理和计算机技术的最新成果，最大限度地提高性能和降低成本。信号经a d c 数 字化后，余下的一切工作如下变频、匹配滤波、定时同步、均衡、载波同步、数据判决、 解码等均由d s p 算法来实现。 第2 页 信息工稃大学硕十学付论文 。刊升一旧什骨一廿 般i 图2 全数字q a l i 解调的功能框图 可见，所谓全数字解调就是指在同步调整中，解调单元的载波同步和符号同步将完全 在数字部分由算法来完成，定时误差和相位误差不再反馈到模拟部分，而是用来驱动相应 的d s p 算法，从已接收信号的采样序列中消除定时误差和相位误差的影响，进而实现符号 的正确解调。这种接收解调方式，充分体现了软件无线电的思想，是软件无线电在现有技 术条件下的一种实现，具有很好的发展前景。 1 2 2 全数字解调的关键技术 全数字解调的关键技术是定时同步和载波同步。对于短波信号，需要研究抗多径衰落 能力较强的同步算法，同时也需要进行信道均衡。 ( 1 ) 定时同步 定时同步就是在码元周期r 中选择适当的时刻对数掘进行判决。传统的定时同步电路 往往采用非线性处理加窄带滤波及锁相跟踪技术，从接收信号中提取定时信息用于码同 步；全数字接收机利用固定的本振产生采样时钟，用数字信号处理算法，通过分析信号的 时域和频域特征来估计定时误差，并采用插值算法纠正误差，从而完成定时。 ( 2 ) 载波同步 载波同步是指在接收时产生与发送载波具有相同频率和相同相位的本地载波，从而实 现相干接收。在全数字解调算法中，由于采用固定频率的本地载波，收、发端存在频率和 相位误差，如果不加以校正将严重影响信号的解调。全数字化载波恢复包括频率恢复和相 位恢复，需要直接对接收信号进行处理得到载波频率和相位误差以进行补偿。 ( 3 ) 信道均衡 短波信道是时变色散信道，由于多径效应和多普勒效应的影响，信道畸变严重，致使 传输的信号存在较大的码问干扰，直接影响通信系统的性能。要在接收端正确恢复信息， 需要使用信道均衡技术，来校正信道的幅频特性和相频特性，消除码间干扰的影响。 第3 页 信息工稃大学硕十学 市论文 1 3 本文工作及论文篇章结构 本文针对1 6 q a m 信号的解调全过程，以美国军标m i l - s t d 1 8 8 1 1 0 b i h 附录c 中规定的 短波1 6 q a m 信号为例，探讨了 q a m 信号解调技术，着重研究了其中的几个关键环节，按 照1 6 q a m 信号的实际解调全过程( 1 要t 1 2 。2 ) ，将文章内容安排如下： 第二章，首先介绍 q a m 信号调制解调技术的基本原理，讨论q a m 解调技术的研究 现状，介绍美国军事标准( m i l - s t d 。1 8 8 1 1 0 b ) 中所采用的1 6 q a m 系统模型。根据c c i r - 5 4 9 推荐的w a t t e r s o n 模型对短波信道进行建模，模拟传输环境，在实验室的环境下，产生近似 实际短波信号的实验信号。 第三章，首先阐述了通信系统中关于信号检测的一些基本问题，然后介绍了常用的基 于能量判决的信号检测算法，该算法随着信噪比的降低其检测性能下降明显，信噪比较低 时算法失灵。本文针对短波1 6 q a m 信号的数据特点，讨论了一种基于信号相关性的检测算 法，同时讨论其判决门限的自适应调整，仿真结果表明，该算法在较低信噪比下同样能够 达到较好的检测效果。 第四章，首先讨论1 6 q a m 系统符号定时同步问题的重要性，简要比较了基于锁相环的 传统定时同步算法和前馈的定时同步算法。接着介绍常用的滤波和平方的符号定时同步算 法，该算法在高斯白噪声信道中可以达到很好的估计性能，随后针对短波信号的特点，利 用过采样信号的循环平稳特性，提出一种符号定时同步估计算法。后面的部分针对用于定 时恢复结构中的k a l m a n 滤波器和插值滤波器进行了讨论。最后分析了算法的性能。 第五章，为了消除短波信道对通信信号造成的畸变，需要采用信道均衡技术。本文在 常模盲均衡算法基础上采用一种改进的盲均衡算法。该算法克服了传统c m a 算法收敛后剩 余误差大的缺点，在均衡的同时能够自动补偿信道引起的相位误差。 第六章，首先讨论载波恢复对于1 6 q a m 系统的重要性，简单介绍现有的两大类载波恢 复算法，基于锁相环的反馈算法和无反馈的频率相位误差直接估计算法，比较其各自的优 缺点，根据实际需要，提出一种采用前向判决和锁相环技术的联合载波恢复算法。在载波 频偏估计环节，讨论现有的针对q a m 信号的载波估计算法，特别针对无数据辅助的情况下 的一种基于最大似然准则的估计算法，对其非线性变换进行讨论，提出其中、高信噪比下 的简化算法，该算法性能优于传统的四次方算法，同时实现简单。最后，在载波剩余频偏 和载波相偏的恢复方面，根据1 6 q a m 信号的特点采用一种改进的通用环对信号进行残留频 偏和相偏的恢复。 第七章，在上述算法仿真成熟之后引入实际的短波1 6 q a m 信号进行解调，解调后能够 恢复出信号的星座图，达到了预期的目的。 最后一章是对全文的总结。 第4 贞 信息t 稃大学硕十学付论文 第二章q a m 信号原理及短波信道特点 数字调制有三种基本的形式：幅度键控( a s k ) 、移频键控( f s k ) 和移相键控( p s k ) ， 它们分别通过改变正弦波的幅度、频率和相位来传送数字信号。正交幅度调制( q a m ) ， 又叫幅相联合键控，是继移相键控( p s k ) 之后发展起来的一种高效的调制方式，它通过 同时改变正弦波的幅度和相位来传送信息。美国科学家c h a r l e sr c a h n 在1 9 6 0 年首次提 出了幅相联合调制的方法，并撰文2 1 进行理论分析，得出结论：在高斯信道特性下，当 星座点多于1 6 个时，与p s k 相比，q a m 具有更高的频带利用率和抗噪性能。而后的一系 列实验证实了他的观点，从此q a m 这种高效的调制技术就迅速地发展起来。在大容量数 字微波中继通信、卫星通信和数字视频广播( d v b ) 中有着广泛的应用。近年来，随着短 波通信技术的发展，正交幅度调制( q a m ) 技术已经在短波通信中日益广泛的开始使用， 而且由于其高频带利用率的特性，能够缓解频带资源日益紧张的压力，今后必将成为短波 通信的重要方式。 、 与有线通信中良好的信道状况( 一般可以用加性白色高斯噪声信道来仿真) 完全不同， 短波通信中的无线信道状况非常恶劣，信道是多径、时变的，从而使短波信号产生衰落现 象。 本章首先介绍q a m 信号的基本原理以及研究现状，随后就本文中所研究的1 1 0 b 标准的 短波0 a m 信号加以介绍，最后介绍短波信道特点以及模型。 2 1q 埘信号的调制原理 2 1 1 基本原理 正交幅度调制( q a m ) 技术是一种幅度一相位联合调制技术，其信号的幅度和相位均 携带有数据信息，提高了频带的利用率。其调制解调的原理框图如图3 和图4 所示。在调制 端，输入数据经串并变换分为两路，分别经过2 电平n l 电平的变换，即利用映射法则把每 个符号映射成笛卡儿坐标系上的一个点，即星座点，用( ，吃) 来表示其坐标，a 。、吃经成 形滤波变成频带受限信号，正交调制后生成q a m 信号。在接收端，输入信号与本地恢复的 两个正交载波相乘后，经过低通滤波、多电平判决、l 电平到2 电平转换，再经过并串转换 就得到输出数据。 图3q a m 调制原理框图 出 第5 页 信息工稗大学硕七学付论文 图4q a m 调制解调原理框图 可见，q a m 信号由两列相互独立的数字基带序列吒、经成形后，分别对相位正交 的同频载波进行幅度调制后叠加而成的。数字正交幅度调制信号可以表示为： r1广 s ( f ) = l g ( t h r ) 卜c o 刚一i b 。g ( t 一，l 丁) i s i n 叼 ( 1 ) l 月j ldj 式中，巳、吃为离散序列，r 为数据码元宽度。n 。、玩由输入数据确定，分别代表正 交坐标轴i 轴与q 轴对应的值，每一对( 以，吒) 值对应一个信号点，则点集合 ) 称为q a m 信号的星座图。 2 1 2q a m 星座图的选择 根据星座映射规则的不同，星座图可分为矩形星座图，均匀圆形星座图和非均匀圆形 星座图三个基本类型，以1 6 q a m 为例，几种常用的星座图如图5 所示，分别为均匀圆形星 座图，非均匀的圆形星座图和矩形星座图。 幸+ ，世年+ 。a 2 ：二，年。0 f f ? 。o ? j ，￥、 q 幸+ d li ，未气 + 了1 + 二一。：- ：3 , 置i 一1 一_ 一一_ ：3 ：j 七 ， 丰卡 h 非均匀圆形星座图 图5 典型的1 6 q m 星座图 c 矩形星座图 q a m i 雕i j 有几个重要的参数：峰值一均值比y ，星座点间最小欧几里德距离“。和最 小相位偏移。不同的数字传输系统，对这些参数的要求各不相同1 1 3 1 。 峰值一均值比， q a m 信号的峰值一均值比： 第6 页 信息t 稃大学硕十学何论文 y = 鬻 ( 2 ) 产币藏 u 2 ) 最小欧几里德距离d 一 最小欧几里德距离氏。是指q a m 信号星座图上星座点间的最小距离。该参数反映 q a m 信号抗高斯白噪声的能力，最小欧几里德距离越大，抗高斯白噪声的性能就越强。 3 ) 最小相位偏移钆。 最小相位偏移q 。是指q a m 信号星座点相位的最小偏移。该参数反映q a m 信号抗 相位抖动能力和对时钟恢复精确度的敏感性，最小相位偏移钆。越大，抗相位抖动能力就 越强。 一个性能较好雕j q a m 信号，其星座图要尽可能满足以下三个方面的要求： 1 要有较小的信号峰值一均值比，以保证调制信号的包络起伏小，增强其抗非线性 失真的能力。 2 要使信号点间的最小欧几里德距离尽量大，以获得最佳的抗加性高斯白噪声性能。 3 要保证星座点间最小相位偏移尽量大，以增强调制信号的抗相位抖动性能，包括 抗定时恢复的时钟抖动和抗信道相位抖动性能。 就一个确定的q a m 星座图而言，是不可能同时满足这三个要求的，而只能根据不同传 输系统的要求，在保证主要性能要求的前提下，折衷地或采取自适应的办法进行设计调节 i 1 3 1 。不同星座图的参数值见表l 。 表1 三种类型星座图的参数比较 类型 6 l n i 。 d m i n y 均匀圆形星座图4 5 。 o 5 3 4 4 e o 1 5 1 4 非均匀圆形星座图 3 0 。 0 5 8 5 x 厨o 1 2 7 6 矩形星座图 1 8 0 0 6 3 3 4 e o 1 8 由表1 可见，当信号平均功率e 一定时，矩形星座图的最小欧几里德距离“。最大， 非均匀圆形星座图的次之，而均匀圆形星座图的最小。也就是说，矩形星座图抗高斯白噪 声能力最强，最适宜在典型的高斯白噪声信道中使用。但是，在抗相位抖动及抗非线性失 真等性能上，矩形星座图则不如均匀圆形星座图和非均匀圆形星座图，这是因为其最小相 位偏移民。最小，且峰值一均值比y 都大于后两者。因此，可得出一个重要的结论是：圆 形星座图更适宜在瑞利衰落的无线信道及非线性环境中使用。 另外，从表1 还可以看到，非均匀圆形星座图仅仅是通过对圆形星座图内外环星座点 第7 页 信息t 稃大学硕士学位论文 作了重新安排，就可以获得约o 7 d b ( 2 0 1 0 9 ( 0 5 8 5 x 瓦o 0 5 3 4 厄o ) ) 的性能改善，而且其抗非 线性失真性能也有所提高( ，= 1 2 7 6 1 5 1 4 ) 。 2 2q a m 全数字解调技术研究现状 q a m 全数字解调的关键技术是符号定时同步和载波恢复，目前已经提出了多种成熟 的全数字解调算法。 符号定时同步和载波同步的方式分为基于反馈的锁相环方式和基于前馈的方式。基于 反馈的锁相环方式需要一个系统调整过程，系统调整期间锁定误差较大，这种方式限制了 算法的同步速度，但锁相环锁定后的误差较小。基于前馈的补偿方式同步速度很快，但锁 定精度不如锁相环。两种方式中，前者比较适用于连续解调方式，后者适用于突发解调方 式。两种方式的核心都是参数( 定时误差、载波频偏和相偏) 的估计算法，应用于全数字 解调的算法应考虑到以下几点：算法在稳定情况下应是无偏且有效的；算法收敛速度足够 快；算法适于d s p 或硬件实现。 1 9 8 0 年，l c f r a n k s 4 对数字信号的符号定时误差估计和载波相位估计作了详细的探 讨，并提出一种易于最大似然( m l ) 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 卯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b p s k q p s k 中频信号中提取载波相位。这两篇文章标志着全数字解 调研究的真正开始，此后全数字接收机逐渐成为通信研究领域的热点，许多人对定时误差 估计和载波相位估计算法作了大量的研究，提出了各种算法和实现方案，比较有代表性的 有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( 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 n 7 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，该算法与载波相位无 关。1 9 9 3 年f m g a r d n e r , l e r u p r a h a r r i s 舳9 1 等对全数字接收机的插值算法作了详尽 的分析。1 9 9 6 年樊平毅和冯重熙n ”提出了f i r 滤波器结构的插值滤波器的设计及优化设 计方法；1 9 9 8 年郑大春和项海格2 ”提出了一种最大平均功率定时同步算法。2 0 0 0 年，陈 寅健，李荔等吨2 1 介绍了一种应用于低速率短消息突发通信场合的全数字解调方案。载波 恢复方面，1 9 5 6 年科斯塔斯发明同相正交环。1 9 6 4 年p r o a k i s 等人描述了一种面向判决的 相位估计法。v i t e r b i ( 1 9 6 6 ) 和g a r d n e r ( 1 9 7 9 ) 对锁相环进行了综合性的论述。1 9 8 1 年 l i n s a y & c h i e 的论文专门分析了数字p l l 。 在盲均衡方面，早在1 9 7 5 年，s a t o 嘶1 首先提出了一种用于多电平调幅数据传输的自 恢复均衡算法。这种自恢复均衡器非常简单，类似于传统的均衡器；随后b e n v e n i s t e 和 g o u r s a t 1 在1 9 8 4 年首先在s a t o 算法的基础上引入了盲均衡器的概念，给出了著名的b g 算法，从这时候起，各种算法相继提出，但最为显著的是g i o r g i op i e e h i 和g i a n c a r l op r a t i 在 第8 页 信息t 稃大学硕十学付论文 1 9 8 7 年提出的“s t o p 孤dg o 4 8 1 算法，以及c m a 1 算法。 2 31 1 0 b 标准q a m 信号 图2 3 1 给出美国军标m i l - s t d 一1 8 8 一1 1 0 b 附录c e e 规定的1 6 q a m 、3 2 q a m 、6 4 q a m 的 星座图。 i 一 ，一 “ d h n” i ， a1 6 q a wb3 2 0 a mc6 4 q a _ i 图6 短波1 l o b 标准q a l i 的星座图 符号率为2 4 0 0 符号秒，子载波中心频率是1 8 0 0 h z 。在2 0 0 h z 至0 3 4 0 0 h z 以外的信号功率 谱密度限制在低于中心频率处2 0 d b 下。在8 0 0 h z 到2 8 0 0 h z 范围内的波动不超过2 d b 。 标准中使用的帧结构如图2 3 2 所示。已知码元均采用8 p s k 调制方式。初始的2 8 7 符 号引导码后面跟7 2 帧的数据和已知符号，每个数据帧都包括一个2 5 6 符号的数据块以及 随后的3 l 符号的由已知数据组成的m i n i - p r o b e 。在7 2 个数据帧之后，再插入初始引导码 的7 2 符号的子集，以方便以后的接收，多普勒频移消除和同步调整。即这一段的重新插 入引导码总长度为1 0 3 符号，包括前面的3 1 符号的m i n i - p r o b e 和7 2 符号的引导码。 匪霾圈 二二二臣二二 圈 二 匿薹图圜掀同矧翩嚣7 懈 二二 数据块：s e 个符号 圈 血n i p r o b e3 1 个符号( 重复的1 6 符号f r a 咄1 吐1 1 盱多相码 尽囹 有规律重新插入的引导码1 0 3 个符号 图7 短波i l o b 标准0 a m 帧结构 2 4 短波信道的特点及w a t t e r s o n 信道模型 短波通信又称高频( h f ) 通信，短波有地波传播和天波传播两种传播形式。天波传播较 第9 贞 信息t 稃大学硕十学位论文 地波传播更有意义，天波可以进行远距离传播，也可以在很短的距离内建立无线电通信线 路。通常情况下，都是采用天波传输的形式，也就是依靠电离层的一次或多次反射进行通 信。短波信道的特点是由它的传播媒介电离层的特性所决定的。电离层特性不仅随地 理位置而变，而且具有明显的年变化、季变化和日变化。电离层的变化会严重影响电波的 传输情况。 短波信道是一种典型的随参信道，对短波信道的研究重点是信道色散特性方面，如短 波信道的多径传输、衰落和频率弥散现象及频率选择性衰落等特性： ( 1 ) 多径传播 多径性表现为同一发射信号可以通过不同的传播路径和不同的传输时间，到达同一接 收点。多径现象与电路工作的距离、频率、时间以及天线形式等因素有关。一般情况下， 多径数目在2 4 条之间，三条的情况最多，5 条以上可以忽略。最大多径时延是指当发端 发送某一单位脉冲，接收端收到的最后一个脉冲相对于收到的第一个脉冲的延迟时间。短 波信道的最大多径时延通常在1 0 m s 以下。多径时延是造成码间干扰的一个主要原因。 ( 2 ) 多普勒( d o p p l e r ) 频移 电离层的快速运动所引起的相位变化，反映在频率上，就是多普勒频移。在电离层平 静期，由电离层快速运动引起的多普勒频移约为o 1 1 0 h z 。但在日出日落及电离层骚扰期 间，多普勒频移则可以达到2 0 h z - 5 0 i - i z 。相位起伏对相位调制系统有严重的影响。 ( 3 ) 幅度衰落 幅度衰落是短波信道最常见的传播现象。造成幅度衰落的主要原因有：多径传播、子 波干涉、吸收变化、极化旋转和电离层的运动等。衰落分为慢衰落、快衰落、空间选择性 衰落、时间选择性衰落和频率选择性衰落。根据统计资料，高频时变信道信号幅度分布的 主要类型有瑞利分布、广义瑞利分布和复正态分布等，并以瑞利分布为主。 短波信道对数据传输的影响主要是由多径效应和多普勒效应造成的。多径效应引起信 道时间色散，造成信道频率选择性衰落。在时域表现为造成信号波形展宽，使所传输的数 据码元间相互干扰，这是限制数据速率的主要原因；在频域上表现为：若传输的信号满足 信道的频率选择性条件，即信号的带宽大于相干带宽( a f ) 。，则信号通过此类信道时， 会出现不同的频率分量所受到的增益和相位偏移都不同，某些频率分量会受到大幅衰减， 造成严重的频谱失真。相干带宽表征了信道幅频响应的两个分量保持强相关的最大频率间 隔。相干带宽与多径时延扩散t 成倒数关系，即： ( v ) “ ( 3 ) 多普勒效应体现了信道的时间选择性衰落。时间选择性衰落的快慢主要取决于码元间 隔，和相干时间( f ) 。之间的关系。当码元间隔t ( f ) 。，则说明了在一个码元之 第l o 贞 信息 = 程大学硕十学位论文 内信道的特性发生了变化。相干时间表征了信道参数随时问变化的快慢，它和多普勒扩展 的关系为： ， ( f ) 。z 儿 ( 4 ) ，j t 其中，五为信道的多普勒扩展，多普勒扩展越小，相干时间越大，则信道的变化越缓 慢。当丘= 0 时，相干时间为无穷大，则说明信道的参数、特性不随时间的变化而变化， 是固定不变的。统计数据表明：一般多普勒扩展在o 1 l h z 左右，则相干时间为l l o s 。 也就是说如果使用的码元速度为2 4 0 0b a u d ，则此时在一个码元宽度内短波信道可以看作 为慢衰落信道。 由前面的介绍可以知道，