（通信与信息系统专业论文）数字通信系统中同步技术的研究.pdf

摘要 同步是通信系统中一个非常重要的问题，是进行信息传输的前提和基础，通信系 统能否可靠的工作很大程度上依赖于同步技术的优劣。本文主要对数字通信系统中的 位同步和载波同步技术进行研究。 位同步的性能直接影响信号接收的误码率。本论文中主要研究了一种基于d f t 的频域位同步算法，该算法把接收到的已调信号的每个码元波形分为过渡区和稳定 区，对稳定区内每一个载波周期中的采样值进行d f t 计算，求出载波的幅值，然后 对载波幅值进行检测，检测到的幅值最小点就是位同步点。本论文中用m a t l a b 对该 算法进行了仿真，仿真结果表明这种位同步算法简化了解调过程，降低了计算量，抗 干扰性能比传统的位同步方法好。 载波同步是实现相干解调的基础。本论文中研究了一种基于开环的快速载波同步 算法。该算法通过消除本地载波和接收载波的频偏、相位差来解决解调过程的载波同 步问题。这种算法无反馈环路，不会出现反馈环路算法中的“悬隔效应”问题，可以 有效地实现载波频差和相差消除，完成接收信号的载波同步。论文中对这种载波同步 算法进行了详细讨论，并给出了相应的m a u a b 仿真结果，仿真结果表明该算法可有 效的实现载波同步。 关键词：数字通信系统，n 4 - d q p s k ，位同步，载波同步 a b s t r a c t s y n c h r o n i z a t i o np l a y sa l li m p o r t a n tr o l e i nc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s i ti st h e p r e c o n d i t i o nf o r t h ep r o c e s s i n go fi n f o r m a t i o f it r a n s p o r t a t i o n s t h ep e r f o r m a n c eo f s y n c h r o n i z a t i o nw i l ld i r e c t l yi n f l u e n c et h ep e r f o r m a n c eo fc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s 叫s t h e s i sm a i n l yf o c u s e d0 1 1t h ed e s i g no fb i ts y n c h r o n i z a t i o na n dc a r r i e rs y n c h r o n i z a t i o ni n d i g i t a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s t h e - p c l f o m l a l l c ；eo fb i ts y n c h r o n i z a t i o nd i r e c t l yi n f l u e n c e st h ep e r f o m m u c eo f r e c e i v e ds i g n a l sb i te r r o r t l l i st h e s i sm a i n l yd i s c u s s e do n ek i n do fb i ts y n c h r o n i z a t i o n a l g o r i t h m , w h i c hw a gb a s e do nd f tt h e o r y i nt h i sa l g o r i t h mt h er e c e i v e dc o d ew a v ew a s d i v i d e di n t ot r a n s i t i o n a ls e c t i o na n ds t a b l es e c t i o n w ec o u l dg e tt h ec a r r i e rw a v ea m p l i t u d e b yd o i n gd f t o nt h es a m p l i n gd a t ao f e v e r yc a r r i e rw a v ei nt h es t a b l es c “o n t h e nt h eb i t s y n c h r o n i z a t i o nc o u l d b er e a l i z e d b ya n a l y z i n g t h e a m p l i t u d e f i n a l l y t h i sb i t s y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h mw a ss i m u l a t e db ym a t l a b t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h i ss c h e m e n o to n l ys i m p l i f i e dt h ed e m o d u l a t i o np r o c e s s ，r e d u c e dt h ec a l c u l a t i o n , b u ta l s oi m p r o v e d t h en o i s e - r e s i s t a n c e c a r r i e rs y n c h r o n i z a t i o ni st h eb a s i so f p e r t i n e n td e m o d u l a t i o n 1 1 l i st h e s i sd i s c u s s e da f a s ts p e e dc a r r i e rs y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h mb a s e do no p e n - l o o p i tr e a l i z e dc a r r i e r s y n c h r o n i z a t i o ni nt h ed e m o d u l a t i o np r o c e s sb ye l i m i n a t i n gt h ef r e q u e n c yw i n d a g ea n d p h a s ew i n d a g eo ft h en a t i v ec a l t i e ra n dr e e i e v e dc a r r i e r 砸sa l g o r i t h mh a s h tf e e d b a c k l o o p ，s ot h e r ei s1 1 0 h a n gu p ，p h e n o m e n a i nt h i st h e s i s t h ea l g o r i t h mw a sd i s c u s s e d d e t a i l e d l ya n ds i m u l a t e db ym a t l a b t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h i ss c h e m ec o u l di m p l e m e n t c a r r i e rs y n c h r o n i z a t i o nw e l l k e y w o r d ：d i g i t a l c o m m u n i c a t i o n s y s t e m ，矗| 4 - d q p s k ，b i ts y n c h r o n i z a t i o n ，c a r r i e r s y n c h r o n i z a t i o n 声明 本学位论文是我在导师的指导f 取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，f 余t a s 以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名 掣蜱 刁 年g 月近日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名 辫 习 年多月才日 硕士论文数字通信系统中同步技术的研究 1 绪论 1 1 课题背景及研究意义 同步是通信领域一个重要的技术问题。随着现代通信与网络技术的飞速发展，同 步的重要性更加突出。许多先进的通信技术与系统，都要求精确地实现载波同步、时 钟同步与位同步，否则系统的优越性能将无法得到保证，先进性也无从发挥。 数字信息是一串相继的码元序列，由于噪声和码间干扰的存在，为了获得可靠的 判决结果、降低系统的误码率，要求在每个码元周期的最佳采样时刻( 眼图张开最大 位置) 对相干解调出的基带信号进行采样判决，以还原出整齐规则的信号码流。由于 信号存在传输延迟等因素，这个时刻往往是未知的，需要通过位同步信号定时恢复来 获得。当位同步信号本身有抖动、错位或者是抖动就会直接降低通信设备的抗干扰性 能，增加误码，甚至发生传输中断。在最佳接收机结构中，需要对积分器或匹配滤波 器的输出进行抽样判决，抽样判决的时刻应位于每个码元的终止时刻，因此，接收端 必须产生一个用于抽样判决的定时脉冲序列，它和接收码元的终止时刻应对齐，产生 这个定时脉冲的过程就称为码元同步或位同步、位定时，而称这个定时脉冲序列为码 元同步脉冲或位同步脉冲。 同样，当通信接收端采用同步解调或相干检测时，接收端需要提供一个与发射端 调制载波同频同相的相干载波，这个相干载波的获取就称为载波同步或载波提取。无 论是模拟调制信号还是数字调制信号，都必须有相干载波才能实现相干解调，因此载 波同步是实现相干解调的基础。载波同步和位同步一样不仅对传输设备本身而且对整 个系统、线路与网路均有至关重要的意义。 近年来，随着数字信号处理技术的飞速发展，人们越来越倾向于尽可能地使用数 字技术取代原来的模拟技术。采用数字技术，不仅可以避免模拟器件的固有失真和器 件的离散性对系统性能的恶化，而且可以提高系统的可靠性、灵活性和集成度。以软 件为核心的崭新的无线通信体系结构，是未来通信系统发展的趋势。同步技术做为通 信系统中的一个重要组成部分及影响因素，也必然有着广阔的发展前景。 1 2 国内外发展现状 早在8 0 年代初，就有学者讨论了数字接收机中的载波恢复和定时恢复问题。如： 1 9 8 0 年，l e f r a n k s “1 对数字信号的载波相位估计和符号定时误差估计作了详细的探 讨，并提出了一种基于最大似然参数估计( 札) 的符号定时误差估计算法。1 9 8 3 年， a j f r a n k 和a m v i t e r b i 。3 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，也是载波同步和位同步研究的开始，此后载 硕士论文数字通信系统中同步技术的研究 波同步和位同步逐渐成为通信研究领域的研究熟点。 最初，位同步信息是在一个单独的信道中传输，但是这种方法占用了大量的传输 能量，从而使数据吞吐量很低。直到1 9 6 0 年，研究发现。如果全部的传输能量都用 于数据信号的传输，那么每个使用的频带宽度都将获得最佳功率，即数据吞吐量达到 最大。早期的位同步方法是前馈结构，从一个等于符号率的离散频率中提取定时信息。 这个离散频率是基带信号通过非线性环节( n o n l i n e a r i t y ) 产生的，并用一个窄带带 通滤波器或相位锁相环滤出不需要的频率成份。带通滤波器或相位锁相环的输出是一 个离散的频率成份，波形是以符号率震荡的正弦波，并且含有白噪声。这个波形通常 很窄，任意一个正向或负向过零点都作为接收信号的采样定时依据。在过零点后需要 一个很小的符号延迟常数，以保证定位在信号的中心。这个结构由于简单、成本低， 今天在一些系统中仍然使用。但这种方法极大的依赖于输入信噪比s n r ，当s n r 很低 时，定时抖动增加。最初这种方法是由模拟来实现的，因此，在滤波时产生了模拟成 份漂移的难题。典型反馈位同步结构如图1 1 所示。反馈位同步方案的实现可以通过 动态相位锁相环来描述。接收到的信号通过定时相位检测器检测当前采样位置与符号 中心的关系，输出定时误差，并通过滤波来减小定时误差的抖动。这个滤波器通常带 有积分电路，以消除静态偏差。 图i i 位同步的反馈结构 环路滤波器的输出控制压控振荡器或数控振荡器的采样频率和相位，进而调整了 采样相位。与相位锁相环的稳定时间一样，采样相位的捕获时间和稳态的方差依赖于 环路的增加带宽。在1 9 6 0 年使用模拟的方法创立了反馈位同步环，在这个结构中使 用的是常见的环状滤波器和以符号率或者符号率的倍数振荡的压控振荡器。由于数字 半导体设备的出现和数字相位锁相环方法的成熟，这个方法现在常用模数混合的形式 来实现。考虑到模拟实现的缺点和数字信号处理设备的增加，前馈和反馈方案越来越 多的使用全数字结构来实现。除此以外，它们的性能分析也优于过去的几十年。这都 是由于分析工具和诸如最大似然估计、最大后验概率等模型的使用。首次使用最大似 然方法的位同步方案是w i n t z 和l e u k e 。他在论文中讲述了基本的性能约束，分析了 2 硕士论文数字通信系统中同步技术的研究 前馈非线性滤波位同步结构的最佳最大似然实现。分析仅限于基带数字传输信号，例 如，不归零数据序列。这个方案由于数学上易于处理，在今天仍然普遍使用。直到 1 9 7 0 年，许多著名的论文都提出了一些新的方法。在1 9 8 0 年，注意力都集中在改进 位同步的实现方法上。近来，更加集中到移动信道及数字实现和使用自适应方法以改 善位同步用于移动信道的性能。另外，动态数字锁相环也被应用于位同步。文献 3 给出了一种利用突发帧报头同步码实现2 4 d q p s k 的快速位同步捕获和位同步跟踪 的方法，这是在时域信号中插入同步信息来完成同步检测的，属于外同步法。文献 4 根据石4 - d q p s k 信号相位的转移恃点，通过对匹配滤波后的信号进行绝对值处理， 在频域上分离出包含定时信息的离散谱线，然后通过锁相环或窄带滤波器提取该谱线 从而恢复出位同步时钟。该方法属于滤波法。文献 1 4 通过比较接收信号的相位和本 地参考相位，由相位差来调整同步方向，进而找出最佳的判决时刻，该方法类似于锁 相环法。文献 4 ，1 4 均采用了g a r d n e r 定时恢复算法的思想。本论文中采用的是一 神基于d f f 的频域位同步算法。 传统的接收机采用频率跟踪环调整本地载波频率，并辅以科斯塔斯环、锁相环 ( p l l ) 技术等完成相干接收。由频偏检测器产生一个电压，其符号能反映载波频偏的 正负，其绝对值反映频偏的存在与否，但不能反映频偏的确切大小，因此只能用反馈 信号来控制压控振荡器( v c 0 ) 的频率，才能正确恢复载波。而锁相环路中环路滤波器 参数的调整是很麻烦的，尤其是对于一些高效的调制方式如m - q a m ，m - p s k ，它们对 静态相差要求很严格，随着m 的增加，锁相环的设计更加困难。而且理论上根据锁 相环锁定载波是有偏估计，理论分析也十分困难。 全数字接收机在2 0 世纪8 0 年代被提出，其中的载波和位同步的恢复方式可分为 反馈和前馈两类，则全数字接收机的结构也相应分为闭环和开环两类。对于基于反馈 的锁相环方式的补偿方式，由于反馈系统的稳定需要一个调整过程，这种工作原理限 制了锁相环方式的同步速度，而且对于反馈( 闭环) 结构，由于系统工作时钟是符号时 钟的十几倍甚至更高才能满足系统性能要求，所以跟踪速度慢，而且还不可避免的会 出现中止现象，这是反馈结构的两大弊端。这种方式适合于低速率，调制方式较简单 的应用场合。基于前馈的补偿方式的同步速度很快，但锁定的精度不如锁相环，而且 不象反馈结构中只要知道误差变化的方向就可以，该结构要求准确知道定时误差的大 小，所以该结构的算法都比较复杂。前馈结构更适合于高速、实时、复杂的应用场合。 目前开环的全数字接收机是研究的主要方向，本论文中载波同步的研究就是用了一种 基于开环的快速载波同步算法。 位同步、载波同步技术是半个世纪以来一直被研究的课题。它一方面伴随着数字 通信系统中接收机的发展而发展，另一方面它每一次技术的进步都促进了接收机性能 的改进。数字通信系统中的关键技术是载波恢复和符号定时恢复，目前应用的全数字 3 硕士论文 数字通信系统中同步技术的研究 接收机与传统的接收机的不同，主要体现在载波恢复和符号定时恢复上。 1 3 论文的主要内容及结构 本课题围绕数字通信系统中的位同步以及载波同步而展开，首先基于数字通信系 统模型对州4 - d q p s k 调制解调进行介绍，然后对t r 4 d q p s k 通信系统中定时误差 以及频偏对误码率的影响进行仿真论述，最后对本课题采用的载波同步和位同步算法 进行研究，并用m a t l a b 进行了仿真。本文主要结构如下： 第一章绪论。主要介绍了课题的研究背景、发展状况、研究的主要内容及意义。 第二章是数字通信系统简介。首先介绍数字通信系统的基本模型，然后介绍n 4 一d q p s k 调制解调原理及模型。 第三章介绍数字通信中的同步系统。首先介绍数字通信系统中的位同步信号和位 同步系统结构，位同步信号的性能要求、提取方法、位同步方案的选择，定时误差对 误码率的影响等方面的问题。然后介绍数字通信系统中的载波同步技术的发展、性能 要求及频偏对通信系统的影响。 第四章是数字通信系统中位同步算法的研究。首先简要介绍几种常用的位同步算 法，然后具体研究一种基于d f t 的频域的位同步算法，并用i h a t l a b 对相关模块进行 了仿真。 第五章是数字通信系统中载波同步算法的研究。首先简要介绍几种常用的载波同 步算法，然后对基于开环结构的快速载波同步算法及其实现过程进行具体的研究和仿 真。 4 硕士论文数字通信系统中同步技术的研究 2 数字通信系统简介 2 1 数字通信系统基本模型 数字通信系统就是利用数字信号传递消息的通信系统。数字通信系统的形式多种 多样，但从数字通信的特点及其所完成的功能来看，数字通信系统的功能框图和基本 组成部分概括如图2 1 所示伽。 i 信源和输ll 信源编码il 信道编码ii 数字调制l l 入变换器r 1器r 1器r _ 1器r 1 。一l _ j l 一j l l r i 信道i 图2 1 数字通信系统的基本组成框图 在数字通信系统中，信源输出的可以是模拟信号，也可以是数字信号，由信源产 生的消息变换成二进制数字序列，由信源编码器输出的二进制数字序列传送到信道编 码器。信道编码器在二进制信息序列中以受控的方式引入一些冗余，以便于在接收机 中克服信号在信道中传输时所遭受的噪声和干扰的影响。信道编码器输出的二进制序 列送至数字调制器( 数字调制的目的是将二进制信息序列映射成信号波形) 。通信信 道将发送机的信号发送给接收机的物理媒质，在数字通信系统的接收端，数字解调器 对受到信道恶化的发送波形进行处理，并将该波形还原成一个数的序列，该序列表示 发送数据符号的估计值。这个数的序列被送至信道译码器，它根据信道编码器所用的 关于码的知识及接收数据所含的冗余度重构初始的信息序列。作为最后一步，当需要 模拟的输出时，信源译码器从信道译码器接收其输出序列，并根据所采用的信源编码 方法的有关知识重构由信源发出的原始信号。由于信道译码的差错和信源编码器可能 引入的失真，在信源译码器输出端的信号只是原始信源输出的一个近似“3 。 数字通信系统的优点： 1 抗干扰能力强； 2 数字信号传输时，信道噪声或干扰所造成的传输差错可以控制，从而改善了 传输质量； 3 便于使用d s p 技术进行处理； 4 易于信息的加密； 5 可综合传递各种信息。 数字通信系统由于具有这些优点而得到了越来越广泛的应用。 硕士论文数字通信系统中同步技术的研究 2 2 州4 - d q p s k 调制解调器基本模型 数字调制解调技术是数字通信系统的重要组成部分，也是当前软件无线电应用研 究的主要课题，和模拟调制一样，数字调制也有调幅、调频和调相三种基本形式，并 可以派生出多种其它形式。数字调制与模拟调制相比，其原理并没有什么区别。不过 模拟调制是对载波信号的参量进行连续调制，在接收端则对载波信号的调制参量连续 地进行估值；而数字调制是用载波信号的某些离散状态来表征所传送的信息，在接收 端也只要对载波信号的离散调制参量进行检测。数字调制信号，在二进制时有a s k ( 振 幅键控) 、f s k ( 移频键控) 和p s k ( 移相键控) 三种基本信号形式。根据已调信号的 频谱结构特点的不同，数字调制也可分为线性调制和非线性调制。在线性调制中，己 调信号的频谱结构与基带信号的频谱结构相同，只不过频率位置搬移了；在非线性调 制中，已调信号的频谱结构与基带信号的频谱结构不同，不是简单的频谱搬移，而是 有其它新的频率成分出现。振幅键控属于线性调制，而移频键控常属于非线性调制。 随着技术的发展，又演变出了很多调制方式，但是这些调试方式都可以看成是对基本 调制解调方式的改进。p s k 调制方式由于其频谱利用率高、抗干扰能力强而得到了广 泛的应用。目前应用最广泛的是具有恒定包络的调制方式，其中最有代表性的是二相 移相键控( b p s k ) 、四相移相键控( q p s k ) 及其派生的调制方式，如交错四相移相键 控( 0 0 p s k ) 、，r 4 d q p s k 等。本论文选用的是由p s k 调制派生出来的疗4 d q p s k 调制方式。 耳| 4 d q p s ko | 4s h i f td i f f e r e n t i a l l ye n e o d e dq u a r t e r n a r yp h a s es h i f tk e y i n g ) 是 在q p s k 和o q p s k 基础上发展起来的一种线性窄带数字调制技术。刀4 d q p s k 最 早是由贝尔实验室的p a b a k e r 首先提出的，州4 d q p s k 调制技术具有较高的频谱 利用率和抗衰落等优点，可以满足数字移动通信系统对调制技术的要求，在近年来陆 地移动通信和数字卫星移动通信等系统中受到了广泛的重视和研究。彩4 d q p s k 已应用于较多的系统中，如美国的( d a m psc i s ，1 3 6 ) 数字蜂窝通信系统、美国的个 人接入通信系统( p a c s ) 、日本的个人数字蜂窝系统( p d c ) 等，欧洲数字集群标准 ( t e t r a ) 都采用了这种方式，我国的数字集群移动通信系统体制国家电子行业标准 体制也采用州4 d q p s k 技术。 ，r 4 d q p s k 信号的频谱和0 p s k 一样，因其载波相位转换限制在州4 和3 _ r 4 ， 没有在q p s k 中那样的瞬时疗的转换，带限滤波器造成的包络起伏和由于非线性放 大造成的频谱失真都较q p s k 小，所以其频带效率较高，特别适用于需要差分检测的 移动卫星通信系统中。另外万4 d q p s k 在解调上可采用差分检测，能够避免由于时 延扩展、多普勒频移等造成的载波提取困难。正因为州4 - d q p s k 调制具有这些突 出的优点它在移动通信、卫星通信中得到了广泛的应用。 6 硕士论文数字通信系统中同步技术的研究 州4 - d q p s k 信号的数学表示为： 工o ) = c o s k f + 西o ” ( 2 1 ) 式中庐( f ) 为相位，该相位携带所需要的信息。西( f ) 在一个码元周期7 内是常量，因此： x ( 0 - - c o s ( ( d c r + 吼) ：e t 伍+ 1 f ( 2 2 ) 式( 2 2 ) 用三角函数表达为： 工o ) = c o s 吼c o s ( o c t - s i n 吼s i n w c t = i kc o s o j c t 一绕s i n ( o c t ( 2 3 ) 式中，。= c o s 吼，g = s i n 西。分别为第k 个码元的同相和正交分量。图2 2 、图2 3 分别为州4 d q p s k 通信系统调制、解调器原理图。在调制端，二进制编码序列经过 , q 4 一d q p s k 映射为i 、q 两路信号。在解调端通过州4 一d q p s k 差分检测恢复为原始 信息，再送至信道译码模块进行软判决译码后恢复为二进制信息序列。州4 d q p s k 调制最大的优点是可以通过差分解调来简化接收机的设计。 图2 2 州4 - d q p s k 调制器原理图 ( a ) 州4 d q p s k 基带差分检测原理图 ( ”4 - d q p s k 中频差分检测原理图 图2 3 4 - d q p s k 通信系统解调器模型 万4 - d q p s k 调制是用相位变化传递信息的，第七个码元的相位可表示为： t = m l l + 西i ( 2 4 ) 7 硕士论文数字通信系统中同步技术的研究 式中哝一l 为第五一1 个码元的相位，中。为相邻码元间相位变化。衫4 d q p s k 每个码 元携带2 比特信息，其数据相位转换关系如表2 1 所示。 表2 1 4 一d o p s k 数据一相位转换表 双比特信息 i q m i = o i o 一1 0o 一3 # 4 01 3 尢 4 11兀| 1o 一咒| 4 ， = j hc o s a o i 一姨一1s i n a 4 ) ( 2 5 ) q = i k 一1s i n a * + q jc o s i ( 2 6 ) 式( 2 5 ) 和( 2 6 ) 表明l 和g 可表示为前一码元，、绕- l ，r a t a i 的正余弦值 的函数。如果用符号。表示相位。，则l 和g 可表示为幅度士1 ，。以及譬。若 丘为奇数，则可取两种幅度孚和一下4 5 ；若七为偶数，则可取三种幅度l ，。，一1 。 ，一1 、 、 ， j 、 1 l t t 、 j 、 ， 、， 、 、 八 爵：。j 寓 港1每 ( a ) 当o k l = 押叫4 时吼可能的状态 c o ) 当0 川= 盯衫2 时吼可能的状态 ( c ) 所有可能状态 图2 4 4 - d q p s k 星座图 假设初始时- i o = 1 ，q o = o ，吼= 0 ，待发送码元为“3 ”，并且七= 1 ，i = 一州4 。 仁仨 应用式( 2 5 ) 和( 2 6 ) ，可得，l = 半，q 1 = 一半。此过程循环下去，可以得到 刀4 - d q p s k 调制( ，幺) 的八点星座图，如图2 4 所示。 在加性高斯白噪声信道条件下，采用基带差分解调方式，州4 d q p s k 系统的误 硕士论文 数字通信系统中同步技术的研究 比特率r 为 只玎”室压一1 ) “以( 届) 一三山( 西矿2 ( 27 ) 式中，= 导，z 是第一类行阶修正贝塞尔函数。图2 5 是衫4 d q p s k 通信系统的理 珂0 论误码率曲线图。 哥 宦 噬 磐 筮 图2 5n 4 一d q p s k 通信系统误码率曲线 2 3 小结 本章首先介绍了数字通信系统的模型及其组成，然后介绍了州4 d q p s k 调制解 调器的基本模型。并用m a t l a b 工具仿真了州4 d q p s k 数字通信系统的误码率曲 线。 硕士论文 数字通信系统中同步技术的研究 3 数字通信系统中的同步系统 3 1 引言 同步是通信领域中非常重要的一个技术问题。随着现代通信与网络技术的飞速发 展，许多先进的通信技术与系统，都要求精确地实现载波同步、时钟同步与码序列同 步，否则系统的优越性能将无法得到保证，先进性也无从发挥。因此，同步是进行信 息传输的前提。 任何一个通信系统都必须有发送信号与接收信号的过程，而接收信号实际上就是 从噪声、干扰与畸变中提取信号，获取发送的信息。提取信号就是估计信号的某个或 数个特征参数，如振幅、频率、相位与时间等。同步中的主要过程就是信号参数的估 值过程。通信系统中的同步又可分为载波同步、位同步、帧同步和网同步几大类。 ( 1 ) 载波同步 当通信接收端采用同步解调或相干检测时，接收端需要提供一个与发射端调制载 波同频同相的相干载波。这个相干载波的获取就称为载波同步或载波提取。 但) 位同步 在数字通信中，消息是由一串连续的信号码元传递的。这些码元通常都有相同的 持续时间。接收端接收这个码元序列时，一般均需知道每个码元的起止时刻，从而对 码元进行判决。例如，用取样判决器对信号进行取样判决时，一般均应对准每个码元 最大值的位置。因此，接收端必须要产生一个码元定时脉冲序列，并且定时脉冲的重 复频率和相位( 位置) 要与接收码元一致。即：接收端定时脉冲的重复频率和发送端码 元速率相同；脉冲位置( 即取样判决时刻) 对准最佳取样判决位置。我们把在接收端产 生与接收码元的重复频率和相位一致的定时脉冲序列的过程称为码元同步或位同步、 位定时，而称这个定时脉冲序列为码元同步脉冲或位同步脉冲。 ( 3 ) 帧同步 数字通信中的消息数字流总是用若干码元组成一个“字”，又用若干“字”组成 一“旬”。因此，在接收这些数字流时，同样也必须知道这些“字”、“旬”的起止 时刻。在接收端产生与“字”、“句”起止时刻相一致的定时脉冲序列，称为帧同步 或群同步。 ( 4 ) 网同步 随着数字通信的发展，特别是计算机通信的发展，多个用户需相互通信而组成数 字通信网。显然，为了保证通信网内各用户之间可靠的进行数据交换，还必须实现网 同步，使得整个通信网内有个统一的时间节拍。 1 0 硕士论文数字通信系统中同步技术的研究 3 2 数字通信系统中的位同步简介 在数字通信系统中，为了得到发送的信息数据，首先必须在解调器的匹配滤波器 的输出端以符号速率对信号进行采样。然而，接收机不仅仅要知道采样的频率，还要 精确的确定在一个符号间隔内的什么时刻( 即定时相位) 对信号进行采样，这就是数字 通信中极为重要的位同步问题。 同步系统性能的降低，会直接导致通信系统性能的降低，甚至使通信系统不能工 作。可以说，在同步通信系统中，“同步”是进行信息传输的前提，而位同步又是帧 同步和网同步的基础，正因为如此，为了保证信息的可靠传输，要求同步系统应具有 更高的可靠性。本节主要从位同步信号的性能要求、提取方法等几个方面来具体介绍 位同步。 3 2 1 位同步信号的性能要求 位同步信号又称为时钟信号或者定时信号，衡量一个数字通信设备的位同步性 能，一般可以从以下几个方面来看”1 ： 1 相位误差只 相位误差是指位同步信号的平均相位和最佳采样点的相位之间的偏差。静态相差 越小，误码率越低。对于数字锁相环法提取位同步信号而言，相位误差主要是由于位 同步脉冲的相位在跳变地调整时所引起的。因为每调整一次，相位改变2 r j n ( 月是分 频器的分频次数) ，故最大相位误差为以= 竺，可见力越大，最大相位误差越小。 捍 2 同步建立时间 同步建立时间即为失去同步后重建同步所需要的最长时间。通常要求同步建立时 间要短，尤其对突发工作的高速数字卫星通信，否则将会造成信息部分丢失。 3 同步保持时间以 同步保持时间是指从接收信号消失开始到位同步电路输出位同步信号中断为止 的这段时间。一般希望保持时间长一些为好。 4 位同步门限信噪比 位同步门限信噪比是在保证一定的位同步质量的前提下接收机输入端所允许的 最小信噪比。该性能反映了位同步恢复对深衰落的适应能力。 5 相位抖动 相位抖动是位同步的瞬时相位和平均相位之差的均方根值。这一项性能要求十分 重要，因为位同步信号的相位抖动都通常会沿着中继段累积，从而严重影响整个传输 线路及网络的质量。 6 同步带宽蜕 硕士论文数字通信系统中同步技术的研究 同步带宽是指位同步频率与码元速率之差即位同步信号恢复锁相环的本地振时 钟频率能够跟踪时钟频率变化的带宽，也是由失锁状态能进入锁定状态的最大固有带 宽。如果这个频差超过一定的范围，就无法使收端位同步脉冲的相位与输入端信号的 相位同步。 7 错位率 错位率是指位同步脉冲序列出现多一位或少一位的现象，也称滑位。当位同步恢 复电路工作正常时，通常不大会出现错位，错位率往往在调整过程中出现。 3 2 2 位同步信号的提取方法 位同步的主要目的是从接收信号中导出位定时脉冲，从而取得抽样判决的最佳时 刻，因而对于码元的正确解调相当重要。图3 1 中绘出了在高斯自噪声下，当传输信 噪比为1 0 d b 时解调端接收信号眼图，由图中可以看出，由于噪声等干扰因素的存在， 在接收端信号眼图线条变粗，张开程度也变小。在用取样判决器对信号进行取样判决 时，取样位置应对准眼图张开得最大的位置。位同步电路的作用就是产生一个码元定 时脉冲序列，并且定时脉冲的重复频率与发送端码元速率相同；脉冲位置( 即取样判 决时s f j ) 对准最佳取样判决位置。 图3 1 解调端接收信号服图 位同步的提取方法总的来说可分为两大类，一类是外同步法；另一类是自同步法。 所谓的外同步法就是指位同步信息的传递往往靠发端发送导频，或是把同步信息寄托 在调制信号的包络上。在被传送的数字信号频谱中插入位同步导频集称为插入导频 法。所谓自同步法即指利用数字信号本身来传送同步信息。由于前者要牺牲一定的频 带和信号功率，所以在大容量数字传输中后者是经常被采用的种方案。但是，由信 号频域分析的基本知识可知，在一般m p s k 调制信号、m q 枷调制信号以及相干同步解 调的基带信号中原则上都不存在位同步的谱线量，所以必须进行某种非线性处理，才 硕士论文数字通信系统中同步技术的研究 能使其产生位同步信号的线谱分量。下边分别介绍从基带信号和从中频调制信号中提 取位同步信号的方法。 i 从基带信号中提取位同步信号 0 、1 等概的不归零的二进制随机脉冲序列中不存在提取位同步信号线谱分量。如 果解调器是延迟解调，它的任何一个码的载波相位是以前一个码的载波相位为参考 的，再加上传输频带受限，在相位的翻转处均产生包络陷落。经过延迟相应码元间隔 和相位检波后，将此类经适当延时的延迟解调得到的基带信号进行分解即可证明，对 延迟解调后的基带信号不必进行非线性处理，只要直接对所包含的位同步线谱分量进 行提纯即可。与此相应，对从同步解调后的基带信号中提取位同步的第一件事是要将 不归零码变为归零码，使其产生出位同步信号的线谱分量。有了线谱分量后，还必须 把存在着由码组本身产生的在位同步频率附近的连续谱以及接收机的内部噪声滤去， 否则这些分量将对位同步产生干扰，增加位同步的抖动，这一过程称为位同步信号的 提纯。这一工作通常采用一个高q 值的滤波器或锁相环来完成。为此，频带不受限时 要先加微分、整流处理，而频带受限的基带信号提取位同步信号时较方便，直接对解 调的基带信号进行全波整流处理即可，不必再采用微分电路等措施。 2 从中频调制信号中提取位同步信号 对中频m p s k ，m q a m 调制信号也可以直接进行一系列处理，使中频调制信号中产生 位同步信号的谱线。常用的处理方法有以下两种： ( 1 ) 包络检波法：由于中频调制信号频带受限，所以在中频包络上有陷落或者起 伏，经过包络检波器可以得到中频包络的信号，它可以分解为直流分量和具有一定脉 冲形状的归零码，所以可以说在中频包络信号中已经有了位同步的线谱分量。 ( 2 ) 延迟检波法：当频带没有受限时，或在中频放大器中采用了对称限幅器后， 往往把中频p s k 调制信号的包络削平了，此时，由延迟检波法来产生位同步信号谱线 是行之有效的方法。延迟检波法的工作过程和延迟解调相同，只是延迟时间r 不是一 个码长l ，当取f 2 b 或1 r , 2 b 。 利用信号x ( k l ) 进行定时参数估计的方法一般称为前向估计。这种方法对定时参 数估计的精度要求较高，有利于实现快速同步，但算法复杂度较高。利用信号x ( 七) 估计定时参数的方法一般称为反馈型估计。由于这种方法具有反馈结构，对定时参数 估计的精度要求不高，一般只要求估计结果能提供正确的调整方向。这种方法的同步 速度比前向方法慢，实现复杂度则比前向方法低。在实际应用中，必须根据实际的通 信环境在二者之间做出选择。 3 2 5 位同步对数字通信系统的影响 位同步是数字通信系统中的重要组成部分，对通信系统的性能起着决定性作用。 位同步的相位误差一般用以表示，见= 2 7 r n ( 以是分频器的分频次数) ，也有时候 用时间差t 来表示，正= 可行( t 为每码元的周期) 。 设解调器输出的基带数字信号如图3 7 ( a ) 所示，并假设采用匹配滤波器法检测， 即对基带信号进行积分、取样和判决。若位同步脉冲有相位误差z ，则脉冲的取样时 刻就会偏离信号能量的最大点啪。 一再元蔓= 码元矗三码元 广叮。产1 厂1 i j o j 。 f 骨ffff l i _ i 儡。九卅 图3 7 定时误差对判决性能的影响 从图3 7 可以看出，相邻码元相同时，码元同步误差并不会影响采样点积分能 量值，采样结果仍为整个码元的能量；但是，当相邻码元间出现变化时，位同步偏差 会使积分能量不等于码元的实际能量，而叠加上前一码元的影响，衰减了采样时刻的 积分能量。图3 7 中( c ) 表明，当相邻码元值发生变化时，由于码元定时误差的存在 使得在一个码元周期内的前2 t , 时间对信号的积分为零，采样点的值实际上只是在 ( t , 2 t d 时间内的积分值。积分能量是和时间成正比的。假设没有码元定时误差，采 样值的积分能量为e ，因此，采样点此时的积分能量减小为( 1 2 t d t ) e 。对于2 p s k 接收系统，有相位误差时的误码率公式变为： 1 6 硕士论文数字通信系统中同步技术的研究 只= 知c 雨7 1 爿 其中，e 为一比特的信号能量。 ( 3 1 ) 图3 8 定时误差对误码率的影响 取露= 0 1 r 时，比较理想状态下和存在码元定时误差时卅4 d q p s k 的误码率曲 线，如图3 8 所示，从图中我们可以看出码元定时误差的存在会使系统性能下降， 相同信噪比的情况下存在定时误差时的误码率要比理想情况下大很多。 3 3 数字通信系统中的载波同步简介 数字调制系统的性能是由解调方式决定的。在相干解调中，首先要在接收端恢复 出相干载波，这个相干载波应与发送端的载波在频率上同频，在相位上保持某种特定 关系，在接收端获得这一载波的过程称为载波跟踪、载波提取或载波同步。载波同步 同位同步一样对通信系统的解调性能起着重要的作用。这一节中将分别从载波同步的 发展、性能要求及频偏对通信系统性能的影响几个方面来介绍一下载波同步。 3 3 1 载波同步技术的发展 载波恢复是数字通信系统中一个必不可少的单元，是半个世纪以来一直被研究的 课题，它补偿了信号在传输过程中所造成的频偏损害并且跟踪相位。众所周知最早的 有1 9 5 6 年科斯塔斯发明的同相正交环，1 9 6 4 年普罗基斯等人( p r o a k i s ，毗a 1 ) 以及纳塔 利和瓦尔贝塞( n a t a l i w a l b e s s e r ) 描述了一种面向判决相位估计法。普赖斯早期的 工作也推动了面向对象估计的研究。锁相环综合性的论述，首先出现在维特比和加得 纳的著作中。锁相环( p l l ) 有模拟和数字两种实现方法，林塞与切( l i n s a y & c h i e ，1 9 8 1 ) 的论文专门分析了数字p l l 。此外，弗兰克斯撰写的论文描述了载波相位的方法“”， 其中包括基于最大似然估计准则的方法。在限制小信噪比的情况下， 1 7 硕士论文数字通信系统中同步技术的研究 m o n e n c l a c y & j o g h e 提出了p 阶功率估计法则，以及后人在此基础上提出的p 阶功率 改进算法。在本论文中主要研究的是一种基于开环的快速载波同步算法。 3 3 2 载波同步信号的性能要求 载波同步系统的主要性能指标是效率、精度、同步建立时间、同步保持时间、相 位抖动等指标。 1 效率 效率指的是为了获取载波信号而尽量少消耗发送功率。直接法由于不需要专门发 送导频，因此是高效的，而插入导频法要消耗一部分发送功率，因此效率要低一些。 载波同步追求高效率。 2 精度 精度是指提取载波与需要的载波标准比较，应该有尽量小的相位误差。载波相位 误差分为稳态误差和随机误差，稳态误差主要由系统决定，随机误差则由随机噪声产 生。 3 同步建立时间 同步建立时间是指从开机或失步到同步所需要的时间。载波同步系统要求越小 越好，这样同步建立的快。 4 同步保持时间如 同步保持时间是指同步建立后，若同步信号消失，系统还能维持同步的时间。载 波同步系统要求岛越长越好。 3 3 3 频偏及载波相位误差对数字通信系统的影响 当实现相干解调时由于载波同步系统所提取的载波存在稳态相差乱和随机相差 吒，使得相干载波的相位和已调信号的相位不完全相同。载波相位误差对数字通信 系统解调性能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 妒；印+ ，相位误差妒对不同信号的解调所带来的影响是不同的。d s b 和2 p s k 信号都属于双边带信号，具有相似的表示形式。对双边带信号，设s ( t ) = r e ( t ) c o s c a 。t ， 而所提取得相干载波为c o s ( c a d + a 力，这时解调器输出( 经低通滤波后) 的低频信号 m i f ) 为 1 r a ( ，) = 妄m ( f ) c o s p ( 3