（通信与信息系统专业论文）mimogmc系统下行同步研究与硬件实现.pdf

摘要 摘要 近年来，第三代( 3 g ) 移动通信系统已逐步投入商用，第四代( b 3 g 4 g ) 移动通信技术的研究和开 发正在全球范围展开。在中国，第四代移动通信f u t u r e 计划已被正式列入国家“十五”8 6 3 研究 计划。根据国家f u t u r e 计划拟订的关于新一代蜂窝移动通信系统的研究目标，东南大学b 3 g 课题 组提出了支持多天线广义多载波( m i m o - g m c ) 无线传输技术。本论文根据f u t u r e 计划二期课题的 研究目标，在m i m o - g m c 系统总体框架下研究下行定时同步技术及硬件实现。 本文首先基于信号参数估值理论，研究最大似然定时估计的原理，详细介绍和讨论了定时估计 的理论推导和定时恢复的实现方案，并对其进行了性能分析。接着介绍了m i m o - g m c 系统空中接 口规范和定时同步算法。 接下来详细讨论了下行定时同步的相关仿真，包括浮点仿真，定点仿真两部分。浮点仿真方面， 对插值器相关参数进行了优化；同时对捕获和跟踪模块作了随信噪比变化的错误率仿真。定点仿真 方面，对各个模块的定点过程进行了仿真，为硬件设计提供了合理的定点依据。在仿真过程中对所 用的信道模型产生方法进行改进，使用了二次函数插值算法产生信道参数，加速了仿真过程。 论文的最后一部根据下行定时同步浮点和定点仿真结果，给出了易于硬件实现的方案和参数， 在f d d 试验系统总体架构下进行下行定时同步的逻辑设计。通过不断的修改、优化和论证，最终确 定了满足硬件接口时序和功能需求、结构清晰、资源占用少的硬件实现方案。硬件实现中根据各模 块的不同需求，采用多路复用技术和流水线技术以及乒乓结构等达到面积和速度的平衡和优化，有 效地利用了硬件资源。在i s e 集成开发环境下。使用v e r i l o g 语言对设计方案进行f p g a 实现。实现 结果表明：下行定时同步电路满足功能和时序要求，资源占用也达到了预期的设计目标。最后，在 m i m o - g m c 系统试验板的x i l i n xv i r t e x - l lp r o1 0 0 芯片上，对下行定时同步实现结果进行在线调试， 通过了板级测试，论证了设计的正确性。 关键字：定时同步m i m o - g m c 浮点仿真定点仿真f p g a 1 1 1 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ec o m m e r c i a ld e p l o y m e n t so ft h e3 r dg e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s t h er d a c t i v i t i e so nt h e4 t hg e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o na r eb e i n gc a r r i e do u tg l o b a l l y i nc h i n a , t h e f u l l 瓜ep l a no n4 t hg e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o nh a sb c e l lf o r m a l l yl a u n c b e da so n eo ft h e1 0 t h f i v e - y e a r8 6 3r e s e a r c hp r o j e c t s t om e e tt h er e s e a r c hg o a lo ft h ef u t u r e ，t h eb 3 gr e s e a r c ht e a ma tt h e n a t i o n a lm o b i l ec o m m u l l i c a t i e nl a b o r a t o r ya ts o u t h e a s t u n i v e r s i t yh a sp r o p o s e dt h ea d v a n e e d m i m o - g m cr a d i ot r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g y t h i st h e s i si so nt h ed o w n l i n ks y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h ma n d h a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o nf o r t h em i m o - g m cs y s t e m1 0m e e tt h er e q u i r e m e n t so f t h es e c o n dd b & s eo f t h e f u l l 瓜e i nc h a p t e r2 ，t h ep r i n t i p l e so ft h em a x i m u m l i k e l i h o o dt i m i n ge s t i m a t i o na r cd i s c u s s e d s e v e r a l s y m b o lt i m i n ge s t i m a t i o n m e t h o d sa n dt i m i n gr e c o v e r y i m p l e m e n t a t i o ns c h e m ea s w e l la st h e i r p e r f o r m a n c e sa l ed i s c u s s e d t h ea i ri n t e r f a c es p e c i f i c a t i o no fm i m o - g m cs y s t e ma n dd o w n l i n kt i m i n g s y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h ma r ed i s c u s s e d t h e n ，f l o a t i n gp o i n ta n df i x e dp o i n ts i m u l a t i o n so fd o w n l i n kt i m i n gs y n c h r o n i z a t i o na r cp r e s e n t e d , i n c u l d i n gt h eo p t i m i z a t i o no f i n t e r p o l a t i o np a r a m e t e r i z a t i o n ，t h ep e r f o r m a n c eo f a c q u i s i t i o na l g o r i t h ma n d t r a c k i n ga l g o r i t h mu n d e rv a i l o u sc h a r m e lc o n d i t i o n s a n df i x e dp o i n ts i m u l a t i o n h a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o ns c h e m ew h i c hc a nf u l f i l lt h er e q u i r e m e n t si sp r o p o s e db a s e do nt h ef l o a t i n g p o i n ta n df i x e dp o i n ts i m u l a t i o nr e s u l t s ，a n dt h ed e s i g ni si m p l e m e n t e du s i n gf p g a r e s u l t ss h o wt h a tt h e d e s i g n e dd o w n l i n ks y n c h r o n i z a t i o nm o d u l ec a nm e e tt h ef u n c t i o n a la n dt i m i n gr e q u i r e m e n t s ，a n dt h e r e s o u r c eo s a g ea l s om e e t st h ee x p e c t e dg o a l f i n a l l y ，t h eo n l i n ed e b u gu s i n gx i l i n xv i n e x 1 1p r o1 0 0c h i p s o nt h em i m o - g m c e x p e r i m e n t a lb o a r di sp e r f o r m e d t h eb o a r d l e v e lt e s th a sb e e nc a r r i e do u tt ov e i l f y t h ed e s i g n - 畸w o r d s ：t i m i n gs y n e h r o n i z a t i o n ，m i m 0 4 3 m c ，f l o a t i n g - p o i n ts i m u l a t i o n , f i x e d - p o i ms i m u l a t i o n , f p g a i v 图表目录 图表目录 图1 1 mimo-gmc无线传输链路一2 图12试验系第e3 图22二进制psk信号解调器和检测器一5 图23定时同步跟踪环8 图24反馈型数字定时恢复9 图25插值器速率变换模型9 图26插值示意图一10 图3 1mimo-(；mc系统频带划分11 图3 2 mimo-gmc系统帧结构一11图33删o-gmc系统无线资源单元一11 图34上行链路的资源分配情况一11 图35普通时隙结构一11图36下行同步时隙结构一11 图37同步模块在系统中的位置一11 图38下行链路定时同步算法一11 图39一般插值过程一11图310升采样前频谱示意图一11 图311升采样后频谱示意图一11 图312滤波后频谱一11图313三次b样条函数波形一11 图314插值算法框图一11 图315单载波插值器框图一11 图316捕获算法原理框图一11 图317跟踪算法原理框图一11 图318重采样示意图一11 图46不同车速下误捕获率仿真结果一11 图47多载波跟踪性能一11 图48定点仿真与浮点仿真结果比较一11 图49定点仿真与浮点仿真误差比较一11 图410定点浮点实相关仿真比较一11 图411实相关误差仿真比较一11图412天线能量合并定点浮点仿真比较一11 v 东南大学硕士学位论文 图413天线能量合并定点浮点仿真比较一11 图414相位能量合并定点浮点仿真比较一11 闰415相位能量合并定点误差比较一11 图416多径能量合并定点浮点比较一11 图417多径能量合并定点误差比较一11 图418跟踪模块定点浮点仿真比较一11 图419跟踪模块定点误差比较一11 图5 1 xilinx公司fpga中slice结构一11 图5 2 d 0 l 与b u f g 一1 1 图5 3 m1与m2之间互联线示意图一11 图5 4 rams板m1与m2接口信号时序关系一11 图5 5r a m s 板与r x sp板之间的连接关系一11图56定时同步模块与rocketio接口的接口方式一11 图57同步模块送往rocketio的信号时序一11 图5 8 插值模块顶层视图1 1 图59插值模块输入时序图一” 图510插值模块输出时序图一” 图51l输入数据格式转化模块一11 图512输入数据格式转化模块输入输出时序一11 图513单载波插值模块一11 图514第一个滤波器一11 图515第二个滤波器一11 图516第三个滤波器一11图517单载波插值模块前后时序一11 图518捕获模块顶层视图一11 图5 1 9 下行捕获三帧验证以及精同步过程1 1 图520串并转换双口rma读写示意图一11 图521串并转换模块ram读写时序一11 图522滑动相关模块示意图一11 图523滑动相关模块结构一11 图524输出并串转换时序一11 图525天线能量合并模块一11 图526相位能量合并模块r读写示意图一11 图527最大能量窗搜索模块一11 图528跟踪模块项层视图一11 图529跟踪模块输入输出时序一11 图530跟踪模块硬件实现结构一11 v i i i 图表目录 图531单载波时隙能量合并模块结构图一” 图532载波能量合并模块一 图533时隙间能量合并模块一11 图534时隙间能量合并模块一11图535时隙间能量合并模块结构图一11 图536时隙间相位差输出模块一11 图537重采样模块顶层视图一11 图538重采样模块硬件实现结构一11 图5 3 9 插值模块的输入时序仿真图1 1 图540插值模块的输出时序仿真图一11 图541和图542为捕获模块的输入和输出仿真图：一11 图5 4 l 捕获模块的输入仿真图1 1 图542捕获模块的输出仿真图一11 图5 4 3 跟踪模块输入仿真图1 1 图5“跟踪模块输出仿真图一11 图5 4 5 重采样模块输出仿真图1 1 图5 4 6 实验室测试平台1 1 图547降速测试示意图一11 图548高速测试示意图一11 东南大学硕士学位论文 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： 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： 导师签名： 第一章绪论 1 1 论文背景 第一章绪论 移动业务正从话音业务为主向以i p 接入和多媒体业务为主的方向发展，手持移动终端将逐步成 为人机接口的主要设备。世界各国在3 g 系统投入商用的同时，也均在开展b 3 g 4 g 技术的研究，在概 念和技术上寻求创新与突破，从而将无线通信的传输容量和速率有十倍、甚至百倍的提高“1 。b 3 g 的 主要特征将是甚高速、多媒体和宽带i n t e r n e t 接入，将桌面多媒体网络服务推向移动用户。在网络 结构方面，将采用i p 、分布式、自组织和多层的无线宽带个人通信的新体制及新模式。在空中接口 技术上，将采用分布式的接入方式，显著提高空间无线信道的容量”1 。围绕b 3 g 系统的理论、关键技 术与方法的研究，将是国内外研究的重点和热点，必将产生一系列重大突破，极大地推动通信及相 关学科的发展：b 3 g 系统的研究开发，也将是通信产业界争夺的重点，其巨大的市场潜力将产生经济 发展的新的机遇和挑战。 9 0 年代早期欧洲就开始b 3 g 4 g 移动通信系统的研究，其目标速率是2 0 一i o o m b p s ，预期在2 0 1 0 年左右投入商用。国际电信联盟i t u r 在1 9 9 9 年成立了w p 8 f 工作组，主要任务是负责3 g 未来发展 和b 3 g 的研究。在2 0 0 1 年l o 月举行的第六次会议上讨论提出了“i m t 2 0 0 0 未来发展及超i m t 2 0 0 0 的远景框架及总目标( i m t - v i s ) ”。欧洲、北美和亚洲一些国家的公司和研究机构建立了研究4 g 技 术的w w r f 组织。欧盟的w i n n e r b 3 g 研究项目作为欧盟的第六个框架项目，于2 0 0 3 年4 月启动。 日本和韩国也已经启动了名为m i t f 和k 4 g 的b 3 g 项目。而在中国，第四代移动通信f u t u r e ( f u t u r e t e c h n o l o g i e sf o ru n i v e r s a lr a d i oe n v i r o n m e n t ) 计划已被正式列入了国家“十五”8 6 3 研究计划，探索 和研究适应未来移动通信发展需求的新理论、新技术，并建立试验平台测试。f u t u r e 计划的实施旨 在为中国的移动通信提供更多的技术保证，争取更多的核心知识产权，以有力地推动中国移动通信 事业的发展。其中f u t u r e + 已经完成，并将启动f u t u r e i i 研究计划“1 。 根据国家f u t u r e 计划拟订的关于新一代蜂窝移动通信系统的研究目标，东南大学移动通信实验 室b 3 g 课题组提出了支持多天线的广义多载波( m i m o g m c ) 无线传输技术”1 。本论文作为f u t u r e 计 划课题的一部分，研究同步技术理论、定时同步算法及其硬件实现，并在m i m 0 6 m c f d d 验证系 统上进行实验验证。 1 2m i m o - g m c 无线传输方案 为适应未来发展的需要，b e y o n d3 g 移动通信系统必须能够：支持全i p 高速分组数据传输，数 据速率为数十兆b p s 甚至数百兆b p s ；支持高的终端移动性，移动速度高达每小时几百公里；支持高 的传输质量，数据业务的误码率低于1 0 - 6 ；提供高的频谱利用率，每赫兹数比特以上：提供高的功 率效率，发射功率降低1 0d b 以上；有效地支持在用户数据速率、用户容量、服务质量和移动速度 等方面大动态范围的变化。而为满足这些技术需求，b e y o n d3 g 移动通信系统在网络结构、空中接 口、传输体制、编码与调制、检测与估计等各个方面必将具有全新的面貌，具体地：在网络结构方 面，将采用全驴、分布式、自组织和多层的无线广带个人通信新体制和新模式；在空中接口方面， 将采用分布式的接入方式，多天线技术具有至关重要的作用；在传输调制方面，多载波并行是必须 的，广义多载波技术正交频分复用技术( g m c o f d m ) 具有潜在的技术优势；在编码与调制方面， t u r b o 码、l d p c 码、高阶调制、以及自适应编码调制( a m c ) 等将得到发展和应用；在检测与估 计方面，迭代式检测与估计是获得最优性能的有效方法。 即使是在多天线环境下，为有效可靠地支持数据速率为数十兆b p s 甚至数百兆b d s 的全j p 高速分 东南大学硕士学位论文 组数据传输，超三代移动通信系统仍然需要很高的带宽，传统的单载波t d m a 和c d m a 技术无法 直接扩展到广带情况，以满足系统的技术需求，必须采用多载波并行传输技术。进一步，为满足系 统的技术需求，多载波方案应当能够适于各种多天线环境，抵抗诸如多径干扰、衰落、频偏和多普 勒频移、同步与定时偏差、以及多用户干扰等各种信道干扰和失真，具有易于扩展带宽和支持可变 的用户速率、用户容量和服务质量的灵活性。o f d m 技术由于其很强的抗多径能力及简单易行的 d f t 实现，得到广泛的重视，并得到广泛应用，而其在移动通信中的应用仍需深入系统地研究，所 存在的高峰均比问题和对频偏灵敏问题是其应用于移动通信环境有待解决的关键问题。如何继承 o f d m 技术的优点，克服其缺点，并进而构造新的多载波传输技术方案，是解决超三代系统传输体 制问题的另一重要途径，基于此，我们提出了广义多载波无线传输技术，研究工作表明，所提出的 多载波技术方案具有潜在的技术优势，经过进一步地发展，能够满足如上所述的技术需求。 链路仿真结果表明：在4 发8 收高速移动信道环境下，在低于2 0 m h z 的带宽内，m i m o - - g m c 系统可以支持峰值传输速率不低于1 0 0 m b p s 的高速数据传输，其正常工作的信噪比( 点；口) 可低于 o d b ，能够达i i j f u t u r e 计划二期课题预定的目标。 m i m o g m c 无线传输技术方案可描述为”： ( 1 ) 系统可在基本模式和扩展模式下工作。在基本模式下，可把总带宽为的2 0 m h z 信道分解 成一组并行的3 d b 带宽为1 2 8 m h z 的子信道，通过多载波滤波器组进行多载波合路和分路，多载波 滤波器组可通过d f t 快速实现：在扩展模式下，可把相邻的基本子载波合成为带宽为3 8 4 m h z 扩展 子载波，可根据未来不同国家的频谱分配情况，灵活地分配不同的扩展子载波，并可实现与3 g 系 统的共存与后向兼容。 ( 2 ) 在每个子载波，采用双循环自适应时隙结构、高效编码与调制、空时分集与空分复用、迭 代式空时联合检测译码等技术，支持高效的分组数据传输，满足b 3 g 系统对传输速率、系统容量、 频谱效率以及功率效率等方面的要求。 ( 3 ) 采用f d d 或t d d 双工方式，适用于广域覆盖和热点覆盖蜂窝通信环境。 ( 4 ) 采用f d m a 、t d m a 和c d m a 混合多址方式共享无线资源，其中c d m a 为辅选，每个 移动用户可动态地占用一个或多个基本子载波或扩展子载波，或占用一个子载波的一个或多个时隙、 码道等，从而达到大动态范围传输的要求。 m i m o g m c 无线传输链路具有如图1 1 所示的模块构成。在发送端，不同用户或同一用户的m 个并行比特流，分别经过子载波发送处理，得到子载波多天线数字基带发送信号，对应于每个发送 天线的子载波发送信号，经过多载波合成滤波器组进行多载波合成，生成多载波数字基带发送信号， 再经过数模转换和载波调制，分别产生各发射天线上多载波发送射频信号。在接收端，各接收天线 接收的多载波信号经过载波解调和模数转换，产生多载波数字基带接收信号，经过多载波滤波器组 进行多载波分解，并进行定时频率同步，生成同步后各子载波多天线数字基带接收信号，各子载波 的多天线接收信号再经过相应子载波接收处理，得到m 个并行的接收信息比特流。 叫子载波发送l 卜- 数模 阱 串并1 子载波发送2 卜 多载转换 波合 与载 转换 成 波调 制 叫子夔油悖拱1 2 卜 1 3 试验系统简介 叫子载波接收1 卜 载波多载 恒 解调波分 1 子载波接2 卜并串 与模析与 数转定时 转换 换同步 叫早蠹油棒螗1 2 卜- 图1 1m i m o - g m c 无线传输链路 试验系统如图1 2 所示，由四个接入点( r a u ，r e m o t ea n t e n n a u n i t ) 、两个基站( b t s b a s e s t a t i o n ) 、一个基站控制器( b s c ，b a s es t a t i o nc o n t r o l l e r ) 、以及三个移动终端( m t ，m o b i l e t e r m i n a l ) 组成。其中，r a u d a 天线系统和射频前端构成，每个r a u 有4 个射频通道，使用4 副天 线，完成模拟基带信号的载波调制和解调、以及射频信号的发送和接收；每个b t s 可与三个r a u 通 2 第一章绪论 过光缆连接，完成m i m o 基带发送和接收信号处理，通过接口连接n b s c ，并接入因特网：b s c 与 两个b t s 相连接，负责小区间无线资源的调配和控制，并通过终端计算机接入因特网；移动台由天 线系统、射频前端、基带系统、以及主控部分构成，有4 个接收和发送通道，使用4 副天线，完成 m i m o 基带处理、载波调制，解调、以及射频信号发送，接收等，它可以通过r a u 、b t s b s c 接入因特 网。 1 4 论文工作安捧 图1 2 试验系统 本文是作者在攻读硕士学位期间，参与f u t u r e 计划二期课题一“m 1 m o - g m c - f d d ”无线通 信系统中下行定时同步技术的研究所作工作的总结。主要研究m i m o - g m c 系统中的下行定时同步 算法，在阅读文献和技术报告的基础上对同步算法进行分析、仿真和比较，并寻求一种性能优良并 且适合硬件实现的方案，然后用v e r i l o g 语言在f p g a 芯片上进行实现。本文总共分为七章，主要内 容如下： 第一章简要介绍了论文的研究背景，m m o g m c 系统的基本框架和主要技术，f d d 试验系统 的构成以及论文工作安排。 第二章主要研究了移动通信中定时同步的基础概念、理论和方法，介绍各种定时同步算法模型。 第三章介绍了m i m o - g m c 系统的同步技术规范和同步过程，描述了定时同步中捕获和跟踪算 法的原理和具体实现等。 第四章搭建定时同步浮点、定点仿真平台，专门对定时性能进行了详细仿真。 第五章在定点仿真结果的基础上，使用v e r i l o g 硬件描述语音完成了硬件设计，在m o d e l s i m 仿真 平台下进行了仿真，并与定点仿真结果进行比较。而且。最终产生f p g a 程序，下载到芯片，进行板 级验证。 第六章对论文工作做了总结。 3 东南大学硕士学位论文 第二章数字通信系统中的定时同步技术 2 1 定时同步概述 2 1 1 定时同步的概念 在无线通信系统接收机的设计过程中，同步是实现信号正确接收的前提，是通信系统的基本功 能。m e y r 等学者提出的数字通信系统的模型1 如图2 1 所示。在m e y r 的模型中将接收机分为内接 收机和外接收机两部分。内接收机的任务就是对未知参数( 只嘲包) 的估计与补偿，然后产生序列 y ( 醵。包) ，使得在外接收机看来，不存在任何的未知参数，即同步参数估计和信道参数估计都是 理想的。同步处于接收端的内接收机部分，接收端为了从噪声、干扰与畸变中提取信号，必须估计 信号的特征参数，如振幅、频率、相位和时间。信号参数的估值过程就是同步州。 内接收机 图2 1 数字通信系统模型 数字通信系统中的同步主要包括载波同步、码元同步、码组同步、帧同步和数据包同步等；在 通信网中，还有群同步和网同步等。帧同步、数据包同步和网同步等一般需要在发送序列中插入专 门用于同步的数据序列，因而会占用一定的信道资源；而载波同步和码元同步不需要插入同步序列 就能实现其功能”1 。下面主要就载波同步和码元同步进行论述，首先介绍在同步数字通信系统中的 载波同步和定时同步。 为了获得最佳的系统性能，数字通信系统中一般采用相干解调。这就意味着必须利用与发射机 相同的频率和相位载波在接收端获得基带数字信号，但是因为接收机中振荡器在相位上一般与发射 机不同步，而且两个振荡器随时间漂移，造成发射机和接收机两端载频频偏不样。所以必须测量 载波频偏和相位，这样的过程称为载波同步。 为了恢复发送信息，必须在接收端对解调器输出进行周期性抽样，每个符号间隔抽样一次。对 4 砑 ；- l 五 一 第二章数字通信系统中的定时同步技术 应于眼图睁开的最大位置时刻为最佳抽样时刻，即此时抽样时刻已位于接收信号脉冲的“峰值”处。 很明显地，为了实现可靠的检测，必须精确确定脉冲的“峰值”位置。能预测这样位置的电路就称 为定时同步器“。 典型的二进制p s k 信号解调器和检测器的方框图如图2 2 所示，载波相位估计值用来给相关 器产生参考信号g ( t ) c o s ( 2 1 t f c t + # ) ，符号同步器控制抽样器和信号脉冲发生器的输出”埘。同步后 的采样值进入检测器，根据一定的判决规则判定哪个信号被发送，由此可以看出同步的性能直接影 响接收机对信号的接收。 图2 2 二进制p s k 信号解调器和检测器 定时同步包括捕获和跟踪，捕获是粗调，使接收序列和本地码相位差保持在一个码元以内；跟 踪是细调，在信道时变的情况下跟踪变化，调整同步位置。捕获过程主要参数有捕获率、误捕率、 捕获时间等，捕获仿真首先要有假设检验模型，一般使用b a y c s 模型。跟踪一般采用d l l ( 延迟锁定 跟踪环) 或t d l ( t 抖动跟踪环) 2 1 2 信号参数估计理论 如上所述，同步是数字通信系统接收机中的关键技术。同步的任务就是要从接收信号中估计出 定时误差、载波相位等参数，而实现同步的基础是信号参数估值理论。下面从估值理论出发，介绍 各种同步的方法，推导具体的载波同步器和定时同步器的结构。 首先建立接收机信号的数学模型，假设发送信号为s ( f ) ，信道中的噪声为玎( f ) ，则接收信号r ( f ) 可表示为： ，( r ) = s ( t ，日吟+ 疗( f )( 2 1 ) m 表示待估值参数矢量，包括各种同步参数，如传播延时f ，载波相位矽等。 在采用相干接收的数字通信系统中，必须估计两个参数f 和。有两个基本准则广泛用于信 号参数估计：最大似然( m l ) 准则和最大后验概率( m a p ) 准则。在m a p 准则中，信号参数矢量 m 被建模成随机的，并用先验概率密度函数来表征；如果信号参数矢量m 被处理成确定的但是未知 的，则使用m l 准则“1 。 用| 个标准正交函数 z ( f ) ) 得到r ( r ) 的标准正交展开式，就可以用向量f = k ，r 2 ，h 】表示 ，( f ) 。把随机变量“，吃，h 】的联合概率密度函数表示为p i m ) ，那么，m 的m l 估计值就是使 p ( i i m ) 最大的值。由贝叶斯定理可知，m a p 的估计值是使后验概率密度函数p ( m l ) 最大的m 值， 其中： p ( 西i - ) ：旦堡! ! ! ：旦! 竺2 ( 2 2 ) 一 p ( f ) 如果m 的先验概率相等，使p ( i i 西) 达到最大的西值，同时也使p ( o l ) 最大。这时最大后验 概率准则和最大似然概率准则具有相同的错误概率，对参数中的最大后验概率估计可简化为对其的 最大似然估计，两者可以等效。如果先验概率不等，而且被精确地知道，则最大后验概率准则检测 产生的错误概率比最大似然概率准则检测产生的错误概率小，即m a p 检测性能优于m l 检测性能。一 东南大学硕士学位论文 般情况下，先验概率是未知的，因此通常选用最大似然检测。 似然函数p ( - l 面) 表示确定的参数面下，随机矢量【，r v - - , , 】的概率密度函数。在加性噪声 为零均值高斯分布的情况下，联合概率密度p ( - i 西) 为： p 叩= ( 击卜饽学) ， 其中， = f r or ( t ) f ( r ) d r 置= j ：o s ( t ) f ( t ) d t 式中， 矗表示对r ( t ) 正交展开式中n 个正交函数波形线性叠加的观察间隔。 式( 2 3 ) 中的指数部分，并取极限，可以推得下式： 熙一喜噻笋一驴1 叫锄2 出“鲁2 盯2 2 盯2 也。 则p ( j 西) 关于参数西的最大化等价为下列似然函数的最大化： ( 2 4 ) ( 2 5 ) 将式( 2 4 ) 和( 2 5 ) 代入 ( 2 6 ) a ( 奶= 唧 一上2 0 - 2 驴( f ) - 砸；研廊 ( 2 7 ) 对式( 2 7 ) 取对数，可以得到对数似然函数为 a 上( 面) = c 上 r ( f ) 一s ( r ；奶】2 d t ( 2 3 ) 其中q 是常数，且c ：= 一乏7 。 本节介绍了数字通信系统中信号参数估值的基本理论，并推导出用于同步参数估计的最大似然 函数表达式，下面将用最大似然概率准则研究符号定时估计的理论和方法。 2 2 符号同步定时估计方法 在同步数字通信系统中，定时恢复是一个重要的功能。解调出的信号必须以一定的抽样间隔r 在 精确的时刻进行抽样，其中r 为符号间隔。周期抽样的实现要求在接收机中有一个时钟，在接收机 中提取这个时钟信号的处理过程称为符号同步或定时恢复1 。 获得符号同步有几种方法，在某些通信系统中，发送机和接收机的时钟都同步到一个主时钟上，该 时钟提供一个非常精确的定时信号。在这种情况下，接收机必须估计和补偿发送与接收信号之间的 相对延迟。另一种方法是提供时钟专用信道，即发送机在伴随信息信号的同时发送个时钟频率为 1 t 的信号或1 t 的倍频信号。接收机使用一个调谐到发送时钟频率上的窄带滤波器提取时钟信号来 抽样，这种方法的缺点是时钟信号的传输占用了有用的信道带宽。时钟信号也可以从接收的数据信 号中提取，这种同步的方法称为自同步“”。在自同步系统中，利用最大似然估计方法获取有噪声环 境下的定时同步信息是一种最佳的方法，其性能可以接近均方误差下界。 下面来推导最大似然符号定时估计值。假设载波相位己知，接收信号为r ( r ) = s “；f ) + 行( n ，t 为需要估计的延迟。用f 代替。代入公式( 2 7 ) ，似然函数变为： 6 第二章数字通信系统中的定时同步技术 a ( f ) = o x p 一专n 心) 叫f ；f ) 】2 西 ( 2 9 ) 上式中的积分表示接收信号r ( o 与参考信号s ( f ；f ) 的距离。1 ，求最大似然估计值相当于遍历所有可 能的r ，找到一个i m ，使得接收信号与参考信号之间的距离最小。把积分表达式展开，并取对数， 可得对数似然函数： 人。( r ) = 一互r 2 ( t ) d t + 1 ，( 啪( f ；r ) 西一互s 2 ( f ；r ) 击 ( 2 1 0 ) 显然，r 2 ( ，) 与f 无关；而瓦足够大时，【j 2 ( f ；f ) 函与f 无关伪，这两项都可以看作独立于f 的 常数，于是对数似然函数可以简化为： ( f ) = 7 1 丘，铆渺+ c ( 2 - 1 1 ) 其中，c = 一古r 2 ( t ) d t 一古即；f ) 廊 相应地，对数似然估计为： 缸= a r g n 人。( z ) = a r g ，o 弦( f ；f ) 研 ( 2 1 2 ) 定时同步算法有很多，如果传输的数据序列已知，即一些规定的同步字或训练序列，在此前提下的 定时同步方法称为数据辅助( d a t a - a i d e d ) 定时恢复方法。在多数情况下，传输的数据序列是未知的， 如果用接收端估计的数据序列代替实际数据进行定时参数的估计，这种方法称为面向判决( d e c i s i o n d i r e c t e d ) 的定时恢复方法；如果没有利用估计出来的数据序列，而按照信息码元取值的概率密度来 平均似然函数，再对平均后的似然函数求极值得到定时估值，这种方式称为非数据辅助 ( n o n d a t a a i d c d ) 的定时恢复方法”1 。下面基于最大似然概率准则介绍两类符号同步的方法： ( 1 ) 数据辅助( d a ) 定时估计面向判决( d d ) 定时估计； ( 2 ) 非数据辅助( n d a ) 定时估计。 2 么1 数据辅助的最大似然定时估计 实际数字通信系统中，发送端在发送有用数据之前发送一段被称为导频或同步码的已知序列( 训 练序列) ，接收端利用已知的训练序列来估计载波相位或符号定时，这种方式称为数据辅助同步参 数估计。数据辅助的方法有很多“，采用的训练序列也多种多样。不同的训练序列会产生不同的估 计性能“，因此，应该选择合适的训练序列。 若发送数据序列为a ，由于接收到的序列，依赖于a ，因此同步器的实现取决于如何看待发送 序列a 。定时误差的最大似然概率为： p ( r l f ) 。荔p ( p ( r 如果发送的序列已知，例如在发送有用数据之前发送一段已知序列( 训练序列) ，那么p ( a ) 就可以确切地预知。由于发送序列己知，式( 2 1 3 ) 的求和式中只剩下一项，即此时延时f 的最大似然 估计简化为求似然函数p ( r i a = ，t ) 的最大化，即： ( ) 2 a r g m 警p ( r l 口2 口o ，f ) ( 2 1 4 ) 扩频通信系统中基站和移动台的p n 码捕获就是基于这种同步算法。由式( 2 1 1 ) 的x v j 数似然函数知，延 7 东南大学硕士学位论文 时f 的最大似然估计值是使延时后的发送信号与接收信号的相关值最大的。由于发送的p n 序列 已知，因此通过滑动本地产生的p n 序列并在所有可能相位中进行搜索以使相关运算结果最大，可以 获得与接收信号同步的本地p n 序列。在扩频通信系统中，只有获得p n 的同步才能进行所有的解扩运 算。 在一定的条件下推导数据辅助定时估计的最大似然函数。假设发送信号是p a m 波形，表示为： s ( ，；f ) = a g ( t - n t f ) r 2 1 5 ) 发送信号经过信道，叠加了双边功率谱密度为n o = 盯2 的高斯白噪声聆( f ) ，得到接收信号为 ，【f j = 占【r ；f ) + ，叹 将式( 2 1 5 ) 代入式( 2 “) ，并略去常数项，可得对数似然函数： 姒f ) - 专车船) g ( f - n t - r ) 西 为了简化，作如下定义： y 1 0 2 o r ( t ) g ( t 一 丁一f 、西 式( 2 1 8 玳入式( 2 r d ，对数似然函数变为： “f ) - 孛莓胎) 对上式取导数，r 的最大似然估计值矗n 应满足的条件为： 皇半i f - 缸= 了1 a y d ，( oior ，叱= o 曲? ”i = “d f 一“ 由陀2 可以得到定时同步跟踪环的实现方法“u ，图2 3 所示。 ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) f 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) 图2 3 定时同步跟踪环 采用等效低通信号的处理方法，可以将上述基带p a m 信号的m l 定时估计技术推广到载波已调信 号的形式，例如 q a m 和p s k 。因此，载波信号符号定时的m l 估计问题与基带p a m 信号的问题表述 起来非常相似 2 2 2 插值实现数字定时恢复 数字定时恢复的经典算法是由g a r d n e r 等人提出的利用内插定时恢复最佳采样点，图2 4 描述 了反馈型数字定时恢复的基本组成。 8 第二章数字通信系统中的定时同步技术 假设接收信号x ( f ) 为带限信号，符号周期为t ，采样时钟频率为c ，采样后的信号为 x ( 脚正) = x ( m ) 。插值器参数由控制器产生，对输入的采样点插值，得到符号间隔为z 的插值输出 y ( 螺) ，一般来说，z = 吖k ，k 为较小的整数。数字滤波器对采样点进行处理，得到最佳观测 点。数字滤波器的输出经过定时误差检测模块，提取的误差信号经过环路滤波器和数控振荡器n c o ， 得到插值器所需的控制信号，插值器利用这些信息对已知采样点插值完成定时同步。 抽样墨 图2 4 反馈型数字定时恢复 下面简述数字定时恢复环路中插值器实现定时恢复的基本原理和方法。为了实现最佳检测，需 要得到接收信号“f ) 在t = n t + 岛r 时刻的采样，但在接收机中实际采样到的样值序列为 x ( 册t ) = x ( 所) ，因此需要利用这些已知样值信息插值产生新的样值，使他们和期望采样时刻的样 值一致或者接近。 为了获得插值的模型，首先构造一个插值器的速率变换模型i l 川，如图2 5 所示。 采样时钟 图2 5 插值器速率变换模型 在该虚拟模型中，采样信号x ( m t , ) 经数模转换后经过插值滤波器h a t ) ，输出模拟插值信号 j ，( f ) ，可以表示如下： y ( f ) = x ( m t s ) h l ( t m 五) 对y ( f ) 用新的采样间隔z 重新抽样，得到新的采样点： j ，( 蝎) = x ( m t s ) h l ( k l ：一m t s ) r 2 2 2 ) 上述方法包括模拟信号的处理，但是完全可以用数字的方法得到所需的插值点首先对信号索引作 如下定义，定义基点下标为： 滤波器下标为： m k = i n t k r i r s 】 9 东南大学硕士学位论文 分数间隔为： i = i n t k t i 五卜m = 一m 以= k r , 珏一i n t k t , 五】= 魍五一m k 其中，0 s 儿 分相滑动相关 天线能量合并 相位能量合并 多径能量合并 设计过程中，对以上四个方面的定点化分别进行了仿真，确定仿真满足设计要求，下面分别说 明。 4 2 2 1 分相滑动相关定点仿真 本模块输入为单天线的实部或者虚部，进行实数相关运算，同步码取1 或者0 ( 代表1 ) ，因此 滑动相关模块只有加法运算：同步码为l 时直接相加；同步码为0 时，取反加l 后再相加。由于输 2 8 o 侣 ， 帖 。 一!口ii薹一 第四章下行定时同步仿真 入为( 1 2 ，8 ) 的数据，因此，输出为( 1 7 ，8 ) 的数据，按照如此过程进行仿真，结果如图4 9 、 图4 1 0 所示： 图4 9 定点浮点实相关仿真比较 图4 1 0 实相关误差仿真比较 l 一1 x 2 ( ) 定义定点信噪比为：鼢碾= 艺广! 生一，其中，x ( 行) 为浮点仿真结果，( 功为定点仿 乏： x ( n ) - x ( 胛) 】2 n 一= o 真结果，依照上式计算的定点信噪比为：5 5 6 9 ，这是可以接受的。从以上两图可以看出，浮点结果