（通信与信息系统专业论文）基于fpga的海事卫星突发信号位同步检测研究及实现.pdf

中文摘要 码元定时恢复( 位同步) 技术是数字通信中的关键技术。位同步信号本身的 抖动、错位会直接降低通信设备的抗干扰性能，使误码率上升，甚至会使传输遭 到完全破坏。尤其对于突发传输系统，快速、精确的定时同步算法是近年来研究 的一个焦点。本文就是以i n m a r s a tg e s a e s 数据接收系统为背景，研究了突发 通信传输模式下的全数字接收机中位同步方法，并予以实现。 本文系统地论述了位同步原理，在此基础上着重研究了位同步的系统结构、 码元定时恢复算法以及衡量系统性能的各项指标，为后续工作奠定了基础。 首先根据卫星系统突发信道传输的特点分析了传统位同步方法在突发系统 中的不足，接下来对i n m a r s a t 系统的短突发r 信道和长突发t 信道的调制方式 和帧结构做了细致的分析，并在a g i l e n t a d s 中进行了仿真。 在此基础上提出了一种充分利用报头前导比特信息的，由滑动平均、阈值判 断和累加求极值组成的快速报头时钟捕获方法，此方法可快速精准地完成短突发 形式下的位同步，并在f p g a 上予以实现，效果良好。 在长突发形式下的报头时钟捕获后还需要对后续数据进行位同步跟踪，在跟 踪过程中本论文首先用d s pb u i l d e r 实现了插值环路的位同步算法，进行了 m a t l a b 仿真和f p g a 实现。并在插值环路的基础上做出改进，提出了一种新的 高效的基于移位算法的位同步方案并予以f p g a 实现。最后将移位算法与插值算 法进行了性能比较，证明该算法更适合于本项目中i n m a r s a t 的长突发信道位同步 跟踪。 论文对两个突发信道的位同步系统进行了理论研究、算法设计以及硬件实现 的全过程，满足系统要求。 关键词：位同步突发通信海事卫星前导序列移位算法 a b s t r a c t s y m b o lt i m i n gr e c o v e r y ( b i ts y n c h r o n i z a t i o n ) i st h ek e yt e c h n o l o g yi nt h ed i g i t a l c o m m u n i c a t i o n j i t t e ra n dm i s p l a c eo ft h eb i ts y n c h r o n i z a t i o ns i g n a lw i l lr e d u c et h e a n t i i n t e r f e r e n c ep e r f o r m a n c e so fc o m m u n i c a t i o ne q u i p m e n td i r e c t l y , a l s oi n c r e a s eb i t 锄rp r o b a b a i l i t y n i sp a p e rr e s e a r c h e st h et e c h n o l o g yi na b u r s tm o d e ” c o m m u n i c a t i o nb i ts y n c h r o n i z a t i o nb a s e do nt h ed i g i t a lr e c i v e ro fi n m a r s a tg e s 膳l e s s y s t e m s y n c h r o n i z a t i o ni sv e r yi m p o r t a n ti na ”b u r s tm o d e ”c o m m u n i c a t i o ns y s t e ma n d i th a sb e e no n eo ff o c u s e so fc o m m u n i c a t i o ns y s t e m si nr e c e n ty e a r s s ot h ew o r ki n t h i sd i s s e r t a t i o ni so r i g i n a t e df r o mt h i sp r o b l e m t h eb e g i n n i n gi n t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h et h e o r yo fb i ts y n c h r o n i z a t i o na n d a n a l y z e st h ec o m p o n e n to ft h es y n c h r o n i z a t i o ns y s t e m t h e nt h ep a p e rd e t a i l e d a n a l y z e ss y s t e m a t i cs t n l c 嘶， i t sa l g o r i t h m sa n di t sp e r f o r m a n c ei n d i c a t o r st o e s t a b l i s haf o u n d a t i o nf o rt h ew o r kf o rt h ef u t u r e t h e nt h ep a p e ra n a l y z e st h e s i m i l a r i t i e sa n dd i f f e r e n c e so ft h ec o n t i n u o u sa n dt h eb u r s tm o d ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m t h i sp a p e rs h a p e si t sc o u r s ea f t e ra n a l y z i n gt h em o d u l a t i o nm o d ea n dt h ef r a m e f o r m a ti nt h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o lo ft h ei n m a r s a tr - c h a n n e la n dt - c h a n n e l 1 1 1 e s c h e m ei n c l u d e st w oh e a da n df r o n t s ：t h et i m i n gr e c o v e r yo ft h el e a d e rs e r i e si na s h o r t - b u r s t - m o d e a n dt h et i m i m ga d j u s t m e n to ft h ed a t ai na l o n g - b u r s t - m o d e c o m m u n i c a t i o n f a r t h e rp r o p o s ean e w “s h i f t i n g a l g o r i t h mb ya m e l i o r a t i n gt h e i n t e r p l a t i o nl o o p t h et h e s i sa l s od e s c r i b e rt w os y s t e ma t i cs c h e m e si nh a r d w a r el a n g u a g e a n d t h e s et w os c h e m e sh a v eb e e nr e a l i z e dw i mf p g a c h i p k e yw o r d s - b u r s hm o d ec o m m u n i c a t i o n ， l e a d e rc h a r a c t e r s ，s h i f t i n ga r i t h m e t i c 英文缩略语 a b p s k a d s a e s a s i c b e r d s p f e c f i f o i 巾g a g e s 皿l i n m a r s a t n c o n c s p n r t l s c p c t d m t d m a t e d u s b 英文缩略语 a e r o - b i n a r yp h a s es h i f tk e y i n g a d v a n c e dd e s i g ns y s t e m a i r c r a f te a r t hs t a t i o n a p p l i c a t i o ns p e c i a li n t e g r a t e dc i r c u i t b i te r r o r r a t i o d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g f o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n f i r s ti nf i r s to u t f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y g r o u n de a r t hs t a t i o n h a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e i n t e r n a t i o n a lm o b i l eo r g a n i z a t i o n n u m e r i c a l l yc o n t r o l l e do s c i l l a t o r n e t w o r kc o o r d i n a t i o ns t a t i o n p s e u d o - n o i s e r e s i s t o rt r a n s f e rl e v e l s i n g l ec l m a n e lp e rc a r r i e r t i m ed i v i s i o nm u r i p l e x i n g t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea d d r e s s t i m i n ge r r o rd e t e c t o r u n i v e r s a ls e r i a lb u s 航空二迸制相移调制 a g i l e n t 公司开发的射频 微波电路仿真工具 机载地球站 专用集成电路 误码率 数字信号处理 前向纠错编码 先入先出 现场可编程门阵列 地面地球站 硬件描述语言 国际移动卫星组织 数控振荡器 网络协调站 伪随机 寄存器传输级 卫星回程线路 时分复用 分时多任务接取 时钟误差检测 通用串行总线架构 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘壅盘堂或其他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。 学位论文作者签名：为丹 签字日期： 砩年6 月1 7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤壅盘堂可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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字日期：矽o f 年 、 导师签名： m 孚後 一期：砀即月心日 第章绪论 1 1 课题来源 第一章绪论 i n m a r s a t ( i n t e r n a t i o n a lm o b i l eo r g a n i z a t i o n ，国际移动卫星组织) 是一个提 供全球范围内卫星移动通信的政府间合作组织，即国际移动卫星组织。最早称国 际海事卫星组织，英文简称i n m a r s a t 。i n m a r s a t 成立于1 9 7 9 年，初期旨在为海上用 户提供遇险安全通信和常规卫星通信服务，现已发展成为世界上唯一能为海陆空 各行业用户提供全球卫星移动公众通信和遇险安全通信的业务提供者。i n m a r s a t 总部设在伦敦，到目前已有8 9 个成员国。在国内习惯称i n m a r s a t 为海事卫星系统。 海事卫星通信系统主要由同步通信卫星、移动终端( 包括海用、陆用和空用 终端) 、海岸地球站以及协调控制站等构成。海事卫星系统在海事上的应用为直 拨电话、电传、传真、电子邮件、数据连接：船队管理、船队安全网和紧急状态 示位标。同时还为海事遇险救助和陆地较大自然灾害提供免费应急通信服务。海 事卫星有多种不同的移动卫星通信系统，通过一系列终端向用户提供不同的服 务。 海事卫星在中国已经经历了2 0 多年的发展历程，其独特的性能和覆盖能力已 成为国内公众基础电信网的补充和延伸，并得到了广泛地应用。2 0 0 3 年，我国建 成、开通了海事卫星f 系统【l 】，完全满足了海、陆、空各种类型用户对移动卫星 加密电话、传真、电传、数据、图象传输、互联网接入等不同的需求。海事卫星 f 系统是最新一代全球移动卫星数字多媒体信息系统，该系统能以高效、安全的 信道，将商务信息和各种有关信号快捷地发到任何地方。它通过对话音四个优先 级别的划分，将遇险安全呼叫定为最优先级别的呼叫，与其它媒体通讯比具有不 可比拟的优势。主要表现为：其一是由m c n 提供的全新的f 卫星网络系统，能使 通信信息遍布世界的各个角落，即能做到“联通世界，畅所欲言；其二是根据 各方需要，可发挥移动或“永久在线”功能；其三是可构建成真正的海上办公室， 快速收发电子邮件，登陆互联网和内部网，高速传输图片和视频图像，并在全球 2 4 d , 时信息通讯不问断；其四是话音优先级别，它的遇险安全呼叫，被设定为最 高级别的通信，必要时可抢占信道优先通话；其五是兼容性强，广泛适用的标准 性软件都适合于该系统，甚至一般软件和某些专用软件也适合于该系统。 由于上述优势，仅全国交通卫星专用网就分布在全国各地6 9 个端站，覆盖了 第一章绪论 全国各省( 区) 市和沿海港口及我国海域。到目前为止，海事卫星系统和设备的 应用又得到了进一步升华，现已更广泛地应用于我国政府部门、国防、新闻媒体、 海关、外交、战备通讯、远洋运输、渔业船队、石油勘探、应急救灾、登山探险、 民航客运、水文监测、野外作业等诸多领域。 随着现代通信技术的发展，硬件速度、规模等条件越来越成熟，软件无线电 思想也开始得到越来越多的应用，更多的海事卫星接收系统开始采用全数字接收 机。而众所周知，数字通信系统的一切优势都是在接收端正确地恢复传输码元的 基础上获得的，如果位同步信号本身有抖动、错位会直接降低通信设备的抗干扰 性能、使误码率上升，甚至使传输遭到完全破坏。因而对接收到的数据进行准确 的码元时刻判决( 也就是位同步) 是整个接收过程中的重要内容。同时，在海事 卫星通信系统中存在着大量的突发业务，突发通信信号由于自身特点，对解调的 载波和时钟捕获时间要求较高，一般应该在几十个码元时间内实现解调的入锁、 同步。 本论文以民航客运系统中的海事卫星a e s g e s 数据接收系统为主体，针对 海事卫星的突发信号进行了位同步检测的研究和f p g a 实现。 1 2 航空g e s a e s 数据接收系统简介 本系统采用全数字接收技术，对天线接收到的中频信号直接进行a d 转换， 后续的解调、载波同步、位同步、帧同步等等全部采用数字信号处理方法实现。 用软件无线电思想f 2 1 ，以大容量f p g a 作为信号处理平台，实现了航空卫星通信 系统地面站( g e s ) r 、t 信道和机载站( a e s ) p 、c 信道接收机的物理层接收 的全部功能，具有配置灵活，升级、扩展能力强等特点。接收机完成的主要功能 如图1 1 所示。 ： 解码部分 ： 嘉江丑拉 叵丑臣拇嚣 图1 - 1 接收机完成功能框图 本论文所做的工作属于系统的数字基带处理部分，数字基带处理包括解调和 第一章绪论 解码两个部分。所谓解调，从时间域讲就是将从受调制的通带载波信号中恢复基 带波形，如果是数字解调，还需在基带波形中寻找最佳的抽样判决点。从频域的 角度讲就是将信号频谱搬移到零频附近，并滤除不需要的频率成分。本文主要就 是做其中的数字解调部分处理，包括解调恢复基带数据并在基带波形中寻找最佳 的抽样判决点，同时做好与前端载波同步和后续帧同步的时序接口，保证各个部 分在衔接联调时不会出现时序紊乱。 1 2 1i n m a r s a t 系统 i n m a r s a t 航空卫星通信系统分为初级系统与增强系统两类，在初级系统中， 航空卫星系统由卫星转发器、机载站( a e s ) 和陆地站( g e s ) 组成；在增强系 统中还包括一个网络协调站( n c s ) 。i n m a r s a t 航空卫星通信初级系统的构造如图 1 2 所示 3 】- 【5 1 。 p 信道 机陆 r 信道 通信终 载 地 固定网 端 站 络 站 t 信道 ( a e s )( g e s ) c 信道 1 2 1 1g e s 介绍 ；来自其他g e s 的p 酱甘且们m i 7 ” ： 信道 图1 - 2i n m a r s a t 初级系统 g e s ( g r o u n de a r t hs t a t i o n ，地面地球站) 是安装在地面的大型地球站，经 由卫星与飞机联系的固定无线电台，由碟形天线以及信号控制、发送设备构成。 工作在c 和l 波段。每个g e s 应至少配备一个p 信道发信机( 6 0 0 b s ) 、4 个r 信道接收机( 6 0 0 b s ) 和1 个p 信道接收机( 6 0 0 b s ) 。其他数据信道( p r t ) 和话音信道( c ) 可以根据g e s 操作者的选择来配置。 1 2 1 2a e s 介绍 a e s ( a i r c r a f te a r t hs t a t i o n ，机载地球站) 是装在飞机上的小型地球站，机 第一章绪论 载无线电通讯组，接收及处理卫星传送来的信号，予以格式化后，再发送出r f 信号，以达到与地面站通讯的目的。工作在l 波段。 每个a e s 至少应配备1 个p 信道接收机( 6 0 0 b s ) 和1 个r 信道发信机( 6 0 0 b s 和1 2 0 0 b s ) 。其他数据信道( p m ) 和话音信道( c ) 可以根据a e s 的类型及 用户要求来配置。 1 2 1 3 信道类型 p 信道是一条由g e s 连续发送的前向( g e s a e s 方向) 连续广播信道 ( t d m ) ，用来传输分组信令和分组数据。p 信道可分为用作系统管理功能用的p 信道( 记为p 眦) 和用作业务信息传输的p 信道( 记为p d ) 。p 。眦和p d 可以是同一条 或者不同的信道。 r 信道是一条由a e s 以突发方式发送的后向( a e s g e s 方向) 时隙随机访 问信道( s a l o h a ) ，用来传输分组信令和分组数据。r 信道可以分为用作系统 管理功能用的r 信道( 记为眦) 和用作传输业务信息的r 信道( 记为& ) 。氏雠和 心可以是同一条或者不同的信道。 t 信道是一条由a e s 以突发方式工作的后向( a e s g e s 方向) 预约时分 多址访问信道( r t d m a ) ，用来传输用户的分组数据。g e s 根据a e s 要发送的 信息块长度来分配时隙，a e s 只能在分配的时隙内按照优先等级依次发送信息。 c 信道是一条用在前后向的、采用按申请分配方式的单路单载波( s c p c d a ) 话音信道。g e s 根据a e s 的申请进行信道的分配。 1 2 2 项目实施方案概述 国际海事卫星组织航空卫星通信系统的物理层数据传输采用数字调制技术， 有多种调制方式，多种数据传输速率，而且物理层的协议也在不断升级。据报道， 第五代i n m a r s a t 航空卫星通信系统的数据传输速率已达到1 2 8 k b s 。为了适应不 同的调制方式和未来高速数据接收，项目采用软件无线电解决方案，即对宽带中 频信号直接采样，而后续的所有信号处理都采用以f p g a 为平台的数字信号处理 方法。之所以采用f p g a 而不采用d s p 作为数字信号处理平台主要是考虑到在 对多信道处理以及未来的高速宽带信号处理时，d s p 可能的计算能力的不足。同 时现在的f p g a 已有足够大的容量，可以集成软核c p u ，使得整个系统的硬件 结构更简洁，灵活性更高。整个系统的硬件结构如图1 3 所示：它包括电 第一章绪论 宽带 频输 图1 3 接收机结构框图 源系统，中频放大部分，a d 转换和数字下变频专用处理芯片a d 6 6 5 4 ，基带信 号处理和逻辑控制平台f p g a ，u s b 接口和用作显示、控制、数据存储的p c 机。 本论文所涉及的主要内容都在f p g a 中实现。 1 3 本文的主要工作 本文的主要工作是在航空g e s a e s 数据接收系统中进行突发信道的位同步 研究及实现。在实验过程中首先i n m a r s a t 协议，具体地分析了r 信道和t 信道 两个突发信道的结构和它们之间的异同。在此基础上制定出了适合短突发形式下 的r 信道报头的前导序列捕获方案和长突发形式下的t 信道报头捕获之后的数 据位同步跟踪方案，对两个方案做了细致地分析研究并予以实现。在项目实验阶 段的主要工作有： 分析r 、t 信道信号格式并在a g i l e n ta d s 系统中构造信息源模型，控制信 号发生器产生可供f p g a 作为信号源的模拟信号。 采用异步f i f o 作为与前端载波同步的输出信号接口，i q 两路信号经滤波 后做a b p s k 差分解调处理，还原基带信号，为后续位同步模块做好信号和时序 接口准备。 在q u a r t u su 环境实现下对r 信道的报头前导序列定时信息捕获，并分析在 不同信道噪声影响下系统的效果。 分析t 信道信号格式，在d s pb u i l d e r 中构造基于插值算法的位同步环路， 对环路性能做了仿真证明后，生成在q u a r t u si i 软件中可以使用的硬件描述语言 文件，实现了环路的设计。 以插值环路为基础，对其中不足之处做修改，提出了基于移位算法的位同步 跟踪系统并予以f p g a 实现，并在不同信噪比下对环路进行性能测试和误码率分 析。在与前端报头同步模块良好衔接后，实现了整体的t 信道位同步系统，报头 第一章绪论 捕获和位同步跟踪，经测试满足系统要求。 1 4 本文的结构 本论文主要分为5 个章节，结构如下： 第一章绪论。介绍了课题来源于航空g e s a e s 数据接收系统，并对该系统 和项目实施的总体方案做了概要介绍。 第二章主要介绍了位同步的体系结构。首先分析了位同步的原理和对系统性 能的影响，接着对连续信号同步和突发信号同步的异同点做了比对并提出了位同 步的系统要求，为后续的实现奠定了理论基础。 第三章从调制方式、帧参数和帧结构等方面细致地分析了i n m a r s a t 系统中r 信道和t 信道的信号格式。通过分析设计出两个信号源的a d s 仿真模型，并分 别制定出了两个信道的位同步方针：r 信道短突发形式下的报头时钟捕获方案和 t 信道长突发形式下的捕获及跟踪方案。同时根据航空系统中特殊的a b p s k 调 制方式用差分解调的方法还原了基带信号。并对位同步的前端和后续接口做了设 计，从而使后续的章节可以专注于位同步本身的设计实现，保证了在各个部分衔 接联调时不会出现时序紊乱。 第四章对r 信道位同步的方法做了具体的论述和仿真实现。提出了一种由 滑动平均、阈值判断和累加求极值点三个部分组成的快速报头前导序列时钟捕获 方案，并给出了在f p g a 实际验证的结果和此方法的性能分析。 第五章对t 信道位同步的方法做了具体的论述和仿真实现。系统的分析了t 信道的位同步方案：由报头时钟捕获和后续数据位同步跟踪两部分组成。报头捕 获方案延用r 信道的经验，本章的重点在于t 信道的位同步跟踪方案。接下来 介绍了通过插值环路对数据进行位同步的非同步采样算法，在对其进行了仿真和 实现后找到其中的不足并对该环路做了修改，提出了一种基于移位算法的位同步 跟踪结构并给与f p g a 实现。经m o d e l s i m 在不同信噪比下的仿真验证，该算法 能够快速、有效的实现报头信息的时钟捕获和后续的数据位同步跟踪，实现位同 步信号的自动调整功能。满足协议规定的系统要求。 最后对论文所作的工作和取得成绩进行了总结，并指出了下一步的工作重点 和努力方向。 第二章位同步系统结构 第二章位同步系统结构 在数字传输系统中，数据是由一连串依次出现的码元来传输的。因此在接收 端为了正确的检出码元，必须知道每个码元出现的起始时刻。只有在码元出现的 时刻判断接收到的数字序列，才能正确的恢复发送端的信息。因此必须在接收端 产生码元定时脉冲序列，此脉冲应该和接收到的码元序列同频同相，即同步工作。 同步，实际上是传输时间信息的问题，也是如何将发送端帧、码元、字的起点时 刻准确地传输到接收端的问题。同步时间信息的特点是信息量小，但它要求有比 传输信息更高的可靠性。因为一旦同步失效，就会对系统接收到的数据进行漏判、 误判或是错位，这些结果都极有可能使系统工作遭到完全破坏。 在数字通信中，解调器的输出必须是以符号速率周期性地在精确的抽样时刻 乙= 所丁+ f 抽样，其中t 是符号间隔，f 是信号从发射机到接收机传播时间的标 称延时。为了周期抽样，要求接收机中有个时钟。在接收机中，提取这种时钟信 号的处理过程通常称为码元同步( 符号同步) 或者位同步。 2 1 基带信号位同步方法概述 本论文主要是在全数字接收机的基带波形中寻找最佳的抽样判决点。 假设传输信号序列为 ) ，n = l ，2 。一般地，a n 为复数，则传输基带 信号的波形为： x i t ) = a 。g ( t - n t ) n = - - 其中，t 为符号间隔，g ( t 1 为成型脉冲。 包含噪声的接收信号可以表示为： z ( t ) = x ( f ，f ) + 刀( f ) x i t ，f ) = a g ( t - n t - t ：) ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) 其中，刀( f ) 为加性高斯白噪声，f 为信号的传播时延。位同步的任务就是尽 量排除噪声和时延对数据的干扰，在多个数据采样点中选取最佳采样时刻恢复原 第二章位同步系统结构 始数据。 数字通信可采用连续信号或突发信号传输形式，连续信号传输形式是指信号 传输在很长的时间内不间断，如地面微波通信系统、常规的短波传输等。而突发 信号传输是指信号利用若干不连续的短时间片发送信息，如采用t d m a 体制的 g s m 数字蜂窝移动通信系统、和本项目中所讨论的i n m a r s a tr 、t 信道等。由于 信号传输的形式不同，所以定时同步的方法也不同。 2 1 1 连续信号的定时同步 这是通常情况下所讨论的位同步的模式，研究的起步也比较早。早期的定时 同步是靠在专用的信道上发送同步信息来完成的，而数据在另一个信道上传输。 但如果所有的传输能量都用于传输数据，而不是分散在数据和同步两个信道上， 将会获得更好的效果。因此后来研究的同步方法集中在从符号速率的离散频率成 份中提取定时信息。 目前比较成形的位同步实现方法可分为自同步和外同步两种。自同步是直接 从接收的信号中提取位同步信息，又称为直接法；而外同步是在发射端专门发射 导频信号，如插入导频法【6 】。 2 1 1 1 外同步法 为了得到位同步的定时信号，首先要确定接收到的信息数据流中是否含有位 定时的频率分量。如果存在此分量，就可以利用滤波器从信息数据流中把位定时 时钟直接提取出来。若基带信号为随机的二进制不归零码序列，这种信号本身不 包含位同步信息，为了获得位同步信号需要在基带信号频谱的零点插入所需得导 频信号，这就是插入导频法。在接收端利用窄带滤波器就可以从解调后的基带信 号中提取所需的同步信息。 用插入导频法提取位同步信号要注意消除或减弱定时导频对原基带信号的 影响。窄带滤波器从输入的基带信号中提取导频信号后，经过移相，分成两路， 其中一路经过定时形成电路，形成位同步信号；另路经过倒相后与输入信号相 加，经调整使相加器的两个导频幅度相同，相位相反。那么相加器输出的基带信 号就消除了导频信号的影响，这样再经抽样判决电路就可恢复出原始的数字信 息。 插入导频的另一种形式是使某些恒包络的数字信号的包络随位同步信号的 某种波形变化。例如p s k 和f s k 信号都是包络不变的等幅波。因此，可将导频 信号调制在它们的包络上，在接收端只要进行包络检波就可以恢复导频信号作为 位同步信号，且对数字信号本身的恢复不造成影响。 第二章位同步系统结构 2 1 1 2 自同步法 自同步的方法是发送端不用专门发送位同步的导频信号，而接收端可直接从 接收到的数字信号中提取位同步信号。这是数字通信中常用的一种方法。目前广 泛采用的方法是数字锁相环法。 数字锁相法是采用高稳定频率的振荡器( 信号钟) 。基本原理是在接收端产 生本地码元同步信号，用鉴相器比较接收码元与本地位同步信号的相位，若两者 相位不一致，鉴相器产生误差信号去调整位同步信号的相位，直至获得准确的码 元同步信号，这种锁相环路又称为迟早门电路。它的原理图如图2 - 1 所示。 数字锁相环路由鉴相器( 又称相位比较器) 、分频器、晶振及控制电路组成。 高稳定度晶振产生的信号经过整型成为频率为可( h i ) 的周期性脉冲，经过控制 电路送入分频器，输出频率为厂的位同步脉冲和分频信号。相位比较器对输 入的频率为厂的信号相位与接收码元相位比较，如果不能准确同相就输出误差信 号，通过控制电路对分频器进行调整。当分频器输出的位同步脉冲超前接收码元 相位时，相位比较器输出超前脉冲加到控制器内的常开扣除门，扣除一个频率为 厂的脉冲，这样分频器输出的脉冲相位实际就推迟了1 n 码元周期；若分频器 输出位同步脉冲滞后于接收码元相位时，相位比较器输出滞后脉冲加到控制器内 的常闭附加门的使能端，使附加门输出一个脉冲通过或门，插入在常开门输出的 脉冲之间，从而使分频器输入端添加了一个脉冲。这样，分频器的输出相位就提 前了1 n 码元周期。经过反复调整相位，最终得到准确的位同步信号。 图2 1 数字锁相环原理图 对于连续信号的通信系统，定时同步的获取时间相对来讲可以忽略，因此其 定时同步技术多采用数字锁相环同步技术，这是因为锁相环具有良好的跟踪性 能，利用环路滤波器可以基本消除定时抖动现象，使得处理损耗较小。 相反地，对于时分多路信号和瞬时突发信号，由于信号的持续时间较短，定 第二章位同步系统结构 时同步的入锁时间必须尽可能短，因此其同步处理技术连续信号的通信系统有许 多不同之处。 2 1 2 突发信号的定时同步 2 1 2 1 突发信号位同步特点 突发信号或时分复用的系统在现代通信中占据越来越重要的地位，如t d m a 时分多址通信系统、卫星突发信道等。这类信号的传输每次只占用很短的时间片， 通常将此时间片称为时隙，不同的突发占用不同的时隙，实际应用中，比特数和 时隙长度的取值与系统的指标和设计有关。 对于突发信号的同步与接收，已经有了一些研究【7 1 - 9 1 ，大家早已意识到突发 模式传输的接收与连续系统传输的接收有着很多的不同处： 1 突发接收存在着信号捕获，同步建立的过程，而且这个捕获过程必须在尽 可能短的时间里建立。 2 由于每个不同的突发包通常来自不同的用户终端，在不同的时间里产生， 所以各突发包无论是信号电平还是噪声统计特性都各不相同，因此解调前一个数 据包所得到的同步信息不能为解调下一个数据包所利用。 3 每个突发包通常有前导字或者训练字符，所以对突发包的捕获与同步通常 是基于数据辅助的，而传统的锁相环技术由于存在着环路稳定建立时间需要以及 悬挂效应【1 0 】将难于直接用于突发系统。 从突发模式传输技术应用和实现的角度来看，其主要难点突出地体现在其对 信道参数的快速估计和同步参数的快速捕获方面。因此对于突发模式传输技术的 研究也主要集中在同步的捕获、估计、跟踪算法上。 与连续传输的系统相比，突发系统中的定时同步更复杂，这是由突发通信的 特点决定的。在突发通信中，为了保证同步的性能，通常需要二定长度的前导符 号，用来获取同步信息。例如常用的是一串“0 ”、“1 ”交替序列，它含有丰富的 位同步信息。接收方接收到同步码字后与本地产生的定时脉冲作互相关运算。根 据相关的结果，不断调整时钟脉冲的位置，当相关值最大时认为位同步信号对准 了。前导越长，定时抖动越小。但时隙内传输的符号数是一定的，长的前导将导 致系统的吞吐率下降，而前导越短，要求同步就越快，同步误差和抖动也就会越 大，直接结果是误码率上升，因此突发形式的定时同步矛盾较大。为了解决这一 矛盾，在突发接收系统中，定时同步的性能并不要求最佳，而只要求在允许的偏 差范围内。尽管如此，同步的快速获取及稳态性能仍然存在问题，特别是对于反 馈模式的定时同步，一种解决办法是采用插值滤波器，在每个数据的采样基点基 第二章位同步系统结构 础上进行运算，输出新的“最佳”采样点；另一种途径是采用估计算法的前馈型 定时同步技术。两种主要方法各有自己的特点，也有各自的不足之处，在下面的 章节会有比较详细的介绍。 2 1 2 2 前馈和反馈方法比较 根据式( 2 。3 ) 可得，符号定时恢复的任务就是寻找f 的估计值f ，使得估计 值按照某一统计指标来说是最优的。这就反映了位同步过程中的两个重要组成部 分：一是时钟相位估计量f ，另一个方面就是把估计过程转变为采样过程的方法。 由于突发信号自身的特点，同步的获取是靠一个前馈或者反馈环控制采样时钟的 相位来实现的【1 1 1 。 图2 2 位同步前馈系统组成 在估计与恢复的实现上有两类方法：一类是前馈型的，或者称开环结构，如 图2 2 所示；另一类是反馈型的，或者称闭环结果，如图2 3 所示【1 2 1 。时钟校正 与压控延迟线的操作类似，并且产生作为判决和同步作用的同步采样点。特别在 图2 3 所示的反馈系统中，时钟调整器是一个时钟误差检测器，它的作用是产生 一个与f 和它的当前估计值的差值成比例的误差信号p ( j i ) 。这个误差信号以递归 方式更新时钟估计结果。 图2 3 位同步反馈系统组成 第二章位同步系统结构 在开环结构中，不包含反馈环路，所有信号都是前向流动的。可以想象，由 于没有反馈环路，没有一个自适应的调整和跟踪过程，数字信号处理部件若要自 动地从数据流中提取出符号码流，其算法会复杂得多。首先，时钟估计模块必须 直接准确地估计出载波的频率误差和相位误差的绝对大小，而不是估计出应该调 整的方向和趋势；其次，采样时钟是自由振荡在某个固定的频率上，因而同发送 的符号时钟必然存在着频率和相位上的差异。这样，采样位置并不总是同发送符 号流一一对应，有可能存在偏差甚至发生多采样或者漏采样，造成符号冗余或者 丢失，这都是必须处理的。在开环结构的数字接收机中包含两个重要的子功能单 元：估计单元和校正单元。估计单元准确的估计出载波与时钟的频率和相位误差 的大小；校正单元根据估计单元估计出的误差大小进行相应的校正，以完全的消 除误差。可以看出，采用开环结构的数字接收机的载波相位误差校正和时钟相位 误差校正能够完全独立地进行，而不像反馈结构的传统接收机那样往往会形成嵌 套的环路。这是开环结构的数字接收机的一个显著特点。它带来的好处是接收机 能够更快的获得同步，对信号的响应时间大大加快。 应该说前馈型结构的实现更适合于数字化的特征，具有估计迅速、方便最优 算法的实现等优点，但在具体实现上由于运算量较大经常会受到速度要求和硬件 资源的限制。而反馈型结构的实现由于在模拟域对锁相环己经有了充分的研究 【1 3 】【1 4 1 ，所以可以很方便的移植到数字域上实现，并且在反馈型结构实现中对未 知参数的估计只需要估计出“方向”，而不需要得到绝对值，所以在具体实现上 通常是很简洁的。但是反馈型结构实现的缺点在于不仅参数恢复速度远不及前馈 型结构的实现，并且环路收敛速度与参数恢复精度是对矛盾体。可以预料，在相 当长的一段时间里，前馈型与反馈型结构的实现将会共存，设计者必须权衡估计 速率与实现规模的要求作出选择。更多的情况是在一个系统里既有前馈型的结 构，同时也保留反馈型的结构，前馈型结构用于对待估计参数做捕获，反馈型结 构用于进一步的跟踪。 2 2 位同步信号的性能要求 体现位同步性能的指标主要有以下几种： ( 1 ) 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。在本接收机所要 实现的i n m a r s a tr 、t 信道中，实际测试信噪比约为1 0 d b 左右，所以在本项目 的实现过程中的仿真测试都是在5 c l b 1 0 d b 信噪比条件下进行的，如果在此条件 第二章位同步系统结构 下能够准确实现位同步即可满足系统要求。在5 d b 下可以实现同步。 ( 2 ) 相位误差 位同步信号的平均相位和最佳相位之间的偏差称为静态相差。在数字接收系 统中，相位误差主要是由于同步脉冲的相位在跳变时的调整所引起的。这种相位 误差虽不会沿线累积，但将影响本再生段因偏离最佳取样后的误码恶化。 ( 3 ) 同步建立时间 同步建立时间是指开机、中断或失去同步后从新建立同步所需的最长时间。 如果是一般的连续信号位同步，当位同步脉冲相位与接收基准相位差( 对应时 间t 2 ) 时，调整时间最长。对突发工作的高速数字卫星通信，这个参数尤为重 要，建立同步时间太长的话会造成信息部分丢失。 ( 4 ) 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。错位率 是指在n 个位同步脉冲中出现了n 次错位。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。 ( 5 ) 位同步保持时间 这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。这有助于避免发端信息数据流连“0 ”过 多以至形成位同步信号丧失，当然建立时间与保持时间往往彼此矛盾，因此常对 发端信息流加上扰码，以便使连“0 ”个数受到控制。 同时需要注意的是在本项目所研究的卫星系统突发信道中，传输的数据流是 以突发码形式出现的，所以要求前端突发码一结束即希望位同步信息也能尽快消 失，以便下一突发码来到时能正常工作。 2 3 本章小结 本章对位同步的体系架构做了系统的描述。首先讲述了“什么是位同步”， 接下来论述了通信系统中常用连续信号位同步方法：自同步法和外同步法。以及 由此对比得出的突发信号可以采用的位同步方法：前馈法和反馈法。并且细致的 分析了位同步定时误差对系统性能的影响和反应位同步性能的几个重要参数：同 步建立时间、错位率、同步保持时间等。 第三章i n m a r s a t 突发信道种的位同步方案研究 第三章i n m a r s a t 突发信道中的位同步方案研究 3 1 位同步方案选择方法 根据上一章节的论述可知，为了选择适合于特殊系统的符号定时同步方案， 需要考虑以下因素： 系统是突发式传输的，还是连续的； 传输速率和使用的调制方式； 系统的传输及工作环境； 系统需要达到的性能； 实现成本； 对字长、功率及信息块长度的限制。 其中最重要的是符号结构，传输的长度。在突发方式的系统中，信息包的长 度至关重要，不仅影响位同步方案的选择，还影响其实现的复杂性。另外，应用 于诸如数字移动通信系统，包括蜂窝和移动卫星系统的性价权衡，由于系统工作 的环境而更加复杂。 在本论文实现的系统中，待同步的信号是带有前导字符的突发信号，i 涫道 为短突发信道，t 信道为长突发信道。在6 0 0 b s 传输速率下，r ，t 信道中是采用 a - b p s k 调制方式【1 5 】。由于无线信道的衰落影响，在民航实地测试天线接收到的 信号信噪比在1 0 d b 左右。整个位同步模块在f p g a 中实现，希望尽可能的少占用 系统的逻辑单元、存储单元和乘法器。 下面就对i n m a r s a tr 、t 两个信道的信号格式做具体的分析由此制定出相应 的位同步方案。 3 2r 信道信号格式及同步方案设计 3 2 1r 信道信号格式 3 2 1 1r 信道调制方式 在r 、t 信道中传输速率不超过2 4 0 0 b s 是采用a b p s k 调制方式。 在r 、t 信道中传输速率大于2 4 0 0 b s 是采用a q p s k 调制方式【1 6 1 。 第三章i n m a r s a t 突发信道种的位同步方案研究 本文主要针对基本速率( 6 0 0 b s ) 的a b p s k 信号进行研究。a b p s k 是2 相差分相移键控( d b p s k ) 的一种特殊形式。其逻辑相位关系如表3 1 。 表3 - 1a - b p s k 相位映射关系 信息比特q相应的相位变化缈 o - 9 0 。 19 0 。 其系统框图如图3 1 所示。 差分编码i 。 、 正交调制 。ij l 广 理想取样成型滤波一 ：午c o s ( d i 卜 概) 。掣1。爪 7 l 理想取样i l1 成型滤波| _ | _p l w 撼，v q f 图3 1a b p s k 调制器原理框图 s i ) 代表与 a i 同步交替的“0 、“1 信号源。d 代表一位的延迟。 经过差分编码，i 、q 两路信号描述如下： j ( 忌) = q ( 七一1 ) o 口( 七) ( 3