（通信与信息系统专业论文）dvbc全数字qam解调研究.pdf

ab s t r a c t i n 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 , t h e m e t h o d o f a l l - d i g i t a l d e m o d u l a t o r h a s e x t e n s i v e l y b e e n a p p l i e d t o d i g i t a l r e c e i v e s . a c c o r d i n g t h e s t a n d a r d o f d i g i t a l v i d e o b r o a d c a s t i n g f o r c a b l e c h a n n e l ( d v b - c ) , t h i s p a p e r a n a l y z e s , d e s i g n s a n d s i m u l a t e s a n a l l - d i g i t a l d e m o d u l a t o r t h a t r e c e i v e s q u a d r a t u r e a m p l i t u d e m o d u l a t e ( q a m) s i g n a l i n o r d e r t o m a k e t h e d ig i t a l r e c e i v e r f o r q a m s i g n a l in c a b l e t e l e v i s i o n . t h e p a p e r i n c l u d e s s o me c o n t e n t s a s f o l l o ws . t h e fi r s t p a rt i s a n a l y z i n g , d e s i g n i n g a n d s i m u l a t i n g t h e d i g i t a l d o w n c o n v e rt o r . f i r s t , r a n d o m s i g n a l i s p r o d u c e d , a n d m o d u l a t e d a t i f fr e q u e n c y , t h e n p a s s e d i n t o g a u s s i a n c h a n n e l . s e c o n d l y , t h e a n a l o g u e i f s i g n a l i s c o n v e rt e d t o d i g i t a l i f s i g n a l i n o n e a / d c o n v e rt o r u s i n g p a s s b a n d s a m p l i n g t h e o ry . a ft e r a u t o m a t i c g a i n c o n t ro l ( a g c ) , t h e d i g i t a l i f s i g n a l i s m u l t ip l i e d w i t h a p a ir o f d i g i t a l i f s i g n a l i n p h a s e q u a d r a t u r e a n d d o w n c o n v e rt e d i n t o b a s e b a n d s i g n a l . s e c o n d l y , i n o r d e r t o i m p r o v i n g t h e e ff i c i e n c y o f d e m o d u l a t o r , a s q u a r e r o o t r a i s e d c o s i n e fi l t e r i s u s e d a c t i n g a s l o w p a s s m a t c h e d fi l t e r . t h e s i m u l a t i o n w a s d o n e i n c o n d i t i o n s o f e x i s t i n g t i m e e r ro r , c a r r i e r f re q u e n c y e r r o r a n d s y m b o l i n t e r f e r e n c e . t h e s e c o n d p a rt a n a l y z e s t h e i n t e r p o l a t i o n fi l t e r , t i m i n g - e r ror d e t e c t o r a n d c o n t r o l l e r i n t i m i n g r e c o v e r y l o o p i n d e t a i l . c h o o s i n g th e p a r a m e t e r s o f t i m i n g r e c o v e ry l o o p , t h e c o n v e r g e n c e p ro p e r ty i s t e s t e d . t h e s e r e s u l t s p r o v e t h a t t h e d e s i g n i s c o r r e c t . t h e t h i r d p a rt a n a ly z e s t h e s t r u c t u r e o f b l i n d e q u a l i z e r a n d t h e a l g o r i t h m o f b l i n d e q u a l i z a t i o n a n d d e c i s i o n f e e d b a c k c a r r i e r r e c o v e ry l o o p . t h e a lg o r i t h m o f b l i n d e q u a l i z a t i o n i s c m a + d d l m s , a n d t h e a l g o ri t h m o f c a r r i e r r e c o v e ry l o o p i s r c + d d p l l . b e c a u s e b o t h b l i n d e q u a l i z a t i o n a n d c a r r i e r r e c o v e ry l o o p n e e d d e c i s i o n , t h e y c a n b e j o i n t e d t o g e th e r . g o o d s i m u l a t i o n r e s u l t s w e re o b t a i n e d . t h e f o r th p a rt i s a b o u t d i ff e r e n t i a l e n c o d i n g a n d d e c o d i n g . t h e y a r e u s e d t o c o r r e c t t h e p h a s i c f a i n t n e s s o f c o n s t e l l a t i o n . a t l a s t t h e b e r p e r f o r m a n c e w a s e s t i r p . w t h e p a p e r a c c o m p l i s h e s a i n t e g r i t y d e s i g n o f a l l - d i g i t a l d e m o d u l a t o r f o r q a m ab s t r a c t s i g n a l ，c o n s i s t i n g o f t i m i n g r e c o v e ry，b l i n d e q u a l i z e r a n d c a r r i e ry r e c o v e ry l o o p .c o m p u t e r s i m u l a t i o n p r o v e s t h a t t h e s e d e s i g n s a r e c o r r e c t . k e y wo r d s q a m i n t e r p o l a t i o n fi l t e r b l i n d e q u a l i z a t i o n c a r r i e r r e c o v e ry 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下 各项内 容:按照学校要求提交学位论文的印 刷本和电子版本;学校有权保存学 位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存 论文;学校有权提供目 录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务; 学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版;在 不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术 活动。 学 位 论 文 作 者 签 名 : f a v 尸 7 年 s 月 剥 日 经指导教师同意， 本学位论文属于保密， 在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名: 篡 获 学位论文作者签名: 1 ,安 t l 解密时间:年月日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下: 内部5 年 ( 最长 5 年，可少于 5 年) 秘密1 0 年 ( 最长 1 0 年，可少于 1 0 年) 机密2 0 年 ( 最长 2 0 年，可少于 2 0 年) 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明:所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进 行研究工作所取得的成果。除文中己经注明引用的内容外，本学位 论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开 发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个 人和集体，均己在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的 法律责任由本人承担。 学 位 论 文 作 者 签 名 : h 丧压 2, v a 年 了 月 引 日 第一章 引言 第一章 引言 第一节 数字电视概况 随着数字信息处理技术迅猛发展， 数字电 视代替模拟电 视的 速度逐步加快， 数字电视大大提高了电视节目的质量，增加了节目 数量，降低了传送成本。数 字电 视的发展，也将带到一系列相关产品的高速发展。数字电视扩展了电视广 播的功能和用途，为 “ 三网合一” 提供了 技术上的可行性。随着时间的推移， 其外延及派生出来和各种数字化产品是难以预料的， 其潜在的商机是无限大的。 它将改变人们的生产、流通、学习、娱乐和交流的方式，使电 子信息产业进入 一个全新的阶段，创造巨大的经济和社会效益。 现在数字电视按照其业务和应用的不同分为下面几种类型。一是普及型数 字电视。主要应用于标准清晰度数字电 视信号传输、与现有模拟电视的兼容、 数字视频广播、立体声数字音频广播、支持电子节目 指南。二是增强型数字电 视。主要应用于含智能卡的付费业务、支持中间件软件和前端能下载应用程序 的多种增值业务、数据广播业务、可定期更换的各种游戏、支持动态实时更新 的数据信息业务、实现一周电子节目 指南、提供详细的节目 指南导游与背景情 况介绍、准音频/ 视频点播、用户在线服务、查询各种业务使用与付费情况、可 增加各种准交互应用。三是交互数字电视。可以收发电子邮件、利用机顶盒外 接计算机上网、机顶盒内置浏览器软件、可直接外接电视机上网、在线聊天、 支持用户在线业务、支持双向 交互功能。四是多媒体家庭平台。主要功能有: 录制视频节目，实现用户控制播放功能、现场节目 转播、i p电话功能、三维动 画游戏、高清晰度数字电视。 按传输途径数字电视可分为三类:数字卫星电视、数字有线电视和数字地 面开路电 视。这三类数字电 视的信源编码方式是相同的，都是m p e g - 2 的复用数 据包，但由于它们的传输的途径不同，它们的信道编码也就采用了不同的调制 方式。 在欧洲d v b 数字电视系统中: 数字卫星电视系统( 即d v b - s ) ，由于受卫星 信道的天电干扰严重，可选择抗干扰能力较强，但频谱利用率不高的正交相移 键控调制( o p s k ) 技术; 数字地面开路电 视系统( 即d v b - t ) ， 则因为地面无线传输 中多径效应干扰较为严重，应采用抗多径干扰较显著的编码正交频分复用调制 第一章 引言 技术( c o f d m ) ;而数字有线电视系统( d v b - c ) ，传输过程中受的干扰较小，则采 用频谱利用率、 信噪比 较高的正交振幅调制( q a m ) 技术。 正交振幅调制( q a m ) 是一种高效的数字调制方式， 广泛应用于各种通信系统 中。q a m 技术在数字电视6 或8 m h z 带宽的信道内，为了提高传输效率，多采用 多电平的q a m 调制， 传输速率可达几十m b i t / s 。在这有限的带宽里要传输大量 的音视频数据，如果采用通常的一个码元携带l b i t 信息的调制方式，整个有线 网的容量将大受影响。 q a m 调制方式以 其高效率的调制有效缓解了有线网的带宽 压力。 正交振幅调制信号的幅度和相位都携带有信息， 如1 6 q a m , 3 2 q a m , 6 4 q a m . 一个码元可以 携带4 6 i t , 5 b i t , 6 b i t 的信息， 这大大 提高了 信道利用率。 所以 q m调制方式被广泛应用于传输领域。 q a m 解调系统是高清晰度数字电视系统的 一个有线传输子模块。 本论文基于数字有线电视系统标准( d v b - c ) 设计了一种全数字的解调系统， 对q a m 信号进行了全数字的解调。 第二节 d v b - c 系统 d v b ( d i g i t a l v i d e o b r o a d c a s t ) 即欧洲数字视频广播标准， 是1 9 9 3 年由 欧洲多家公司成立的组织， 负责协调数字电 视标准的制定，目 前发展到世界3 0 0 多个成员，遍布3 0 多个国家，d v b 系列标准正在成为领导全球数字电视技术的 世界标准体系。 我国 的有线数字电 视传输标准主要采用欧洲的d v b 标准i 1 , d v b - c 规范了 有线电 视发送端的系统结构和信号处理方式，对接收端则是开放的，各厂商可 以开发各自 的 d v b接收设备，只要该设备能够正确接收和处理发送端的信号， 并满足规范中所规定的性能指标。 d v b - c 系统的标准针对的是有线数字电视系统， 它规定从基带数字电 视信号 到c a t v 信道之间的适配方法，即信道编码及调制方法， 它输入的数字电 视信号 可以是分配链路传来的节目或本地节目，d v b 前端系统需对这些信号进行处 理 。 标准中定义的有线数字电视系统由图1 . 1 中的各功能块组成。 第一章 引言 144 4 图1 . 1有线数字电视系统组成框图 以下对图 1 . 1 中的一些方框进行一下说明。 1 . 2 . 1同步反转及随机化 图1 . 2 m p e g - 2 传输流复用包 图1 . 2 是m p e g - 2 传输流复用包，一 个包共有1 8 8 个字节。 首字节是同步字 节0 x 4 7 ， 紧接着是1 8 7 个数据字节。为了避免长连 “ 1 ”或长连“ 。 ”的出现， 便于在接收端恢复时钟信号， m p e g - 2 传输复用( m r) 包需进行扰码处理， 使“ 0 和 “ 1 ”在时间上均匀分布。这种处理也称为“ 能量扩散” 或 “ 随机化”，是通 过把码流送入多项式1 + x 11 + x 16 的 伪随机二 进制序列( p r b s ) 移位寄存器来实 现的。 扰码器的结构如图 1 . 3所示，p n码发生器的寄存器初始值置为: 1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 . m p e g 2 数据流中， 每8 个数据包组成一 个数据组。 p n 码发生 器的寄存器在传输每一个数据组的开始时初始化一次，为了提供该初始化信号， 每一组数据中的第一个m p e g 2 数据帧的同步字节按比 特反转， 即4 7 h 反转为b 8 h 完成随机化后的数据组如图 1 . 4 所示。 第一章 引言 使能数 据 精 入 图 1 . 3扰码器 图1 . 4随机化后的数据符号 1 . 2 . 2 r s 编码 一般来说，由于数字信号在传输过程中受到干扰的影响，故传输到接收端 后可能发生错误判决。由 信道乘性干扰引起的码间 干扰可以由均衡的办法纠正， 而由信道加性千扰引起的问题，需采用差错控制的方法。 常用的差错控制的方法由三种方法: a .检错重发法。接收端在收到的信码中检测出错码时，通知发送端重发， 直到正确收到为止。 检出错误指在接收的码元中知道有一个或多个错，但不需 知道错码发生的正确位置。采用这种方法需要具备双向信道。 b . 前向 纠错法。 在接收端不仅能发现错码， 还能纠正错码。 不需反向信道， 也不存在由 于反复重发而延误时间，实时性好。但是纠错设备比 检错设备复杂。 c .反馈校验法。接收端将收到的信码原封不动的转发回发送端，并与原发 送信码相比较。如果发现错误，则发送端再进行重发。 这种方法原理和设备都 较简单，但是需要双向信道，且每一个码都重发了两次，所以传输效率较低。 在信息码元序列中加入监督码元就称为差错控制编码，也称为纠错编码。 纠错编码是以降低传输速率为代价来换取传输可靠性的提高。r s编码是一种纠 错编码，用于前向纠错。在编码的字中加入冗余字节以帮助进行错误校验。用 第一章 引言 于dvb系统的r s ( 2 0 4 , 1 8 8 , 8 ) 截短码来自原始系统r s 码( 2 5 5 , 2 3 9 , 8 ) ，产 生的纠错包能纠正不大于8 个随机错误的任意组合。 码生成多项式: 8 ( x ) = ( x + a o (x + x x x + x ) . . . ( x + x 1) ( 1 . 1 ) 域生成多项式: p ( x ) = x 8 + x + x 3 + x 2 + 1 ( 1 .2 ) 其中x = 0 2 h e x o 1 . 2 . 3卷积交织 8 .4 79 9r lk - 价通 口 时” 朴. 图1 . 5卷积交织 这是基于 f o r n e y方法，交织深度1 = 1 2 ，交织后的数据构成交叠的 错误保 护帧( 帧长n = 2 0 4 b y t e ) ， 并以同步字节为界，以保护2 0 4 b y t e 的数据周期。 交织 后的数据虽然不改变帧结构，但帧内 数据由原始帧数据交替组成，如在传输过 程中出现较长的突发错误，接收端( 开关与发射端同步) 经去交织后，误码被分 散到由 r s 保护的实际帧内， 使每帧内的误码数量降低， 便于纠错， 提高了抗干 扰能力。交织原理图如图1 . 5 所示，同步字节总是在分支0 上。 1 . 2 . 4差分编码 q a m 解调时， 载波恢复中 存在相位模糊。 对于矩形q a m ， 模糊度为p i / 2 . 解 决相位模糊的一种办法是发送端的数据采用差分编码，接收端采用差分解码. 对于p i / 2 的相位模糊， 采用1 6 q a m 的 星座图时， 只对前两比 特数据进行差 分编码即可。星座图如图1 . 6 所示: 第一章 引言 图1 . 6 1 6 q a m 星座图 差分编码算法结构如图1 . 7 所示: y - 2 f o r 场q a 城4 0 4 阮 研q a 1城( r 6 阮 75 6 q a m 图 1 . 7差分编码 人 = (a k . b k ) (a k 。 人 一 ) 十 a k 。 助 “ 几 (d q k-i ) t q k = ( a k .b k ) ( 凡e q k - d + ( a k 田 凡) ( a k 由 k - 1 ) 假设待发送的数据为a k ，发送端采用差分编码，发送的数据为: s k = s k _ . 十 屯 则接收到数据为: r k = s k + d ( d = 0 , 1 , 2 , 3 ) 差分译码算法如下: a= ( i (d q ) b=( i 田q ) ( i .i k _ , ) + ( i .q ) ( q .q k - ) ( q . q k - i 卜( i . q ) ( i . ! k - , ) ( 1 . 3 ) ( 1 .4 ) ( 1 . 5 ) ( 1 .6 ) 接收端采用差分解码，则 第一章 引言 b k -k - r k - , = ( s k + d ) - ( s k - . 十 d ) = s k - s k - , = a k ( 1 . 7 ) 1 . 2 . 5星座映射 根据不同的q a m 方式的星座映射图，对差分编码后的符号，找到1 , q 路所 对应的电平。为了在相同的误码率的情况下得到最小的误比 特率，需要相邻的 电平对应的符号只有一个 b i t不同，因 此采用格雷电平映射，除去最高两位后 的 低b i t 排列为q k i l k - , q k -2 1 k -2 . . . q 0 1 0 . 因为这些电平需要脉冲成形，调制后经过 d / a变成模拟信号，而滤波 d / a 需要二进自 然码，所以需要将格雷码转换成自 然码。 1 . 2 . 6基带成形与匹配接收 如果以 矩形脉冲的波形作为传输码型，因为它在时域上受限，所以在频域 上是无限延伸的， 但实际频道是带限的，因此接收端的波形会与发射端不同。 根据单个脉冲无失真传送的条件，发送端信号是频域受限的，它在时域上是无 限 延 伸的. 根据奈奎斯特第一准则， 升余弦滚降 信号 满足抽样值无失真的 条件。 为了在接收端的 抽样时刻能够得到最大的 信噪比，需要对接收的信号进行匹配 滤波，所以d v b 一 把升余弦滚降滤波器分成两个相同的 平方根升余弦滚降滤波 器.一个在发送端作为成形滤波器，一个在接收端作为匹配滤波器。 标准中规定了 基带滤波器的特性，如图 1 . 8所示给出了为实现奈奎斯特滤 波器的最低要求的模板，该模板不仅考虑了数字滤波器设计的局限性，而且还 考虑了对该系统模拟处理元件引入的人为因素 ( 如:d / a 变换，模拟滤波等)。 第一章 引言 图1 . 8 奈奎斯特滤波器设计模板 0 .8 5 斤通 带内 的 带 内 波 动 值 和 奈 奎 斯 特 均 低 于0 . 4 d b ; 带 外 抑 制 大 于 4 3 d b. 在 n 内 ， t , 为 符号 周 期 滤波器 应 保持 群延时 波 动值 0 . 1 t , ( n s ) 的 相 位线性。 其中刃 = 1 / 凡， 第三节 本论文的仿真工具介绍 所谓仿 真( s i m u l t i o n ) 12 1 ， 就是 模型 实 验， 即 通 过 对系 统 模 型 进行实 验来 研 究一个存在的或设计中的系统。按照模型的建立方法， 仿真方法可分为 3类: 实物仿真、数学仿真和半实物仿真。 a .实物仿真 实物仿真又称物理仿真，是以 几何相似或物理相似为基础的仿真。 b .数学仿真 数学仿真是以数学模型代替实际系统进行实验的仿真方法.这类仿真方法 的关键往往在于数学模型的建立和求解，随着计算机技术的发展，数学仿真应 用越来越广泛。 c .实物仿真 半实物仿真是将物理模型、数学模型与实物相结合进行仿真的方法。 从 2 0世纪4 0年代开始，人们将计算机引入到仿真技术中。随着仿真理论 第一章 引言 的不断完善以及计算机技术的快速发展，仿真技术得到了 快速的发展。 m a t l a b就是大量的计算机仿真软件中的优秀代表，它在科学研究特别是 电 子信息科学中有着极为广泛的应用。 m a t l a b现己被广泛应用于数学、 通信、 信号处理、自 动控制等许多不同学科的研究中。 在本论文中，用到的开发工具主要是m a t l a b ，下面对这个仿真软件进行 简单介绍。 m a t t - a b 名 字是由 m a t r i x 和l a b o r a t o ry 两 个 词的 前 三 个 字 母 组 合 而 成的 。 它是m a t h w o r k s 公司 于 1 9 8 2年推出的一套高 性能的数值计算和可 视化数学软 件。使用编程运算与人进行科学计算的思路和表达方式完全一致，它不象学习 其它高级语言那样难于掌握，用ma t l a b编写程序犹如在演算纸上排列出公式与 求解问 题， 所以又被称为演算纸式科学算法语言。在m a t l a b 下对所要求解的问 题，用户只需简单地列出数学表达式，其结果便以数值或图形方式显示出来。 目 前 m a t l a b已经成为国际上最流行的科学与工程计算的软件工具， 现在的 m a t l a b已经不仅仅是一个 “ 矩阵实验室”了，它已经成为了一种具有广泛应 用前景的全新的计算机高级编程语言了，有人称它为 “ 第四代”计算机语言， 它在国内 外高校和研究部门正扮演着重要的角色。 m a t l a b语言的 功能也越来 越强大，不断适应新的要求提出新的解决方法.m a t l a b己经成为一个集概念 设计、算法开发、建模仿真、实时实现于一体的 集成环境。 使用m a t l a b的功能 进行系统级设计的一般步骤如下: a .提出系统各部分的思想及算法， 由m a t l a b的m语言环境进行仿真验 证。 b . 将验证的算法在m a t l a b自 带的s i m u l i n k 仿真软件包进行系统级的仿 真。 c .根据系统级仿真结果，再进行相应的调整。 d .反复进行a - c 步骤，直到得到满意的m a t l a b算法为止。 e . 将经m a t l a b 与s i m u l i n k 验证的 算法及系统级设计的结果生成专用代 码，在专用硬件设计软件中进行验证。 f .分析经验证得到的结果，找出设计中存在的缺陷，再次返回 m a t l a b 及s im u l i n k 中重复a - -e 步骤， 直到得到满意的设计方案。 本论文中利用m a t l a b工具进行了系统级的仿真， 没进行硬件设计的验证。 第一章 引言 第四节 本论文的主要研究内容 本论文中仿真的解调系统的模型如图1 .9 所示， 图中虚框部分是把信号从高 频下变频到中频，在本论文中没对其进行仿真。 信道 信t 一 一 一别 差 分卜一 刊星 座图 源 i i i 编 码 !i 映射 qam 调制 差 分 解码 均及波 盲衡载 恢复 误 码 计算 星 座 图 逆映射 图1 . 9系统仿真模型 对一个先进的q a m解调系统来说， 它应该包含以 下几部分: 一是自 动增益( a g c m制模块. 因为信号在不同 线路环境下， 高频头输入信 号可能有很大的变化。 这就需要a g c电 路调节下变频模块信号输出幅度， 使得 输入信号变化大时，输出幅度仍旧落在器件的上下参考电位之间，并且其峰值 尽可能接近参考电位。 二是下变频模块. 下变频模块的 功能是把基带q a m信号 经载波调制后送至 接收端，接收端将接收到的信号还原至基带。下变频模块完成了 对从有线电 视 网络的光缆得到的射频信号进行选频、滤波、下变频、放大等处理后得到中频 信号，对中频信号进行抽样后变为纯数字信号，是整机系统的重要一环也是最 前端的部件。而本论文中只把基带信号调制到中频，然后经信道发送到接收端， 在接收端进行a / d变换和混频。 三是符号定时同步单元。符号定时同步是为了消除接收端的本振钟和发射 端的时钟不同步问题，定时恢复最重要的部分是插值滤波器。它和码元时钟恢 复模块协调工作，实现从抽样频率到码元速率的转换。插值滤波器输出码流一 第一章 引言 般需要 经过n y q u i s t 滤波 器以 减少 码间 干 扰。 这个 码 元时钟 恢 复 模块是 数字 通信 系统所必须的。 四是低通滤波器。用来滤除a / d转换后的高次谐波。 五是均衡。由于信道的瑞利衰落、多径延迟或有线信道的多次反射， 都会 引起信号的幅度畸变。用盲均衡和自 适应均衡的技术相结合可以有效纠正信道 特性引起的畸变。实现上，均衡器包括时域均衡器和频域均衡器两种。所谓频 域均衡，是在频域设计的均衡器， 使整个系统的总传输函数满足无失真的条件。 时域均衡则从时域的冲击响应考虑，以满足无符号间 干扰的条件。d v b - c系统 是单载波系统，由于符号周期短，符号间干扰较为严重，常首先进行盲均衡然 后再采用时域自 适应均衡。 六是载波恢复模块。接收的信号因为前面本振钟的不精确相等以及信道的 快速衰落使得被传送信号偏离中心频谱，会导致下变频后的基带信号存在一定 的频率偏移，又因为信号的相位在传输中也会因为有线信道的时变特性、高频 头的宽带滤波器、下变频电路、接收端自 适应均衡器的步长噪声等而引起一定 的抖动。 载波恢复模块的功能就是把伪基带信号搬移至基带，同时跟踪基带信 号的相位。 七是前向纠错模块( f e c ) 。前向 纠错模块是用来进行信道解码的，因为 d v b 一信道编码包括差分编码、能量扩散、r - s 编码、交织等。 f e c完成相应 的解交织、r - s 解码等。 本论 文的 主要 研究内 容就 是 是对q a m信 号 解调的匹 配滤 波器、 a / d 变换、 自 动增益控制模块 ( a g o 、基带下变频模块 ( d d c )、符号定时同步环路、 均衡及载波恢复环.并对信源进行差分编码， 在经过符号定时同步、均衡和载 波恢复后对判决后的信号进行差分解码， 用全数字解调的方法进行了原理分析 设计， 并且利用 m a t l a b工具进行了 仿真， 并且仿真了 所设计系统的误码率特 性。 符号定时同步环路采用的由内插滤波器、g a r d n e r 算法时钟误差提取，环路 滤波器以 及控制器组成 。均衡采用的是c m a 十 d d l ms 盲均衡算法， 此算法不 需要发送端发送的训练序列。 载波恢复采用的是r c + d d p l l 算法， 此算法具有 较好的收敛性能。 本 论 文中 采 用的 是 全 数 字 解 调 13 (4 115 (6 1 的 方 法 对q a m信 号 进 行 解 调， 在 全数 字解调中解调器首先对接收的调制模拟信号采样并数字化，其采样时钟振荡于 第一 章 引言 固定频率， 不需要后继的数字信号处理部分提供振荡控制信号; a / d变换后的数 字信号与同样振荡于固定频率的两个正交载波信号相乘，经数字低通滤波器滤 波后得到数字基带信号，不过这个基带 信号可能存在定时误差和载波相位误差; 然后对该数字基带信号进行处理以补偿定时误差和载波相位误差，就可以得到 所传输的数字信号系列。 第三章 q a m信号调制及数字下变频分析 第二章 q a m 信号调制及数字下变频分析 第一节 q a w i 信号调制 正交 幅 度调制解 调 q a m: q u a d r a t u r e a m p l i t u d e m o d u l a t i o n a n d d e m o d u l a t i o n ) 是一种高效的数字调制解调方式。多进制振幅调制的矢量端点在一条轴上分布; 多进制相位调制的矢量点在一个圆上分布。随着进制数m的 增大， 这些矢量端 点之间的最小距离随之减少。但如果充分利用整个平面，将矢量端点重新合理 地分布，则可以在不减小最小距离的 情况下，增加信号的矢量端点数。基于上 述概念引出的振幅与相位结合的调制方式被称为数字复合调制方式，一般的复 合调 制 称为 幅相键控 ( a p k ) , 2 个正 交 载 波幅 相键 控 称为 正 交 振幅调 制 ( q a m ) o m q a m调制器方框图 如图2 . 1 所示， 串 一 并变换器 将速率为r b 的 输入二进序 列分成两 个速率为r b / 2 的 两电 平序列， 2 - l电 平变换器 将两 个速率为r b / 2 的两 电 平 序列 变成 速率为r 叨 0 9 2 m的l 电 平 信号 ， 然后 分 别 与 两 个正交的 频 率为典 的中 频载波相乘，相加后即 产生m q a m信号. 图2 . 1 m q a 1 1 调制框图 m q a m信号可以 表示为: ，(，)一 !t xk8 (k，一 t )j cos w !一 y- y,s (k!一 kt,)jsin w t (2.1) 式2 . 1 是2 个己 调正交载波信号的和。在实际的电 路实现中，正交载波s i n 。 c t 可用同 相载波c o s w c t 经移相， / 2 后得到， 故为前面取负号。 9 ( t ) 为系统的 单 位 脉冲响 应， 取幅 度 为1 i x k . y k 分 别 表示 所要 传 输的2 路多电 平信 号 第k 个 码元的值， t s 是一个码元的持续时间，w e 是载波角频率。 在理 想 状态下， m q a m的m个载 波 状态可以 调 制1 0 9 2 m个比 特， 如1 6 q a m 的 载波状态最多可调 制一个4 r b 的 信号 ( l o g 2 1 6 = 4 ) ， 也 就是说m q a m的 频谱利用 第三章 q a m信号调制及数字下变频分析 率 为10 9 2 m b / s / h z 目 前 根 据 星 座 图 里 的 样 点 数 来 确 定q a m的 类 型 ， 星 座图 里 每 个 样 点 表 示 一 种 状 态 。 以】 6 q a m为 例 ， 1 6 q a m有1 6 种 状 态 ， 每10 9 2 1 6 = 4 位 规定1 6 态中 的1 态 。 1 6 q a m中 规定 了1 6 种载 波 幅 度 和 相 位 的 组 合 ， 1 6 q a m 的每个符号或周期传送4 b i t 。 接收端根据星座图及接收到载波信号的幅度和相位 来判断发送端发送的 信息比 特。 1 6 q a m是二维调制技 术， 在实 现时也 采用正交 调幅的 方 式， 某 星座 点 在i 坐 标上的 投 影 去调 制同 相载 波的 幅 度， 在q坐标上 的投影去调制正交载波的幅度，然后将2 个调幅信号相加就是所需的调相信号。 星座点数越大，在一个周期内可传送的数据比特数就越多，频谱利用率就 越高. 1 6 q a m, 3 2 q a m, 6 4 q a m , 1 2 8 q a m的 频谱利用率理 论值分别为4 , 5 , 6 , 7 ( 单 位: b / s / h z ) 。 这里的 频谱利 用 率 理论 值是指当 传输 信 号的 频 谱为 理 想低 通频谱时所实现的频谱效率，但在实际情况中是达不到这一理论效率的，在实 际应用中传输信号通常采用升余弦滚降波形，它所实现的频谱效率要比理论效 率下降一个滚降系数。 倍。 当m = 1 6 或6 4 时，信号的星座图为 矩形;而m = 3 2 或1 2 8 时，星座图则为 十字形。 前者m为2 的偶次方，即每个符号携带偶数个比 特信息: 后者m为2 的 奇次 方， 每 个符 号 携带奇数 个比 特信息 。 每 个符号可 分 解为x , y 两 个分 量， 常标为同相分量和正交分量，即1 . q分量。 第二节 模- 数变换 ( a / d )及数字混频 先对接收到的载波模拟信号通过a / d变换，形成数字系列，然后与两个正 交本振数字系列相乘，再经过数字低通滤波器滤波后得到数字基带信号。本文 中的全数字解调器假定接收到的信号己 经变为中频带通信号， 然后直接对中频 带通信号进行a / d变换，再经数字下变频混频将变换为数字复基带信号. 这个 过程的频谱变换如图2 .2 所示。 第二章 q a m信号调 制及数字下变频分析 牛 又 冷 mi 忆， - 3 6 . 1 5 3 6 . 1 5 牡轴入才 、 、 夕 李 林 六 u , 率( mi i z ) - 2 8 . 9 22 9 . 9 2 衰样板i0 知率( m” 2 ， - 2 8 . 9 2采 p t h -1 , i , 倾 、 号 数 ili 2 8 . 9 2 板率( mh z) - 2 9 .9 22 9 。 ， 2 i v 频后信、 夕 獭诱 饭率i m h z ) - 2 8 . 9 2低 通 滤 波 后 信 号 频 语2 8 . 蛇 图2 . 2基带数字下变频频谱图 本论文在进行 q am 解调系统仿真分析时，为 讨论方便， 假定符号 速率为 7 .2 3 m h z . 输出 的 中 频 信号 为兀 = 3 6 . 1 5 m h z ， 信 号 带 宽 为8 m h z ， 即 信 号 的 频 率 范围 为3 1 .7 5 m h z - 4 0 . 1 5 m h z 。 根据 带 通 采 样定 理: 一 个 频带受限 信号， 其 频 率 限 制在 ( 几 ， f ) ， 如果采样率满足: f s -= 4 f o / ( 2 n 十 1 ) ( 其中f o = ( f i + f ) / 2 为中 心频 率， n 取能 满 足f s 3 2 b ( b 为 带 宽 ) 的 最 大 正 整 数) 和乙 2 b 两 个 条 件， 那 么 用f s 进行等间隔采样所得到的信号采样值能准确恢复原信号。 我们取 f o = 3 6 . 1 5 m h z , n = 2 ， 且令儿 二 几 ， 那么可以 计算得出f s = 0 . 8 f o = 2 8 . 9 2 mh z e 设解调器的输入信号为: x ( t ) = i ( t ) c o s ( 2 t f t ) 一 q ( t ) s i n ( 2 1 r f t ) ( 2 .2 ) 采样后的数字序列为: 第三章q a m信号调制及数字f 变频分析 x ( n ) = i ( n ) c o s ( 2 叹 n t , ) 一 q ( n ) s i n ( 2 叹 n t , )( 2 . 3 ) 取n = 2 ，若r = r . ， 那么可以 得到: x (n ) = 1(n ) co s(5 n )c)- q (n ) sin (号 n or) i ( n ) x 卜1 ) 2 , n = 偶数 月一 - 口 ( n ) x 卜1 ) 2 , n = 奇数 ( 2 . 4 ) 1月.j、月lee 一 将x ( n ) 与两 个正 交的中 频 本振信号 进行相乘 混 频， 滤 波后 产生 所需的 基带 信号，混频用的同 相数字信号 ( 取n = 2 )为: :5) (2(2 c o s ( 2 叹 n 兀 ) 一 “备一 ，一 ( - 1 ) z , n 二 偶数 o , n = 奇数 正交数字信号为: 一”n(2tf nt,，一 备 ” 一 0 , n = 偶数 - - 1 ) 2 , n = 奇数 由 式( 2 .5 ) , ( 2 . 6 ) 可以 看出 两个正交的 本振混频信号只需交替取 + 1 , 。 、 - 1 值 与采样中频信号系列相乘即可，可以不需要本地数控振荡器 ( n c o )的振荡信 号参与，这样可以减少电路的复杂程度。 第三节 数字自动增益控制 ( a g c )分析及仿真 在q a m调制信号的 传输过程中， 随着传输 距离的 增加， 以 及其它的 一些因 素，在传输过程中可能存在明显衰落现象，在接收机输入端的信号强度会有很 大的变化和起伏。因此在接收机前端必须加上一个幅度控制系统，它可以是自 动增益控制( a g c ) 系统; 也可以 是人工增益控制( m g c ) ，而只有采取a g c方式 才能使接收 机自 动适应输入信号的 变化，确保通信系统正常工作【飞 数字自 动增益控制是数字接收机的重要组成部分，其性能好坏直接影响着 接收机是否能高质量稳定接收。 a g c的基本功能是随着接收机所收到的 输入信 号的强弱自 动调整放大器的增益，使输入信号强弱变化时，输出信号基本不变。 数字a g c要求输出电平和过载保护， 信号经a / d转换器数字化后， 其增益 衰减主要是通过采样数据的运算处理来完成的.数字接收机的主要问题是 a / d 转换器的过载。如果在a / d转换器的带宽内接收到一个强信号，同时窄带中频 滤波器内有用信号很弱，就必须降低增益防止 a / d转换器过载，通过增加数字 第二 章 q a m信号调 制及数字下变频分析 c o s ( 1 + r ) v l t + s i n ( 1 一 r ) ; r t l t h ( t ) = - 4 r 4 rt l t ， 万x ( 4 r t / t ) ， 一 1 ( 2 . 9 ) 由 ( 2 .9 ) 式求得的 冲激响 应理论 上是无限的， 但是在有限 个符号 周 期t 之后， 其响应近似为零，可以忽略小计。因此可设计 f i r数字滤波器，根据需要将冲 激响应截短成一定数量的符号持续时间。 在仿真过程中，只对信号调制到中频。仿真中设符号率为 7 .2 3 m h z ， 对每 个数据符号采样 1 1次，采样