（通信与信息系统专业论文）hfccatv网络上行信道及数据传输技术研究.pdf

硕士论文 y ，6 2 4 3 7 3 i 糙c a l n 网络上杼信道及数据传输技术研究 摘要 本文对h f c c a t v 网络上行信道的特性及数据传输技术进行了研究。首先通过 理论分析和仿真建立了h f c 网络的上行倍i l 妻的模型，并对上行信道特有的噪声及干 扰对调案技术的影响镁了详纲讨论。然后磺究了在多址接入信遴上需凝实理静两级阉 步阍题：网络阖疹秘突发同步。深入研究了突发同步闯麓，指出快速、有效遗恢复载 波和位时钟是突发同步的关键因素，并以1 6 q a m 调制倍号为模型，给出了一类特定 图案的报头及基予该报头的仝数字突发模式的快速同步参数恢复算法，仿真结果袭 爨，只要采援卡尼个籍号长度戆摄关藏可敬彀褥篦较理想熬疆获注能。覆磊，嚣全数 字接收机技术进行了讨论，给出了种应用f p g a 器件采设计f i r 滤波器的方案，实 验结果表明，此滤波器的性能能够很好地适廊h f c 网络上行信道对突发通信的要求。 关镶词：光纤同鞣| 混合网，上行信道，突发通信，位定时恢复，载波恢复，有融冲 激响应滤波器，f p g a 硕士论文 h l 屯c a 孙，跨络土行信道及数撂搀输技术辨究 a b s t r a c t 弱鞋st h e s i ss t u d i e st h ep r o p e r t i e sa n dd a t at r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g i e so ft h eu p s t r e a m c h a n n e lo fh f c c a t vn e t w o r k s f i r s t ，t h eu p s t r e a mc h a n n e lm o d e lo fh f cn e t w o r k si s e s t a b l i s h e dt h r o u g ht h e o r e t i ca n a l y s e sa n ds i m u l m i o n e x p e r i m e n t s a n dt h es p e c i f i cn o i s e o f t h e u p s t r e a m c h a n n e la sw e l ta si t si n f l u e n c eo nt h em o d u l a 垃o n t e c h n i q u e sa r es t u d i e d i n d e t a i l s 。s e c o n d l y , t w o - s t a g es y n c h r o n i z a t i o nt e c h n i q u e sr e q u i r e d f o r m u l t i p - l e a e 4 ：e s s c h a n n e l ，i 。e n e t w o r ks y n c h r o n i z a t i o na n db u r s ts y n c h r o n i z a t i o n ，a r er e s e a r c h e d t h e r e c o v e r yo f c a r r i e ra n ds y m b o l t i m i n gi st h ek e yp o i n t so f b u r s ts y n c h r o n i z a t i o n w i t ht h e m o d e lo f1 6 q a n is i g n a l sa sa ne x a m p l e ，t h es p e c i f i cf r a m e w o r kp r e a m b l ea n dt h ef a s t s y n c h r o n i z a t i o nr e c o v e r ya l g o r i t h mo f a a l l d i g i t a l b u r s tt r a n s m i s s i o nb a s e do nt h e p r e a m b l ei sp r e s e n t e d s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w t h a tg o o d a c q u i s i t i o np e r f o r m a n c e sc a n b e a c h i e v e dw h e nt h es y m b o ln u m b e ro ft h ep r e a m b l ei s l a g e rt h a ns i x t e e n 。f i n a l l y , t h e a l l d i g i t a lr e c e i v e rt e c h n i q u e sa r es t u d i e d , t h ef i rf i l t e ri sd e s i g n e d 谢t hf p g a d e v i c e s e x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h a tt h ef i l t e ri ss u i t a b l ef o rt h eb u r s tm o d et r a n s m i s s i o no f t h eu p s t r e a mc h a r m e lo ft h eh f cn e t w o r k s k e yw o r d s ：h f c ，u p s t r e a mc h a n n e l ， r e c o v e r y ，c a r r i e rr e c o v e r y ， b u r s tm o d et r a n s m i s s i o n ， s y m b o lt i m i n g f i rf i l t e r ，f p g a i i 硕士论文h f c - - - c a t v 网络上行信道及数据传输技术研究 1 绪论 因特网的出现，标志着网络媒体时代的到来。网络的宽带化将成为2 1 世纪网络 技术发展的一个重要潮流。有线电视拥有丰富的带宽资源，有线电视以其频带宽的特 点被世界各国专家公认为“信息高速公路的最后一公里”的解决方案，具有巨大的产 业开发价值，如何充分利用c a t v 的宽带和交互资源，构筑基于c a t v 的i n t e m e t 宽 带信息网是现在的研究热点。 传统的有线电视网传输的电视信号是广播式的，而数据传输强调的是双向交互， 即用户在接收信息的同时，还需要回传个人信息。有线电视网已从最初由同轴电缆组 成的模拟电视分配网发展成为现在的光纤同轴混合( h f c ) 网。要实现基于h f c ( h v b r i df i b e rc o a x ) 的c a t v 网络的双向通信，关键技术在于上行信道上。对c a t v 网络上行数据传输技术进行研究，实现可靠的数据传输，为数字广播电视交互式业务 的扩展提供了技术保障，使用户能够通过有线电视网络可靠地传输i p 通信量，使用 视频点播( v o d ) 、远程教育、图文电视、数据通信、计算机通信等在上行通道中开 展的c a t v 扩展业务和增值业务。 1 1i - i f c 网络的发展背景与现状 h f c 网络是在传统的同轴电缆c a t v 网络基础上发展起来的，而c a t v 网络是 美国从4 0 年代末创建共用天线系统以后逐步发展起来的【9 】。在c a t v 系统发展的早 期，人们就开始考虑该网络的综合利用问题。采用双向传输技术，在c a t v 网络中进 行计算机联网是考虑较多的例子。对于一个较大的c a t v 系统，尽管从原理上讲，在 一个全同轴电缆网络中进行双向通信是可能的，但是上行信道( 从用户到前端) 存在 的噪声漏斗效应使得这种方法实际上是不可行的。因此，有线电视在相当长的一段时 间内几乎没有什么的突破性发展。 1 9 8 9 年左右，高度线性的分布反馈( d f b ) 激光器的研制成功，使低成本的a m _ v s b ( 幅度残留边带调制) 多频道电视光纤传输系统进入实用化阶段，从此，有 线电视进入一个新的发展阶段。传统的c a t v 系统的干线同轴电缆逐渐被光纤取代， 形成了h f c 网络结构【5 9 1 ，如图1 1 1 所示。h f c 结构不仅使电视传输质量有了较大 的改善，网络的可靠性和稳定性有了明显的提高，更主要的是形成了一个双向通信能 力极大提高了的系统基础结构，具备了导入语音和数据通信业务的基础，使上行信道 硬士论文h f c - _ c a t v 掰结上行信道及数耀传辕技术研究 吴备了稳癍豹透信麓力。h f c 系统豫了能提供数囊更多、袋爨更鲟的传统魄撬节强 外，还有足够的系统资源来提供各种新型的交互式视频娱乐业和双向话音数据通信业 务。h f c 网络结构的出现不仅带来了更高的网络可靠性和更好的图象质量，更为重 要懿是，遴遘减少光惫繁熹戆爨务藏大小，搜舂线奄疆网终暴冬了蘸努瓣上簿逶售可 能性，魑圈前和未来最经济的宽带综含业务网平台。 小区 z 光节点 磬产 光纤域 i 舆 小毯 ， 志 、 、 、 用户 、 、 瑚j宙自! 分离器 口； 古沪扪如of l 嗣轴电缆城 、l 胗一 、i 、一一一， 图1 ，1 ，1树形拓扑结构的h f c 网络 ， ， 爨h f c 这晕孛踺络绫棱建立宽豢瓣豹蒙困有缀多方嚣。嚣瓷它嚣是亳话鼷终续稳， 也是c a t v 网络结构，它能使电话和c a t v 两方猫都充分运用该网络。h f c 支持全 部现存的和发展的窄带和宽带业务，可成为所谓的全业务宽带网络。而且h f c 可以 简单地过渡到f t t h 嘲络，为光纤用户环路的建设提供了一种渐进的手段。h f c 为 曩户捷谈了廉徐豹馥魄褫为基韬藜终端设备，这蜀戬壤霜户在其需要豹程镞麓入菜些 业务而不必有太大的投捺。h f c 这一符合b i s d n 和信息高遽公路建设的获键技术 将在2 1 馓纪初期发挥檄其重要的作用。 双淘h f c 网戆传羧逶遒，按频率可划分必上霉逶道秘下行遥遘旧，褒下抒通道 中，传输传统的电视节嗣，在上行通道中刚可以开展其它扩展娩务和增值娥务，如视 频点播( v o d ) 、远程教育、图文电视、数据通信、计算机通信等，这为有线电视的 发展提供了条件。 综合上述分析，h f c 双囱网络豹优势在予： 硕士论文h f c - - c a t v 随络上行信遭敷数据传输技术研究 1 、 撵e 网具有很好的数模兼容链； 2 、h f c 网既能满足我国市场的近期需要，又能满足直到2 0 1 0 年的中期需求， 还能满足平滑过渡到全数字化、全光纤的远期需袋； 3 、 搭e 嚣终静按零方案可敬壤旗枣凌熬需浓分麓分氛羹惫扩容器舞缓，；丕霉鼓遗 建设边扩容； 4 、h f c 综合信息网带宽可达i g h z ： 关于h f c 网络，滔际上有多个缀织在研究誊定不圆的协议标准。各耱协议鲍匿 标有辑不确，褪又相互联系和相互影嫡，其中产生广泛影响鹣有i e e e8 0 2 1 4 协议和 m c n s ( m u l t i m e d i ac a b l en e t w o r ks y s t e m ) 的d o c s i s ( d a t ao v e rc a b l es e r v i c e i n t e r f a c es p e c 浓c a t i o n ) 协议。作为h f c 网络的糍遮接入技术，d o c s i s 是一个很成 熬盈广泛斑强抟菰建，m c n s 先瑶簇蠢了d o c s i s l 。0 ，l 。1 释2 0 蠡凄，它氇拯鼗撂 通信单元以及运营和商业支持单元。最初，d o c s i s 主要用在北美的些圆家，现在 它已经被北美之外的许多国家所采纳，成为全球化的标准。到2 0 0 3 年1 月，世界已 毒超过1 5 0 0 万台兼容d o c s i s 戆邀缆调裁簿调器。h f c 综会傣怠网其有伏爨戆性旋 价格比，楚最适合我黧蟊前国情的宽带接入阚，阚时也是解决信息离速公潞最后l 公里宽带接入网的最佬方案。 l 。2h f c 网络鲍上行多皱按入信遭 根据i e e e 8 0 2 1 4 协议和d o c s i s 协议，h f c 网络同轴电缆城的频率配置如图1 2 1 錾示【6 吼。阕辜蠡电缆想懿频率蒂宽霹遮1 g h z ，其中5 4 2 m h z 频带震于传羧多魇户上 行接入镶譬，5 0 8 6 0 m h z 频带弼予传输下行信母，包括模拟魄视、数字电视及其下 行语音和数据信息，8 6 0 m h z 以上频带可用于将来业务拓展。 h f c 网络的上行镶遵和下行傧邋是非对称的。从翦端至咸户端的下行傣邂是一对 多兹广撵信遭。下行僖遭条俘好，一般采霜频带翮蠲率高静6 4 q a m 2 5 6 q a m 诱割窝 时分复用( t i m ed i v i s i o nm u l t i p i e x ) 方式传输信息，在6 m h z 绒8 m h z 带宽内，可取 得3 0 m 4 0 m b p s 的数搬传输速率1 6 0 。从用户端到前端的上行倍道是多对一的多址接 入信遘，主行售遴存褒诲多噪声、予挠、失卖及茭特舂豹噤声灏萼效应，遴傣瑟凌 常恶劣，霈要采用q p s k 等抗噪声干扰性麓较好的调制方式 6 0 1 。褶应她，上行信道 的数据传输速率较低，如i e e e 8 0 2 1 4 和m c n s 协议给出的m 1 6 0 k s p s ( s y m b o l s s e c o n d ) ，k = i ，2 ，4 ，8 ，1 6 ，3 2 】。同时，电予连接于同一同辘电缆的所有用户 共享上行傣遵资源，嚣瑟采蔫一定豹多垃谈入方袋和m a c 秘议来解决用户之闯豹畜 硕士论文 h f c c ：r v 网络上行信道及数据传输技术研究 效接入，因此决定h f c 网络性能的不是下行信道的性能，而是上行多址接入信道的 性能。对于同轴电缆上行信道，可以采用的多址接入方式有f d m a ( 频分多址) ，t d m a ( 时分多址) 和c d m a ( 码分多址) 6 u 。 下行模拟及压缩数 o54 04 55 5 07 5 01 0 0 0 扪h z 图1 2 1h f c 网络同轴电缆域频率配置 f d m a 的主要弱点是不易支持多媒体和多速率业务，不能满足h f c 系统综合业 务接入的需要。目前，f d m a 一般和t d m a 或c d m a 结合使用，以提高频带利用率 和灵活性。 t d m a 对多媒体和多速率业务有较大的灵活性，它可以通过灵活的时隙分配策略 来支持多速率综合业务的接入。h f c 网络上行信道在5 m h z 4 2 m h z 频段内的频谱特 性不均匀，5 2 0 m h z 频段噪声干扰较大，2 0 4 0 m h z 频段噪声干扰相对较小，而各 种窄带侵入干扰的频率是随机变化的。因此，在整个上行频段内使用一个调制载波， 所有用户时分一个载波的方式是不合理的，因为此时，少数几个频率上的强窄带干扰 信号将使前端无法正确接收整个t d m a 时隙流。改进方法是采用t d m a f d m a 方式， 这种方式把整个上行频段分成多个较窄的频段( 几m h z ) ，在每个子频段内有一个调 制载波，再对其进行时分复用。t d m a f d m a 方式可以较好地对付窄带干扰并便于 带宽管理和支持多速率综合业务。目前提出的m c n s 协议和i e e e 8 0 2 1 4 协议都采用 了这种上行多址接入方式。 虽然c d m a 技术在h f c 网络上不能象在蜂窝移动通信系统上那样显示出容量方 面的优势，在信道条件好时，c d m a 上行多址接入容量甚至比t d m a 方式的小，但 是c d m a 具有很强的抗干扰能力。在c d m a 系统中，单个码分信道的信噪比门限很 低，可以在信号功率比噪声功率低的环境中工作【4 】。通过控制接入信道的码分信道数， 可以适应多种上行信道条件，条件好的信道可以接入的码分信道数多，条件差的信道 可以接入的码分信道数少。尽管目前还没有国际标准建议接纳c d m a 作为h f c 网络 硕士论文h f c c a 下v 鼹络上行信道教数据传输技术磺究 的上行多蠊菝入方式，很c d m a 还怒僮褥磷究豹，c d m a 上杼揍入疆毒可髓成为下 代h f c 网络上行传输系统的可选方式之一。 1 3 t i f c 网络上嚣信遴数据突发模式传送帮全数字接牧 多址接入信道的拓扑一般是点( 中心控制前端，h u b ) 对多点( 用户终端) 的结 梅，如卫鼹、蜂窝移动以及h f c 麓搂入系统【9 】。多蛙接入信遂瓣瓷源由掰蠢翔户共 享，需要采用突发模式( b u r s tm o d e ) 传输技术涞支持随梳多皱接入。在多缝接入信 道上，采用突发模式传输技术和普通的连续模式( c o n t i n u o u sm o d e ) 传送技术相比，前 者支持包( p a c k e t ) 通信模式工作，因此可以获得更大的系统襻量并且可以更有效地 支跨突发数据源静霹交l 蒋率鲎务。 突发接收机对突发同步算法的性能有非常苛刻的要求，原因在于：一方面，与普 通的连续模式传输系统不同，多址接入信道控制前端接收的相逑突发数据包一般来自 不圊的鼹户终端站点，这些数据包笼论是信号电平还是嗓声姆性撵各不穗霹，瑟谡兹 一个数攒镪所得到静溺步信息不能为解调下一个数据包所拳j 弼，霞此对每一个接收的 数据包，接收机都需要遂新估计同步参数。另方面，接收机解调一个突发数据包可 获得的时间是非常短的，如果不能谯尽可能短的时间内有效地捕获同步参数，接收极 游丢失蹙令数据龟，这对耪瘦夔同多冀法疆窭了缀裹戆要求。 为了帮助接收机更快地捕获载波、位时钟等同步参数，一般的处理方法是在发送 的数据包前插入一个特定图案的报头( p r e a m b l e ) ，接收端以报头作为数据来先后进 行载波恢笈窥经眩镑恢复。 一奁豁来，入 j 对泼波和位时钟恢复算法的研究工作主要集中于经典的以锁相环 路p l l 为基础的递归反馈式结构【2 9 】。由于锁相环路存在h a n g u p ，同步捕获和保持性 能对环路港宽的要求棚巨矛盾等问题几乎是无法克服的。因此，这些基于p l l 的同 步参数浚爱算法往往甏黉数吾令稽弩豹摄笑方戆获褥莲怒豹瞧辘。焉突菱数据霞靛长 度一般只有几十到上千个符号。这种沉重的报头开销大大降低了信道传输效率，造成 吞吐量、时延等多址接入性能下降。这种状况直到全数字接收技术的出现才得到根本 改变。全数字接牧捉瑟调震戆本逸参考载波帮采襻薅镑都振蕊予霾定的频窀，不零要 将信号反馈到模拟部分进行反馈控制，因此接牧帆对信号的晌成时间大大加快，能更 快地获得同步。 硕士论文 h f c c a t v 网络上行信道及数据传输技术研究 1 4本文所做工作 从c a t v 网络发展起来的h f c 网络是一种以模拟频分复用技术为基础，综合模 拟和数字传输技术、光纤和同轴电缆技术、网络技术的宽带接入网络，是光纤逐步推 向用户的一种新的经济发展策略，它将在b i s d n 和信息高速公路的建设过程中发挥 重要的作用。 h f c 网络的关键技术在于上行信道多址接入技术，其中物理层的突发模式传送技 术是需要解决的主要问题之一。为帮助突发接收机更快地捕获载波、位时钟等同步参 数，一般的处理办法是在发送数据包前插入一个特定图案的报头，接收端以它作为辅 助数据来先后进行载波恢复和位时钟恢复。采用全数字接收技术可以减少报头开销， 从而提高信道传送效率，并且接收机的全数字化实现可以提高接收机的稳定性、兼容 性和可重复性，具有很好的经济效益。 本文的研究工作既是针对上述问题展开的。具体工作如下： 1 ) 详细分析了h f c 网络上行多址接入信道的特性。h f c 系统是一种树形拓扑的 网络，它的上行多址接入信道的通信环境非常恶劣，存在着许多噪声、干扰 和失真及其特有的噪声漏斗效应。本文通过理论分析和仿真建立了h f c 网络 的上行信道的模型，并对上行信道特有的噪声及干扰对调制技术的影响做了 详细讨论。 2 ) 研究了在多址接入信道上，往往需要实现的两级同步：网络同步和突发同步。 深入研究了突发同步问题，指出快速、有效地恢复载波和位时钟是突发同步 的关键因素。文中以多址接入信道上广泛采用的1 6 q a m 调制信号为模型，给 出了一类特定图案的报头和基于该报头的全数字突发模式快速同步参数恢复 算法。这种报头和同步参数恢复算法的设计思想对需要采用突发模式传送技 术来支持随机多址接入的场合具有普遍意义。 3 ) 对适用于h f c 网络的全数字接收技术进行了讨论。分析了全数字接收机中的 f i r 成形滤波器和匹配滤波器的设计算法和实现算法。给出了一种应用f p g a 器件来设计f i r 滤波器的方案，实验仿真表明，此滤波器的性能能够很好地 适应h f c 网络上行信道对突发通信的要求。同时文中给出的f i r 实现算法， 同样适用于其它场合的滤波器设计。 硕士论文h f c c = r v 网络上行信道及数据传输技术研究 2h f c - - c a t v 网络上行信道研究 信道是通信系统的一个重要环节。一个好的信道模型不但能正确反映真实信道的 特征，而且可以为通信系统的其它部分( 接收、发送) 的设计提供理论依据。h f c 系统是一种树形拓扑网络，它的上行多址接入信道的通信环境非常恶劣，存在着许多 噪声、干扰和失真及其特有的噪声漏斗效应。要成功地运营一个h f c 宽带接入系统， 必须能够有效地识别、管理和消除上行信道中的各种噪声、干扰和失真。 本章首先分析了h f c 网络上行信道的特性，建立了上行信道的模型，然后分析 了上行信道中存在的各种噪声对q p s k 和1 6 q a m 两种调制技术的影响。 2 1 上行信道模型的建立 h f c 网络结构是在传统同轴电缆c a t v 网络基础上发展起来的，其上行信道的噪 声和干扰主要来源于三个方面：电缆结构带来的噪声、光纤链路噪声、侵入噪声【9 】。 电缆线路的结构噪声包括电阻、多级放大器噪声、散粒噪声以及分支器、分配器 等无源器件的衰减、失配带来的噪声，其中以热噪声为主。 光纤链路噪声和干扰主要来自反向光发射机的相对强度噪声、反向光接收机的散 粒噪声、热噪声以及激光在光纤中反射形成的干扰强度噪声等。 从侵入干扰的来源上看，可以分为三种：脉冲噪声干扰、感应噪声干扰和辐射噪 声干扰。侵入噪声和干扰通过网络屏蔽罩的任何一处缺口侵入系统，对有线电视网络 的上行信道形成干扰。 由于h f c 网络具有树形拓扑结构，因此在上行信道存在所谓的噪声漏斗效应， 即用户端和网络内部产生的噪声和入侵干扰将在电缆的前端( 树跟处) 汇聚在一起， 如图2 1 1 【9 1 所示。噪声漏斗效应使前端的信噪比恶化，这种恶化可以用噪声漏斗效应 因子来衡量。噪声漏斗因子为1 0 1 9 n ( 不相关噪声叠加) 2 0 1 9 n ( 相关噪声叠加) ， 其中n 为接于同一树形电缆的网络数。噪声漏斗效应使上行信道具有比下行信道更 高的随机热噪声电平，同时也使窄带短波侵入干扰的影响更为显著。 上行信道的噪声干扰是双向h f c 网络发展的制约因素，其噪声模型分析比较复 杂。为了便于研究和分析，本文以相关的数学公式及物理定律为依据，根据上行信道 懋生造塞墼! 曼墨篓曼笼墨毽笾塑墨墼塑篷燮查墅塞 麓潦窘酾予拣鹣秘类及特熹，瓣蠢线懿撬黢爨h f c 测终上嚣猿遵潆声横鬻避露了毽 谂攘譬。 2 1 。1 燕噪声模壅 溅2 + 。 秘# e 瓣终土蠢穰遂禳潺苷藏藏 h f c 潮络豹内部嗓声生袋怒热噪声。鞠舞热噪声程缀宽静频攀戆鬣离鬟蠢垮匀豹 频谱特性，瓣就强建摸逶傣黎统中的热曝声的时候，邋常裰设滚噪声蹩一个鬻髓囊礤 声隧嘏过程。 一羧潦声功攀霹辫爝下鬻秘祭娄籁赞公式袭示： n p 。o 。5 够+ 善 ( 2 1 ) 0 8 虾一l 戏中；n p 必蠢效噪声臻攀，攀霞戈w ；，k 楚玻琴羧爨露数( 等予1 。3 8 x 1 0 。3 涨) ； 矗袭j 嚣普甥竞辫数( 等予6 。6 3 x 1 0 埘，s ) ；t 为热力学滋废，革俊羚开( k ) ；b 荧 带窝，擎德为h z ；f 为频率，肇彼梵 娩n 上述公式足肖褒瀑度缀低期频率掇瀚鹣情况下方霄实际意义，爨为通常麴射频釉 徽波系统趣厂k t 豹数蕊缀小，究全霹毅忽疆( 繇够，露邋，l 、予1 ) ，灏弑，程实辩藏 翊粒计算中，上述祭套疑褥公式鬻嚣可戳掰下嚣鹩麓傀公贰取代。n p 。夤豫。 商斯自嗓声避符合正悫分稚( g ，盯：) 的，茭分布懑寝函数怒； 硕士论文h f c c 州网络上行信道及数据传输技术研究 m ) 2 丽1 e 一可 x o o ) 其中一 口 0 。 特征函数为： 删。丽1i d ”e 一可拥呻， 为了便于分析，令o r = 0 ，则有： 九( p ) ：e 一桫 其中，盯：为高斯噪声的方差。 2 1 2 窄带连续波干扰模型 ( 2 1 1 2 ) ( 2 1 1 - 3 ) ( 2 1 1 4 ) 如果一随机过程在以f o 为中心频率的某个频带内其功率谱值非常大，而在这个频 带外其功率谱值非常小，那么该随机过程就是带通的。如果该随机过程的带宽 b 格雷鹃星鹰嘲 强3 2 。l ，11 6 q a m 萋藏圈 ( b ) 差分缡弼星座拦 4 2 o 屹 4 2 o 屯 q 硕士论文 h f c c a l v 网络上行信道及数据传输技术研究 本文以采用差分编码的1 6 q a m 调制为例进行研究。采用差分编码是为了避免 q a m 信号经信道传输而引起的接收端相位模糊问题。 差分编码采用如下的布尔表达式： = a o b ( 4 0 厶一1 ) + ( 4 0 曰) ( b o q 一1 ) n = a o b ( b o g 1 ) + ( 一o b ) ( 4 0 l 一1 ) ( 3 2 1 1 ) 其中a 和b 是每个符号的最高两位有效位，其他位不变直接与编码后的厶g 一起经 串并变换分成i 、q 两支路基带信号，送往调制器。 本文构造的报头比特序列a b l o q o ( t ) 格式如下： 0 0 1 1 ，1 1 1 1 ，1 1 1 1 ，1 1 1 1 ，1 1 1 1 ，1 1 1 1 ，1 1 1 1 ，1 1 1 1 ，0 0 1 1 ，0 0 1 l ，1 1 1 1 ，0 0 1 1 按照( 3 2 1 1 ) 式对p r e a m b l e 比特序列进行差分编码，产生的q l 厶q o ( ，) 如下： 1 1 1 l ，0 0 1 1 ，1 1 1 l ，o o l l ，1 1 1 1 ，0 0 1 1 ，1 1 1 1 ，0 0 1 1 ，0 0 1 l ，0 0 1 1 ，1 1 1 1 ，1 1 1 1 由图3 2 1 1 ( b ) 所示的星座图，1 6 q a m 的符号集为 ( 3 ，- 3 ) ，( 一3 ，- 1 ) ，( 3 ，3 ) ) ， 则报头的符号序列( a ) ，a q ( t ) ) 可记作： f = 0 ，1 ，2 ，p 一5 ，p - 4 ，p - 3 ，p 一2 ，p - 1 ( 3 ，3 ) ，( - 3 ，- 3 ) ，( 3 ，3 ) ，( - 3 ，- 3 ) ，( - 3 ，一3 ) ，( - 3 ，- 3 ) ，( 一3 ，一3 ) ，( 3 ，3 ) ，( 3 ，3 ) ( 3 2 1 2 ) 其中p 为报头的符号长度。 根据所构造报头的符号特点，可以采用如图3 2 1 2 所示的方案对该报头进行检 测。 图3 2 1 2 报头检测框图 设接收到的报头1 6 q a m 调制信号s 。( f ) 的数学表达式为： p i - g - s 。( r ) = 等口，q ) g ，( f - f 丁) c o s 协帆+ 虬，+ ，0 ” p 一1 仄 一半a q ( 1 ) g ，( h 丁) s i n ( 2 刀魄+ 瓯，+ 岛) ( 3 2 1 3 ) 1 = 0 o 其中日，( f ) 与( ，) 为发送的报头符号序列，长度为p ； 硕士论文h f c c a t v 弼络上好信道及数据传输技术研究 g r ( t ) 为基带馥黧辣冲，箕频谱为平方辗升余弦函数； t 为码元宽度； 丘为载波频率； 盎载频馕移； 酶为未知载频相位偏移( 假定不变) 以霉= 1 工采样间隔对j ( r ) 邀行采样后，得到的采样序列s ( 挖) 的数学表达式 先： 卿) = 霎警口，( 豫，( ( ”一肼) t ) c 。s ( 2 万伉+ 蜕如+ 岛) 一窆拿咚g ) 岛b 一膨珥汪鼢+ 馘甄+ 岛) 一半咚g ) 岛( 摊一膨) 霉扣汪( 2 万+ 馘甄+ 岛) i = 0 u 其中m = t i t s 为每符号的采样点，假设为整数： 工= 厶工，蜕= 皈工为归一化的数字频率 为了分撰方便，并艇麦于报头筏号房裂具有( 3 2 + 1 ，2 ) 式懿缝季毒， 表示为： 。( 。) 。窆舒( ( 胛一i m ) t ) c 。s ( 2 硝( 正+ 蜕印+ 目( ，) + 岛) 萁中 l 三 加( d ) ，( f ) ) = ( + 3 + 3 ) 以d 1 孚弦魄，咄鼢斗s ，固 ( 3 2 1 4 ) 禹毙( 3 。2 ，1 ，4 ) 式可 ( 3 2 1 5 ) ( 3 2 i 6 ) 按照图3 2 1 2 报头检测框图，将序列s ( n ) 进行下变频得到撩带信号，再使其通过 一个脉冲响应为g r 0 ) 的低通匹配滤波器，便得到序列x 0 ) ，x 1 ( 行) 的数学表达式为： x ( 群) 蒜g ( n 一强f 。) e o s ( 2 万童畋栉+ 占( f ) + 玩) ， + - ，g ( n l m ) s i n ( 2 x a f 。n + o ( t ) + 0 0 ) f = g ( n - l m ) 8 庳娥8 + + “ = g ( n - i m ) 8 “2 螂蛾烈。 # ( 3 2 。1 7 ) 硕士论文h f c - - c a t v 网络上行信道及数据传输技术研究 其中g ( n ) = g r ( n ) o g r ( 玎) 。 将滤波器输出序列x 。( n ) 按因子d 进行抽取，考虑到载频偏移比符号率小很多， 则抽取后的信号x ( m ) 为： x ( 聊) = g ( m d - i m 。) c o s ( 2 ，r a f , m d + o ( 1 ) + o o ) + ，g ( m d i m + ) s i n ( 2 z r a f , m d + o ( 1 ) + 0 0 ) = g ( m d l m ) e m 戤“e p “ 弦m = 0 ，p m 一1 ( 3 2 18 ) 其中g ( 竹) = g r i ) og r ( n ) 为平方根升余弦函数； m ：m d 为抽取后每个符号的采样点数。 由( 3 2 1 2 ) 式和( 3 2 1 6 ) 式可知，在( 3 2 1 2 ) 式的报头符号序列中，除了最后4 个符 号以外，8 j o ( 。) = ( j 2 + ，互2 ) ( 一1 ) 7 一直成立，则将其带入( 3 2 1 8 ) 式，则有： ，1，1p 一5 x ( m ) = 洋+ ，警) g ( m d l m ) e j ( 2 x 4 t c m o + a , ) ( 一1 ) 7 f o r 脚= 0 ，( p 一5 ) m 一1 ( 3 2 1 9 ) 由图3 2 1 2 所示，将x ( 肌) 延迟一个符号周期并取其复共轭得到x ( m m ) ，将 x ( 卅) 和工+ ( m m ) 相乘后可得y ( m ) 表达式如下： y ( m ) = x ( m ) x + ( m m ) = f 篁1 = 0 9 ( m d - g ( m dlm，c一-，(；l；g(md0一c 七+ ，m ，c 一，) e 口鸸m = i ) ( 一1 ) 钏一( i + 1 ) m ) ( 一1 ) r 嘶” = 0 = g 。( 删) 8 。2 鹏m f o rm = m ，( 尸一5 ) m 一1 其中 ( m ) ：f 篁g ( m d - l ( r o d - i m ) ( 一1 ) f 篁gr o d - ( + 1 ) m ，) ( 一1 ) 。1 g 。( m ) 2 l i = o g) ( 一) 。h 丢k g ( 1 ) ) ( 。1 ) j = o z p - 5 g ( m d - l m ) ( 一1 ) 吓 一 ) ( 一1 ) 。1 若取蜕= o ，p = 1 6 ，d = 1 0 ，m = 1 6 ，则y ( m ) 的波形如图3 2 1 3 所示： 一2 9 硕士论文 h f c c a r v 阏络上行信道及数据传输技术研究 隧3 2 。1 ，3 蠲子搬头检测懿赣出穿秘y 搬) 鉴于所构造的报头的特点，可以定义以下检测算法，即考察( 3 2 1 1 1 ) 式 l 尘l a ( k ) 。l z y ( k + 珏g | f o rk = 0 ，1 ，m l( 3 。2 。l 。1 1 ) l ，* 1| 对予( 3 2 1 1 1 ) 式，a ( k ) 的值会程如式( 3 2 1 2 ) 所示的报头期间将迅速增加，而对 于噪声或其它随机信母( 3 2 1 8 ) 、( 3 2 1 。9 ) 和( 3 2 1 1 0 ) 式是不成立的，( 3 2 1 1 1 ) 式的 孚均毽将趋予0 。嚣_ 毙，霹鼓竣定魏凝露强2 。1 2 ) 式戆报头裂这