（通信与信息系统专业论文）gmctddxdma系统定时同步技术研究及其硬件实现.pdf

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：墨l 宝 日 期：呈里! 垒：主：! 翌 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：主! l 宝 导师签名：型塾垒刍日期：绝垒立谚 吖亏 摘要 摘要 随着第三代移动通信系统逐渐投入商用，移动用户对高质量高速率的移动多媒体业务提出更高 的期待。研究能够更好地满足用户需求的下一代无线移动通信技术已经迫在眉睫。根据国家8 6 3 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 组提出了广义多载波时分双工混合多址( 简称g m c - t d d x d m a ) 蜂窝移动通信传输技术。在此背 景下，论文对数字通信系统中的同步理论和定时同步方法进行了探讨，并针对g m c t d d 一) ( d m a 系 统的特点，研究了系统帧同步和符号同步问题的解决方案，最后完成了系统下行链路定时同步器的 硬件实现。 同步技术是数字通信系统的关键技术之一，直接影响接收机对信号的接收，论文所研究的是同 步技术中的定时同步问题。首先，介绍了定时同步实现的数学基础，即信号参数估计理论；从定时 参数的最大似然估计出发，介绍了基于数据辅助( d a d d ) 的定时同步方法和基于非数据辅助( n d a ) 的定时同步方法，他们在实际的数字通信系统中均有广泛应用；论文探讨了数字信号处理中插值理 论在定时同步中的应用，它使得接收端的采样时钟独立于定时控制，定时调整完全通过数字处理方 法得以实现。 为了在时变多径衰落信道环境中充分利用多天线和多径能量检测的优势，并为了使系统可以采 用数字处理方法实现下行链路的帧同步和符号定时，我们提出了基于两倍过采样进行插值的二维能 量窗定时同步算法。通过仿真验证，在多径衰落信道下本同步方案能够使系统获得稳定的同步性能。 根据同步算法的特点和f p g a 芯片的结构，论文按照自顶相下的方法设计完成了定时同步单元 的硬件实现。通过探讨相关器的实现结构，提出了一种基于多相分解的优化结构，它通过获取系统 工作速率与实现并行度之间的平衡，极大地降低了硬件实现复杂度。此设计结构也被应用于插值器 的硬件设计当中。最后，在逻辑电路软件仿真的基础上，搭建完整的硬件平台，对所设计的模块进 行了较为全面的测试。 关键词：定时同步，插值，能量窗，多相分解，f p g a a b s t r a c t a b s t r a c t a l o n gw i t ht 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 mb e i n gg r a d u a n ya p p l i e di nb u s i n e s sf i e l d ， s u b s c r i b e r sa r ei ns t r o n g e re x p e c t a t i o no f h i 曲一s p e e d h i 曲p e 墒瑚a j l c em o b i l em u l t i m e d i as e r v i c e s i t ，s u 唱e n tt h a tw es h o u l dr e s e a r c ho nn e x tg e n e r a t i o nw i r e l e s sm o b i l ec o m m u n i c a t i o n st 0s a t i s 匆u s e r s ， r e q u i r e m e n t s a c c o r d i n gt ot 1 1 eg o a lo fr e s e a r c h0 nn e wg e n e r a t i o nc e l l u l a rm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h a ti sd r a 、v no u tb yn a t i o n a l8 6 3f u t u r e p r o j e c t ，g e n e r a l i z e dm u l t i c a r r i e rt i m ed i v i s i o nd u p l e x x - d i v i s i o nm u l t i p i ea c c e s s ( g m c t d d - x 】) m a ) c e l l u l a rm o b i l ec o m m u n i c a t i o nt r a n s m i s s i o nt e c h n q u ei s p u tf o n a r db yb 3 g 舒o u pi nn a t i o n a lc o m m u n i c a t i o nr e s e a r c hl a b o r a t o 叮( n c r l ) o fs o u t h e 笛t u n i v e r s 吼u n d e rt h i sb a c 蚝r o u n d ，t h ed i s s e r t a t o np r o b e si n t ot h et h e o r i e s 锄dt h ea p p r o a c h e so ft i m i n g s y n c h r o n i z a t i o nt e c h l l i q u e si nd i g i t a lc o m m u n i c a t i o n s ，s t u d i e st 1 1 er e s o l u t i o ns c h e m eo ff h m e s y n c l l r o n i z a t i o na j l ds y m b o ls y n c h r o n i z a t i o ni nb 3 g s y s t e mw i m a ne y et ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h es y s t e m ， a n dc o m p l e t e st h eh a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o n s0 ft h ed o w n l i n ks y n c h r o n i z e ra tl a s t s y n c h r o n i z a t i o nt e c h n i q u ei so n eo ft h ek e yt e c h n i q u e si nd i g i t a lc o m m u n i c a t i o n s ，w h i c hi n f e c t s s i g n a lr e c e i v eo ft h er e c e i v e rd i r e c t l y t h ed i s s e r t a t i o nf o c u s e sm a i n l yo nt i m i n gs y n c h r o n i z a t i o np r o b l e m s f i r s t ，m a t h e m a t i c a lf o u n d a t i o no fs y n c h r o n i z a t l o n ，i e t h et h e o 叮o fp a r a m e t e re s t i m a t i o ni si n t r o d u c e d t h e n ，d a d do rn d at i m i n gs y n c l l r o n i z a t i o nm e t h o d sb a s e do nt h em le s t i m a t i o no ft i m i n gp a r a m e t e r a r ep r e s e n t e d t h e ya r ea l lw i d e l ya p p l i e di na c t u a ld i g i t a lc o m m u n i c a t i o n s y s t e m s i n t e r p o l a t i o nt h e o 叫i n d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gh 嬲a p p l i c a t i o n i nt i m i n gs y n c h r o n i z a t i o n ，w h i c hm a k e st h es a m p l i n gc l o c k i n d e p e n d e n to ft h et i m i n gc o n t r o ls ot h a tt i m i n ga 娜u s t m e n ti sr e a l i z e dc o m p l e t e l yt h r o u g hd i g i t a ld i s p o s a l t h ei s s u eo fi n t e 印o l a t i o ni nt i m i n gs y n c h r o n i z a t i o ni sd i s c u s s e d i no r d e rt 0t a k et h ea d v a n t a g e so fm u l t i - a n t e n n as c h e m eo ft h es y s t e mz l sw e l l 弱m u l t i p a t he n e r g y u n d e rt h ec i r c u m s t a n c eo fm u l t i - p a t hf a d i n gc h a n n e l ，a i l dt oa c q u i r ed o w n l i n kf r 锄es y n c h r o n i z a t i o na n d s y m b o ls y n c h r o n i z a t i o nb ye x p l o i t i n gd i g i t a ld i s p o s a lm e t h o d ，w ep u tf b n ，a r dt h et i m i n gs y n c h r o n i z a t i o n a r i t h i i l e t i co ft w od e m e n s i o ne n e 唱yw i n d o ww h i c hi sb a s e do nm ei n t e 叩o l a t e ds i g n a l so v e rt w ot i m e s o v e 卜s a m p l e di n c o m i n g s t h es c h e m ei sp r o v e dt og u a r a n t e es t a b l ep e r f o n n a n c eo ft h es y n c h r o n i z a t i o no f t h es y s t e mu n d e rm u l t i - p a t hf a d i n gc h a n n e l 。 i nt h el i 曲to ft h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h es y n c h r o n i z a t i o na r i t h m e t i ca n dt h es t r u c t u r eo faf p g a c h i p ， t h ed i s s e r t a t i o nc o m p l e t e sd e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h et i m i n gs y n c l r o n i z a t i o nm o d u l eo nac h i po f f p g a a no p t i m i z e ds t r u c t u r eb a s e do np o l y p h a l s ed e c o m p o s i t i o ni s i n t r o d u c e da r e rd i s c u s s i n gt h e i m p l e m e n t a t i o ns t n l c t u r eo ft h ec o r r e l a t o r t h i ss t r u c t u r e 鲈e a t l yr e d u c e st h ec o m p l e x i t yo ft h eh a r d w a r e i m p l e m e n t a t i o na n di s a l s oa p p l i e di nt h ed e s i g no ft h ei n t e 叩o l a t or a tl 雏t ，o ns i m u l a t i n go ft h el o g i c c i r c u i t ，t h ed e s i g n e dm o d u l ei st e s t e dr o u n d l yo na ni n t e g r a t e dh a r d w a f ep l a t f o 啪 k e y w o r d s ：t i m i n gs y n c h r o n i z a t i o n ，i n t e 叩o l a t i o n ，e n e 唱yw i n d o w p o l y p h a s ed e c o m p o s i t i o n ，f p g a i i 目录 目录 摘要i a b s t r a c t ：i i 第一章绪论1 1 1 引言1 1 2g m c t d d x d m a 系统简介【4 】1 1 3 试验验证系统简介【4 】2 1 4 论文的主要内容及意义4 2 1 概j 态6 2 2 信号参数估计理论7 2 3 定时同步技术9 2 3 1 最大似然定时估计9 2 3 2 定时同步方法9 2 4 最大似然估计器的性能特征1 5 2 5 定时恢复的数字实现方法1 6 第三章g m c t d d x d m a 系统的定时同步过程。2 0 3 1 空中接口的物理层介绍【2 0 】2 0 3 1 1 帧和时隙结构2 0 3 1 2 物理信道结构2 2 3 2 定时同步过程2 4 3 2 1 同步的建立2 5 3 2 2 同步的维持2 7 3 2 3 小结2 7 第四章g m c t d d x d m a 系统下行链路的定时同步算法2 8 4 1 下行链路的帧同步2 8 4 1 1 帧同步的原理2 8 4 1 2 帧同步器的结构2 8 4 2 下行链路单载波的符号定时3 1 4 2 1 整数倍插值3 1 4 2 2 单载波符号定时的原理3 2 4 2 3f i r 插值滤波器的设计3 3 4 3 对其它因素的考虑3 4 4 4 下行链路的定时同步算法3 5 4 4 1 下行链路定时同步算法的原理图3 6 i i i 目录 4 4 2 下行链路定时同步算法的实现步骤：3 6 4 4 3 下行链路定时同步算法的性能仿真3 7 第五章g m c t d d x d m a 系统下行同步的硬件实现3 9 5 1f p g a 的结构和特点【2 4 1 3 9 5 1 1 概j 态。3 9 5 1 2x i l i l l ) 【r t e x i i 系列产品介绍3 9 5 2f p g a 的设计原则4 2 5 3 下行链路定时同步的f p g a 实现4 3 5 3 1 定时同步与其它模块的接口关系4 3 5 3 2 定时同步的总体设计4 5 5 3 3 定时同步的分模块设计4 6 5 3 4f p g a 实现结果5 6 5 4 硬件调试5 6 5 4 1 单模块测试5 6 5 4 2 基于整个系统的板级联调5 7 至i 谢6 0 参考文献6 1 l v 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论弗一早三百。t 匕 当前，移动通信在全球范围内发展迅猛，移动用户数的增长超出了预期，移动业务也正从话音 业务向以i p ( i n t e m e tp r o t o c 0 1 ) 接入和多媒体业务为主的方向发展。但是，为高速业务和多媒体业 务设计的第三代移动通信系统( 简称3 g ) 在通信的容量与质量上不能满足人们的要求。当初i t u 制定i m t 2 0 0 0 标准的时候，希望制定一个能够提供高速数据接入的全球统一标准。但是各方在自身 利益的驱动下，争执不下，最后折中成了以w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 系列为首的5 个大标准，立即 产生了相互之间的漫游的问题。此外，用户在使用中的速率要求也没有得到很好的满足。i m t 2 0 0 0 要求3 g 用户在慢速移动和静止状态下的数据接收速率在2 m 以上，而现有3 g 系统的实际接收速率 只有几百k 。此外，手机问题、与原有网络的兼容问题等等，所有这些都增加了人们对3 g 的不满 和对4 g 的期待。 4 g 就是能够解决上面3 g 系统不足的第四代移动通信系统。总体来说，未来移动通信系统的目 标将是【1 1 【2 1 【3 】 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 由； 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 0 d 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。 为了在新轮的竞争中占有主动权，欧洲、北美、日本、韩国等国均已启动第四代移动通信的 研究计划。而在我国，中国科学技术部已在国家“8 6 3 ”计划中将超3 g 4 g 的研究作为战略研究重点 领域之一，并于近期启动了名为f u t u r e ( f u t u r et 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 ) 的 未来移动通信研究计划。 1 2g m c t d d x d m a 系统简介4 】 根据8 6 3f u t u r e 研究计划拟订的关于新一代蜂窝移动通信系统的研究目标以及b 3 g ( b e y o n d 3g e n e r a t i o n ) 课题组对国内外研究发展状况和趋势的综合分析，我们认为开展后3 g 蜂窝移动通信 系统研究开发的有效途径是：以3 g 演进技术为出发点，充分考虑新一代蜂窝通信系统的后向兼容 性，以基于多天线环境的网络结构为构架，以联合空时信号处理和新型t u r b o 接收机技术为提高系 统性能的主要手段，以高效的多相分解滤波器组( f i l t e rb a n k ) 实现方式为降低系统实现复杂性的 主要方法，并借鉴o f d m ( o r n l o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 系统易于f f t ( f a s t f o u r e r t r a n s f o n n ) 实现的优点，研究开放式的、能够灵活地吸收其它技术优点的新一代蜂窝移动通信系统 传输技术，使之具有高频谱利用率、低发射功率和支持大动态范围分组数据传输的能力。基于上述 1 东南大学硕士学位论文 考虑，我们提出广义多载波时分双工( g m c - t d d ，g e n e r a l i z e dm u l t ic a r r i e 卜t i m ed i v i s i o nd u p l e x ) 混合多址( ) ( d m a ，x d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 蜂窝移动通信传输技术。其总体目标是： 1 ) 支持峰值速率为2 0m b p s 一1 0 0m b p s 的高速i p ( i n t e m e tp r o t o c 0 1 ) 分组传输，在车载环境， 峰值速率不低于2 0m b p s 。 2 ) 支持8k b p s 2 0m b p s 速率变化、不同q o s ( q u a l i t yo f s e j c e ) 和非对称的多媒体业务。 3 )系统容量达到3 g 系统的3 5 倍。 4 )提供与3 g 系统反向兼容性和与其它无线通信系统交互工作的可能性。 5 )提供无线资源优化配置的灵活性。 6 )具备不同业务需求的用户其移动手持终端所需成本的合理性。 解决方案的总体框架为： 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( 连续或非连续) 为2 0 m h z 的信道分解成1 6 个3d b 带宽为1 2 8m h z 的基本子载波，通过1 6 个子带的滤波器组 进行多载波合路和分路，多载波滤波器组可通过本课题组的发明专利技术多相分解和 f 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 4m h z 扩展予载波， 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 )采用t d d 双工方式，以方便地支持非对称数据业务。 3 )支持x d m a 混合多址方式：每个基本子载波或扩展子载波可采用t d m a 方式、多码道 c d m a 方式、自适应调制编码、空时联合发送与联合检测、自适应时隙结构等技术以及它 们之间的相互组合，以达到支持高效分组传输之目的。 4 )采用极为灵活的x d m a 混合多址方式共享无线资源，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，从而达到从 lk b p s 至1 0 0m b p s 的大动态范围传输的要求：并可通过不同小区间的基本子载波或扩展子 载波的灵活指配，避免t d d 系统所可能遇到的时隙碰撞问题。 5 )可扩展至多天线环境，通过设置多于发射天线数的接收天线，使系统频谱利用率线性提高， 或使发射功率线性降低，从而满足系统容量提高3 5 倍，发射功率降低1 0 d b 以上之要求。 1 3 试验验证系统简介1 4 】 开发本实验验证系统的目的是为了验证g m c t d d x d m a 传输方案能否达到预定的主要目标， 并为后期研究开发提供必要的依据。 图1 1g m c t d d ) ( d m a 实验验证系统构成示意图 2 第一章绪论 如图1 1 所示，整个g m c t d d x d m a 实验验证系统由一个接入点( a p ，a c c e s sp o i n t ) 和两个 移动终端( m t m o b i l et e n l l i n a l ) 组成。其中a p 由固定台和接口组成，它能够接入外部因特网。移 动终端由移动台和终端计算机组成，它可以通过a p 接入外部因特网，且移动终端之间具备直接通 信的能力。 g m c t d dx d m a 系统是基于自适应链路技术、时分双工技术、混合多址技术、扩频技术的多 载波系统。上、下行链路均采用多载波方式，将连续或非连续的约2 0m h z 的总带宽分成若干个3d b 带宽为1 2 8m h z 的基本子载波或3 8 4m h z 的扩展子载波。考虑到未来上、下行链路业务量的不对 称性，系统采用配置十分灵活的时分双工( t d d ) 方式。各子载波中均可迸一步采用t d m a 或c d m a 方式，以构成x d m a 混合多址方式。每个子载波、码道和时隙均可按需要分配给不同的移动用户， 信道的最小单位是一个子载波中的一个时隙中的一个码道，系统可根据业务的需求分配码道、时隙 和子载波数量。 本实验系统拟采用的扩频码片速率为1 2 8m c p s ( 基本子载波) 或3 8 4m c p s ( 扩展子载波) 。拟 采用自适应链路技术( 包括自适应编码调制、自适应时隙结构等) ，使系统能够根据应用环境( 如信 噪比、移动台移动速度等) 和业务要求的不同而自适应地调整链路参数，最大限度地提高无线资源 的利用率。 考虑到多天线环境下空时联合发送和联合检测的实现难度较大，完整的技术实验拟在f u t u r e 计划第二阶段进行。在本实验系统拟采用单天线发送、四天线接收的简化形式，可使系统容量较单 天线收发系统提高达2 倍。 整个系统的硬件设计利用e d a ( e l e c t r o n i cd e s i g n a u t o m a t i o n ) 工具，采用自顶向下的设计方法， 在链路仿真的基础上，设计基于f p g a ( f i e l dp r o 可锄m a b l eg a t ea r r a y ) 的硬件平台。 图1 2 固定台和移动台整体结构示意图 系统硬件平台由模拟前端、基带处理、系统主控c p u 、接口电路四个主要部分组成，如图1 2 所示，各部分的描述如下： 1 )模拟前端 3 东南大学硕士学位论文 对移动台和固定台来说，这部分基本相同，主要包括收发天线、l n a ( l o wn o i s ea m p l i f i e r ) 、 功放、上下变频、中频a g c ( a u t og a i nc o n t r 0 1 ) 、调制解调等。 2 )基带处理 包括基带发送、基带接收、系统定时提取三个部分，如图1 3 所示。基带发送部分由多载波合 成滤波器组和若干个单载波基带发送部分等组成。其中单载波发送部分包括自适应编码调制、多码 道扩频等部分。基带接收部分包括多载波分析滤波器组和若干个单载波基带接收等部分，其中每个 单载波基带接收包括：定时同步、信道估计、空时联合检测、多码道解扩、维特比译码等部分。系 统定时提供整个系统接收与发送所需的各种定时信号，其中符号定时和帧定时由定时同步部分提供。 3 ) 系统主控c p u 负责移动台( 固定台) 的系统控制与管理、协议处理以及它们与终端计算机( 因特网) 的连接。 移动台和固定台可采用统一的m p c 8 2 6 0 主控板。根据两者基带和射频的不同要求在实时多任务操 作系统r t o s ( r e a lt i m eo p e r a t i n gs y s t e m ) ( v x w b r k s 或v r t x 等) 平台上灵活配置并装载相应的 控制驱动、简单信令和业务协议。 4 ) 接口电路 实现移动台( 固定台) 与外界的接口，本系统将采用以太口或1 3 9 4 口。 1 4 论文的主要内容及意义 图1 3 基带处理部分 本文对通信系统中基于最大似然估计的定时同步理论进行了探讨，介绍了实际通信系统中常 用的定时恢复方法，并从实现角度对定时恢复的数字实现方法予以介绍；对g m c t d d x d m a 系统 的定时同步过程从物理层的角度进行进行了描述；进一步对系统下行链路的定时同步算法作了理论 上的分析，给出了算法所依据的原理、实现步骤，以及定时同步方案的性能仿真；最后给出了系统 下行链路定时同步单元完整的电路设计和f p g a 实现方案，并在此基础上搭建软、硬件测试平台完 成了系统的联合调试。 4 本文所完成的设 为基础，目的是为了 提供相应的平台和必 论文的结构如下 第二章探讨了数 时估计从最大似然估 角度介绍了定时恢复 第三章简要介绍 步过程。 第四章对系统下 体实现步骤、以及算 第五章对f p g a 介绍了系统下行定时 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 同步技术历来是数字通信系统中的关键技术，且直接影响接收机对信号的接收。通信系统中的 同步问题主要包括载波同步、定时同步和帧同步。通常情况下，在通信开始的初期，接收机首先需 依次或同时完成载波同步和定时同步，以保证对发送的数字信号的正确判决接收，然后再利用通信 协议中的有关规定，在接收信号中提取帧同步信息，实现收发信机间信息的正确传送。 2 1 概述 在同步数字通信系统中，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地抽样， 每个符号间隔抽样一次。对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剁5 1 。 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 相同频率和相位的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一样。所以必须测量 载波频偏和相位，这样的电路称为载波同步器。 在有些应用场合下，简单和稳健的接收机更重要，可以采用差分相干和非相干解调而不采用相 干解调。例如，d p s k 信号可以通过计算相邻采样点的相位差以对信号做出判断。在该接收方案中， 判决的统计特性独立于实际的相位信息，所以不一定需要载波相位的信息。 除了相位、频率和定时参数外，在判决过程中可能涉及其他的参数。例如，在带有编解码的数 字通信系统中，解码器需要知道码字之间的位置，这样的同步操作称为字同步器。同样，在t d m a 数字通信系统中，各个用户占有一定的时隙，为了区分这些用户，必须区分各个用户的位置，这样 的同步操作也称为帧同步器。从上述讨论中可以看出，同步在任何同步接收机中是一个很重要的部 件【6 1 。 典型的m 元p s k 相干接收机的框图如图2 1 所示。其中符号同步器用来得到符号定时，并控制抽 样器和信号脉冲发生器的输出。载波同步器恢复载波相位估计值矽，产生两个正交载波信号 g o ) c o s ( 2 7 吮f + 多) 和g o ) s i n ( 2 矾f + 多) 与接收信号做相关。此时，检测器是一个相位检测器，它 将接收信号相位与可能的发送信号相位进行比较并做出判决。由此可以看出同步的性能直接影响接 收机对信号的接收。 6 第二章数字通信系统中的定时同步技术 2 2 信号参数估计理论 图2 1m 元p s k 相干接收机的框图 同步实现的基础是它的数学描述，i 司步问题可以看作是对接收信号中载波和定时等参数的估计 问题。假定发送信号通过信道后产生延时，并被高斯噪声加以恶化。那么，接收信号的数学模型可 表示为 ，- ( f ) = s o f ) + ，z o ) ( 2 1 ) 式中s o ) = r e b 疋弘一矾f j ，r 是传播延时，z ( f ) 是加性高斯白噪声，毋o ) 是等效低通信号。 对更加一般的情况，我们知道厂( f ) 还可以是收发载波相位差及其它一些参数的函数，若记所有 的参数为参数矢量，则接收信号可以更进一步表示为 r o ) = j o ；) + ，2 0 ) ( 2 2 ) 在信号的参数估计方面，有两个被广泛应用的基本准则：最大似然( m l ) 准则和最大后验概率 ( m a p ) 准则。在应用最大后验概率准则时，信号参数矢量被建模为随机矢量，且其分布服从先 验概率密度函数p ) 。在应用最大似然准则时，信号参数矢量被处理成未知的但是确定的7 1 。 采用n 个标准正交函数抚o ) ，胛= 1 ，2 ，) 对信号，o ) 进行正交分解，得到，o ) 的向量表示 1 1 兰k 吒】，其中 肚蚜衍= l ( 2 3 ) 随机向量k 吃】的联合概率密度函数可以表示为p ( r l ) 。那么对参数的最大似然估计 7 东南大学硕士学位论文 就是使p ( r l ) 达到最大的删，参数的最大后验概率估计是使得后验概率密度函数 p 脚) = 驾驴 亿4 ， 最大的值。如果没有参数向量的先验知识，可假定p ) 在该参数的取值范围内是均匀的( 常 数值) 。在这种情况下，使p ( r i ) 达到最大的值，同时也使p i r ) 最大。这时对参数西的最大 在同步参数的估计过程中，将传播延时f 和载波相移视作未知的但确定的。因此，采用最大 随机向量k 眨厂】唯一地表示了接收向量，虽然我们由其联合概率密度函数来导出参数估计 值是可能的，但是比较方便的做法是当我们进行信号参数估计时，直接对接收信号r o ) 进行处理。 因而有必要导出基于信号，o ) 的概率密度函数p ( r i ) 。 因为加性噪声力o ) 是零均值高斯随机过程，所以联合概率密度函数p ( r l ) 可表示为 p 啉( 志卜 一姜学) 眨5 ， ! ：，嚣鬣o 仁6 ， ) = 【s o ；阮o p “ 表示在做正交展开时的积分区间，可以理解为对信号，o ) 的观测区间。 将式( 2 6 ) 带入式( 2 5 ) ，指数中的自变量可以用信号波形，o ) 和j ( ，；) 表示，即 专善kq ) 2 = 击一s 删胁 仁7 ， 其中，。为解扩后信号，o ) 中加性高斯白噪声分量胛o ) 的单边功率谱密度。则p ( r i ) 关于信号参 数的最大化等价与似然函数人 ) 的最大化，即 人 ) 一p b 眦) 却；删2 斫) ， 8 第二章数字通信系统中的定时同步技术 2 3 定时同步技术 人) = e x p 一j 等p o ) 一j ( ，；f ) r 衍 、 ( 2 9 ) = e x p 卜击蠡2 0 净+ 意厂协如边一击b 2 盼陟 人p ) = c e x p 寿，o 必o ；f c 2 。， 人p ) = q 厂愀；f 净 ( 2 1 1 ) 东南大学硕士学位论文 但是，当通过较大的带宽传输多用户信号时，由于时钟信号的传输被多个用户共享，发送功率和带 宽分配上付出的代价将随用户数成比例的减少。在实践中更为普遍的方法是，时钟信号可以直接从 接收到的数据信号中提取，有许多方法可以获得接收机的自同步【8 】【9 】【1 0 】，这些都归结为基于最大似然 的定时参数估计方法。下面将以这种同步方式为基础进行讨论。 从接收数据信号中获得定时同步的方法可以分为两大类【5 】： 1 ) 数据辅助( d a ) 面向判决( d d ) 定时估计 2 ) 非数据辅助( n d a ) 定时估计 1 数据辅助定时估计( d a ) 若发送数据序列为口，由于接收到的序列，依赖于口，因此同步器的实现取决于我们如何看待 发送序列口，即 p ( r i f ) = p o b ( r i 口，f ) ( 2 1 2 ) 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 0 ) 就可以确切地预知。我们称这种方法为数据辅助( d a t a - a i d e d ) 的同步算法。 由于发送序列已知，式( 2 1 2 ) 的求和式中只剩下一项，即此时延时z 的最大似然估计简化为求似 然函数p ( r b = ，r ) 的最大化，即 p k = 鹕m 掣p ( r l 口= ，f ) ( 2 1 3 ) 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 ) 的似然函数知， 延时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 序列并在其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【l l 】。 2 面向判决定时估计( d d ) 假定在观测时间区间上信息序列已检测出来，并且不存在解调差错，即a 兰口o ，其中a 标记信 息口。的检测值。将这些检测信息用于定时估计的方法称为面向判决( d e c i s i o n d i r e c t e d ) 的同步算法。 因此 在这种情况下，除延时f 外s o ；f ) 是确知的，所以 p g b ( r l 口，f ) = p ( r i 口= a ，r ) p ( 口= a ) 兰1 ) ( 2 1 4 ) o l ta p ) 肋= a r g 臀x p 咋= a ，f ) ( 2 1 5 ) 对于所有面向判决的同步算法，在接收机开始检测前需要对初始参数估计。所以要获得可靠的 1 0 若发送信息序列未知，可以将数据处理为随机变量，并在使似然函数最大化前让其在这些随机 变量上求平均。这种方法称为非数据辅助( n o n d a t a - a j d e d ) 的同步算法。 研究p a m 信号的非数据辅助同步算法。 如果发送信息序列p 。 服从零均值且单位方差的高斯分布，则对式( 2 1 7 ) 的似然函数在随机序列 上求统计平均，得到【8 1 东南大学硕士学位论文 天l p ) = 导j ，：p ) ( 2 2 0 ) 如果发送信息序列服从等概率分布，假设发送等概二进制数据，则相应的似然函数为【1 2 】1 1 3 l 【1 4 l 天lg ) = 1 nc o s h c l j ，。0 ) ( 2 2 1 ) 因为对小x 有l nc o s hx 丢x 2 ，因此在低信噪比时上式也可以用平方率非线性式近似表示。 现分析高斯分布的情况。对式( 2 2 0 ) 求导，可以得到f 的非数据辅助估计值 鲁军y ：o ) = 2 ；y 。p ) 掣= 。 ( 2 2 2 ) 由于对数据做了高斯分布的假设，所以这时得到的结果是定时参数的胤估计值的近似值。基于式 ( 2 2 0 ) 中万g ) 导数的跟踪环实现方案如图2 3 所示。 图2 3 一种非数据辅助基带p a m 定时估计的实现 图2 4 是合并了d a 和n d a 两种方式的基带p a m 定时同步环路。通过加入一个d a n d a 模式