（通信与信息系统专业论文）dvbc接收机的算法研究.pdf

浙江人学颂士学位毕业论文 摘要 y 9 3 5 9 3 y 数字高清晰度电视( d i g i t a lh d t v ) 是当今世界上最先进的图象压缩编码技 ， 术和数字通信技术的结合，是当今世界高技术竞争的焦点之一。数字视频广播 ；a v b ) 是欧洲1 7 0 多个组织共同开发出的数字高清晰度电视标准，它主要由 ， 卫星广播( d v b s ) 、地面广播( d v b t ) 和有线电视( d v b c ) 三部分组成。 、 本文所研究的正是数字视频广播有线电视( d v b c ) 接收机中载波恢复、 c - v 定时恢复、时域均衡器的算法。7 本文第一章首先简要介绍了视频数字化的优点，然后介绍了d v b 系统，特 别是d v b c 系统。第二章简要介绍了q a m 调制解调的原理，为后续的几个章 一一 节作准备。第三章主要介绍了d v b c 接收机中载波恢复的算法，针对常用算法 i 、。一 的不足，提出了使用极性判决的方法来进行载波恢复。第四章主要介绍了d v b c 接收机中定时恢复的算法，这里的定时恢复采用了全数字的方法，也就是内插的 方法来实现，另外还介绍了自动增益控制的原理，并给出了d v b c 接收机中的 自动增益控制的算法。第五章给出了d v b c 接收机中的二维d f e 均衡器结构， 然后分析了几种盲均衡算法，并将盲均衡应用在d v b c 接收机中。 浙江人学顾l 学位毕业论文 a b s t r a c t h d t v ( 1 1 i g h d e f i n i t i o nt e l e v i s i o n ) t e c h n o l o g yi n t e g r a t st h em o s ta d v a n c e di m a g e c o m p r e s s e de n c o d e i n gt e c h n o l o g ya n dt h ed i g i t a lc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ，i th a s b e c o m eo n eo ft h ef o c u s e si nt h eh i g h t e e hc o m p e t i t i o n s d v bi st h ed i g i t a lh d t v s t a n d a r dt h a t d e v e l o p e db ym o r e t h a n17 0 o r g a n i z a t i o n s i n e u r o p e i tm a i n l y c o m p r i s e ss a t e l l i t e ，t e r r e s t r i a la n d c a b l e d i g i t a lt e l e v i s i o ns y s t e m s t h i sp a p e ri sa b o u tt h ea l g o r i t h m so fc a r r i e rr e c o v e r y , t i m i n gr e c o v e r y , e q u a l i z e r a n da u t o m a t i cg a i nc o n t r o li nt h ed v b cr e c e i v e r i nt h i sp a p e r , c h a p t e ro n ef i r s ti n t r o d u c e st h ee x c e l l e n c eo ft h ev i d e od i g i t i z a t i o n a n dt h ed v b s y s t e m s ，e s p e c i a l l yt h ed v b cs y s t e m s c h a p t e rt w ob r i e f l yi n t r o d u c e s t h e p r i n c i p l e o fq h mm o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o n ，w h i c hp r e p a r e sf o rt h en e x t s e c t i o no ft h ep a p e l c h a p t e rt h r e et r e a t st h ec a r r i e rr e c o v e r ya l g o r i t h mi nd v b c r e c e i v e r i tp r o p o s e st h ep o l a r i t yd e c i s i o np da l g o r i t h md u et ot h es h o r t a g eo ft h e u s u a la l g o r i t h m c h a p t e rf o u ri n t r o d u c e st h ea l l d i g i t i z e dt i m i n gr e c o v e r ya l g o r i t h m b a s e do n i n t e r p o l a t i o n i nd v b cr e c e i v er i n a d d t i o n ，t h ec h a p t e ri n t r o d u c e s t h e p r i n c i p l eo f a u t o m a t i cg a i nc o n t r o l ( a g c ) ，a n dp r o v i d e st h ea g c a l g o r i t h mi n d v b c r e c e i v e r c h a p t e r f i v ed i s c u s s e st h es t r u c t u r eo f t h et w o d i m e n s i o n se q u a l i z e r , a n a l y z e s s e v e r a lb l i n de q u a l i z e ra l g o r i t h m sa n du s e st h eb l i n de q u a l i z e ra l g o r i t h mi nd v b - c r e c e i v e r 2 浙江大学顾士学位毕业论文 第一章绪论 1 1 数字化的优点 近年来，随着计算机、超大规模集成电路、数字信号处理、通讯等多项技术 的发展，人类正快速的进入数字时代。数字化成为了技术发展的必然趋势，因为 数字化具有诸多的优点： 夺使用数字传输抗干扰能力强。由于采用了再生方法，基本排除了噪声和失真 积累的影响，提高了功率的利用率。 夺使用最新的数字传输信号设计方法进行信源编码与信道编码联合设计，包括 使用网格编码调制( t c m ) 等编码调制技术，大大提高了功率频谱的综合 利用率。 夺可大大提高视频图像质量。由于采用数字滤波与数字存储，容易使用较简单 的方法消除噪声，改善其图像的信噪比；容易实现自适应的二维、三维亮色 分离，彻底消除亮色互相干扰：容易实现自适应场内、场间、帧内和帧问处 理和增强，大大提高图像的清晰度，消除亮度闪烁和重影；可避免系统非线 性失真的影响，从而大大提高系统的稳定性和可靠性。 夺容易实现数字存储和提供新功能。由于噪声的影响，模拟视频信号，复制3 - 4 次后其图像质量就会急剧下降。采用数字化技术则很容易存储数字视频信 号，进行多次复制而不会降低图像质量，并且，很容易提供许多新功能的特 技，诸如多画面、快速检索图像、图像缩放、随机访问、编辑和处理图像等。 夺用于电视广播时，在整个用户接收覆盖范围内( 甚至在接收地区边缘) ，由 于其门限c 小可比模拟场合所需的c 瓜( 4 0 d b ) 改善2 0 d b 左右，因此，即 使其c n 值约低于2 0 d b ，仍可获得接近无差错接收的高质量传输。 夺无差错接收时，其主观评价质量能接近演播室质量，这是模拟传输所无法比 拟的。 冷由于数字传输能大大提高功率的利用率，因此，电视广播所需的发射功率要 比模拟场合低许多，并可使用禁用频道来传送电视节目，这有利于缓解电视 频道的紧缺状态，大大提高电视频道的利用率。 夺从设备实现而言，由于减少了a d 、d a 变换等环节，可减少图像质量的恶 化与损伤。同时，数字实现时易于安装、调试，能大规模生产，可靠性高， 等等。 夺使用数字处理易于加密，有利于视频信号的保密措施。 夺由于数字化传输处理容易进入宽带综合业务数字网( b i s d n ) ，因此适合于 未来的多媒体通信。 浙江大学颂l 学位毕业论文 正是由于数字化的这些优点，世界各国都纷纷展丌了对数字高清晰度电视 ( h d t v ) 的研究。 1 2d v b 简介 d v b ( d i g i t a l v i d e ob r o a d c a s t i n g ) 意为数字视频广播。它是欧洲1 7 0 多个组 织参加的一个项目，它包括了卫星、电缆电视和地面广播的普通电视和高清晰度 电视的广播与传输。 d v b 项目的主要目标是要找到一种对所有媒体都使用的数字电视技术和系 统，对它的要求是： 夺系统应能灵活传送m p e g 2 视频，音频和其他数据信号。 夺系统使用统一的m p e g 一2 传送比特流复用。 夺系统采用统一的服务信息系统提供广播节目的细节等信息。 夺系统使用统一的一级里德一索罗门前向纠错系统。 夺使用统一的加扰系统，但可有不同的加密。 夺选择适于传输媒体的调制方式以及任何必须的附加纠错方法。 夺鼓励欧洲以外地区使用d v b 标准，推动建立世界范围的数字视频广播标准， 这一目标得到了i t u 卫星广播的支持。 夺支持数字系统中的图文电视系统。 d v b 系统的主要标准有三个：d v b s 、d v b c 和d v b t 。其中d v b s 用 于1 1 1 2 g h z 频段的卫星系统，灵活配置可适用于大范围的转发器与功率，传输 层的数据码率最大为3 8 1 m b p s ：d v b c 用于8 m h z 有线电视系统，与d v b s 兼容，传输层的数据码率最大为3 8 1 m b p s ；d v b t 用于地面数字电视系统，传 输层的数据码率最大为2 4 m b p s 。 d v b 各种系统的核心技术是通用的m p e g - 2 视频和音频编码。目前主要应 用于数字卫星和电缆电视广播的是m p m l ，第一代d v b 接收机将提供直到 “6 2 5 行演播室质量”的图象，可以是4 ：3 或1 6 ：9 宽高比。可根据业务要求 确定所用的码率，一般来说所选的码率越高，图象的质量越好，所占频带越宽。 码率的选用与图象内容有很大关系，对于运动较多图象如体育节目等应采用较大 的码率，而对于卡通片等节目可采用较小的码率。因此目前把多个节目比特流复 用合成一个比特流的情况下都采用统计复用的方法，能在不同码率需要的节目间 灵活地分配总码率。为了满足所有种类素材的要求，f b 6 0 1 演播室质量所需数码 率为6 m b p s 。 1 2 1d v b c 1 1 i i 2 1 1 系统结构 d v b c 定义了有线系统由设备功能块组成，框图如图1 - 1 ，把基带电视信号 6 浙江人学坝i 学位毕业论文 与有线信道特性进行匹配。在有线前端，可考虑下述基带电视信号源 夺卫星信号 夺其他外来信号源 夺本地节目源。 溷骨刚那眶睹 图1 - 1d v b c 系统框图 各个模块的基本功能如下： 基带接口同步 该单元将数据结构与信号源格式匹配。帧结构应与包括同步字节的m p e g 2 传送层一致。 s y n c l 变换和随机化 该单元将依据m p e g - 2 帧结构转换s y n c l 字节，为了频谱成型，应对数据 流进行随机化。 r s 码编码器 对每一个已随机化的传送包，该单元使用截短的r s 码编码，以产生一个误 码保护包，这种编码也应在同步字节本身使用。 卷积交织器 该单元应完成一个深度- - 1 2 的误码保护包的卷积交织，同步字节的周期仍 不变。 字节变换到m 比特符号 该单元将交织器产生的字节变换成q a m 符号。 差分编码 为获旋转不变星座图，该单元应对每符号两个最高有效位( m s b s ) 进行差 分编码。 基带成型 该单元将经差分编码的卅比特符号到i 和q 信号的映射，在q a m 调制前， 对i 和q 信号进行余弦滚降平方根滤波。 q a m 调制和物理接口 7 浙江人学硕l 学位毕业论文 该单元完成q a m 调制。之后，它将q a m 已调信号连接到有线电视射频( r f ) 信道。 有线接收机 有线接收机完成信号逆处理。 1 2 1 2m p e g 2 传送层 m p e g - 2 传送层由1 8 8 个字节的包组成，其中，个字节用于同步，三个字 节用于业务识别，加扰和控制信息，随后是1 8 4 字节m p e g 2 数据或附加数据。 1 2 1 3 帧结构 帧的组织应基于m p e g 2 传送包结构。系统的帧结构如图1 2 所示 a ) m p e g 一2 传送复用包 b ) 随机化传送包：同步字节和随机序列r c ) r s ( 2 0 4 ，1 8 8 ，r = 8 ) 误码保护包 日岬曩r r | 1 再而河 蠲b 帅硼印艟 s 蚋cr l 0 忙nmn d ) 交织帧，交织深度为，= 1 2 字节 s y n c i = 未随机化的同步字节补码 s y n c n = 未随机化的同步字节，n = 2 ，3 8 图1 2帧结构 1 2 1 4 信道编码 为了获得传送数字数据所需的适当误码保护级，应使用基于r s 码编码的 f e c ，并使用字节交织抗突发误码保护。 浙江大学硕l 学位毕业论文 夺频谱成型随机化 在m p e g 一2 传送复用器之后，该系统输入码流应以固定长度包组合。m p e g 2 传送m u x 包的总长是1 8 8 个字节，其中，包括一个同步字节( 即4 7 h e x ) 。在 发送端，处理顺序都是从同步字节( 0 1 0 0 0 1 1 1 ) 的m s b 开始的。 为保证时钟恢复有足够的二电平间过渡，m p e g 2 传送复用器输出端的数据 应按图所视的结构进行随机化。 伪随机二进制序列( p r b s ) 生成的生成多项式如下： i + 1 4 + x 1 5 应在每8 个传送包的开始时将序列“1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 ”装入伪随机序列发 生器p r b s 计数器使其初始化。为给解码器提供一个启动信号，在一个8 个包长 的组中，第一个包的m p e g 2 同步字节应逐比特倒相，倒相从4 7 h e x 变为b 8 h e x 。 h 吐赶凼_ 1 q 硼 缸吐 d 矗h | z l 哪o l a l - 甥1 0 1 i t l 0 0 0z z l l iz x x i _ ! 嗍唧：io0 0 1 00o11 一i 图1 - 3 加扰，解扰框图 p r b s 生成器输出的第一个比特应作用于己倒相的m p e g 2 同步字节( 即 b s h e x ) 后的第一个字节的第一位。为实现其他同步功能，在后继的7 个传送包 的m p e g 一2 同步字节持续期间，p r b s 继续工作，但其输出应无效，不对这些字 节随机化。因此，p r b s 序列的周期应为1 0 5 3 个字节。 在调制器无比特流输入时，或与m p e g 一2 传送码流格式( 即一个同步字节 + 1 8 7 个数据包字节) 不兼容时，随机过程仍将持续。这是为了避免调制器未调 载波的发送。 夺i 塔码编码 在能量扩散随机化处理后，采用t - - 8 的截短的r s 码编码应加到每一个经随 机化的m p e g 一2 传送包上。这意味着每一个传送包中，8 个错误字节可以被纠正。 此过程在m p e g 2 传送包中增加了1 6 个奇偶校验字节，码字为( 2 0 4 ，1 8 8 ) 。 r s 编码也应置于包同步字节，不论是未倒相的( 4 7 h e x ) 还是倒相的( 即b 8 h e x ) 。 码生成多项式： 9 浙江人学顼- ：学位毕业论文 g ( 爿) = + ) 叫+ 爿) 吖+ ) 一( 肖+ ) 这罩z = 0 2 h e x 。 本原多项式：尸( 工) = x 8 + x 4 + x 3 + 2 + 1 。 在( 2 5 5 ，2 3 9 ) 编码器输入端输入信息字节之前，添加5 1 个字节，并设置 为全零，以此实现截短的r s 码。编码后，这些空字节将被丢弃。 夺卷积交织 深度为i = 1 2 的卷积交织应用于误码保护包，生成一个交织帧。 卷积交织处理应基于f o m e y 方法( 是一种对典型的突发误码信道的突发纠 错编码) ，它与i = 1 2 的第三类r a m s a y 方法一致。已交织的帧应由交叠的误码保 护包组成，且应由m p e g - 2 同步字节界定( 保留2 0 4 字节的周期) 。 交织器可由1 = 1 2 个分支构成，由输入开关循环地轮流接通输入的比特流。 每个分支都应有一个深度为m x j 单元的先进先出( f i f o ) 移位寄存器，( 这里 m = 1 7 = n i ，n = 2 0 4 = 误码保护帧长度，1 = 1 2 = 交织深度，- 分支序号) ，该f i f o 单 元应为一个字节，且输入输出开关应为一个字节，且输入输出开关应同步。 为实现同步，在所有时候同步字节及倒相的同步字节都应送到交织器的分之 0 ( 相当于零延时) 。 s y n c w o r d r o l j t q “ 够话j 学皋鼋 3 圃i 一| r 而习厂1 一 、l ”l 1 1 。芋一，1 1 = k l d l 叫酌0 ”。1 i f i f oshillr e 9 叫i 。l 。n 。：，i ：1 2 图卜4 卷积交织和解交织的框图 交织器数据输入端分成1 2 路，每一路延迟不同符号周期，第一路无延迟， 第二路延迟1 7 个符号周期，第1 2 路则延迟( 1 2 一1 ) 1 7 个符号周期。输入端 有一开关随着时间推移依次连接各个延迟支路。输出端有一开关与输入端一一对 应，同步连接各连接支路。 而用户端的去交织结构与之类似，只是将交织器上下颠倒一下。 该种移位寄存器卷积交织器的特征决定了由信道引入的任何6 ( m 的连续突 发错误，在去交织输出端变为间隔为1 2 1 7 ( ，m ) 个符号周期的b 个单个差 错：间隔为i m + i 的k 个周期性单个差错，在去交织输出端变成长度为k 的 突发错误。这样使较为集中的突发错误分散开，使之接近随机差错，有利于发挥 r s 码的纠错能力。事实上是将信道改造成近似的无记忆信道。 夺字节到符号的映射 卷积交织之后，应进行字节到符号的精确映射。这一映射应基于该调制系统 0 浙江人学硕：l ：学位毕业论文 中使用的字节定界限。 在所有情况下，符号z 的m s b 应取字节v 的m s b 。相应的，该符号的下 一个有效位应取字节的下一个有效位。2 ”q a m 调制情况下，该处理应将k 个 字节映射到胆个符号，例如： 8 k = n x m 6 4 q a m 情况下的处理在图中作详细说明( 这里m = 6 ，n = 4 ，k = - 3 ) 。 f 帕mi n l m l t m v t l ro u t p u t 洲冒) t o 删抽蚋删d l l g o g l 翻 ( e - h ae y m b o t z ) l b 7 b 6 b 5 b 4 硝t m b l t ml b 7 m 哺“墟b l b oib 7 哺：b 5 m 略比b l b oi l j 洳啦虹l 删z ji 跚凼z 2i 删z 3l 1li 1i 图1 - 5 用于6 4 q a m 的字节到比特变换 注意：b 0 应理解为每个字节或r a 个比特符号( m t u p l e ) 的最低有效位( l s b ) ， 另外在这个变换中，每个字节产生了不止一个m 比特符号标为z ，z + i 等调制字 节组，且z 在z + 1 之前传送。 接下来，为获得x 2 旋转不变q a m 星座图，每个符号的两个最高有效位进 行差分编码，两个m s b 的差分编码应由下面的表达式给出： l k = ( 一t o 口i ) ( a k o i k 一1 ) + ( i o b k ) ( 彳i o o k 一1 ) g = ( 4o 毋) ( 毋。轨一1 ) + ( 40 以) ( 毋。厶一1 ) 1 甘r 飞。 、 b y t e 气2 b q j 1 1o k t o m a p p l n o m - t u p l e 3d 们刚i ( 2 i 一1 ) 砌= 兰l ( l - o 如【鬻】 1 2 ) 令= 爿2 c ，则m q a m 的功率密度谱为： 2 y ( 2 i 一1 ) 2 警= 鼍矿t 鬻，2 ( 2 对于1 6 q a m ，2 4 ! ；! 盟：曼f ! 垫! 笪二五! 王1 ： ( 2 1 4 ) e 。9 。u 一l 对于6 4 q a m ，l 2 8 ：量：尘：三【! 塑! ! 二五2 互1 2 ( 2 1 5 ) e m1 a u je 仉 由此可见当m 增大时，功率分布变得分散，抗干扰能力下降。 2 3 2q a m 调制系统的误码率 在理想信道特性及只有加性白高斯噪声( a w g n ) 情况下m q a m 的误码率 推导相对简单。一般可把正交、同相两路信号看成两路独立的m p a m 信号。由 于m p a m ( m = l 2 ) 在a w g n 信道条件下的误码率为： 缅钊一击，州j 蒜， ( 2 1 6 ) 所以对于m q a m ，当为偶数时误码率为： 浙江大学硕i ：学位毕业论j 【= 只= 只一= 1 一( 1 一只，万) 2z 1 2 只面 观( 1 一击弦啊j 蒜 ， 当l 为奇数时可得到其误码率上限为： 乞2 - 1 - ( 1 - e r f c i 蔫】) 2 ( 218 ) 对应的误比特率( b e r ) 与误码率有直接的联系，这还与星座图映射和差分 编码有关。一般有两种方法确定如与风的关系。是不考虑映射，只要p 比特 的符号中任意比特位出错就认为该符号出错，则： ，p 1 名2 五o 旺- 1 9 另一方法是假设任一个符号错只包含一比特错，这种假设在采用格雷码映射和差 错率不高的情况下是合理的。此时如= a 伊，尸为个符号所含比特数。 另外，根据双极性l 电平传输的误比特率为： 屹= 赫唰、2 ( r 3 一e s 丽= 瓦l - 西1 唰n 3 2 ( 1 0 r 9 2 _ _ 1 ) l e h 。) ( 2 2 。) 其中码元能量b = 岛l o g ：，毛，0 为归一化的比特信噪比。m q a m 系统可 分解成同相和正交两部分，每部分的等效基带系统都是一个余弦滚降的双极性多 电平的基带系统。求移相键控系统的误比特率，考虑到n 代表噪声的单边带功 率谱密度，基带比特能量应改为2 尾。那么对于m q a m ，矩阵星座图的情况下， 电平数l ：4 - f f 其误比特率可以表示为： b=而2(1,m-1)e咖1i32l092一m1)-oeb： 对于1 6 q a m ，m = 1 6 6 4 q a m ， 而2 p s k b = 轫1 f j 2 2 e 弓b m = 6 4 ， b = 知c 藤 系统的误比特率为 b 毛咖c 历 ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) ( 22 3 ) ( 2 2 4 ) 略去系数的影响，说明相同的码元速率下，在相同噪声功率谱和相同误比特率要 求下，相对于2 p s k 系统，1 6 q a m 的发信功率要增加2 5 倍，即归一化的信噪 浙江火学顶- ：学位毕业论文 比要恶化4 d b ，而6 4 q a m 的就要恶化约8 5 d b 。由此可见，多电平传输的优点 是节省频带，因为码元速率为二电平1 l 0 9 2 l ，而传输频带与码元速率相关，但 代价是增加信噪比，即提高了频谱利用率，降低了功率利用率。 2 4q a m 解调原理 2 4 1q a m 解调的基本原理 图2 3 给出q a m 解调的原理框图。正交幅度键控信号的解调器一般是一个 正交相干解调器。将中频信号分别与两个相互正交的载波信号相乘，然后通过低 通滤波器( l p f ) 滤除高频成分，即得到解调后的同相和正交两路基带信号x ( 0 和 y ( ，) 。 图2 - 3 q a m 相干解调原理框图 2 , 4 2q a m 解调的具体实现电路 图2 _ 4 是6 4 q a m 解调解码电路的框图，它是编码调制电路的逆处理过程： 马 3 自然 玉 并串 格雷码 变换 q a m钷硅 变换 相干 解调 工 墨 图2 - 4 6 4 q a m 解调解码电路 在实际的q a m 接收机中，为保证在非理想条件下解调都能可靠地进行，还 应加入载波恢复、定时恢复、均衡器以及自动增益控制等模块。本文以下几章就 是对这几个模块的算法进行研究。 浙江人学硕j ：学位毕业论文 第三章载波恢复 在数字传输系统中，接收端通常采用相干解调( 同步解调) 的方法来取得较 低的误码率。相干解调要求在接收端必须产生一个与载波同频同相的相干载波。 从接收信号中产生相干载波就称为载波恢复。相干解调的优越性是以接收端拥有 准确相位的参考载波为前提的，如果频率有误差，解调就不能正常工作，如果相 位有误差，解调的性能就会下降。 对d v b c 系统的q a m 调制方式来说，在接收端取得精确频率和相位的相 关载波尤为重要。因为星座点数多的q a m ( 如6 4 q a m 、2 5 6 q a m ) 对载波相位 抖动非常敏感，所以载波恢复性能的好坏对整个系统的性能都有很大的影响。另 外，在载波恢复中，由于晶振等部件的非理想性，所造成的载波频偏可能比较大， 比如在d v b c 系统中，载波频偏可能达到几百千赫兹。为提高系统的可靠性就 要求载波恢复的捕捉范围足够宽。而且相位抖动和捕捉范围是互相矛盾的，二者 无法同时满足，这又给载波恢复带来了一定的难度。 3 1 频率和相位检测( p f d ) 3 1 1 通用载波恢复环 法国国家电信中心实验室莱耳特( a l e c l e r t ) 于1 9 8 3 年提出了种专门用 于q a m 信号的通用载波恢复环1 5 1 ，简称为通用环。这种环路结构简单、容易实 现，从理论上说可以完全消除统计跟踪或矢量点扣除法所固有的码型噪声，达到 比较理想的载波跟踪。 通用载波恢复环的的基带处理函数可以表示为： = s g n ( u j 珥) os 驴( ) 一s g n ( u 口一) os g n ( 巩) ( 3 1 ) 式中，“，、为正交鉴相器输出两路基带信号，西、分别为“，、的判决 值。其结构如图3 1 所示。 通用环是面向判决的，它对基带信号进行了硬判决，基带信号中丰富的信息 没有被利用起来。当载波有比较大的频差时，判决很不可靠，使得提取出的误差 也不可靠，这时载波恢复环路无法很好地工作。只有当载波频差很小时，判决比 较可靠了，才能有效地恢复出载波。因此通用环一般只用于环路的跟踪( 可看成 是相位检测p d ) ，若用于环路的捕捉，那么捕捉范围将非常小，一般不会超过 1 0 k h z 。 因此，环路的捕捉范围必须通过其他方法来扩展。比如说频率扫描、环路滤 2 浙江大学硕i ：学位毕业论文 图3 - 1 通用载波恢复环结构框图 波器切换或者使用辅助的频率检测( f d ) 电路。实践证明第三种方法是比较有 效的，其捕捉时间最小。一个更好的方法是把f d 和p d 结合成一个电路，称为 相位和频率检测器( p f d ) ，环路锁定前，以f d 方式工作，锁定后，转为p d 方 式进行跟踪。这种方法现在广泛应用于数字通信系统中。 3 1 2 p f d 载波恢复 p f d 载波恢复法是基于传统的p d 方法提出来的。甜，这种方法大大增加了载波 恢复环路的频率跟踪范围，能同时起到调频和调相的作用。 3 1 2 1p f d 的基本原理 其原理框图如图3 2 所示： 图3 - 2 p f d 原理方框图 我们先考虑连续时间的f p d 算法原理。假设所调载波存在频偏w ，初始相 位妒( o ) ，则随时间变化的相位妒( f ) = a w r + 9 ( o ) ，一般鉴相器p d 输出的相位是正 弦函数，其直流分量是零，不能反映频偏的大小。p f d 中f d 的作用就是采用一 浙江大学顾： ：学位毕业论文 定的方法要使输出的信号具有与频偏同样极性的直流输出。 p f d 以跟踪一保持切换的方式工作： 1 ) 相位误差值落入锁定点k ，r 1 2 的2 8 范围内( 口 f 2( 3 1 5 ) 其中t 表示门限值，该值可根据所选择有用信号而改变。如果( 3 3 0 ) 式满足， 就进行极性判决( i 、q 路分别进行判决) ，得到p ( ”) ，否则不进行极性判决，鉴 相输出v ( n ) 为0 。由p ( ”) 和q ( n ) 计算鉴相器的输出 、i r ( ) = l m 臣码 ( 3 1 6 ) p l 门j 这个值经过低通滤波器后用来驱动v c o 。 图3 - 8 极性判决载波恢复算法的框图 复基带信号q ( n ) 可以表示为 g ( ) = ，( ”) + ，q ( 门) 若q ( n ) 满足( 3 3 0 ) 式，那么经过极性判决后 p ( n ) = s g n ( ，( ，1 ) ) + js g n ( q ( n ) ) 将式( 3 3 2 ) 和( 3 3 3 ) 代入式( 3 3 1 ) 得到 ( 3 1 7 ) ( 3 1 8 ) 浙 i 大学硕? l ：学位毕业论文 咖m r 赢1 精嚣is g n 赢， s g n 【 i j +l u l ” 冈为s g n ( x ) 表示工的符号，取值为i ，所以式( 3 3 4 ) 可以化为 、i ，( ”) = 圭( ) s g n ( 坳) ) 叫咖g n ( ) ) ) ( 3 1 9 ) f 3 2 0 ) 3 3 2 2 算法的s 曲线的分析 表1 给出了6 4 q a m 星座图中对应于若干个门限值选择出的符号的个数、这 些点在星座图中的概率以及锁误差范围( l e r ) 。如图3 - 9 所示，6 4 q a m 共有9 个不同的功率值，那么就有8 个门限值f 存在。表3 1 中列出了四个最高s n r 符 号的门限值的情况。l e r 指的是非对角线上点对应的符号判为对角线上点对应 的符号的最大相位误差范围。 将目( ) 写成极坐标形式 q ( n ) = r ( c o s o ( n ) + j s i n o ( n ) )( 3 2 1 ) q 图3 - 96 4 q a m 的第一象限 表3 - 16 4 q a m 中t 对应的锁误差性能 门限t选择符号的个数概率锁误差范围 9 340 0 6 2 50 。 8 11 2o 1 8 7 59 5 0 7 32 0o 3 1 2 52 1 8 。 6 43 2o 53 6 9 。 则误差信号可以写成 v ( n ) = p j ( n ) s i n ( o ( n ) ) 一p 。( n ) e o s ( 0 ( n ) ) ( 3 2 2 ) 其中e l ( n ) 年n p 口( ”) 分别为所选符号i 路和q 路的极性。可以得到使用选择出的 7 5 3 1 浙江人学碗j ? 学位毕业论文 符号进行极性判决后的鉴相输出的平均特性为 1 旦 p 玩，= 寿 f 0 ( 女) s i n ( p ( 女) ) 一场( ) c o s ( 目( ) ) 】) ( 3 2 3 ) k = l 这种算法的s 曲线没有直流偏差，因为所选的符号关于对角线对称。所以使用这 种算法可以强壮且快速的捕捉性能。 根据上式画出的6 4 q a m 的s 曲线如图3 1 0 所示。其中蓝线表示的是t = 9 3 时的s 曲线；红线表示的是t = 8 1 时的s 曲线；绿线表示的是t =