（通信与信息系统专业论文）多普勒频偏校正研究.pdf

硕士论文多普勒频偏校正研究 摘要 在数字移动通信中，多普勒频偏是影响信道传输质量的主要因素之一，多普 勒频偏校正问题也就成为近年来研究的热点。 在频偏估计理论中，大部分频率估计问题都可以归结为最大似然估计问题， 但是在许多要求快速估计校正频偏的实时应用中，这样花费大量时间的计算是不 可取的。近年来随着信号估计理论的发展，开环频偏估计校正方法得到了越来越 多的应用。这种开环频偏估计可咀迅速跟上信号频率的变化，且频偏估计范围大， 所以适合于采用突发方式的通信系统。 本文研究了差分大频偏校正算法，修正的最大似然估计算法，等价于最大似 然估计算法的最小二乘估计算法，数据辅助频偏估计算法等四种频偏校正算法， 在z 4 一d q p s k 调制解调系统中进行性能分析并比较，以期寻求一种更好的频 偏校正技术，使之能够使用于移动较快，多普勒频移较显著的场合并获得较好的 精度。研究结果表明，四种算法在校频范围、校频精度、硬件可实现度等方面各 有优势，差分大频偏校l f 算法能够提供较宽的捕获范围和较快的捕捉速度，不失 为一种优选算法。 关键词：多普勒频偏校正，升环频偏估计，z 4 一d o p s x 调制，数字移动通信 顶士论文多普勒频偏校正研究 a b s t r a c t i nt h ed i g i t a lm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ，d o p p l e rf r e q u e n c yo f f s e tr e s u l t si np o o r p e r f o r m a n c eo fd i g i t a lr e c e i v e r sa n dt h ed o p p l e r - c o r r e c t e dd e m o d u l a t i o na l g o r i t h m b e c o m e so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tt o p i c sr e c e n t l y t h es o l u t i o n st od o p p l e rf r e q u e n c yo f f s e tc o r r e c t i o nh a v eb e e np r e s e n t e db e f o r e a m o n gt h e s et e c h n i q u e s ，t h eo p t i m a ln q a x i m u ml i k e l i h o o de s t i m a t o r ( m l e ) i sw e l l k n o w nt h a ti sg i v e nb yt h el o c a t i o n o ft h ep e a ko fap e r i o d g r a m h o w e v e r , t h e c o m p u t a t i o ni sl a r g ea n ds i m p l e rm e t h o d s a r e d e s i r a b l e n o w a d a y s w i t l lt h e d e v e l o p m e n to ft h es i g n a le s t i m a t et h e o v , t h eo p e n - l o o p f r e q u e n c ye s t i m a t ei sf a ra n d w i d eu s e df o ri t se x c e l l e n tp e r f o r m a n c e i nt h i sp a p e r , f o u rk i n d so fe f f i c i e n to p e n 一1 0 0 pf r e q u e n c ye s t i m a t et e c h n i q u ef o r f a s tc a r r i e rf r e q u e n c yo f f s e tr e c o v e r ya r es t u d i e d c o m p u t e rs h n u l a t e sa r ep r e s e n t e di n z ，4 一d o p s km o d u l a t i o ns y s t e mw i t ht h eu s eo fm a t l a bs o f t w a r ee m u l a t o r , p e r f o r m a n c eo ft h e s ef o u ra l g o r i t h m ss u c ha se s t i m a t i o nr a n g e ，a c c u r a c y ，t h r e s h o l d ， e t c t o g e t h e rw i t hs o m ec o m p a r i s o n sa r e d i s c u s s e d t h er e s u l t so fc o m p u t e r s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n tt e s t ss h o wt h a t t h e i ra c c u r a c i e sa r ec l o s et ot h e c r a m e r r a o1 0 w c rb o u n df o ram o d e r a t es i g n a l - t o - n o i s er a t i o sa n de a s yt of o r m a l l d i g i t a lr e c e i v e r s k e y w o r d s ：d o p p l e rf r e q u e n c yo f f s e tc o r r e c t i o n o p e n l o o pf r e q u e n c ye s t i m a t i o n ， 7 r 4 一d q p s km o d u l a t i o n s 、d i g i t a lm o b i l ec o m m u n i c a t i o n 硕1 论文多普勒频偏校正研究 1 绪论 众所闵知，短波通信是靠电离层的反射束传播信号的，由于电离层的相对运 动，使得传输波形频谱发生“晃动”，形成多普勒频移。在数字通信系统中，由 于多普勒频移和本地载波误差的影响，接收数据信号会产生缓慢的频率漂移，它 对信号的影响是附加一相位，这将导致多路并发通信中调制单音发生变化，从而 引起误码。对采用相干解调的通信系统会产生恶劣的影响，使系统性能下降。频 偏大时将无法正确解调出信息。例如在高斯白噪声信道中，对于符号速率为 1 2 0 0 b i t s 时，若多普勒频移为1 2 0 h z ，则将给出每个码元间隔3 6 0 的多普勒相位 偏移，这将给数字接收带来灾难性的结果。所以必须在解调前进行频偏估计校正。 在估计理论中，大部分频率估计问题都可以归结为最大似然估计( m l e ) 问题，即求信号周期图的峰值问题。但是求周期图的计算量是惊人的，即使采用 f f t 的方法，由于需要大量的补零来获得近似最大似然估计，其计算也很可观。 在许多要求快速估计校正频偏的实时应用中，这样花费大量时间的计算是不可取 的。因此在实际的应用中需要更简单的算法。 频偏校正可以采用开环频率估计、锁相环及坐标旋转等方法。传统的锁相环 用a f c 环路来跟踪、校丁f 频偏，精度较高。但在突发通信方式下，由于环路捕 获时间可能占去突发持续时间的相当部分，影响了通信的快速性，所以又出现了 改进的数字锁相环法，以弥补其缺点。牮标旋转法根据频偏影响在相位星座图上 的规律性，利用坐标旋转消除频偏对信号的影响，该方法不引入噪声，但也有编 码模糊的问题。 近年来随着信号估计理论的发展，开环频率估计校正方法得到了越来越多的 应用。开环频率估计校正从功能t 划分为两大部分：频偏估计部分和校正部分。 频偏估计对信号频率偏移估计的精度以及估计所花费的时间多少，都决定了整个 频偏校正模块的性能。开环频率估计校正是应用信号估计理论，先进行开环频率 估计，再利用估计的频偏去校正信号。由于这种开环频率估计可以迅速跟上信号 频率的变化，且估计频偏范围大，所以适合于采用突发方式的通信系统。 本文正是从数字移动通信的这一现实需要出发，对移动通信中出现的“多普 勒频移校正”问题进行研究和探讨，分析多种频偏校正算法，以期寻求一种更好 的频偏校正技术，拓宽其使用范围，增强其稳健性，使之能够使用于移动较快， 多普勒频移较显著的场合并获得较好的精度。 坝1 论文 多普勒频偏校正研究 1 1 移动通信的发展 自从18 9 7 年马可尼第一次使用无线电实现与横跨英吉利海峡的船舶之间的 联络以来，经过了漫长的数十年，直到2 0 世纪7 0 年代才实现了为全人类提供个 人无线通信这一梦想。通信技术经历了从有线到无线，从模拟到数字两次巨大的 变革。陆地公众移动通信系统的晟早使月j ，可以追溯到1 9 4 6 年美国在路易斯市 建立的人工转接小容量汽车电话系统。六卜年代移动通信技术逐渐改进，但规模 不大。直至七十年代末、八十年代初，人容量蜂窝移动通信系统投入使用以后， 移动通讯才开始进入一个新的发展阶段。 八十年代中期以来，移动通信系统的发展势头尤为猛烈，在欧美同等发达国 家中，其用户数目以5 0 6 0 t 1 9 速度逐年增长，截止到1 9 9 1 年，全世界用户数 已达1 5 0 0 万，共有8 3 个国家和地区在使用。美国1 9 9 1 年的蜂窝系统总投资高 达8 0 亿美元，总收入达到5 5 亿美元。图1 1 是1 9 8 5 1 9 9 2 年期间日本蜂窝电话 用户增长情识。 8 。 蜂6 0 窝 用 广。4 0 数 目 f 万) 2 0 二j 移动站 - 车载站 f 1 1 9 9 。 图1 1 日本蜂窝电话用户增长情况 1 9 9 2 年度 就中国而言，移动通讯虽然起步于八十年代，但从1 9 9 0 年到现在，移动电 话一直保持了稳定、高速的发展。仅1 9 9 5 年一月到八月，移动电话用户就增长 了1 2 3 8 万户，比1 9 9 4 年同期增长1 3 5 2 。具体的数据可见表( 1 1 ) 。 虽然八十年代以来，陆地移动通讯发展迅猛，但不管怎么样，地球上仍然有 许多地方是陆地移动通讯系统所覆盖不到的，空中和海上自不必说，即使在陆地 倾1 。论义多营勒频偏校正研究 上，询多人烟稀少的地方靠陆地系统是难以覆盖或者是非常不经济的。因此，不 得不依靠卫星为这些地方提供服务。这样，就出现了海事卫星系统( m m s s ) 、 航弓兰卫星系统( a m s s ) 和陆地移动卫星系统( l m s s ) 。 爪 1 9 9 0 年1 9 9 1 正1 9 9 2 矩1 9 9 3 年1 9 9 4 正1 9 9 5 笠 移动l 乜话( 万户j1 847 517 76 3 81 5 73 8 0 8 年增长率( ) 1 6 3 92 7 2 62 6 0 51 4 6 12 4 2 5 表11 中国移动电话用户数变化表 移动通信的飞速发展进一步诱发了人们对通信移动信的需求，同时大大增强 了对移动通信的研究。随着大规模集成电路和高效电池技术的发展，制造小型便 携式终端的成功，人们开始向个人通信这一更高的目标进军。据个人通信系统 ( p c s ) 的专业顾问安得逊预测，全球电讯市场每年将会有1 3 的增长，包括 p c s 在内的无线业务将继续超越有线业务成为主流。 1 2 多普勒频移问题 移动通信要向个人通讯的目标发展，就必须要有更为成熟的接收技术作为基 础。本文丁f 是从移动通信的这以现实需要出发，对移动通信中出现的“多普勒频 移校正”问题进行研究和探讨，以期寻求一种更好的频偏校正技术，拓宽其使用 范围，增强其稳健性，使之能够使用于移动较快，多普勒频移较显著的场合。 移动通信与固定通信的不同即在于通信时电台所处的环境是移动的，这时电 台天线所收到的电波场强有着严重的衰落，相当大的多径时延以及多普勒效应。 他们对移动通信影响很大，下面将简要说明其特点。 ( 1 ) 电波信号的衰落 通过实际的测量，可以发现所收到的场强振幅有着迅速的随机变化。他的 变化速率与车速和电波波长有关 衰落信道，其衰落的平均速率为 落一次的平均距离为 2 。 ( 2 ) 电波信号的多径时延 其变化范围可以达到数十分贝。对于快 2 v ( v 为行驶速度，五为波长) ，衰 移动台收到的是多径信号，不同路径传来的信号到达接收天线时，相对于 路径最短的那个脉冲有着不同的时间差，这个羞值就称为多径时延。多个 不同时间的时延便构成了多径时延扩展。多径时延扩展在陆地环境下约为 数微秒。 硼一论文多曾勒频偏校正硎究 ( 3 ) 多营勒效应 当移动台相对于基站或是卫星有相对运动时，收到的电波将发生频率的变 化，就称之为多普勒效应。频移值n 厂= v c o s 0 a 。它与速度v 成正比， 与波长兄成反比，0 为行驶方向与指向基站或卫星的直线所成的夹角。当 行驶的方向朝向基站或者卫星时，n 厂为正值，反之为负值。n 厂的最大 值为v 五，记为，称为最大多普勒频移。如果速度不快，多普勒频移 不大，这一影响可以忽略；但是对于一些高速的移动物，就必须考虑它的 影响。此外，随着移动通信中使用频段的逐渐增大，也会随着波长 的 减小而增大。在下面讨论的算法中，所要考虑的多普勒频移的影响实际上 是由多普勒频移相对于所传输的码率决定的。 下面将分几种情况集中讨论多普勒效应及其带来的问题。 ( 1 ) 当移动台以速度v 前进时，若周围没有任何散射发生，如图1 2 所示。 图】2 无散射的移动接收机 在这种情况下，接收信号可以用信号发送的方向跟移动台运动的方向的夹角来表 示： 5 ( f ) = a e x p j ( 2 r c f t f i x c o s o ) ( 1 1 ) 其中：口= 2 玎丑； x 是位移z = v t ； a 是振幅，f 是发射频率，口是夹角( 如上所定义) ； 公式( 1 1 ) 也可以写成： s 。，= 4 e x p ，( z 万( 厂一云c 。s 臼) r c z ， 由上式可知，多普勒频移厶为： 厶：- - ”c o s o ( 1 3 ) 当移动接收机远离发射台而去时，0 为0 ，接收频率为最小值f - v i a ；当移动接收 倾_ 卜论文 多普勒频偏校正研究 机向发射台而来时，0 为1 8 0 度，接收频率为最大值f + v l 丑；当移动接收机围绕 发射台行驶时，接收频率等于发射频率。 ( 2 ) 当到达移动接收机的电波来自不同的方向b 和b 时，假设两个方向到达的 电磁波场强具有相同的振幅，便可以利用公式( 1 1 ) 计算出两路电磁波的分别 的场强，经过线性叠加后，就可以得到移动接收机接收到的既有多普勒频移又有 频率选择性衰落的电波信号。 j o ) = 爿e x p j 2 z f o x p 一j f l x c o s o i + e x p 一j 工c o s 岛n 爿e x p ，2 z 厂】2 e x p ，x ( c 。s o l + c 。s 岛) 2 c 。s 望三生竺曼；j ! 竺旦立( 1 4 ) 带入x = v t ，可以得到相干电波的多普勒频移为： 厶= ( c o s q c o s 0 2 ) 0 ( 3 ) 当存在n 路散射电波时，如图1 3 所示。 移动接收机接收到的信号将变为： j ( r ) = 4e x p ( j 2 7 r f i ) e x p ( j f l v tc o s o i ) i = i 其中：f 是发射频率；v 是移动台的速度； 只是第i 路收到的电波信号跟移动台相对运动方向的夹角。 ( 1 5 ) ( 1 6 ) 图1 3 多路散射电波同时达到接收机 不论是衰落还是多普勒频移，都会给移动通信带来极大的性能损失。两者往 往共同存在，同时起作用。由于本文不准备专门讨论衰落的问题，下面的章节中， 0 顺 论殳多普勒频偏校_ ：研究 我们仪讨论多普勒频移对接收机的影响。文献【1 6 给出了多普勒频移对8 p s k 接 收机的性能影响如表1 2 。 2 瓦心e d b n od o p p l e r甜t = 3 6 0 】000 2 8 5 05 9 1 10 0 0 3 0 406 0 1 20 ( g ) 0 4 5 40 6 l 13 00 0 0 2 】006 1 表1 2 高斯白噪声下多普勒频移对误比特率的影响 实际上，表( 1 2 ) 正是在l 频段移动卫星信道中，当移动台以1 0 0 k m h 速 度行进时发生的多普勒频移。从表中可以看出，在高斯白噪声信道中，对于符号 速率为1 2 0 0 b a u d 时，若多普勒频移为1 2 0 h z ，则将给出每个码元间隔3 6 。的多普 勒相位偏移，这将给数字接收带来灾难性的结果。 严格的讲，多普勒效应和载波频差对系统的影响是不一样的。前者不仅对信 号进行频谱搬移，而且会产生码问串扰，影响数据传输速率，而后者仅仅对信号 频谱进行搬移，不影响码速率。在载波频率远远高于信号码速率阳，因多普勒效 应引起的码速率变化和码速率及移动速度成f 比，和光速成反比。对于目前需求 而言，码速率变化可以忽略不记。所以本文只对固定频偏的影响进行建模分析。 现今，数字接收机有三种比较常见的解调方案： ( 1 ) 相干解调方法 它由于只需要较小的功率消耗，b e r 性能在无衰落和慢衰落信道中优于 差分检测，因而有较_ 人的吸引力。但是，这种方法的性能极易受到快衰落 的损害，也不易用于突发信号传输。 ( 2 ) 鉴频器检测方法 它对于快速衰落环境而黾具有很好的性能，即使出现随枫的f m 噪声， 鉴频器也能紧跟信号的调制频率。但是，由于q p s k 信号中存在相位突变， 鉴频器检测通常难于用在q p s k 接收机中。 ( 3 ) 差分检测方法 这是一种在快速衰落信道中获取较好传输性能的非常有效的办法。在多径 衰落信道中，差分检测经常比相干检测更加健壮有效，因为差分检测使用 的载波相位和频率同发送端相对应，不需要相位跟踪同步环，因而可以避 坝 论殳多曹勒频偏校正研究 免冈为要设计这样一个相位跟踪同步环并维持其锁定在一个高衰落环境 中的麻烦；即使能够得到相位跟踪同步环让其同步并锁定，相干检测中由 于相位波动引起的检测损失通常也超过了差分检测的s n r 损失；即使上述 的两种损失相同，差分检测也因为其实现简单而占优。在本文的第三章中， 详细讨论了一种差分检测算法的结构，仿真表明，差分算法有着无可比拟 的优势。 随着人们对移动通信需求的不断加大，一些频谱利用率较高的调制方式必定 逐步进入移动通信领域，例如1 6 p s k ，6 4 q a m 等等，他们均对相位抖动非常敏感， 载波恢复时也需要采用很窄的环路带宽。为了避免抗多普勒性能随着频谱利用率 的提高而下降，就要进行独立的多普勒频移校正。 另一方面，由于使用频率的不断升高，振荡器的不稳定也会导致频率的绝对 偏移，它对接收机的影响等同于一个额外的多普勒频移，这就成了另一个要求进 行多普勒频移的因素。 此外，随着数字移动通讯的窄带调制解调技术的迅速发展，窄带技术通过 将分配到的系统带宽分割成大量的传输信道，以获得较高的频谱利用率。这样， 多普勒频移相对于码元速率的比值必然加大，自然对多普勒频移校正的需求也就 随之增长。 还有，接收机和发射机之间的运动随着人们生活水平的提高逐渐呈现高速化 的趋势，也对多普勒频移校正提出了更高的要求。 具体的说，多普勒频移校正对以下领域都有着重要的意义： 数字陆地移动通信 航空移动通信 快速移动的车辆通信 卫星移动通信 军用移动通信 1 3 论文结构 本文的安排如下： 绪论简要分析了移动通信的现状，移动通信中电波信号的衰落，多径时延， 多普勒频移产生的原因； 第二章介绍了现今常用的数字调制解调方式和他们的误码率分析，接下来的 几章都是在这几种调制解调方式卜_ 进行频偏校正的仿真。可以看到，在没有进行 频偏校正的时候，多普勒频偏对解调信号的毁灭性影响。 第三、四、五章是本文的重点，分别介绍了四种开环频率估计校正方法，详 硕t 论文多普勒频偏校正研究 细推导其原理，分析其误码率性能，考虑其在实际中的应用，分析其运算复杂度， 可实现性，频偏校正的范围，并运用m a r l a b 软件进行仿真，分析各自的性能。 第六章对| 二述的四种算法进行比较分析，并介绍了一种采用跟踪滤波器的方法 以提高筹分大频偏估计算法的校频范围。 8 塑望兰一 兰蔓塑塑堡墼互翌壅 - 。一 2 常用调制解调方式及其误码率的分析 数字调制是将数字符号转换成适合信道特性的波形的过程。基带调制中，这 些波形通常具有整形脉冲的形式，而在带通调制中则利用整形脉冲去调制正弦信 号( 载波) ，将载波转换成电磁场传播到指定的地点就可以实现无线传输。图 2 1 列出r 基本的带通调制解调类型。 格j = l = 化 信源编码基带信号处理 均衡 厂覃霾飘一j 阢糯肇饿( n r 躺z ) 坌訾篓鬻 。再莓( 一z ) 。，李援麓盟。 7 ；如磊筠 合璧i 盆彗璺码 多苹? 运制 垂塑票妻函萄赢河筠萄 夏塑j ! 塑赫￥箍：封1 格通信号处理 多跆复用 j 频分( f b m f 瑚 【州分( t d m t d a ) l 码分( c d m c d d a 、 字分( s d e a ) 掇化( p 功l ) 踱形 图2 1 基本数字通信传输 结构化序列 分组码 卷积码 i ! 竺竺i 加密 j 分组码j 数据流【 如果接收机利用了载波相位来检测信号，则称为相干检测( c o h e r e n t d e t e c t i o n ) ，反之，如果没有利用载波相位来检测信号，则称为非相干检测 ( n o n c o h e r e n td e t e c t i o n ) 在数字通信中，解调和检测经常可以互用，尽管解 调侧重于波形的恢复，而检测侧重于码元的判决。 在理想的相干检测中，每种；，j _ 能的发射信号的模型对于接收机来说都是已知 的，用这些已知的模型波形去等效接收信号，使接收信号在各方面包括相位上都 等同于模型波形，然后接收端采用锁相技术跟踪到达的信号。解调时，接收端将 接收到的信号与各原型信号相乘，进行相干解调。 非相干解调是指系统在解调中未使用接收信号的相位值，这样就不需要对相 ， 一 一接跳跳 一燕一蝴驴 一 e 坝i 论文 多普勒顿偏校j 卜研究 位进行估计。非相干解调的好处是大大降低了系统的复杂性，而付出的代价是误 码率的增加。 数字调制应该具有以1 、的特征： f 2 ) r3 ) ( 4 ) 基于以 ：原因 紧凑的功率若。移动通信是多波道同时工作的系统，调制信号功 率谱带外辐射对临波道产生干扰。从系统设计的角度，要求已调 信号的临道干扰低于有用信号6 0 8 0 d b 。同时，窄的信号功率谱 还有利于减轻实现限带传输的压力。 高的频谱利用效率。 抗干扰能力强。移动通信环境以衰落，干扰和噪声为特点。衰落 影响则包括多径传播，多普勒频移，频率选择性衰落和损耗等等。 要求有良好的抗衰落和干扰特别是抗同频干扰能力的调制方式。 能接受差分检测。差分检测有着相干检测无法比拟的优势( 见第 三章) ，所以被越来越多的应用在窄带数字蜂窝系统和突发工作 的窄带t d m a 系统中。 下面介绍了几种常见的调制解调方式并对其误码率进行分析。 2 1 常用调制解调方法 2 1 。1 相移键控( p s k ) 设输入比特率为 吼 ，a 。= + - 1 ，h = 一o 。+ m ，则p s k 信号形式为： 印) ： 肌，、a n 。+ 1 瓦纵( m + 1 ) t b )a 7 卜c o s ( o ) 。f )a 。，= 一1 。、7 即当输入为“+ 1 ”时，对应的信号附加相位为“0 ”；当输入为“。1 ”时，对应的 信号附加相位为“丌”。 设g ( t ) 是宽度为互的矩形脉冲，频谱为g ) ，则p s k 信号功率谱为： 只( 厂) = j 1i g ( f 一五m 2 + p ( 厂+ 厶) 2 ( 2 2 ) p s k 信号町采用相干解调和差分相干解调，如下图： ( a ) 出 坝上论义多普勒额偏校正硎究 ( b ) 图2l p s k 解调框图( a ) 相干解调( b ) 差分相干解调 在输入噪声为窄带高斯噪声( 其均值为零，方差为o - n 2 ) ，且输入+ 1 ，一i 等 概率的情况f ，相干解调误比特率为：只= 互1e 咖( 石) 其中，= a “2 g 。2 ，a 为接收信号的幅度。相同条件下，差分相干解调的误比特率 为： 只= ( 2 3 ) 2 1 2 四相相移键控( q p s k ) 和交错四相相移键控( o q p s k ) q p s k 和o q p s k 信号的产生方法如f 图： + 【鞴 下， 一i 磊；l i l 一拳 、 图22q p s k 和o q p s k 信号的产生 假定输入二进制序列为 ) ，吒5 + l 或- l ，则在七i f ( 七+ 1 ) c ( i = 2 瓦) 的 区间内q p s k 的产生器的输出为：( 令n = 2 k + 1 ) ， 倾l 论文 多普勒频偏校正研究 x ( t ) a c o s ( c o j + 4 ) a c o s ( o ) ，三) 4 c 。s ( 珊，f + 了3 e r ) 觚s ( 掣一争 d 。a n1 = + 1 + 1 口。= + l 一1 “。口，1 = 一1 + 1 d 。d 。1 = 一l 一1 即：s “) = a c o s ( ( o 。f + 岛) ，其相位的星座图如图所示。 图2 3 q p s k 和o q p s k 星座图和相位转移图 ( 2 ，4 ) 在实际中，也可以产生眈= 0 ，万2 ，口的q p s k 信号，只需要将星座图旋转 4 5 。同时注意到，在q p s k 的码元速率( t s ) 与p s k 信号的比特速率相等的 情况下，q p s k 信号就是两个p s k 信号之和，因而他们具有相同的频谱特征和 误比特率性能。 o q p s k 与q p s k 类似，不同之处是在正交支路上引入了一个比特( 半个码 元) 的延迟，这使得两个支路的数据不会同时发生变化，因而不会像q p s k 那样 产生z 的相位跳变，而仅能产生筇2 的相位跳变，获得的频谱旁瓣要低于 q p s k 信号的频谱旁瓣。 2 2 n 4 d q p s k 调制 口4 一d q p s k 是对q p s k 信号特性进行改进的一种调制方式。改进之一是 将q p s k 信号的最大相位跳变 降为+ _ 3 e r 4 从而改善了刀4 一d q p s k 的频谱 颧卜论史 多普勒频偏校正研究 特性。改进之二二是解调方式。q p s k 只可以用相干解调，而玎4 一d q p s k 既可以 用相f 解调，也可以用非相十解调。万4 一d q p s k 已经应用于美国i s 一1 3 6 的数 字蜂窝系统，n 本的( 个人) 数字蜂窝系统( p d c ) 和美困的个人接入通信系统 ( p a c s ) 中。 万4 一d q p s k 调制器的原理框图如下图所示。输入数据经串并转换后得到 同相通道1 和正交通道q 的两种非归零脉冲序列s ，和鼢。通过差分相位编码， 使得在r f ( a4 - 1 ) z 时间内i 通道内的信号和q 通道内的信号发生相应的变 化，再分别进行正交调制，之后合成为玎4 一d 缈脒信号。( 注意：这里的r 是 s ，和墨，的码宽，t = 2 瓦) 。 qt h - 一$ # # i ；l 一l 图2 4 玎4 一d q p s k 信号的产生 设已调信号： s k ( r ) = g o s 。f + 吼 ( 2 5 ) 式中，吼为女z 茎f ( 女十1 ) 之间的附加相位。上式可以展开为： s ( r ) = c o s 。t c o s 晚一s i n ，t s i n 瓯 当前码元的附加相位b 是前一个码元附加相位吼 和，即 瓯= 吼一+ l x 最 ( 2 6 ) 与当前码元相位跳变量a 吼之 ( 2 7 ) u k = c o s o k = c o s ( o kl + 哦) = c o s ( o , 一1 ) c o s ( 吼) 一s i n ( o k 一】) s j n ( 吼) 圪= s i n g = s i n ( o 女一】+ 吼) = s i n ( gj ) c o s ( 嚷) + c o s ( 吼一1 ) s i n ( a o ) 其中：s i n g1 = k _ 1 ，c o s g 一1 = u 于是上面两式可以写成： u k = u c o s a o t 一圪一 s i n a g ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1o ) 坝 1 论文多普勒频偏校正研究 吒= k1 c o s n 目k + 一l s i n 吼 ( 2 11 ) 这是z 1 4 一d q p s k 的一个基本关系式。它表明了前一个码元的两个工f 交信 号u 。和l ，与当6 f 码元的两个正交信号眠和圪之间的关系。它取决于当前码元 的相位跳变量n 吼，而当前码元的相位跳变量n 伉则又取决于差分相位编码器的 s j n 吼c o s a 吼s i n 哦 1l | 4 1 压l j 。、 3 e 4 一l , 7 1 压 0o一37 | 4 1 | 厄 1 | 厄 1o4 1 , 71 压 表2 2z 4 d q p s k 的相位跳变规则 上述规则决定了在码元转换时刻的相位跳变量只有万4 和3 2 1 4 四种取 值。7 9 4 一d q p s k 的相位关系如下图所示。从图中可以看到，相位跳变必定在 “”组和“，+ - ”组之间跳变。即在相邻码元，只会出现从“”组到“”组 相位点或者从“”组到“”组的跳变，而不会在同组中跳变。同时，u 和k 只可能有0 ，+ - 1 互，1 五种取值，分别对应于图中八个相位点的取值。 。1 i _ i 爵疆_ 淤题l “”m “一“”一j7 q n l m 图2 5 口4 一d q p s k 的相位关系图 为了使已调信号的功率谱更加平滑对图中的低通滤波器的特性应有一定的 要求。美国的i s 1 3 6 数字通信网中，规定这种滤波器应该具有线性相位特性和 平方根升余弦的频率响应，它的传输函数为： 1 4 砸i 论史多普勒期偏校正研究 g ( 厂) j i i l - s i n t r ( 2 鲁- 1 ) 1 o 0 蔓r ! 里 2 i ： 导，警 ( 2 1 2 ) 2 r 。 2 t 、 p 害 式中，口为滚降因子，在i s 1 3 6 中，取口= 03 5 。 设该滤波器的矩形脉冲响应函数为g ( t ) ，那么，最后形成的z 4 一d q p s k 信号 可以表示为： s ( f ) = g ( t 一螺) c o s ( 吐t + o k ) ( 2 1 3 ) 2 3 z 4 一d q p s k 常用检测方法 丌4 d q p s k 信号可以采用相干检测，差分检测或鉴频器检测，下面简要 的对这几种方法做出解释。 2 3 1 基带差分检测 基带差分检测的框图如下图所示。 图2 6 基带差分检测电路 设接收信号s k ( r ) = c o s 0 ) ，r + 吼 l f ；r 4 时，将会引起系统的错误判决。由于n 目的存在， 将会使一个信号支路的电平增加，而另一个信号支路的电平减少。因此，系统的 平均误码率为： 只( 扎 a 臼) = 圭( 置十弓) ( 2 - 3 0 ) 其中：日= 只12 c o s 2 ( 三一n 口) n ( 2 - 3 ” 昱= 只卜2 ( 耽1 ( 2 s z ) 当。口取不同的值时，l ( r 。 p ) 的曲线如下图所示。当a 厂= 0 0 2 5 ：, 时，即频率 偏差为码元速率的2 5 时，在一个码元内将引起9 。的相位差，在误比特率为1 0 - 4 时，该相差会引起l d b 的性能恶化。 1 8 颤1 讫文多普勒频偏校正研究 本章小结 图2 9 7 z 4 一d q p s k 的误比特率性能及 频差n ，引起的相位漂移对误比特率的影响 本章介绍了；r g l 4 一d 鲈l s ：世调制和基本的解调方法，并对其进行建模仿真， 接下来的几章都是在模型上进行频偏校正的仿真。可以看到，在没有进行频偏校 正的时候，多普勒频偏对解调信号的毁灭性影响。 1 9 顿士论义 多酱勒频偏校正研究 3 差分大频偏估计算法 l 在卫星移动通信系统中，多径衰落和多普勒频移是影响通信性能的两个主 要因素。对于多径衰落的影响，通常采用交织编码与f e c 来克服，也就是说，在 信号衰落期间造成的突发错误，通过接收端的去交织器化为离散误码而由f e c 译码器纠正这些错误。多普勒频移是由于地球站( 例如机载站、车载站) 的移动而 产生的，用通常的a f c 环路来跟踪多普勒频移，在某些情况下，例如实发传输时， 是不能奏效的。这是因为环路捕获时间可能占去突发持续时间的相当部分。 在数字通信应用中，载波的相位和频率一般是未知的。在多径衰落信道中， 差分检测经常比相干检测更加健壮有效，主要的原因有以下几点： ( 1 ) 差分检测使用的载波相位和频率同发送端相对应，不需要相位跟踪同 步环，因而可以避免因为要设计这样一个相位跟踪同步环并维持其锁定在一个高 衰落环境中的麻烦； ( 2 ) 即使能够得到相位跟踪同步环让其同步并锁定，相干检测中由于相位 波动引起的检测损失通常也超过，差分检测的s n r 损失； ( 3 ) 即使上述的两种损失相同，差分检测也因为其实现简单而占优。 当考虑到多径时，接收信号有多普勒频偏，在差分检测中的2 万n 厂e 日，“， 是频率偏移，l r 是数据符号速率) 的相位偏移就会带来较大的影响。在2 4 0 0 符号秒的低速率时如果有1 0 0 日。的多普勒偏移，( 在8 5 0 m 日，的卫星通讯系统 中) ，相位偏移达到1 5 。，列误码率带来严重的衰减。在工作在1 5 1 6 g h ，的陆 地移动通信系统中，性能的衰减将会变得更加的严重。 通常的解决办法是采用哥十自动频率控制环( a f c ) ，使用其来跟踪多普勒 频移，因此可以消除多普勒对数据检测的有害影响。但在实际使用中当数据以突 发脉冲或包的形式传输时，由于环路捕获h , 1 f 司可能占去突发脉冲持续时间的相当 大的一部分，导致了这样的一个自动频率控制环a f c 失去效果。此时，使用开环 频率估计就是唯一符合逻辑的答案。在本章中，我们参考s i m o n 的算法( 参考文 献：3 ) ，在多普勒校正差分检测结构中加入了这样的一个开环频率估计技术， 介绍其原理，估计其性能，并仿真分析得到结果。 图3 + 】是多普勒校正差分检测中频( i f ) 结构。得到这个结构必须基于以下 的重要认识： 接收到的信号尽管在一个符号周期中的相位变化包含了数据( 相位) 信息和 多普勒相位偏移，但是其在半个符号周期中的相位变化仅仅包含多普勒相位偏 移。因此，通过适当的处理，后者可以被估计出来并且从前者中消去，从而的到 精确的数据( 相位) 信息。 图1 中的结构在发送的数据编码或者没有编码的情况下都是适用的。如果漫 坝t j 论文多普勒频偏校谁研究 有编码，可以把它看成为通常的m d i s k 接收机( 没有多普勒校正功能) ；如果已 经编码，输出直接可以看作软件解码矩阵。 3 1 估计算法原理 图3 1多普勒校i f 的差分检测器 经过滤波( 整形) 的d q p s k 已调信号可以表示为 s ( t ) = 2 ps i n ( o o o + t a o ) ) t + 臼o ) ( 3 1 ) 假定信道中的高斯噪声表达式为： n ( t ) = 4 2 n 。( t ) c o s ( 6 0 0 + ) f + n s ( t ) s i n ( o ) o + 2 x c o ) t ) ( 3 2 ) 其中：p 是平均信号功率( 瓦特) ； a 甜= 2 石n 厂是随机多普勒偏移； o ( t ) 是调制的相位； 7 c ( f ) 和b ( f ) 是高斯噪声的低通表示，其双边带功率谱密度为0 2 。 已调制信号s ( t ) 加上噪声n ( t ) 通过中频滤波器( 为了便于分析，假定中频滤 波器不歪曲s ( t ) ) ，得到的信号y ( t ) ，y ( t ) 处理成同相信号和正交信号用于数据检 测和多普勒估计。 l ! i ! 。论文多普勒额偏校正研究 输入比特对 钆 11玎d 01 3 4 0 o 3 刀4 o芤? 电 表3 ，1 相位映射图 图1 中多普勒估计部分：