（通信与信息系统专业论文）gmsk高速数传机的设计、实现与应用.pdf

摘要 摘要 随着超大规模集成电路( v l s l ) 技术的飞速发展，数字接收机和软件无线电 r s d r ) 已成为现代通信系统中的一个研究热点。目前，数字接收机已经从对基带信 号进行a d 转换发展到了对中频o f ) 信号甚至射频( r f ) 信号进行a d 转换。后续的 信号解调也更加倾向于在可编程控制的通用硬件平台上，采用数字信号处理技术， 通过软件加以实现。 本文正是顺应这种发展趋势，从工程应用的角度出发，针对无线视频传输系 统中g m s k 高速数传机的设计与f p g a 实现展开研究。文章的主要内容如下： 1 简述了数字接收机和软件无线电的基本概念和发展现状。 2 对数字通信系统中的采样定理、多速率信号处理、最佳接收以及位同步等基 础理论进行了简要的阐述。 3 详细讨论了无线视频传输系统中的5 m b p sg m s k 基带数字调制解调器的设计 方案，对其中的早迟_ f ( e a r l y - l a t eg a t e ) 位同步算法的f p g a 实现技术进行了 深入研究，得到了一种基于多相滤波器的高效实现结构。 4 研究了时域l m s 自适应均衡器在g m s k 基带解调器中的应用。 5 对g m s k 基带调制解调器中的f p g a 、榭数转换器( a d c ) 、数模转换器( d a c ) 以及放大器等主要芯片的选型以及使用进行了说明，并介绍了系统的硬件结 构框图。 6 介绍了g m s k 基带调制解调器中f p g a 的开发流程，包括电路设计与输入、 功能仿真、综合优化、实现、加载配置以及下板调试等。 7 给出了g m s k 高速数传机中g m s k 基带调制解调器和f m 调制解调器的测试 方案和测试结果，以及无线视频传输系统的外场测试的实验结果。 本文讨论的g m s k 高速数传机已在外场测试中成功实现了5 m b p sm p e g 2 视 频数据流的1 5 k i n 无线传输，体现出了良好的实用价值。 关键词：数字接收机，位同步，l m s 自适应均衡，f p g a a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fv l s i ，d i g i t a lr e c e i v e ra n ds o f t w a r ed e f i n e dr a d i o ( s d r ) h a v eb e c o m eap o p u l a rr e s e a r c ha r e a i nm o d e mc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s n o w a d a y s ，b a s e b a n d , i n t e r m e d i a t e 盘e q u e n c y ( i f ) a n de v e nm d i of r e q u e n c y ( r f ) a n a l o g s i g n a l sc a nb ec o n v e r t e dt od i g i t a ls i g n a l si nd i g i t a lr e c e i v e r s a n dt h es u b s e q u e n t d i 百t a ld e m o d u l a t i o ni sp r o n et oh ea c h i e v e do nap r o g r a m m a b l ea n dv e r s a t i l eh a r d w a r e p l a t f o r mb yt h es o f t w a r eu s i n gd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ed e s i g na n df p g a i m p l e m e n t a t i o no fah i g hs p e e dg m s k m o d e mi nw i r e l e s sv i d e ot r a n s m i s s i o ns y s t e ma l es t u d i e d a n dt h em a i nc o n t e n t sa r c p r e s e n t e d a sf o l l o w s ： ( 1 ) t h eb a s i cc o n c e p t sa n dd e v e l o p m e n tt r e n d so fd i g i t a lr e c e i v e ra n ds o f t w a r e d e f i n e dr a d i oa r eb r i e f l yi n t r o d u c e d ( 习d i g i t a lc o m m u n i c a t i o nt h e o r i e ss u c h 觞s a m p l i n gt h e o r e m , m u l t i r a t es i g n a l p r o c e s s i n gt h e o r y , o p t i m u mr e c e i v e ra n db i ts y n c h r o n i z a t i o na r ed e m o n s t r a t e d ( 3 ) t h ed e s i g no fa5 m b p sg m s k b a s e b a n dm o d e mi sd i s c u s s e d , a n dt h ef p g a i m p l e m e n t a t i o no fe a r l y - l a t eg a t eb i ts y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h mi si n v e s t i g a t e d a p o l y p h a s e f i l t e r - b a s e da r c h i t e c t u r ef o rt h ee f f i c i e n ti m p l e m e n t a t i o no f b a s e b a n dd i g i h a lr e c e i v e ri sf i n a l l yd e r i v e d ( 4 ) t h ea p p l i c a t i o no fl m sa d a p t i v ee q u a l i z e ri ng m s kb a s e b a n dr e c e i v e ri s s t u d i e d ( 5 ) t h ec h o i c ea n du s a g eo ff p g a , a d ( a n a l o gt od i g i t a lc o n v e r t e r ) ，d a ( d i g i t a lt oa n a l o gc o n v e r t e r ) a n da m p l i f i e r si nt h eg m s k b a s e b a n dm o d e m a r ee x p l a i n e da n dt h es y s t e mh a r d w a r es t r u c t u r ei sf i g u r e do u t ( 6 ) t h ed e v e l o p m e n tp r o c e d u r eo ff p g ai nt h eg m s kb a s e b a n dm o d e mi s i n t r o d u c e d t h et e s ts c h e m ea n dr e s u l t so fg m s kb a s e b a n dm o d e ma n df mm o d e ma g o a b s t r a c t p r e s e n t e d a n df i n a l l y ，o u t d o o re x p e r i m e n t a lr e s u l t so ft h ew i r e l e s sv e d i o t r a n s m i s s i o ns y s t e ma r eg i v e n t h eh i g hs p e e dg m s km o d e mh a sa l r e a d ya c h i e v e d1 5 k mw i r e l e s st r a n s m i s s i o n o f5 m b p sm p e g 一2v i d e od a t as t r e a mi no u t d o o re x p e r i m e n t a n di ti so fg r e a tv a l u ei n p r a c t i c a lu s e k e y w o r d s ：d i g i t a lr e c e i v e r , b i ts y n c h r o n i z a t i o n ，l m sa d a p t i v ee q u a l i z a t i o n ，f p g a m 幽目录 图目录 图1 - 1 零中频数字接收机框图1 图l - 2 中频数字接收机框图2 图1 - 3 射频数字接收机框图2 图2 - 1 信号增采样以及滤波框图5 图2 - 2 多相f i r 滤波器原理框图5 图2 - 3 最佳接收机的相关器形式7 图2 - 4 最佳接收机的匹配滤波器形式7 图2 5 矩形信号脉冲及其匹配滤波器输出9 图2 - 6 早迟门同步算法框图9 图2 7 脉冲信号自相关函数与早迟门鉴相曲线1 0 图2 - 8 位定时恢复的控制方式1 1 图2 - 9 信号采样点与内插估计点的关系1 3 图3 - 1 无线视频传输系统工作示意图1 4 图3 - 2 无线视频传输系统总体框图1 4 图3 - 3g m s k 调制解调器总体框图1 5 图3 - 4g m s k 调制框图1 7 图3 - 5g m s k 解调框图1 7 图3 缶g m s k 基带调制器原理框图1 7 图3 - 7 高斯滤波器的3o 带宽与3 d b 带宽口。1 9 图3 8 多相f i r 滤波器实现脉冲成形2 0 图3 - 9g m s k 基带解调原理框图2 1 图3 一l o 多相f i r 滤波器实现信号匹配滤波。2 2 图3 1 1 早迟门同步算法原理框图2 3 图3 1 2 位同步算法的实现框图2 4 图3 1 3 位同步判决位置k 的示意图2 5 图3 - 1 4 早迟门算法中点内插的数据输入”2 6 图3 1 5 早迟门算法中足点内插的数据输入。2 7 图3 1 6 早迟门算法中l 点内插的数据输入2 7 图3 1 7 位同步控制模块有限状态机2 8 图3 墙早迟门位同步定时的调整2 9 图3 1 9 无频差情况下位同步判决位置k 的仿真波形。3 l 图3 2 0 无频差的情况下信噪比与误码率的关系3 2 图3 2 1 有2 0 0 k h z 频差的情况下信噪比与误码率的关系3 2 图3 2 2l m s 自适应均衡器结构3 4 图3 2 3l m s 自适应均衡仿真结果3 5 图口录 图3 2 4 多径传输时延f 。= 瓦时信噪比与误码率的关系3 6 图3 。2 5 多径传输时延f 。；1 5 瓦时信噪比与误码率的关系3 7 图3 2 6 二进制差分编码框图3 7 图3 2 7 二进制差分硬解码框图3 8 图3 2 8 二进制差分软解码框图3 8 图3 2 9 视频帧帧结构3 9 图3 3 0 帧同步模块框图3 9 图3 3 1 帧同步与字节同步信号的时序关系4 0 图4 1g m s k 基带调制器硬件框图4 1 图4 - 2g m s k 基带解调器硬件框图4 1 图4 - 3s p a r t a n 一3 系列f p g a 结构4 3 图4 4 完整的f p g a 设计流程4 4 图舢5 位同步模块m o d e l s i m 功能仿真结果。4 5 图4 - 6a d 9 7 7 7 中s p i 接口的时序关系4 9 图4 - 7d a t a 、c l c k 与l t c h 的时序关系5 0 图4 8g m s k 基带调制解调器p c b 板图5 2 图4 - 9g m s k 基带信号波形图5 2 图5 - 1g m s k 基带调制解调器误码率测试框图5 3 图5 2f m 调制解调器传输特性测试框图5 5 图5 3 无线视频传输系统测试框图5 7 一i 一 表目录 表目录 表3 - 1g m s k 信号口瓦值与基带带宽的关系1 9 表4 - 1s p a r t a n 3 系列f p g a 的主要资源4 3 表禾2g m s k 基带调制器f p g a 资源占用情况4 6 表4 3g m s k 基带解调器f p g a 资源占用情况4 6 表4 - 4a d 9 7 7 7 的s p i 接口信号参数4 9 表4 - 5a d 8 3 7 0 的s p i 接口信号参数5 1 表5 1g m s k 基带调制解调器的误码率5 4 表5 2f m 调制解调器幅频特性测试结果5 5 表5 3 不同误码率条件下的视频图像质量5 6 表5 - 4 天晴条件下2 0 0 m 无线视频传输实验结果5 8 表5 5 有雾条件下5 k m 无线视频传输实验结果5 9 表5 - 6 天晴条件下5 k m 无线视频传输实验结果5 9 表5 7 天晴条件下1 5 k i n 无线视频传输实验结果。6 0 i i 缩略词表 英文缩写 v l s i d s p f p g a s d r l f r f a d c d a c d d c b e r s n r s f d r f i r g m s k f m l o s 英文全称 缩略词表 v e r yl a r g es a i l ei n t e g r a t e dc i r c u i t d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y s s o f t w a r ed e f i n e dr a d i o i n t e r m e d i a t ef r e q u e n c y r a d i of r e q u e n c y a n a l o gt od i g i t a lc o n v e r t e r d i 醇a lt o a n a l o gc o n v e r t e r d i g i t a ld o w nc o n v e r t e r b i te r r o rr a t e s i g n a lt on o i s er a t i o s p u r i o u sf r e ed y n a m i cr a n g e f i n i t ei m p u l s er e s p o n s e o a u s s i a nm i n i m u m - s h i f tk e y i n g f r e q u e n c ym o d u l a t i o n l i n eo fs i g h t 一- 中文释义 超大规模集成电路 数字信号处理器 现场可编程门阵列 软件无线电 中频 射频 模数变换器 数模变换器 数字下变频 误比特率 信噪比 无失真动态范围 有限冲激响应 高斯最小相移键控 调频 视距 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，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 获得电子科技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 说明并表示谢意。 签轹日期：枷0 1 年b 月i2 ，日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：! 堕导师签名： 日期：v a l 年。月1 1 ，日 第一章绪论 第一章绪论 近年来，随着超大规模集成电路( v i _ s 0 技术的飞速发展，数字信号处理器 ( d s p ) 以及现场可编程门阵歹i j ( f p c a ) 等通用可编程器件的性能得到了显著的提 高，电子通信技术也随之开始了从模拟向数字的转变。在现代无线通信系统中， 越来越多的功能都基于可编程的通用硬件平台，采用数字信号处理技术，通过软 件加以实现，由此产生了数字通信接收机与软件无线电( s d r ) 1 1数字通信接收机概述 2 0 世纪8 0 年代中后期，人们提出了数字通信接收机的概念1 1 1 2 1 1 3 1 h i 。数字通 信接收机与传统的通信接收机不同。在传统的接收机中，信号解调是由模拟电路 实现的。而在数字接收机中，在信号解调之前首先需要经过a d 转换，把模拟 信号转化为数字信号，再由数字电路实现信号解调。 数字接收机与传统的接收机相比具有许多明显的优势嘲； 1 数字接收机的硬件更易于设计和调试。 2 数字接收机具有更好的可靠性和稳定性。 3 数字接收机可以在统一的、通用的可编程硬件平台上，通过配置不同的 软件来实现不同的功能。 a d 转换器是数字接收机中一个重要的组成部分，它划定了接收机硬件的模 拟区域和数字区域。根据a d 转换器位置的不同，一般可将数字接收机分为零 中频数字接收机、中频数字接收机和射频数字接收机三种。 零中频数字接收机如图1 - 1 所示，它先将接收信号通过模拟电路从射频经由 中频转换至基带( 零中频) ，然后完成a d 转换与基带数字解调。 图1 1 零中频数字接收机框图 中频数字接收机如图1 2 所示，它将接收信号由射频通过模拟电路转换至中 电子科技大学硕十学何论文 频，然后在中频完成d 转换与数字解调。中频接收机与零中频接收机的数字 解调模块基本相同，只是在基带数字解调之l j i 必须完成数字下变频( d d c ) ，将中 频信号变为基带信号。 图1 - 2 中频数字接收机框图 射频数字接收机则将a d 放置在射频端，直接对射频信号进行数字化，然 后进行数字解调，如图1 3 所示。 图1 3 射频数字接收机框图 1 2 软件无线电概述 软件无线电是在数字接收机概念的基础上提出来的。1 9 9 2 年，i e om i l o l a 首 次提出了软件无线电( s o f t w a r ed e f i n e dr a d i o ，s d r ) 1 6 胴的概念。软件无线电的中 心思想是构造一个标准化、模块化的通用硬件平台，将调制解调、编码解码等各 种通信功能都用软件来完成，并使宽带a d 转换器和d 舱转换器尽可能靠近天 线，减少通信系统中的模拟环节，从而研制出具有更高灵活性的无线通信系统 8 1 。 软件无线电的结构基本上可以分为三种：射频低通采样数字化结构、射频带 通采样数字化结构和宽带中频带通采样数字化结构嘲。其中，宽带中频带通采样 数字化结构与目前中频数字接收机结构是类似的，主要差别在于宽带中频带通采 样数字化结构的中频带宽更宽。由于射频低通采样和射频带通采样对a d 变换 器的带宽和采样速率都有较高的要求，因此，目前对软件无线电的研究，仍然主 要集中在宽带中频带通采样的数字化结构，在中频和基带上利用d s p 和f p g a 来实现部分软件无线电的功能。但随着a ，d 变换器以及d s p 、f p g a 等器件的发 展，数字化最终会上升到射频带通采样以及射频低通采样。 软件无线电是数字接收机思想的扩展和推广，是无线通信的理想形式，代表 了未来无线通信的发展趋势。但由于受到目前技术条件的限制，实现软件无线电 需要作适当的折衷。本文就是在数字接收机与软件无线电思想的指导下，对零中 2 第一章绪论 频( 基带) 数字通信机的f p g a 实现技术展开深入的研究。 1 3 作者的主要工作 1 研究无线视频传输系统中g m s k 基带调制解调器的设计与实现，其中， 关键技术包括解调器中的位同步算法与自适应均衡算法的实现； 2 编写m a t i a b 程序对g m s k 基带调制解调器进行系统建模与仿真； 3 编写g m s k 基带调制解调器的v e f i l o g h d l 实现代码，并完成时序仿真、 综合优化、翻译、映射、布局布线以及程序下载； 4 完成g m s k 基带调制解调器以及f m 调制解调器的硬件测试； 5 进行无线视频传输系统外场实验并完成最终的产品交付 1 4 本文的主要内容与结构 本学位论文共五章。第一章概述了目前数字接收机和软件无线电的研究状 况，以及本文的研究背景和工作任务：第二章简要介绍了本文将要用到的数字通 信基本理论，对第三章中g m s k 基带调制解调器涉及的信号采样、信号处理、 最佳接收以及位同步等基本理论进行了适当阐述。第三章以无线视频传输系统为 背景，详细讨论了g m s k 高速数传机的设计与实现，深入研究了g m s k 基带调 制解调器中早迟门位同步算法与l m s 自适应均衡算法的f p g a 实现结构，并提 供了相应的m a t l a b 仿真实验结果。第四章介绍了g m s k 基带调制解调器的硬件 实现，包括系统的硬件框图以及器件选型。第五章给出了g m s k 高速数传机中 g m s k 基带调制解调器和f m 调制解调器的测试结果以及无线视频传输系统外 场测试的实验结果。第六章是对全文工作的总结，并对未来工作作出了展望。 3 电子科技人学硕十学位论文 2 1 采样定理 第二章数字通信基本理论 采样定理是信号数字化传输的重要理论基础。采样定理指出，如果对某一带 限的模拟信号进行采样，那么当采样率达到一定数值时，采样信号就包含了模拟 信号的全部信息，即可以根据采样信号准确的恢复出原来的模拟信号。 奈奎斯特采样定理嘲：设有一个带限模拟信号x ( f ) ，其频带限制在( 0 ，厶) 内， 如果以 正2 2 厶( 2 1 ) 的采样速率对x o ) 进行等间隔采样，得到离散时间采样信号咖】- x ( n r , ) ， z 1 1 ，那么原信号x ( f ) 能够被x n l 完全重建。 若x ( f ) 不是带限信号，那么为了避免采样信号巾l 】- m 瓦) 在频域上产生混 叠( a l i a s i n g ) ，需要先用抗 混叠( a n t i - a l i a s i n g ) 滤波器对工o ) 进行滤波 2 2多速率信号处理理论 2 2 1 整数倍抽取 j l f 倍抽取是把原始采样序列咖l 每隔m 个数据取一个， x d n 1 9 1 1 1 0 i 1 1 ，即： m 】- x m n 】 形成一个新序列 ( 2 2 ) m 为正整数。在z 域上，畅【n 】的z 变换也0 ) 与咖】的：变换x 0 ) 的关系为： 蜀0 ) 。10 归讳)( 2 3 ) 蜀0 ) 。m x ( 2 归讳) ( 2 3 ) 其中， w h e l r h 汹 4 ( 2 4 ) 第二章数字通信基本理论 2 2 2 整数倍内插 倍内插是在原始序列科n 】的每两个点之间插入l 一1 个0 ，形成一个新序列 行】1 9 1 0 0 1 1 1 1 i ，即： 卅弦。0 蕊巩 ( 2 s ) 其中，l 为正整数。在z 域上，吒m 】的：变换e ( z ) - 与x i n 】的：变换x 0 ) 的关系 为： 2 2 3 多相滤波器 邑( ：) - z p )( 2 6 ) 工程实现中经常需要对输入信号研n 】增采样 r 倍，再使其通过f i r 滤波器 | i l 【玎l ，如图2 - 1 所示这种计算常用多相f i r 滤波器实现l 叫1 0 h n i ，如图2 - 2 ： 图2 - 1 信号增采样以及滤波框图 m l n 】 m 2 i n 】 m 3 n 】 i i i b 区丑一m 图2 - 2 多相f m 滤波器原理框图 多相f i r 滤波器由个并行的子滤波器构成。第f 个子滤波器的冲激响应为： 5 电子科技人学硕+ 学位论文 噍m 】- h n 仰- 1 ) + 强il l ，2 ，n ( 2 - 7 ) 输出分别汜为m 】o 输入一个x n j ，由啊n 】到h m 陋】依次输出他【玎】， i 一1 2 ，n 。 若将增采样n 倍后的信号记为毛m ，即： 卅 掣l 扣0 嚣抓” 仁砷 那么，x m l 通过嚏m 】后，输出信号 m , n l - x i n h i n - h i n 一七蚶】 一h i n ( n k 一1 ) + i x k l - 芝h i n ( n 一1 ) 一埘+ f ) 俳】 另一方面，考虑毛n 】通过h i 1 的输出信号 m n i - x n h n - 芝h n 一慨纠 荟咖一埘k 凹卜荟m 一埘蚶l 对比式( 2 9 ) 和式( 2 1 0 ) 可得， m 【o - 1 ) + 0 一m l ，i - 1 乏o oj ( 2 1 0 ) 但1 1 ) 式( 2 1 1 ) 表明，多相滤波器结构将滤波器冲激响应埘厅】分解为个子滤波器i 加】， 而m 弗】的阶数仅为h n 】的1 ，因此可以极大的节省硬件实现所需要的乘累加 ( m a c ) 计算的数量。 2 3最佳接收机理论 数字通信系统中，通常用误码率( b i te r r o rr a t e ，简称b e r ) 来衡量通信质量。 当调制方式以及信道特性确定之后，误码率就完全取决于接收机。所谓最佳接收 6 第二章数字通信基本理论 机，就是使误码率最小的接收机。可以证明，在加性高斯白噪声信道( a w g n ) 条 件下，根据最大似然准测导出的最佳接收机有相关器形式( 图2 - 3 ) 与匹配滤波器 形式( 图2 4 ) 两种常见结构1 1 2 1 1 1 3 1 1 1 4 】1 1 5 1 。 图2 - 3 最佳接收机的相关器形式 图2 - 4 最佳接收机的匹配滤波器形式 相关器形式的最佳接收机将接收信号与所有可能的符号波形 正o ) ，0 f t ，f 一1 2 ，分别求相关，然后判决器根据相关值，f - 1 , 2 , ，的 大小判决输出符号码元。匹配滤波器形式与相关器形式的接收机在功能上的等效 的，只是用匹配滤波器代替了相关器，匹配滤波器的冲激响应分别为 o ) - z 仃- t ) ，f - 1 , 2 , ， 2 4 位同步 对于图2 - 3 所示的匹配滤波器形式的最佳接收机，判决器需要对每个匹配滤 7 器决判至 、，劾 器决笋至 、，j劾 电子科技人学硕十学何论文 波器的输出信号采样，并基于采样信号进行符号判决。为了保证符号判决的正确 性，判决器必须通过位同步算法得到关于位定时误差和最佳采样判决时刻的信 息。 2 4 1 位同步算法 目前，估计位定时误差和确定最佳采样判决时刻【1 6 l 主要采用下面的三大类方 法： 1 第一类方法是选择匹配滤波器输出信号中斜率为零的点作为最佳判决 时刻。如果位定时估计过早，那么匹配滤波器输出信号中最佳判决时刻 处信号斜率为正数，表明位定时时钟需要向后调整；反之，如果位定时 估计过晚，那么匹配滤波器输出信号中最佳判决时刻处信号斜率为负 数，表明位定时时钟需要向前调整。这类方法的典型代表为早迟门 ( e a r l y l a t eg a t e ) m 燃1 1 7 1 1 1 e l 1 9 1 1 1 6 1 1 2 0 1 2 1 j i l l 2 3 1 。 2 第二类方法是选择匹配滤波器输出信号中的过零点，并用过零点的位置 来推算出最佳判决时刻。过零点是通过寻找匹配滤波器的输出信号 s 陋一l 】和s 加+ 1 】正负号的变化而得到的。若s 加- i 】和j 砷+ 1 】正负号发生 了变化，那么表明s n i 处f 匹配滤波器输出信号的过零点附近对于向 正方向移动的过零点，位定时时钟需要向前调整；而对于向负方向移动 的过零点，位定时时钟需要向前调整 3 第三类方法是选择使匹配滤波器输出信号方差最小的点来作为最佳判 决时刻。其基本思想是，在匹配滤波器输出信号中。最佳采样判决时刻 处的信号值具有最小的方差，而对于非最佳采样判决时刻，信号方差将 增大。 本文第三章中将要介绍的g m s k 基带解调器就采用了早迟门同步算法实现 位定时同步。早迟门同步算法利用了匹配滤波器或相关器输出信号的对称特性。 为了说明其工作原理，考虑图2 - 5 - a 所示的矩形脉冲s ( f ) ，0 f 墨t 。对于输入脉 冲s o ) ，匹配滤波器的输出将在t - t 时达到最大值，如图2 5 b 所示事实上， 由于匹配滤波器的输出其实就是输入脉冲的自相关函数，因此上述结论对于所有 脉冲都是成立的。显然，对匹配滤波器输出的最佳采样位置就是在采样时刻 t t ，即在自相关函数的峰值剧冽。 8 第一二章数字通信基本理论 吣” 图2 - 5 矩形信号脉冲及其匹配滤波器输出 然而，在存在随机噪声的情况下，要直接确定匹配滤波器的输出峰值点一般 是比较困难的。现假设不直接对匹配滤波器输出的峰值点采样，而是在t t 一6 时刻提早采样，在t - t + 6 时刻推迟采样。这样，在统计平均的意义上r 由于存在 随机噪声) 提早采样的信号绝对值i y m ( t 一6 ) l 以及推迟采样的信号绝对值 i y l m ( r + 6 ) l 都将会比峰值采样的绝对值i y 阳仃) l 小。因为自相关函数关于最佳 采样判决时刻t - t 是偶对称的，所以自相关函数在t - t 一6 和t - t4 - 6 时刻的绝 对值应该相等。在此条件下，最佳的采样判决时刻就可以确定为t - t 一6 和 t 。t + d 的中点处【纠。 图2 - 6 早迟门同步算法框图 图2 - 6 给出了早迟门同步算法的框图。图中用等效的相关器代替了匹配滤波 器。两个相关器在符号时间间隔r 内进行积分运算，但是一个相关器比估计的最 佳采样判决时刻提早6 开始积分，另一个相关器比估计的最佳采样判决时刻延迟 6 开始积分，两个相关器输出的绝对值之差就形成了误差信号。为了减小随机噪 9 电子科技人学硕十学位论文 声的影响，通常还需要将误差信号通过一个低通滤波器( 即环路滤波器) 进行滤波 平滑。如果位定时时钟偏离了最佳采样判决时刻，则滤波平滑后的误差信号的平 均值就不为零。压控时钟( v c c ) 就可以根据该误差信号平均值，对相关器输出信 号的采样判决时刻进行调整。同时，v c c 的输出也用于控制波形产生器生成与 发送端相同的脉冲波形，而后使该脉冲波形分别被提前和延迟6 ，并送至两个相 关器【2 3 1 。 对于图2 5 a 中的矩形脉冲s o ) ，0 t t ，假设其自相关函数可记为r 忙) 。 那么，提早和推迟的自相关函数r 0 + 6 ) 和月p 一6 ) 分别如图2 - 7 - a 中虚线与实线 所示。将两个自相关函数月( f + 6 ) 和曰扣一d ) 相减，则得到位同步器的鉴相曲线 e 0 ) 如图2 - 7 - b 所示。 p 婶) 。 飞 6z 一6r + 6 、 一d - t + 6 一d义y i a )b ) 图2 - 7 脉冲信号自相关函数与早迟门鉴相曲线 由此鉴相曲线可以看出，若误差信号g - ，0 ，那么p ( f ) t 0 ，表明位定时时钟 被推后了，应将位定时时钟向前调整：若误差信号f t 0 为负，那么- 卜0 ，表 明位定时时钟被提裁了，应将位定时时钟向后调整：若f 一0 ，则此时位定时时 钟处于同步状态 2 4 2 位同步的实现结构 通信接收机中位同步的实现结构大致有三种方式：模拟方式、混合方式和数 字方式【2 4 j ，分别如图2 8 a 、b 、c 所示。 n 1 0 第二章数字通信基本理论 b 、 c ) 图2 - 8 位定时恢复的控制方式 本文第三章的g m s k 基带解调器采用数字方式恢复位定时由于接收端的 采样时钟是独立于发送端时钟的，采样判决的最佳时刻通常不能直接由采样信号 得到，而必须估计出位定时误差来控制内插滤波器对接收端采样信号进行插值， 以得到最佳判决时刻的信号值【5 】1 2 4 j l 矧【刎1 2 7 1 2 4 3 信号内插 假设工o ) 为接收机收到的基带信号，x ( o 中码元时间间隔为瓦，并且x o ) 频 带有限。接收机对x ( f ) 以无混叠采样频率e - 1 i , 进行等间隔采样，得到采样信 号x ( m i ) 。由于采样时间间隔t 是由接收端本地振荡时钟决定的，与发送端无关， 因此通常假定瓦z , 的值为无理数现考虑将采样信号z 伽1 ) 输入内插滤波器 啊( f ) ，并计算蝎时刻的内插值y 0 1 ) - y ( k ) 。其中，互与毛同步，霉- 瓦k ，k 是一个小的整数。 。 采样信号x 伽i ) 一工) 通过内插滤波器啊( f ) 后，输出信号 _ ) ，o ) 一石仞t ) 啊( f 一所t ) ( 2 1 2 ) 在时刻f - i t , 对输出信号y o ) 进行重采样，可得 _ ) ， 互) 一工伽t ) 一( 蝎一脚互) ( 2 1 3 ) 由式( 2 1 3 ) 不难得知，只要知道以下三个条件，则内插值就可以由数字的方 1 1 电子科技人学硕十学位论文 法计算得到，并且与采用模拟方法得出的结果完全相同。 1 输入采样信号x ( m t , ) ； 2 内插滤波器的冲激响应啊o ) ； 3 输入采样时刻小和输出采样时刻蝇。 上述条件中，只有蝇是接收机未知的。现在分别定义采样点序号、滤波 器序号f 以及分数间隔以【2 4 1 ： 叫n t 吲 ( 2 1 4 ) 兵中，i n t z 】表不不大于z 的最大整数。于是，蝇司以表不为： 即z 屯训互 将式( 2 1 7 ) 带入式( 2 1 3 ) ，可得： ) ，( | z ) 一y ( + ，气) 互 - 薹x i o n , 一f 皿n + 以皿) 】 f 鼠 ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) 式( 2 1 8 ) 为数字内插滤波器的基本方程2 4 1 。和以表示了t 和霉之间的关系，如 图2 9 所示。 1 2 叫 忱 。 叫 仇 所 一t：j_|cl r 里z 堕t 铲 阪r 心 雠 i 第二章数字通信基本理论 输入采样时刻 输出采样时刻 分数问隔 采样点序号 图2 - 9 信号采样点与内插估计点的关系 如果内插滤波器( f ) 是有限冲激响应( f m ) 滤波器，那么式( 2 1 8 ) 中 和2 就是一对数值有限的整数。此时，m 。就决定了计算内插值_ ，( 七霉) 所需要的 n - 2 一1 + 1 个输入信号采样值，地决定了_ ) ，体五) 在与以+ 。之间的位置以及 用于计算内插值y ( 蝇) 所需要的- 2 一l + 1 个插值滤波器冲激响应系数1 5 j 。 若通信双方时钟只存在相差，那么地将通过调整，稳定到某个定值上；若 通信双方时钟还存在频差，那么以的取值将会随着时间不断的变化五就是通 过地取值的调整来完成通信双方的位同步的 此外，由于五亿取值可能为无理数，地也可能是无理数。在此情况下，接 收机通过有限的信号内插并不能保证通信双方位同步时钟的严格对齐。而会存在 时钟的前后抖动。在某些应用中，这种时钟抖动是不能容忍的，但是对于本文讨 论的数字基带接收机，这种抖动并不影响信息的准确接收。 1 3 - 电子科技人学硕十学位论文 第三章g m s k 高速数传机的设计与实现 3 1无线视频传输系统概述 无线视频传输一直是多媒体通信技术中一个的研究热点。本章将要讨论的 g m s k 高速数传机是为实现高清晰视频信号的点到点单向远距离通信而设计的， 整个无线视频传输系统的工作示意图如图3 - 1 所示： 无线视频传输系统 哼鲁一：视频信号 嘲 图3 1 无线视频传输系统工作示意图 图中，无线视频传输系统( 如图3 1 中虚框所示) 将摄像头获取的本地视频信息远 距离传送至接收端，并在显示屏上显示。 为了保证无线视频传输的质量，本文考虑采用如图3 2 所示的数字通信系统 完成上述功能。整个系统由发送端与接收端两部分组成。其中，发送端包括视频 编码与调制两个模块；接收端实现发送端的逆过程，包含解调与视频解码两个模 块。其工作流程为：在发送端，由摄像头输入的p a l 制视频信号首先经过视频 编码得到字节序列，再经过调制器形成调制信号并送入信道：在接收端，首先对 接收信号进行解调恢复出字节序列，再进行视频解码还原出原始的p a l 制视频 信号输出至显示器。 r 一一一一一一一，r 一一一一一一一，调制信号 视频信号 视频信号 图3 - 2 无线视频传输系统总体框图 - 1 4 第二章g m s k 高速数传机的设计与实现 该视频传输系统也可按功能划分为调制解调与视频编解码两个层次( 如图 3 2 中虚框所示1 。其中，调制解调层位于物理信道之上，包括调制与解调模块： 视频编解码层位于调制解调层之上，包括视频编码与视频解码模块。调制解调层 将是本章的主要研究对象，它的作用是为上层的视频编解码屏蔽物理信道，并提 供通信服务，即在视频编解码模块之间建立虚连接，从而实现对等层的通信。而 视频编解码层则完成音视频信源的编解码，以及音频与视频信号的复用与解复用 等功能。 3 2 视频编码与解码 在综合考虑视频图像质量和软硬件实现复杂度等诸多因素的基础上，本视频 传输系统决定采用目前已经较为成熟的m p e g 2 标准完成视频信号的编解码。视 频编码模块输入p a l 制的视频信号，输出m p e g - 2 视频帧；视频解码模块则在 接收端帧同步信号的控制下，输入m p e g 2 视频帧，输出p a l 制视频信号 3 3 调制与解调 高斯滤波最小相移键控( g a u s s i a nm i n i m u m s h i f tk e y i n g 简称g m s k ) 瑚1 由于 其良好的频谱特性以及误