（通信与信息系统专业论文）突发通信中接收机的定时同步技术研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 随着通信、网络技术的不断发展，高度个人化、高速、多媒体的移动 通信与接入服务必将普及。越来越多的通信系统将具有“突发模式”的特 征。 同步是突发系统中的一个难点，快速、精确的定时同步接收算法是近 年来研究的一个焦点。本文的研究工作就是针对这个问题展开的。本文所 做的工作主要有以下几个方面： 1 介绍了定时同步的基本原理，分析和讨论了基本的同步方法，指出了现 行同步方法在突发移动通信使用中的问题，为探讨新的同步方法提供了帮 助。 2 研究了不同成形滤波器参数下的定时偏差对接收误码率的影响，定量分 析了误码率一定时所能按受的定时偏差。 3 研究了带限信道下的克拉美罗( c r a m e r r a o ) 限，并从其定义出发， 导出了存在有限信道响应时最大似然定时同步估计的性能极限和随机数据 序列对性能极限的影响。 4 研究了突发传输中几种非数据辅助型定时同步算法( n d a ) 的性能， 仿真结果表明，使用l o o n 和a v n 非线性形式的非数据辅助前馈同步技术 具有较好的性能。本文还对r o l l - o f f 因子( 口) 及噪声类型对定时估计的影 响进行了仿真。 关键词：突发通信；位同步；非数据辅助；克拉美罗限 堕j 鎏三耋銮兰堡圭兰垡笙苎 a b s tr a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp e r s o n a lc o m m u n i c a t i o n , t h e b u r s tm o d e t r a n s m i s s i o nh a s r e c e n t l yr e c e i v e dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n m o r ea n dm o r ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m sw i l l h a v et h ec h a r a c t e r i s t i co f b u r s tm o d e ” s y n c h r o n i z a t i o ni sv e r yi m p o r t a n ti na b u r s tm o d e c o m m u n i c a t i o ns y s t e ma n di th a s b e e no n eo ff o c u s e so fc o m m u n i c a t i o ns y s t e m si nr e c e n ty e a r s s ot h ew o r ki n t h i s d i s s e r t a t i o ni so r i g i n a t e df r o mt h i sp r o b l e m n em a j o rw o r ka n di n n o v a t i o n sd o n ei nt h e d i s s e r t a t i o na r es h o w na sf o l l o w s ： 1 i ti n t r o d u c e sb a s i ct h e o r yo f t i m i n gs y n c h r o n i z a t i o na n da n a l y z e sb a s i cm e t h o d so f i t i t a l s od i s c u s s e st h ep r o b l e m so ft h ec u r r e n ts y n c h r o n i z a t i o n sa p p l i e di n b u r s tm o d e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m sw h i c hh a sas i g n i f i c a n tg u i d i n gi nt h ed e s i g no fn e wm e t h o d s o f s y n c h r o n i z a t i o n 2 t h eb e re f f e c t so f t i m i n go f f s e t i nd i f f e r e n ts h a p i n gf i l t e r si ss t u d i e di nt h e d i s s e r t a t i o n i tc o m p u t e st h ea c c e p t a b l et i m i n go f f s e ti nag i v e nb e r 3 1 td i s c u s s e st h ec r a l n e r r a ob o t m di nb a n dl i m i t e dc h a n n e l i td e r i v e st h e1 i m i t a t i o no f t h ee s t i m a t i o np e r f o r m a n c eo f t h em a x i m u m q i k e l i h o o dt i m i n gs y n c h r o n i z a t i o na n dt h e e f f e c t sr a n d o md a t as e q u e n c ea se x i s t i n gb a n dl i m i t e dr e s p o n s e 4 ，i tc o m p u t e st h ep e r f o r m a n c eo fs e v e r a ln d aa l g o r i t h mo ft i m i n gs y n c h r o n i z a t i o ni n b u r s tm o d e ”t r a n s m i s s i o n k e y w o r d s ：b u r s tm o d ec o m m u n i c a t i o n ；b i t s y n c h r o n i z a t i o n ；n o n - d a t aa i d e d ； c r a m e r - r a 0b o u n d 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下， 由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引 用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用 的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表 的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结 果由本人承担。 作者( 签字) ： 日期：2 0 0 5 年2 月1 8 曰 堕堡鎏三堡丕堂堡主量丝丝 1 1 引言 第1 章绪论 在2 1 世纪初的今天，我们己经进入了数字化的通信世界。人类正在享 受着各种迅捷、方便、丰富的信息交流方式。互联网将整个世界联系在一起， 而各种宽带接入方式使得人们能方便地进入互联网的世界。随着移动通信技 术的发展，相当一部分人都可以随时随地的享受语音、短消息服务。并且， 可以肯定的是，在不久的将来，高度个人化、高速、多媒体的移动通信与接 入服务必将普及。所有这一切的现代通信方式的进步都是基于现代传输技术 核心之一的现代调制解调技术的不断发展与进步。 在上世纪2 0 年代到5 0 年代，以奈奎斯特( n y g u i s t ) 、哈特利( h a r t l e y ) 、 香农( s h a n n o n ) 等为代表的科学家奠定了数字通信的理论基础。特别是1 9 4 8 年香农( s h a n n o n ) 发表了题为“通信中的数学理论”的著名论文奠定了信息传 输的数学基础，建立了对信息通信的基本限制，开创了一个新的领域一信息 论。香农关于信道最大传输极限及所达到的性能界限的最初结论及其推广己 作为通信系统设计的基准，并成为继续努力设计和开发更有效的数字通信系 统的最终目标。 上世纪末，一方面各种新的调制解调技术理论不断完善，无线通信理论 得到飞速发展；另一方面随着半导体、集成电路技术的高速发展，数字通信技 术获得广泛的实际应用。h m c y r 等学者建立了完善的数字通信接收机的理论 并做了实现和演示【l j 。著名学者a j v i t e r b i 和q u a l c o m n 公司获得了通信系 统开发的一个重要技术成就：实现、演示了第一个数字蜂窝扩频码分多址系 统( c d m a ) 弗将它标准化( i s 9 5 ) 。可以预料在本世纪随着第三代移动通信技 术逐渐进入商用，宽带无线传输技术将继续被广泛关注，成为通信技术研究 的重点。 在接收机的设计过程中，同步问题总是被首先考虑的，同步可以说是接 收机实现的基础。而由于互联网业务的臼益普及，促使各类传输技术向全i p 1 哈尔滨工程大学硕士学位论文 方向发展，这意味着未来突发模式的传输将占主导地位。 对于目前成熟的t d m a 技术，由于信号按时隙发送，传统的信号同步方 法显然不能适应这种要求，新的按帧或按时隙的同步处理技术成为必然的选 择。所谓按帧或按时隙的同步技术，就是在每一帧的起始，或时隙中发送一 定的同步符号，使不同用户能够准确的同步接收。为了提高系统的传输效率， 同步符号应越少越好，但是同步符号越少，同步技术要求高。在通信接收中， 同步要求的另一种情形是用户接收的时刻不在同步符号的时隙上，或接收用 户不具备同步符号的先验信息，这时要求直接从发送数据中获取同步信息， 这一情况与有同步序列的方法相比，其同步处理技术更复杂。本文针对突发 传输模式，希望能够比较深入地研究一下突发系统的无同步先验信息的定时 同步算澍2 】【3 】。 1 。2 同步的概念和内容 在数字无线通信系统中，同步是系统中最熏要的环节之一，然而在大多 数关于数字通信的教科书和参考教材中，对于同步的理论与技术涉及较少或 仅作了肤浅的阐述。于是容易给人一种错误印象，在数字通信中同步是容易 实现的或是微不足道的，系统的错误性能仅与系统的调制制式有关。然而实 际工程中，情况则大相径庭。同步性能对于系统的误码性能起着至关重要的 作用，系统能否正常工作和到达设计的性能很大程度上要取决于同步电路的 好坏，事实上通信系统设计中的大量工作是围绕同步问题展开的，此外同步 也是耗用软硬件资源较多的部件之一。 在无线数字传输中，发端的信息以特定的数字波形传送，若信道是无失 真的，则接收端所收到的波形是完全确知的，但问题是发送信号的参考时刻 在那里，解调器在什么时刻采样最佳，当传输路径的长度随时间变化时，如 何跟踪最佳采样时刻等等。如果把这些作为参考量，那么除了发送信息和参 考量外其它都是已知的。另外一般来说信息是依靠高频载波的频率或相位携 带的，收端首先需要对高频载波解调，对于常用的相干解调来说，空中信号 通过本地参考信号的相干接收得到含有信息的同相和正交两路基带信号。若 本地参考信号与接收信号存在频率或相位的偏差，将给解调的基带信号引入 2 堕玺堡三焦盔堂堡主堂焦堡塞 交调成分最终将影响接收信号的判决过程。因此在无线数字通信中，解决信 号接收中的本地参考信号问题也是至关重要的，其参数的获取和跟踪是同步 技术中的重要内容。 由上所述，在无线数字通信中，同步包含两个主要部分，一是信号解调 判决的定时同步，二是相干解调时的载波和相位同步，即相干解调中的本地 参考。在相干接收中，与发送信号频率和相位相同的本地参考可由接收信号 产生，产生的方法很多，主要取决于所用的调制方式。对于二相p s k 信号， 可用一平方律器件加锁相环来同步信号的载波和相位，方法是对输入信号平 方，产生一个与调制数据无关的倍频分量，利用它来激励一调谐于二倍频的 锁相环，锁相环压控振荡器的一路送到乘法器，另一路经分频器给出同步的 本地载波。这一方法同样适应于抑制载波的p a m 调制信号。由于输入信号 直接平方，受噪声的影响较大，因此在信号较差时不好用。另一方法是采用 科斯塔斯环，它是将压控振荡器的输出分成正交和同相两个分量分别与信号 相乘，然后滤去高频成分，相减得到误差信号，经环路滤波器去控制压控振 荡器。与平方方法相比科斯塔期环主要是改进了误差信号的产生方法。但仍 然受噪声扰动的影响，假如解调器有较高的正确判决概率，利用正确判决， 控制载波同步误差信号的产生将会使噪声的影响最小。判决反馈锁相环载波 同步就是这样一种方法。输入信号与压控振荡器来的两正交本地参考信号相 乘，乘积用来恢复调制数据，每t ( t 为符号周期) 秒接收符号，解调器在 每一个符号上进行一次判决。于是在没有判决错误的情况下，解调器恢复的 数据与噪声无关，用这个恢复的信号去乘来自第二个正交乘法器的乘积，相 乘前该乘积先延迟t 秒，加入该延迟是考虑到解调器中判决产生了时延。与 科斯塔斯环相比，判决反馈锁相环用来接流产生误差信号的两个正交信号只 有一个受噪声的影响，因此如果解调器工作对错误概率低于1 0 - 2 ，那么判决 反馈锁相环的性能比科斯塔斯环好。上述方法很容易推广到多相相位调制和 正交幅相调制的情形中，在此不再赘述【2 l 【4 】。 本文要研究的定时同步与符号定时或时钟有关，我们知道，为了恢复发 射机所传输的信号，须在接收端对相关器或匹配滤波器的输出用与发端相同 的时钟进行周期的取样，否则由于参考时钟的差别或漂移将产生严重的误码。 早期同步的解决方案是用多路复用的方法，把时钟信号与携带信息的信号一 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 起发到接收机。 这一方法的问题一是功率分散，二是信号韵隔离和提取都存在一定的问 题。因此近年来发展的定时同步主要方法是从信号中直接提取同步信息，特 别是在点对点的传输中。一个常用的同步器例子是早迟门同步器，其同步原 理是基于接收信号通过匹配滤波器或相关器时，输出响应在t = - t 时达到最大， 且相对于t = t 是偶对称的。因此若令s = t j 并在t = t s 和t = t + s 时刻分别对 输出响应取样，然后比较两者的大小就可以获得同步状况的信息，图1 1 是 根据这一原理的同步器原理框图【2 】【i ”。 图1 1 早迟门同步电路框图 上图中信号先变换为低通信号，然后通过两个相关器，其中一个相关器 的参考信号时间延迟占，另一个相关器的参考信号提前占，取样电路周期对 相关输出取样并复位到零，两路输出经平方相减产生误差信号。由于信号的 自相关函数是偶对称的，两个相关器之间的差别为零，如果定时有偏差，则 误差信号不为零，该误差信号控制v c o 将时钟延迟或提前一个数值，直至 误差信号为零。图中的环路滤波器是为了平滑误差信号。早迟门同步器的一 种等效形式是超前、滞后电路输入真接取自v c o ，输出分别送到相应的取样 器作为时钟对相关器的输出采样。早迟门相关器是一种最基本的定时同步器， 特别适应于p s k 和p a m 调制信号。而对其它的调制制式则应选用相应的同 步电路。一般来说选择定时同步技术应考虑如下几种因素； 1 ) 系统的传输模式：突发还是连续； 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 ) 传输信号的结构 3 ) 传输速率和调制方式； 4 ) 传输信道； 5 ) 性能要求； 6 ) 体积、功率和实现成本要求。 在上述因素中，信号结构和传输模式对同步方法影响较大，特别是传输 模式。例如在本文研究的突发模式中，分组长度是影响同步性能的重要因素， 它基本决定了定时同步的方法和复杂程度口0 1 。有关突发模式的定时同步技术 将在后面章节重点予以讨论。 1 3 突发模式传输和接收技术 很多通信系统都处于连续工作的状态，此时系统一旦建立，信号就连续 发生。此时系统对于接收端捕获信号的响应时间没有严格的要求。但是，在 各类多接入系统中，信号就是间歇发生甚至是突然发生的了。 目前，多接入( m u l t i p l ea c c e s s ) f 司题已经成为移动通信、数据通信和宽带 网络技术等现代通信热点研究领域的关键技术问题之一。其研究的目标主要 是在特定的网络，传输环境下使多个通信用户能够即时、并发、有效地实现信 道的共享和信息的互通。 在多用户环境下，用户对共享传输信道资源的即时并发访问是通过特定 的多接入方式来完成的。当可用的信道资源不能同时满足所有用户的需求时， 每一种多接入方式都会提供某种不同的信道资源动态复用访问机制，明确地 规定或者隐含地假定任何用户对于信道资源的占有都具有一定的时间周期。 随着多接入系统用户数量的急剧增加，这种具有时间分割特性的信道复用机 制将会在各种多接入方式中得到越来越多的应用。 另一方面，在典型的多接入系统中，单个用户可以模型化为一定参数的 随机到达、随机长度的突发源。这种用户源信息特征显然不同于传统的单接 入( 点对点) 条件下连续恒稳信源的情形，它要求传输的突发性，即当且仅当 有数据到达的情况下才发起传输，并且在数据发送结束后停止传输，每次传 输都有一个确定的起止时间。随着以i n t e m e t 为代表的各类基于i p 包的短数 堕玺鎏三型丕堂堡主堂焦堡塞 据短消息业务的蓬勃发展，这种用户源信息的突发特性将会表现得越来越明 显。因此，无论从多接入系统的信道资源复用机制还是从单个用户源信息特 征本身来看，多接入系统实际上面临着一个突发模式传输的问题【5 j 【6 】【”。 目前突发模式的多接入系统已经广泛的存在于各种多接入通信系统中。 例如，t d m a 卫星通信通常采用几百几k 字节的突发包长，要求在数百个 传输符号内星上接收机能够完成同步。在地面蜂窝移动通信中，用户的语音 编码包、短消息和其它非实时数据构成长度不等的突发包，在信道允许的条 件下完成传送。正在兴起的微蜂窝个人移动掌上电脑，在移动的环境中能够 即时地发送突发短1 p 包( 长度为几十 2 5 6 字节) 。无线局域网系统也采用 c s m 刖c a 多路访问技术，实现i pp a c k e t 甚至a t mc e l l 的突发传输。最近 几年得到高度重视的小卫星星座技术，主要应用于个人移动短数据业务( 几十 - 2 5 6 字节) ( 如较为成功的美国o r b a c o m 公司的小卫星系统) ，其中的一项关 键技术即实现地面用户与星座之间的扩频c d m a 突发模式传输。突发模式 调制技术也是h f c 宽带接入网络物理层的关键之处，无论是现有的t d m a 接入方式，还是s - c d m a 接入方式，抑或是o f d m a 接入方式，从根本上解 决h f c 网络多用户访问的需要以及适应用户源信息的特征必须采用突发模 式传输技术。另外，对于未来的后3 g 以及4 g 蜂窝移动通信系统，由于它必 须支持基于i p v 6 核心网的互联互遥，以及很大可能的采用时分双工( t d d ) 模 式，其物理层必然支持突发模式传输。 对于突发信号的同步与接收，己经有了一些研究【5 堋，大家早已意识到突 发模式传输的接收与对连续系统传输的接收有着很多的不同处： l 突发接收存在着信号捕获，同步建立的过程，而且这个捕获过程必须 在尽可能短的时间里建立。 2 由于每个不同的突发包通常来自不同的用户终端，在不同的时间里产 生，所以各突发包无论信号电平还是噪声统计特性都各不相同，因此解调前 一个数据包所得到的同步信息不能为解调下一个数据包所利用。 3 每个突发包通常有前导字或者训练字符，所以对突发包的捕获与同步 通常是基于数据辅助的，丽传统的锁相环技术由于存在着环路稳定建立时间 需要以及“h a n gu p ”现象将难于直接用于突发系统。 4 由于突发调制经常是和多接入系统联系在一起的，所以必须考虑对 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 m a c 层的支持和利用。 从突发模式传输技术应用和实现的角度来看，其主要难点突出地体现在 其对信道参数的快速估计和同步参数的快速捕获方面。因此对于突发模式传 输技术的研究也主要集中在同步的捕获、估计、跟踪算法上。 1 4 本文主要工作 本文所做的工作主要在以下的几个方面： 1 介绍了定时同步的基本原理，分析和讨论了基本的同步方法，指出了 现行同步方法在突发移动通信使用中的问题，为探讨新的同步方法提供了帮 助。 2 研究了不同成形滤波器参数下的定时偏差对接收误码率的影响，定量 分析了误码率一定时所能接受的定时偏差，其结论对于实际同步方案的设计， 特别是突发模式的同步具有重要的指导意义。 3 研究了带限信道下的克拉美罗( c r a m e r - r a o ) 限，并从其定义出发， 导出了存在有限信道响应时最大似然定时同步估计的性能极限和随机数据序 列对性能极限的影响。 4 研究了突发传输中几种非数据辅助型定时同步算法( n d a ) 的性能， 目前这方面的研究还比较少，本文对此作了一些有益的探索，得出了些有 价值的结果，对于通信信号的设计和接收有一定帮助。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章定时同步基础 本章主要讨论定时同步的数学模型和基本方法，这些模型和方法将为后 面章节的研究工作奠定一定的基础。本章的第一节将给出信号和噪声的数学 模型，以及信号和噪声的关系。第二节给出了通用的接收机模型。第三节推 导了连续信号和采样信号最佳解调器在定时偏差下的误差概率函数。第四节 总结了现行的定时同步技术。 2 1 信号的数学表示 本节主要讨论定时同步信号的数学表示和信噪比定义，以及匹配滤波器 输出端的信号关系。这种关系是讨论定时同步性能的基础。图2 1 是典型的 数据信号传输的模型。图中调制信号为： s ( f ) = s 。o ) + ，- s o o ) ( 2 1 ) 是信源数据与发送滤波器响应的卷积，上标i ，q 分别表示调制信号的i 通道 分量和q 通道分量。其中发送滤波器p ( c ) 包括调制器、成形滤波器等，信源 数据为矗 ，下标i 表示是在t _ 汀时刻传输的第i 个数据符号，t 为符号周 期，且数据一般为复数离散序列： q = a h _ ，- 疗尸，o j ，口p 卜一，a )( 2 - 2 ) ( 2 - 2 ) 式可以看成为q p s k 信号，若砰= 0 ，则简化为b p s k 信号，对于其他 高阶调制方式可以改变复数数据的取值域。由图有： 3 , 1 0 ) = 口p ( t - i r ) ，s o o ) ；砰p ( t - i t ) ( 2 - 3 ) f=-哪l=-” 对已调信号s ( t ) 经射频复调制后，取实部就可变成信道上可传输的实带通信 号： s 。o ) = r e 砸州 ( 2 。4 ) 其中c o ，为射频载波的角频率。发射信号通过信道与噪声叠加后到达接收端。 设接收机收到的信号为工。( r ) 则有： x 。( f ) = s c ( f ) + 1 , 1 c ( f ) ( 2 - 5 ) 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 其中。r co ) 是双边功率谱密度为n o 2 的加性白高斯噪声。接收信号x 。o ) 经 正交解调下变频成复信号，o ) ，且有： z 。o ) = x c o ) 易一- 。种( 2 6 ) 圈2 1 数据信号传输的基本模型 利用匹配滤波器滤去倍频项得到复基带信号： x ( f ) = x 。( o o p ( - t ) ( 2 7 ) 上式中x o ) = x 7 0 ) + - ，x 。o ) ，符号“o ”表示卷积，将( 2 3 ) ( 2 6 ) 带入( 2 7 ) 得： 妒x ( ( f 0 ) = ：( 协0 c o 洫s 晒( ( c a ，r 一- o o 。r ，) t + + 庐) ) + - 户y qo ( t ) ) s i n 。( 晒( c o r y i 0 3 ，二銮j ：袋1 ( z - 8 )k ( f ) = o ) s i n 晒，一。，+ 庐) + 户o ) c o s 晒，一) r + ) + p 。e ) ”叫 式中y o ) ，v 。o ) 分别表示等效复低通噪声的1 分量和q 分量，丽信号 y l e ) = d g ( t - i t ) ( 2 9 ) 脉冲响应一般采用升余弦滤波器函划3 】： 删2 鬻剞 9 考虑实际使用情况 ( 2 - 1 0 ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 0 - ；( 1 + 口) 在( 2 _ 8 ) 式中如果0 9 r = r 则有： 三y y ：温搿2 ；苏 i z 。o ) = 7 0 ) s i i l ) + j ，。( f ) c o s ) 十y 。( f ) 7 进一步如果中西= 0 则有： 黜裂：搿 b 。o ) = _ y 7 ( f ) + y 。e ) “ 上面两式( 2 1 2 ) 和( 2 1 3 ) 分别表示的是无频差和无相差的连续信号，对于离散 信号可用下式表示： 0 ) = y nz ) 4 - v n( 2 1 4 ) 其中下标n 表示第n 个符号周期，参数f 表示抽样时刻相对于符号中心的偏 移即x 。( f ) = 工g r r ) ，而 儿( f ) = 口。g ( i t f ) ( 2 - 1 5 ) 实际中考虑脉冲响应函数g c t ) l 均有限影响，上式又可表成： y 。( ) = 口。g ( g r f ) ( 2 1 6 ) 所谓有限响应是指脉冲响应的幅度大于某一指定门限的时间间隔，常用符号 周期作单位。例如对于滚降系数口= 0 , 4 的升余弦响应，门限取为毒= o 0 0 5 时， 则有2 m + 1 = 7 ，我们又称此为在门限掌下的信道记忆长度。当r = 0 时接收的 符号样本能量为爿2 ，等于射频载波上单位符号的信号能量，具体推导如下： e 。= 卜。”出= a 2f p 2 0 + 彳2i p 2 0 ) c o s ( 2 国，r 如 ( 2 1 7 ) 当载波频率坼远大于符号速率r 。时，上式右边第二项约等于零，而第一项 的积分，根据p a r s e v a l 定理嘲等于1 ，所以有： r r 一2 o ，j，、。jl 、， w ， g e g = a 2 ( 2 一i s ) 设高斯自噪声w ( t ) 的功率谱密度函数如图2 2 所示，则有： 咄) = 去奠w ”加掣 ( 2 - 1 9 ) 由图2 1 有： n c ( f ) = r e w o k ” ( 2 2 0 ) 图2 2 低通带限自噪声功率谱 则其自相关函数可表示为： r 。( r ) = r e r 。t ) e 嘶7 j ( 2 2 1 ) 功率谱为10 】： 咒。白) = 去 。0 一嘶) + s 。0 + 嘶) ) ( 2 2 2 ) 对于接收端的噪声影响从图可得： n 。( f ) = 聆。( f ) 乙一一f ( 2 2 3 ) 考察i 通道，由上式可得： 载w l 盘毵生。t 卅协血胁。t z 删 = o ) c o s k f 蚯c o s 0 。一声) 一w 。o ) s i i l 白，f ) 压c o s 0 。一) 一 若收发端的本振相同即国。= 嘶，则经过匹配滤波器后的噪声影响为： 川小知鼢w 。( f ) 譬s m 。) ) 固加) ( 2 - 2 s ) 当西= 0 时上式变为： 哈尔浜工栏大学坝士学位论文 y 。o ) = 半w ( o o p ( - o ( 2 2 6 ) 利用维纳一欣钦定理有： s 山，0 ) = i s 。白】p 白】2 ( 2 2 7 ) 其中尸0 ) 是匹配滤波器的频率响应，考虑一般工程中匹配滤波器常用平方根 升余弦函数，若带宽取b 2 ，增益为4 7 则接收的噪声功率为： 盯誓- 2 鲁r = 等 g 一2 8 ) 于是得到基带信号的信噪比： 瓦e 8 = 霹a 2 ( 2 2 9 ) n b2 0 ； 、 如果传输符号是多电平则信号功率要用符号能量的期望，设每符号有个比 特，于是有： 墨n o = 剑2 c r ；n b ( 2 - 3 0 ) 、， 如果考虑编码和过采样的影响则上式应为： 墨：删 ( 2 - 3 1 ) n o2 ( r ；r c n 6 、 其中k 为单位符号的抽样数，n 为编码率口叭。 2 2 接收机模型 任何通信系统都可以由以下模型来描述，如图2 3 所示： 信源在传输前都要经过数据压缩( 信源编码) 以及增加冗余( 信道编码) 最 终进入调制器的是离散二进制序列x 。信息论指出了信源的极限压缩率是信 源的“熵”，在信道上传输的最大速率是信道容量。而对于如图2 3 实际通信 系统，离散序列x 经过调制器成为时间连续信号s 【f ，x ；口。j ，此时发送信号 呻 ，_ +、 哈尔滨工程大学硕士学位论文 眭n 外接收机 内接收机 图2 3 数字通信系统模型 不仅仅与x 有关还加入了同步参数p 一( f ) ，在经过信道后，又加入信道参数 吼o ) ，使得接收到的连续信号的形式为y r f ，；，眈) l ，增加了未知参数 。，见) 。在m e y r 的模型中将接收枫分为两部分，如图2 3 所示，内接收 机的任务就是对未知参数6 ，眈) 的估计与补偿产生序列_ y f 刍，。，舀。1 。使得 在外接收机看来不存在任何的未知参数，即在外接收机看来的信道是“好” 的。而外接收机的唯一任务就是判决与最佳译码。 在本文中，我们重点关注的是内接收机的实现，如果说信息论中信道容 量的概念为实际系统的传输速率制定会理论上限，那么内接收机的作用就是 针对各种各样的实际信道使得实际的传输率能够接近信道容量。所以说内接 收机的核心任务就是同步参数与信道参数的估计与补偿。为了达到这个目标， 首先进入内接收机的采样数字信号必须包括足够的信息，这正是采样理论所 描述的问题【1 2 】；然后利用采样序列习瓦，未0 1 得到未知参数的估计值 f 刍，谷。1 ，这可以在估计理论的指导下进行州；最后是补偿，用估计的参数 1 3 堕签鎏三堡盔堂堡主堂鱼堡塞 ，、， l 护，目。i 来代替实际的未知参数0 9 册。，眈j ，这使得信号恢复的问题、内插恢 复【14 1 、复乘恢复得到广泛的应用。 在估计与恢复的实现上有两类方法：一类是开环的，另一类是闭环的。 应该说开环的实现更适合于数字化的特征，具有估计迅速、方便最优算法的 实现等优点，但在具体实现上由于运算量较大经常会受到速度要求和硬件资 源的限制。而闭环的实现由于在模拟域对锁相环己经有了充分的研究2 j 【3 j 【4 】， 所以可以很方便的移植到数字域上实现u 】，并且在闭环实现中对未知参数的 估计只需要估计出“方向”，而不需要得到绝对值，所以在具体实现上通常是 很简洁的。但是闭环实现的缺点在于不仅参数恢复速度远不及开环的实现， 并且环路收敛速度与参数恢复精度是对矛盾体，更为严重的是存在这“h a n g u p ”现象。可以预料，在相当长的一段时间里，开环与闭环的实现将会共存， 设计者必须权衡估计速率与实现规模的要求作出选择。更多的情况是在一个 系统里既有开环的结构，同时也保留闭环的结构，开环用于对待估计参数做 捕获，闭环用于进一步的跟踪。 2 3 定时同步的基本原理 在数字通信系统中，同步位于接收机的解调模块之中，一般接收机的解 调模块需完成中频到基带的变换、信号滤波或成形、频率和相位同步、定时 同步、均衡以及数据恢复等工作，它是数字通信系统的关键设备，而定时同 步是解调模块中的重要单元。 典型的数字解调设备如图2 4 所示，其中虚线表示实际连接与具体的实 现方法有关，中频输入信号首先通过正交解调单元，与一无调制的中频信号 相乘，经成形匹酉己滤波器滤去高频成份后将已调中频信号变换成复基带信号， 输出的i 、q 复基带信号在同步时钟的作用下采样转换成数字信号。定时同 步的方案很多，最常用的是与拍样有关的反馈( f b ) 方案，此时a d 可放在滤 波器之后，也可放在滤波器之前或正交解调之前。采用f b 形式的定时同步电 路常用锁相环( p l l ) 来使取样时钟的频率和相位与输入信号同步。另一种是所 谓的前馈( f f ) 同步方案，这种方案是随着时分数字通信的发展而提出的，在 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 当前移动通信系统中受到广泛的关注，f f 方案的思想是利用对输入信号作非 线性处理来获得定时相位的估计，并利用此估计来内插获取最佳定时位置的 样值。由于f f 前馈定时同步方案特别适用于移动通信的情况，因此是本文 研究的重点。 信 正盘解调匹配撼液定时间步载技同步 数据幢测 j q 、r ：j 、1 相位旋转 丫口千 ，t 、 j 铲；且l ：1 一u 一毽j 出 图2 4 解调设备一般框图 定时同步建立后，紧接着需要完成的是载波和相位同步，这一过程也可 以交换，但在数字技术发展的今天多采用前一种形式。与定时同步一样，载 波和相位同步也有所谓的前馈和反馈方案之分。载波和相位同步的反馈方案 如图2 4 所示。如果相位锁定先于定时同步的话，则定时同步应采用与相位 相关的处理结构。对于载波同步的前馈方案【l6 】，一般定时同步的建立在前， 这时的定时同步电路是工作在未知载波和相位偏差的情况下，因此定时同步 要选择与相位无关的处理结构。对于高速数字通信链路或码间干扰严重的线 路，均衡器是必须的，用以消除由于信道等原因引起的码间干扰。解调器的 最后一步是数据检测即码元判决，还原出调制前的信号。 定时同步的作用是保证a i d 在最佳或准最佳时刻抽样，如果没有定时同 步电路，则采样的频率和相位得不到保证，这样解调器的符号误判率将大幅 增加，甚至出现符号的丢失。而在最佳时刻抽样，将使采样数据具有最大的 信噪( s n r ) ，从而使解调器的误码率( b 职) 减小。若接收系统达到指定误码 1 s 堕玺迭三堡盔堂堡主堂焦堡塞 率b e r p 时所需的最小信噪比为，则我们把为达到同样误码率 曰积，) 时所要 增加的信噪比称为处理损耗。现代接收机的处理损耗一般要求小于l d b ，如 澳大利亚的m o b i l e s a t 移动卫星通信系统中接收终端的处理损耗要求小于 o 7 d b ，而对由定时同步电路引入的处理损耗要求小于0 1d b 。显然同步电路 的性能与其方法和结构有关，在过去的几十年中已有许多定时同步的方法和 结构，各种方法都有各自不同的特点，下面我们将着重分析几种主要的方法。 2 4 定时同步技术 数字通信可采用连续信号或间断信号传输形式，连续信号传输形式是指 信号传输在很长的时间内不间断，如地面微波通信系统、卫星通信系统、常 规的短波数传等。而间断信号传输是指信号利用若干不连续的短时间片发送 信息，如采用t d m a 体制的g s m 数字蜂窝移动通信系统、跳频通信等。由 于信号传输的形式不同，所咀定时同步的方法也不同。 2 4 1 连续信号的定时同步 数字通信系统对定时同步有严格的要求。早期的定时同步是靠在专用的 信道上发送同步信息来完成的，而数据在另一个信道上传输。但如果所有的 传输能量都用于传输数据，而不是分散在数据和同步两个信道上，将会获得 更好的效果【l ”。因此后来研究的同步方法集中在从符号速率的离散频率成份 中提取定时信息。主要思想是将基带信号送入一非线性电路，然后利用窄带 滤波器或锁相环滤出所需要的频率成份，该频率成份对应于符号速率，如图 2 5 所示。然后对该正弦波放大整形，经适当延迟形成取样时钟基准。图2 5 的定时同步电路，结构简单，容易实现，但实际应用中，由于存在噪声，非 线性处理将引入附加的噪声成份，且简单的放大整形存在较大的脉冲边沿抖 动，所以对于定时同步要求较高的地方，使用受到限制。因此图2 5 只在一 些要求不高地方使用。其性能受输入信号信噪比的影响较大。为了减小噪声 的影响，就要减小滤波器的带宽，过小的滤波器带宽带来较长的时间暂态， 当信道出现衰落时( 如短波信道传输环境) ，容易产生同步信号丢失的问题， 对于采用p l l 锁相环技术的结构，则会因失锁和入锁的时差导致跳周。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图2 5 基于非线性处理的同步结构 另一种实现方法如图2 6 所示，接收的采样信号送到定时相位检测器， 确定当前信号的相位是超前还是滞后，相位检测器给出定时误差信号，然后 通过环路滤波器控制v c o 或n c o ( 数字方式) 来调整取样时间。定时相位检 测器可以分成两种类型，一种是利用接收信号中已知数据信息的估计来获得 定时同步信息误差，称为判决修正( d d ) 或数据辅助a ) 方法，另一种则不利 用这些信息，称为非判决修正( n d d ) 或非数据辅助( n d a ) 方法。一般来讲d d 定时相位检测器性能较好，可以接近检测器的性能限，但它对载波的相位偏 差要求也较高。相反n d d 方法的性能要差一些，但它对相位偏差的要求要 低得多。 图2 6 基于工q 信号的定时同步结构 6 0 年代定时同步主要是采用模拟技术实现，随着数字技术的发展，定时 同步的实现已经从模拟到模数混合1 8 l ，从全数字到数字，软件混合【1 9 i 2 0 1 ，甚 1 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 至纯软件实现 2 ”，其发展速度是很快的。这也得益于同步性能分析技术的发 展，在过去的几十年中，由于引入了最大似然估计( v i l e ) 和最大后验概率模 型( m a p ) 以及软件仿真工具，改进了统计分析方法，大大改善了定时同步的 性能。最先将最大似然模型引入同步性能分析的是w i n t z 和l e u k e 【2 2 j ，他们 分析了前馈非线性定时同步结构的m l 实现，推导了基本性能限，后来 s t i f f l e r l 2 3 】和l i n d s e y 及s i m o n 2 4 j 给出了m l e 和m a p 方法更详细的描述和分 析，推动了定时同步技术的发展，特别是在多维商阶信号的定时同步【2 5 】阳 和移动通讯中的定时同步2 7 1 【2 8 1 ，以及近年来采用自适应技术的定时同步伫9 1 。 对于连续信号的通信系统，定时同步的获取时间相对来讲可以忽略，因 此其定时同步技术多采用反馈( f b ) 同步技术，这是因为f b 同步结构中的锁 相环具有良好的跟踪性能，利用环路滤波器可以基本消除定时抖动现象，使 得处理损耗较小。相反地，对于时分多路信号和瞬时突发信号，由于信号的 持续时间较短，定时同步的入锁时间必须尽可能短，因此其同步处理技术不 同于连续信号的通信系统。 2 4 2 突发信号的定时同步 突发信号或时分复用的系统在现代通信中占据越来越重要的地位，如 t d m a 时分多址通信系统、跳频通信系统等。这类信号的传输每次只占用很 短的时间片，通常将此时间片称为时隙，不同的用户占用不同的时隙，图2 7 是一般的t d m a 时帧结构，其中g b 为保护比特，s y n c 为同步数据，h 为时 隙头，o t 保护时间。该时帧结构可容纳n 个用户，一般不同系统的时隙长度 和比特数不同，如美国的d a m p s 系统的比特数为3 2 4 ，欧洲的g s m 系统 为1 5 6 2 5 ，i n m a r s a t 系统为3 1 6 。实际应用中，比特数和时隙长度的取值 与系统的指标和设计有关，而时隙中的同步比特与定时同步有关，一般放在 时隙的前端，称为“前导”：也有的放在中间，如g s m 系统。在g s m 系统 中这些数据不仅作为同步比特，还兼作均衡用的训练序列，有些文献称此为 “中导”。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 f r a t a e 图2 7t d m a 帧的一般结构 与连续传输的系统相比，突发或t d m a 中的解调和定时同步更复杂，这 是由突发通信的特点决定的。在突发通信中，为了保证同步的性能，通常需 要一定长度的前导符号，用来获取同步信息，前导越长，定时抖动越小。但 时隙内传输的符号数是一定的，长的前导将导致系统的吞吐率下降，而前导 越短，要求同步就越快，同步误差和抖动也就会越大，直接结果是误码率上 升，因此突发形式的定时同步矛盾较大。为了解决这一矛盾，在突发或t d m a 接收中，定时同步的性能并不要求最佳，而只要求在允许的偏差范围内。尽 管如此，同步的快速获取及稳态性能仍然存在问题，特别是对于f b 模式的 定时同步，一种解决办法是采用多种环路滤波器，在同步获取时用宽的环路 滤波器来缩短同步时间，而在保持时用窄的环路滤波器来提高稳态性能，另 一种途径是采用估计算法的f f 定时同步技术。 突发模式的同步方法，早期主要是借鉴于连续模式的方法【2 引，随着信号 处理技术的发展，基于块处理和内插重采样 3 1 1 1 3 2 1 的定时同步技术引起广泛关 注，图2 8 给出了这种同步处理的结构示意，信号经过滤波抽样，送入数据 缓冲器暂存，定时估计单元利用缓冲器的块数据估计定时偏差，并控制内插 滤波器调整取样时刻。 锚斗三丑( 习三丑恒警 f l 定时估计卜_ _ j 图2 8 基于块处理的定时同步结构 1 9 哈尔滨工程人学硕士学位论文 基于块处理的同步技术和定时估计技术可以解决t d m a 通信模式中前 导开销、同步时间和稳态性能等问题，分析表明如果矛吐用足够长的数据长度 这种方法可以达到有前导同样的精度，甚至更高的同步精度，c h a l m e r s 的工 作就是一个例子 3 3 j 。但由于没有前导数据，定时同步、载波恢复和数据检测 等带来的问题将使接收机的设计变得复杂起来，o s h a w a a 4 采用递归思想来处 理这个问题似乎可以给我们以启发l j 。 2 5 本章小结 本章主要介绍了数字通信系统中信号和噪声的数学表示、接收机的模 型、信号接收的同步技术以及定时同步技术的分析方法。本章为本文后续的 研究工作奠定了理论基础。 2 0 堕签堡三堡盔堂堡主堂垡迨塞 第3 章定时同步的影响与最大似然估计 本章主要讨论定时同步偏差对接收性能的影响和同步估计的最大似然方 法，同步偏差对接收性能的影响是明显