（通信与信息系统专业论文）非协作通信中mpskmqam信号盲解调技术研究.pdf

摘要摘要在非协作数字通信系统中，发送端所采用的调制方式对于接收端来说是不确定的，因此，完成信息接收所需要的调制参数，包括滚降系数、符号率和载波频率等信息对于接收机来说都是未知的。所以，在非协作通信中，接收机必须采用盲解调技术，从接收信号中提取必要的信号参数，来完成对接收信号的正确解调。盲解调技术的研究，是非协作通信系统中合理设计盲接收机和获得最佳解调性能的基础。本文以非协作数字通信系统为背景，以存在较大参数估计误差情况下的盲接收性能改善为目标，深入地研究了m p s k m q a m 通信模式下滚降系数不匹配对接收性能的影响、符号同步的辅助捕获方法以及载波同步和盲均衡的协同设计等技术。全文的主要内容如下：第二章研究了大符号率偏差情况下的辅助符号同步捕获方法。现有关于符号同步的研究工作大多基于简单的协作通信模型，很少涉及在复杂环境中如何校正大的符号率偏差。本章提出了一种新的适用于m p s k m q a m 的辅助符号同步捕获方法一调整环路带宽和搜捕相结合的方法，该方法可以快速捕获大的符号率偏差( 5 ) ，并且稳态性能较好。第三章研究了在接收端无处理和采用定时恢复两种情况下，收发端滤波器滚降系数不匹配和滤波器阶数不匹配对m p s k m q a m 信号接收性能的影响。仿真结果表明，在未知发送端滚降系数的情况下，将接收端滚降系数设为o 5 o 7 对接收性能的影响最小。另外，接收机采用更高阶数的滤波器不会明显改善接收性能，反而会增加实现复杂度。第四章研究了载波同步和盲均衡的协同设计技术。多径衰落和多普勒频移等引起的信道失真给非协作通信条件下的正确解调带来了极大挑战。盲均衡是实现信号盲解调的关键技术之一，是补偿信道失真的重要手段。为了校正恶劣信道条件下大的载波频率偏差，提出了适用于m p s k m q a m 信号的载波恢复和盲判决反馈均衡器的混合接收机结构，该接收机结构在实现信道均衡的同时可以校正大的载波频率偏差和相位偏差。载波恢复环路采用改进的通用载波恢复环算法。对于m p s k 信号盲判决反馈均衡器采用s g c m a + d d l m s ( s t o p - a n d g oc o n s t a n tm o d u l u sa l g o r i t h m + d e c i s i o n - d i r e c tl o a s t m e a n - s q u a r e ) ，对于m q a m 信号盲判决反馈均衡器采用s g m c m a + d d l m s ( s t o p a n d g om o d i f i e dc o n s t a n tm o d u l u s摘要a l g o r i t h m + d e c i s i o n d i r e c tl e a s t m e a n s q u a r e ) 算法。s i m u l i n i k 仿真结果验证了上述算法在恶劣的莱斯和瑞利信道下的有效性。最后对全文进行了总结，指出了需要进一步研究的问题。关键词：盲解调，辅助符号同步捕获方法，滚降系数不匹配，载波恢复，盲判决反馈均衡器a b s t r a c ti nn o n c o o p e r a t i v ed i l g i t a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，t h em o d u l a t i o nt y p eo ft h et r a n s m i t t e ri su n c e r t a i nf o rt h er e c e i v e r , s ot h em o d u l a t i o np a r a m e t e f sr e q u i r e db yc o m p l e t i o no fi n f o r m a t i o nr e c e i v i n gc o n s i s to fc a r r i e rf r e q u e n c y , s y m b o lr a t e ，a n dr o l l - o f ff a c t o ro ft h et r a n s m i t t e ra r eu n k n o w nf o rt h er e c o e i v e r i no r d e rt od e m o d u l a t et h er e c e i v i n gs i g n a lc o r r e c t l y , t h er e c a , ： i v e rm u s te x t r a c tn e c e s s a r yp a r a m e t e r sf r o mt h er e c e i v e ds i g n a la n da d o p tb l i n dd e m o d u l a t i o nt e c h n o l o g i e s t h ei n v e s t i g a t i o no fb l i n dd e m o d u l a t i o nt e c h n o l o g i e si st h ef o u n d a t i o no fr e a s o n a b l yd e s i g n i n gt h er e c e i v e rt oo b t a i nt h eb e s td e m o d u l a t i o np e r f o r m a n c ei nn o n - c o o p e r a t i v ed i g i t a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s t oa c h i e v eb l i n dr e c e i v i n gp e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n t 、析mb i g g e rp a r a m e t e re s t i m a t i o n 既r o r , t h i sd i s s e r t a t i o nd e e p l yi n v e s t i g a t e st h em i s m a t c h e dr o l l o f ff a c t o ro nr e c e i v i n gp e r f o r m a n c e ，s y m b o ls y n c h r o n i z a t i o na c q u i s i t i o n - a i d i n gm e t h o d , t h ej o i n tc a r r i e l s y n c h r o n i z a t i o na n db l i n de q u a l i z a t i o nt e c h n o l o g yf o rm p s k m q a ms i g n a l s 1 1 1 em a i nc o n t e n t so f t h i sd i s s e r t a t i o na l ea sf o l l o w s ：c h a p t e r2i n v e s t i g a t e st h es y m b o ls y n c h r o n i z a t i o na c q u i s i t i o n - a i d i n gm e t h o dw i t hl a r g e rs y m b o lr a t eo f f s e t a sm o s to ft h ep r e s e n tr e s e a r c hw o r ko fs y m b o ls y n c h r o n i z a t i o ni sb a s e do ns i m p l ec o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o nm o d e la n df e wc o n s i d e r s l a th o wt oc o r r e c tb i gs y m b o lr a t eo f f s e ti nc o m p l e xe n v i r o n m e n t , t h i sc h a p t e rp r o p o s e st h es y m b o ls y n c h r o n i z a t i o na c q u i s i t i o n - a i d i n gm e t h o db ys c a n n i n ga n da d j u s t i n gl o o pb a n d w i d t h w i t ht h eh e l po ft h i sm e t h o d , t h et i m i n gr e c o v e r yl o o pc a nc a p t u r el e s st h a n5 s y m b o lr a t eo f f s e tq u i c k l yw i mg o o ds t e a d yp e r f o r m a n c e c h a p t e r3i n v e s t i g a t e st h ee f f e c t so fr o l l o f ff a c t o re r r o ra n dt h em i s m a t c h e df i l t e ro r d e ro nt h er e c e i v i n gp e r f o r m a n c ef o rt h er e c e i v e rw i mt i m i n gr e c o v e r yo rw i t h o u tr e c e i v i n gp r o c e s s i n g ( w i t h o u tt i m i n gr e c o v e r y ) i ti sr e a s o n a b l et os e tt h er o l l o f ff a c t o ro ft h er e c e i v i n gs q u a r e - r o o tr a i s e dc o s i n ef i l t e rt ob e0 5 - 0 7w i t h o u tk n o w i n gt h er o l l - o f ff a c t o ro ft h et r a n s m i s s i o ns q u a r e - r o o tr a i s e dc o s i n ef i l t e ra n di th a st h el e a s ti n f l u e n c eo nr e c e i v i n gp e r f o r m a n c e m o r e o v e r , t h eh i g h e ro r d e r ( w h i c hm e a n sg r e a t e ro u t - o f - b a n da t t e n u a t i o n ) o fr e c e i v i n gf i l t e rc a nn o ti m p r o v et h er e c e i v i n gp e r f o r m a n c ei l lo b v i o u s l y , i n s t e a d ，i n c r e a s e st h ei m p l e m e n t a t i o nc o m p l e x i t y c h a p t e r4i n v e s t i g a t e st h ej o i n tc a i t i e rr e c o v e r ya n db l i n de q u a l i z a t i o nt e c h n o l o g y c h a n n e ld i s t o r t i o nc a u s e db ym u l t i p a t hf a d i n ga n dd o p p l e rf r e q u e n c ys h i f tb r i n g sag r e a tc h a l l e n g et ot h ec o r r e c td e m o d u l a t i o ni nn o n - c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n b l i n de q u a l i z a t i o ni so n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e so fb l i n dd e m o d u l a t i o nt oc o m p e n s a t et h ec h a n n e ld i s t o r t i o n aj o i n tr e c e i v e rs t r u c t u r ew i t hc a r r i e rr e c o v e r ya n db l i n dd e c i s i o nf e e d b a c ke q u a l i z a t i o ni sp r o p o s e df o rm f s k m q ms i g n a l st oc o m p e n s a t ec l a a n n e ld i s t o r t i o na n dc o r r e c tl a r g ec j a l t i e rf r e q u e n c yo f f s e ta n dp h a s eo f f s e t t h ec a l t i e rr e c o v e r ya d o p t sg e n e r a lc a r r i e rr e c o v e r yl o o p f o rm p s ks i g n a l sb l i n dd f ea d o p t ss g - c m a - d d - l m sa l g o r i t h m ( s t o p - a n d - g oc o n s t a n tm o d u l u sa l g o r i t h m +d e c i s i o n - d i r e 圮tl e a s t - m e a n - s q u a r e ) a n df o rm q a ms i g n a l sb l i n dd f ea d o p t ss g - m c m a - d d - l m s ( s t o p - a n d g om o d i f i e dc o n s t a n tm o d u l u sa l g o r i t h m +d e c i s i o n - d i r e c tl e a s t - m e a n - s q u a r e ) a l g o r i t h m s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e ds c h e m ec o u l da c h i e v ed i s t o r t e dc h a n n e le q u a l i z a t i o na n dl a r g ec a r r i e ra c q u i s i t i o ns c o p ei nd i s t o r t e dc h a n n e l st h el a s tp a r ti st h es u m m a r yo ft h i sd i s s e r t a t i o n , a n df u t u r er e s e a r c hw o r ki sp o i n t e do u t k e y w o r d s ：b l i n dd e m o d u l a t i o n ，s y m b o ls y n c h r o n i z a t i o na c q u i s i t i o n - a i d i n gm e t h o d ，t h em i s m a t c h e dr o l l - o f ff a c t o r , c 凋l t t i e rr e c o v e r y , b l i n dd e c i s i o nf e e d b a c ke q u a l i z e ri v图目录图目录图1 1 非协作数字通信系统盲解调器结构框图2图2 1 定时恢复环路框图1l图2 - 2 采用模拟滤波器的数据速率转换图。1 1图2 3 内插原理示意图1 2图2 _ 4s 曲线( 1 6 q a m ) 1 3图2 5 环路滤波器输出曲线1 7图2 _ 6 定时恢复环路的收敛特性曲线1 9图2 71 6 q a m 在不同符号率偏差下的误比特率曲线2 0图2 81 6 q a m 在不同正负符号率偏差下的误比特率曲线2 0图2 - 9 在符号率偏差为5 时不同调制方式的误比特率曲线2 1图3 1 数字基带传输系统框图2 4图3 2 仿真模型2 5图3 3 滚降系数为0 5 的1 2 0 阶s r r c 幅频响应2 6图3 _ 4 滚降系数为0 5 的4 0 阶s r r c 幅频响应。2 7图3 5 误比特率曲线1 6 q a m + 4 0 阶发+ 4 0 阶收。2 8图3 - 6 误比特率曲线1 6 q a m + 1 2 0 阶发+ 1 2 0 阶收2 8图3 - 7 误比特率曲线1 6 q a m + 4 0 阶发+ 4 0 阶收+ 定时恢复2 9图3 8 误比特率曲线1 6 q a m + 1 2 0 阶发+ 1 2 0 阶收+ 定时恢复2 9图3 - 91 6 q a m 接收端无处理和采用定时恢复时的误比特率曲线3 0图3 10 收发端根升余弦滤波器阶数不匹配对误比特率的影响31图3 1 1 收发端根升余弦滤波器阶数不匹配+ 定时恢复对误比特率的影响3 1图3 1 2 误比特率曲线o q p s k + 4 0 阶发+ 4 0 阶收，历 n o = 8 d b 3 2图3 1 3 误比特率曲线3 2 q a m + 4 0 阶发+ 4 0 阶收，历n o = 1 6 d b 3 3图3 1 4 误比特率曲线6 4 q a m + 4 0 阶发“o 阶收，e b n o = 1 7 d b 3 3图4 1 载波恢复和判决反馈均衡器的混合接收机结构3 6图耷2 系统仿真模型4 2图禾38 p s k 在莱斯信道下各种均衡算法的均方误差曲线4 3图4 - 48 p s k 在莱斯信道下载波恢复环路的收敛特性曲线4 4v m图目录图4 51 6 q a m 在莱斯信道下各种均衡算法的均方误差曲线4 5图4 - 61 6 q a m 在莱斯信道下载波恢复环路的收敛特性曲线4 5图4 73 2 q a m 在莱斯信道条件下均衡器输出信号星座图4 6图4 - 83 2 q a m 在莱斯信道下各种均衡算法的均方误差曲线4 7图4 _ 93 2 q a m 在莱斯信道下载波恢复环路的收敛特性曲线4 7周4 - 1 08 p s k 在瑞利信道条件下各种均衡算法的均方误差曲线4 8图4 - 1 18 p s k 在瑞利信道条件下载波恢复环路的收敛特性曲线4 9图4 - 1 21 6 q a m 在瑞利信道下各种均衡算法的均方误差曲线4 9图4 - 1 31 6 q a m 在瑞利信道下载波恢复环路的收敛特性曲线5 0图4 - 1 41 6 q a m 在瑞利信道条件下均衡器输出信号的星座图5 0图4 - 1 53 2 q a m 在瑞利信道下各种均衡算法的均方误差曲线5 1图4 1 63 2 q a m 在瑞利信道下载波恢复环路的收敛特性曲线。5 2i x缩略语缩略语a u t o m a t i cg a i nc o n t r o lb i te r r o rr a t ec o n s t a n tm o d u l u sa l g o r i t h md e c i s i o n - d i r e c tl e a s t - m e a n - s q u a r ed e c i s i o nf e e d b a c ke q u a l i z e rf r e q u e n c yd e t e c t o rg a r d n e rf r e q u e n c yd e t e c t o ri n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c el o o pf i l t e rm o d i f i e dc o n s t a n tm o d u l u sa l g o r i t h mn u m b e rc o n t r o lo s c i l l a t o ro f f s e tq u a d r a t u r ep h a s es l l i f k e y i n gp h a s ed e t e c t o rp h a s ef r e q u e n c yd e t e c t o rs y m b o lr a t e0 凰e ts q u a r e r o o tr a i s e dc o s m et i m i n ge r r o rd e t e c t o rf e e df o r w a r de q u a l i z e rf e e db a c ke q u a l i z e rm u f f m o d u l u sa l g o r i t h mm o d i f i e dm u t i - m o d u l u sa l g o r i t h m )m e a ns q u a r ee r r o rx自动增益控制误比特率恒模算法面向判决最小均方判决反馈均衡器频率检测加德纳频率检测方法码间干扰环路滤波器改进的恒模算法数控振荡器偏移四相相移键控相位检测相位频率检测法符号率偏差根升余弦滤波器定时误差检测前馈均衡器反馈均衡器多模算法改进的多模算法均方误差mak：必觥陬僦啪m删m肿善；一珊眦眦一鐾|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。签名：握蝗趁日期：2 d o 年午月f 7 日论文使用授权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：盛蝗珍导师签名：l -、一p彳o 乃、日期：圳。年牛月7 日第一章绪论第一章绪论1 1本文的研究意义和课题来源目前大多数通信系统都是协作通信系统。在协作通信系统中，接收信号的调制方式、成型滤波器、载波频率、符号率、调制指数( s k 中用) 和滚降系数( m p s k 和m q a m 中用) 等参数等信息对于接收机来说都是已知的，因此接收机可以利用这些已知信息，设计相应的接收机结构和解调算法，从而获得最佳的接收性能。这种收发双方相互协调的协作通信模式被称为协作式通信。事实上，在许多实际应用中，人们除了遇到协作通信问题，还会遇到许多非协作通信问题。在非协作通信系统中，接收信号的各种参数对于接收机都是未知的，接收机不能采用数据辅助的算法来对信号参数进行估计。因此，接收机需要在先验知识缺乏的条件下，采用盲信号处理技术，从接收信号中提取必要的信号参数，来设法完成信号的侦察和正确解调。例如，政府部门监视民用通信信号的活动情况，防止非法利用和干扰无线频谱，保证合法通信正常进行；军事上的通信情报系统，用来进行威胁识别，选择电子干扰策略，截获敌方情报。因此，这种在不影响收发双方正常通信的前提下，完成对接收信号的信息分析和正确解调，称为“非协作式通信1 1 。在非协作通信模式下，非授权接收端与发送端构成的数字通信系统，称为“非协作数字通信系统 。在非协作通信系统中，接收机完成对发端信号的有效接收和正确解调，称为“盲接收 或“盲解调。深入研究盲解调技术具有重要的理论意义和应用价值。若能够对截获信号的调制参数进行有效估计，实现盲解调，获得通信内容，通信对抗的有效性将会得到极大提高。本文主要对非协作数字通信系统的盲解调技术进行研究。本文的课题来源于中国电子科技集团公司第2 9 研究所合作项目“非协作通信m p s k m q a m 实时解调技术研究 和“非协作通信m f s k m c p f s k m s k g m s k o q p s k 实时解调技术研究 。电子科技大学硕士学位论文1 2 盲解调器基本结构目前，随着数字信号处理技术、计算机技术和微电子技术的发展，采用全数字接收机实现信号解调已成为发展趋势。非协作数字通信系统盲解调器的结构框图如图1 1 所示【1 1 。图1 - 1 非协作数字通信系统盲解调器结构框图由图1 1 可知，非协作数字通信系统盲解调器一般都由a d 变换、自动增益控制、载波同步( 载波恢复) 与符号同步( 定时恢复) 、载波频率估计、符号率估计、盲信道估计与盲均衡、调制方式识别、符号判决与比特流转换等功能模块构成。虽然盲解调器所需模块大致相同，但是由于先验知识和具体应用场合不同，其实现形式各异。一般，接收机首先在接收机前端利用下变频器将接收信号变成中频信号，然后利用模数转换器将模拟信号变换为数字信号。a d 采样信号经过数字下变频，转换为一个准基带信号，它含有相偏、频偏、多径及噪声等干扰。接收信号受噪声干扰的影响，可能有几十分贝的动态变化范围，需要采用自动增益控制( a g c ，a u t o m a t i cg a i nc o n t r 0 1 ) 技术，调节接收机前端放大器的增益，使输出信号的平均振幅稳定，从而抵消信道衰落对星座图的影响，保证a d 的输入是最优的。a g c 的一种常用实现方式是根据a d 输出估计信号功率，并利用一阶锁相环路跟踪增益判决。a g c 技术也可以结合面向判决技术来实现，该实现方式需结合符号同步、载波同步和均衡器等功能模块。相对于前者来说，后者可获得一定的性能增益，但是由于该环路中包含了符号同步、载波同步和均衡等功能模块，闭环控制比较复杂，环路处理时延较大，不适合高速时变系统。因此，实际中常采用前一种实现方式。2第一章绪论数字调制信号的参数估计是非协作数字通信系统盲解调的基础。数字通信中的调制参数包括载波频率、符号率调制指数( m f s k 中用) 和滚降系数( s k和m q a m 中用) 等，它们决定了信号的功率效率和频谱效率，对系统的复杂度和最终的接收性能有直接的影响。对中频信号或者基带信号进行符号率估计，获得符号周期，是数字化盲解调工作的基础。符号周期信息的获得，使得符号同步和载波同步成为可能，也使得调制方式识别可以顺利实施。广义上，调制方式也属于调制信号的参数特征，因此，它也可以归类于信号参数盲估计。调制方式识别是在调制信息内容和调制参数未知的条件下，判断出调制类型，给出相应的调制参数，为接收机选择合适的解调算法提供参数依据。符号同步技术，是指在信号波形眼图张开最大时刻( 即最佳采样点) 进行抽样，恢复出所发送的码元符号。进行符号同步是相干接收机的首要步骤，是通信可靠进行的基础。在高速数字通信系统中，精确的符号同步对系统性能的影响更为突出，不正确的采样时刻会引入额外的码间干扰( i s i ，i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e ) 。由于i s i 的存在，符号同步在频率选择性信道中实现起来更难。许多依赖于训练序列的符号同步方法和不依赖于训练序列的盲方法，都需要联合估计信道。接收端的本振时钟频率不准确以及多普勒频率偏移导致经过粗解调后的基带信号中存在残留载波偏差；传输中因受到信道的时变特性、噪声干扰和前端电路等因素的影响，接收信号相位还会产生抖动。载波同步技术，就是为了对载波频率偏移和相位进行校正。数字通信系统中，为完成信号粗解调，利用插入导频方法或者直接自同步法，对中频数字信号进行载频估计，是实现载波恢复的常用方法。在非协作通信下，锁相技术是实现载波恢复的常用实现方式。它的主要特点是用载波相位误差信息反馈去控制本地载波压控振荡器，来实现载波同步。信道有限传输带宽以及多径衰落和多普勒频移等引入的i s i ，使得接收信号发生畸变，给非协作通信条件下的正确解调带来了极大挑战。盲均衡是实现信号盲解调的关键技术之一，是补偿信道畸变的重要手段。一种常用的克服i s i 的方法是利用判决反馈均衡器( d f e ，d e c i s i o nf e e d b a c ke q u a l i z e r ) 。在非协作通信中，如果直接使用d f e ，较高的误码率和错误传播问题将导致d f e 在大多数信道条件下很难收敛，需要先采用盲信道估计算法获得信道系数，并对d f e 作适当初始化。另一种常用的克服i s i 的方法是采用面向判决最小均方均衡器( d d l m s ，d e c i s i o n d i r e c tl e a s t - m e a n s q u a r e ) 。同样，在非协作通信中，直接采用d d l m s也很难获得有效收敛，必须采用一种可在信道闭眼条件工作的盲均衡算法来启动3电子科技大学硕士学位论文d d l m s ，比如恒模算法( c m a ，c o n s t a n tm o d u l u sa l g o r i t h m ) 。对上述关键技术的研究，是合理设计盲接收机和获得最佳解调性能的基础。数字调制信号的参数估计不是本课题的研究重点，本课题是在参数估计的基础上，以存在较大参数估计误差情况下的盲接收性能改善为目标，对m p s k m q a m 通信模式下的滚降系数不匹配对接收性能的影响，以及辅助符号同步捕获、载波同步和盲均衡协同设计等技术进行研究。1 3本课题研究历史与现状1 3 1基于滚降系数不匹配的接收机设计准则滚降系数是m p s k m q a m 信号的一个重要参数，刻画了信号的带宽和信号起伏程度，它和波特率、载波频率等调制参数一起决定了信号的带宽和频谱利用率，对最终的系统性能有着重要的影响，并直接决定了接收机的复杂度。在协作通信系统中，发送端的滚降系数对于接收机是精确已知的。接收方根据此参数可设计相应的接收机结构和解调算法。但是对于非协作通信系统，发送端的滚降系数对于接收方是未知的，此时有两种方法可供选择：( 1 ) 对接收信号的滚降系数进行估计；( 2 ) 固定一个滚降系数，对所有的接收信号进行相同的处理。目前关于滚降系数估计方面的文献很少。文献 2 】提出了一种基于傅里叶反变换的滚降系数估计方法，但是该算法的估计精度受算法复杂度的限制。文献【3 】研究了滚降系数误差对m p s k 误码性能的影响，结果表明滚降系数不匹配对误码性能的影响很小。上述结论，对于非协作通信具有重要意义，但是该结论能否推广到m q a m 信号和偏移四相键控( o q p s k , o f f s e tq u a d r a t u r ep h a s es h i f tk e y i n g ) 信号，需要更深入地研究。1 3 2 同步技术1 3 2 1符号同步技术( 定时恢复)在协作通信中，符号率对于接收方是已知的，接收方根据此参数可以选择合适的符号同步算法，设计出具有最佳性能的接收机，但是由于发射机和接收机的晶振都会产生漂移，使得接收信号的时钟存在频率偏差即符号率偏差( s r o ，s y m b o lr a t eo f f s e t ) ，一般很小不会超过0 5 。而在非协作通信中，接收机并不能预先准确地知道发送端所采用的符号率，为了能够对接收信号进行正确解调，4第一章绪论需要采用小波变换【4 】、循环自相关【5 】和快速傅里叶变换【6 】6 等符号率估计算法来估计此参数，然而这些算法的估计精度受算法复杂度的限制。如果定时恢复环路能够校正大的符号率偏差，就可以降低在复杂环境下对符号率估计算法的精度和高效性要求。目前在数字通信系统中应用很广的符号同步算法主要有w d m 算法【7 1 、m & m算法嗍、g a r d n e r 算澍9 】。w d m 算法每符号需要大量的采样点，只适用于基带信号；m & m 算法每符号只需一个采样点，但需直接判决，且判决的可靠性依赖于载波同步；g a r n e r 算法每符号只需两个采样点，易于全数字实现，且不受载波频偏影响，可以和载波恢复模块分开设计，所以该算法应用很广。但是这些符号同步算法大多基于简单的协作通信模型，很少涉及在复杂环境中如何实现大符号率偏差情况下的符号同步。文献【1 0 】中q p s k 调制解调器中的g a r d n e r 定时恢复算法可以校正o 1 的采样率偏差( 即0 1 符号率偏差) 。文献 1 1 】中d v b c 接收机中的定时恢复电路通过调节环路带宽可以捕获0 0 4 以上的时钟频率偏移，也就是0 0 1 以上的符号率偏差，但没有明确指出符号率偏差的捕获上限。文献 1 0 】和文献 1 l 】中定时恢复环路都是对协作通信中的小的符号偏差进行校正。1 3 2 2载波同步技术( 载波恢复)在非协作通信中，接收机缺乏发送信号的精确频率信息以及多普勒频移等因素都会使载波频率产生偏差；发送信号的传播延时、信道的时变特性和前端电路等因素将会引起载波相位产生偏差，使接收信号发生相位抖动。载波恢复的目标就是在噪声存在的条件下，实现载波频率偏差和相位偏差的校正。在接收机中，处理载波同步的基本方法有两种。一种是复用法，通常在频域采用导频信号使本地振荡器与接收信号的载波相位和频率同步，接收机采用锁相环来获取并跟踪未调载波分量；第二种方法是直接法，从已调信号直接提取出载波相位估计值，该方法的优点是全部发送功率都分配给携带信息的信号传输，在非协作通信中这种方法用的较多。数字解调中的载波恢复方法分为面向判决和非面向判决两类。面向判决方法通过判决后数据和判决前数据的处理来得到相位估计值。而非面向判决方法则将数据处理为随机变量。直接判决方法【1 2 】是一种传统的面向判决锁相环法，该算法依赖于判决结果的可靠性，当载波频偏或相偏较大时，符号判决值不可靠，很难实现载波同步，但5电子科技大学硕士学位论文当载波频差较小时，该算法相位抖动很小，因此常用于环路的跟踪。文献 1 3 】提出的通用载波恢复环，也属于面向判决环，适用于q a m 信号，该环路结构简单、易于实现，同样在载波频差较小时，可有效恢复出载波。平方环【1 4 】是一种非面向判决环，主要用于建立双边带抑制信号的载波相位。此算法相位误差较大，且存在1 8 0 。相位模糊问题。传统四次方环法，无需对传送数据进行判决，结构相对简单，但是用于q a m 信号时，相位抖动的大小受锁相环的环路带宽限制。改进四次方环法【1 5 】【1 6 1 可用于q a m 信号的载波恢复，且信道存在严重衰落时也可实现载波同步。但传统四次方环法和改进四次方环法的捕获性能会随q a m 阶数的增加而衰减，相位误差也较大，且它们属于中频处理方式，硬件实现比较困难。科斯塔斯多 ：( c o s t a r ) 也是一种非面向判决环，锁定误差小，可靠性较高，但存在1 8 0 。的相位模糊问题。减星座相位检测算法【1 7 】，只选取了星座图角上的点，并使用面向判决算法对选取的点进行检测，具有较好的鲁棒性，可在较恶劣的环境下实现载波的捕获，但不适用于高阶q a m 信号的载波恢复。极性判决算法【1 8 h 1 9 1 可以任取到原点距离较远的点进行检测，且只考虑这些点的极性。该算法具有快速而稳健的捕获性能，可用于高阶q a m 的载波恢复。加德纳频率检测方法( g f d ，g a r d n e rf r e q u e n c yd e t e c t o r ) 【2 0 】是根据最大似然原则提出的，可以校正大于波特率的频率偏差。但是对- ：q a m 调制方法来说，g f d只能实现大范围的载波频率调整，很难实现载波相位和频率的精确调整，而且实现较为复杂。频率扫描方法可以扩展频率捕获范围，但是当环路带宽非常窄时( 相比输入频率) ，捕获时间很长。扫频的最大速率不超过环路自由频率的一半，这一局限导致环路捕获速度慢。相位频率检测法( p f d ，p h a s ef r e q u e n c yd e t e c t o r ) 【2 1 1 ，是在环路锁定前，采用频率检测( f d ，f r e q u e n c yd e t e c t o r ) 方法捕捉较大的频差，当频偏校正到小于1 0 - 3 ，环路锁定后，采用相位检测( p d ，p h a s ed e t e c t o r ) 方式进行跟踪。p f d 算法扩展了p d 算法的频率捕获范围，且环路有较好的稳态性能，因为频偏被捕获后环路切换到p d 模式，进一步校正了残留的小频偏和相偏。但是该算法受信道噪声影响较大，信道失真严重时，很难实现载波同步。6第一章绪论1 3 3 盲均衡盲均衡是指不需要借助训练序列，仅根据接收信号的信息就可以补偿多径衰落和多普勒频移等引起的信道失真。盲均衡算法的核心思想是利用接收信号中隐含的统计信息和结构信息来获取对信道的认识，并将此作为调整均衡滤波器的依据。信号结构信息包括信号发送信号的有限字符特性、包络是否恒定等。信号的统计信息则包括信号的二阶循环平稳统计量和高阶统计量。根据如何利用信号的统计量，盲均衡可分为三类【2 2 】：基于显性高阶统计量的盲均衡算法、间接利用高阶统计量的梯度下降算法和基于循环平稳统计量的盲均衡算法。1 3 3 1间接利用高阶统计量的梯度下降算法这类算法的典型代表是b u s s g a n g 算法，它是一种隐含的高阶统计量算法，均衡器系数的自适应调整采用梯度下降算法。b u s s g a n g 算法的四个典型特例为g o d a r d算法【2 3 1 、s a t o 算法1 2 4 、b g 算法【2 5 】和s t o p a n d g o g , 法t 2 6 1 。这类算法运算量小，易于实现，但算法的收敛时间较长，且剩余误差较大。1 3 3 2基于显性高阶统计量的盲均衡算法二阶统计量很难区分信道是最大相位还是最小相位的，所以对于非最小相位信道，不能用二阶统计量来设计均衡器。而信号的高阶统计量能同时反映系统的幅频特性和相频特性，还可以抑制加性高斯噪声。这类盲均衡算、法【2 7 1 - 【2 8 】能够获得全局收敛，但需要大量的观测数据，计算复杂度高。1 3 3 3基于循环平稳统计量的盲均衡算法通信信号多数具有循环平稳特性，即信号的统计量是时间的周期函数，不是时不变的【2 9 】。如果输入信号为平稳的，则至少需要三阶统计量才能获得非最小相位系统的相位信息。若系统的输入信号具有循环平稳特性，则只需二阶统计量就可以均衡非最小相位系统【3 0 】。1 4本文主要研究内容及创新本文以非协作数字通信系统为背景，以存在较大参数估计误差情况下的盲接收性能改善为目标，x f f m p s k m q a m j i 直信模式下的滚降系数不匹配对接收性能的影响以及辅助符号同步、载波同步和盲均衡协同设计等技术进行研究。本文所做7电子科技大学硕士学位论文的研究工作基于以下条件：信号的调制类型和信道条件己知，接收端己经完成中频接收、增益控制和变频处理，也就是说接收信号基于基带信号模型。主要的研究内容及创新工作如下：( 1 ) 为了实现大的符号率偏差情况下的符号同步，研究了辅助符号同步捕获方法调整环路带宽，它可以快速捕获0 5 的符号率偏差。为了扩大符号率偏差的捕获范围，本文又提出了一种新的辅助符号同步捕获方法一搜捕，但是搜捕的方法受搜捕间隔和搜捕步长的限制。为了缩短总的搜捕时间并确保在给定的搜捕间隔内捕获到符号率偏差，最后选取搜捕和调整环路带宽相结合的方法，该方法可以快速捕获大的符号率偏差( 5 ) ，并有较好的稳态性能。( 2 ) 现有的基于滚降系数误差的接收机设计方法有两种，一种是对观测信号的滚降系数进行估计，这种方法估计精度高，但算法复杂度相对较大；另一种是直接把接收端的滚降系数设为一个固定值，这种方法的研究主要集中在m p s k 调制方式，缺乏对m q a m 的调制方式的研究。针对上述问题，研究了在接收端无处理和采用定时恢复两种情况下收发端滤波器滚降系数不匹配对m p s r , 伽q a m 信号接收性能的影响。仿真结果表明在未知发端滚降系数的情况下，接收端滚降系数设置为0 5 o 7 ，对接收性能的影响最小。同时还研究了收发端滤波器阶数不匹配对接收性能的影响，结果表明接收端采用更高阶数的滤波器不会带来接收性能的明显改善，反而会增加实现复杂度。( 3 ) 为了校正严重失真信道条件下大的载波频率偏差和相位偏差，研究了载波恢复和盲均衡算法，提出了适用于m p s w m q a m 信号的盲判决反馈均衡器和载波恢复的混合接收机结构。载波恢复环路采用改进的通用载波恢复环算法，对于m p s k 信号d f e 采用s g c m a d d l m s ( s t o p a n d g oc o n s t a n tm o d u l u sa l g o r i t h m +d e c i s i o n - d i r e c tl e a s t - m e a n - s q u a r e ) ，对于m q a m 信号d f e 采用s g m c m a - d d - l m s ( s t o p a n d g om o d i f i e dc o n s t a n tm o d u l u sa l g o r i t h m +d e c i s i o n - d i r e c tl e a s t - m e a n - s q u a r e ) 算法。与已有的接收机结构相比，这种结构一方面提高了盲d f