（通信与信息系统专业论文）dmr端机的符号同步技术研究.pdf

摘要 目前专用无线通信系统正经历由模拟向数字的转变，国际e t s i 组织正在完善 的d m r ( d i g i t a lm o b i l er i d i o ) 数字通信系统正引起越来越多的重视。同时随着 d s p 器件的发展，数字信号处理技术更为广泛的应用到通信领域，使全数字接收 技术与软件无线电深入融合。本文基于d m r 系统中4 f s k 调制部分的四电平基 带调制信号，对全数字接收机的符号定时同步技术进行仿真研究。对与多速率信 号处理密切相关的插值滤波原理进行全面分析；详细介绍当前被广泛研究和应用 的g a r d n e r 算法，基于最大似然准则( m l ) 的非线性变换定时偏差估计算法，最大 平均功率等符号同步算法，提出实现方案并进行了系统仿真，从幅度映射，误码 分析，定时误差校正，定时抖动，实现结构对算法特点进行分析和验证。最后结 合现有d m r 语音超帧传输和协议要求，利用符号同步估计定时偏差，提出改进 方案，仿真验证并在硬件平台上进行测试。 关键词：符号同步插值滤波g a r d n e r 最大似然准则d m r a b s t r a c t n o wt r u n k i n gm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mi st r a n s f e r r i n gf r o ma n a l o gt od i g i t a l s y s t e m d m rw h i c ht h ee t s ii sd e v e l o p i n gi se n g a g i n gm o r ea n dm o r ec o n c e n t r a t i o n s f r o mc o m m u n i c a t i o no r g a n i z a t i o n sa n dd e v i c ep r o v i d e r s a tt h es a m et i m e ，a st h e d e v e l o p m e n to fd s pd e v i c e ，t e c h n o l o g yo fd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gi sw i d e l yu s e di n c o m m u n i c a t i o n w h i c hc o m b i n e sa l l d i g i t a lr e c e i v e rw i t hs o f t w a r er a d i od e e p l y t h i s p a p e rs i m u l a t e sa n dr e s e a r c h e st h es y m b o lt i m i n gs y n c h r o n i z a t i o nt e c h n o l o g yo f a l l d i g i t a lr e c e i v e rb a s e do nt h ef o u rl e v e l sb a s e b a n dm o d u l a t i o ns i g n a lo f4 f s ki n d m r s y s t e m e n t i r e l ya n a l y s e st h e o r yo fi n t e r p o l a t i o nw h i c hr e l a t e st om u l t i - r a t es i g n a l p r o c e s s i n g ，p a r t i c u l a r l yf o c u s e so ng a r d n e ra l g o r i t h m ，n o n l i n e a rt r a n s f o r mt i m i n g e r r o re s t i m a t et h a tb a s e so nt h em a x i m u ml i k e l i h o o d ( m l ) ，m a x i m u ma v e r a g ep o w e r e t ct i m i n gr e c o v e r ya l g o r i t h mw h i c hh a v ew i d e l ya p p l i c a t i o nr e c e n t l y , p u t sf o r w a r d i m p l e m e n ta n dd o s es y s t e ms i m u l a t i o n v a l i d a t ed i f f e r e n ta l g o r i t h mf r o mm a p p i n g ， b e r ，t i m i n ga d j u s t m e n t ，t i m i n gj i t t e rp e r f o r m a n c ea n ds t r u c t u r e f i n a l l y ，w i t hav i e wt o t h ee x i s t e n ts u p e r f r a m et r a n s m i s s i o na n dd m rp r o t o c o l sr e q u i r e m e n t ，p r e s e n t sa b e t t e r m e n tu s i n gt i m i n ge r r o re s t i m a t i o na n dt e s to nh a r d w a r e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w g o o dp e r f o r m a n c e k e y w o r d ：t i m i n gr e c o v e r yi n t e r p o l a t i o n g a r d n e rm ld m r 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果：也不包含为获得西安电子科技大学或 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做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：蠹生 日期如叭l t t 王 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文 在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名：乏虬本人签名：。趁望 导师签名： e t 强劫f o f r 。 日期弘l 曼! ：笸 第一章绪论 第一章绪论弟一早三百下匕 1 1 数字专用无线通信系统 专用无线通信系统发展迅速，主要应用于集团调度指挥通信。由于具备特有 的调度功能、组呼功能和快速呼叫的特性，因此在通信领域发挥着巨大的作用。 该系统的可用信道能被系统的全体用户共用，且具有自动选择信道功能，是共享 资源、分担费用、共享信道设备和服务的多用途、高效能的无线调度通信系统。 与公众蜂窝移动通信系统相比，专用无线通信系统具有呼叫接续快、群组内 用户共享前向信道、半双工通信方式、p t t 方式、支持私密呼叫和群组呼叫等特 点。由于专用无线通信系统具备特有的调度功能、组呼功能和快速呼叫的特性， 因此在专业通信领域发挥着不可替代的作用。 专用无线通信系统与其他移动通信系统类似，也经历了从模拟系统到数字系 统的发展过程。模拟系统是将储存的信号调制到传输频率上；而数字系统则是将 语音信息数字化，以数字编码形式传输，也就是传输频率上的全部调制信息均为 数字信号。数字专用无线通信在信令、多址方式、话音编码、调制解调和信道控 制等各个关键技术环节全面采用数字化处理，同时结合同步技术、检错纠错技术 以及分集技术等，使数字专用无线通信系统具有抗干扰能力强、高质量远距离传 输、高保密度、高可靠性和高度灵活的业务适应能力和外设接口的连接能力等特 殊性能，而且整个数字专用无线通信系统的容量更大，系统联网更为方便【6 1 。随 着无线电通信技术的发展、人们对无线通信质量要求的提高以及频谱资源的日益 缺乏，数字专用无线通信设备必将面临巨大的市场需求。目前，在全球范围内对 数字专用无线通信设备的需求不断增加，特别是公共安全部门。数字专用无线通 信系统有许多优点。一、可以更好地利用频谱资源。与蜂窝数字技术相似，数字 专用无线通信系统可以在一条指定的信道上装载更多用户，提高频谱利用率；二、 可以有效提高通话质量。由于数字通信技术具有系统内错误校正功能，和模拟专 用无线通信系统相比，可以在更广泛的信号环境中实现更好的语音音频质量；三、 可以提高改进语音和数据集成，改变控制信号随通讯距离的增加而降低的弱点。 可以看到，数字专用无线通信系统将成为未来专用无线通信系统的发展趋势。 目前数字专用无线通信系统在欧洲和北美发展比较成熟，欧洲主要应用的是 t e t r a 系统，北美则是i d e n 系统，亚太等市场的数字无线通信市场尚处于快速 发展阶段。2 0 0 4 年欧洲电信标准协议( e t s i ) 提出新型数字专用无线通信系统 d m r ( d i g i t a lm o b i l er a d i o ) 系统 1 1 。d m r ( 数字移动无线电) 是一种最新的数字 d m r 端机的符号同步技术研究 无线方式，用来替代模拟的专用移动无线电( p m r ) ，可提供欧洲通信标准协会 ( e t s i ) 技术标准1 0 2 3 6 1 规定的高级通信性能。目前有许多o e m 无线设备制 造商正在开发或将要发布d m r 技术，该技术还包含了摩托罗拉公司最新的 m o t o r b o 技术。 与传统的f m 和窄带f m 相比，d m r 可以提供更高的信道容量和频谱效率。 d m r 标准采用1 2 5 k h z 的信道，并利用双时隙时分复用( t d m a ) 方式取得了 6 2 5 k h z 的有效信道带宽，与传统f m 系统相比，信道容量能够提高2 到4 倍【5 】。 d m r ( d i g i t a lm o b i l er a d i o ) 专用无线通信系统作为国际e t s i 组织正在完善的最 新数字专业通信标准，相对于已经成熟的t e t r a 与a p c 0 2 5 两大数字标准，具 有产品成本低、技术简单的优点，并且支持从模拟到数字的过渡。d m r 的发展 无论是在国内还是在国外都尚处于起步阶段。 1 2 1 全数字接收机的特点 1 2 全数字接收技术 在传统的数字通信系统接收机中，各解调单元都是用模拟处理的方法和器件 实现的，他们的共同之处在于使用了模拟滤波器，鉴相器和压控振荡器( v c o ) ， 这些模拟器件的非理想特性很大程度上限制了通信系统的性能，且电路体积大， 实现复杂，调试不便，器件内部噪声大，易受环境影响，可靠性差。随着d s p 器 件的发展，数字信号处理技术更为广泛的应用到通信领域，全数字接收技术【_ 7 j 及 软件无线电概念】应运而生。 图1 1 传统数字接收机结构 全数字接收机中的关键技术是符号定时同步和载波同步，它与传统接收机的 主要区别也体现在这两方面。首先，在符号同步方面，全数字接收机中利用高精 度固定本振产生独立于符号频率的采样时钟，利用数字信号处理算法计算定时误 差，选择或以插值方法根据输入的采样值计算得到最佳判决点。而传统数字接收 机不同，它是采用锁相环结构，用定时误差反馈调整前端的采样时钟，采样时钟 不固定，能够随定时误差不断变化，使硬件实现的电路调整非常复杂。其次，在 第一章绪论 载波同步方面，全数字接收机采用一个高精度固定本振对中频信号解调，并利用 数字信号处理算法对a d 采样信号进行载波频偏和载波相偏的估计，然后根据频 偏和相偏误差的估计值做出相应的补偿。而传统的数字接收机通常采用锁相环结 构实现载波同步，需要提取载波误差去控制压控振荡器，才能正确恢复载波7 1 。 图1 2 全开环数字接收机结构 接收机全数字化的优势显而易见：首先，先进技术的发展和应用，可实现通 信技术、计算机技术和大规模集成电路技术的无缝融合【l8 】；其次，全数字接收机 的硬件具有很好的可重复性和可靠性，对内部噪声、非线性失真和阻抗匹配都有 很好的适应性，更适合大规模生产；最后，接收机的变频、滤波和解调等功能可 以集中在一个公共的硬件平台上实现，采用不同的软件算法就可以实现不同调制 方式的解调1 2 。 综上所述，相较传统接收机，全数字接收机无需反馈控制，模拟信号经a d 采样数字化后，运用数字处理技术对信号进行处理。它采用独立震荡于固定频率 的高稳定度时钟，对接收机收到的信号进行采样和解调处理，载波相位误差和符 号同步定时误差的消除以及信号判决、均衡、译码等工作全部由采样后的数字信 号处理完成。由于不需要将载波误差信号反馈到混频器进行调整，简化了接收机 的前端设计，在不采用复杂的补偿技术情况下，通过算法就能精确消除各种失真， 使接收机性能达到最优。且大部分工作由软件完成，系统中很多参数可按照实际 需要进行调整，灵活性好成本低。全数字接收的设计涉及到许多新技术的研究及 验证，其中符号同步技术是数字接收机中的关键技术之一1 7 】。 1 2 2 全数字接收机同步技术的发展 全数字接收机中的关键技术是符号定时同步和载波同步，长久以来，国内外 基于这两方面对全数字接收机的研究逐步走向深入和广泛。19 8 0 年，l e f r a n k s 对数字信号的载波相位估计和符号定时误差估计作了详细的探讨，并提出一种基 于最大似然准则参数估计( m l ) 的符号定时偏差估计算法【8 1 。1 9 8 3 年，a j v i t e r b i 和a m v i t e r b i 提出一种直接从带有载波相位误差或频率误差的b p s k q p s k 中频 d m r 端机的符号同步技术研究 信号中提取载波相位的数字载波相位估计算法，标志着全数字解调研究的真正开 始【9 1 。1 9 8 7 年德国学者m o e r d e r 和h m e y r 基于带限信号，在采样时钟振荡于固 定频率情况下，利用数字滤波和平方律检波的方法给出了一种时钟延时误差的估 计算法，该方法与载波相位无关【10 1 。g a r d n e r 提出一种典型的非数据辅助盲定时 误差检测算法，每个符号只需要两个采样点就可以进行误差估计【1 。该算法最初 只针对b p s k q p s k 信号的定时误差检测，经分析它同样适用于q a m 信号。1 9 9 3 年f m g a r d n e r ，l e r u p ，r a h a r r i s 等对全数字接收机的插值算法做了详尽的分 析【1 2 】。研究表明，对全数字接收机，接收端时钟与发送端的符号时钟不相关，必 须通过内插在信号样值上实现位时钟的调整和最优采样点的估值，以获得与发送 端一致的传输码流。g a r d n e r 等人的研究工作瞄准了全数字接收的一个关键问题： 采用插值滤波器实现符号时钟调整。利用插值来估计信号最佳样值点的意义在于 能够减小信号的采样速率，提高和保证系统的可实现性。由此，插值滤波器的设 计和控制成为全数字接收机实现的一个关键问题。很快，国内学者开始对全数字 接收机的算法进行广泛研究，并于1 9 9 8 年提出了最大平均功率定时同步算法i l 引。 该算法直接从时域上提取带限q a m ，p s k ，p a m 符号的定时误差，省去频域变 换，简化了平方算法结构。将符号定时，载波相位和解调问题的三维搜索分解为 符号定时和载波相位最佳估计的一维搜索，在实现同步的同时就可得到符号的最 佳解调。近年来，各种解调算法的提出与完善不断促进全数字接收技术的发展， 为真正实现软件无线电提供了理论基础。 1 3 项目来源和研究方向 本文的选题来源于西安电子科技大学信息科学研究所与某通信产品企业的合 作项目。本项目包括硬件平台的构建和相应软件的开发。硬件主要分为射频和基 带两部分，软件则分为高层的控制模块和底层的基带处理模块。控制模块完成呼 叫控制层和部分数据链路层的功能，基带处理模块包含了数据组帧，编码解码， 调制解调，帧同步等关键技术。 d m r 系统采用t d m a 双时隙结构，作为一个时分系统，快速、准确的同步 和定时是正确抽样判决的基础，是整个通信过程中必不可少的部分。本文基于 d m r 系统中4 f s k 调制部分的四电平基带调制信号，结合全数字接收技术的相关 理论，深入系统的研究了符号定时同步算法。全文利用m a t l a b 进行了大量的仿真 分析，提出不同算法的实现结构及特点，并对其有效性进行验证；同时结合现有 d m r 语音超帧传输和协议要求，利用符号同步算法估计定时偏差，提出改进方 案并成功通过仿真验证；最后在硬件平台上进行相关测试实验。 第一章绪论 1 4 论文主要内容安排 本文主要基于d m r 基带传输系统研究四电平调制信号的符号同步算法。结 合全数字接收技术对符号定时同步的相关内容进行了全面而深入的仿真分析，并 将其融入d m r 数字端机系统的设计中，进行接收端的同步优化和完善。 本文的主要内容分为以下几个部分： 第一章简要介绍数字专用无线通信系统，全数字接收技术及其发展概况，说 明项目来源与主要研究内容。 第二章介绍d m r 数字专用无线通信系统协议和时隙结构，描述直通模式下 四电平基带调制信号的传输流程和系统仿真模型。 第三章着重讨论符号同步中的相关问题。首先说明符号同步中的几个基本问 题；其次介绍内插滤波，包括它在同步中的作用，原理，实现结构和应用。这部 分主要对多项式内插进行了理论推导和仿真分析。 第四章系统分析符号同步问题。基于d m r 传输系统详细研究四进制基带调 制信号符号同步的实现。重点介绍g a r d n e r 算法，基于最大似然准则的同步算法， 最大平均功率法，最小均方误差准则算法及其他误差检测算法，并针对算法特点 给出了不同的误差校正机制，对基带系统同步环路进行仿真，得到不同环境和条 件下的仿真结果，并进行详细的分析和论述。最后依据现有d m r 端机系统的设 计，提出一定条件下适用于超帧传输的同步模式，进行了有效性论证并仿真验证。 第五章首先说明端机实验平台的硬件构成和现有系统的定时同步机制，c c s 软件环境，接着介绍在实验平台上的进行的相关测试和实验。 第六章对本文进行了总结，说明了本人完成的工作和意义，并指出了工作尚 存的问题及进一步的研究方向。 第二章d m r 协议和基带系统 第二章d m r 协议和基带系统 专用无线通信系统即专用调度通信系统。较早出现的是以点对点方式通信的 对讲机，即最简单的专用无线系统。之后逐步向组网发展，包括同频单工组网、 异频单( 双) 工组网、选呼系统，多信道自动拨号系统等。近十年来，专用调度 系统又向更高的层次迈进，成为多信道用户共享的专用无线通信系统( 集群系统) 。 d m r 通信系统作为目前较新的标准，具有易实现，成本低等优点，并支持从模 拟向数字的过渡，受到越来越多的关注。 2 1d m r 数字专用无线通信协议概述 d m r 数字专用无线通信协议【1 j 描述了一个可升级的数字无线通信系统的空 中接口，包括以下三个阶段的产品： 阶段1 ：采用直通工作模式，提供简单的点对点语音和数据通信，不进行用 户业务鉴权。 阶段2 ：为专业市场提供直通或转发模式的通信，需进行用户业务鉴权。 阶段3 ：真正的数字集群通信系统，是可实现自动管理的d m r 专用无线通 信系统。 从整体结构上来讲，d m r 协议遵从一般通信系统的分层结构，如图2 1 所示 为d m r 标准所定义的三层结构模型【1 1 。 呼叫榨制信息二# ：古 口j 1 j 。j - 铕数据g k 备 数据包业务 r + 第三层 呼叫控制层 数据链路层 i 第二层 i l 物理层 i 第一层 图2 1d m r 协议栈 第一层为物理层。它支持在物理媒介上传输比特流所需要的全部功能，包含 4 f s k 调制和解调；发送和接收的转换；射频特性；比特和符号的定义；频率和符 号的同步；突发的形成等。 8 d m r 端机的符号同步技术研究 第二层为数据链路层。它接收来自物理层的服务，并向第三层提供服务。主 要功能包含信道编解码；交织去交织和比特排序；确认和重传机制；媒质接入控 制和信道管理；帧、超帧的形成和帧同步；突发和参数定义；链路寻址；数据承 载业务；与呼叫控制层进行的数据交换等。 第三层为呼叫控制层。负责呼叫控制，支持短数据和数据包业务。主要功能 包含基站激活去激活；呼叫建立，保持和终止；呼叫控制；信令组帧；目的寻址； 数据呼叫控制等。呼叫控制层与人机接口( 用户面) 相连，与用户直接通信。 2 2 d m r 时隙结构 在数据链路层，数据的传输单位是帧。d m r 协议采用一种双时隙的t d m a 结 构，如图2 2 所示。协议规定每个t d m a 帧长为6 0 m s ，包含两个长为3 0 m s 的时隙。 每个时隙的中间2 7 5 m s 是有用信息，信息两边各有1 2 5 m s 作为保护间隔，他们共同 构成3 0 m s 的时隙结构【1 1 。 c翻孙c 22 口口口口 图2 2d m r 时隙结构图 一般突发结构包含两个1 0 8 比特有效载荷和一个4 8 比特同步或信令域，如图2 3 所示。每个突发长3 0 m s ，其中2 7 5 m s 承载2 6 4 1 ：匕特内容，在传输语音时，可以利用 两个有效载荷共2 1 6 1 ：匕特承载6 0 m s 的压缩语音信息。 s ”犯饼 期哪喇勃m b 群窝i 酗 p b 一 ，哺l 图2 3 一般突发结构 第二章d m r 协议和基带系统 突发的中间可以是一个4 8 比特的同步模式或是嵌入式信令域，以标志不同的 信息和控制信令；接收端利用不同的同步模式区别语音突发和数据突发。而对于 不同的数据类型，突发两边的1 0 8 比特有效载荷也不完全相同。对于语音突发，除 中间4 8 比特的同步模式或嵌入式信令外，两边各1 0 8 比特有效载荷共2 1 6 比特全部 为语音数据，如图2 4 所示。而对于信令和数据突发，在中间的4 8 比特同步模式或 嵌入式信令两边，还各有用于确定数据和时隙类型的1 0 比特信息，而数据和控制 信令的有效载荷则减少为两个9 8 比特，分布在突发的两边，以1 9 6 比特承载数据信 息，如图2 5 所示。由此，根据突发中间4 8 比特以及有效载荷承载内容的不同，可 以将传输信息分为语音突发，数据突发和信令三种不同的数据类型。 洲c o t 辘魄 ； 鳓e c l d e d v t l t * 姗a 豺譬诒 图2 4 语音突发的一般结构 图2 5 数据突发的一股格式 根据协议，数据和控制信令不具有超帧结构，其中的每一个突发都包含同步 模式或嵌入式信令。而语音传输使用标志为a f 的6 个突发共3 6 0 m s 的超帧结构 实现，同步模式将仅在每个语音超帧的第一个突发，即在标志为a 的突发出现， 其作用除了标记超帧边界外，周期性的插入同步模式可以允许接收方在传输开始 之后按同步模式调整的时隙定时获得语音信息；其余标志为b f 的突发将在承载 同步模式的位置填充嵌入式信令。而在每次语音开始传输之前，也就是第一个突 发a 到来之前，会先传输个语音帧头( l ch e a d e r ) ，以标志语音的开始。在语 音信息传输过程中，完整的t d m a 超帧不断重复，当发送结束而语音长度未能满 足超帧结构时，将延长当前语音组成完整的超帧结构完全传输后，方才通知结束。 d m r 端机的符号同步技术研究 协议规定的语音超帧结构如图2 6 所示。 圈圈 2 3d m r 的同步与定时 在数字通信中，信息流用若干码元组成一个帧。在接收这些数字信息时，必 须知道帧的起止时刻，否则接收端将无法正确恢复信息。为了使接收端能够正确 分离各路信号，发送端需在数字信息流中插入一些特殊码组，以标记每帧的起止， 进行帧定界，而在接收端检测并获取这一标志的过程，就称为帧同步。同时，接 收端还需要知道每个码元的起止时刻，以便在恰当的时刻进行抽样判决。这就要 求接收端提供一个用于确定抽样判决时刻的位定时脉冲序列，该序列的重复频率 与码元速率相同，相位与最佳判决时刻一致。提取这种定时脉冲序列的过程即为 位同步【1 4 1 。位同步也称符号同步，码元同步，定时同步，是指收发双方在时间上 保持一致。在数字通信系统中，符号定时是正确抽样判决的基础。d m r 系统采 用t d m a 帧结构，作为一个时分系统，快速、准确的同步和定时是整个通信过程 中必不可少的部分。 实现帧同步，通常采用的方法是起止式同步法和插入特殊同步码组的同步法。 而插入特殊同步码组的方法有两种：一种为连贯式插入法，另一种为间隔式插入 法【1 4 1 。d m r 系统采用连贯式插入法进行帧同步，又称集中插入法。它是指在每 一信息群中集中插入作为帧同步码组的特殊码组，该码组应在信息码中很少出现， 即使偶尔出现，也不可能依照帧的规律周期出现。接收端按帧的周期连续数次检 测该特殊码组，便可获得帧同步信息。连贯插入法的关键是寻找实现帧同步的特 殊码组。对帧同步码的要求一般包括：具有尖锐单峰特性的自相关函数，漏同步 概率小；便于与信息码区别，假同步概率小；码长适当，以保证传输效率。而位 同步的性能指标主要有相位误差，同步建立时间，同步保持时间及同步带宽等。 d m r 系统对采用的帧同步码组有严格的规定：帧同步码组插入在t d m a 帧的 中心位置，并且对于输入输出语音，数据或控制信令，由不同的帧同步码组或者 嵌入式信令进行区分。接收端利用匹配滤波器实现同步的初始化，恢复参数，补 偿频偏并确定突发的中心。协议给出的具体帧同步码组如表2 1 所示。根据d m r 协议规定的映射规则( 表2 2 ) 分别对语音和数据的4 8 比特同步码组进行映射，得 圈a m医，ll曰f 一 日e 甲嫩 旦一 测 勤 型一 甲一配 圈之 第二章d m r 协议和基带系统 到的2 4 个符号映射值均为+ 3 或3 ，并且语音同步码组与数据同步码组极性完全相 反，这样，接收端通过匹配滤波输出的相关峰也呈现相反的极性。帧同步相关器 为语音模式提供一个正的结果，为数据模式提供相等但为负的结果，接收端通过 识别相关器的输出极性即可判断传输的是语音突发还是数据突发，并做出相应处 理。 表2 1 帧同步码组模型 下行 语音 十六 755fd7df75f7 0 1 1 0 1 0 1g 1 0 11 1 1 1 1 1 0 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 a 1 1 10 1 0 11 1 1 10 1 1 1 数莠 十六dff57d75of5d 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 0 10 1 1 11 1 0 10 1 1 1 0 1 0 11 1 0 1 1 1 1 0 1 0 1”0 1 上行 + 六 7f7d5dd57dfd 语音 1 1 1 10 1 1 111 0 10 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 11 0 11 1 1 1”0 1 0 1 1 教籍 十六 d5d7f77fd757 1 1 0 10 0 11 0 10 1 1 11 1 110 1 1 1 0 1 1 1 1 1 11 1 0 10 1 1 10 1 0 10 1 1 跹两步 十六 77d55f7dfd77 0 1 1 0 1 1 11 1 0 1 0 1 0 10 0 11 1 1 10 1 1 1 1 1 0 11 11 11 1 0 1 0 1 1 10 1 1 保留同步 9 登 + 六 dd7ff50 7 5 7 dd 见注释 1 1 0 111 0 1o 1 1 1 1 11 1 10 1 0 11 0 1 0 1 1 1 0 1 0 10 1 1 1 1 0 1 1 0 注馨保留同步模型为祷素使用 表2 2 映射规则 信息比特符号 b i t lb i t o 01 + 3 00 + 1 101 113 根据表2 2 映射规则，直通模式下语音同步码组和数据同步码组映射如表2 3 。 表2 3 同步码组映射结果 语音同步 3- 3333- 333 3 333 码组映射 3 3 333- 33 3- 3- 33 3 数据同步 一333333333- 333 码组映射 33- 3333333333 实际中t d m a 系统的传输，通常是在接收端以尽可能低的采样率接收采样并 实施位同步，得到每一个符号的准确抽判后，利用同步码组在接收端进行相关运 算实施帧同步，最终恢复一个时隙的准确信息。现阶段d m r 系统的定时和同步设 计，主要应用数据同步模式实现初始定时和传输过程中的定时调整。要求在传输 的每一帧中都必须插入用于帧定界的同步码组以保证定时和同步，并且接收端以 较高的采样率4 8 k h z 直接对基带调制信号进行采样，每符号1 0 个样点，不同于发送 d m r 端机的符号同步技术研究 端每符号8 个样点。出于对帧同步抗干扰性的考虑，接收端进行相关运算查找相关 峰的过程是利用原始信息量较大的波形相关而非码元相关，在得到帧定界的同时 可以得到满足系统精度的位同步。 而按照d m r 协议规定，语音以超帧格式传输，由a f 六帧共3 6 0 m s 组成，并只 在a 帧添加同步码组。由于传输过程中存在干扰和定时抖动等因素，使得在接收端， 除a 帧外，其余帧无法保证准确的定时同步，抽样判决时刻出现偏差，可能导致传 输性能的极度恶化和极大的误码。同时在设计接收系统时，往往希望能以较少的 资源完成数据处理和解调抽判。因此，接收端有必要采取一定的符号定时同步措 施，来保证接收机更为优良的准确接收和判决。 2 4 1 基带传输 2 4 基带传输和系统仿真模型 d m r 协议采用4 f s k 调制，是一种恒包络调制。调制时每秒发送4 8 0 0 个符号， 其中每个符号携带两比特的信息。4 f s k 调制器由一个平方根升余弦滤波器级联一 个频率调制器组成，如图2 7 所示。相应的，d m r 系统设计的4 f s k 调制模块也被分 成两个部分。第一个部分为成形滤波模块，产生四电平基带带限信号作为调制信 号，这部分也是d s p 基带实现过程；第二个部分是调频部分( f m ) ，通过射频实现。 一过e 市u 4 1 3 k 1 问币u 输入数据。 平方根升余 s ( f ) 信号输出 。 弦滤波器 频率调制器 图2 74 f s k 调制器 本项目中采用直接法生成调频信号，在接收端则采用鉴频器进行解调，基带 部分仅实现四电平映射，插值和成型滤波环节，产生带限的基带调制信号s ( f ) ， 如图2 8 所示；接收信号在固定频率下a d 采样后匹配滤波，抽判，解映射后恢 复原始数据。本文针对d m r 基带传输过程进行符号同步的系统研究及仿真验证。 根据d m r 协议和系统设计，设定基带调制每个符号周期采样8 个值，则在映射 后每两个四电平值之间插入7 个零值，数据速率变为3 8 4 k s 1 5 1 。 呻 串并映射 插值 斗 成型滤波 _ 图2 8四电平基带调制信号产生过程 第二章d m r 协议和基带系统 2 4 2 系统仿真模型 利用信号的低通等效模型，可以将实际信号传输中的频谱搬移，带通滤波及 信道特性都等效至基带，变为低通滤波模型，从而简化信号表示，避免复杂的带 有中心频率变换的信号分析，使问题全部集中在所关心的信号解调处理算法上。 本文基于d m r 系统的四电平基带调制信号进行研究和仿真。系统仿真模型如 图2 9 所示，数据源产生的数据信息序列b ( m ) 映射为基带信号口( 胛) ，然后通过平方 根升余弦滚降滤波器成型滤波后，得到连续的四电平基带调制信号s ( f ) 。信号s ( f ) 经过信道，加上噪声，得到信号，( f ) ，然后经过与发端一致的根升余弦滤波器进行 匹配滤波，输出的数据直接用于参数估计和处理，参与解调算法的论证和仿真。 以上各模块都是基带等效的，忽略上下变频过程i l 纠。 r = 饵一r 图2 9 系统仿真模型 在发送端，输入信号经过基带成型得到的数字调制信号为： s ( f ) = a ( n ) 9 7 - ( t - n t ) s ( f ) 被送入信道，假设在加性高斯白噪声信道条件下，收到的基带信号，( ，) 为： 广1 ，- ( f ) = l a ( n ) 9 7 ( t - n t ) i e x p j ( 2 z c a f i + ) 】+ ( f ) 式( 2 2 ) l 打= - _ j 在接收端，信号通过匹配滤波器得到： x ( t ) = ，( r ) 奎孙( ，) 式( 2 - 3 ) 如果忽略载波频偏和初始相位带来的信号经匹配滤波的影响，则滤波后的信 号x ( f ) 可表示为： 厂 x ( f ) = i a ( n ) g ( t 一门丁) i e x p j ( 2 z a f i + ) 】+ ”( f ) 木舒( f ) 式( 2 4 ) d m r 端机的符号同步技术研究 在f = 七t - r t 时刻采样，a d 后得到的数字信号x ( 七) = x ( k r , - r t ) 为： 娴2 l ，三咖) 舭t 吖t 一忉l e x p j ( 2 r c a f ( k t 。川) + ) 】州七) 式( 2 - 5 ) l = j = l a ( n ) g ( k t , - z t - n t ) l e x p j ( 2 7 c a f ( k t ，) + 叫+ 门( 七) 式( 2 6 ) l 月= j 在上式中，g r ( f ) 是发端成型滤波器冲击响应，g r ( t ) 是接收端匹配滤波器的 冲击响应，其中g 尺( r ) 与发端成型滤波器断( ，) 匹配，g ( t ) = g r ( f ) 木舒( f ) 满足n y q u i s t 准则；z 是接收端采样周期，丁是符号周期；聆( f ) 是信道加性高斯白噪声，其单 边功率谱密度为0 2 ；f 是整个信道传输引入的未知的归一化延时；鲈是收发 两端载波间频差；o o 是收发两端载波问初始相位差。 悟噪比l d b 图2 1 0 频偏对误码率的影响曲线 图2 1 0 仿真结果表明不同频偏对系统误码性能不同程度的影响。本文着重讨 论符号定时同步，强调定时偏差对接收系统的影响及其校正方法，基本屏蔽其他 因素的影响和干扰分析。此后的介绍除涉及与符号同步相关的性能及内容外，将 不再单独讨论频偏和相偏对系统的影响。 仿真中利用m a t l a b 软件调用f i r r c o s 函数设计滤波器，得到不同阶数的滤波器 系数：h = f i r r c o s ( n ，f c ，a ，f s ，s q r t 1 。其中n 是滤波器阶数；f c 是理想低通 滤波器的截止频率，为符号率的1 1 2 ；a 是滚降系数；f s 是采样率频。根据d m r 系统要求设计平方根升余弦滚降滤波器作为发端的成型滤波器和收端的匹配滤波 器。设定f c = 4 8 0 0 2 = 2 4 0 0h z ，a = 0 2 ，f s = 4 8 0 0 * 8 ，n 的取值可以根据实际情况 第二章d m r 协议和基带系统 进行调整。n 值越大，过渡带越陡峭，通带截止频率越低，而引入的码间干扰也 越大。经过反复调试对比，最终设置成型滤波器的阶数为1 6 阶，匹配滤波器的阶 数为2 4 阶1 川。 仿真中利用样点偏移设置归一化定时偏移r = 丁t 卜0 5 ，o 5 】，即在最佳采 样位置前后半个符号范围内变化的样点偏移量。例如设置接收端的采样率为1 0 个样点符号，可以通过对样点序列以突发或随机的模式进行插入，抽取或整体搬 移正负5 个样点范围，来实现由于信道干扰和抖动造成的传输时延。仿真中设置 时延的方式主要有以下三种： 1 ) 对突发整体设置连续样点时延：在接收序列起始端设置整体k ( k 为正负半个 符号范围内抽样点个数) 个样点的突发滞后或超前，表明由于突发误差和抖 动造成的序列整体性的偏移。由于最佳采样位置偏移，造成这一段序列整体 性的误判或错判。显然在不实施同步策略时，采用定点抽判造成的误码将是 巨大的。 2 ) 在突发的随机位置设置连续样点时延：设定k ( k 为正负半个符号范围内抽样 点个数) 的值，使突发定时偏移发生在序列的任意位置，由此开始的后续样 点序列将不再按照最初确定的采样位置进行正确的抽判，性能随定时偏移的 出现突然恶化。 3 ) 在突发若干随机位置设置若干离散样点时延：设定k ( k 为正负半个符号范围 内抽样点个数) 值，表明对整个接收样点序列，将在k 个随机位置进行样点 的抽取或插入，以此反映数个独立样点位置的随机性定时偏移和误码对系统 的影响。 以上三种方式两类定时偏移的设置，可以帮助从不同角度分析随机或突发定 时偏移对接收判决的影响，以及实施符号同步后的改善效果。设置定时偏移的位 置也可以有两种考虑。一种如系统仿真模型所示，对接收匹配滤波后的信息序列 进行处理，可以得到以接收采样率描述的整样点数的定时偏差，表明偏移最佳抽 判点k 个样点位置进行抽判的情况，且能与定时估计算法得到的估计结果进行比 较，验证算法的精确度和可靠性；另一种是经过信道时以发端采样间隔对发送的 信息序列进行定时偏移的设置，表明在信道传输过程中可能出现的时钟漂移和系 统时延。由于收发采样率不同，可以通过这种方法设置对于接收端非整数的定时 偏差，进一步考察符号同步算法在收发采样时钟不同步时的定时同步恢复。 d m r 端机的符号同步技术研究 ： 开始 ) + 设定偏移样点数o f f s e t _ n u m s w i t c h 选择偏移类型 c a d e l a y o a s e f o r w a r d c a 辩f i x e d _ d e l a y c a s e f l x c d _ f o r w a r d 1r 1r + 随机滞后 随机超前突发滞后突发超| i 苷 + 0 产生o f f s e t _ n u m 个随产生o f f s e t n 哪个随随机产生一个偏移起始 随机产生一个偏移起始 机插入位置，i = l机抽取位置，i = l 位置o f f s e t _ l o c a t i o n 位置o f f s e t _ l o c a t i o n ， j r 产生0 1 随机 在第1 个随机位跫抽 数d a t a m i 【i ) 取该位置数据， 一 1 浮i 十l 输入序列从 输入序列从 o f f s e ti o c a l i o n 位 o f f s e l _ l o c a t i o n + o f f s e l _ n 在第i 个随机位置插 置起的数据顺次 u n 位置起的数据移至 支弋矿inl(i)，i=i+i ：j r 。 。i 输出抽麦后序列l 1 + 口 l 输出移动后的序列 输出移动后的序列 输出插入后序列 ， ， 、 ， + 、 ( 结束 ) ( 赢 ) ( 森 ) ( 结束 ) 。 图2 11 定时偏移设置程序流程图 第三章符号同步的相关问题 第三章符号同步的相关问题 3 1 1 符号同步的意义 3 1 基本问题介绍 符号同步技术是数字通信系统的关键技术之一，它的好坏将直接影响整个解 调系统的性能。在数字通信系统中，通常采用一个独立振荡的高稳定度、高精度 时钟对接收到的信号进行直接采样，由于本地采样时钟独立于发送端的时钟，所 以不可避免地存在采样时刻的偏差，同时发射机到接收机还存在未知的传输时延， 导致接收端数据样点并不一定在最佳采样点上，造成误码，无法正确地恢复信号。 为了正确恢复发送信息，必须从接收信号中估计出采样偏差和传输时延，从而在 最佳采样点上采样。可以说，符号同步是数字传输系统中一个极其重要的组成部 分，是衡量系统性能的重要指标。 由数字通信知识【4 l 】可知，在加性高斯白噪声信道( a w g n ) 条件下，根据最佳 接收机理论推导出的相关解调器或者匹配滤波器必须在f = t 时刻抽样判决，即精 确还原发送端符号抽样点位置的信号值后才能保证最低的误码率，超前或滞后都 将导致误码率的增加。其中，丁为符号周期。图3 1 为接收端匹配滤波器的输出 波形。对于升余弦特性的匹配滤波，波形成型的符号峰值点就是期望的最大信噪 比采样点，定时采样时刻的偏离称为定时相位误差。 y 0 t 2 t 图3 1匹配滤波器的输出波形 为清晰看出定时偏移对抽判结果的影响，下面以q p s k 解调为例进行仿真， 通过星座映射及误码率的对比分析表明定时偏差对信号解调的影响以及符号定时 同步的意义。这里将符号周期分为l o 等份，最大归一化定时偏差r = r t = o 5 ， 最大偏移量量化为正负五个样点，即定时相位偏移量丁z = r 丁z _ 5 ，5 】