（通信与信息系统专业论文）数字通信系统基带接收机的设计与实现.pdf

硕士论文 数字通信系统基带接收机的设计与实现 摘要 本文主要研究数字通信系统基带接收机的设计与实现，系统采用d b p s k 的调制方 式，d b p s k 调制信号被广泛地应用于低轨道卫星通信中。 本系统中的基带接收机需要完成d b p s k 信号的软件化解调。在卫星通信中，多普 勒频偏可能与基带信号的数据速率在同一个数量级，因此，多普勒频偏成为影响信道状 况的首要因素。为了保证通信链路中数据传输的可靠性与稳定性，需要估计出多普勒频 偏，并对其进行修正。由于信道传输延时及收发两地的时钟偏移，会使得采样在非最佳 时刻进行，此时采到的数据与真实值之间存在较大的偏差。为了避免或减少符号间的干 扰，接收机的时钟必须与输入信号的时钟同步，接收机采用g a r d n e r 定时误差检测算法 实现码元同步，从而得到最佳采样时刻的采样值，降低了误码率。为了保证数字信号的 可靠传输，减小信道的加性干扰、乘性干扰，实际的通信系统中通常采用纠错编码技术， 通过增加一定的冗余信息来提高信息传输的可靠性。本系统中，发射端对数字信号采用 了r s 编码、卷积编码和分组交织级联的纠错编码，因此，基带接收机需要对接收到的 数据进行解交织、卷积译码及r s 译码。在卫星通信中，功率控制是需要考虑的另一个 重要因素，因此，在接收端需要完成对信号的信噪比估计。在本文中研究了多种信噪比 算法，并采用简单有效的信噪比估计算法实现对接收信号的信噪比估计。 关键词：多普勒频偏、信噪比估计、定时同步、r s 编码、卷积编码、r b i 译码、交织 a b s t r a c t 硕士论文 a b s t r a c t t h i sp a p e rf o c u s e so nd e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fab a s e b a n dr e c e i v e ri nad i g i t a l c o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h em o d u l a t i o nm o d eo ft h es i g n a li nt h i ss y s t e mi sd b p s k , w h i c hi s w i d e l yu s e di nl o w - o r b i ts a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o n s 二 t h eb a s e b a n dr e c e i v e ri nt h es y s t e mn e e d st od e m o d u l a t et h ed b p s k s i g n a l i ns a t e l l i t e c 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 tm a yh a st h es a m eo r d e ro fm a g n i t u d ea st h ed a t a r a t eo ft h eb a s e b a n ds i g n a l ，s ot h ed o p p l e rf r e q u e n c yo f f s e tm a yb e c o m eap r i m a r yf a c t o ri n t h ec h a n n e lc o n d i t i o n s i no r d e rt oe n s u r et h er e l i a b i l i t ya n ds t a b i l i t yo ft h ec o m m u n i c a t i o n l i n ki nt h ed a t at r a n s m i s s i o n , w eh a v et oe s t i m a t et h ed o p p l e rf r e q u e n c yo f f s e t ，a n da m e n di t b e c a u s eo ft h ec h a n n e lp r o p a g a t i o nd e l a ya n dc l o c ks k e wb e t w e e nt r a n s c e i v e r s ，t h es a m p l i n g m a yn o th a p p e n e da tt h eb e s ts a m p l i n gt i m e ，w h i c hm a yr e s u l ti nl a r g ed e v i a t i o nb e t w e e n s a m p l e dd a t aa n da c t u a ld a t a i no r d e rt oa v o i do rr e d u c ei n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e t h ec l o c k i nt h er e c e i v e rm u s tb es y n c h r o n i z e dw i t ht h ec l o c ki nt h et r a n s m i t t e r t h er e c e i v e ra d o p t s g a r d n e ra l g o r i t h mf o rs y m b o lt i m i n gr e c o v e r y s ow ec a ng e tt h ev a l u e so ft h es i g n a la tt h e o p t i m a ls a m p l i n gp o i n t s ，t h e nt h a tw i l lr e d u c et h ee r r o rr a t e i no r d e rt oe n s u r ear e l i a b l e t r a n s m i s s i o no fd i g i t a ls i g n a l s ，r e d u c et h ea d d i t i v ec h a n n e li n t e r f e r e n c ea n dt h em u l t i p l i c a t i v e i n t e r f e r e n c e ，e r r o rc o r r e c t i o nc o d i n gt e c h n i q u e sa r eu s u a l l yu s e di nt h ea c t u a lc o m m u n i c a t i o n s y s t e m e r r o rc o r r e c t i o nc o d i n gi n c r e a s e sac e r t a i na m o u n to fr e d u n d a n ti n f o r m a t i o n , w h i c h c a l li m p r o v et h er e l i a b i l i t yo fi n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o n i nt h i ss y s t e m ，t h et r a n s m i t t e ru s e sr s e n c o d i n g ，c o n v o l u t i o n a le n c o d i n ga n db l o c ki n t e r l e a v i n gc a s c a d eo fe r r o rc o r r e c t i o nc o d i n g t h e r e f o r e ，t h eb a s e b a n dr e c e i v e rh a st of i n i s ht h ed e - i n t e r l e a v i n g ，c o n v o l u t i o n a ld e c o d i n g ， a n dr sd e c o d i n g ，c o r r e s p o n d i n g l y m e a n w h i l e ，t h ep o w e rc o n t r o li sa n o t h e ri m p o r t a n ta s p e c t i nt h es a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，i no r d e rt oa c h i e v ep o w e rc o n t r o l ，s oi nt h eb a s e b a n d r e c e i v e r , w eh a v et oe s t i m a t es n ro ft h er e c e i v e ds i g n a l t h i sp a p e rd i s c u s s e ss e v e r a l a l g o r i t h m so fs n re s t i m a t i o n ，a n da f t e rt h a tw es e l e c tas i m p l ea n de f f e c t i v es n re s t i m a t i o n a l g o r i t h mi nt h ei m p l e m e n t a t i o n k e yw o r d s ：d o p p l e rf r e q u e n c yo f f s e t ，s n re s t i m a t i o n ，t i m i n gs y n c h r o n i z a t i o n ，r s e n c o d i n g ，c o n v o l u t i o ne n c o d i n g ，v i t e r b id e c o d i n g ，i n t e r l e a v i n g i i 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名： 2 0 l o 年6 月如日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：j 鑫盔尊一 2 。一年6 月矽日 硕士论文数字通信系统基带接收机的设计与实现 1 绪论 1 1 研究背景 通信就是信息的传输与交换，其意义在于两地信息有效、可靠、稳定地传输【1 j 。传 输信息的信道千变万化，不可预测的，因此为了保证通信的准确性、可靠性，面临和需 要解决的问题巨大而烦琐。对于不同的客户要求，通信不仅需要解决通用性的问题，还 要针对不同用户的不同需求进行设计、实现。借助于现实应用的无穷张力和理论发展的 不断延伸，通信领域一直保持着稳定而快速的发展。与此同时，通信也不断与其他学科 相结合，解决其他学科所面临的问题。借助于通信质量及可靠性的不断提高，人们对于 整个宇宙的研究也越来越深入。在已经取得的技术成果上，进一步的研究也在如火如荼 地进行中，新的研究方法与用户更多的业务要求对通信方面的要求也更加苛刻。在这一 方面，要提高数据传输速率，提高信息传送效率，面对复杂信道对传输信号的各种干扰 与衰减，就必须根据实际情况采用各种技术来解决这些问题。如何才能满足用户的要求 及提高通信效率和可靠性，成为了通信领域研究的重点。 在通信领域中，数字通信系统发挥着越来越重要的作用。数字通信是对数字信息的 加工、处理和传输的技术，分析数字信息在特定传输环境下所能达到的性能指标。图1 1 显示了一个数字通信系统的功能框图和基本组成部分i 。 图1 1 数字通信系统的基本组成部分 在数字通信系统中，由信源产生的消息变换成二进制数字序列。理论上，应当用尽 可能少的二进制数字表示信源输出( 消息) 。信源编码器输出的二进制数字序列称为信 息序列，被传送到信道编码器。信道编码器是在二进制信息序列中以受控的方式引入一 些冗余信息，以便于在接收机中用来克服信号在信道传输时所遭受的噪声和干扰的影 响。所增加的冗余信息可以提高接收数据的可靠性和改善接收信号的逼真度。实际上， 信息序列中的冗余信息能帮助接收机译出期望的信息序列，这种方式通过增加发送信息 的长度来实现通信质量的提高。 1 绪论 硕士论文 信道编码器输出的二进制序列送至数字解调器，它是通信信道的接口。数字调制的 主要目的是将二进制信息序列映射成信号波形。通信信道是用来将发送机的信号发送给 接收机的物理媒质。在无线通信系统中，信道的形式可以是大气( 自由空间) ，对于有 线通信系统，其信道通常使用各种各样的物理媒质。无论采用何种物理媒质来传输信息， 其基本特点是发送信号随机地受到各种机理的恶化。例如，由电子器件产生的加性热噪 声、人为热噪声及大气噪声等。 在数字通信系统的接收端，数字解调器对受到信道恶化的发送波形进行处理，并将 该波形还原成一个数的序列，该序列表示发送数据符号的估计值( 二进制或m 元) 。这 个数的序列被送至信道译码器，根据信道编码器所用的关于码的知识及接收数据所含的 冗余度来重新构造初始的信息序列。 本课题所研究的基带接收机是数字通信系统的一部分，应用于t d m 广播通信系统 的接收端。t d m 广播通信系统是卫星通信系统中的一种话音业务【2 】。t d m 技术是指采 用时间分割多路复用的方法对多路数字化的语音信号进行组合，这些数字化的语音信号 是通过对原始的模拟语音信号进行p c m 调带1 ( p u l s ec o d em o d u l a t i o n ，脉冲编码调制) 而 得到的。t d m 业务作为目前语音业务的主要实现方法，具有以下特点：( 1 ) t d m 设备的 成本低，易于安装和维护；( 2 ) t d m 业务占用固定的带宽，具有优质的话音质量，延时 小，抖动低；( 3 ) 成熟的技术和解决方案；( 4 ) 基于标准的多用户功能。因此，该课题所 研究的内容具有广泛的实际应用意义。 作为基带接收机，本文研究的系统围绕着接收到的d b p s k 信号的软件化解调而展 开。d b p s k 信号是新一代数字通信系统中一种常用的信号编码形式，广泛地应用于低 轨道卫星等高速飞行的通信系统中。首先，需要对整个基带接收机的框架进行设计，根 据发送端信号的形式及系统要求，对系统各部分的功能分别进行设计与实现，然后对整 个数字通信系统的设计进行仿真与验证。在软件m a t l a b7 1 上，先产生接收端发送的 信息，然后人为的模拟信道的影响，加入一定量的时间延时，多普勒频偏，再对该信号 进行解调，将解调后得到的数据与发送的数据进行比较，验证整个系统设计的正确性。 在这一过程中，需要对系统中各个部分的多种算法进行研究，比较不同算法之间的性能 差异，综合硬件实现时的复杂度，选择合适的算法，设计出合适的系统方案。验证系统 设计的正确性之后，接下来需要完成的工作就是在d s p 芯片和f p g a 芯片上实现整个 系统。 1 2 硬件平台 本课题主要围绕着d b p s k 信号的解调展开，在硬件实现时，首先是在d s p 平台上 对接收信号进行多普勒频偏估计，并采用直接数字频率合成( d d s ) 修正该频偏。接下 来，对信号进行匹配滤波，定时，差分，v i t e r b i 译码、去交织、信噪比估计等工作，最 2 硕士论文 数字通信系统基带接收机的设计与实现 后将v i t e r b i 译码后的数据传输给f p g a 芯片，由f p g a 芯片对其进行r s 译码。 d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) j - 卷, 片就是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微 处理器，能实时快速地实现各种数字信号处理算法。在近2 0 年里，d s p 芯片在信号处 理，通信，雷达等许多领域得到广泛的应用。目前，d s p 芯片的价格越来越低，性能价 格比日益提高，具有巨大的应用潜力。它的应用主要有：信号处理、通信、语音、图形 图像、军事、仪器仪表、自动控制等领域。 目前世界上生产d s p 芯片的公司主要有t i ( 德州仪器) 公司，a d ( 美国模拟器件) 公司，t e c h n o l o g i e s ( 朗讯技术) 公司和m o t o r o l a ( 摩托罗拉) 公司四大公司，而t i 公 司则是世界上最大的d s p 芯片供应商。t m s 3 2 0 系列产品就是该公司的d s p 产品。 t m s 3 2 0 系列采用改进的哈佛结构，不同于传统的冯诺曼结构的并行体系结构，流 水线操作增强了处理器的处理能力。在t m s 3 2 0 系列中，可以使用特殊的d s p 指令， 在一个指令周期内用一条指令就可以实现普通需要几条指令才可以实现功能，如m a c 指令，它可以在一个指令周期中完成一次乘法和一次加法运算。这样即节省了时间，又 提高了编程的灵活性。快速的指令周期也使得d s p 芯片能够实时地实现许多d s p 应用。 t m s 3 2 0 系列芯片中，t m s 3 2 0 c 5 4 x 是为实现低功耗，高性能而专门设计的定点 d s p 芯片，主要应用于无线通信系统中。本课题中的d s p 选用该系列的t m s 3 2 0 c 5 4 1 6 芯片，并采用汇编语言实现系统设计。汇编语言采用助记符号编写程序，比用机器语言 的二进制代码编程方便。汇编语言的特点是用符号代替了机器指令代码，而且助记符与 指令代码一一对应，基本保留了机器语言的灵活性。使用汇编语言能面向机器并较好地 发挥机器的特性，得到质量较高的程序。由于汇编语言中使用了助记符号，用汇编语言 编制的程序输入计算机，必须通过预先放入计算机的“汇编程序”的加工和翻译，才能变 成能够被计算机识别和处理的二进制代码程序。用汇编语言等非机器语言书写好的符号 程序称为源程序，运行时汇编程序要将源程序翻译成目标程序。目标程序是机器语言程 序，它一经被安置在内存的预定位置上，就能被计算机的c p u 处理和执行。对于 t m s 3 2 0 c 5 4 1 6 芯片，采用的开发环境为代码调试器( c c s ( 5 0 0 0 ) ) 。c c s ( c o d ec o m p o s e r s t u d i o ) 包含一整套用于开发和调试嵌入式应用的工具。它包含适用于每个t i 器件 系列的编译器、源码编辑器、项目构建环境、调试器、描述器、仿真器以及多种其 它功能。 系统中的另一重要硬件是f p g a 芯片。f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 现场可 编程门阵列，从本质上来说，是一种专用集成电路a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e d c i r c u i t ) ，a s i c 是为满足一种或几种特定功能而设计制造的集成电路芯片，它的密度一 般都很高，一片a s i c 芯片就能取代一块由几千种小规模集成的电路芯片构成的电路板， 甚至一个完整的系统，也能用一片a s i c 芯片来实现，因此，使用a s i c 能大大减小系 统的硬件规模，降低系统功耗，提高系统的可靠性，保密性和工作速度等。a s i c 是一 l 绪论硕士论文 种用户定制电路，包括半定制和全定制两种类型。全定制的a s i c 就是根据用户的功能 需求生产厂家通过电路设计直接制作出符合用户需求的集成电路。半定制的a s i c 就是 生产厂家制作出标准的半成品芯片，其最终功能是由厂家或用户再加工实现。半定制 a s i c 又有两种，一种是门阵y u ( g a t ea r r a y ) ，它在硅片上做好功能通用性强的基本单元 阵列，最后由厂家或用户在母片的基础上，完成具体功能。另一种是可编程逻辑器件( p l d p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) 。p l d 芯片上的电路和金属引线事先由器件生产厂商做好， 用户借助p l d 开发工具对其编程以实现用户功能，p l d 是可重复编程的。p l d 的出现， 打破了由中小规模通用型集成电路和大规模专用集成电路垄断的局面，与中小规模集成 电路相比，p l d 有集成度高，速度快，功耗小，可靠性高等优点，与大规模集成电路相 比，p l d 研制周期短，先期投资少，投资风险小，修改逻辑设计灵活方便，小批量生产 成本低等优势。 f p g a 属于半定制a s i c 。它是基于掩膜可编程门阵列结构，密度大，灵活性强， 还具有可编程性。其基本结构为：可编程逻辑模块( c l b ) ；可编程输入输出模块( i o b ) ； 可编程内部互连( p i ) 。f p g a 门阵列非常多，可达百万门，它的可编程逻辑模块c l b 中 的逻辑门可多可少，功能可大可小，差异很大，非常灵活，且f p g a 内部的功能模块非 常多，如硬件乘法器，存储器等，调用也非常灵活方便。现在f p g a 的发展非常快，采 用的一些新技术或方法也为电路设计带来更大的方便，如锁定和自举电路，时钟引擎电 路，时钟偏移技术等。锁定和白举电路中包括锁相环( p l l ) 电路，既加快速度又减少资 源，时钟锁定电路使用同步锁相环以减小器件内部的时钟延迟和偏移，使建立时间最短， 保持时间趋于零。时钟自举电路提供了一个时钟乘法器，使设计者可以通过分享片内资 源提高器件区域利用率，时钟自举电路使设计者使用外部低速时钟，在芯片内部对该时 钟进行倍频，获得高速时钟。时钟锁定电路和自举电路组合在一起，可以使系统的性能 和带宽得到明显改善。时钟引擎电路提供多频点时钟，在器件内部允许设计者分配资源， 提高器件面积使用率，时钟引擎电路允许设计者布置低速时钟和多频复用时钟。时钟偏 移技术是时钟偏移允许用时钟相位和延时来调节，时钟相位以9 0 度步长进行调节，时 钟延时能调节延时数量，直到一个周期。 目前，市场上p l d 器件的种类很多，从几千门到几十万门，甚至上百万门，集成 度非常高现在世界上有几十家生产p l d 的公司，最大的3 家是a l t e r a ，x i l i n x 和 l a t t i c e v a n t i s 。其中，a l t e r a 公司的p l d 具有产品型号齐全，高性能，高集成度和高性 价比等优点，而且采用铜铝布线的先进的c m o s 技术，具有非常低的功耗，相当高的 速度，以及采用连续式互连结构，可以提供快速的，连续的信号延时。再者，a l t e m 公 司提供了全面的开发工具，丰富的宏功能库和d 核。因此，以q u a r t u si i8 1 为开发平 台，在a l t e r a 公司的c y c l o n ei i 系列的e p 2 c 5 0 u 4 8 1 8 芯片上实现对数字信号的r s 译码。 4 硕士论文数字通信系统基带接收机的设计与实现 1 3 论文的主要内容 本课题主要围绕基带信号的软件化解调展开。无疑，采用的调制解调技术是通信研 究的一个重要方面。在卫星通信领域比较常用的调制方式是d b p s k ，因为它不需要对 相位进行估计，没有倒相问题，但与p s k 信号比较，d b p s k 信号在性能上会有损失。 在数字移动通信中，多普勒频率偏移是影响信道传输质量的主要因素之一，因此， 多普勒频偏校正问题成为近年来研究的热点。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，通过深入的理论分析，采用一种适合于卫星移动通信的具有多普勒 频移校正功能的调制解调系统及其d s p 实现。 由于具有较好的频带利用率和抗噪声性能，d b p s k 调制方式己成为一种在测控和 通信领域广泛使用的数字调制方式。随着软件无线电的不断发展，直接中频数字解调变 得越来越容易，而时钟同步和载波同步是解调的关键问题。在数字通信系统中，为了恢 复发送信息，必须对解调器输出进行周期性的采样，每个符号间隔采样一次。因为在接 收机中对发送机到接收机的传播延迟一般是未知的，为了对解调器输出同步采样，必须 从接收信号导出符号定时。这里面用到的同步就称为符号同步或定时恢复。 本课题研究的另一主要内容是信道编解码的原理。最终在d s p 芯片上实现整个纠 错码方案。在调制解调器处理模块中采用了前向纠错技术，以提高信息传输的可靠性。 加入前向纠错码模块可以将整个系统的误码率提高几个数量级，使得系统的业务在恶劣 的环境下仍可以可靠地传输。系统典型采用的纠错码方案的编码方式为r s 编码_ 卷积 编码_ 交织。因此在解调系统中进行去交织，卷积译码，然后再进行r s 译码。 在通信系统链路层仿真中，信噪比是一个需要确定的基本参数，线性系统信噪比比 较容易确定，而对于信号与噪声经过非线性部件时信噪比的分析则很困难。对输入信号 的信噪比进行估计，并将估计的信噪比传送给卫星，从而维持接收信号的信噪比恒定。 在研究各个估计信噪比的算法后，结合硬件实现的复杂度等因数，最终在d s p 芯片上 实现信噪比的估计。 整个基带接收机的系统框图大致如图1 2 所示： 图1 2 t d m 系统框图 本文按照解调系统的结构展开研究，采用m a t hw o r k s 公司的m a t l a b7 1 软件对 5 1 绪论硕士论文 系统的各个部分进行仿真，检验不同算法的性能，从而完成整个系统的设计。 第一章首先讨论课题的背景意义，简要地介绍整个系统的框架，以及系统实现的硬 件平台d s p 芯片和f p g a 芯片。 第二章首先讨论了频偏估计，对于卫星通信，多普勒频偏是必须考虑的重要问题。 主要介绍了f f t 测频理论及采用直接数字频率合成器( d d s ) 修正该频偏。 第三章主要讨论了信噪比估计的几种算法，并进行m a t l a b 仿真，比较各算法的 性能，确定实际系统中采用的算法。 第四章介绍了通信系统中一个重要的实际问题，同步技术。研究了g a r d n e r 定时误 差算法与改进的g a r d n e r 定时误差算法，并对采用g a r d n e r 定时误差算法实现符号同步 进行m a t l a b 仿真，并比较了改进的g a r d n e r 定时误差算法在性能上的提高。最终在 硬件开发平台上实现符号同步。 第五章主要介绍了信道的纠错编解码技术。研究了r s 编解码的原理、卷积编解码 的原理及交织技术。重点讨论了v i t e r b i 译码算法的在d s p 芯片t m s 3 2 0 c 5 4 1 6 上的实 现，及r s 译码在f p g a 芯片e p 2 c 5 0 u 4 8 1 8 的实现过程。 6 硕十论文数字通信系统基带接收机的设计与实现 2 频偏估计 2 1 引言 频偏估计是通信、雷达和电子对抗等领域信号处理的一个重要问题1 3 】。本文中的基 带接收机应用于t d m 广播通信系统，实现卫星通信中的一种话音业务。在无线通信系统 中，高速相对运动物体间由于多普勒效应，无线电信号会发生频率偏移，即多普勒频偏。 为了保证通信链路中数据传输的可靠性与稳定性，在系统设计中，必须使接收设备具备 捕获与跟踪带有多普勒频偏的无线电信号的能力。 当移动台以恒定速率v ，在长度为d ，端点为x 和】，的路径上运动时收到来自远端 源s 发出的信号，如图2 1 所示。无线电波从源s 出发，在x 点与】，点分别被移动台接 收时所走的路径差为越= d c o s 0 = v a t c o s 0 。 s 物体a 图2 1 多普勒效应示意图 这里缸是移动台从x 运动到j ，所需要的时间，e 是x 和y 处与入射波的夹角。由 于源端距离很远，可假设x 、y 处的e 是相同的。因此，由路程差造成的接收信号相位 变化值为： a 9 ：2 r , a ：2 n v a t 0 c o s t ： ( 2 1 ) = = 一 l z 1 九九 由式( 2 1 ) ，得出频率的变化值，即多普勒频偏五为： 乃= 石1 等= s 。寸詈。c o s 0 ( 2 2 ) 在本系统中，t d m 广播通信速率为2 4 k b p s 。多普勒频偏可能与数据速率在同一个 数量级，成为影响信道状况的首要因素，这样的频偏是不可忽略的。因为频偏是以 s i n c 2 ( 2 n f d t ) ( 乃为多普勒频偏) 的系数降低信号幅度。在系统中，估计出多普勒频偏并 将其去除对于保证信号解调的准确性是至关重要的。 传统的频偏估计归类于载波同步，并用锁相j 不( p l l ) 技术来实现载波同步。锁相环 就是一个系统中由振荡器产生的输出信号在频率和相位上与参考信号或输入信号同步， 7 2 频偏估计硕十论文 最终实现两个电信号相位同步的自动控制系统1 4 。 图2 2 锁相环框图 锁相环对于频率的跟踪是一个逐渐逼近的伺服系统。锁相环对于载波频率和相位的 跟踪适合于连续的数据通信，因为其同步时间太长。对于突发数据和高速数据可能无法 忍受，当环路带宽越大时，估计追踪时间越短，但环路抑噪性能就越差，估计的方差也 会越大，估计性能降低，最后导致p s k 解调的比特错误概率上升。 在实际的工程中，常采用f f t 算法对信号进行多普勒频偏估计。f f t 算法估计频偏 的思路是通过对信号进行非线性变换，将其变为单频信号，然后进行f f t 运算，估计出 多普勒频偏。在本工程中，采用f f t 算法测量基带信号的多普勒频偏。根据这个数值， 采用直接数字频率合成器( d d s ) 实时调整接收端的本振频率，修正卫星通信中产生的多 普勒频偏，从而达到正确解调数据的目的。该部分的原理如图2 3 所示： 2 2f f t 测频原理 图2 3 去频偏原理框图 一般来说，对于一个信号的研究，可以从两方面进行表述：信号的时域形式和信号 的频域形式。两者之间相互联系。在时域内对信号的操作会在频域内有所反映，例如， 在时域对信号进行傅立叶变换便可得到信号的时域信息，相反，对信号频域内的任何操 作也必然在时域内有所反映。对信号进行时域处理还是频域上的处理要根据具体情况选 择，有些情况对信号进行时域处理比较简单，而有些信号在频域处理比较简单。为了进 行多普勒频偏估计，对时域信号进行傅里叶变换就可以得到信号的频域信息。 下面以d b p s k 信号为例，具体阐述f f t 沏, u 量多普勒频偏的原理。假设到接收到i 、q 两路基带信号的表达式为： x ( 玎) = e x p j ( 2 7 c f , , n f , + 平t + 0 0 ) 】+ 疗( 刀z )( 2 3 ) 其中六为多普勒频偏，吼为信号的相位信息，因为采用的信号形式为d b p s k 信号，即 r nn 有= 吼一p = u ：，吼 o ，7 c ) ，z 为采样频率，磊z ) 为窄带高斯白噪声。 一，l f f t 算法估计频偏的思路是先把信号变成单一频率的正弦信号模型，然后对该单频 8 硕上论文数7 - 通信系统基带接收机的设计j 实现 信号进行快速傅里叶变换，从而，可以估计出该单一频率。 对接收到的基带信号进行非线性变换，在本文中即将式( 2 3 ) 中的x ( 理) 进行平方运 算。对x ( n ) 进行平方运算即可去除调制信息，得到式( 2 4 ) ： 九( 玎) = e x p j ( 2 n 2 f j n f , + 2 q t + 2 0 0 ) 】+ ，2 ( 刀e ) ( 2 4 ) 其中，却。f o ，2 r e l ，三角函数以2 兀为周期，所以： x ( n ) = e x p j ( 2 nx 2 f a n f ，+ 2 。o ) 】+ ，z ( 疗正)( 2 5 ) 根据式( 2 5 ) 可看出，x ( n ) 是单一频率的信号，其频率为2 厶。 对单频信号x ( n ) 的进行点的f f t 运算，s ( k ) = m n ) e 叩彻，从而可以得到： 磊 跗)=器j1200等-1(k_2fdt)xi+z(k2sinn(k2 f ) (26)at)n 一 】 、7 s ( k ) 幅度最大值处的离散频率索引值记为k ，t = z ，k = r o u n d 2 f a t 】， r o u n d x 表示最接近x 的整数。2 l = k 丁，其中a f = 1 t 为f f t 的频率的分辨率，即 相邻谱线之间的间隔。当信号频率不是正好为矽的整数倍时，s ( 七) 在主瓣之内有两条 谱线。信号的实际频率与粗测频率之间存在相对偏差6 = ( 2 以一m 矽) v 。 由以上理论可知，对九( ”) 信号进行f f t 运算后就可以准确估计出2 l ，把估计得到 的频率除以2 ，就可以得到频率偏移疋。 2 3d d s 原理 直接数字频率合成( d d s ) 技术是一种新的频率合成方法，是频率合成技术的一次革 命。在d s p 芯片t m s 3 2 0 c 5 4 1 6 中为了用数字方法来实现频率合成器，首先将一个周期 的正弦或余弦波形取一定数量的值保存在幸d a t 文件中，然后以索引递增的方式逐个读出 其中的数据，最后得到所需要的正弦或余弦信号。通过改变频率控制字可以改变合成器 的频率。 采用f f t 算法测得信号的多普勒频偏后，根据该数值，采用直接数字频率合成器 ( d d s ) 实时调整接收端的本振频率，修正卫星通信中产生的多普勒频偏。根据估计得到 的多普勒频偏，计算出所需的d d s 的频率控制字，实时调整本地振荡的频率，从而修 正多普勒频偏。 直接数字频率合成器( d d s ) 的结构如图2 4 所示： 制字k 图2 4d d s 原理框图 9 2 频偏估计硕士论文 频率控制字k 与输出信号频率石的关系为： 五：等 ( 2 7 ) 其中z 为基准时钟频率，胛为累加器地址的有效位宽。 在实际系统中，通过以下的程序实现d d s 频率控制字的运算： l dnm a x ，a ：nm a x 为f f t 运算结果最大值处的索引 s u b # 1 2 8 ，a ，b x c 2 ，b g e q s u b # 2 5 6 ，a；a 幸4 宰纠2 5 6 为频偏 以下一段程序实现的功能是产生所需要的正弦及余弦波形。 s t l a ，d d sr；d d s 工作 a d d # s i n e ，a ，b s t l m b ，a r 4；木a r 4 = s i n ( w t ) a d d # c o s i n e ，a ，b s t l m b ，a r 3；毒a r 3 = c o s ( m ) m v d m s a m p l e _ _ p ，a r 2 ；幸a r 2 = i ( n ) 斗j 宰q ( n ) 2 4 仿真结果 采用上述f f t 算法，对d b p s k 信号进行m a t l a b 仿真，仿真的具体参数如下：发射 端的符号率z = 2 4 x 1 0 3 h z ，多普勒频偏六= l x l 0 3 h z ，采样率z = 4 x 2 4 x 1 0 3 h z ，采 用n = 2 5 6 点的f f t 运算，仿真结果如图2 4 ( k = 0 ，1 ，2 ，n - 1 ) 。 1 0 图2 4 f f r 仿真结果 硕士论文 数字通信系统基带接收机的设计与实现 从图2 4 可以计算得到信号的多普勒频偏为： z = 紫z 蝴3 7 5 h z 由此可见，采用f f t 算法能在系统误差允许的范围内比较准确地估计出接收到的基带信 号的多普勒频偏。 3 信噪比估计硕士论文 3 信噪比估计 3 1 信噪比估计原理 信道的信噪比估计是信道估计的一个重要组成部分，它对于蜂窝和卫星通信系统来 说是非常重要的i6 。通过信噪比估计，根据估计值，自适应地采用更有效的解调算法来 提高解调性能；同时，信噪比估计还提供了切换、功率控制和信道分配算法所需的信道 质量信息。在卫星通信系统，信噪比估计具有重要的意义。根据估计的信噪比，可以实 时地调整发送端的信号功率，在不影响通信质量的前提下，尽可能的节约发射端的能量， 这对于移动的发射基站具有重要的意义。 在模拟系统中，通常波形的持续时间为无限长。对时域无限的电信号而言，其能量 是无穷大的，因此，常用信号平均功率和噪声平均功率的比值来表示信噪比( 或称为 s n r ) 。在数字通信系统中，采用时间长度为码元间隔z 的波形来发送和接收码元，通常 用e o ( 或用它的归一化形式e o ) 作为信噪比的性能指标。巨为每个符号的能量， 等于信号功率s 与每符号持续时间f 的乘积；n o 是噪声功率谱密度，等于噪声功率与 带宽之比；又因为每符号持续时间i 与符号速率r 。互为倒数，用1 灭。代替z ，因此 可得到式( 3 1 ) 。 星：旦：丛：羔( 里)剐) h q n | wn wnr s j 图3 1 是某一信道的等效模型【7 1 ，实信号和复信号均适用。在基带通信系统中，为了 尽可能减小码间干扰和噪声的影响，使传输系统获得良好的性能，在系统的发送端采用 了具有均方根升余弦频谱特性的成形滤波器，因此在接收端采用的匹配滤波器的频谱也 具有均方根升余弦特性。需要注意的是在实信道和复信道中的信噪比的表达式是不同 的，在实信道中信噪比( s n r ) 的表达式为2 e , 0 ，而复信道中信噪比( s n r ) 的表达式为 e s b o 图3 1 系统等效模型 在本章中对d b p s k 调制信号的信噪比采用不同的算法进行m a t l a b 仿真。在仿真 过程中，首先假设系统均衡和同步的剩余误差足够小，不会对信噪比估计造成大的影响。 并且假设噪声是加性高斯白噪声，系统具有n y q u i s t 成形和完美的定时同步。 1 2 硕士论文数字通信系统基带接收机的设计与实现 对于基带信号( 复信号) ，用爿。= + ，2 。表不接收到的基带信号的i 路分量，z2 勺+ 刀y 表示q 路分量。其中表示信号的同相分量，0 表示信号的正交分量，噪声吃、为相 互独立的高斯白噪声，其方差为o ，2 = o y 2 = o 2 。因此，对于该基带信号的信噪比表达式 如式( 3 2 ) ： 洲阽寿= 害“ b 2 ， e ( 他2 + 刀，2 ) g 2 、 7 对于d b p s k - i 雕u 信号，在存在由多径引发的码间串扰的系统中，我们可以采用统计 量f 作为信道质量的相对比较依据。f 的表达式如式( 3 2 ) 所示： ；= ! 三+ 智以i x , ：- + i r z , 尹 ( 3 3 ) 分母的值主要取决于信号的幅值，分子的值主要取决于噪声的值。置2 + 1 2 是第f 个 符号的能量( 信号能量与噪声能量之和) ，随着噪声能量的减小不断逼近于信号能量。 同样，、= 弼是信号、噪声能量和的根，随着噪声能量的减小不断逼近于信号能量 的根。( i z i i z l ) 2 在噪声功率较小的情况下，均值接近于菇。i 因1 1 七，我们考虑该统计 量亨是在大信噪比的前提下，f 代表的是三个符号间的噪声幅度信号幅度的比值。从而， 得到对应于信噪i 匕( s n r ) k 的四种估计值【8 1 。 e 1 _ a r c 善l 僻，。2 4 ， e 2 _ a 三( 善l 噼) 1 ( 3 5 ) 贰= 吉c 喜黼，2 b 6 ， e = 圭c 喜舞嚣， 7 ， 其中，上表示的是观察符号的个数，即数据长度；( i 置i i z i ) 2 在低噪声功率的情况下，等 于( 刀y ) 2 ，具有均值e ( 嘭) = 幻2 ；同样，i l z i _ i 硎在低噪声功率的情况下具有均 值届。 对数据长度三的选择也是必须关注的问题，如果数据长度太短将不能进行有效的估 计。如果观察数据太长，每次估计的时间间隔会太长，将不能满足某些应用的需要，所 以选择一个合适的观察数据长序，县一必要的。 3 2 仿真结果 式( 3 4 ) - 式( 3 7 ) 的4 个估计值0 。、e ：、0 。和0 。的方差无法用解析式表示，因此，对4 个估计值进行m a t l a b 仿真，观测当实际信噪比从一1 0 6 0 d b 递增时，比较估计得到的 3 信噪比估计 硕士论文 4 个信噪比。 图3 2 和图3 3 为数据长度l = 1 0 和l = 5 0 的均值方差。 刁 j 四 霜 正 z g 坦 s n r d b 图3 2l = i o ，4 种方法估计得到的信噪比均值 r 驾0 0 _ 茅面1 r 苗1- 11 0 2 03 04 05 06 0 s n r d b 图3 3l - - 5 0 ，4 种方法估计得到的信噪比均值 从仿真结果可以看出，4 种估计值均为有偏估计。估计值芘和芘的偏差比估计值威 和e 大的多，且e 旺) e 武) e 武) e ( e ) 。随着信噪比的变大，估计值的偏差会接 近于常数【1 4 】。 将图3 2 和图3 3 的仿真结果进行比较，数据长度上越长，估计值e 和估计值e 的 1 4 p，迢露正z餐基妲 硕上论文 数通信系统基带接收机的设计与实现 均值与真实值的偏差反而越大。而对于估计值威和估计值t ，随着信噪比和数据长度三 的变大，其值越来越接近真实值。 下面，对仿真得到信噪比估计的结果的标准差曲线来比较估计值威和估计值e 的性 能。 耥 趣 叱 z g o ，- p 拳 图3 4l = i o ，0 i 和0 2