（微电子学与固体电子学专业论文）qam解调芯片中码元同步电路的设计与实现.pdf

东南大学硕士学位论文摘要 摘要 目前，数字有线电视通信系统采用了正交幅度调制( q a m ) 信号对电视信号进行传送在接收端 要完成信号的接收必须要完成码元同步，由于数字电视系统是一个异步通信系统，信号经过信道的 延时是不可预知的，冈此在接收端要准确估计信道的延时和发送端、信道、接收端引入的频率偏移， 以在正确的时刻对接收信号进行采样完成信号解调。 本文主要研究符合d v b c 标准的码元同步的算法设计和电路实现，文章首先介绍了数字电视的 d v b c 标准以及各种码元同步技术，对码元同步的相关理论也进行了介绍。根据d v b - c 系统的要求， 对各种码元同步算法特性进行了分析，并从解调器系统结构和性能角度出发，选择了m & m 算法来完 成解调器的码元同步。针对全数字解调算法出现的一些新问题，设计了全数字实现的码元同步算法， 并对设计的算法在s i m u l i n k 下进行了仿真，证明了设计算法能够完成d v b - c 系统的同步。结合解调 器的系统要求和工作条件，文章对码元同步电路进行了优化设计，与一般的实现相比，优化的电路 大大节省了硬件资源；设计的电路用v e r i l o gh d l 语言进行描述，通过m o d e l s i m 、v c s 等工具对设 计的电路进行了仿真通过仿真结果验证了设计电路功能的正确性；用c h a r t e r e d0 2 5 岬工艺库 对设计电路进行了时序验证，保证了设计电路在设定的条件下满足时序要求，并通过s y n o p s y s 公 司的d e s i g nc o m p i l e r 对设计的电路进行了综合，给出了设计的码元同步电路的电路面积。 通过论文的研究工作，设计出了符合d v b - c 要求的码元同步算法，并用优化的电路实现该算法， 完全达到了设计目标。 关键字： d y b - c ，正交幅度调制，同步，码元同步，鉴相器 东南大学硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t a tp r e s e n t ，q a mm o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o na r ea d o p t e di nc a b l e1 ) i ws y s t e m ，w h i c hi s a na s y n c h r o n o u sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s y m b o lt i m i n gr e c o v e r yi si n d i s p e n s a b l ef o r t h e r e c e i v e rt oa c c o m p l i s hd e m o d u l a t i o na n dt h er e c e i v e rm u s tm a k eg o o da p p r o x i m a t i o no fc h a n n e l d e l a ya n do t h e rn o n i d e a le f f e c ti n t r o d u c e db yt r a n s m i t t e r ，c h a n n e la n dr e c e i v e r t h i sp a p e rc o n c e n t r a t e so na l l 。d i g i t a ls y m b o lt i m i n gr e c o v e r ya l g o r i t h md e s i g na n di t s a s i ci m p l e m e n t a t i o md i g i t a l1 wa n dd v b - cs t a n d a r da r ei n t r o d u c e di nt h eb e g i n n i n go f t h e p a p e r a 11k i n d so fs y n c h r o n i z a t i o nt e c h n i q u e sa n dr e l a t e dk n o w l e d g ea r ea l s oi n t r o d u c e d a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to fd v b - c m 跚a l g o r i t h mi ss e l e c t e df r o mt h ep e r s p e c t i v eo f d e m o d u l a t o ra r c h i t e c t u r ea n da l g o r i t h mp e r f o r m a n c e c o n s i d e r i n gt h e n e wp r o b l e m si n a l l d i g i t a ld e s i g n ，a na l l d i g i t a ls y m b o lt i m i n gr e c o v e r ya l g o r i t h mi sd e s i g n e d ，w h i c hi s s i m u l a t e da n dv e r i f i e du s i n gs i m u l i n k t h es i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a tt h ed e s i g n e d a l g o r i t h mc a na c c o m p l i s ht h es y m b o ls y n c h r o n i z a t i o no fd v b - cs y s t e m a no p t i m i z e da s i c d e s i g no fs y m b o lt i m i n gr e c o v e r yh a sb e e ni n t r o d u c e di nt h ep a p e r c o m p a r e dw i t ho t h e r i m p l e m e n t a t i o nm e t h o d s ，t h eo p t i m i z e dd e s i g ns a v e sh a r d w a r er e s o u r c e sg r e a t l y c i r c u i ti s d e s i g n e du s i n gv e r i l o gh d la n di ti ss i m u l a t e dw i t hm o d e l s i m ，v c s t h es i m u l a t i o nr e s u l t s p r o v et h ed e s i g n e dc i r c u i tf u n c t i o nw e l l t i m i n gv e r i f i c a t i o nh a sa l s ob e e nm a d et h r o u g h a n a l y s i sa n ds i m u l a t i o nu s i n gc h a r t e r e d0 2 5 呻d e v i c e s ，w h i c hp r o v e st h a tt h ed e s i g n e d c i r c u i t sm e e tt h et l i n i n gr e q u i r e m e n t d e s i g n e dc i r c u i ta l s oh a sb e e nc o m p i l e du s i n gs y n o p s y s d e s i g nc o m p i l e ra n d t h ec i r c u i ta r e ai sg i v e ni nt h ep a p e r t h r o u g ht h er e s e a r c hw o r kd o n ei nt h ep a p e r ，s y m b o lt i m i n gr e c o v e r ya l g o r i t h mc o m p l i a n t t od v b - ci sd e s i g n e d ，w h o s ea s i ci 皿p l e m e n t a t i o ni so p t i m i z e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t s i n d i c a t e st h a tb o t ht h ea l g o r i t h ma n dt h ec i r c u i tm e e tt h er e q u i r e m e n t k e y w o r d s ： d v b - c ，o a m ，s y n c h r o n i z a t i o n ，s y m b o lt i m i n gr e c o v e r y ，t i m i n ge r r o rd e t e c t o r 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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，也不包含为获得东南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 并表示了谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 期： 东南大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题背景 随着科学技术的发展，特别是数字信号处理和集成电路技术的发展，数字调制解调技术已经趋 于成熟，数字电视已经成为电视技术发展的必然趋势。丛模拟电视到数字电视是电视事业的一次革 命，数字电视与模拟电视有明显的不同，它从节目采集到节目编辑，从信号发射、传送到信号的接 收等过程都采用数字化处理。与传统的模拟电视相比较，数字电视有如下一些优点： 采用数字方式进行传输，可以多次中继而不致引起噪声积累，大大提高了接收到的图像、 声音质量 可以采用信源编码技术，提高了频谱利用率 可以采用信道编码技术，抗干扰能力强 可以采片j 数字方法对传输信息进行加密，实现数据隐藏，加强对信息的内容保护 可以采用数字集成电路实现，设备易于集成，降低功耗，减小体积与重量 易丁二和计算机网络技术相结合，实现多种业务的动态组合 电视和声音信号的数字化是在1 9 4 8 年提出的，目前存在的数字电视的国际标准主要有美国的高 级电视系统委员会( a t s c a d v a n c e dt e l e v i s i o ns y s t e mc o m m i t t e e ) 和欧洲的数字视频广播 ( d v b d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g ) 。我国的数字电视业务起步较晚，目前国家已经出台了相关政 策，也有一些科研单位和企业在研究、制定我国的数字电视标准。数字电视主要包括用卫星传输、 电缆传输、地面传输三种传输形式，各个标准组织在这几个传输形式上采刖不同的标准协议米开展 数字电视业务。 1 1 1 美国的a t s c 标准叫 1 9 9 6 年美国高级电视系统委员会( a t s c ) 提出了以数字电视为基础的标准：a t s c 。1 9 9 6 年底， 美国联邦通信委员会f c c 决定采片ja t s c 的地面数字电视广播格式。火约在1 9 9 8 年的第四季度，美 国开始播出数字电视节日。 a t s c 数字电视标准由四层组成：最高层是图像层，它规定了象素阵列和帧频的形式；第二层是 图像压缩层，采用m p e g - 2 图像压缩标准；第三层是系统复用层，特定的数据在进行压缩包选择时分 别被包含在不同的包中；最低层是传输层，规定了数据传输时采用的调制方式和信道编码方案。 p = 1 小、，一 陌射 音信号 r s t c g v s b 加交 频频 扰 编 织 编_ ， 调 变 码码 复 插 制 用 入频 段同步 场同步 图卜1a t s c 数字电视发送端系统 信道 东南大学硕士学位论文第一章绪论 倍邀 图1 2a t s c 数字电视接收端系统 a t s c 采用单载波残留边带( v s b v e s t i g i a ls i d e b a n dm o d u l a t i o n ) 的调制方式，它是一种频 谱利用率非常高的调制方式，它采用导频的方法来实现接收端的同步。基于a t s c 的数字电视系统发 射、接收系统如图卜1 、i 玺i 卜2 所示。 1 1 2 欧洲的d v b 标准乜1 d v b ( d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g ) 是欧洲1 7 0 多个组织参加的一个项目，它的意思是数字电 视广播。它包括了卫星、电缆、地面传播的数字电视标准，他们制定的主要标准有d v b - s 、d v b c 、 d v b t ，这三个种标准已经得到e t s ( e u r o p e a nt e l e c o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d ) 的批准。 d v b 的一些相关标准有： ( 1 ) 传送m p e g 2 视频、音频和其他数据信号； ( 2 ) 使用统一的m p e g 2 传送比特流复用； ( 3 ) 使用统一的服务信息系统提供j “播节目的细节等： ( 4 ) 使用统一的r e e d s o l o m n ( 里德索罗门) 前向纠错方案； ( 5 ) 使用统一的加扰算法： ( 6 ) 选择适于不同传输媒体的调制方法和通道编码方法以及任何必须的附加纠错方法； ( 7 ) 支持数字系统中的图文电视系统。 在电缆传输的数字电视领域，他们制定了d v b - - c 标准。按照这个标准，d v b c 系统采用了频带 利用率非常高的q a m ( q u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n ) 调制方案，它是一种对幅度利相位同时 进行数字调制的复合调制形式，与v s b 系统不同，它没有采用插入导频的方式实现同步。 1 1 3 数字电视在我国的发展 数字电视是未来发展的趋势，我国在这个领域的研究起步较晚，关键技术掌握在国外企业手里， 我国目前也已经成立相关的组织进行标准的研究和制定，同时国内的研究机构和一些企业也已经开 始了相关产品的研发并有一些成熟的产品进入市场。 我国于1 9 9 2 年开始了数字电视方面的国家立项，国务院成立了相应的领导小组，负责协调和制 定相关战略发展计划。根据国家广电总局的时间表，2 0 0 6 年中国将开展数字卫星直播业务，满足看 不到有线电视的全国三分之二家庭的需求。“十一五”期间将正式推广数字电视地面广播，至2 0 1 0 年，除西部地区外，全国县级城市基本完成向数字化的过渡，全面实现数字广播电视，2 0 1 5 年全面 终止模拟电视广播。 目前，我国许多大城市已经开播了有线数字电视节目，采用的标准为欧洲的d v b 吒标准；在国 内也有部分城市开播了地面传输的数字电视节目，地面数字电视国家目前没有出台统一的标准，目 2 声 东南大学硕十学位论文第。章绪论 前有几个标准共同存在，主要有欧洲的d v b - t 标准、清华大学的d m b - t 标准、上海交通大学的a d t b - t 标准等。 1 2 符合d v b - c 标准的0 a m 解调系统 本文章主要针对有线电缆传输的数字电视标准d v b - c 进行研究d v b - c 数字电视系统中使用了 q a m 调制方式，它的频带利刚率1 f 常高呤：采用每个频道8 m h z 带宽，滚降系数为o 1 5 ，6 4 q a m ，r - s ( 2 0 4 ，1 8 8 ) 的数字电视信号，每个频道可以达到3 8 1 m b i t s ，如果采用2 5 6 q a m 则速率可以达到 5 0 8 m b i t s 。 我国许多城市开播了有线数字电视节目，传输模式都是采用了d v b - c 制式，调制方式为6 4 0 a m 调制。根据相关协议，d v b - c 数字有线电视系统发送端结构图如图1 - 3 所示。 8 同步极性 8r s 编8 交织 8 字节到 m m 发送甜 m p e g 乒 翻转和随 码 扣 i ；1 2 币m 位符 差分 声基带 - q 2 码流( 2 0 4 ，编码 q a m 机化 j = 1 7 号映射 滤波 调制器 1 8 8 ) 图1 3d v b - c 数字有线电视系统发送端方框图 q l 们1 0 0i o i l i of l i ol o o l 0 00 0 1 0 0 0o o i 帅10 0 1 1 0 i i1 0 0 oo oooooo 么厶么一1 0 l o l i o i 1 0 l l i ji i i l i l o i 1 0 l o0 0 i o i i 帅i i l l0 0 i i i o o ooooooo 1 0 i ii o l o ii1 0 0 0 l l1 0 0 li 】f 肿1 00 0 0 0 1o l i lo o o ti o o ooooooo 1 0 1 0 0 01 0 1 0 i o1 0 0 0 1 01 0 舢0 0 0 00 0 0 0 6 10 0 0 1 0 10 0 c t ! 舯 oooooooo 1 1 0 i l l o l 0 il l o o r ) il l o o o o 。1 扩才oo o l 0 1o o i i oo o o 1 1 0 1 i oi i o l i ii i l i 1 1 0 0j oo i o l0 1 0 0 rl0 1 1 0 1 10 i l o ooooo oo i i l i l o1 1 1 1 0 i1 1 1 肿i1 l i 0o l o i o l o i i oo i i i i oo i i i oooooo oo j 忍- 1 1 lj i l i i l i o l1 1 1 0 0 il l l o 呻o l o l o ，o i i oo l l l i oo l i l z n 。0 t oooooo oo ( 弭o a m 图1 - 4 6 4 q a m 星座图 数字电视图像格式为m p e g - 2 码流形式，m p e g - 2 数据和时钟先经过同步极性翻转和随机化，这 一操作的目的是为了在接收端实现同步和恢复载波；经过随机化的信号然后经过r s 纠错编码，采用 ( 2 0 4 ，1 8 8 ) 的分组数据长度；经过r s 编码后的信号再进行深度为1 2 字节的卷积交织，采用r s 编码和交织这两个操作的目的是对抗信道中的突发错误，即将信道中的突发错误随机到各个分组码 中进行纠错，这一措施后可以将误码率从l 旷降低到1 0 。o 一1o 1 1 ；信号再经过字节映射为符号、差 3 东南大学硕士学位论文第一章绪论 分编码、基带成犁滤波器就到了6 4 q a m 调制器；最后经过6 4 q a m 调制器的载波信号就可以发送到电 缆上。采用的信号调制模式为6 4 q a m ，其对应的星座图如图1 - 4 所示。 按照d v b - c 协议，在数字电视接收端的框架结构如图1 - 5 所示。输入的信号先经过6 4 q a ) l 解调 器，解调信号经过匹配滤波器、均衡器完成匹配滤波和信道均衡，在均衡之后进行一次码元判决， 判决值经过后面的差分解码、多对一映射、解交织、骼解码、解扰及同步字节翻转就得到了m p e g 一2 的码流。 - i i 解扰 8j 、j 输入i6 4 m i t i 信号的 8 r 8及同 i q a m 匹配滤波 差分 手 多对一千解交织 r s 扣 步字 ，i ， 解调器 ( ， 和均衡 解码 映射 解码 节翻 l i 转 图1 5d v b - c 数字有线电视系统接收端结构图 p e g - 2 码流 d v b - c 的有线信道不是理想的信道，存在非理想效应和干扰，在发送、接收端的模拟器件也会 引入一些非线性影响以及其他1 卜理想干扰，因此在接收端要完成数据的恢复，就要对信道响应进行 准确的估计并对模拟器件产生的非理想响应和干扰进行抑制，这部分丁作主要是由接收端的6 4 q a m 解调器来完成的，相应的功能模块主要有载波恢复、码元同步、信道均衡等。 在电缆数字电视传输系统中存在的主要非理想响廊和干扰口1 如图卜6 所示。 图1 - 6 电缆传输的数字电视系统中主要的非理想响应和干扰 4 东南大学硕士学位论文 第章绪论 1 3 本文的主要工作 2 0 0 3 年8 月到2 0 0 5 年1 2 月，作为主要设计研发人员参与了符合d v b - c 标准的全数字q a m 解调 芯片项目。本人负责解调芯片中码元同步电路的算法设计、电路实现。 第二章介坌7 1 了码元同步的基本理论。首先介绍了通信系统中的同步问题，对同步要解决的问题 进行了介绍；文章对同步技术的发展、演变也进行了介绍，从传统的模拟同步、数模混合同步到比 较新的全数字同步方法；文章对全数字同步的理论基础：内插算法及环路控制进行了详细的理论推 导和说明，并对相关的锁相环理论进行了叙述。以上面的内容为基础，本章最后介绍了d v b c 系统 采用的全数字同步方式。 第三章介绍了全数字码元同步算法的设计。本章详细说明了全数字码元同步中各个模块的算法 设计，包括：鉴相器的算法选择、设计，数字环路滤波器的设计，数控振荡器的设计；文章还对全 数字码元同步算法涉及剑的环路控制相关参数的计算给出了详细的理论推导；最后根据设计的算法 及相关的参数对设计算法进行了仿真，给出了仿真结果并根据结果对算法的性能进行了分析。 第四章介绍了码元同步算法的a s i c 实现。文章具体介绍了码元同步电路的设计、验证流程，根 据解调器系统的具体上作条件对设计电路结构进行了优化；采用优化的设计方法对码元同步电路进 行了设计，并给出了相应的仿真结果验证了设计电路的正确性；文章还对设计电路进行了时序验证 保证设计电路在设定j ：艺库和系统时钟下满足时序要求；基于c h a r t e r e d0 2 5 岬工艺库，用d e s i g n c o m p i l e r 对设计电路进行了综合并给出了综合的电路面积。 5 东南大学硕士学位论文 第二章码元同步基本理论 第二章码元同步基本理论 码元同步是一个很重要的课题，它在通信系统中地位极其重要。码元同步算法涉及的知识也非 常多，包括数字信号处理、锁相环理论、控制理论、电路的可实现性等等。码元同步算法、电路的 设计是各种理论综合运用、考虑的一个体现。 2 1 通信系统中的同步问题 一个通信系统能否有效而可靠地工作，在很大程度上取决丁二同步系统是否良好。同时，同步系 统的性能好坏直接影响通信系统质量的高低。从功能上来分，同步可以分为载波同步、码元同步、 帧同步，这三个同步模块分别完成通信系统中不同的同步功能。 按照通信系统接收端和发送端的时钟关系，通信系统可以分为同步通信系统和异步通信系统。 同步通信系统是指发送端和接收端时钟是经过精确同步的，异步通信系统是指发送端和接收端时钟 是分别独立的，两者之间没有任何联系。在同步通信系统中可以通过对信道传输时间的精确估计来 完成对信号到来时间点的计算；在异步通信系统中，同步面l l 台i 的问题就复杂的多，信号经过信道的 延时和非理想效应是不得而知的，冈在接收端保证在正确的采样点进行采样是至关重要的，不仅如 此，由于信道是不断变化的，在接收端还要不断跟踪信道的变化才能保证数据的准确接收。这些t 作的完成是通过对接收信号进行复杂的运算米获得时间信息，通过这些信息来控制接收端进行一些 相关操作来完成的。 在异步通信系统中，根据数据传输的形式不同又可以分为模拟通信系统和数字通信系统。在模 拟通信系统中，接收机系统在：r 作频率、相位上与发射机保持一致才能完成数据接收，特别是在相 干解调系统中，在接收端必须很精确的与发射机保持频率、相位的一致才能保证解调任务的完成， 这项功能由接收机的载波恢复模块来完成。在数字通信系统中，除了载波同步外还有其他两个很更 重要的同步：码元同步利帧同步。在数字通信系统中，接收的信号是以比特或者符号为单位的，在 接收端要进行码元的判决就要在正确的采样点处进行采样。为了使系统在正确的采样点处进行采样， 接收机要生成一个和发射机完全同步的一个采样控制信号，这个信号就是比特采样时钟或者码元时 钟。采样时钟是由本地接收机的晶体振荡器产生的，它不是理想的器件，存在一定的频率漂移，这 样产生的采样时钟就会在一定范闱内产生频率、相位的波动。为了纠正这个误差，接收端会有一个 锁相环对码元时钟产生电路进行“锁相”，使其工作在系统允许的范用之内。这个锁相环在接收系统 中具有举足轻重的地位，它的性能会影响整个系统的稳定。数字通信系统中的数据传输是以数据帧 的格式来进行传送的，数据帧按照一定的格式来传输。在接收端由帧同步电路来完成帧的同步。在 完成了码元同步和帧同步以后接收机才能止确的接收数据。 数字通信系统中的码元同步是一个非常复杂的问题，只要完成了码元同步，根据相关的通信协 议、标准就很容易完成帧同步。 d v b - c 系统中的码元同步主要有两个作用： ( 1 ) 获得准确的采样定时相位，包括恢复正确的码元频率间隔和正确的采样相位，以保证接收 端能够在码间干扰最小的相位处采样； ( 2 ) 对抗定时抖动，定时抖动由多种因素引起，比如信道的非理想传输特性、接收端的晶震抖 动、发送端的晶震抖动等。 6 东南大学硕士学位论文 第二章码元同步基本理论 2 2 同步技术演化 在数字通信系统中，系统完成同步主要有两种方法：一种是通过发送导频的方式来进行同步， 另一种是没有导频的同步方式。通过发送导频的方式进行同步需要占用额外的频谱资源，但是在接 收端的同步容易实现，对系统完成同步的要求也比较低：没有导频实现同步的方法可以节省频谱资 源，但是通过接收信号来提取同步信息算法比较复杂，系统完成同步对信号的要求也较高。a t s c 推 荐的v s b 调制模式中使用了导频来完成系统的同步，它们的系统在接收信号的信噪比( s n r ) 大于 o d b 时就可以实现同步h 1 ；d y b 的q a m 调制模式没有使用导频进行同步，它们的系统在接收信号的信 噪比大于1 8 d b 时才可以完成同步。 在接收端，实现同步电路有不同的形式，可以用模拟电路实现同步，也可以用数字方法实现同 步。目前，在接收端实现同步的方法主要有三种： ( 1 ) 模拟方式实现同步； ( 2 ) 模数混合方式实现同步； ( 3 ) 全数字方式实现同步。 前两种方法是比较传统的同步方法，第三种是在上个世纪九十年代出现的新型同步算法，在许 多数字通信系统中已经得到了应用。全数字同步方式主要体现在码元同步和载波同步由数字电路米 实现。 2 2 1 模拟同步方法 用模拟电路的方法米实现同步是最早采用的一种同步方法，它是用模拟电路来完成系统的同步， 图2 - 1 是一种典型的同步实现结构图。 输入信号先经过模拟电路的处理，这部分电路包括时间误差提取屯路、锁相环等，产生的信号 来控制、调整系统的采样时钟，采样时钟一般用压控振荡器( v c o - v o l t a g ec o n t r o l l e do s c i l l a t o r ) 来实现。通过v c o 来调整采样时钟的频率和相位，使系统在最佳采样点处对输入的信号进行采样， 采样值即为要接收的码元值。经过采样的信号进入下面的数字电路部分进行后续的处理。 模拟同步方法采用很多的模拟器件米实现同步，接收系统会非常复杂，难以实现集成，系统成 本也非常高；同时由于模拟器件在工作时本身会产生噪声对系统影响，因此模拟同步方法的性能不 不是很好。 图2 1 模拟同步方式 2 2 2 模数混合同步方法 随着数字信号处理技术和集成电路技术的发展，模拟、数字混合同步方式是在模拟同步方式上 发展起来的一种同步方式。图2 2 是一种典型的模数混合同步实现方式结构。 7 东南大学硕士学位论文第二章码元同步基本理论 模数混合方式与模拟同步方式不同之处是提取时间误差信息的电路在模数混合方式中由数字电 路来实现。与模拟同步方式相同，模数混合方式也采用了模拟的可控时钟。一般用压控振荡器( v c o ) 来实现。提取误差电路一般包含一个数字锁相环，它来通过接收到的信号产生一个控制信号来控制 压控振荡器。 模数混合方式比模拟方式有了一定的进步，它使用了较少的模拟电路器件，误差提取部分电路 由数字电路米完成，它更容易实现系统的集成，同步性能较之模拟方式也有了一定程度的提高。 图2 - 2 模数混合同步方式 2 2 3 全数字同步方法 全数字同步技术是一种新技术，它是随着数字信号处理技术的发展和集成电路技术的发展而产 生的，主要是插值算法的提出促进了全数字同步的出现。图2 - 3 是全数字同步方式结构图。 全数字同步技术使接收端的集成度大人提高，同步模块的电路完全由数字电路来实现，克服了 模拟电路一些同有的问题，在性能上也较之前两种同步方式有了提高；同时，在模拟同步或者数模 混合同步方法实现的通信系统中，由丁采样速率要设置为码元速率的整数倍，冈此系统的应片j 范围 很受限制，而全数字同步的系统就可以克服这一个问题，它的采样频率和码元速率没有制约关系， 在不同码元速率的系统中可以通过软件的设置来完成同步。 目前全数字同步方式已经在许多通信系统中得到了广泛的应用。 图2 - 3 全数字同步方式结构 2 3 基于内插算法的码元同步 内插算法的是全数字同步接收机的理论基础，g a r d n e r 等人1 9 9 3 年在i e e e 发表的两篇论文嘲嘲 对这种算法进行了介绍，这对全数字接收机的产生有重大的意义。全数字码元同步就是通过数字电 路来实现内插算法计算理想码元采样点的值从而获得码元同步的。 8 东南大学硕十学位论文 第二章码元同步基本理论 2 3 1 内插算法模型 由抽样定理h 1 可以得知：如果连续信号工( f ) 是有限带宽的，其频谱的最高频率为五，那么对x ( f ) 进行抽样时，如果能保证抽样频率工2 l ，那么可以由抽样得到的信号x c n t , ) 来恢复工( f ) ，即 x c n t , ) 保留了x ( t ) 的全部信息。由x ( n t , ) 来恢复工( f ) 的计算公式为 邪，2 重砌i ，篙端铲汜。 在式2 1 中，x o ( t ) 即为恢复的工( f ) ，里堕等掣就是插值滤波器响应，它是理想插值滤波 刀l 卜。n l s ，5 器响应，响应长度是无限k 的，在实际设计中是不可实现的。 从抽样定理可以得到启发：理想采样点的值可以通过其他采样点的值进行计算得到，在实现时 可以设计有限长度的插值滤波器来实现。采样速率和码元速率可以不同，采样得剑的值通过速率转 换模型就可以得到理想采样点的值，从而得到码元值。速率转换模型如下所示： 信号 模拟脉冲 模拟形式的经 过插值的信号 图2 4 速率转换模型 在t = k t i 时刻 重新采样 输入为采样信号石( m i ) ，i 为采样周期，l 为码元周期。h i ( t ) 是连续时间的插值函数，采样信号 经过d a c ( d i g i t a la n a l o gc o n v e r t e r ) 和h t ( t ) 后，输出连续时间信号为： y ( f ) = x ( m t , ) h t ( t - m t , ) ( 2 2 ) 在f = 七l 时刻再对) ，( f ) 进行采样，则进行插值后再进行采样得到的第k 个内插值为： y ( 螺) = x ( m t , ) h t ( k t f 一，l i ) ( 2 3 ) 七 由式2 3 可知，如果已知下面三个条件： ( 1 ) 输入采样序列工( ，l i ) ； ( 2 ) 内插滤波器的响应啊( ，) ； 9 东南大学硕+ 学位论文第二章码元同步基本理论 ( 3 ) 输入采样周期瓦和输出码元z 。 那么内插值完全可以用全数字方法得到。三个条件中只有z 是未知的，通过变换以采样时钟周期瓦 来表示内插值，定义 i = i n t k t f i 】一m ( 2 4 ) 其中i n t z 】表示不超过z 的最大整数。再定义 t n k = i n t k t f i 】 ( 2 5 ) = 红，瓦一m k ( 2 6 ) 其中0 u i l ，称为插值距离。i 、正、三者的关系如图2 - 5 所示。 ( k - 1 m l t 9 为采样周期 n 为码元周期 l m 插值； 距离： ( k + l m l iii il i l ii ii ( r n - 4 ) t s( 叶3 t s ( m - 2 ) t s ( 叶i ) t s r o t s ( m + 1 ) t s( m + 2 ) t s( m + 3 ) t s ( m + 4 ) t s ( m + 5 ) t s 图2 5 瓦、互、h t 三者关系 把式2 4 、式2 5 、式2 6 带入式2 3 可以得到： y ( k t f ) = y ( m k + ) i 】 ：艺虹( 他一i ) 瓦阶+ “。) i 】 2 m 信，i 方程2 7 是基本的数字内插滤波器方程。它由j = 1 2 一，i + 1 个采样值米计算对应的第k 个插值， u t 是插值点到采样点的距离，它决定了用来计算内插值y ( 七1 ) 的插值滤波器响应值。插值滤波器响 应( r ) 是式2 j 中的插值滤波器响应墅葛嬲的逼近。 插值滤波器响应啊( f ) 越逼近理想插值滤波器响应则插值效果越好，当然加长滤波器的长度是一 种方法，但是这样的实现成本太高，一般不依靠加长滤波器响应来完成而是通过其他方法来设计。 设计啊( f ) 逼近理想插值滤波器的方法很多，如线性插值、平方插值、立方插值、分段抛物插值、拉 哥朗日立方插值、变换基函数插值嘲等等。 1 0 东南大学硕七学位论文第二摩码元同步基本理论 2 3 2 基于内插算法的码元同步结构 在模拟同步方法和模数混合同步方法中，采样速率通常是码元速率的整数倍，但在基于插值的 全数字同步方法中，采用同定频率的晶振控制采样速率米满足各种不同码元速率的同步，因此采样 速率和码元速率之间的关系不再只是整数倍的关系，这样在接收端还必须要准确估计码元来临的时 刻，产生一个码元允许信号，在码元到来时通过插值滤波器和插值距离来正确计算码元时刻的理想 采样值。即在接收端的码元同步模块要提供码元允许信号和插值距离信号，基于内插算法的码元同 步结构如图2 - 6 所示。 模拟信号 插值 滤波器 南插值距离ll 码元允许 同定频率时钟l 码元同步l 图2 - 6 基于内插算法的码元同步结构 基于内插算法的码元同步结构采用同定频率的时钟控制a d c 采样，得到的采样信号与码元速率 不是成整数倍关系，可以满足不同速率的要求。码元同步模块提供码元允许信号和插值距离两个信 号，在码元来临时产生码元允许信号并提供准确的插值距离信号以让插值滤波器进行止确的插值计 算得到码元值。经过插值滤波器的信号速率就完成了到码元速率整数倍速率的转换，再经过后面的 处理电路就得到发送的码元值。 码元同步模块采朋类似锁相环的环路控制结构，一般包含三个模块：时间误差检测器、环路滤 波器、插值控制器。时间误差检测器是从接收到的信号中提取时间误著信息；环路滤波器对误差进 行滤波，滤除噪卢信号产生有用的控制信号；插值控制器控制插值滤波器进行插值计算。幽2 6 示 出了基丁内插的码元同步环路结构。 川 圆定额皋时钟 贞蝎 捅值滤波器卜一数字滤波器 插值控 制器 环路滤 波器 图2 7 基于内插的码元同步环路结构 判决点输出 时间误差 检测器 图中工( f ) 为输入的连续信号，经过周期为i 的a d c 采样后得到采样序列j ( m i ) ，插值滤波器 在插值控制器的控制下对采样序列按照式2 7 进行插值输出码元周期整数倍的信号y ( k t i ) ，后面的 数字滤波器进行镜像频率抑制和抽取操作得到判决点的值。 2 3 3 码元同步环路控制 码元同步模块中的插值控制器要产生码元允许信号和插值距离信号，一般由数控振荡器 东南大学硕十学位论文 第二章码元同步基本理论 ( n c o - n u m e r i c a l l yc o n t r o l l e do s c i l l a t o r ) 来实现，它与模拟实现的压控振荡器( v c o - v o l t a g e c o n t r o lo s c i l l a t o r ) 功能相近，区别之处在与前者川数字电路实现后者心模拟电路实现。图2 8 示出了码元同步环路控制结构图。 固定频率时钟 两 籼钳l 圜 l+ 节( 吼) w ( 神 0 t r , ) 滤波器 l 倍或_ 荇2 倍码元速謇 时间误差 检测器 圈捌吖r ， 图2 - 8 码元同步环路控制结构图 插值滤波器通过输入的采样序列m i 和插值距离“。来完成插值，一旦控制器计算出了这两个值， 插值滤波器就载入相应的插值滤波器响应阳1 来完成插值。这个控制就是通过n c 0 的溢出信号产生的 码元允许信号和相应的插值距离来完成的。 假设信号的采样周期为i ，n c o 的工作周期也是t ，假设码元周期为z ，则n c 0 必须产生一个 平均周期为z 的信号米控制每一次插值的执行，这个信号由n c o 的溢出信号来产生，每一次n c o 的 循环递加或者递减意味着一次新的插值运算的执行。 插值距离比t 是要产生的一个小数间隔，表明理想采样点到相近采样点的距离，它可以通过n c o 的循环计算产生。 假设n c o 在第m 个时钟时寄存器的内容为7 7 ( m ) ，n c o 的控制字为w ( m ) ，假设采用递减的n c o 操作方式，那么n c o 的差分公式可以写为 刁( ，孢) = 【? ( m - 1 ) 一w ( m 一1 ) m o d ( 一1 ) ( 2 8 ) n c o 的控制字w ( m ) 是由码元同步环路来调整的，它是一个正的小数，在环路稳定时，w ( m ) 将是 一个常数。w ( m ) 的更新周期为c ，n c o 寄存器平均下溢周期为1 1w ( m ) 个时钟，因此n c o 周期 为正= 瓦w ( m ) ，这样就可以得到控制字 咖，专 ( 2 9 ) 可以这样说，控制字w ( 历) 可以估计为插值滤波器平均插值速率l 7 = 相对于采样速率1 i 的值。 1 2 东南大学硕十学位论文 第二章码元同步基本理论 w ( m ) 之所以是一个估计值，这是因为它收到时间误差噪声的影响，不是i 古l 定的一个常数。 插值距离心也是由n c 0 来产生的，两者关系如图2 - 9 所示。 1 k 。o 寄 存 器 内 容 7 7 0 ) o k 机 7 7 _ 七小l | -1 j 、下 。、。 f ， 图2 - 9 插值距离心与n c o 的关系图 图2 - 9 示出了n c 0 寄存器内容，7 ( f ) 与时间的关系，图中，吼i 是在进行第k 次插值前的采样， 第k 次插值时刻为蝎= ( m t + u k ) 瓦。n c 0 寄存器的值在七i 时为0 ，在下一个周期时刻，即 ( 他+ 1 ) 瓦，下溢出将被检测到，此时n c 0 寄存器的两个时刻值，7 ( 他) 和r ( m , + 1 ) 都是可用的。 在图2 - 8 中利片j 三角形相似，可以得到 上王：! ! 二丝2 互 ( 2 9 ) 7 7 ( ，仇)l 一7 7 ( ，仇+ 1 ) 从式2 9 可以得到的表达式 = 煎盟一：塑也( 2 1 0 ) 1 一r ( m , + 1 ) + 刁( ，)以，仇) 从式2 1 0 可以得知：u 的值可以由n c o 的值通过计算得到。 上面描述的是采用递减运算的n c 0 结构，采用递加运算的n c 0 结构及其性质也容易从上面的论 述中得剑，在此不再赘述。 2 4 锁相环技术嘲 全数字实现的码元同步环路算法类似于模拟同步方式中的锁相环，它的算法是由模拟锁相环方 法导出的。因此在设计全数字码元同步算法时要深入了解锁相环路的理论及其特性 1 3 东南大学硕士学位论文第二章码元同步基本理论 2 4 i 锁相环路模型 锁相环路( p l l p h a s el o c k e dl o o p ) 是一个基本同步部件，其性能与同步系统的功能紧密相连。 它是一个频率与相位的同步控制系统，它的工作过程可以用图2 1 0 所示的框图来说明。 h0 ) n ( t ) 图2 1 0 锁相环路基本组成 在图2 1 0 中，环路输入信号v i ( f ) = vs i n t o o t + 矽( f ) 】与加性白噪声n ( t ) 之和，它与压控振荡器 ( v c o - v o l t a g ec o n t r o l l e do s c i l l a t o r ) 的输