（微电子学与固体电子学专业论文）全数字接收机码元同步算法的vlsi实现研究.pdf

摘要 随着通信事业的发展，频带越来越拥挤，一些频带利用率很高的通信调制方 式被采用，而传统的数字通信系统中的反馈式模拟锁相环解调变得难以实现。全 数字解调技术由于采用无锁相环也没有反馈回路的数字式开环结构而受到人们的 广泛重视。本文对全数字接收机的关键问题一码元同步算法的v l s i 实现方法进行 了系统的研究，所取得的主要研究成果为： 1 在数字滤波平方定时的频域算法基础上，对定时误差估计算法采用了前端 进行带通滤波和后端实施卡尔曼滤波的处理方法对其进行改进。带通滤波器减小 了定时误差估计的方差，而卡尔曼滤波则降低了整个定时误差估计过程中噪声的 影响。 2 在插值滤波器的f a r r o w 实现结构基础上，融入了流水线技术和并行处理 技术，提出了一种新的实现结构。在全数字接收机中，插值滤波器通过内插得到 最佳采样值以实现码元同步的功能。插值滤波器性能的好坏直接影响到全数字接 收机的误码率，设计性能良好的插值滤波器是设计全数字接收机的关键。由于插 值滤波器是时变线性滤波器，而f a r r o w 结构非常适合用于带有因子变量的滤波 器，本文以f a r r o w 结构为研究基础，对结构进行多方面的改进，融入了流水线技 术和并行处理技术，从而提高了滤波器采样速率，降低了功耗。 3 在融入了流水线技术和并行处理技术的插值滤波器f a r r o w 实现结构基础 上，采用了快速f i r 算法降低滤波器的硬件复杂度。同样得到了较高的采样速率 和较低的功耗。 4 设计了一种基于模糊推理的内插滤波器。分析了全数字接收机中的拉格朗 日立方内插滤波器f a r r o w 结构，由于采用固定的实现系数，在对高效调制信号进 行解调时误码率较高。在此基础上，经过大量实验，根据分数间隔的变化，自动 控制滤波器的实现系数。仿真和实验结果表明，改进后的内插滤波器降低了误码 率，得到了良好的效果。 本论文对改进后的结构进行复杂度对比、采样速率对比和能源消耗对比，并 仿真得到了各种结构的脉冲响应、频率响应和星座图，所设计的各种实现结构均 在f p g a 上编程下载成功。 关键词：全数字接收机；码元同步；插值滤波器；f a r r o w 结构? 快速f i r 算法； 模糊推理 a b s t r a c t n o w a d a y s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o n s ，丘e q u e n c yb a n du s e db y c o m m u n i c a t i o ni sb e c o m i n gm o r ea n dm o r ec r o w d e d s o m ec o m m u n i c a t i o nm o d u l a t i o n m o d e sw h o s eb a n d w i d t he f f i c i e n c yi s h i g ha r eu s e d t h ef e e d b a c ka n a l o gp l l d e m o d u l a t o ri nt r a d i t i o n a l d i g i t a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e mb e c o m e sd i f f i c u l tt ob e i m p l e m e n t e d a l l - d i g i t a ld e m o d u l a t i o nt e c h n o l o g yw h i c hh a sad i g i t a lo p e n l o o p s t r u c t u r ew i t h o u tp l la n df e e d b a c kl o o pi sa t t r a c t i n gm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n s y m b o l s y n c h r o n i z a t i o ni st h ek e yt e c h n o l o g yi na l ld i g i t a lr e c e i v e r t h i sd i s s e r t a t i o ni sm a i n l y c o n c e r n e dw i t ht h ev l s ii m p l e m e n t a t i o no fs y m b o ls y n c h r o n i z a t i o n t h ea u t h o r sm a j o r c o n t r i b u t i o n sa r eo u t l i n e da sf o l l o w s ： 1 b a s e do nt h ea l g o r i t h mo fd i g i t a lf i l t e ra n ds q u a r et i m i n gi nf r e q u e n c yd o m a i n ，i t i si m p r o v e db yu s i n gb a n d p a s sf i l t e r i n go nf r o n t - e n dk a l m a nf i l t e r i n go nb a c k e n d t h eb a n d p a s s f i l t e r i n gr e d u c et h ev a r i a n c e o ft i m i n ge r r o re s t i m a t e t h ek a l m a n f i l t e r i n gr e d u c ee f f e c to fn o i s ef o rt h i sp r o c e s s 2 an e ws t r u c t u r eb a s e so nt h ef a r r o ws t r u c t u r eo fi n t e r p o l a t i o nf i l t e ri sp r o p o s e d b yp i p e l i n i n ga n dp a r a l l e lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y i n t e r p o l a t i o nf i l t e ri m p l e m e n t s s y m b o ls y n c h r o n i z a t i o nb yo p t i m i z e ds a m p l i n gi na l ld i g i t a lr e c e i v e r i t sp e r f o r m a n c e h a sad i r e c ti m p a c to nt h eb i te r r o rr a t eo fa l ld i g i t a lr e c e i v e r i ti st h ek e yt oa l l - d i g i t a l r e c e i v e rt h a td e s i g nan i c e rp e r f o r m a n c eo ft h ei n t e r p o l a t i o nf i l t e r t h ei n t e r p o l a t i o n f i l t e ri sal i n e a rt i m e v a r y i n gf i l t e r ，a n dt h ef a r r o ws t r u c t u r ei sv e r ys u i t a b l ef o rf i l t e r w i t ht h ef a c t o rv a r i a b l e ，d i s c u s s i o no ft h i sp a p e rb a s e so nt h ef a r r o ws t r u c t u r e t h e s t r u c t u r ei si m p r o v e di nm a n yw a y s i tc a nb eu s e dt oi m p r o v e dt h eo p e r a t i o n a lr a t ea n d r e d u c et h ec o m p l e x i t yo ff i l t e rb yp i p e l i n i n ga n dp a r a l l e lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y 3 o nt h i sb a s i s ，an e ws t r u c t u r eb a s e do nt h ef a s tf i ra l g o r i t h mi sp r o p o s e d i ti s u s e dt or e d u c et h ec o m p l e x i t yo ft h ep a r a l l e lf a r r o ws t r u c t u r e i tc a nb eu s e dt o i m p r o v e dt h eo p e r a t i o n a lr a t ea n dr e d u c et h ec o m p l e x i t y , t o o 4 a ni n t e r p o l a t i o nf i l t e rb a s eo nf u z z yi n f e r e n c ei sd e s i g n e d b e c a u s eo fu s i n g c h a n g e l e s sc o e f f i c i e n t s ，t h ee x i s t i n gf a r r o ws t r u c r t r eo fl a g r a n g ei n t e r p o l a t i o nf i l t e r h a sah i g hb i te r r o rr a t ef o rt h ed e m o d u l a t i o no fh i g he f f e c t i v em o d u l a t e ds i g n a l s b ya m a s so fe x p e r i m e n t a t i o n ，a ni n t e r p o l a t i o nf i l t e rb a s eo nf u z z yi n f e r e n c ei sd e s i g n e d i t c a nc o n t r o lt h ec o e f f i c i e n t so ff i l t e rw i t hf r a c t i o n a l l ys p a c e dc h a n g e s i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ei m p r o v e di n t e r p o l a t i o nf i l t e rr e d u c e sb i te r r o r r a t e s ot h eg o o de f f e c ti sg a i n e d t h ec o m p a r i s o no fi m p r o v e dt h es t r u c t u r e si sm a k e di ns a m p l i n gr a t e ，h a r d w a r e c o m p l e x i t ya n dt h eo fe n e r g yc o n s u m p t i o n t h ei m p u l s er e s p o n s e ，f r e q u e n c yr e s p o n s e a n dt h ec o n s t e l l a t i o nd i a g r a ma r ep r o d u c e db ys i m u l a t i o n i th a sr e a l i z ef o ru s i n g f p g a k e yw o r d s ：a l l d i g i t a lr e c e i v e r ；s y m b o ls y n c h r o n i z a t i o n ；i n t e r p o l a t i o nf i l t e r ； f a r r o ws t r u c t u r e ；f a s tf i ra l g o r i t h m ；f u z z yi n f e r e n c e 作者简介 邓军，贵州开阳人。1 9 9 8 年毕业于西安电子科技大学自动控制 专业，获学士学位。2 0 0 3 年毕业西安电子科技大学电路与系统专业， 获硕士学位。2 0 1 1 年1 2 月毕业于西安电子科技大学微电子学与固体 电子学，获工学博士学位。导师：杨银堂教授。 主要研究方向：全数字通信；数字信号处理的v l s i 实现等。 代表性成果及经历：( 获奖、专利、专著、论文等信息、参与或 完成实际工程、访学经历) 已在电子与信息学报、西安电子科 技大学学报等权威、核心刊物发表学术论文6 篇。著作射频电路基础( 第三作者) 由西安电子科技大学出版社出版。 j u nd e n g ，w a sb o mi nk a i y a n g ，g u i z h o up r o v i n c e ，c h i n a ，i n19 7 6 h er e c e i v e dh i sb a i na u t o m a t i cc o n t r o lf r o mx i d i a nu n i v e r s i t y , x i a n ，c h i n a , i n19 9 8 ，t h em s d e g r e ei n c i r c u i t sa n ds y s t e m sf r o mx i d i a nu n i v e r s i t y , x i a n ，c h i n a , i n2 0 0 3 ，a n dt h ep h d d e g r e ei n m i c r o e l e c t r o n i c sa n ds o l i ds t a t ee l e c t r o n i c sf r o mx i d i a nu n i v e r s i t y , x i a l l ，c h i n a , i n s e p t e m b e r2 0 1 1 h i sr e s e a r c hi n t e r e s t si n c l u d ed i g i t a lc o m m u n i c a t i o n s ，v l s ii m p l e m e n t a n t i o no fd i g i t a l s i g n a lp r o c e s s i n gs y s t e m s h eh a sp u b l i s h e do v e r6j o u r n a la n dc o n f e r e n c ep a p e r s ，a n djo u r n a li n c l u d ej o u r n a lo f e l e c t r o n i c s & i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , j o u r n a lo fx i d i a nu n i v e r s i t y h ei sat h i r da u t h o ro f t h eb o o k “f u n d a m e n t a l s o fr a d i of r e q u e n c yc i r c u i t ，w h i c hw a sp u b l i s h e db yx i d i a n u n i v e r s i t yp u b l i s h i n gh o u s ei n2 0 l0 第一章绪论 1 1 1 全数字接收机 第一章绪论弟一早珀了匕 1 1 研究背景和意义 随着通信事业的发展，一种不用锁相环也没有反馈回路的数字式开环结构的 解调技术受到人们的重视，这就是全数字接收机技术。全数字接收机是在接收机 前端即中频、高频或靠近接收天线的地方采用数模转换器将接收机收到的调制载 波信号取样、量化，转换为数字信号，接收机后续的功能全部用数字处理技术实 现。 在数字通信中，码元同步和载波同步是接收机的关键技术。在通常的数字通 信系统中，接收机的码元同步和载波同步主要利用锁相技术实现，但是锁相环设 计困难，因此这种技术的使用受到限制。全数字接收机主要采用开环结构，解调 使用的本地参考载波和采样时钟都震荡于固定的频率。这样，可以克服传统的接 收机中需要将信号反馈到前面进行反馈控制以及在采用高效传输方式时锁相环设 计困难等问题。全数字接收机由于采用开环结构产生的问题之一是相位误差和时 钟误差估计算法比较复杂，接收机必须确定误差的精确数值，才能进行前向校正， 这就引出了插值滤波问题【l j 。 插值滤波是全数字接收机中的一个特殊问题，这个问题在一般的接收机中是 不存在的。在传统的接收机中，利用码元同步的锁相环，符号时钟误差信号以前 向或后向方式控制压控振荡器相位的调整，直至锁相环稳定最后锁定在最佳采样 点处，从而直接得到了最佳采样点的值。但在全数字接收机中则不同，因为a d 采样的时钟是固定的，接收机的采样速率与发送的符号速率是相互独立的，这样 最佳采样点的值不能通过直接采样得到，当抽样时钟与数据码元不同步时，就需 要在非同步的抽样数据之间进行插值，来获得同步的信号样值。在全数字接收机 中，信号在最佳采样点的值不能通过直接采样得到的，而是通过定时误差估值控 制内插滤波器对采样得到的信号样本值进行插值运算，从而得到信号在最佳采样 时刻的近似值【2 j l 引。因此内插处理器的性能直接影响着整个系统的性能，设计性 能良好的内插滤波器是全数字接收机的关键。 随着数字信号处理与v l s i 技术的迅速发展，接收机的全数字化越来越成为 可能。与传统的接收机一样，码元同步问题是全数字接收机首先面临而且必须解 三全数字接收机码元同步算法的v l s i 实现研究 决的问题，插值滤波器是一个关键问题。 1 1 2d s p 的v l s i 实现方法 数字信号处理( d s p ) 理论与技术，是一种利用数字方法实现各种系统的基 本理论与技术。现代数字信号处理技术与计算机技术和数字集成电路技术的出现、 发展紧密相连。 现代数字信号处理技术为现代科学研究和工程系统的实现与应用，提供了相 当灵活的运算基础。特别是数字信号处理器的出现，以及随着集成电路技术发展 而出现的各种数字系统集成电路设计技术( 例如可编程数字逻辑器件 f p g a c p l d 、片上系统( s o c ) 以及各种专用集成电路设计技术) 的出现，更是 为用数字电路方法实现工程系统提供了坚实的技术基础1 4 j 。 与d s p 技术关系密切的是集成电路设计与制造技术。同时，d s p 技术的应 用也对集成电路设计与制造技术提出了新的要求。v l s i 数字信号处理在集成电路 的高端设计中有着十分重要的地位，随着v l s i 设计方法学的不断发展，人们将 会更加关注数字信号处理的算法到v l s i 芯片体系结构的映射方法学等问题。当 然，把经典的数字信号处理算法映射到v l s i 芯片中并非是一件很容易的事情， 目前也还没有一门很普遍适用的设计方法学。 近年来，随着动态f p g a 工艺不断的进步，国内外的d s p 算法研究者和开发 者也更多的采用基于f p g a 芯片来实现自己专用d s p 算法的芯片原型，这也是在 未来一定时期内用硬件方法来实现d s p 算法的主要设计技术之一。目前采用软件 来实现d s p 算法的方法在其运算效率、执行速度等方面都很差，仅仅在其算法的 移植性和灵活性方法好些，再者就是开发周期比较短。而采用硬件实现方法，有 执行效率好、速度快、集成度高等很多优点。随着动态可配置技术的发展，用f p g a 来实现众多复杂d s p 算法的灵活性已经有了长足进展。 通常，用v l s i 实现某种数字信号处理不像用软件实现那么简单，如何把一 个好的d s p 算法适配到一个合理的v l s i 体系结构中去，通常也是一件很困难的 事，也没有一个通用法则。也就是说，把一个d s p 算法映射到某个v l s i 体系结 构中去的过程本身就是一种创新。当然，即便有了这个映射过程，还远没有实现 d s p 算法在v l s i 芯片中的性能，同时还得结合具体工艺来进一步提高算法的性 能。 在现代科技飞速发展的今天数字调制解调技术已经成为通信发展的必然趋 势。全数字解调技术作为一种高频谱利用率、抗干扰能力强的数字解调方式在 高清晰度电视( h d t v ) 广播、c a b l em o d e m 、固定宽带无线接入、卫星通信等领域 第一章绪论 得到了广泛应用。而全数字接收机中涉及到许多数字信号处理的算法，鉴于用软 件方法实现的相关d s p 算法运算效率、执行速度及稳定性都较差，因此研究高性能 的全数字解调算法及其v l s i 实现己经成为当前通信领域、集成电路设计领域值得 关注的焦点问题。 插值滤波器是全数字接收机中用于实现码元同步的重要部分。内插处理器的 性能好坏直接影响着整个系统的性能，设计性能良好的插值滤波器是全数字接收 机的关键【l 】。本文旨在将插值滤波算法映射到一合适的v l s i 结构中，用以取代以 前的d s p 实现方法。 1 2 相关研究现状 码元同步环路完成接收信号码元速率的估计和采样相位的估计，关键组成模 块是定时误差检测和插值滤波器。定时误差检测器有多种不同的算法可以实现， 目前常用的定时误差的提取方法主要有两种：数据辅助( d a t a a i d e d ，d a ) 算法 和非数据辅助( n o n d a t a - a i d e d ，n d a ) 算法。本文采用了不需要训练序列且能更 快捕获定时误差的n d a 算法。 常用的插值滤波方法有线性插值、抛物线插值和拉格朗日立方插值等【5 l 。 1 线性插值是一种最为简单的内插形式，其冲击响应为三角形状，在冲击 响应的中间点的值为l 。 2 分段抛物插值可以通过调整盯因子来改变其频谱特性。当a = 0 时，简化为 线性内插；当a = 0 2 5 时，其频谱和立方内插相似立方内插因在频谱方面的性 能优于分段抛物内插和线性内插，得到比较广泛的应用。 3 拉格朗日立方插值结构在通带范围内的主瓣比较宽，比线性插值的通带特 性平坦，且边瓣的衰减大约为3 0 d b ，因其在时域和频域都具有较好的特性，得到 比较广泛的应用。 当前国内外就全数字接收机中插值滤波算法实现的研究而言【6 】【1 7 1 ，普遍采用 的是d s p 软件实现，虽然c w f a r r o w 提出了一种典型的易于硬件实现的f a r r o w 结构，但由于其运行速度较慢和功耗较高，对于6 4 q a m 、2 5 6 q a m 等高效调制 信号未达到令人满意的效果。 对应用较为广泛的拉格朗日立方插值方法的实现而言，文献【8 9 】提出一种拉 格朗日可变分数延迟滤波器的f a r r o w 结构，降低了计算复杂度及功耗；文献 1 0 】 提出了一种基于可变系数f i r 滤波算法的拉格朗日立方插值滤波器的f a r r o w 结 构；缩减了算法强度。文献 1 1 研究了一种用于降低码元同步误码率的类似于 f a r r o w 结构的拉格朗日立方插值滤波器结构。 一4 全数字接收机码元同步算法的v l s i 实现研究 可见，对于插值滤波算法的v l s i 实现结构的研究是全数字接收机高效实现 码元同步的关键。因此，设计性能更优的插值滤波器是十分重要的课题。 1 3 1 论文的主要工作 1 3 论文的主要工作和创新点 本文主要研究工作内容包括以下三个方面： 1 ) 定时误差估计算法的研究及改进 定时误差提取方法有主要有数据辅助( d a ) 算法和非数据辅助( n d a ) 算法。 在许多情况下( 如g s m 系统) ，系统提供了前导序列用于训练接收端的自适应滤 波器和快速建立同步，因此基于数据辅助的定时估值具有实际意义。这种数据辅 助算法完全由最大似然准则导出，是最大似然意义下的准最佳估计器。非数据辅 助定时方法又叫“盲前馈符号定时”，这种方法不需要训练序列，由于少了信号的 反馈环节，如果算法并不复杂的话，它比数据辅助能更快定时误差。经比较，本 文采用了n d a 定时算法。并在在数字滤波平方定时的频域算法基础上，采用了前 端进行带通滤波和后端实施卡尔曼滤波的处理方法对其进行改进。 2 ) 插值滤波器的v l s i 实现结构的优化设计 在对已有的拉格朗日立方插值滤波器f a r r o w 结构进行分析和研究的基础上， 首先进行简化；其次研究了流水线与并行处理技术，并将其融入到拉格朗日立方 插值滤波器f a r r o w 结构中来提高其运算速度、并降低功耗，但耗用资源较多；接 下来，又在已得到的并行流水线f a r r o w 结构的基础上，引入了快速f i r 算法 ( f f a s ) 来生成复杂度降低的并行滤波结构。 3 ) 系统误码率的研究 误码率性能是决定了全数字接收机码元同步模块的重要指标，对已有的拉格 朗日立方插值滤波器f a r r o w 结构改进后，得到的新结构在误码率性能上并没有明 显的改善。于是本文基于模糊推理的原理，对系统进行改进，提高了误码性能。 1 3 2 论文的创新点 论文的创新点主要体现在： 1 ) 定时误差估计算法采用了数字滤波平方定时的频域算法，并在其前端进行 带通滤波和后端实施卡尔曼滤波的处理方法对其进行改进。带通滤波器减小了定 时误差估计的方差，而卡尔曼滤波则降低了整个定时误差估计过程中噪声的影响。 实验与仿真的结果表明，改进后的方法达到了预期的效果。 第一章绪论 2 ) 利用流水线和并行处理技术对已有的拉格朗日立方插值滤波器f a r r o w 结 构进行改进。因为流水线是一种在程序执行时可以有多条指令重叠进行操作的并 行处理实现技术，可导致关键路径的缩短【4 】，提高了时钟速度或采样速度，并在 同样速度下降低功耗。并行处理使得多个输出在一个时钟周期内并行地计算，使 有效采样速度提高到与并行级数相当的倍数，也可降低功耗。改进后的并行流水 线f a r r o w 结构经仿真、及在f p g a 上实现，达到了预期的效果。 3 ) 在已得到的并行流水线f a r r o w 结构的基础上，引入了快速f i r 算法( f f a s ) 来生成复杂度降低的并行滤波结构。通过仿真并在f p g a 上实现，得到基于f f a s 的结构在频率响应、脉冲响应及误码率性能上接近原结构，且与原结构相比，有 着更快的运行速度和更低的功耗。 4 ) 经过大量实验，提出了一种基于模糊推理的内插滤波器，根据分数间隔“ 的变化，自动控制滤波器的实现系数。仿真和实验结果表明，改进后的内插滤波 器降低了误码率，得到了良好的效果。 6 一 全数字接收机码元同步算法的v l s i 实现研究 第二章全数字接收机的码元同步 第二章全数字接收机的码元同步 2 1 模拟通信与数字通信 早期的模拟无线电通信系统主要是语音通信系统，一个模拟无线电语音系统 可分为发射和接受两部分，其结构如图2 1 所示。这种通信之所以成为模拟通信 是因为控制或改变载波参数的信号是模拟信号。 ( a ) 发射机框图 ( b ) 接收机框图 图2 i 无线电模拟通信系统 数字通信则是通过采样、量化把模拟信号转变为数字信号，采用数字信号处 理技术实现通信。典型的无线电数字通信系统框图如图2 2 所示。 在数字通信系统框图中，调制解调、变频、滤波以及天线和空中传播的电磁 波的信号形式都是模拟的。从图2 2 可以看到，一个无线电数字通信系统的发射 系统a d 变换后和接收系统d a 变换之前存在一个数字处理区和模拟处理区。从 发射机的调制开始到发射天线，经过空中电磁波传播再到接收机天线，再到接收 机解调器，形成了数字通信系统的模拟处理区。在模拟处理区，所有的器件和信 号都是模拟的i 。 墨 全数字接收机码元同步算法的v l s i 实现研究 话信源编码 筒 亩 a d上功发 -l 电 转调变 率 射 加密 转 换制频放回 换 大路 信道编码 卜数字处理区卜模拟处理区 电 d a 信源解码 下高接 听筒 转 解变频收 尸 4 -_ 解密 _ 转换 调频放回 换 大路 信道解码 i 黼守 。加阿惜朴i k 羊田f 7 1，nj - l o i - 2 71i j ”口i o 图2 2 无线电数字通信系统 虽然从模拟通信到数字通信，通信事业跨越了一个重要阶段，但是数字通信 并没有实现全数字化，它的调制解调、上变频、功率放大、高频放大、下变频和 滤波处理都是模拟的。 2 2 全数字接收机中码元同步基本理论 2 2 1 全数字接收机原理 全数字接收机的概念在2 0 世纪8 0 年代中后期被提出【1 2 1 4 1 ，它在数字通信接 收机的模拟处理区引入了数字处理技术。最基本的全数字接收机是在接收机的解 调器前插入a d 变换器，把接收机下变频后的模拟信号变为数字信号，如图2 3 所示。图中的解码系统包括信道解码和信源解码。输入到解码器的信号是数字信 号不再是模拟信号，因此可以用全新的数字技术实现调制信号的解调。这种技术 称为全数字解调技术。 第二章全数字接收机的码元同步 图2 3 最基本的无线电全数字接收机 9 需要注意的是，全数字解调可以用于数字调制信号的解调也可用于模拟调制 信号的解调。这里引入“全数字”的术语，以避免与数字通信中的“数字调制”、 “数字解调”等概念相混淆。如果把a i d 变换器继续向接收机的模拟区推进，推 到图2 3 的c 位置，那么中频下变频和中频滤波也可以用数字处理技术；如果推 到a 的位置，则从高频下变频，高频率波开始就可以进行数字处理。全数字接收 机追求的境界是a d 变换器尽可能靠近天线，a d 变换器越靠近天线，接收机的 数字化程度越高，但要求数字处理的速度越高，实现的难度也随之增大，甚至达 到目前的数字器件无法承受的地步。 根据通信中的最佳接收机理论，对数字调制信号进行解调本质上是一个联合 的检测和估计的问题。在一般通信系统的接收机中，无论对于何种调制方式，几 乎都可以应用最大似然( m a x i m u ml i k e l i h o o d ，m l ) 准则对接收信号进行最佳的 解调1 10 1 。尽管在多数情况下，m l 接收机不是物理上不可实现的( 非因果) ，就是 实现起来过于复杂，因此往往只是作为一种理论上的模型和上限来研究。在载波 信号数字化后，如何应用最大似然准则对数字化接收信号进行最佳解调? 对这个 问题的回答就构成了全数字接收机的基本理论。 数字通信中，载波同步和时钟同步是接收机的关键技术，也是数字解调中要 处理的关键环节。在通常的数字通信系统中，接收机的载波同步和时钟同步主要 利用锁相技术实现，它的主要特点是： 1 需要将载波相位误差和时钟相位误差信息反馈分别去控制本地载波压控振 荡器( v c o ) 和本地压控时钟( v c c ) ，以达到同步。 2 同步的性能受到环路滤波器性能的影响，用锁相环( p l l ) 锁定载波相位 和时钟相位并非真正的无偏估计，他们是有偏估计，并且在理论上进行分析也是 十分困难的。对于高效的调制方式如m q a m ，m p s k ，它们对静态相差要求十分 严格，随着m 的增大，锁相环的设计更加困难，因此这种技术的使用受到限制。 全数字接收机主要采用开环结构，解调用的本地参考载波和采样时钟都振荡于固 塑全数字接收机码元同步算法的v l s i 实现研究 定的频率。这样可以克服传统的接收机中需要将信号反馈到前面进行反馈控制以 及在采用高效传输方式时锁相环设计困难等问题。其它的工作如：载波相位误差 和位时钟相位的消除、最佳采样点值的估计、符号的判决等，全部由采样后的数 字信号处理器完成，这样有利于整个接收机的全数字化、集成化。另外，从理论 上说，全数字接收机采用开环结构具有快速的跟踪速度，不会出项所谓的 h a n g u p l l 4 】现象( 很多情况下锁相环路的鉴相器会对某些特定的相位误差区域呈 现盲区效应) 。全数字接收机采用开环结构产生的问题之一是相位误差和时钟误差 估计算法比较复杂。采用锁相技术的传统接收机不需要计算相位和时钟误差的精 确数值，只要知道误差信号的变化方向利用反馈回路进行相应的调整就可以了。 但是，全数字接收机必须确定误差的精确数值，才能进行误差估计、符号定时误 差估计和载波相位误差估计【l5 1 。准确的频率误差和相位误差的数值求出后，就可 以用相位旋转器对载波参数进行纠正，但是定时误差的纠正就不那么简单了，这 就引出了插值滤波的问题。 插值滤波是全数字接收机中的特殊问题，这个问题在一般的接收机中是不存 在的。传统的接收机中，可用锁相环锁定最佳采样点，从而直接得到最佳采样点 的值。但在全数字接收机中，因为a d 采样的时钟是固定的，接收机的采样速率 与发送的符号速率是相互独立的，这样最佳采样点的值不能通过直接采样得到， 当抽样时钟与数据码元不同步时，就需要在非同步的抽样数据之间进行插值，来 获得同步的信号样值。在全数字接收机中，信号在最佳采样点的值是不能通过直 接采样得到的，而是通过定时误差估计值控制内插滤波器对采样得到的信号样本 值进行插值运算，从而得到信号在最佳采样时刻的近似值。因此内插处理器的性 能直接影响着整个系统的性能，设计性能良好的内插滤波器是全数字接收机的关 键。 2 2 2 码元同步的基本原理 同步是通信系统中一个重要的实际问题。通信系统能否有效地、可靠地工作， 很大程度上依赖于有无良好的同步系统。通信系统中的同步又可分为载波同步、 位同步、帧同步和网同步几大类。本文中重点研究位同步，又称码元同步。 在数字通信中，消息是由一串连续的信号码元传递的。这些码元通常都有相 同的持续时间。接收端接收这个码元序列时，一般均需知道每个码元的起止时刻， 从而对码元进行判决。例如，用取样判决器对信号进行取样判决时，一般均应对 准每个码元最大值的位置。因此，接收端必须要产生一个码元定时脉冲序列，并 且定时脉冲的重复频率和相位( 位置) 要与接收码元一致。即：接收端定时脉冲的 重复频率和发送端码元速率相同；脉冲位置( 即取样判决时刻) 对准最佳取样判决 第二章全数字接收机的码元同步 位置。我们把在接收端产生与接收码元的重复频率和相位一致的定时脉冲序列的 过程称为码元同步或位同步、位定时，而称这个定时脉冲序列为码元同步脉冲或 位同步脉冲。 由通信原理可知，基带信号若为随机的二进制不归零脉冲序列，那么这种信号 本身不包含位同步信号。为了获得位同步信号，就应在基带信号中插入位同步导 频信号，或者对该基带信号进行某种变换。这两种方法称为插入导频法和直接法。 这两类方法有时也分别称为外同步法( 在传输信号中插入额外的同步信息) 和自同 步法( 直接从接收到的信号中提取同步信息) 。 2 2 3 码元同步系统的性能及相位误差对性能的影响 这里的码元同步系统的性能指数字锁相法位同步系统的性能。位同步系统性 能指标有相位误差a o 、同步建立时间f 。和同步保持时间f 。 1 相位误差a o 数字锁相法提取码元同步信号时，相位误差主要是由于位同步脉冲的相位在 跳变地调整所引起的。因为每调整一步，相位改变2 7 r ，其中怩分频器的分频 次数，故最大相位误差为2 z n 。用这个最大相位误差来表示a o ，可得 a o = 2 z 式( 2 一1 ) 2 同步建立时间t 。 同步建立时间是指开机或失去同步后重新建立同步所需的最长时间，最坏的 情况是对应码元同步脉冲相位与码元相位相差冗，此时要达到同步需要调整的次 数最多，最大调整次数s = 7 r a o = n 2 。由于接码元是随机的，对二进制码而言， 相邻两个码元( 0 1 、1 0 、n 、0 0 ) 中，有或无过零点的情况各占一半。因此，每两 个脉冲周期( 2 t ) 可能有一次调整，所以最大同步建立时间为： 厂 f 。= 2 t 2 = n t式( 2 2 ) 。 2 3 同步保持时间f ， 当同步建立后，一旦输入信号中断，由于收发双方的固有定时重复频率之间 总是存在频差竹，接收端同步信号的相位就会逐渐发生漂移，时间越长。相位漂 移量越大，直至漂移量达到某一准许的最大值，就算失步了。设收发两端固有的 码元周期分别为t i = 1 鼻和疋= l e ，则 l = 苷 f 。 f j 式( 2 3 ) 式中，v o 为收发两端固有码元重复频率的几何平均值，r 确- r o = l r ，由式 ( 2 - 3 ) 得到 旦全数字接收机码元同步算法的v l s i 实现研究 f r 式( 2 4 ) 式( 2 4 ) 表明当存在频差舡时，每经过瓦时间，收发两端就会产生陬一疋l 的 时间漂移。若规定两端容许的最大时间漂移为瓦k 秒( k 为一常数) ，于是同步保 持时间f 。为： 式( 2 5 ) 同步带宽是指允许的收、发振荡器最大频差。因收发不同频，每2 周产生的相 差为2 a f r 2 7 r ，数字锁相环要能锁定，则每次调整的相位要大于每2 周由频差 2 a f f o 2 7 r 引起的相差，否则永远不能锁定。因此可得： 2 丌2 a f f o 2 7 r式( 2 6 ) 因此，竹r 2 n 。当收发频差大于缸f o 2 n 锁相环失锁，因此最大的 允许的频差为f o 2 n ，即同步带宽为： b f o 2 式( 2 7 ) 5 位同步相位误差对性能的影响 使用数字锁相环路来提取位同步信号实际是通过跳变调整本地产生的码元定 时信号实现的。每调整一次本地定时信号频率跳变f ，也可以说每调整一次它 的相位改变2 7 r 。一般情况下，本地位同步信号与接收码元位定时的频率误差处 于0 与，2 e 。这样的误差对于接收信号的判决是有影响的。如果接收端采用匹配 滤波器检测，位同步的相位误差将会使判决时刻偏离信号能量的最大点，使得系 统性能下降，应该采用合适的方法尽量减小码元定时误差。码元同步相位误差造 成码元同步脉冲的位移，码元同步脉冲的位移对接收性能的影响分两类情况： 当信息无变化时，即0 、l 码之间没有转换，此时如有位移。对取样判决没有影响； 当信息交替时，则位移可能产生影响。是否产生影响，还要看信号波形以及取样 判决的方式，如在最佳接收时会产生影响。因为最佳接收机取样判决的参数为码 元的能量，而位定时移位影响码元的能量。以b p s k 为例说明码元同步脉冲的位移 对接收性能的影响。有时用时间差z 来表示相位误差，因为每码元周期为t ，所以 疋= t n 。由于平均每两个码元发生一次交替，则交替时引起的最大时差为 a t = 2 疋。因为码元能量与时间成正比，时间减少出，则每码元能量减小为 ( 1 一了a t ) e = ( 1 一 e ，对应此时的误码率公式为： 志 = i 宽带步同 4 第二章全数字接收机的码元同步 e 了1 咖( 争百1 咖 式( 2 8 ) 对比于无相位误差时的误码率公式e = 去e r c e ) ，式( 2 - - 8 ) 中的第一项为信息 二 v 0 不变时的误码率，不同之处在于：前面系数为1 4 ，这是考虑到信息变与不变的情 况出现的概率均为1 2 ；第二项是信息改变时的误码率，由于此时码元能量下降， 因此误码公式也作了相应修正。根据以上分析可知，式( 2 8 ) 仅对最佳接收适 用，如果基带波形为矩形，取样判决时选择在码元中间，考虑到平均每两个码元 变相一次，那么相位抖动小于或者等于7 r 4 时不会影响判决，其相应的误码率公 式也不会变化。 2 2 4 全数字码元同步方法 在2 2 2 中提到的码元同步中的自同步法又分为滤波法和锁相法。锁相法是指 在接收端利用鉴相器比较接收码元和本地产生的位同步信号的相位，若两者相位 不一致( 超前或滞后) ，鉴相器就产生误差信号调整位同步信号的相位，直至获得 准确的位同步信号为止。滤波法是通过对信号进行某种变换，使得变换后的信号 包含有位同步的信息，然后再用滤波器将其滤出。 码元定时同步一般采用类同步法，就是从接收的信号中提取位同步信息用于 定时同步调整。目前同步算法大多数是关于反馈型码元同步实现的算法，传统的 提取位同步定时信息的方法主要有：非线形变换一滤波法；同相一中相位同步法 ( 数据转换跟踪环) ；早一迟积分清除位同步环以及g a r d n e r 算法等。 对于没有反馈回路( 即前馈回路) 的全数字接收机问题中的码元同步问题， 由于其采样时钟是独立于发送信号时钟的，那么判决取样的最佳时刻就不能通过 直接采样获得，必须利用定时误差估计值控制内插滤波器对独立采样到的信号样 本进行插值运算，以得到信号在最佳判决时刻的近似值。 全数字接收机主要采用开环结构，解调使用的本地参考载波和采样时钟都振 荡于固定的频率。这样，可以克服传统的接收机中需要将信号反馈到前面进行反 馈控制以及在采用高效传输方式时锁相环的设计困难等问题。全数字接收机采用 开环结构产生的问题之一就是码元同步误差估计算法比较复杂，接收机必须确定 误差的精确数值，才能进行前向校正，这就引出了