（通信与信息系统专业论文）有线电视矢量信号分析仪的设计与实现.pdf

摘要 数字电视在我国已经大面积普及，特别是有线数字电视技术在我国已经相当 成熟。近些年随着数字电视的发展各种关于数字电视领域的测试测量仪器也层出 不穷，其中矢量信号分析仪在有线电视领域应用最广泛。矢量信号分析仪能够从 时域、频域和调制域等全方位、多角度地对有线数字电视信号进行测试测量，可 以为数字电视发射机测量、接收机测试以及有线信道评估提供全面的解决方案。 本文以软件无线电的思想为指导，从全数字接收机设计和锁相环的基本理论 出发，基于f p g a 成功地设计与实现了有线电视信号矢量分析。本文介绍了有线 电视q a m 全数字调制解调和锁相环的基本原理，并且基于软件无线电的基本思 想提出了有线电视矢量信号分析仪的总体设计方案。文中详细阐述了矢量信号分 析仪中频数字信号处理算法，包括数字下变频、匹配滤波、符号定时恢复和载波 恢复，并通过m a t u 出对各个算法进行仿真，为算法的f p g a 实现奠定基础。 在此基础上，本文选取j 6 岍e r a 公司的d k c y c i i 2 c 2 0 n f p g a 开发板为实现 平台，在q u a r t u si i 中对各个模块进行电路设计和功能仿真验证。利用第三方仿 真软件m o d e l s 血对设计系统进行时序仿真验证，并对相关电路进行优化设计。 从仿真结果看出，设计系统达到预期指标和要求。最后，本文对有线数字电视矢 量信号分析仪的部分电路模块进行板级平台验证设计，同时介绍了相关电路的测 试方法。 本课题研究成果为研制有线数字电视测试仪器奠定了基础，同时设计经过时 序优化和资源优化还可以向专用q a m 解调芯片转化，以进一步缩小系统面积、 降低成本和提高电路的可靠性，因此本文成果具有较高的实用价值。 关键词：矢量信号分析仪软件无线电锁相环符号定时恢复载波恢复 a b s t r a c t d t vl l a sb e 即p 叩u l a ri i lc h i l l a ，e s p e c i a l l yn l ec a b l ed t v t e c l l l l o l o g y w 池t h e d e v e l o p m e n to fd t v 妇d so fm e 嬲u r e m e n ti n s m 姐饥t sa b o u td t va r e 锄唱i n gi l l r c c e n ty e a 璐，w h i c hv e c t o rs i g n a l 粗a l y z e rm o s tw i d e l yu s e di nc a b l et v ：t h e 觚a l y z 盯 c 锄t e s t 锄dm 跚r c 吐l es i 印a l s 丘0 m 也et i m ed o m a i n ，舶q u 朗c yd o m a i l l 觚d m o d u l a t i o nd o m a i n ，w l l i c hi sa l l - r 0 1 da n dm u l t i - a n g l e t h ea n a l y z e rc a np r o v i d ea c o m p r c h 锄s i v e l u t i o nf o r 也em e a s u r c m e n to fd t v 们n s m i t t e 璐，t h et e s to ft h e r e c e i v e r sa n dt h ec a b l ec h a n n e la s s e s s m e n tt e s t t l l i sp a p 盱姒c c 鼯s 如l l yd e s i g n s 锄di m p l e m 伽峨也ev e c t o rs i g n a l 锄a l y z 盯f o r c a b l ed t vb a s c do nf p g 八u s i n gt h ei d 翰o ft l l e f h a r e 删i i o ，t h ea l l d i g i t a l r e c e i v e rd e s i 蛐弛dt h ep l l t h e o t h ep 印c rf i 做i 曲r 0 “c e sq a m d e m o d u l a t i o n 趾d b 船i cp 血c i p l e so fp l l 1 tp r o p o s 嚣t l l ed e s i 印p r o g 姗so f 锄a 1 ) r z 锄dt 1 1 d e t a j l s d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n ga l g o r i 也mo f 趾a l y z i n c l u d i n gd d c ，m f t i m i n g n 煳v e i ya n dc a r r i e rr i e c o v e 阱t bu n d e r ! 加dt h ep e r f l o n n a n c eo ft h ea l g o r i t l l r i 塔觚d c o m p l e 】【i 哆o ft 1 1 e f p g ai m p l 锄锄t a t i o n n 地a l g o r i t h i n sh a v eb e s i m u l a t e di i l 乩盯l a b b 硒e d0 nt h i s ，t h ec u i td e s i 印跚df h i l c t i o ns i m u l a t i o nh a v eb e 即 i m p l e m e n t e d 锄dt a l 【o n t 1 1 ea it e r af p g ap l a t f o m f i l l a l l y t 1 1 e 缸i i l g s i l n u l a t i o no ft h ed e s i 鲫h 勰b e 锄t a l ( 既i nt h em i r d - p a r 妙脚a r e m o d e l s i 】m t h e d e s i 印s y s t e mh 嬲a c h i e v c dt h ed e s i r e dt a l 誉惦锄di e q u i r c 瓶印t s 丘1 0 mt h es h o w so f s i m u l a t i o nr e s u l t s f i n a l l y ，t h i sp a p c rd e s i g n st h eb o a r d - l e v ev 甜f i c a t i o np l a t f o mf o r t 1 1 ec a b l e 趾a l y z 锄dg i v 懿ab r i e fi n n o d u c t i o nt 0d e s i 弘t l l es y s t 锄t e s t i n g a r 盱t h et i m i n g 锄dr e s o u r c eo p t i i n i z a t i o nf o rt h ef p g as y s t 锄d e s i g n ，t 1 1 i s d e s i g nc 锄b e 眦l s f 0 咖e dt 0q f 蝴d 锄o d u l a t i o nc h i pt 0r c d u c et h es 娩e 姐dc o 吼， a l s oe i l l l 锄c et h er c l i a b i l i t ) ro ft h ec i r c u i tf o rt h es y s t e m ，s ot h ed e s i g no ft h i sp a p e r a l s oh 铺g o o dp r a c t i c a lv a l u e k e yw o r d s ：v e c t o rs i g n a la n a l y z s o 脚眦r a d i o ，p l l ，s y m b o lt h i n g r c c o v e r y c 甜r i e rr e c o v e d ， 第一章绪论 1 1 课题研究背景与意义 第一章绪论 电子仪器以电路技术( 含微波电路及同轴、波导线技术) 为基础，融合了测 试测量技术、计算机通信技术、数字技术、软件技术、总线技术等多种技术，组 成单机或者自动测试系统【l 】。它以光量、电量和其他非电量为被测信息量，通过 数据采集、存储和处理，对被测信息量进行数据显示或图形显示，根据被测对象 的需要输出信息量以进行系统控制。电子仪器包括两大类：一是电子测量仪器， 二是电子应用仪器。电子仪器特别是电子测量仪器应用非常广泛，采用了当代多 种高新技术，是现代工业产品中新技术应用最多、应用最快的产品之一。 我国目前应用最为广泛的通信体制是数字多媒体广播通信。我国数字多媒体 通信制式主要有：卫星数字电视标准( d s ) 、有线数字电视标准( d v b c ) 、 地面数字电视标准( d t m b ) 和手机电视标准( t m m b ) 。其中有线数字电视标 准在我国最为普及，应用人数最多，技术最为成熟。随着有线数字电视广播技术 的成熟与普及，有线数字电视信号的测量仪器也应运而生，其中应用最广泛的一 类仪器是矢量信号分析仪。矢量信号分析仪对信号的测量主要是利用a d 转换， 将输入信号数字化后存储下来，以获得有关信号的幅度和相位( 调制域信息) 等 更多的信息为目地，通过不同类型的数字信号处理( d s p ) 和数据分析，得到信 号的频谱、瞬时功率、幅度、和相位等信息。 矢量信号分析仪扩大了频谱分析仪的功能，提供了在整个微波频段进行测量 的能力，能进行快速、高分辨率的频谱测量、解调以及先进的时域分析，非常适 合于表征一些复杂信号。矢量信号分析仪也能够进行深入的调制分析，由于能捕 获到信号的幅度与相位，特别适合于分析数字调制信号，对各种复杂的数字调制 信号进行定性定量的衡量，提供既精确又直观的调制参数测量结果。 有线电视采用了i q 正交调制技术，基带信号可以用i q 两路信号表示。为 了衡量该信号的质量，不仅关心各路信号的幅度信息还要关心两路信号之间的相 位关系。因此可以将该信号映射到星座图的横轴与纵轴上。可以分别对i q 两路 信号进行分析。也可以针对i q 信号衍生出来的多个指标进行分析，从不同的角 度衡量了矢量调制信号的信号质量。因此设计符合国家标准( d v b c ) 的矢量信 号分析仪能为数字电视发射机测试、调制信号测量、接收终端的维护以及网络规 划提供完整的测量解决方案。再者，矢量信号分析仪的研究设计过程足数字解调 第一章绪论 芯片设计过程中主要的一部分，因此矢量信号分析仪的研究可以掌握芯片设计前 端的流程和技术，甚至为其他通信标准芯片的设计提供理论依据和实践基础。因 此，本课题研究的有线电视矢量信号分析仪的设计与实现具有一定的理论价值和 重要的实际应用价值。 1 2 研究现状 矢量信号分析仪测量主要包括： ( 1 ) 矢量图，矢量图表示状态以及状态之间的过渡。在矢量图上由原点向 某一点画出的矢量对应于那一点的瞬时功率，即表示状态过渡期间的功率电平。 ( 2 ) 星座图，星座图是i q 平面上状态位置的极坐标映射。在坐标轴上，任 何i q 调制信号都可以映射为一系列信号点，这些信号点就组成了星座图。i q 调制信号一般表示为复数形式i + j q ，实部为i 路，虚部为q 路，这样信号的i 路和q 路就可以分开分析，而且复数的i + j q 还可以认为是一个矢量，这样星座 图上的信号点的幅度和相位就相当于信号的幅度和相位，所以星座图是分析信号 误差的一个非常有用的工具。 ( 3 ) 眼图，眼图是i 幅度随时间变化与q 幅度随时间变化的映射，就像这 些波形是出现在符号定时瞬间触发的示波器上。眼图为数字信号传输系统提供了 很有用的显示，它能直观地表明码间串扰和噪声的影响。 l 、a 西l e n t ：a g i l t 公司对矢量信号分析有最全面的解决方案，其很多款仪 器都可以进行矢量信号分析，比如e 4 4 0 6 、8 9 4 4 l 、8 9 6 0 0 等。另外，a g i l e n t 还 推出了强大的矢量信号分析p c 软件8 9 6 0 l ，可以通过g p i b 或网线控制矢量信 号分析测量仪器，进行矢量信号分析。 2 、r & s ：r & s 在测试与测量、无线通信、广播电视技术也很有竞争力。f s q 、 f s i q 或f s u 装了v s a 的选件，都可以用来v s a 测量。特别地，r & s 公司推出 多种广播电视领域的测量测试产品，其中r & se t l 电视信号分析仪是多制式电 视信号分析平台。 3 、泰克：泰克通信技术向全球通信服务提供商和制造商提供业内领先的测 试与监测解决方案。r s a 3 0 0 0 频谱分析仪系列具有矢量信号分析功能。 近些年国内一些公司对矢量信号分析仪做了深入研究并且有产品问世。最 具有代表的是中电4 l 所的a v 5 2 6 l 2 ，该仪器是针对数字调制射频信号测试而设 计的高性能信号分析仪，拥有频域、时域、调制域等多方而的分析能力，具有灵 敏度高、动态范围大、调制剩余误差小、支持多种通信调制制式等特别。另外， 天津德力仪器推出了多种数字电视信号测试仪，为数字电视信号测试提供全而的 第一章绪论 解决方案。 虽然上述国内外公司都设计并生产了矢量信号分析仪，但为了追求产品的成 本与效益，将许多功能与通信制式集一身，致使产品系统很复杂而且价格非常昂 贵。因此在通用平台上设计一个适用于某种通信制式简易的测量仪器对于实验室 的研究很有必要的，然后通过更换相应软件就可以实现其他通信制式的分析。再 者，由于技术的垄断性，一般用户与科研人员都不能了解仪器的实现方法，因此 对于仪器实现的研究颇具意义。 1 3 主要工作与论文结构 本文的主要工作如下： l 、提出有线数字电视矢量信号分析仪的总体解决方案； 2 、研究矢量信号分析仪中各个数字信号处理算法，并在脚l 嗵中构建中 频数字信号处理算法的基本模型，并在低信噪比和加入频率偏差后进行仿真，为 具体实现工作奠定基础： 3 、采用舢t e 豫公司的d k c y c i i 2 c 2 0 n f p g a 开发板为开发平台，完成有线 数字电视矢量信号分析仪中频数字信号处理算法的实现设计，在q u a n u si i 软件 中完成各数字信号处理模块的实现； 4 、在f p g a 仿真平台m o d e l s 洫上，完成数字信号处理算法f p g a 实现包括 各模块和整个系统的功能验证和时序验证； 5 、设计f p g a 硬件平台与测试信号，实际进行测量验证。 论文结构如下： 第一章：绪论。介绍有线数字电视矢量信号分析仪设计的背景与意义、研究 现状以及本文的主要工作和论文结构。 第二章：有线电视矢量信号分析仪总体解决方案。在介绍q a m 正交调制解 调的原理和锁相环的基本原理的基础上，提出基于软件无线电思想的有线电视矢 量信号分析仪的解决方案。 第三章：有线电视矢量信号分析仪中频数字信号处理算法研究。本章介绍了 数字下变频、匹配滤波、符号定时恢复和载波恢复等数字信号处理算法，其中详 细阐述了符号定时恢复与载波恢复算法的性能，并对算法中各个模块进行仿真。 第四章：有线电视信号矢量分析仪的f p g a 设计与实现。本章详细论述矢量 信号分析仪中频数字信弓处理各部分的f p g a 设计，其中包括数字下变频、匹配 滤波、符号定时恢复以及载波恢复单元等。同时，对各个模块的功能进行仿真验 证，并在m o d e l s i m 中对整个设计系统进行仿真。 第。章绪论 第五章：设计系统的f p g a 板级验证设计与测试方法介绍。首先介绍了测试 硬件平台与测试信号产生，最后对系统测试方法进行阐述。 第六章：总结与展望。对本文的工作进行总结，并对整个设计系统的进一步 完善提出了建设性意见。 4 第_ 二章有线电视矢量信号分析仪的总体解决方案 第二章有线电视矢量信号分析仪的总体解决方案 国家广播电影电视总局采用的数字有线电视标准是d c ，该标准是基于 q a m 调制的系统。本课题的目的是观测d v b c 标准的数字调制信号的矢量信 息( 包括幅度和相位，星座图是其最直观的表现形式) 。q 蝴信号的矢量信息在 信号正交解调过程中可以得到，因此在项目设计之前，本章先介绍q 蝴调制和 解调的原理，然后介绍通信系统解调过程中常用到的锁相环原理，最后提出有线 电视矢量信号分析仪的总体解决方案。 2 1q 伽调制解调的基本原理 2 1 1q a m 正交幅度调制 q 气m ( q i u a d r a n 玎ea m p l i t i l d em o d u l a t i o n ) 即正交振幅调制，是一种幅度一相 位( a p k ) 联合键控调制方式【2 】。该调制方式具有较高的频带利用率，抗噪声能 力强，在保证通信系统有效性的同时很大限度地提高系统的可靠性，而且实现方 法较为简单，可以通过正交调制方法实现。我国有线数字电视标准的调制方式采 用q a m 调制。采用6 4 q a m 时最高符号速率为6 8 9 m 肌d ，其占用频带带宽为 7 9 2 m ，此时信道的传码率为4 1 3 4 m b p s 。系统在3 0 d bc n 条件下，保证传输速 度的同时误比特率为1 0 e 1 2 ( 即4 0 m b p s 时每7 个小时一个错) 。q a m 基带信号 空间矢量端点的分布图即为q a m 星座图，“q a m 的星座图如图2 1 所示。若q a m 信号星座图含有n 个星座点则该信号称为n q 蝴，通常情况下n 为2 的整数次幂。 随着q w 星座点数的增加，该符号的传输信息能力增大。但是，在信号平均功 率相同的情况下，星座点数的增加使相邻两个星座点之间的几何距离变短，减弱 信号的抗噪声能力，使系统的误码率增大。因此一般高阶q a m 的可靠性要比低 阶的差。 2 1 2q a m 调制解调原理 q a m 调制是两路相互独立的数字基带信号分别与两个同频正交的载波进行 抑制双边带调制，然后将两路信号叠加起来。利用频带信号的正交特性实现信号 的并行传输。通过数学公式将q a m 信号表示为 第二章有线电视矢量信号分析仪的总体解决方案 q l 图2 16 4 q a m 星座图 s ( f ) = 【g ( f 一七i ) 】c 0 s q f 【g g o 一尼正) 】s i l l q f ( 2 - 1 ) 七七 式中，厶、g 为发送符号序列，g o 一七互) 为发送成型滤波器函数。根据式( 2 一1 ) 得出q a m 调制的原理图，如图2 - 2 所示。 图2 - 2q a m 调制原理图 q 蝴调制是将二进制序列经过串并转换分为独立两路，此时比特速率变为 原来的一半，然后经过2 到l 电平转换将比特流映射为符号流，符号流速率是原 码流速率的l ( 2 1 0 9 ，) ( 通常l 为2 的整数次幂) ，这样就形成基带符号流信 号。基带符号流经过发送成型滤波器限制信号带宽后再分别与同相、正交载波相 乘。最后将两路信号加起来就形成q 蝴信号。 q a m 信号的解调可以采用正交( i q ) 解调的方法。正交解调是在接收端将 q a m 频带信号功分并与两路正交本地震荡信号进行混频，通过低通滤波器滤除 混频的高频分量得到q 州信号的1 分量与q 分量。 现代通信接收机大多采取全数字的解调方案，q 蝴信号数字正交解调原理 图如图2 3 所示。在中频阶段对信号进行数字化，下变频与混频滤波均在数字电 路部分实现。这里用数学模型的方法描述一下q a m 信号的数字解调过程： 通信系统发送端的q a m 信号表示为 s ( f ) = r e 恤( ，) p 7 2 ”肛) ( 2 2 ) 其中，z 表示载波频率，“( f ) 表示等效低通信号。 6 第二章有线电视矢景信号分析仪的总体解决方案 弋奸竺：坛坦卜 上 敬 s ( 矬) i 、r c dl 据 崔 处 理 图2 3q a m 信号的数字正交解调 ”o ) = j ( f ) + q o ) = ( 口。+ ，阮) g r ( f 一刀r ) ( 2 - 3 ) 月 q a m 信号通过理想信道后，系统接收端信号为 ，( f ) = s ( f f ) = r e “( f f ) e 归p 7 2 ”j d ) ( 2 - 4 ) 其中，f 为传输信道的时延，西= _ 2 万疋f 为信道时延引起的相位差。这里忽略掉 加性高斯白噪声与符号间串扰。 接收端采用数字化方法处理信号，通过数字下变频与低通滤波器得到两路正 交基带信号，设为饧( f ) 、_ ( f ) 。设本振频率为石，本振频率与发送载波频率之 间的差值为载波频偏，设为= z 一五。接收信号经过数字下变频变为 乃( f ) = 尸f 【( ，( f f ) c o s ( 2 万正( f f ) ) 一( q o f ) s i l l ( 2 万正( f f ) ) ) ( 2 c o s ( 2 万兀f + o ) ) 】 = ，( f f ) c o s p ( f ) 一q ( f f ) s i i l p ( f ) ( 2 5 ) ，圣- ( f ) = 尸研( j ( f f ) c o s ( 2 万五( f f ) ) 一( q ( f f ) s i n ( 2 万正o f ) ) ) ( 一2 s i n ( 2 万五f + o ) ) 】 = ，( f f ) s i n 伊( f ) + q ( f r ) c o s 乡( f ) ( 2 6 ) 其中，9 ( f ) = 2 刀矽+ 一哦。由式( 2 5 ) 和式( 2 6 ) 可以看出由于载波频偏和 相偏的存在造成信号功率下降，同时也使i q 两路信号出现正交交叉串扰。将正 交两路信号转化为复信号 ，- ( f ) = 巧( f ) + 儿v ) = “o f ) 一州 ( 2 - 7 ) 假设发送端与接收端匹配滤波器的冲激响应满足乃奎斯特第一定律，采用升 余弦滚降特性滤波器，则通过匹配滤波后的信号为 工( f ) = p p ( 口。+ ，) ( f 一刀丁一f ) ( 2 - 8 ) 打 将式( 2 8 ) 所示信号数字化为 工( k r ) = p 7 酬x 7 ( 口。+ 胞) j i i ( k r 一拧丁一f ) ( 2 9 ) 由式( 2 9 ) 可以看出，若要无失真的得到接收信号就必须在接收端对干扰因 索f 与曰( k 丁) 进行估计补偿。这就是本设计中重点要考虑的接收同步问题，这两 种干扰分别代表两种不同的同步，即符号定时同步与载波同步。 7 第二章有线电视矢景信号分析仪的总体解决方案 2 2 锁相环的基本原理 随着数字通信的发展，锁相环在数字通信体系中的应用越来越广泛，例如为 通信系统解调提供本地载波、接收机的位同步和载波同步提取等。锁相环的跟踪 特性、滤波特性都应用于接收机同步系统。在项目设计过程中有多处会用到锁相 环，为了使设计有章可循，在此本论文对锁相环的基本原理做简单的研究，避免 盲目地进行系统设计。 2 2 1 锁相环的组成 锁相环利用相位负反馈控制系统完成相位跟踪，实现输入输出信号的同步。 环路主要由鉴相器( p d ) 、环路滤波器( l p ) 和压控振荡器( v c o ) 三个基本部 件组成，基本结构图如图2 - 4 所示。鉴相器是一个相位比较器，用来检测输入信 号吩( f ) 与反馈信号“。( f ) 的相位僻( f ) 与眈( f ) 之间的相位差见( f ) ，鉴相器输出( r ) 是晓( f ) 的函数；环路滤波器具有低通特性，它对环路参数调整起着决定性作用， 对环路的各项性能都有着重要的影响；压控振荡器是一个电压频率转换装置， 在环路中作为被控振荡源，它的震荡频率应随输入控制电压“，( f ) 线性变化，其输 出信号频率趋近于鉴相器输入信号频率。 兰丝一鉴相嚣叫环路滤波嚣l 兰旦 i( p d )li( l f )l 压控搌荡嚣l _ 兰鬯 ( v c 0 ) 图2 _ 4 锁相环基本结构图 设锁相环输入信号为：咋( f ) = us i n 【吃f + 只( f ) 】 ( 2 - l o ) 压控振荡器输出信号为：“。( f ) = 虬c 0 s 【f + 眈( f ) 】 ( 2 - 1 1 ) 鉴相器的特性函数为：( r ) = 厂【见( f ) 】。这里选择正弦鉴相器输入信号与压控 振荡器输出信号经过鉴相器作用输出为 屹( f ) = s i i l 只( f ) 】 ( 2 - 1 2 ) 1 式中，= 去u 虬，只( f ) = q ( f ) 一幺( f ) 为瞬时相位误差，为鉴相器增益，以 二 为相乘器系数。环路滤波器可用传输算子，( p ) 表示，压控振荡器用算子 包( f ) = ( 屹p ) ( f ) 表示，令环路增益k = 屹，览为压控振荡器增益，经过推 导可以得到正弦特性锁相环的环路动态方程为 第二章有线电视矢量信号分析仪的总体解决方案 p 见o ) = p b o ) 一k f ( p ) s i i l 包o ) ( 2 一1 3 ) 由于正弦鉴相器的非线性特性所以锁相环动态方程是非线性。在环路同步状 态，瞬态相差晓( f ) 总是一个很小的值，鉴相器工作在鉴相特性的零点附近，因此 可以用鉴相特性零点附近的斜率直线进行近似，鉴相增益髟= 玑，环路增益 k = 局疋。这样引起的误差在士3 0 0 以内不大于5 【3 】，对鉴相不会引起明显的误 差。锁相环路的所有特性都可以通过解动态方程得到，线性化后的动态方程如式 ( 2 1 4 ) ，其线性相位模型如图2 5 所示。 p 见( f ) = p 只o ) 一 = f ( p ) 见o ) ( 2 1 4 ) 只( n 爪只( 鬯 “。( f ) k 。( f ) 见0 ) + r j | ： f p ) - l l p j 凸，、 吃u ， 2 2 2 锁相环路跟踪性能 图2 5 锁相环路线性相位模型 锁相环路的阶数由环路滤波器决定，并且比环路滤波器高一阶。二阶线性系 统在工程中是一个非常重要的系统，在此本文对二阶锁相环路在同步状态下线性 跟踪性能进行研究。传递函数是研究环路性能的重要工具。 在闭环状态下锁相环路传递函数及误差传递函数为 日( s ) = 腰( s ) 0 + 灯( s ) ) ( 2 一1 5 ) 见( s ) = s 0 + 腰( j ) ) ( 2 一1 6 ) 二阶锁相环所用的环路滤波器选择应用最广泛的有源比例积分滤波器，将环 路滤波器的传递函数代入式( 2 1 5 ) 可以得到该锁相环路的动态方程。有源比例 积分滤波器结构图如图2 6 所示。 扯- ( f 月一 图2 6 有源比例积分滤波器 9 0 第一章有线电视矢量信号分析仪的总体解决方案 选用有源比例积分滤波器的优点为： ( 1 ) 可以使环路锁定后的相位误差趋近于零； ( 2 ) 环路增益易于调节，而且输入、输出易于匹配： ( 3 ) 是锁定频率阶跃响应的最佳滤波器。 有源比例积分器的传递函数为 ，( j ) ：一彳生堕 ( 2 1 7 ) l + s 式中q = ( 蜀+ 彳r + r ) c ；吃= r c ；一般运算放大器的增益4 很高，则 ，( j ) ；一彳堕一彳! 兰蔓：一! 兰垒 ( 2 1 8 ) 一 l + j q鲥蜀c吣c 令= r c 传输函数近似为 ，( s ) ：堡墨 ( 2 1 9 ) j f i 将式( 2 1 7 ) 代入式( 2 1 5 ) 和式( 2 1 6 ) ，可以得到 皿( s ) 2 _ i 可 ( 2 - 2 0 ) k f 、k j _ 三+ 一 日( j ) 。_ 七i 专 ( 2 - 2 1 设无阻尼震荡频率【洲s 】= 等，阻尼系数f = 詈荨，用系统参数和 f 表示传递函数为 纵d 2 再葫 q 乞2 耶) = 糕 j + 2 i & 丸s + l 匣l 。 ( 2 2 3 ) 锁相环的一个重要特点是对输入信号相位的跟踪能力。衡晕跟踪性能好坏的 指标是跟踪相位误差，即相位误差函数只( f ) 的暂态响应和稳态响应。其中暂态响 应用来描述跟踪速度的快慢及跟踪过程中相位误差波动的大小。稳态响应是当 f _ 时的相位误差值。下面分析有源比例积分二阶锁相环路对于频率阶跃信号 的暂态误差响应。当f 值不同时，输出响应有不同形式。据此做出二阶锁相环的 输出响应曲线，如图2 7 所示。由图可见，当o f 1 时暂态过程按指数衰减，可能有过冲，但 不会在稳态值附近多次摆动，环路处于过阻尼状态。当f = 1 时环路处于临界阻 l o 第二章有线电视矢最信号分析仪的总体解决方案 尼状态，其暂态过程没有振荡。当f = o 7 0 7 时，( s ) 具有最大平坦响应，这时 暂态响应和衰减震荡达到最佳的折衷。 图2 7 理想二阶环对输入频率阶跃的相位误差响应曲线 稳态相位误差包( ) 可以由式( 2 - 2 4 ) 求解。 见 ) = 1 i m 吃( ( 2 - 2 4 ) f - 啼 由式( 2 2 4 ) 可以看出，环路对输入频率阶跃的相位误差随着时间增加而趋近于 零。按照上述方法输入相位阶跃与输入频率斜升的响应能得到类似的结论。 2 2 3 锁相环路噪声性能 锁相环不可避免地受到噪声与干扰的作用，其来源主要有两类：一类是与信 号一起进入环路的输入噪声与谐波干扰，如高斯白噪声、调制噪声。另一类时环 路内部产生的内部噪声与谐波干扰，以及压控振荡器控制端感应的寄生干扰等。 由于噪声与干扰的作用必然会增加环路捕捉难度，降低跟踪性能，使环路输出相 位产生随机抖动。这里只讨论在输入高斯白噪声作用下环路的线性跟踪性能。 输入鉴相器的信号为 ( f ) = vs i n 【f + 日( f ) 】+ 刀( f ) ( 2 2 5 ) 经过前置滤波器作用，以( f ) 为窄带高斯白噪声，可表示为 刀( f ) = 怫( f ) c o s 心f 一( f ) s i n f ( 2 - 2 6 ) 加性窄带高斯白噪声影响下的环路线性动态方程为 p 见( ，) = p 2 ( r ) 一k f ( p ) 虬包( f ) + ( f ) 】 研究环路对噪声( f ) 的响应，可令输入信号相位谚( f ) = o ， 结果。 皖( s ) = 一o ) o ) 髟 ( 2 2 7 ) 这不影响分析的 ( 2 2 8 ) 第二章有线电视矢量信号分析仪的总体解决方案 。2 = r f 胆簪2 呐1 2 卵 ( 2 - 2 9 ) 假设环路滤波器仍然选取有源比例积分滤波器，这样环路单边噪声带宽为 眈= 叁( 1 + 4 n ( 2 - 3 0 ) 这时还可以定义环路信噪比( s ) 工，用来反映环路对噪声的抑制能力 吼= 表= 去 协3 环路信噪比对锁相环路的噪声件能分析和丁稗设计县一个非常萤喜的参数。 2 3 基于软件无线电设计思想的有线电视矢量信号分析仪的解决方案 2 3 1 软件无线电体系结构 软件无线电( s w r ) 是在标准化、模块化的硬件平台上通过编程实现多种无 线电通信方式的开放式体系结构。软件无线电的核心思想是将a d 、d a 转换器 尽可能地靠近天线，采用数字信号处理的方法尽可能多完成无线电功能。软件无 线电是实现无线通信的一种新概念和体制，是一个具有开放性、可扩展性和兼容 性的通信平台，其最主要的特点是可以最大程度发挥无线电平台的灵活性【4 】。 软件无线电的结构可以分为三种：射频低通采样结构、射频带通采样结构和 宽带中频带通采样结构。射频低通采样数字化的软件无线电，将d 转换器放 于系统射频段，采用全数字信号处理。这种结构的特点是；结构简洁，使模拟器 件减少到最小程度，是软件无线电的理想形式。由于对信号在射频阶段进行低通 采样，对a d c 的采样频率、带宽、动态范围有非常高的要求，而且数字信号处 理速度特别高。射频带通采样数字化结构的软件无线电，也是从射频阶段对信号 进行数字化，但是采用带通采样方式对信号进行采样。这样很大程度上降低a d c 采样频率与数字信号处理速度的要求，但是对a d c 的工作带宽要求还是很高( 即 a d c 仍然需要高速的采样保持电路) 。宽带中频带通采样数字化结构的软件无线 电，该结构在前端模拟部分对信号进行一次下变频，使信号频率处于某一固定中 频，然后对信号进行带通采样和数字信号处理。实际上，从可实现性和当前的技 术水平出发，目前较广泛采用的软件无线电结构即宽带中频带通采样软件无线电 结构，如图2 8 所示。从图中可以看出，系统中的绝大部分信号处理均由软件实 现，不同的算法设计将影响到整个系统的功能和性能这充分体现了软件无线电 灵活性和开放性的优点。 第二章有线电视矢鼍信号分析仪的总体解决方案 图2 8 宽带中频带通采样软件无线电结构 2 3 2 有线电视矢量信号分析仪总体结构 基于上述软件无线电的思想，有线电视矢量信号分析仪的f p g a 系统设计如 图2 9 所示。考虑到项目的可行性本文从中频阶段进行系统设计与实现。在数字 电视接收系统中高频头可以提供3 6 m h z 的中频信号。应用带通采样定理对中频 信号进行数字化，由于模数转换器输入动态范围的要求往往在a d c 之前进行中 频信号调理。数字化后的数据流输入到f p g a 进行处理，f p g a 首先对信号进行 中频到基带的变换，然后对信号进行基带处理直至提取到信号的矢量信息，包括 i q 幅度信息与相位信息。本文对处理结果的显示平台也进行设计，综合考虑到 设计的方便与实验室的硬件条件选择数字示波器作为显示平台。f p g a 处理完的 数据经过数模转换器变为模拟信号，然后在示波器平台上进行显示，此时示波器 的显示模式应选择i q 模式。 ? 中频兮 信号 兮 f p g a f 示渡器 谓理 f 兮 i ，q 墨示 i 一 r 图2 9 有线电视矢量信号分析仪的f p g a 系统设计 2 3 3 设计系统数字信号处理部分概述 f p g a 里信号处理的整体流程图如图2 1 0 所示。中频经过a d c 采样后的信 号进入f p g a 首先经过数字下变频将信号的 i i j i 谱由3 6 m h z 搬移到零巾频( 基带) ， 混频过程中会出现二倍频信号通过抗混叠滤波器滤除，这样就可以得到采样后的 基带信号。接着对基带信号进行匹配滤波，匹配滤波的主要目的是进一步抑制带 外噪声信号与消除符号间二f 二扰。由q a m 信号数字化处理的数学模型可知，此时 的q a m 基带信号由于信道与接收端混频的作用存在两种干扰，即信道传输时延 l3 第二章有线电视矢最信号分析仪的总体解决方案 与载波频率相位偏差。若要无失真地提取q a m 信号的幅度与相位信息就必须对 q 蝴基带信号进行时延估计与载波频率相位估计，然后进行补偿( 即完成信号 同步) 。本文的主要工作就是研究两种干扰的误差估计提取与补偿，进而进行 f p g a 设计实现。q a m 基带信号的数字同步算法大多都采用反馈闭环结构，所 有环路都经历这样一个过程：计算、误差提取、环路滤波、反馈更新参数、计算、 误差提取。这样的结构与锁相环的结构完全相同，同时同步恢复环的环路噪 声、环路的捕获与跟踪与锁相环也很类似，这就是本文在前一节详细讨论锁相环 原理的原因。 2 4 本章小结 图2 1 0 设计系统数字信号处理的整体流程图 本章介绍了有线数字电视信号即q a m 信号调制与解调的原理、锁相环的基 本原理、软件无线电的三种基本结构，并且介绍了现实最常用的宽带中频带通采 样软件无线电的结构框图。在上述基础上详细介绍了有线数字电视矢量信号分析 仪的系统设计，以及设计系统各部分所实现的功能。最后介绍本文研究的重点系 统中频数字信号处理过程。 1 4 第三章有线电视矢景信号分析仪中频数字信号处理算法研究 第三章有线电视矢量信号分析仪中频数字信号处理算法研究 中频数字信号处理是本设计系统的关键环节。进入数字信号处理器的信号为 中频带通采样信号，首先要进行数字下变频与匹配滤波，然后进行基带后处理。 在实际的通信系统中，接收端通常采用相干解调，这就要求接收端能够产生与接 收信号同频同相的信号。但是由于接收信号初始相位的随机性、信道传输引起的 接收信号频率与相位的抖动性和本地晶振的不稳定性造成本振与接收信号载波 不可能同频同相，因此系统需要进行载波同步。由于传输信道的影响使接收信号 的最佳采样时刻也呈现未知特性，这就需要进行定时同步。对于有线电视的q a m 信号的载波与定时同步尤为重要，q a m 信号的星座点数往往很多这样信号信号 对载波频率、相位和定时时刻的抖动很敏感，所以载波同步与定时同步性能的好 坏对q a m 分析系统的影响很大。本章研究了适用于q 蝴信号的数字下变频、 匹配滤波、符号定时同步、载波同步算法。同时，对各个算法在m a t l a b 中进 行仿真，以验证算法的性能，为f p g a 中的数字设计奠定了理论基础。 3 1m a t l a b 简介 m a t l a b 是一种交互式的以矩阵为基础的系统，它用于科学和工程的计算与 可视化。m a t i a b 以矩阵运算为基础，把计算、可视化、程序设计融合到了一个 简单易用的交互式工作环境中【5 1 。m a n ，a b 可以实现工程计算、算法研究、符号 运算、建模和仿真、原型开发、数据分析及可视化、科学和工程绘图、应用程序 设计等等功能。m a t l a b 的应用范围非常广，包括数字信号和图像处理、通讯 系统的设计与仿真、控制系统设计、测试和测量以及计算生物学等众多应用领域。 尤其是在通信系统的仿真方面，m a t l a b 更体现出强大的优势。 3 2 数字下变频与匹配滤波的分析、设计与仿真 3 2 1 数字下变频原理 数字下变频技术是软件无线电的核心技术之一。设计系统采用全数字的解决 方案，对有线数字电视信号模拟中频进行数字化，因此进入数字信号处理器的数 据流含有中频载波频谱，要想得到基带信号就必须通过频谱搬移与低通滤波将不 第三章有线电视矢鼍信号分析仪中频数字信号处理算法研究 需要的频谱分量滤除，同时将有用信号分量的频谱搬移到基带，这一过程就是通 过数字下变频完成的。本节将讨论数字下变频具体过程与数学模型。 本文采用带通采样定理，其采样频率必须满足一下要求 f ：竺t m ：o ，1 ，2 ( 3 1 ) z 2 曰 ( 3 - 2 ) 式( 3 - 1 ) 和式( 3 - 2 ) 中石为中频载波频率，曰为信号带宽，z 为采样频率。设 进入系统的模拟中频信号为 x ( f ) = ，( f ) c o s ( 2 刀z f ) 一q ( f ) s i n ( 2 刀z f ) ( 3 - 3 ) 进过a d c 数字化序列为 x ( 刀) = ，( 刀) c o s ( 2 万z 以z ) 一q ( 刀) s i l l ( 2 刀互) ( 3 - 4 ) 令式( 3 - 1 ) 中肌= 2 ，并且f = 厶，代入式( 3 - 4 ) 可以得出 颤刀) = j ( 刀) c o s ( 丢一万) 一q ( 玎) s i l l ( 丢刀万) ：p ) ( _ 1 ) 州2 胪堡婺 ( 3 - 5 ) i q ( 甩) ( 一1 ) 佃。1 2 刀= 奇数 采用同频本振进行数字下变频处理，本振数字信号为 c o s ( 2 万z 拧互) 一j s 似2 万z 玎霉) = c o s ( 丢刀万) 一j f s i n ( 丢一万) ( 3 6 ) 其中同相信号为 c o s c 吾刀万，= d “2：三薯萋 c 3 7 ) 正交信号为 一s m c - 三刀万，= 二一。，。一。，：三罢萋 c 3 8 ， 一s m ( 量刀万) 21 弋一1 ) t 一一- ，：筹蓑 3 8 由式( 3 7 ) 和式( 3 8 ) 可以看出两个本振信号均为+ l ，0 ，1 交替出现的序 列，因此在实现本地数字振荡器时可大大减少逻辑芯片存储器的数量。数字混频 后信号既有基带分量还包含中频的二倍频分量采取低通滤波的方法可以获得基 带信号。设有线数字电视中频信号为3 6 m h z ，采用上述的带通采样模型，取 m = 2 ，则采样速率为2 8 8 m h z 。以下给出频谱图说明上述数字下变频过程，如 图3 1 所示。 3 2 2 匹配滤波器的设计 数字基带信号通过带限信道时，脉冲会在时间上延伸，每个符号脉冲将延伸 1 6 第三章有线电视矢景信号分析仪中频数字信号处理算法研究 2 8 8 2 8 8 采样后中频僭号频谱 2 8 8 濑腓号绷 2 8 8 ：幻出么 = 竺! 竺： 2 8 8 2 8 8 低通滤波后信号频潜 图3 1 数字下变频频谱搬移图 到相邻符号的时间间隔内，这会造成符号间干扰( i s i ) 。本文采用脉冲成型技术 来同时减少符号间干扰和已调数字信号的带宽。奈奎斯特定理表明，只要把通信 系统( 包括发射机、信道和接收机) 的整个响应设计在接收机端每个抽样时刻只 对当前的符号有响应，而对其他符号的响应全等于零，那么符号间干扰( i s i ) 的影响就能完全被抵消。在矢量信号分析过程中，脉冲成形滤波器主要表现为匹 配滤波器，在矢量解调测试过程中除了通过选择适当的调制格式来对输入信号进 行解调外，还要选择适当的匹配数字滤波器。，在大多数的通信系统中都选择 它为成型滤波器。 升余弦滤波器的传输函数如下 日( 厂) = 丁 “丢【一圭( 1 刊】) 0 悱等 等 悱等 9