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1、,7 7 0 9 9 9饭里大学学校代码t1 0 2 4 6学号：T 0 2 2 0 2 1 0 2 1硕士学位论文短波通信中基于信号梅式的金数字解调隧夏(所)堕璺型堂皇三里学院电子与通信工程矬j詹、一墨室垄指导瓷薮1 躇一王建翠完成1 9 期塑堡竺翌!里索笨璺誊：晕径嚣急勃象之公布一复旦大学信息与科学学院工程硕士学位论文摘要随着数字信号处理技术和计算机技术的发展，全数字解调技术得以广泛应用。特别是软件无线电概念出现之后，作为软件无线电技术重要组成部分之一的全数字接收技术，成为通信技术中的热门话题。目前，全数字接收技术已被广泛应用于个人移动通信、军事通信等领域。作为传统的通信方式，短波通信从出
2、现以来，经历了最初的辉煌，但是由于短波信道带宽有限、通信质量难以保证，在卫星通信、光纤通信兴起之初，短波通信的功能和潜力曾经受到人们的质疑。8、9 0 年代以来，随着信号处理技术的发展，短波通信的缺陷得以大幅改善，同时，由于人们愈加看中短波通信的难以摧毁等优势，短波通信技术进入了新的发展阶段。软件无线电技术最初产生和应用于军事通信，因此，短波通信是软件无线电最初也是最重要的应用领域，因此研究短波通信中的全数字解调具有很强的现实意义。本文首先系统地阐述了全数字解调技术的基本原理，对全数字接收机的组成和各部分原理予以大致讲述；讨论了短波数据通信中常用的几种调制方法并引出了本文的核心问题一短波通信中
3、基于信号格式的全数字解调技术；对于该问题，本文给予了详细论述和推导，并给出了实现该技术方法的模型和算法。本文的主要内容包括：l、根据分块调制信号特点，建立基于信号格式的解调算法模型2、针对短波信道干扰强、衰落大的特点，推导和实现基于功率谱拟和的A G C 算法，抑制输入数据波形衰落。3、利用时钟误差的无偏估计和差值，计算实现码元时钟同步。4、采用分块判决反馈均衡器实现分块数据均衡。关键词：分块调制功率谱拟和时钟误差无偏估计分块均衡判决反馈第1 页复旦大学信息与科学学院上程硕士学位论文A b s t r a c tW i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n
4、to fs i g n a lp r o c e s s i n ga n dc o m p u t e rt e c h n o l o g y,d i g i t a ld e m o d u l a t i o nh a sb e e nw i d e l yu s e d A sai m p o r t a n tp a r to f w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u e，d i g i t a ld e m o d u l a t i o na t t r a c t sm o r ea n dm o r
5、ea t t e n t i o n T o d a y，d i g i t a ld e m o d u l a t i o nh a sb e e na p p l i e di nm i l i t a r yc o m m u n i c a t i o n，p e r s o n a lm o b i l ec o m m u n i c a t i o na n de t c A sw ee n t e r e dt h e1 9 7 0 sa n d1 9 8 0 s，r e l i a b l er e a l-t i m eh i g h-s p e e ds a t e l
6、 l i t ec o m m u n i c a t i o na n do p t i c a lc o m m u n i c a t i o nb e c a m ea v a i l a b l ea n dI-I Fw a sn ol o n g e rn e e d e df o rl o n gh a u lc o m m u n i c a t i o n，I t su s ew a n e d E n t e r i n gt h e1 9 8 0 s t h er e a l i z a t i o nc a m ea b o u tt h a tt h e r ew a
7、 sal i m i t e da v a i l a b i l i t yo fs a t e l l i t ec h a n n e l sa n dO p t i c a lc a b l e，f o ra ni n s t a n c e，i nb a t t l ef i e l d，am o v eb e g a nt or e t u r nt oH Fa n dt h eH Fc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ys t e p p e di n t oan e wp e r i o d S o f t w a r er a
8、 d i oi sac o n c e p ti n i t i a t e di nm i l i t a r yc o m m u n i c t i o na n dw a sa p p l i e di nH Fc o m m u n i c a t i o ne v es i n c ei t sa p p e a r a n c e O b v i o u s l y,I t so fg r e a ts i g n i f i c a n tt os t u d yt h ed i g i t a ld e m o d u l a t i o nt e c h n i q u e
9、i nH Fc h a n n e l I nt h i sp a p e r,w ed e m e n s t r a t et h em a i np r i n c i p l e si nd i g i t a ld e m o d u l a t i o na n dt a k eab i r dv i e wo ns t r u c t u r eo ff u l l d i g i t a lr e c e i v e ra n di t sm a i nb l o c k s T h ep a p e rf o c u so nam e t h o d，n a m e d“d
10、i g i t a ld e m o d u l a t i o nb a s e do ns i g n a lf o r m a ti nI-I Fc h a n n e l”a n dp r e s e maf u l l-d i g i t a ld e m o d u l a t i o ns t r u c t u r ew h i c hc o n s i s t so fs e v e r a ln e wa l g o r i t h m s T h ep a p e rc o n t a i n s：1 D e s i g naf u l l-d i g i t a ld
11、e m o d u l a t i o ns t r u t u r eb a s e do nb l o c kf o r m a to fs i g n a l 2 U s ea na c c u r a t eA G Cf o rf a d i n gc h a n n e l 3 R e a l i z es y m b o lt i m i n gb a s e do nu n b i a s e dt i m i n ge s t i m a t i o na n di n t e r p o l a t i o n 4 P r e s e n tan e we q u a l i
12、 z a t i o nm e t h o df o rb l o c kt r a n s m m i t i o n，n a m e dL i n e a r-A p p r o a c h e dB l o c kD e c i s i o n-F e e d b a c kE q u a l i z a t i o nA l g o r i t h mf o rT i m e V a r y i n gC h a n n e l K e y w o r d：b l o c km o d u l a t i o n，p o w e rs p e c t r u m，t i m i n g
13、e r r o r,u n b i a s e de s t i m a t e，b l o c ke q u a l i z a t i o n，d e c i s i o n-f e e d b a c k第2 页复旦大学信息与科学学院上程硕士学位论文第1 章引言1 1 软件无线电的概念与全数字解调1 1 1软件无线电台的发展动因当前，一场以军事信息技术的革命性发展为先导的新军事革命已经兴起，正在对世界各国军队的现代化建设产生广泛和深刻的影响。如何打赢未来以信息战为主要作战样式的高技术条件下的局部战争，已成为各国军队研究探讨的主要课题。信息战和数字化战场等新概念表明，现代战争的指挥自动化体
14、系对军事通信保障能力提出了更高的要求，即要求尽快提供军队通信保障的协同、机动、保密、抗干扰和抗毁五种能力。无线通信装备在机动性和抗毁性方面具有天然的优势，所以在军事通信中占有十分重要的地位。然而长期以来，军用无线电台都是针对某些特定用途而设计的，各种电台虽有许多共同功能，但也有很大差别，如不同的工作频段、调制解调方式等。这些差别显示了各种电台为完成不同的军事通信任务的需要，同时也限制了不同电台之间的互通。即使是同一部队，由于军事目的不同，有时也必须装备不同的无线电台。这样就造成了军队通信装备系列多、品种杂、互通差、协同难。显然，这种状况是很难适应未来陆、海、空、天地一体化立体战争的。美军在1
15、9 9 1 年海湾战争中也遇到同样的问题。战后，美国军方和民间通信科技人员纷纷探讨理想的解决方法。由于无线通信技术在近二十年来有了飞速的发展，传统的模拟无线通信技术正向数字无线通信转化，实现数字化的软件和硬件技术都已有了相当的基础，数字通信的优越性也越来越被人们认识。随着计算机和通信技术的快速发展，特别是用微处理器实现的高速数字信号处理技术D S P(D i g i t a lS i g n a lP r o c e s s i n g)的进展，更多的功能可以采用软件来实现，从而可以摆脱长期依赖硬件布线的状况。在通信设备更新换代节奏加快的今天，能否充分利用微处理机和专用芯片的可编程能力，提供一
16、种通用的无线电台硬件平台，使得既保持无线电台硬件结构的简单化，同时又能使其标准兼容，这也最终导致了“软件无线电”概念的提出。美国人J o eM i t o l a 在1 9 9 2 年5 月的美国国家远程系统会议上首次提出“S o f t w a r eR a d i o”的概念，即我们所说的“软件无线电”。这个概念得到了美国军方的一致认可，美国军方希望利用“软件无线电”这个新技术手段来解决其三军无线电台多频段，多工作方式的互通问题，使通信变得更加容易。第3 页复旦大学信息与科学学院工程硕士学位论文1 1 2 软件无线电台的发展现状与全数字解调无线通信在现代通信中占据着极其重要的位置，几乎任何
17、领域都使用无线通信，包括有商业、气象、金融、军事、工业、民用等。我们可从通信系统、调制方式、多址方式等几方面可看到无线通信系统种类的繁多。类别种类通信系统卫星通信系统、蜂窝移动通信系统、无线寻呼系统、短波通信系统、微波通信系统等调制方式A M、F M、L S B、U S B、I S B、F S K、P S K、M S K、G M S K、Q A M 等多址方式时分多址(T D M A)、频分多址(F D M A)和码分多址(C D M A)等各种通信系统由于自身的特点而适用于各种特定的场合，例如：短波电台适合远距离，其所需的发射功率不大，传输的“中继系统”一电离层不会被摧毁；卫星通信能传播高质
18、量的信息，所能提供的频带很宽微波通信抗干扰能力强，适合大量的数据传输，但只能在点与点之间传输，传输距离又有一定的限制由于无线通信的设备简单、便于携带、易于操作、架设方便等特点，在军事和民用通信领域中都是不可缺的重要通信手段。目前，软件无线电技术已经从最初的军事通信应用领域发展到民用领域，特别是在蓬勃发展的个人移动通信领域受到广泛关注。为了说明软件无线电的概念，这里给出了无线电的接收装置部分结构图。图1-1 1：窄带无线接收装置在传统的无线通信设备中，窄带接收装置中所有的功能模块：滤波、放大、向下变频，直到调制，都是使用模拟技术(除了频率合成的部分)实现的。信号解调出来以后，使用一个可编程的数字
19、信号处理(D S P)器件进行处理。软件无线电决定性的步骤，是将A D(和D A)变换器尽量向射频端靠拢(如图2所示)。应用宽带天线或多频段天线，并将整个中频频段作A D 变换，这之后整个的处理都用可编程数字器件特别是软件来实现。它的结构图显示在图1 1 3 上。我们可看出，第4 页蛆砂复旦大学信息与科学学院工程硕士学位论文这样一个体系结构具有非常大的通用性，对解决上面提到的问题有很大的潜力，可用来实现多频段、多调制方式和多址方式，构成多体制的通用无线通信系统。图1-1 2 软件无线接收装置话音目量t 誓t l 鼍毫l，IE：，产等鲞，L元r 一鲁广t天曼，n 爰矗蕾量曩曩鼍透量夏暖爵音圈柏真
20、计量一t 丰e 号图1 1 3：软件无线电的结构图从图1 1 3 中可看出，所谓软件无线电，其关键思想是构造一个具有开放性、标准化、模块化的通用硬件平台，各种功能，如工作频段、调制解调类型、数据格式、加密模式、通信协议等，用软件来完成，并使宽带A D 和D A 转换器尽可能靠近天线，以研制出具有高度灵活性、开放性的新一代无线通信系统。可以说这种电台是可用软件控制和再定义的电台，选用不同软件模块就可以实现不同的功能，而且软件可以升级更新。其硬件也可以像计算机一样不断地更新模块和升级换代。由于软件无线电的各种功能是用软件实现的，如果要实现新的业务或调制方式只要增加一个新的软件模块即可。同时，由于它
21、能形成各种调制波形和通信协议，故还可以与旧体制的各种电台通信，大大延长了电台的使用周期，也节约了成本开支。从软件无线电的结构图可以看出解调器是软件无线电的重要组成部分。软件无线电中的解调必须以软件全数字实现为前提，因此研究解调的全数字实现具有很强的现实意义。1 2 短波中的数据通信和全数字解调尽管当前新型无线电通信系统不断涌现，短波这一古老和传统的通信方式仍然受到全世界普遍重视。作为传统的通信方式，短波通信从出现以来，经历了最初的辉煌，但是由于短波信道带宽有限、通信质量难以保证，在卫星通信、光纤通信兴起之初，短波通信的功能和潜力曾经受到人们的质疑。8、9 0 年代以来，随着信号处理技术的发展，
22、短波通信的缺陷得以大幅改善，同时，由于人们愈加看中短波通信的难以摧毁等优势，短波通信技术进入了新的发展阶段。其原因主要有三：一、短波是唯一不受网络枢钮和第5 页复旦大学信息与科学学院上程硕士学位论文有源中继体制约的远程通信手段，一旦发生战争或灾害，各种通信网络都可能受到破坏，卫星也可能受到攻击。无论哪种通信方式，其抗毁能力和自主通信能力与短波无可相比：二、在山区、戈壁、海洋等地区，超短波覆盖不到，主要依靠短波；三、与卫星通信相比，短波通信不用支付话费，运行成本低。在无线电通信中，传送信息的载体是特定频率的载波(也称为主频)。那么信息又是如何放到载波上的呢?这就引出了“调制”的概念。调制就是将信
23、息的动态波形通过一定形式加到载波上发送出去，接收台收到被调制的载频信号后，再还原信息。调制分为幅度调制(简称“调幅”)、频率调制(简称“调频”)、相位调制(简称“调相”)三种。中波、短波一般采用调幅方式，超短波一般采用调频方式。根据国际协议，短波通信必须使用单边带调幅方式(S S B)，只有短波广播节目可以使用双边带调幅方式(A M)。因此，国内外使用的短波电台都是单边带电台。过去的所指的短波电台往往是指话音传播，随着通信需求的增加和通信技术的发展，短波通信中愈来愈多地出现了数据通信，一种方式是宽带传输，如调频通信，另一种方式是将传输的数字信息调制到单边带上(也被称为话带调制)，再通过电台发射
24、出去。本文关注和研究的是第二种方式，也是最为常用的方式。短波中的话带调制分为单载波调制和多载波调制，其中常用的单载波调制方式为F S K 和P S K。由于话带调制的带宽有限以及短波信道的难以跟踪的特点，短波中的话带数据调制速率一直受到很大的限制。8、9 0 年代以来，随着信号处理技术的发展，特别是软件无线电的概念出现以来，短波数据调制解调从模拟方式演变为数字方式，在实际应用中大量采用D S P 芯片实现调制和解调，并在高速数据传输中采用先进的解调算法和特殊的数据格式，以跟踪信道的变化，显著改善了短波数据通信的性能。本文即将讨论和实现的是一种基于信号格式的8 P S K 高速短波信号的解调。1
25、 3 基于信号格式的解调数字通信中，单载波P S K 信号的调制和解调一般都采用正交原理，经由正交解调、时钟同步、码元同步、均衡几个主要的步骤实现。卫星通信和短波低速信号的单载波P S K调制由于容易实现信道跟踪，所以对信号本身的格式没有更多的要求，实现信道跟踪的关键在于均衡的速度，7、8 0 年代对于快速K a l m e n 滤波的研究已经很好的解决了这一问题。近些年来，在短波高速单载波P S K 调制技术的研究中，出现了一种利用特定信号格式实现同步和均衡的调制解调技术，这一技术首先由美国军方提出，并且应用广泛。这种技术的基础就是将用于调制的数据(已经经过交织和纠错编码)分割为分块的帧结构
26、，在数据的一开始是一段用于初始训练的前导，之后的每一帧都由一段调制数据和已知插入数据段组成，对各段数据产生的码间干扰充分隔离，能够很好的抑制判决错误的扩散。同时，利用基于这样的帧结构，在接收端可以首先利用初始训练进行同步捕捉和均衡器第6 页复旦大学信息与科学学院工程硕士学位论文初始化，再利用每一帧尾的插入已知码元不断进行同步和均衡器调整，这样对于短波这样变化较快的信号，可以不断同步调整和跟踪信道，充分满足了高速信号的最佳接收的要求。这种基于帧格式的调制解调也称为分块(块状)调制解调。1 4 本文的主要工作由于软件无线电是现代军事通信的重要研究领域，全数字解调技术是软件无线电的重要组成部分，短波
27、通信是军事通信的重要手段，所以研究高速短波通信技术是当务之急，所咀本文将短波中基于信号格式的全数字解调作为研究的对象，旨在建立有效的全数字解调方法，实现该种调制信号的解调。本人的工作和创新点如下：1、据分块调制信号特点，建立基于信号格式的解调算法模型由于全数字解调面对的是完全数字化的数据，所以它的核心可以归结为算法问题，在实现算法的基础上，就方便地利用D S P 或其他的处理器实现。由于分块调制信号的解调以数据帧结构为基础，同步跟踪和均衡方法以及编码方式与常规解调有明显的不同，所以建立基于分块信号帧格式的解调算法模型是实现本课题的前提。本论文中建立的基于信号格式的解调算法模型将解调过程根据帧结
28、构设计为反馈环路，通过分帧解调循环实现长段数据的解调。2、针对短波信道干扰强、衰落大的特点，推导和实现基于功率谱拟和的A G C 算法，抑制输入数据波形衰落。在卫星信号和微波信号的解调中，由于信道较好，A G C 不是难点，但是由于短波信道干扰强、衰落大、时变性强，如果A G C 算法处理不当会引起严重的相位畸变，对于调相信号的解调是致命的。因此推导和实现具有快速跟踪能力、相位畸变小的A G C 算法至关重要。本论文在研究常规A G C 原理的基础上，充分挖掘数字解调的优势，利用数值拟合原理，推导和实现基于功率谱拟和的A G C 算法，有效地抑制了输入数据波形衰落。3、推导时钟误差的无偏估计，
29、计算实现码元时钟同步。模拟解调中常用的时钟同步方法是早迟门电路，一些数字解调中的时钟同步算法只是将早迟门电路己知到算法中，通常情况下，这种方法实现的时钟同步精度不高，只能适用于低速解调。本论文给出的是通过用数字信号处理方法计算时钟误差无偏估计，并实现时钟同步的方法，精度至少可以达到码元宽度的5 0 分之一。4、采用分块判决反馈均衡器实现分块数据均衡。本文推导和实现了时变信道分块判决反馈均衡线性逼近算法，以分块判决反馈均衡器为基本框架，考虑信道的快速时变性，将信道模型假定为短时线性变化，跟踪信道的变化，并引入分数间隔均衡算法，改善均衡器的同步特性。首先通过初始前导段对均衡器初始化，再采用追零均衡
30、器或M M S E 等方法实现对已知码元的均衡，并不断利用未知码元之间的已知码元段调整均衡器系数，达到信道跟踪的目的。第7 页复旦大学信息与科学学院工程硕士学位论文1 5 论文的内容安排论文第二章系统地阐述了全数字解调的理论，从信道模型、接收机原理、单载波信号最佳接收几个方面予以介绍。论文的第三章阐述了短波数据通信中的调制方法并引出基于信号格式的全数字解调的概念。论文的第四章以信号格式的全数字解调为核心，给出了全数字解调的模型设计；推导和实现了基于功率谱拟合的A G C 算法；设计了基于时钟误差无偏估计和差值的时钟同步方法；利用信号格式，将信道模型假定为短时线性变化，推导和实现了分块判决反馈均
31、衡器线性逼近算法。第8 页复旦大学信息与科学学院工程硕士学位论文第2 章全数字解调的理论基础2 1 概述全数字解调技术基于传统调制解调理论，是调制解调技术的数字化发展。这一章我们首先介绍通信信道的数学模型和特征，接着介绍最佳接收机的概念和自适应均衡原理，在此基础上对全数字化解调作简要介绍和讨论。2 2 通信信道的数学模型和短波信道特征2 2 1 通信信道的数学模型通信信道是指将发送机的信号发送给接收机的物理媒质，也许是携带电信号的一对明线，或是自由空间，携带信息的信号通过天线在空间辐射传输。在通信系统设计时，都会建立一个能反映传输媒质特征的数学模型，即信道的数学模型，用于接收机解调器和信道译码
32、器的设计。信道的数学模型一般分为以下三种：l、加性噪声信道通信信道中最简单的数学模型是加性噪声信道，在这种信道模型中，发送信号s(O 被加性随机噪声过程疗(f)恶化。加性噪声过程由通信系统接收机中的电子元部件和放大器引起，或者由传输中的干扰引起。如果噪声主要由接收机中的元部件和放大器引起，那么，它可以表征为热噪声。这种模型的噪声统计特性为高斯噪声过程。因此，该信道的数学模型通常称为加性高斯噪声信道。因为这个信道模型适用于很宽的物理通信信道，并在数学上易于处理，所以是在通信系统分析和设计中所用的最主要的信道模型。信道的衰减很容易加入到该模型。信号通过信道传输而受到衰减时，接收信号是：r(t)=a
33、 s(t)+H(f)，其中口是衰减因子，如图：图2-2 12、线性滤波器信道r 0)盘#(1，+n“)第9 页复旦大学信息与科学学院T 程硕士学位论文在某些物理信道中，例如有线电话、短波通信等，采用滤波器来保证传输信号不超过规定的带宽限制，从而不会引起相互干扰。这样的信道通常在数学上表征为带有加性噪声的线性滤波器。如果信道输入信号为s(t)，那么信道输出信号是：r(t)=s(t)+o(f)+n(O=e c(r)s(r r)d n(f)c(f)是信道的冲激响应。模型如下图所示：，(1)=j“)f()+”(1)l信道n(t)-。-。_-J图2 2 23、线性时变滤波器信道一些信道会导致发送信号的时
34、变多径传播，如电离层无线电信道，这类物理信道在数学上可以表征为时变线性滤波器。该线性滤波器的冲激响应可表示为c(f；f)，这里c(f；f)是信道在r f 时刻加入冲激而在t 时刻的响应。对于输入信号s(r)，信道输出信号是：r(f)=s(f)+c(f；f)+订(f)=e c(删)s(卜f)打+竹(f)信道模型如下图所示：意糟lr：“倍道糟(f)：J图2-2 3以上三种数学模型表征了实际中的绝大多数物理信道。2 2 2 短波信道的信道特征在无线通信系统中，电磁能是通过作为辐射器的天线耦合到传播媒质的。天波传播是电离层对发送信号的反射(弯曲或折射)形成的，电离层由位于地球表第1 0 页复旦大学信息
35、与科学学院工程硕士学位论文面之上高度5 0 k m 4 0 0 k m 范围中的几层带电粒子组成。在白昼，太阳使较低大气层加热，引起高度在1 2 0 k m 以下的电离层的形成。这些较低的层，特别是D 层，吸收2 M H z 以下的频率，因此严重地限制了A M 无线电广播的天波传播。然而，在夜晚，较低层的电离层中的电子密度急剧下降，而且白天发生的频率吸收现象明显减少。因此，功率强大的A M 无线电广播电台能够通过天波经F 层电离层传播很远的距离，F 层电离层位于地球表面之上1 4 0 k i n 4 0 0 k i n 范围之内。在I-I F 频段范围内，电磁波经由天波传播时经常发生的问题是信
36、号多径。信号多径发生在发送信号经由多条传播路径以不同的延时到达接收机的时候，一般会引起数字通信系统中的符号间干扰。而且，经由不同传播路径到达的各信号分量会相互削弱，导致信号衰落的现象，许多人在夜晚收听远地无线电台广播时会对此有体验。在夜晚，天波是主要的传播模式。H F 频段的加性噪声是大气噪声和热噪声的组合。其噪声与光纤通信、卫星通信相比大很多。2 3 最佳接收机的原理2 3 1 概述接收机的功能是将接收到的信号处理成为原始发送的信息。对于有加性噪声、带限、有多径衰落特性的信道，其特征表现为接收机接收到的信号存在码间干扰，因此采取一定的方法去除信道造成的噪声和码间干扰、还原信息是最佳接收机的根
37、本目的。一般来说将接收机划分为解调和检测两部分。解调的目的是将接收的波形信号变换成n 维向量r=F,r：A，】，其中N 是发送信号波形的维数。检测器的功能是根据向量r在M 个可能信号波形中判定哪一个波形被发送。由于本论文关注的是一种单载波调相信号的解调技术，所以在接下来的对解调器的阐述中只涉及单载波调相信号的解调理论【3 。2 3 2 单载波调相信号的解调2 3 2 1 正交调制解调原理首先以Q P S K 为例，阐述一单载波调制解调原理。图2 3 1第1 1 页复旦大学信息与科学学院工程硕士学位论文把相继两个码元的四种组合(0 0，0 1，1 0，1 1)对应于正弦波的四个相位嗥0)=C O
38、 S(W，t+岛)其中i=l，2，3，4；一T 2 t T 2；此处岛可以是0、n 2、n 或n 4、3 4，这就是四相P S K(目 JQ P S K)。上式也可写成：黾=a iC O S 雌f+占js 血w 一一T 2 t T 2：相应的岛是0，n 2，n 的情况，这时(啦，5 f)：(1，0)，(O，1)，(一l，O)，(O，一1)而当Q i 是4，3。4 时(2 q 0 2 乜)：(1，1)，(一1，1)，(一1，一1)，(1，一1)用4 i,b 二维平面上的点来表示，如下图所示。其中水平轴“t 称为同相轴，垂直轴乜称为正交轴。实际上色度信号的调制就是正交振幅调制，只不过是用连续信号去
39、调制两个正交载波而已。粗略地说，由于在一个时期内可以传送2 比特数据，相同带宽下的数码率就提高了一倍。为了避免码间干扰，即由于通道特性而使脉冲扩展到下一判决时刻而造成干扰，信号要按照一定的要求进行整形，使各判决点不受相邻码的干扰，这种处理称为均衡调整。一般采用具有升余弦频谱的特性，这时信号的带宽会略有扩展，因此在相同的带宽下所传输的数码率要略小于原传输数码率的一倍。：!：随誉#她图2-3 2第1 2 页复旦大学信息与科学学院工程硕士学位论文Q S P K 正交调制器方框图如上图所示。它可以看成由两个B S P K 调制器构成，输入的串行二进制信息序列经串一并变换，分成两路速率减半的序列，电平发
40、生器分别产生双极性二电平信号I(t)和Q(t)，然后对c o s w f l T U”进行调制，相加后即得到Q P S K 信号。图中画出了典型波形。解调时，对通带信号用的本地产生的载波进行解调，恢复出基带信号I(t)和Q(t)。用H i l b e r t 变换可以实现对通带信号的9 0。相移。2 3 2 2 载波恢复与符号同步单载波调相信号解调的最常用方法是相干解调，也叫正交解调，必须经过载波恢复和符号同步的过程。所谓载波恢复，即估计出载波相位，从物理上讲，就是使得解调后的相点落在2 P i m(M 元P S K)位置上：符号同步则是为了控制抽样器的抽样时刻，令抽样时钟位于码元的中央，即“
41、眼图”最大。一个M 元P S K 接收机的框图如下所示：图2-3-3载波相位恢复的方法的一种是复用法，即通过提取和测算信号的导频，使用锁相环(P L L)获取并跟踪这个载波分量，在O F D M 通信系统中常用这种方法；另一种方法是从已调信号中直接测算出载波相位的估计值，在M 相P S K 的解调中采用的就是这种方法。相位调制信号的信息携带在相位值中，因此，解调调相信号要求精确的载波相位估计。载波相位估计一般有面向判决环与非面向判决环二类。在M 元P S K 的情况下，判决反馈锁相环的结构如下图所示：第1 3 页复旦大学信息与科学学院工程硕士学位论文图2 3-4可以看到，判决反馈锁相环是基于解
42、调后输出信号的，而非面向判决环则是将数据处理为随机变量，经由随机变量求平均所得，常用的方法是平方环、科斯塔斯环。可以证明，判决反馈锁相环(D F P L L)在性能上优于科斯塔斯环和平方环，所以被广泛地应用。特别是在带艰信道通信领域，信号一般带有前导训练，采用判决反馈锁相环有利于充分利用前导已知码元实现载波同步。符号同步从物理上讲，即是将解调器的输出以符号速率周期性地在精确的抽样时刻m T+f 上抽样，其中r 是符号间隔，t 是信号从发送机到接收机传播时间的延时。显然，符号同步的核心问题是符号定时估计即求出t 的值。符号定时估计(时钟同步)的典型方法为早迟门同步器，早迟门同步器的原理图如下所示
43、：第1 4 页星呈盔堂笪：垦兰型堂兰堕三堡堡主堂堡堡奎图2-3 5以上简单她阐述了载波同步和符号同步的分别实现原理，两种方法都是基于M L 估计产生的估计值，于是可以将载波同步和符号同步进行联合估计，可以得到比分别实现更好的性能。联合估计原理推导如下：这两个参数的对数似然函数可用等效低通信号形式表示为姒蚧m 怯上舢陬蚧弦叫式中J 雕；m，r)是等效低通信号，它的一般形式为s，(r；m，f)=e 一扣I L g(f H r f)+，以o n T f)lI-”n式中，L)和 以)为两个信息序列。注意，对于P A M，令以；0(所有n)，且序列 L)是实的。对于Q A M 和P S K，令以=0(所
44、有”)且 L)是复值的。对于偏移，两个序列 L 和 以)是非零的且1Q P S KO)=g O 亡r)。对于西和r 面向判决M L 估计，对数似然函数为懈加R e 篙莓k 蹦咖纸j 式中(r)=r 瞻O n r r 脚(r)=，(f b+(r 一胛丁一r 如第1 5 页(式2 3 5)(式2 3 6)复旦大学信息与科学学院工程硕士学位论文求函和f 的M L 估计值的必要条件是坠壁：尘：o，O A z(0,v)：0d O r为方便计，定义A(r)+j B(r)=吉k y。(r)+矗(r)1 0”利用这个定义，式(6 4 3)简化为人L(m，f)=A(r)c o s q b B(r)s i n 中
45、式(6 4 5)中求联合M L 估计值的条件为掣：一4(f)s i n o 一占(f)c。s Q：oa 中、7坠!型：丝盟。o 一丝盟。i n：oa fa fa f由式(6-4 8)可得B(；m)爿(；m)结合式(6 4 1 0)可得出式(6 4 9)的解答为卜警删r，掣L。=。P S K 中载波相位和符号定时的面向判决联合跟踪环原理图如下：图2 3 6第1 6 页(式2 3 9)(式2 3 1 0)复旦大学信息与科学学院工程硕士学位论文2 3 3 均衡器原理和几种重要的设计方法2 3 3 1 均衡器的概念和作用我们已经介绍了在理想信道状态下单载波信号解调的方法，而在实际通信传输中，必然存在非
46、理想的信道，因此通信信号在经由不同类型的信道时，必然会产生码间干扰(I S I)，如果不合理地处理加以补偿，解调器无法工作。我们把这种对I S I 的补偿器称为均衡器。在讨论均衡器之前，我们有必要讨论一下典型信道的离散时间模型，作为均衡器设计的根据。具有I S I 信道的离散时间模型如下图所示：由于匹配滤波器输出的噪声系列溉)中具有相关性，其均值为零，而自相关函数为：三E 坛巧)=H 觜。因此希望通过对系列抄。进行滤波来消除噪声序列。消除噪声的离散滤波器的原理如下令x(z)表示抽样自相关函数k 的(双边)z 变换，即x(z)=屯z。k-L因为t=x 二，因此x(z)=x(z。1)，且x(z)的
47、2 L 个根具有对称性；么1 p 也是一个根。因此X(z)可以因式分解为X(z)=F(z)F(z。)若p 是一个根，那式中，F(z)是具有根P l，P：，A，P。的三次多项式，F 0。1)是具有根1，户?，1 p：，A，1 p：的三次多项式。那么，一个适当的噪声白化滤波器具有z 变换1 F+(z 1)。因为F+乜-1)的根有2 种可能的选择，各种选择对应的滤波器的特性在幅度上相同，在相位上不同。因此，建议选择具有最小相位的唯一的F 0 1)，即所有的根在单位圆内的多项式。当第1 7 页复旦大学信息与科学学院工程硕士学位论文F+(z。1)所有的根在单位圆内时，I F(z。)是物理可实现的、稳定的
48、、递归离散时间滤波器。因此，序列扣。通过数字滤波器1 F+0 1)导致一个输出序列v。为K=。+玑式中，玑)是一个高斯白噪声序列，以 是传递函数为F(z)的等效离散时间横向滤波器的一组抽头系数。一般地，序列 v。是复值的。可以看到，发送滤波器g(O、信道e(O、匹配滤波器h*(-O、抽样器和离散时间去噪声滤波器1 F 0-1)的级联结构可以表示为一个等效的离散时间横向滤波器，其抽样系数为协)。加性噪声序列切。)是一个均值为零、方差为N。的高斯白噪声序列，因此等效离散时间白噪声滤波器模型如下图所示：t m 图2-3 8当信道冲激响应缓慢变化时，接收机中的匹配滤波器是时变的，信道滤波器也是时变的，
49、因此必须使抽头系数随时间变化，才能补偿时变信道产生的码间干扰，这种补偿方法即为均衡。2 3 3 2 线性均衡利用线性横向滤波的方法实现均衡是最常用的均衡方法，也是均衡器设计的基本方法。在这一节中，我们对线性均衡的模型和抽头系数调整的最优化准则加以讨论。首先假设输入的信号为：v。=以。+仉，输出的是信息序列阢)的估计值。第k 个符号的估计值可以表示为：”o氕：杰”一，式中，k，是滤波器的俄+JJ 个抽头加权系数。为均衡后的估计值，用以形成判决。如果 与发送信息符号不同，判决发生一次差错。线性横向滤波器的模型如下：第1 8 页复旦大学信息与科学学院T 程硕十学位论文图2 3 9在数字通信系统中，平
50、均错误概率是衡量系统性能的依据，而错误概率是抽头系数扛 的等效非线性函数，所以以错误概率作为均衡器抽头调整的依据是不容易实现的。均衡器抽头系数调整实际上是均衡器的核心，所以在这个领域中人们作了大量的研究，其中峰值失真准则和均方误差准则是最常用的两个均衡系统最优化准则。下面的小节中，我们分别对峰值失真准则和均方误差准则加以讨论。2 3 3 3 1峰值失真准则峰值失真准则是指将均衡器输出端最坏情况下的码间干扰最小化的方法。如果建立均衡器在通信中的模型为：成为国图2 3 1 0 x 为被传输的原始信号，y 为均衡器输出的信号；显然信道与均衡级联后的通道冲激响应可以表示为吼=c，一，假设均衡器是理想的