高速移動(dòng)條件下位同步器的設(shè)計(jì)

摘要：在通信系統(tǒng)中，會(huì)遇到發(fā)射機(jī)和接收機(jī)具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的情況，這將導(dǎo)致接收到的信號(hào)含有多普勒頻移。多普勒頻移使接收的信號(hào)相位發(fā)生旋轉(zhuǎn)偏移，這對(duì)具有基帶成形濾波器通信系統(tǒng)中的位同步器設(shè)計(jì)產(chǎn)生影響。如何在多普勒頻移條件下設(shè)計(jì)出簡(jiǎn)單可行的位同步器是通信系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。

引言

　　在通信系統(tǒng)中，通常會(huì)遇到發(fā)送端和接收端存在相對(duì)移動(dòng)的情況，這使得接收信號(hào)存在較大的多普勒頻移。多普勒頻移的計(jì)算公式[1]為fD=vcosθ/λ，其中fD是多普勒頻移，v是發(fā)送端和接收端的相對(duì)移動(dòng)速度，θ是入射波與移動(dòng)方向的夾角，λ是發(fā)射波的波長(zhǎng)。當(dāng)相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度v=1.2km/s，載波頻率fc=2GHz，則多普勒頻移的最大值fD=8kHz。當(dāng)碼速率fs=5Mbits/s時(shí)，由fD引起的相鄰碼元間相位變化為0.576°，幀長(zhǎng)為96bits時(shí)，首尾碼元間相位變化為73.728°。這將使得對(duì)相位調(diào)制系統(tǒng)(PSK、QAM、MSK等)不能直接正確地解調(diào)數(shù)據(jù)。

　　由于數(shù)字基帶信號(hào)波形是矩形脈沖，因而其高頻成分比較豐富，頻域占用的頻帶很寬。這使得當(dāng)信號(hào)通過(guò)帶限信道時(shí)，相鄰符號(hào)的碼元內(nèi)產(chǎn)生碼間干擾，導(dǎo)致接收機(jī)在解調(diào)碼元時(shí)誤碼率增加。因此，基帶成形濾波器在不增加信道帶寬的情況下，可以減小碼間干擾，降低基帶信號(hào)的帶寬，提高頻帶利用率。其中，平方根升余弦濾波器是應(yīng)用較為廣泛的基帶成形濾波器。

　　在高速移動(dòng)條件下，通信系統(tǒng)中位同步器的設(shè)計(jì)將受到多普勒頻移的影響，本文針對(duì)這種情況進(jìn)行研究，對(duì)所提出的算法進(jìn)行了理論研究和理論仿真。

1 多普勒頻移

　　相移鍵控(PSK)調(diào)制方式在高速數(shù)據(jù)通信[2]中應(yīng)用廣泛。這種調(diào)制方式具有頻帶利用率高和實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)系統(tǒng)存在多普勒頻移時(shí)，其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

　　圖1所示的通信系統(tǒng)模型與傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)模型相比，主要區(qū)別是接收端增加了一個(gè)多普勒頻移估計(jì)與校正模塊。其原因是信號(hào)經(jīng)過(guò)信道之后，產(chǎn)生了多普勒頻移。多普勒頻移的直接影響可通過(guò)信號(hào)的星座圖直接展現(xiàn)。圖2給出了加性高斯白噪聲(AWGN)信道下E_b/N₀=10dB的 QPSK信號(hào)星座圖(左)和存在頻偏的QPSK信號(hào)星座圖(右)。

　　由圖2可以看出，多普勒頻移使得QPSK信號(hào)的相位發(fā)生偏移，無(wú)法直接進(jìn)行解調(diào)，需要對(duì)多普勒頻移進(jìn)行估計(jì)與校正。

2 位同步器

　　在實(shí)際的通信系統(tǒng)中，發(fā)射機(jī)的時(shí)鐘速率和接收機(jī)的時(shí)鐘速率可能會(huì)存在一定的偏差，這將導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法采樣到最佳的同步數(shù)據(jù)，從而影響整個(gè)系統(tǒng)的性能。位同步是數(shù)字通信系統(tǒng)接收端的關(guān)鍵技術(shù)，它是正確采樣判決的基礎(chǔ)。實(shí)現(xiàn)位同步的主要方法^[3]有插入導(dǎo)頻法和直接法。插入導(dǎo)頻法是在基帶信號(hào)頻譜的零點(diǎn)處插入所需的位定時(shí)導(dǎo)頻信號(hào)，在接收端使用一個(gè)窄帶濾波器，從接收信號(hào)中提取出位同步時(shí)鐘，將接收信號(hào)通過(guò)移相、倒相和相加電路來(lái)消除導(dǎo)頻信號(hào)對(duì)進(jìn)入取樣判決器的基帶信號(hào)的影響。直接法是直接從接收的數(shù)字信號(hào)中提取位同步信號(hào)，主要有提前-滯后門同步算法和鎖相環(huán)法。

　　平方根升余弦濾波器引入滾降系數(shù)，具有平滑的過(guò)渡帶，消除了理想低通濾波器設(shè)計(jì)上的困難，具有很好的實(shí)用性。圖3給出了理想無(wú)噪聲情況下的基帶碼元、平方根升余弦濾波器成形后的基帶信號(hào)和匹配濾波器之后的基帶信號(hào)時(shí)域波形圖。由圖3可以看出，經(jīng)過(guò)平方根升余弦成形后的信號(hào)波形不再是矩形脈沖，其上升沿和下降沿是緩變的，因而高頻成分比較少，頻域占用的頻帶窄。經(jīng)過(guò)匹配濾波器后的數(shù)據(jù)，找到最佳采樣位置能夠保證接收機(jī)的正確解調(diào)。

3 設(shè)計(jì)與仿真

　　在對(duì)具有多普勒頻移系統(tǒng)中的位同步設(shè)計(jì)時(shí)，需要先去除多普勒頻移的影響。多普勒頻移估計(jì)的方法有盲估計(jì)算法^[4]和采用訓(xùn)練序列估計(jì)算法^[5]。由于采用訓(xùn)練序列估計(jì)多普勒頻移算法精度高，這里采用訓(xùn)練序列算法對(duì)多普勒頻偏估計(jì)，然后對(duì)頻偏進(jìn)行校正。再對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行位同步計(jì)算。具體理論實(shí)現(xiàn)框圖如圖4所示。

　　對(duì)QPSK通信系統(tǒng)^[6]進(jìn)行仿真，多普勒頻移f_D=8kHz，碼速率f_s=5Mbits/s，8倍內(nèi)插，平方根升余弦濾波器 (滾降因子為0.5)，一幀數(shù)據(jù)包含96個(gè)符號(hào)。使用MATLAB軟件對(duì)本文所提算法進(jìn)行仿真，并與不存在多普勒頻移的系統(tǒng)性能仿真曲線進(jìn)行對(duì)比(這里使用軟件進(jìn)行分析，具體硬件實(shí)現(xiàn)暫不討論)。圖5給出了所提系統(tǒng)與基本系統(tǒng)的性能仿真曲線比較圖。

　　由圖5可以看出，所設(shè)計(jì)的位同步器在通信系統(tǒng)中的誤比特曲線與理論曲線相近，并無(wú)明顯的性能損失。

4 結(jié)論

　　通過(guò)對(duì)所提位同步算法的理論分析結(jié)果可知，此算法具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、復(fù)雜度低等特點(diǎn)。多普勒頻移并沒(méi)有對(duì)其產(chǎn)生明顯的性能影響，主要原因是位同步器在尋找最佳位置時(shí)，通過(guò)求模來(lái)找出最大點(diǎn)，從而消除了多普勒頻移的影響。

參考文獻(xiàn)：

　　[1]Andrea Goldsmith. Wireless Communications[M].北京:人民郵電出版社, 2007:25-26.

　　[2]樊昌信,張甫翊,徐炳祥,等.通信原理(第5版)[M].北京:國(guó)防大學(xué)出版社,2006:6.

　　[3]張公禮.全數(shù)字接收機(jī)理論與技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社,2005.

　　[4]Rodger E. Ziemer, Roger L. Peterson. Introduction to Digital Communication[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2005:176-177.

　　[5]代延村,李宇,常樹龍,等.高速移動(dòng)條件下的多普勒估計(jì)與校正[J].現(xiàn)代電子技術(shù):2011,34(20).

　　[6]季仲梅,楊洪生,王大鳴,等.通信中的同步技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2008:2.

本文來(lái)源于中國(guó)科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第5期第57頁(yè)，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。