數(shù)字接收機中位同步器的研制　

摘要：位同步器在通信系統(tǒng)中有重要的作用，直接影響接收機的性能?；鶐?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/成形濾波器">成形濾波器對信號頻譜進行壓縮時，利用個位同步器消除碼間干擾和提高系統(tǒng)頻帶利用率。本文為升余弦成形濾波器的數(shù)字接收機設計出一種簡單可行的位同步器，并通過仿真驗證了其簡單性和可行性。

　　在數(shù)字通信中，基帶數(shù)字信號波形是矩形脈沖，其上升沿和下降沿是突變的，因而高頻成分豐富，頻域占用的頻帶很寬。信號通過帶限信道時，致相鄰碼元產(chǎn)生碼間干擾，增大接收機發(fā)生錯誤的概率。基帶成形濾波器可以在不增加信道帶寬的情況下，減小碼間干擾，降低基帶信號的帶寬，提高頻帶利用率。位同步器的作用在于確定提取各個碼元定時脈沖的適宜時刻，可能是碼元結束時刻、碼元中間時刻或者其他時刻。平方根升余弦濾波器是應用較為廣泛的成形濾波器。

　　位同步指的是從收訊機基帶信號中提取碼元定時信號的全過程。位同步^[1]是正確采樣的基礎，在數(shù)字接收機中的地位極其重要。實現(xiàn)位同步信息的方法通常有插入導頻法和直接法兩大類^[2]。目前，直接法的應用范圍較廣。直接法是從接收的數(shù)字波形中提取它所攜帶的同步信息。在數(shù)字接收機中，主要采用直接法進行位同步的方法有：M&M算法、Gardner算法、平方率算法等。在傳統(tǒng)的數(shù)字通信系統(tǒng)中，接收機的時鐘同步和最佳判決取樣時刻是通過模擬鎖相環(huán)調整得到的。全數(shù)字接收機一般不能通過直接采樣得到位同步的最佳時刻，必須利用位定時誤差估計值控制內(nèi)插濾波器對采樣信號樣本值進行插值運算，得到信號在最佳時刻的近似值。

　　本文所提的位同步算法是基于最大似然算法對于采用平方根升余弦濾波器作為成形濾波器系統(tǒng)，在接收端進行匹配濾波后，提取位時鐘。

1 成形濾波器

1.1 成形濾波器原理

　　最初的成形濾波器設計是在頻域上進行的，其過程是尋找一個普通濾波器來近似所要求形成的最終頻譜的形狀，然后用幅度均衡和群延時網(wǎng)絡來校正。數(shù)字信號處理技術和超大規(guī)模集成電路技術的發(fā)展，利用數(shù)字濾波來實現(xiàn)頻譜形成濾波的趨勢越來越明顯。尤其是對升余弦滾降濾波器的設計和研究更為全面。

　　升余弦濾波器具有如下優(yōu)點^[3]：

　　(1)滿足Nyquist 第1準則;

　　(2)消除理想低通濾波器設計上的困難，有一平滑的過渡帶;

　　(3)引入滾降系數(shù)改變傳輸信號的成形波形，減小抽樣定時脈沖誤差所帶來的碼間干擾。

　　由通信原理可知，信道傳遞函數(shù)C(f)、成形濾波器傳遞函數(shù)H_T(f)和接收濾波器傳遞函數(shù)H_R(f)應滿足：

(1)

　　其中，在分段疊加后為理想低通函數(shù)。當信道為理想信道(即)時，

(2)

　　取H(f)為滾降的升余弦函數(shù)，其表達式如下：

(3)

　　其中，為滾降因子，T為符號周期。當時，H(f)是一個帶寬為1/(2T)的理想低通濾波器。根據(jù)可得：

(4)

　　則平方根升余弦濾波器的時域表達式為：

(5)

1.2 基帶成形濾波器的實現(xiàn)

　　隨著數(shù)字信號處理硬件技術和超大規(guī)模集成電路技術的發(fā)展，利用數(shù)字式處理來實現(xiàn)頻譜波形成形濾波器的情況越來越廣泛。數(shù)字濾波具有精度高、可靠性高、靈活性強、便于大規(guī)模集成、高性能指標等優(yōu)點，可實現(xiàn)有限沖激響應濾波器或無限沖激響應濾波器。由于數(shù)字技術的發(fā)展，基帶信號的頻譜成形可通過數(shù)字方法實現(xiàn)。常用方法有查表法和濾波法。在用FPGA實現(xiàn)時，查表法不但節(jié)省硬件資源，而且能提高系統(tǒng)實現(xiàn)的最高頻率，以節(jié)省乘法器。對于時域函數(shù)，理論上是連續(xù)的，但在實際中，只要取有限樣點即可。成形濾波器的采樣速率一般要求比輸入的基帶信號速率要高(通常是其4～8倍)。因此，要先于脈沖成形的整數(shù)倍插值，以便信號卷積。

　　圖1給出了，平方根升余弦濾波器的沖激響應。由圖1可以看出，其波形沒有陡峭的變化，因而，其高頻分量比矩形波形明顯減少。圖2給出了基帶數(shù)字信號、脈沖成形后的數(shù)字信號和接收匹配濾波器之后的時域波形圖。這里成形濾波器采樣速率是基帶信號速率的8倍。

2 位同步器

2.1 位同步原理

　　在實際的通信系統(tǒng)中，發(fā)射機的時鐘速率和接收機的時鐘速率不一定完全相同，可能會存在一定的偏差。因此，需要最大可能地降低或消除這種偏差帶來的影響。實現(xiàn)位同步的主要方法有插入導頻法和直接法。插入導頻法是在基帶信號頻譜的零點處插入所需的位定時導頻信號，在接收端使用一個窄帶濾波器，從接收信號中提取出位同步時鐘，將接收信號通過移相、倒相和相加電路來消除導頻信號對進入取樣判決器的基帶信號的影響。直接法是直接從接收的數(shù)字信號中提取位同步信號，主要提前-滯后門同步算法和鎖相環(huán)法。提前-滯后門是利用波形信號的對稱性，根據(jù)接收信號經(jīng)過匹配濾波器或相關器的輸出值是采樣值的相對大小來判斷是否同步和調整方向。鎖相環(huán)法是采用時鐘誤差信號控制壓控振蕩器，實現(xiàn)時鐘相位誤差調整，直接采樣就可以獲得接收信號的近似最佳采樣點。在數(shù)字接收機中，由于采用固定頻率的時鐘進行采樣，所以當抽樣時鐘與數(shù)據(jù)碼元不同步時，可以通過在非同步的抽樣數(shù)據(jù)之間進行內(nèi)插，以得到同步的信號值點。

本文來源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第8期第46頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。