第11章信号同步原理及实现

第11章信号同步原理及实现何宾2009.09本章概述本章将介绍信号的同步相关的内容，这些内容包括：1）同步问题的产生；2）符号定时恢复；3）载波相位恢复；4）载波频率恢复；5）帧同步的实现；6）下变频技术；7）数字接收实现；信号的同步问题如图11.1所示，一个卫星和地球站之间的无线通信系统，收发机之间的传输延时是未知的。图11.1一个无线通信系统从图中，发现传输延迟影响到符号定时和载波的相位。这就是为什么必须估计符号定时和载波相位的原因。如果能估计出传输延迟则能同步本地载波和符号定时。要求估计和跟踪的原因是，载波的周期远远小于符号的周期。考虑一个例子，载波频率为100KHz，符号率为20K符号/秒。如图11.2所示。载波频率是符号率的50倍。载波升余弦脉冲符号周期图11.2载波和符号的周期信号的同步问题发生在发射机和接收机之间的延迟变化，与符号周期相比是很小的。这个延迟对载波相位误差的影响比符号周期的影响要大得多。因此，估计最优的符号定时和载波相位那是非常有用的。因此存在两种有效的同步类型。信号的同步问题如图11.3，为了优化输出的信噪比，接收机需要使用匹配滤波器；另外，匹配滤波器的输出必须在最大有效点上被采样，以防止码间串扰。图11.3接收机的匹配滤波符号定时及定时恢复--符号定时原理在接收机的匹配滤波器匹配脉冲形状时，脉冲形状（比如升余弦脉冲）通常被使用，这样就可以避免码间干扰。然而，这主要取决于信号是否在正确的采样点被采样。最优的用于采样信号的点，该采样可以消除码间干扰，这些点就称为最大有效点。符号定时的误差将引入一些额外的噪声到输出采样器。不正确的符号定时这样就会导致，即使在通道和热噪声不明显的情况下，也会产生位错误发生。符号定时及定时恢复图11.4给出符号定时恢复的原理。下面给出一些用于符号定时恢复的方法：1.使用收到信号的相关统计特性；2.定时误差检测器(TimingErrorDetect，TED)被用来估计定时误差；3.通过压控时钟(VoltageControlClock，VCC)来调整符号定时；4.环路滤波器(loopfilter)被用来从TED的输出中去除噪声；定时误差检测器环路滤波器图11.4定时符号的恢复符号定时及定时恢复--符号定时恢复如图11.5，使用接收信号统计特性上脉冲整形的效果来估计符号定时误差；使信息信号脉冲整形之前与接收的信号相关来获取脉冲的形状。图中：Rxy为互相关函数。低通滤波器最大有效点提前靠后本地副本延迟图11.5使用相关方法重定时恢复互相关器符号定时及定时恢复--定时误差检测器定时误差检测器执行了两个相关操作，一个为先(early)，另一个为后(late)。理想的同步是先与后相关相互平衡。图11.6给出了这个操作的实现原理。TED的输出可被用来控制符号时钟频率。延迟低通滤波器延迟定时误差检测器前后图11.6定时误差检测器的实现过程符号定时及定时恢复--定时误差检测器图11.7显示了通过检测前和后的采样点的斜率检测定时误差的方法。斜率的符号表明时序调整的方向用于减少时序误差。图11.7斜率检测来修改定时信息符号定时及定时恢复--定时误差检测器但是有很多情况下，不知道发送的序列。那么可以采用这样的方法，即超前采样Δ和滞后采样Δ秒，但是Δ必须小于Ts。图11.8给出了未知符号下的符号定时恢复的方法。匹配滤波器延迟延迟环路滤波器前采样后采样正确采样至采样级图11.8未知符号的定时恢复符号定时及定时恢复--定时误差检测器前/后符号同步器不假定任何发送符号的信息。仅依靠信号统计学特性。数据符号的脉冲整形序列有周期平稳的统计特性。这就意味着信号统计特性在nTs,(n+1)Ts,(n+2)Ts是一样的，然而统计特性在nTs和nTs+不是必须一样的。将Gardner算法看作是对前、后符号同步的一个修改版本，它能用前采样和后采样点工作，而和Ts分离。这样只要求一个符号上采样两次。而前面的标准的前后采样检测器要求每符号至少三个采样点。图11.9给出了Gardner算法的描述。符号定时及定时恢复--定时误差检测器匹配滤波器延迟延迟环路滤波器准时采样图11.9Garfner环路算法符号定时及定时恢复--定时误差检测器与前面相比Mueller检测器只使用按时元件来执行时序恢复，而不是用前采样和后采样技术。采用了一致性技术（假设载波相位是正确的），使用了数据判决来得到时序误差。图11.10给出了Mueller检测器的原理。匹配滤波器环路滤波器延迟延迟至判决级图11.10Mueller检测器的原理符号定时及定时恢复--定时误差检测器在该检测器中，一个符号只采样一次。然而，这个检测器要求载波相位恢复，使得该检测器正常工作，这是由于使用了数据判决来得到时序误差。因此，这个计数值作为一个一致判决定向技术。直接序列扩频系统使用延迟闭环来追踪芯片的时序参数。其原理如图11.11所示。延迟锁相环（delay-lockloop,DLL）能在数字硬件中高效的实现。符号定时及定时恢复--定时误差检测器符号定时及定时恢复--定时误差检测器首先注意到扩展序列有1s和-1s组成，因此不需要在每个符号需要解扩的时候要求明确的乘法运算。每个符号需要解扩的时候只要求加法运算。第二，同样的符号解扩可以用在前、后和准时信号元件中，因此减少了使用的芯片资源。第三，典型的频谱扩展接收机要求大量的符号解扩器来解码多通道或者多匹配滤波器。符号定时及定时恢复--定时误差检测器用户以及在PAKE接收机内解码多个多通道的元件。取决于相对于芯片速率的FPGA的速度，同样的解扩器硬件能用来解码多个通道或者分布式的贯穿多个DLL。匹配滤波器延迟延迟前后准时积分及清零积分及清零积分及清零环路滤波图11.11频谱扩展DLL结构原理符号定时及定时恢复--定时误差检测器数字接收机的定时分辨率受到限制。两种用来调整定时的方法有：1．通过大的因子来过采样，并且选择最好的采样序列；2．通过小的因子（比如2倍的符号率），并且使用内插的技术；这些技术可能产生有限的定式分辨率。如果可能的话，避免使用高的采样率。高的采样率将导致高复杂度的信号处理功能。符号定时及定时恢复--定时分辨率符号定时及定时恢复--定时分辨率图11.12给出了一个BPSK的升余弦的眼图。这个信号是8倍的过采样，图中给出了可利用的采样点。注意到没有任何一个采样点在最大有效点上。因此，一些符号间干扰总是存在的。图11.12给出了一个BPSK的升余弦的眼图。这个信号是8倍的过采样，图中给出了可利用的采样点。注意到没有任何一个采样点在最大有效点上。因此，一些符号间干扰总是存在的。最大有效点可利用的采样点采样图11.12采样定时分辨率符号定时及定时恢复--定时分辨率如图11.13给出的接收到的调制信号。接收信号的强度降低，这是由于本地载波与接收信号相比较的相位误差产生的。因此，信噪比也会降低。低通滤波器本地振荡器接收机接收信号噪声噪声本地载波图11.13载波相位偏移载波相位偏移及控制--载波相位偏移的影响在QAM信号的载波相位误差，当被用来在同相和正交部分时会带来更坏的结果。在QAM接收机内的同相合正交部分用来解调信号。如果本地载波完美的和接收到的信号同步则同相载波与接收信号证件部分应该正交。对于本地产生的正交载波也是同样的。如图11.14，当出现载波相位误差时，这种正交性就被破坏，同相和正交部分会互相干扰，进而进一步的降低了系统的性能。如果从星座图分析，载波相位的偏移将导致IQ平面上的点的旋转。载波相位偏移及控制--载波相位偏移的影响低通滤波器低通滤波器同相载波正交载波期望部分串扰部分图11.14载波相位偏移产生的影响载波相位偏移及控制--载波相位偏移的影响相位调制系统使用锁相环(Phase-LockedLoops,PLL)来跟踪载波相位。在这样的系统中，PLL实际上执行解调操作。图11.15给出了PLL用于解调系统的原理图。图11.15PLL用于信号解调系统环路滤波器压控振荡器载波相位偏移及控制--相位锁相环PLL的工作是基于这样一个事实，即和正交，这个关系可以表示为：(11.1)如果两个信号不是严格的90o的关系，则正交关系被破坏。因此可以用这个特性来设计这样一个单元，即用于估计两个载波信号的相位误差。如图11.16所示，注意本地振荡器的因子2引入用来简化运算。0)](cos[)](sin[dttt载波相位偏移及控制--相位锁相环载波相位偏移及控制--相位锁相环振荡器相位检测器图11.16PLL检测信号的原理Costas环可被用来跟踪抑制载波幅度调制信号。其结构如图11.17所示。Costas环基于和正交这样一个关系。一个信号包含了同相的元素。接收信号可以用下式表示：(11.2)式中：I(t)=A(t)，Q(t)=0。实际应用中，VCO并不与载波同步。因此costas环的两臂接收到的信号为：(11.3)(11.4))](sin[t)](cos[t]2cos[)(tftAc)2sin()()2cos()()(tftQtftItrcc)cos()()(^^tAtI)sin()()(^^tAtQ载波相位偏移及控制--Costas环图11.17Costas环补偿载波相位误差匹配滤波环路滤波器匹配滤波器载波相位偏移及控制--Costas环costas环的环路滤波器的输入为：(11.5)通过环路滤波器后去除噪声部分，所以：(11.6)可以简化匹配滤波器的输出，使用类似的方法来估计出相位误差的等式。))(2sin()(21)sin()cos()()(^2^^2tAtAte))(2sin()(21)(^2tAte载波相位偏移及控制--Costas环平方环是一个载波恢复中可选择的方法，该方法用于恢复抑制载波的调幅信号。将信号乘方将产生一个两倍于载波频率的部件单元。该平方环能跟踪和估计载波的相位。其结构如图11.18所示。假设接收信号表示为：（11.7）则该信号的乘方表示为：（11.8）从式中可以看出，平方后产生了2倍于载波的频率分量。在一个平方环中，一个平方律单元用于将接收到的信号乘方。被标准的PLL电路跟踪。这样就能得到真实的载波信号的频率。]2cos[)()(tftAtrc]24cos[1[2)()(22tftAtrc载波相位偏移及控制--平方环带通滤波器中心频率fc环路滤波器PLL图11.18平方环用于载波相位检测载波相位偏移及控制--平方环从较大的频率偏移中恢复信号需要使用频率锁定环，如图11.19，使用边带滤波器来确定信号是否在频率的中心。然后，比较-ve和+ve边带滤波器输出的信号的功率。图11.20(a）表示信号的频率向右偏移，11.20(b)表示信号的频率向左偏移。载波相位偏移及控制--频率锁定环载波相位偏移及控制--频率锁定环-ve边带滤波器+ve边带滤波器基带信号图11.19边带滤波器检测载波频率(a)信号的频率向右偏移(b)信号的频率向左偏移图11.20表示信号的频率偏移图11.21给出了频率锁定环的工作原理。通过测量+ve和-ve边带的功率，这种功率上的差异反映了频率的偏移。误差的符号指出了调整频率的方法。+ve边带滤波器-ve边带滤波器测量功率测量功率环路滤波器图11.21频率锁定环的工作原理载波相位偏移及控制--频率锁定环环路滤波器用于载波相位和符号定时的恢复，环路滤波器决定了环路的阶数。如图11.22，环路滤波器的G2=0,G1为非0的数。对于二阶环路，G2也为非0的数。累加器/积分器图11.22环路滤波器载波相位偏移及控制--环路滤波器二阶的环路滤波器经常使用在跟踪设备中。一个二阶的载波相位跟踪环能跟踪相位的恒定变化（比如频率的漂移），而不产生误差。在实际中，由于发射机和接收级的时钟的不精确使得总是存在一些频率偏移。比如，多普勒频移就产生在一个坐在开车内的手机用户的应用中。载波相位偏移及控制--环路滤波器另一种可能是使用单极点滤波器，叫做泄漏积分器。系数ß在0和1之间，否则滤波