（微电子学与固体电子学专业论文）qam解调芯片中载波恢复的设计与实现.pdf

东南大学2 0 0 3 级硕士学位论文 摘要 在数字通信中，发送信号的传播延时等因素不可避免的导致载波偏移，在相干检测情况下，为 了在接收端准确地恢复出原始发送信号，载波恢复就成为数字接收机中必不可少的组成部分本文 所研究的正是符合d v b - c 标准的数字有线电视接收机q a m 解调芯片中载波恢复的v l s i 实现。 本文介绍了d v b c 系统的结构和性能，研究了q a m 调制解调的基本原理及其系统结构。在载 波恢复原理的基础上重点讨论了q a m 解调中载波恢复的原理和算法，分析了平方环与四次方环、 科斯塔斯环、减星座、极性判决等方法的结构和性能，并比较了各种算法的优缺点。根据d v b c 系统对q a m 解调芯片中的要求，最终确定了以扫频，极性判决和直接判决相结合的载波恢复实现 方案论文重点设计了载波恢复模块的总体架构及其各功能模块在算法到电路的实现中，通过算 法优化、逻辑化简、时分复用等方法，实现了性能、面积和功耗韵折衷优化 整个载波恢复模块采用v e f i l o g 语言进行描述，经m o d e l s i m 软件仿真，用d e s i g nc o m p i l e r 2 0 0 4 0 6 进行逻辑综合，逻辑仿真和f p g a 验证表明，载波恢复模块在0 8 7 1 1 8 7 m 符号率情况下。 能实现对1 6 3 2 6 4 1 1 2 8 2 5 6 q a m 信号的载波恢复，完全符合d v b - c 标准，满足q a m 解调芯片的要 求。 关键词：载波恢复。数字电视，d v b - c ，v l s i 实现 东南大学2 0 0 3 级硕士学位论文 a b s t r a c t d 远i t a lh d t v ( d i g i t a lh i g hd e f i n i t i o nt e l e v i s i o n ) t e c h n o l o g yi n t e g r a t e st h ei m a g e c o m p r e s s e de n c o d i n gt e c h n o l o g ya n dt h ed i g i t a lc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y i th a sb e c o m e o n eo ft h ef o c u s e si nt h eh i g h - t e c hc o m p e t i t i o n s d v bi st h ed i g i t a lh d t vs t a n d a r dt h a t d e v e l o p e db ym o r et h a n1 7 0o r g a n i z a t i o n si ne u r o p e i tm a i n l yc o m p r i s e ss a t e l l i t e ( d v b s ) ， t e r r e s t r i a l ( d v b - t ) a n dc a b l e ( d v b - c 1d i g i t a lt e l e v i s i o ns y s t e m s t h i sp a p e rf o c u s e so na l g o r i t h m so f c a r r i e rr e c o v e r yu s e di nd v b cc h a n n e lr e c e i v e r s y s t e ma n di t ss t r u c t u r e & v l s i ( v e r yl a r g es c a l ei n t e g r a t i o n ) i m p l e m e n t a t i o n t h ef i r s tc h a p t e ri n t r o d u c e sd i g i t a lh d t va n di t sd e v e l o p m e n t ，t h e nf o c u so nt h ed v b s y s t e m , e s p e c i a l l yd v b cs y s t e m t h es e c o n dc h a p t e rm a k e sa ni n t r o d u c t i o no fd v b cs y s t e ma n dt h ef u n d a m e n t a lt h e o r y o f q a mm o d u l a t i o n d e m o d u l a t i o n , a l s ob r i e f l yd e s c r i b e st h eb a s i cp r i n c i p l eo f p u l t h et h i r dc h a p t e rd i s c u s s e ss o m eb r i e f k i n d so f a l g o r i t h m so f c a r r i e rr e c o v e r y a f t e r a n a l y z i n gt h e i rc h a r a c t e r i s t i c sa n dd i f f e r e n c e s i tb r i n g sf o r w a r dt h ea l g o r i t h m s t r u c t u r e a p p l i c a b l ef o rd v b cs y s t e m , f o l l o w e db yp e r f o r m a n c e c u r v e t h ef o u r t hc h a p t e rg i v e st h et o t a la r c h i t e c t u r eo f c a r r i e rr e c o v e r ya n dt h ei m p l e m e n t a t i o n o f e a c hs u bm o d u l e t h r o u g ht h ew h o l ep r o c e s so f v e r i l o gc o d i n g ，r t ls i m u l a t i o n ，s y n t h e s i sa n d v e r i f i c a t i o n ，t h ep r o p o s e dc a r r i e rr e c o v e r ym o d u l eh a sb e e ni m p l e m e n t e dw i t ht h ec h a r t e r e d 0 2 5 岬c m o ss t a n d a r dc e l lt e c h n o l o g y k e y w o r d s ：c a r r i e rr e c o v e r y , d i g i t a lt e l e v i s i o n , d v b c ，v l s ii m p l e m e n t a t i o n 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 研究生签名： 哗期：碑掣谚 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：师签名：呈塑日期：女i ：! ：! ! 东南大学2 0 0 3 级颈士学位论文 1 1 数字电视概述 第一章绪论 所谓数字电视。就是将传统的模拟电视信号经过处理转换成用二进制数表示的数字信号，电视 节目录制、播出到发射、接收全部采用数字编码与数字传输技术的新一代电视。采用数字技术不仅 能够获得比原有模拟技术更高的技术性能，还可以实现模拟技术不能实现的新功能。 首先，数字电视将大大提高现有电视节目的音像质量。模拟信号的传输会受到各种因素的干扰， 数字电视采用数字传输和误码保护技术，在加工制作、复制、存储和传输交换过程中受到影响小， 接收端的信号质量可与发送端的原始信号质量相比拟，有线电视数字用户可以收看到清晰度达到 d v d 质量的电视节目。 其次，在有限的频道资源里传输的节目大大增多，解决了频道资源紧张的问题。利用数字信号 的可复用特性，数字电视采用先进的图缘压缩编码技术，在原先只能传输一路模拟电视节目的带宽 内可以传输6 套d v d 质量的电视节目，这样一来频道利用率大大提高，无形中增加了有线网络的 频道资源，就有了更多的频道选择余地，还可以大力发展专业频道，比如旅游，保健、体育、教育、 时装等等数量上大大增加。内容划分得更加细致，自然可以更好地满足不同层次观众的不同需求 再次，方便开展各种综合业务和交互式业务。电视系统全面数字化加强了广播电视、通信与计 算机业务的一体化，原本是完全不同媒体的广播、电视、通信和计算机在全部数字化后，图像、声 音、图文、数据等都以数字方式按一定规则被复用成同一数据流进行传送，为视频点播、高速上网， 电视购物、电子游戏等各种综合业务和交互式业务的开展打下了坚实的基础。 最后，数字电视容易加密和加扰，对有线电视管理将更加科学有效。由于数字信号的易操作性， 在前端对信号加密和加扰都比较容易实现。 8 0 年代末，我国就已开展了对数字电视的跟踪研究。国家。八五”，“九五”有关h d t v 技术科 技攻关项目都取得了重大成果。1 9 9 9 年又进一步研制开发了不同制式的高清晰度电视的试验播出系 统，在国庆5 0 周年的庆典中，成功进行了高清晰度电视的转播试验。上述工作对推动我国数字电视 技术的研究应用和数字电视标准制定，促进我国广播电视事业和信息产业的发展打下了良好基础。 我国广播电视技术向数字化过渡己经取得了重大进展，随着全国卫星数字电视系统的建立，全国有 线电视干线网和各省有线电视嘲的建设，已基本实现了以卫星，光纤为主。微波为辅的数字化传输 系统。 1 2 d v b 系统简介 d v b ( d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g ) 即数字视频广播，是欧洲1 7 0 多个组织共同开发出的数字高清 晰度电视标准，它主要由卫星广播( d v b s ) 、地面广播( d v b - t ) 和有线电视( d v b - c ) = 部分组成。国 家广电总局广科院于1 9 9 9 9 4 月1 3 日作为协作会员加入了d v b 组织 现有模拟电视技术困标准不同而形成分割的局面，影响了广播电视技术的国际交流、合作与发 展，因此d v b 项目的主要目标就是要找到一种对所有媒体都实用的数字电视技术和系统，对该系统 它的要求主要有：能灵活传送m p e g 一2 视频，音频和其他数据信号、使用统一的m p f _ g - 2 传送比特流 复用、采用统一的服务信息系统提供广播节目的细节等信息、使用统一的r e c d s 。i o f n 码( r s 码) 前向纠错( f e c ) 系统、使用统一的加扰系统，但可有不同的加密、选择适于传输媒体的调制方式以及 任何必须的附加纠错方法、鼓励欧洲以外地区使用d v b 标准，推动建立世界范围的数字视频广播标 东南大学2 0 0 3 级硕士学位论文 准、支持数字系统中的图文电视系统。 d v b 系统的主要标准有三个：d v b s ，d v b 和d v b t 。其中d v b s 卫星系统，d v b - c 用于 有线电视系统，而d v b t 用于地面数字电视系统。 d v b 标准提供了一套完整的，适用于不同媒介的数字电视广播系统规范。该标准以i s o i e c m p e g 一2 标准作为音频及视频的编码压缩方式，随后对m p e g 一2 码流进行打包形成传输流( t s ) ，进 行多个传输流复用，最后通过卫星、有线电视及开路电视等不同媒介传输方式进行传输。 1 3 课题研究背景及论文结构 我国拥有世界最多的人口，也是世界上有线电视发展最广泛的国家，在我国的城市现已基本普 及有线电视，对电视业务有庞大的需求，因此数字电视拥有极大的市场潜力在我国，开展数字有 线电视业务，并利用数字有线电视技术开发多功能业务，可以实现模拟电视向数字电视的平滑过渡。 凭借有线电视的宽带、低误码和双向传输功能，在开通数字电视的同时，可以开展各种数据、互联 网和多媒体业务，将可能成为我国未来全国性数据广播平台的主干传输网络据有关部门和专家预 测，我国将在2 0 1 0 年全面采用数字广播电视，2 0 1 5 年停止模拟广播电视的播出。因此，我们开始设 计全数字q a m 解调芯片。以应用于有线数字电视的接收，同时这款芯片也不仅局限于此，它具有很 好的可配置性，同样可应用于其他方面的q a m 解调。 本文作者参与了该款芯片的总体结构设计、相关模块划分及相关算法的研究，并在其中负责载 波恢复模块的系统建模仿真，相关模块算法、电路架构优化，v e r i l o g 编码、仿真、验证，综合、f p 6 a 验证、后仿真等。芯片目前已设计完成并两次流片 本文重点研究了删解调中载波恢复的原理和算法，设计了合理的系统架构，并给出了具体的 v l s i 实现。 本章首先简要介绍了数字电视及其发展，然后介绍了d v b 系统。第= 章简要介绍了d v b - c 系统、 q a m 调制解调和锁相环原理，为后续章节提供理论基础。第三章分析了各种载波同步算法及其优缺 点，然后给出q a m 解调芯片中载波恢复的实现方案，并给出仿真性能曲线。第四章给出载波恢复模 块的总体结构及各子模块的具体芯片实现。 2 东南大学2 0 0 3 级硕士学位论文 2 1d v b - c 系统 第二章q a m 接收机原理 d v b - c 是d v b 系统的一个子集，用于有线电视系统。图2 1 为d v b c 系统框图 o a 数妊i 。 m p e g 8黟械 8 r s 囊；j h8 弘节到 mm发送 m 1 ；珂 自，翱输 2 教搦 f r l 翱载 f 鹤 f 童纵 fm 伯待f戆分产坫带 盘1 时锋l漉的产 鼬橇 ( 2 鹏 i = 1 2 镛 i 1 7 袋化 1 8 8 ) j 1 7q 映射 滤波射绚 扳 j i i i l i 一一一r = 爿唰喇班l 广1 黟m p - 孵频接 弘醚滤 们 mm 付补 rh r q 解 h极忭h g j 毅癸 - - - + u 波器 f蓐分fq 刘4 ，f 空织 f 鹏 f 船# 颠输入q a m解码 净1 2 f 2 0 1 节 2 数 时铡 解调 均惫袖映射1 = 1 7 t 8 8 隧 掘流 j i ：补钾弼 ) l 经 i l l 一一+簸故时钟酬班l 图2 1d v b - c 系统框图 i e g - 2 数据和时钟先经过基带物理接口进入电缆前端，接着将肝b g 一2 帧第一字节取反并随机 化，目的在于实现同步和便于在接收端恢复载波。降低误码率是通过r s 前向纠错编码来实现的，在 1 8 8 字节为一帧的g p e g , - 2 数据包中加入1 6 字节的纠错码再进行深度为1 2 字节的卷积交织，采用这 一措施后可以将误码率从1 0 1 降低到1 0 - 1 。- 1 0 _ 1 1 。在进行0 a m 调制前还要将字节映射为符号、进行 差分编码、基带波形形成，最后经过0 a m 调制器和射频物理接口把载波信号发送到电缆上下面是 各部分的详细说明。 ( 1 ) 基带接口和同步：该单元将数据调整为信号传送帧，帧结构与带同步字节的m p e g - 2 帧一致 ( 2 ) 同步1 倒相和随机化：根据g p e g - 2 帧结构，将同步1 字节倒置。另外为了得到一个便于在有 线电缆信道上传输的信号频谱和在接收端恢复出的信号时钟，另外还要对数据流进行随机化 东南大学2 0 0 3 级硕士学位论文 图2 2 是m p e c , - 2 帧结构及随机化后的结构图。 i 同步 1 8 7 字节 il 字节 a ) m p e c , - 2 传输复用数据包帧结构 ，y，、， 同步l r 同步2 乙 n l 鬻ll 嚣l n 倒置倒詈 ( b )随机化后的肝e g 一2 数据流 图2 2b f l ，e g - - 2 帧结构示意图 伪随机二进制序列发生器采用的多项式为： l + 一4 + 一5( 2 1 ) 随机化过程如图2 3 所示，例如一序列1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 进入伪随机二进制序列寄存器前八 个传输数据包将被随机化。在这一组八个数据包中，第一个数据包的m p e c , - 2 同步字节由4 7 一被倒 置为b s m 这样做的目的在于为在接收端处进行恢复出原始数据时提供原始信号。 原始序列l o010 i oio0 o0 o0o 使 图2 3 随机化过程概图 从伪随机二进制序列寄存器输出的第一位将紧随m p e g - 2 数据包的倒置同步字节 例如b 8 。) 之后其他七个m p e g - 2 传输数据包不进行随机化，但为了达到同步的目的，为随机二进制序列寄存 器仍在工作，只是输出无效而已需要说明的是当传送数据不符合q 删调制及肝e g _ 2 传输格式时也 要进行随机化。 ( 3 ) 里德所罗门编码( r s ) ：完成随机化后将对数据流进行r s 纠错编码，采用这一编码后可以 大大降低误码率，但也增加了无用字节从而降低了有效传输速率。r s 编码发生多项式为； 譬( 工) = ( 工+ a 。) ( 工+ 名1 ) ( j + 名2 ) ( 工+ z ”) 4 ( 2 2 ) 东南大学2 0 0 3 级硕士学位论文 其中2 = 0 2 h e x 编码后卯e g - 2 帧由原来的1 8 8 字节增加到2 0 4 字节，帧结构如图2 4 所示； 2 0 4 字节 同步1 或 节7 r 9 节 2 0 8 ) s l 8 8 8 ，同步n ( a ) r s 编码保护数据包 ， 一 同步l 或同步1 或同步1 或 同步n 2 0 3 字节2 0 3 字节 同步n ， 同步n ( b ) r s 编码后的m p e g 2 数据流 图2 ar s 编码 ( 4 ) 卷积交织：完成纠错编码后，就要进行如图2 5 所示的深度为i = 1 2 的卷积交织卷积交织过 程是以f o r n e y 近似( f o r n e y 近似与r a r e a e ym 兼容) 为基础。交织器由十二个分支组成，每一 个分支都是一个先进先出寄存器并靠转换开关循环的与输入字节流相连。同样为了达到同步的 目的，同步字节总是进入0 分支图中的m = n i = 1 7 , n = 2 0 4 是错误保护帧长度，i - - 1 2 是交织深 度。 ( 5 ) 字节到符号的转换：根据m 进制q a m 的要求，需在调制解调之前将二进制基带信号转换为 i l i 重符号设将字节v 映射为符号z ，符号的最高位来自于字节的最高位，相应的下一位符 号的有效为来自于字节的下一位有效位。对于2 = - q a m 调制来讲，把k 字节映射为n 个符号 的按下面式子计算： 8 k - - n m( 2 3 ) 国 卵“互卜一 。_ 1 雨 hi 臣m 图2 5 交织和解交织原理图 5 东南大学2 0 0 3 级硕士学位论文 用比较典型的6 4 - q 删为例说明，很明显6 4 = 有_ = 6 ，所以按上式算得三组共鹪个字节被映 射为四个符号，每一符号6 位( 这里n = 4 。k = 3 ) 示意图如图2 6 ： 从交织来 的字节 从差分编码 来的字节 b 7b 6b 5b 4b 3b 2 i b l b 7b 6b 5b 4 l b 3b 2b lb ob 7 ib 5b 4b 3b 2b lb o jii b 5mb 3b 2b lb 0b 5b 4b 3b 2b 1 b 5b 4b 3b 2b 1b 0b 5b 4b 3b 2b t lll i 【，i ，n n 。ni t 图2 6 字节到符号的映射示意图 ( 6 ) 差分编码和调制：系统采用的调制是q a m ，它是一种对载波振幅和相位联合调制的一种方 式为了避免q a m 信号经信道传输而引起的接收端相位模糊问题，必须在q a m 调制之前 对映射后的符号进行差分编码。如图2 7 所示，每一个符号的最高两位有效位氐、氏进入差 分编码器中进行编码，编码采用的布尔表达式为： i t = ( ao 最) ( o 以。) + ( ao b ) ( e q , 一) 制器。 q = ( a o b ) ( 最o q 。) + ( a o 玩) ( b o ，i 一) ( 2 4 ) 式中：其它位不变直接与编码后的k 、q 一起经串，并变换分成i 、q 两支路基带信号，送往调 来自 q 比特 ( b q 1 b 0 ) 朗 积交织器 字节到符号串，并变换 的变换 的映射 刍砘 = m s b q = 2f o r1 6 q a m ，q = 3f o r3 2 q a m ，q = 4f o r 6 4 q a m 图2 7 差分编码框图 前面已提过q a m 是一种联合振幅、相位调制方式，其振幅和相位都能携带信息因而具有很高 的频带利用率。由于已调信号的振幅、相位均有不同的取值，故其星座图的结构形状可以有许多种， 如圆形、三角形、矩形、六角形等在一个二维信号空问中，信号子集的最佳形状是圆形。在这里， 。最佳”是指对于给定的差错概率具有最小的平均( 或峰值) 功率对于具有相同的m 进制q 心信 号来说，由于星座图不同各点之间最小距离也不同，因而相应的调制方式会有不同的误码性能。 6 东南大学2 0 0 3 级硕士学位论文 十字形边界是最佳圆形的折衷，可以获得仅略低于圆形的性能。 d v b - c 标准规定数字有线电视系统中采用1 6 3 2 6 4 1 2 8 2 5 6 q a m 的调制方式，其中常用的有 1 6 3 2 6 4 1 2 8 0 a m ，d v b - c 标准给出了所采用的1 6 2 5 6 0 q a m 信号星座图，在图2 8 中1 6 6 4 2 5 6 q a m 呈正方形，而3 2 1 2 8 0 删呈十字形。 从图2 8 可以看出每一个象限的信号向量都可靠改变其其他象限最高两位有效位，并旋转整数 倍万2 角度来获得。例如1 6 q 删星座图中，信号向量0 0 1 0 最高两位有效位o o 改为l o 并旋转石2 就得到了1 0 1 0 信号向量，如果改为1 l 并旋转万就得到1 1 1 0 信号向量，同样可以得到0 1 1 0 这是 采用差分编码的结果。表2 1 给出了星座图旋转说明。 表2 1 星座图旋转说明 象限最高有效位其他有效位旋转 l0 0 21 0+ 托| 2 3l l毳 40 1 3 石，2 在接收端首先是o a m 解调，此处关键在于对载波的准确恢复( 在2 2 节将具体描述) ，接下来 由于信道畸变和噪声会引起较高的误码率，必须在对信号判决前用匹配滤波器和均衡对i 、q 两路基 带信号进行波形失真的恢复，当然符号同步也必不可少。经过均衡器对受损信号的均衡，然后经判 决器、卜2 ( l = 4 ，1 6 q a m ) 电平转换后，最后由并串转换得到原始数据。解调完成后，还要进行差分 解码、符号到字节的映射、解卷积交织、r s 解码、同步第一字节再倒置、解扰。才能从基带物理接 口得到数据和时钟。 q ，o 。i o l n = 0 0 1 0 1 il l 0 0 1 0 0 0 i i oooo 1 笤訾写苗1 1 拶艿。笞0 0 1 1 0 i 笞8 0留省1 见= l i幺t 0 i 7 口 啪1 学11 0 0 0 “ 0 0 | 1 0 0 0 0 1 0 0 0 g ：o o 0 0 1 0 00 0 1 0 1 1 1 1 000 o oo 弩弩秽智弩1 弩1 1 艿“艿1 秽o 矽o p 瞄”i 1 卷“省1 妒o 艿1 訾1 0 酽 h 1 - 妒1 8 1 。0 1 8 1 掣1 l g 堋 东南大学2 0 0 3 级硕士学位论文 口 m 。1 妒帮i 嚣”訾 oo o - 6 。- 1 p 翟1 嚣“| 笤。曙。留“鼍”鼍” 胃1 f 1 胃“铲訾鼍“鼍“鼍” 訾t 严1 严守胃訾警訾 1 铲1 喾：0 1 1 矿矿弩。扩省”o r l 1 甲嚣“1 孑”铲“孑“芎“。矿訾 1 妒1 护矿”护翟”鼍”。矿 吐- “护妒1 妒妒“妒饵b ”鼍”。管o q 儡1 01 帮秽0 ；1 1 分协。 1 铲訾1 訾1 酽 1 霉苫1 訾11 3 严1 妒t 8 0 1 笞学“2 i 1j ；j o1 f 拶1 曙。管薯“笞o 。铲笞1 o 酽笞1 叭0 1 笞。o 妒笤1 。 儡一l ia i i v i 苫穹苫i 守：苫爷譬r 訾笤1 訾才i 訾絮冒 笞嚣弩矿：芎妒冒守墉 ? 矿f 拶守i ”j r 胃冒彳 芎零笞葶：若f 管扩 苫薯。可f 1 1 譬笞鼍守 苫掣智訾i 譬智苫亨 芎芎弩铲：。守芎苫守。 图2 81 6 1 3 2 1 6 4 1 1 2 8 1 2 5 6 q a m 星座图 2 2 q a m 调制解调原理 数字调制是将数字信号转换成适合信道特性的波形的过程。基带调制中这些波形通常具 有整形脉冲的形式，而在带通调制中则利用整形脉冲去调制正弦信号，此正弦信号称为载波 波形( c a n i 日w a v e ) ，或简称为载波( c a r r i e r ) 。将载波转换成电磁场传播到指定的地点就可 以实现无线传输。“1 基带调制又称为脉冲调制，其作用是将处于二进制1 和0 逻辑状态的数字消息变换到可 以通过电缆或其他信道传输的基带( 脉冲) 波形。带通调制则是将基带波形调制到较高的载 波频率上，通过带通调制，我们就可以在一条信道上传输多路信号( 将基带信号调制到不同 的频率上) ，也可以在无线传输时使用较小的天线( 天线长度一般跟发送信号波长成正比) 。 还可以减小干扰( 比如扩展频谱调制) 以及将信号置于设计滤波器或放大器时需要的频段上 受调载波的波形从原理上讲可以是任意波形，只要已调信号适于媒质传输，并且各路信 号能够相互区分即可但实际上，大多数数字通信系统中都采用正弦信号作为载波，这是因 8 东南大学2 0 0 3 级硕士学位论文 为正弦信号形式简单，便于产生和接收。 对于数字调制，一个周期为t 的正弦波形代表了一个码元一个正弦信号可以有三个 特征区别于其他正弦信号：幅度、频率和相位。因此，带通调制可以对射频载波的幅度、频 率和相位或者三者的某种联合进行调制，传输的载波中三个参量随着信号的变化而变化载 波的一般表达式为： s ( r ) = a ( t ) c o s o ( t ) 其中a ( o 是随时间变化的幅度，0 ( o 是随时问变化的角度，也可表示为 口o ) = c ( f ) + _ 附) 于是， s ( t ) = a ( t ) c o s c 0 0 ( t ) + 烈f ) 】 ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 其中，蛳是载波的角频率，巾( t ) 是相位 数字解调是数字调制的反过程，即是将适合信道特性的波形转换到数字符号的过程本 文所研究的正交幅度调制( q u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n , q a m ) 解调属于带通数字调制 解调范畴。 带通调制解调可分为相干调制解调和非相干调制解调。如果接收机需要利用载波相位来 检测信号，则称为相干调制解调。在理想的相干检测中，每种可能的发射信号的模型对接收 端来说都是己知的。用这些己知的模型波形去等效接收信号。使接收信号在各方面包括相位 上都等于模型波形，然后接收端采用锁相技术跟踪到达的信号，解调时，接收端将接收到的 信号与各原型信号相乘，进行相干解调。非相干解调是指在解调中不使用接收信号的相位信， 这样就不需要对相位进行估计。其好处是降低了系统复杂性，而付出的代价是误码率的增加。 相干调制解调包括相移键控( p h a s es h i f tk e y i n g , p s k ) 、频移键控( f r e q u e n c ys h i f tl ( e y i n g f s k ) 、幅移键控( a m p l i t u d es h i f t k e y i n g ，a s k ) 、连续相位调制( c o n t i n u o u s p h a s e m o d u l a t i o n , c p m ) 和混合调制 数字调制还可以根据信号的频谱结构分为线性调制和非线性调制。在线性调制中，已调 制信号的频谱结构和基带信号的频谱结构相同，只不过搬移了一个位置。在非线性调制中 已调制信号的频谱结构和基带信号的频谱结构不同，不是简单的频率搬移，而且有新的频率 成分出现。a s k 属于线性调制，而f s k 、p s k 属于非线性调制。线性调制的优点在于占用 频带小，实现电路较简单，但与非线性调制相比易受信道传输电平变化的影响，抗噪声能力 差” 正交振幅调制( q a m ) 可以看作二维的幅移键控或是幅移键控和相移键控的合成，属 于混合调制。它由两个相互独立的信息流组成，一个信息流调制载波的余弦函数，称为同相 信号( i 路信号) ，另一个信息流调制载波的正弦函数，称为正交信号( q 路信号) q a m 信号可以表示为： s ( t ) = a ( t ) c o s ( c o c t ) 一b ( t ) s i n ( r o j ) ( 2 8 ) 其中a ( t ) 为同相信号幅度。b ( o 为正交信号幅度。 闰2 9 给出了一个二维信号空间，以及一组1 6 进制q a m 信号矢量，即矩形星座图中 分布的点 9 东南大学2 0 0 3 级硕士学位论文 图2 9 “进制q a m 信号矢量图 图2 1 0 是典型的q a m 调制解调系统框图，通常数字调制中的原始基带信号是低通型 的，只适用于低通信道；但是，对于带通信道，直接传输基带信号是不可能的，必须用基带 信号对载波波形的某些参数进行控制，使这些参数随基带信号的变化而变化，形成频带信号。 然后在接收端把频带信号还原成基带信号。从图2 2 可以看出，在发送端调制之前和接收端 解调之后仍有基带传输部分，如果把调制器到解调器之间看成是广义信道，任何数字载波调 制系统都可以等效为基带传输系统。认识到这点对于深刻理解基带传输系统十分重要 q 图2 1 0q a m 调制解调系统框图 q a m 是一种高效的调制解调方式，可以大大降低系统需用带宽。二进制字符在每信道 码元持续时间内只有1 比特信息量若采用m 码元的字符，那么在每个码元时问内可以传 输k - - l 0 9 2 m 比特，就可以将相同带宽情况下数据速率增加到k 倍 q 圳信号可以在正交调制电路中两个支路的正交载波受幅度离散的基带信号进行的双 边带抑制载波的振幅调制获得下面以i 5 0 a m 为例具体说明。图2 1 l 为q 删调制原理图。 经过差分编码后的一路速率为& 的二进制基带信号先进入并串转换器，被分为两路速率为 s h 2 的两路基带信号i 、q 两路信号分配原则为交替分配，如对于一路随机二进制信号 1 1 1 0 1 0 0 1 0 0 1 0 1 0 1 1 被分为两路：1 支路为1 1 1 0 0 1 1 1 ；q 支路为1 0 0 1 0 0 0 1 。并串转换完成后， i 、q 两支路信号分别进入2 工电平转换器，由二电平信号变为四电平信号，采用自然码 基带信号的矩形脉冲波形是不利于有线传输的，因为矩形脉冲占用频宽为无限，而有线信道 一般为低通带限信道基带形成滤波器正是通过滤波器将矩形脉冲转换为合适有线信道传输 东南大学2 0 0 3 级硕士学位论文 的升余弦脉冲波形。d v b - c 要求通过滤波器得到的升余弦波形滚降因子为f 0 1 5 。得到四电 平的基带信号后，再经相加就得到了q 棚信号。带通滤波器可以滤出信号频带以外的噪声， 最后经功率放大器将信号放大使其能有系统要求的足够的信号功率 1 支路 q a g 信号的表达式可写为： 图2 i io a g 调制原理框图 s 讲m = ac o s ( 心f + 纯) = x ic o s 僻f ks i n o j ： k = i ，2 ，3 m 0 s t r 式中：a = 瓣；彼= t g 一1 ( x 。，k ) ；l 是符号宽度。 ( 2 9 ) 图2 1 2o a m 解调原理框图 q 枷信号到达用户接收端后首先经射频物理接口，再到模数转换器( a d c ) 到达q 删解 调器进行解调。解调采用相干解调法，关键技术在于载波恢复，q 雌解调原理如图2 1 2 所 示。设经传输后q 棚信号产生相移为巾，正交载波从q a m 信号中提取后，分别与o a g 信号相 乘得： 东南大学2 0 0 3 级硕士学位论文 1 支路： x 。c o s ( 哆+ 妒) + ks i n ( 僻f + 妒) c o s ( 僻f + 妒) = 1 ，x k + 1 ，x i c o s 2 ( a , , f + 矿) + 弓1e 。s i n 2 ( w 。f + 妒) q 支路：e x , c o s ( o j ：+ 妒) + y ts i n ( 0 7 d + 矿) x s i n ( c a t + 妒) = 弓1e 。一i y kc o s 2 ( 叼+ 妒) + 吾邑s i n 2 ( 鳓+ 妒) 相乘后的信号再通过低通滤波器，滤掉高频部分得到i 、 ( 对于1 枷信号来说是四电平) ： 1 支路： q 支路： 扛 三k 至此，即得到了发送端所传送过来的信号 2 3 载波恢复原理 ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) q 两路电平数为l 的基带信号 ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 几乎所有同步电路的核心都是锁相环( p l l ) ，载波恢复作为频率相位同步自然也不例外 在现代数字接收机中，可能并不能立刻分辨出这些回路。但它们的功能等效总是存在的锁 相环是一个频率与相位的同步控制系统。其结构如图2 1 3 所示 譬桐器 图2 1 3 锁相环基本结构图 锁相环由三部分构成：鉴相器、环路滤波器、压控振荡器( v b l t a g e - c o n t r o l l e do s c i l l a t o r , v c o ) 鉴相器是一个测鼋输入信号与本地副本之间相位差的模块随着输入信号和本地副 本之问的相对变化，相位误差成为时变信号并输入环路滤波器。环路滤波器控制着h 上对 误差信号变化的响应一个好的环路需要同时跟踪输入信号相位的变化。同时对接收机噪声 不过分敏感。压控振荡器用来产生载波副本，是一个频率由输入电压控制的正弦振荡器。 在一定的输入输出范围内，v c o 的输出频率是输入电压的线性函数当输入电压为正 时，v c o 输出频率增大：当输入电压为负时，v c o 输出频率减小。而v c o 的输入电压正 比于输入信号与本地副本之问的误差，这样形成反馈之后，v c o 的输出就可以跟踪输入信 号，从而实现相位锁定。 将输入信号表示为： ，( f ) = c o s o f t + 烈f ) 】 ( 2 1 4 ) 其中，蛳表示载波频率，。0 表示相位同时将v c o 输出信号表示为： 1 2 东南大学2 0 0 3 级硕士学位论文 x ( t ) = - 2 s i n r o o t + 烈f ) 】 则鉴相器输出误差信号为： e ( t ) = r ( t ) x ( t ) = c o s t o o t + 妒( t ) x 2 s i n a a t + 烈f ) 】 = s i n 烈f ) 一烈f ) 】+ 2 s i n a 毛t + 烈f ) + 矿( f ) 】 当环路滤波器为低通滤波器时，式( 2 1 6 ) 右边的第二项被滤去，环路滤波器的 相位误差信号为： y ( f ) = s i n i # ( t ) 一每( f ) 】 ( 2 1 5 ) 2 1 6 ) 输出的 ( 2 1 7 ) v c o 的输出频率为祆f ) 的时间微分，假定v c o 输入电压为0 时输出频率为弼，勋jv c o 输出频率与锡的差值就等于祆f ) 的时间微分。而v c o 的输出频率是输入电压的线性函数， 那么，v c o 输出频率与的差值就与输入电压y ( f ) 成正比。即： 圳= 争 ；( f ) 】 = 毛y ( f ) = k o e ( t ) ，( f ) = s i n 【妒( f ) 一妒( f ) 】 ，( f ) ( 2 1 8 ) 其中，烈f ) 表示频率差，k 为v c o 增益，f ( t ) 为环路滤波器脉冲响应表示卷积 运算，在角度较小时s i n 【认f ) 一氟f ) 】近似等于钗f ) 一氟f ) ，则上式可化为： 烈f ) z k o 【烈f ) 妒( f ) 】，( f ) ( 2 1 9 ) 式( 2 1 9 ) 称为线性化环路方程，当相位误差很小时，这是正常工作时判定环路性质最 有用的关系式。 对式( 2 1 9 ) 做傅立叶交换可得： j a g d ( r o ) = 民【中( 动一中( 动】，( 神 ( 2 2 0 ) 其中，大写函数是式( 2 1 9 ) 中小写函数的傅立叶变换。由式( 2 2 0 ) 可得： 掣：j 盟：月( 神 ( 2 2 1 ) 西( 动j w + k o f ( 妫 一 其中th ( ) 是p l l 的闭环传递函数，它可以有效描述p i 上的瞬态响应。h ( ) 分母中j m 的最高阶数就是p l l 的阶数。如果把f ( ) 表示为n ( ) ，d ( 曲，那么h ( t o ) f f j 分母就具有j d ( 妨 项，因此p l l 的阶数比环路滤波器的阶数高一阶 当p l l 为一阶时( 即环路滤波器具有非零直流相应) ，环路可以跟踪输入信号的任意相 东南大学2 0 0 3 级硕士学位论文 位阶跃也就是说p u ，在输入信号跳跃一个常数相位时，仍然能够自动地逐渐趋于相位镄 定；当h 上为二阶时，环路可以跟踪频率阶跃，而且环路可以无条件稳定，即环路可以无 条件跟踪输入信号，不管输入情况怎样，环路响应都可以使相位误差减小；三阶及更高阶的 环路性能很难分析，而且都是条件稳定的，因此应用较少当信号动态特性希望使用高阶环 路来相干解调时，一般采用非相干解调代替。2 1 上面分析是没有噪声干扰情况下的稳态分析加入归一化加性窄带高斯噪声，l ( f ) 后的 输入信号为： “f ) = c o s ( r o o t + 矿) + h ( f ) ( 2 2 2 ) 其中，假定相位偏移由是常数，l l ( t ) 为零均值窄带高斯过程那么在小角度近似成立 ( 也就是环路成功跟踪输入信号相位时) ，相位方差为： 巧- 2 j v o b 。= 去0 p ( 劝f d o ( 2 2 3 ) 其中，n o 为白噪声单边功率谱密度，b l 为单边环路带宽，h ( ) 为p 【l 闭环传递函数 相位方差表示输入噪声引起的v c o 输出的摆动显然，对于给定的噪声电平，如果希望一 较小，就要求环路带宽较小，即h 细) 的有效带宽较窄。那么环路跟踪相位变化的能力就会 较弱。因此，在环路设计时，就需要在噪声响应和输入相位相应之间权衡。 以上的分析中都用到了小角度近似，而这种近似只有在环路相位锁定时才是准确的。固 2 1 4 给出了一个更为精确的p l l 环路模型，此模型的微分方程为： 告阳 = n o f ( 伊s i n 一撕+ k o f ( f ) 咖) ( 2 到目前为止，这个方程还没有找到通解，但维特比“针对一种重要的特例推导出了一 个闭环解。 图2 1 4p u 。非线性模型图 当输入相位巾( d 是一个常数由时。定义一个新的相位变量： 烈f ) = 【妒一妒( f ) 】m o d 2 石 ( 2 2 5 ) 则式( 2 2 4 ) 可化为： 兰【口( f ) 】= k o f ( t ) * s i n o ( t ) + 民，( f ) n ，( f ) ( 2 2 6 ) 口l 在式( 2 2 6 ) 中，0 ( t ) 是随机过程n ( t ) 的一个函数，那么0 ( t ) 也是随机过程0 ( t ) 定义为 模2 的余，极限情况下，在所有的瞬态响应消失后它应该是稳定的1 5 1 维特比认为对于 东南大学2 0 0 3 级硕士学位论文 一阶的p i 工，0 的概率密度函数为： 删= 鬻椰石 t z 刀， 其中p 2 虿1 是归一化的环路信噪比是零阶修正第一类贝赛尔函数在p 处的取 值。用式( 2 2 7 ) 计算伙f ) 的值对于一阶环路是准确的，同时也是很多二阶环路的有效近似 1 5 1 如果对p 的定义进行修正，则上式对于高阶模型也是准确的。 引入模2 “变化的相位