（通信与信息系统专业论文）基于平流层通信系统基带模块的仿真与实现.pdf

孛文摘要 中文摘要 平流层通信平台等效予将基站放置在2 0 k m 一5 0 k m 高空 其覆盏范疆扩展到 3 0 0 k m 5 0 0 k m 平流层平台与地面平台相比 具有广阔的视距范围 较远的通信 距离 降低韵信道衰落 因而发射功率可以显著减少 不但大大降低了建设地面 信息基础设旄的费建 嚣盈也降低了对基站餍围的辐射污染 m f t d m a 也称 多频时分多址舸 它采用f d m a 与t d m a 相结合的二维多 址方式 其优势在予载波频率和分配带宽都可以灵活适应多变的多媒体传输要求 焉盈时隙和突发速率都可黻根据网控孛心的要求来改变 针对系统信号的突发性质 本文采用了适会突发通信特点的算法和设计来进 行平流层通信系统基带模块的仿真以及实现 主要包括数字下变频模块 符号定 时同步模块以及载波同步模块 本文首先奔绍了平流层通信平台霜m f t d m a 技术爵概念以及特点 在诧基 础上提出了基于软件无线电舱m f t d m a 系统的发送端和接收端的结构 m f t d m a 这类信号的传输每次只占用很短的的时间片 通常称此时间为时隙 不同用户占用不弼时隙 持续时间撤短 针对这种情况 对接收祝信号的捕获和 同步戆建立裁提邀了时阂上的要求 在数字下变频模块的仿真与实现上 本文酋先介绍了数字下变频的原理及梅 成 主要包括数控震荡器 h b 滤波器 c i c 滤波器 低通滤波器这几个部分 然 后根据系统要求分别对其进行了设计 焉c o r d i c 瀛求结构实现数控震荡器 采 用5 级c i c 滤波器级联 2 级h b 滤波器级联 采用d a 算法优化低通滤波器 在符号定时同步模块的仿真与实现上 本文介绍了符号定时同步的原理及主 要结构 针对系统信号的突发特性 采用了开环形式的结构 分别对符号定时同 步模块斡三个主要部分 定时误差镭诗 滤捶控制和插萤滤波器迸毒亍了设计 在载波同步模块的仿真与实现上 本文介绍了樵关同步参数的最大似然估计 的原理 在此基础上提出了便于实现的频偏估计算法和相偏估计算法 讨论了它 们静性能 并分别对颏偏估计器及相偏估计器进行了设计 最蜃 对m f t d m a 系统进行了仿真 并誊季论了该系统的性能 关键诞 m f t d m a d d c 符号定时霜步 载波弱步 a b s t r a c t a b s t r a c t s t r 敷o s p h e r i cc o m m u n i c a t i o np l a t f o r mi se q u i v a l e n tt op u tt h eb a s es t a t i o ni nt h e 1 l i 曲a l t i t u d ea b o u t2 0 k mt o5 0 k i n i t sc o v e r i n ga r e ae x p a n d st o3 0 0 k mt o5 0 0 k m c o m p a r e dw i t hg r o u n dp l a t f o r m t h es t r a t o s p h e r i cc o m m u n i c a t i o np l a t f o r mh a v ew i d e r v i s i b l ea r e a l o n g e rc o m m u n i c a t i o nd i s t a n c ea n ds m a l l e rc h a n n e la t t e n u a t i o n s ot h e e m i s s i o np o w e rc a nb er e d u c e do b v i o u s l y s a m ea st h ef e eo fb a s i ce s t a b l i s h m e n t c o n s t r u c t i o na n dt h er a d i a t e dp o l l u t i o nt ot h eb a s es t a t i o n sa r o u n d m f t d m aa l s oc a l l e d m u l t i f r e q u e n c yt i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s a d o p tb o t h f d m aa n dt d m a t h ec a r r i e rf r e q u e n c ya n dd i s t r i b u t e db a n d w i d t hc a l ls a t i s f yt h e t r a n s m i t t i n gr e q u i r e m e n to fm u l i t i m e d i af l e x i b l y t h et i m es l o t a n db u r s tr a t ec a l l c h a n g ea c c o r d i n gt od e m a n do fn e t w o r kc o n t r o lc e n t e r m f t d m aw i t hh i g ha c c e s s d a t ar a t ea n dt h ef l e x i b i l t yo fn e t w o r kd i s t r i b u t i o n c a ns a t i s f yt h ei n t e g r a t e ds e v i c e s t r a n s m i t t i n gr e q u i r m e n to f t h ef u t u r ec o m m u n i c a t i o n a i m e da tb u r s tc o m m u n i c a t i o n t h i sd i s s e r t a t i o n 7 l o r k so nt h es i m u l a t i o no ft h e m f t d m as y s t e ma n dt h er e a l i z a t i o no fs o m ek e ym o d u l e s s u c ha sd d cm o d u l e s y m b o lt i m i n gs y n c h r o n i z a t i o na n dc a r r i e rs y n c h r o n i z a t i o n f i r s to fa l l t h i sp a p e ri n t o r d u c e st h ec o n c e p t sa n dc h r a c t e r i s t i c so ft h es t r a t o s p h e r i c c o m m u n i c a t i o na n dm f t d m a t h e nb r i n g sf o r w a r dt h et r a n s m i t t i n ga r c h i t e c t u r ea n d r e c e v i n ga r c h i t e c t u r e 强os i g n a li nm f t d m as y s t e mi sj u s tas h o r tt i m es l i c eu s u a l l y c a l l e dt i m es l o t d i f f e r e n tc l i e n t so c c u p yd i f f e r e n tt i m es l o t sw i t hs h o r tt i m ed u r a t i o n s o t h e r ei san e wt i m er e q u i r e m e n ta b o u tt h es i g n a lc a p t u r eo fr e c e i v e ra n de s t a b l i s h m e n t o fs y n c h r o n i z a t i o n i nt h ep a r to ft h ed d cm o d u l e f i r s t l y t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ep r i c i n p l ea n d a r c h i t e c t u r eo ft h ed d c i n c l u d i n gn c o h bf i l t e r c i cf i l t e ra n dl o wb a n dp a s sf i l t e r s e c o n d l y t h i sp a p e rc a r r i e so u tt h ed e s i g na c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to ft h es y s t e m a d o p t i n gc o r d i cp i p e l i n et or e a l i z et h en c o u s i n g5c l a s s e sc i c f i l t e ra n d2c l a s s e s h b f i l t e r i n t r o d u c i n gt h ed a a r i t h m e t i ct oo p t i m i z et h el p f i nt h ep a r to ft h es y m b o lt i m i n gs y n c h r o n i z a t i o nm o d u l e t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h e t h e o r i e sa n da r c h i t e c t u r eo ft h es y m b o lt i m i n gs y n c h r o n i z a t i o n b e c a u s eo ft h eb u r s t i n g h a b s t r a c t c h a r a c t e r i s t i c t h i sp a p e ra d o p t st h eo p e nl o o pm o d e la n dd e s i g n st h et h r e em a j o rp a r t s i n c l u d i n gt i m m gf f t t o r 燃 i m a t i o 毽i n t e r p o l a t i o nc o n t r o la n di n t e r p o l a t e df i l t e rb a s e d0 1 1 t h ef a r r o ws t r u c t u r e i nt h ep a r to ft h ec a r r i e rs y n c h r o n i z a t i o nm o d u l e t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h em l e o fr e l a t e ds y c h r o n i z a t i o np a r a m e t e r s t h e nb f m g sf o r w a r dt h ef i e q u e n e yo f f s e t e s t i m a t i o na l g o r i t h ma n dp h a s eo f f s e te s t i m a t i o na l g o r i t h m a tl a s t i td e s i g n st h e i m p l e m e n t a t i o na r c h i t e c t u r e so f t h et w o l n o d u l 搭 f i n a l l y t h i sp a p e re 蠢基然o u tt h es i m u l a t i o no ft h em f t d m am o d u l e a n d d i s c u s s e st h ep e r f o r m a n c eo f t h es y s t e m k e y w o r d s m f t d m a d d c s y m b o lt i m i n gs y c h r o n i z a t i o n c a r r i e rs y c h r o n i z a t i o n m 图目录 图目录 图1 1 各种空中通信平台高度的示意 2 图1 2f d m a 系统工作示意图 3 图1 3t d m a 系统工作示意图 4 图1 4 软件无线电结构 5 图1 5m f t d m a 通信系统发送端框图 6 图1 6m f t d m a 通信系统一路信号接收端框图 6 图2 1 抽取前后 d 2 的频谱结构 无抗混叠滤波 9 图2 2 带有抗混迭滤波器的d 倍抽取器框图 1 0 图2 3 抽取前后 d 2 的频谱结构 有抗混叠滤波 1 1 图2 4 完整的内插器方框图 1 1 图2 5 升余弦滤波器的频率响应 1 3 图3 1 数字下变频原理框图 15 图3 2 查找表方式的n c o 基本结构图 1 6 图3 3 向量旋转示意图 1 8 图3 4c o r d i c 方式n c o 基本结构图 2 0 图3 5c o r d i c 旋转的移位相加流水结构框图 2 1 图3 6c o r d i c 流水线结构的仿真模块 2 2 图3 7c o r d i c 流水线模块的仿真波形 2 3 图3 8 经过n c o 前的信号频谱 2 4 图3 9 经过n c o 前的信号频谱 2 4 图3 1 0m a t l a b 中经过n c o 前后的对比仿真波形图 2 5 图3 11m o d e l s i m 中经过n c o 前后的对比仿真波形图 2 5 图3 1 2 多级抽样率转换器 2 6 图3 1 3c i c 滤波器结构 2 7 图3 1 45 级c i c 滤波器的幅频响应特性曲线 d 1 2 2 9 图3 1 55 级c i c 滤波器的相频响应特性曲线 d 1 0 2 9 图3 1 6 单级c i c 滤波器的原始结构及等效结构 3 0 图3 1 75 级c i c 滤波器的等效结构 3 0 图尽录 图3 1 8 积分器结构 3 l 图3 1 9c i c 滤波器寄存器宽度扩展示意图 3 2 图3 2 0 抽取器结构 3 2 圈3 2 1c i c 滤波器实现结构 3 2 图3 2 2c i c 级联抽取 下采5 倍 滤波器仿真波形 3 3 图3 2 3h b 滤波器的幅频响应曲线 3 4 图3 2 4h b 滤波器2 倍抽取后的幅频响应曲线 3 4 圈3 2 5m 级h b 滤波器级联 3 4 图3 2 6 半带滤波器的实现结构 3 5 图3 2 7 半带滤波器幅频响应图 3 6 图3 2 8 半带滤波器幅频响应图 3 6 图3 2 9 采用复用技术实现的h b 滤波器结构 3 7 图3 3 0 两级级联h b 滤波器仿真波形图 3 7 图3 3 l 移位加法d a 结构 4 0 图3 3 2 直接型f i r 滤波器结构 4 0 图3 3 3f i r 低通滤波器频幅响应 4 l 图3 3 4f i r 低通滤波器频幅响应 4 1 图3 3 5 应用分布式算法实现的f i r 滤波器框图 4 3 图3 3 6 应用分布式算法实现的f 跌滤波器仿真波形 钳 图3 3 7 下变频前的信号频谱 4 4 图3 3 8 下变频后的信号频谱 4 5 图3 3 9 下变频前后的信号仿真波形 4 5 图禾l 符号判决原理图 4 9 图4 2 二元解调模型 5 0 图4 3 定时同步原理框图 5 1 图4 4 数字滤波平方定时算法框图 5 3 图4 5 插值滤波器的速率转换模型 5 5 图牛6 正与霉之间的关系示意图 5 6 图4 7 插值器中信号的频谱 5 8 图垂8 基多项式插值滤波器实现结构 锣 图4 9 基多项式内插滤波器脉冲响应 6 0 图4 1 04 倍采样的q p s k 信号的插值滤波性能对比图 6 0 v 图目录 图4 1 1 内插滤波器的优化结构 6 1 图4 1 2 全数字接收机的前馈环结构位时钟恢复算法方框 6 1 图4 1 3 系统中定时同步性能对比 6 2 图4 1 4 误差估计模块实现框图 6 2 图4 1 5 定时同步模块的实现框图 6 3 图4 1 6 定时同步模块的仿真波形 6 3 图5 1 理想频偏估计器性能图 7 2 图5 2 系统中频偏估计器性能图 7 2 图5 3 频偏估计器实现框图 7 3 图5 4 读地址产生流程图 7 4 图5 5 频偏估计仿真波形 7 5 图5 6 基于n d a 的载波相位估计原理框图 7 6 图5 7 理想相偏估计器性能图 7 8 图5 8 系统中相偏估计器性能图 7 8 图5 9 相偏估计器实现框图 7 9 图5 1 0 相偏估计仿真波形 7 9 图6 1 一个频点的m f t d m a 系统的仿真模型 8 2 图6 2 系统误码率 8 2 v i i i 表目录 表目录 表3 1 1 9 阶的半带滤波器系数 3 5 表3 22 7 阶的半带滤波器系数 3 6 表3 3 低通f i r 滤波器转换后的系数 4 3 表4 1 基多项式内插滤波器系数 5 8 绩略调表 英文缩写英文全称 k 戳心r b e r b p s k c i c c o r d i c d a d d d d c f d 队 f r h b m 匝 t d m a m a c m l m l 譬 n c o n d a q v s k t d m a 缩略词表 a d d i t i v e g a u s s i a nn o i s e b i te r r o rr a t e b i n a r yp a r i t ys h i f tk e y i n g c a s c a d ei n t e g r a t o rc o m bf i l t e r c o o r d i n a t er o t a t i o nd i g i t a lc o m p u t e d i s t r i b u t e da l g o r i t h m d e 瓮 i s i o nd i r e c t e d d i 姒t a ld o w nc o n v e r t e r f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s f i n i t ei m p u l s er e s p o n s e h a l f b a n df i l t e r m u l t i f r e q u e n c yt i m ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s m d f i p l ea n dc o u n t m a xl i k e h o o d m a xl i k e h o o de s t i m a t i o n n u m e r i c a l l yc o n t r o l l e do s c i l l a t o r n o n d a t a a i d e d 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 t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s x 中文释义 加性高骺噪声 误码率 二迸制相移键控 级联积分梳状滤波器 坐标旋转数值计算 分布式算法 判决譬 导 数字下变频 频分多址 有限冲击响应 半带滤波器 多频时分多址 乘加 最大似然 最大似然估计 数控震荡器 非数据辅助 四迸制相移键控 时分多址 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取褥的研究成果尊据我所知 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 获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料尊与 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 说明并表示谢意 签名 鲎望鍪日期 少心年 月了日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留 使用学位论文 的规定 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 允许论文被查阕和借阅 本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或扫描 等复制手段保存 汇编学位论文 保密的学位论文在解密后应遵守此规定 签名 塑 导师签名 垫么j 出 日期 爻 a 砗f 月彳日 第一章绪论 重 1平流层通信平台 第一章绪论 平流层通信平台等效于将基站放置在2 0 k m 一5 0 k m 高空 其覆盖范围扩展到 3 0 0 k m 5 0 0 k m 与卫星通信相比 平流层通信系统的路径损耗更少 传播延时更小 弱外 在中 低轨移动卫星系统中 接收端收到的载频发生很大的多普勒频移 最大多 普勒频移可达几十k h z 对数字通信造成较大影响 丽平流层通信系统中 最大 多普勒频移约为几十h z 与地面平螽相比 平流层逶信系统具有广阔的视距范围 和较远的通信距离 1 2 平流层通信系统具有以下几个特点 很强的环境适应能力 平流层邋信适应性强 较之地面遴信受地蟊环境限制 较少 可以较为方便地在山区 沙漠等恶劣的环境下进行通信 系统的造价低 据估计 一个通信平台的造价不超过2 4 亿人民币 其中飞艇 8 0 0 0 万 其价格约为目前通信卫星的一半 并且不需要发射费用 每个用户终端 价格可不超过8 0 0 元 回收方便 通信平台可不需要发射器 通过调节自身浮力 就能自行升空并 移动到预定位置 当服务完毕或需要重新更新 维护时 它可自己返回地面 8 0 年代以来 我困投入大量入力 物力研制开发我国的新一代军事移动通信 网络 在移动信道的数字传输技术 移动通信抗干扰技术 移动通信网络技术等 方面取得了重大进展 3 4 5 1 我国强前的研究仍处在技术跟踪 原理设计阶段 国外嚣进行了平流层高空 平台的升空试验 我凰只进行了对流层的井空试验 缺乏第一手靛试验数据是最 主要的差距 此外 在平台载体方面 即飞艇的制造技术方面 也与国外有着明 显差距 鬯子科技大学硕士学位论文 图1 1 各种空中通信平台高度的示意 1 2m f t d 姒概述 m f t d m a 多缝搜术具有突发发送和频率跳变酶特点 载波频率和分配带宽 灵活适应多变的多媒体传输要求 从嚣被广泛的应用于卫星遁信 m f t d m a 多址技术是一种采用频分和时分相结合的二维多址方式 利用频 率跳变发送和接收 变速率以及虚电路技术可以实现大小终端间针对业务种类及 站型酶灵活组孺 需要解决酎闻基准酶提供 拐始捕获和嗣步僳持 功率和频率 控制 突发发送和接收 信道申请积分配以疑综合业务接入等诸多关键技术嘲1 7 下面简要的介绍一下t d m a 和f d m a 这两种多址方式 1 2 1f d m a 概述 频分多址是指不同的移动台占用不同的频率 在我国公用模拟移动通信系统 中 t a c s 制式设备采用的多址方式是f d m a n n 2 第一章绪论 在频分多址系统孛 把可以使用酶总频段划分为若干占用较小带宽戆频道 这 些频道在频域上互不重叠 每个频道就是一个信道 分配给 个用户 在接收设 备中使用带通滤波器允许指定频道里的能量通过 但滤除其他频率的信号 从而 限制了临近信道之闻的相互干扰 如图熏 2 所示 f d m a 通信系统的两个移魂用户之间进静遥信 都必须经过 基站的中转 因丽必须同时占用4 个频道才能实现双工通信 不过 移动台通信时所 占用的频道并不是固定指配的 它通常是在通话建立阶段由系统控制中心临时分 配的 通僖结束后 移动螽将退嵩它所占用的频道 这些频道又可馘重新分配给剐 的用户使用 l l 努s i 嚣s 基站 m s 移动台 圈1 2f d m a 系统王作不慈图 这耱方式的特煮是技术戒熬 易于与模拟系统兼容 瓣信号功率控制要求不严 格 但是在系统设计中需要周密的频率规划 基站需要多部不藏载波频率发射视 同时工作 设备多且容易产生信道间的互调干扰 1 2 2t d m a 概述 在时分多址系统中 把时闻分成周期性的帧 每 帧髯分成若干时隙 无论帧或 实隙都是瓦不重叠的 每一个时隙就是一个通信信道 分配给一个用户 然后按 一定的露隙分配霖灵l j 使各个移动台在每帧肉哭能按指定韵对隙向基站发射信号 在满足定肘和阕步的条件下 基站可以在各时隙中接收到各移动台的信号互不干 扰 同时 基站发向各个移动台的信号都按顺序安排在预定时隙中传输 各移动台 3 一 习 一 一 瞧子科技大学硕士学位论文 只要在指定的时隙内接收 就雏盔回路戆信号中把发绘链的信号区分出来f 8 1 1 9 1 如 图1 3 所示 li l b s l b s 基站 磷 移动台 图1 3t d m a 系统工作永慈图 与f d m a 通信系统相比 t d m a 通信系统的特点如下 1 t d m a 系统的基站哭要一部发射机 可以避免像f d m a 系统那祥因多部 不圈频率的发射规阕时工终两产生鲶互调干扰 2 频率规划简单 t d m a 系统不存在频率分配问题 对时隙的管理和分配 通常要比对频率的管理和分配容易而经济 便于动态分配信道 如果采用 话音检溅技术 实现有话音对分配对隙 无话音时不分配对隙 有利于提 高系统容量 3 t d m a 系统设备必须有精确的定时和同步 保证备移动台发送的信号不 会在基站发生重叠和混淆 并且能准确地在指定的时隙中接收基站发给它 的信号 阚步技术是t d m a 系统歪常工作的重要傈涯 往往也是毙较复 杂的技术难题 1 3 软锋无线毫 软件无线i 电 s o f l w a r er a d i o 是由j m i t o l a 于1 9 9 2 年作为一种实现无线通信系统 的新靛律系结构首次提国来的 软件无线电的核心思想是对天线感应的射频模擞信号尽霹能地直接数字纯 4 一 皿 第一章绪论 将其变换必适合d s p 器件或计算机处理的数据流 然后通过软件来完成各秘功裁 目前大多数软件无线电接收机先将射频信号经过模拟混频下变频至中频 然后通 过高速a d c 采样为中频数字信号 褥经数字下变频器变频 抽取和低通滤波处理 之后变为低速基带信号 送给通用d s p 器件作后续的解调 解码 抗干扰 抗衰 落 自适应均衡等处理 1 0 1 1 1 糟 一 遴遴诧窝 捷群速搴 转换 处理 软黪 一冀浚 一中间件 c o r b a 一无线电虚拟机 瑗黪 瑗场可编程门阵 捌 一数譬信号处理器 一专用集成电路 控裁 1 4m f t d m a 系统结构 图1 4 软件无线电结构 输出 p 输入 正如上文中指出的 若干信息在同一信道中传送称为多路复用 按频率分割 信号的方法器堪频分复用 而按时闻分割信号的方法辩堪时分复用 m f t d m a 技术 采用了两种复用方式 频分复用与时分复用 信道帧长被划分成n 个时隙 用户将使用某一个载波上的某一个或某几个时 隙传送数据信息 信道的可用频带被分成若干互不交叠的频段 每路信号占据其 中一个频段 所以可以用适当的滤波器将它们分割开来 分别解调接收 采用m f t d m a 技术的平流层通信系统的发送端的具体结构如图1 5 基带信 号经由交织器 q p s k 调制后分为i q 两路 分别经过升余弦滤波器 作用是成 形滤波 防止码闯干扰 再送到混频器处理后 上抽样n 倍 把信号转换成中频 信号 为了避免多路已调制信号的频谱相互交叠 还要经过带通滤波器 确保各 路信号频谱之间留有一定的保护间隔 然后将各个频点的已调制信号混合送入信 道 5 电子科技大学硕士学位论文 蓁一路 信邋星座上采样 带遇 编码 嘲 交织 影瓣 n 钎滤波辫 叫翼卜杏j 第二鼹 薅遵霆壅上鬃撵鬻逶 卜 蔼 编码 o交缓 影射n 辨滤波器道 叫翼 巷j i i 第l l 霉蓦 f f 信邋 交缓 屡座上莱样 黪潺 缓码影射 n 倍个 滤波器 叫霪卜巷j 图1 5m f t d m a 通信系统发送端框图 鬻i 6m f t d m a 遁霭系统 路甓号接收翡毽辫 在接收端 接收信号进入数字下变频器 跌输入的宽带离数据流的数字信号 中提取所需的窄带信号 滤除带外噪声 将其下燮频为数字基带信号 并转换成 较低的数据流 送刭匹浆滤波器 使最佳拯样点的信嗓毙最大 褥将信号进行定 6 第一章绪论 时同步 使插值滤波器输出的信号是最佳采样时刻的近似值 然后载波恢复 采 用的是开环结构 具有快速的跟踪速度 最后进行解调 解交织 m f t d m a 通 信系统一路信号接收端框图如图1 6 1 5论文结构及内容安排 本文在软件无线电的基础上 针对突发通信的特点 进行了采用m f t d m a 技术的平流层通信系统仿真研究以及关键部位的实现 本文内容安排如下 第一章主要介绍平流层通信平台 多频时分复用技术 软件无线电的相关概 念以及采用m f t d m a 技术的相关发送与接收实现结构 并且说明论文结构与内 容安排 第二章详细介绍了信号采样与速率匹配的相关概念 包括抽取 内插 成形 滤波器以及匹配滤波器 第三章介绍数字下变频的原理与结构 以及数字下变频的各个部分的仿真 实现结构及v h d l 仿真 主要包括数控震荡器 h b 滤波器 c i c 滤波器 低通滤 波器这几个部分 然后根据系统要求分别对其进行了设计 用c o r d i c 流水结构 实现数控震荡器 采用5 级c i c 滤波器级联 2 级h b 滤波器级联 采用d a 算法 优化低通滤波器 第四章介绍了符号定时同步的相关原理与方法 以及仿真 实现结构与v h d l 仿真 针对系统信号的突发特性 采用了开环形式的结构 分别对符号定时同步 模块的三个主要部分 定时误差估计 内插控制和插值滤波器进行了设计 第五章介绍了载波同步的相关算法与方法 包括频偏估计及相偏估计 以及 这两个模块的仿真 实现结构与v h d l 仿真 研究了便于实现的频偏估计算法和 相偏估计算法 讨论了它们的性能 并分别对频偏估计器及相偏估计器进行了设 计 第六章讨论了采用m f t d m a 技术的平流层通信系统仿真模型的性能 并对 全文进行了总结 以及展望了未来应该开展的工作 7 电子科技大学硕士学霞论文 第二章信号采样与速率匹配 2 羔信号采样理论 2 1 1基本采样理论嘲u i s t 采样定理 n y q u i s t 采样定理 设有一个颥率带限信号x 其频带隈铺在国 厶 内 魏果以不小于磊鬻2 f o 的采样速率对茗 f 进行等阆隔采样 褥到时闻离散采样信 号工 终 x n t s j 惠中为 1 石称为采样间隔 则原信号x f 将被所得到的采样值 x 胛 完全地确定 若x 不是有限带宽嚣 在采样翦应对善0 采鼹抗混迭滤波器进行滤波 去掉 了f 厶的离频成分 1 3 1 2 1 2带通信号采样理论一带通采样定理 繁邋采样定理 设一个频率带限信号苫 其频带限卷l 在 五 矗 爽 燹 j 信号 带宽b 一厶一以 如果采样速率满足 点 篙箸 2 1 式 2 1 串 鳄取能满足磊 2 磊一五 的最大整数 董 2 樊 j 用五进行 等问隔采样所得到的信号采样值 雅五 能准确地确定原信号x 0 由于把采样频率低于两倍信号最高频率的采样成为欠采样 因此带通采样也 成隽欠采样 带通采样定理的应用 大大降羝了慰模数转换嚣 a d c 和求 在实际 应用中 l 的取值要注意以下趣题 1 采样率应尽量低 以减轻后续d p s 处理的压力 2 采样后有用信号频谱的保护带宽要是够大 以便于滤波器的实现 2 2多速率信号处理 为了适赢不同信号的要求 在孛频数字纯接收枫孛处理带宽檩对较宽 透就 采样速率相应提离了 但是随着采样速率的提高带来的一个问题就是采样盛的数 据流速率很高 导致后续的信号处理速度跟不上 特别是对有些同步解调算法 一8 第二章信号采样与速率莲配 其计算量大 如果数据吞睦率太高是缀难满足实时牲要求靛 掰以缀有登要对a d 后的数据进行降速处理 由于宽带采样中 感兴趣的信号带宽往往是总采样带宽 的一部分 没有必要保持很高的采样率 因此 对采样数据流进行降速处理或者 二次采样是完全必要的 多速率处理技术为这种降速处理的实现提供了理论依据 其中最为重要也是最先基本鳇理论是抽取秘内插 深入理解和掌握抽取和内播理 论对数字上下变频器的应用开发都是至关重要刚1 6 1 堋 2 2 l 整数倍抽取 所谓整数储抽取是指把原始采样序列苫f 群 每隔 d i 个数据取一个 以形成一 个新序列为 m 即 b 脚 x 捍 8 n n i l 2 2 m m 式 2 2 中 d 为正整数 如果x 牲 序列的采样率为 i s 当以d 倍抽取攀对x 雅 进行抽取后得到的抽取序列为 7 1 之取样率为兀 d 数据速率降低了d 倍 jk ar j 八八入 之露 一露 o 露 2 a j a c 么弧 么弧 圈2 1 抽取前后a 弘2 的频谱结构 无抗混叠滤波 f l 了式 2 2 不难得出抽取序列而 m 之离散傅氏变换为 9 电子科技大学硕士学霞论文 艺p 去 黑 蜊勺 2 3 o 一1 置 o 盘式g 3 可觅 撒取序掰酌频谱 离散傅氏变换 毛f g 弦 为抽取前原始弹掰之 频谱x 经频移和d 倍震宽嚣瓣d 个频谱熬婺加黧 莲2 l 绘臻了抽取翦蜃的 频谱变能图 由圈2 差霹鼹 抽取麓酶频谱盖n 矿 产生了严重混叠 健褥从 而f 矿 中i f 无法恢复出z f 秽如 中所感兴趣的信号频谱分量 原因在于抽取操作 幸警舞一辩采样 燕样蔓满足采样定理的要求 当信号并强 为带宽小于a i d 对应 频率兔妒 磊 d 的窄带信号鳟 燹 撼取后翡频谱不会发生瀑叠 茺了傈证抽取后的频谱不发生港叠 要进行抗混迭滤波 即在抽敦之裁 对 信号进行低通滤波 把信号频带限制在x d 以 f 其实现框图如下所示 图中 嚣 净f 矿 舞带宽小于 d 蛉低逶滤波器 x 如 璞 2 2 带有抗漫迭滤波器戆登镄擒取嚣框毽 瓦 纱 2 2 2 整数倍内擂 所谓整数倍嚏插就是指在两个原始撼样点之阍插入僵l 个零德 若设原始 抽样痔列荛菇 则内插艨的序列为鼍f 嬲 为 咖 x 装逝 2 4 出予鼍 激 除了礅海至魅整数倍处建善 詈 舛 其余蘸为零 新默骞 置 z 鼍 磁 x 嬲囊一耐一盖 辖一鹭 鸯式q 一5 可觅 蠹摇蜃鳇信号频谱巍原始序列谱经要僖压缩嚣褥到鲢 这耐在 五 g 弦 中不仅含有并 矿 的基带分量 两且还含有其频率大于 j 的赢频成分 为了从爿 即 中恢复骥始谱 则必须对内插盾的信号进行低通滤波 带宽为 r i 扶上述分析得出一个完整的l 倍内插器的结构如图2 4 所示 图中尉 p 秘弦 为 警宽小予1 i 的低通滤波器 值褥接出酶是裂鬟蠹擂不仅可以舞离时竣分辨率 而且也可以用来提菇输出信号的频率 1 0 第二章信号采样与速率旺配 jl 小八 2 万 一万 o jla fj 八八八八八八 d 一 jk 厂 厂 x e 圈2 3 抽取前后 d 2 的频谱结构 有抗混叠滤波 z 图2 4 完整瓣内插器方框图 2 2 3 发送和接收滤波器 2 2 3 1 升余弦滤波器 奈奎斯特第一准则 第一无失真条件 告诉我们 如果信号经传输后整个波 形发生了变化 但只要其特定点的抽样值保持不变 那么用再次抽样的方法仍然 可以准确无误的恢复原始信号 即只要把通信系统包括发射机 信道和接收机的 整个响应设计成在接收机端每个抽样时亥9 只对当前的符号有嗡应 面对其他符号 的响应全等于0 那么i s i 的影响便可消除 这是对奈奎斯特准则的时域描述 满足奈奎斯特准则的滤波器有许多种 最简单的是理想低通滤波器 但是这 种理想的滤波器是物理不可实现的 因为实际的滤波器不可能做到垂直截止 丽 1 1 逛予科技大学硬士学袋论文 且时域拖尾过长 运算时要求很高的精度且容易产生德差 在实际通僖系统孛广 泛应用的成形滤波器是升余弦滤波器 这是因为它具有以下的优点 1 可以消除理想低通滤波器设计的困难 有一平滑的过渡带 e 2 通过引入滚降系数 改变传输信号的成形波形 可戳减小抽样定爵脓洚误 差新带来的影响 繇降低了鹦闻手挽 i s d 升余弦滤波器的频率响应由下式决定 丑 以 l 扣 s 譬铲一害嬲z窿z i o o 丝2 t 塑 丝 2 6 2t2 t j 一 等 其中 搿是滚降因子 零是符号闻隔 t 1 足 是是符号速率 整个系统 的绝对带宽为 b 半墨辖一7 该传输函数的时域响应隽 磊秘 s i n 万j r t t f c o 石sc t 驴 r t 矛 t 2 8 由式络8 可以诗冀是 辫余弦滚降信号在翦震撼样处的睾挽始终为零 困两 满足抽样值无失真的充要条件 滚降系数 愈小 传输频带愈小 但波形的起伏 愈大 对接收端定时的要求增加 滚降系数口愈大 熙然波形的起伏愈小 但传 输频带裁愈大 当g 0 对 舞余弦滚降信号变成了上瑟提到的理想低通滤波器 此时信号魄频带最窄 当髭嚣l 时 井余弦滚降信号鼓频带最宽 是理想低通滤波 器的2 倍 所以 升余弦滚降滤波器是以频带的扩大来换取码问干扰的减小 考虑到接收波形的再生判决中还要再抽样一次以得到无失真波形的抽样值 丽理想瞬时熬样不i 露能实现 也就是抽样嚣于刻不可能完全没有误差 为了减小抽 样定时脉冲误差所带来的影响 滚降系数g 不可能太小 通常要求口 l 磁在高 速数字传输系统中 还应该考虑频带利用率 故滚降系数的范围 般为0 2 0 8 1 2 第二章信号采样与速率匹配 升余弦滤波器的冲激响应 s a m p l e s 升余弦滤波器幅频响应 图2 5 升余弦滤波器的频翠响应 当口 0 4 阶数n 5 2 每个码元采样点数m 8 时 滤波器的冲激响应和 频率响应如图2 5 所示 2 2 3 2成形滤波器与匹配滤波器 就整个系统而言 在发送端和接收端各设一滤波器 将发送端和接收端作为 一个整体 根据奈奎斯特第一准则 设计成无码间干扰的基带传输系统 以减少 系统在一定信噪比下的误码率 为有效地抑制噪声 提高接收端的信噪比 发送 1 3 电子科技大学硕士学位论文 滤波器秘接收滤波器必须匹配 鞠 l 缉 麓 l 嚣 犯一劣 其孛 嚣 为满足条件鳃波形成形函数 s s 和h r 分别为发送滤波器和 接收滤波器的传输函数 两者的合成特性应能使码间串扰最小 且频谱集中在传 输带宽内 可以证明 若詹 采用升余弦滚降的频谱函数 贝i j 发送和接收滤波器 嚣冲激响应婢 歹 和毛 将满足式露一董妨 一力 ro x t t2sin 2z雨fo 1而 b 忑 4b丽tteo厂s 2x fo 1 b c2 1h o 一f r o f 丁 焉i 了 一c o 其中 t 为符号周期 f o l 2 t b 为余弦滚降系数 o b 蛙1 则满足式 2 9 的 滤波器称为均方根余弦滚降滤波器 设输入信号茸0 表示为 置 a6 t n t 2 一1 1 贸l j 获得的输出信号氐 f 为 3 0 0 3 幸露 a h r t n t 2 1 2 理论上 手 是时域无限的 而实际应用中通常要对勾 f 进行截短 t 的 截短 使缉 产生拖尾 麸两弓 起频谱淹漏 频谱灌漏的程度与截取长度m 有 关 m 取值越大 频谱泄漏越小 反之则越大 一般 取m 8 已能很好邋满足性 能要求 设输入的数字信号序列为x 抑 每个码元取样 点 截取长度为m 得到长度 爻m x t t 蘸数字信号亭列a n n 每样点经发送滤波器后的输出样点弓 酉表示成 墨 蔸 h r k a n k 2 1 3 2 3小结 本章详细介绍了信号采样与速率匹配的相关概念 包括信号采样理论 多速 率接取相关理论 驿抽取 内捶 舞余弦滤波器 成形滤波器以及匹配滤波器 1 4 第三章数字下变频模块的仿真与实现 3 重概述 第三章数字下变频模块的仿真与实现 模拟中频信号经过模数转换后形成数字中频信号 解调时首先经过数字下变 频器 d d c 下变频为基带信号 数字下变频的实现原理主要包括 对输入中频信号 的采样 经混频器将信号正交分解后为f q 两路信号 用一系列的滤波器后得到基 带i q 信号 1 8 2 1 2 2 1 d d c 包括数字混频器 数字控制振荡器 n c o 和低通滤波器 l p f 如图 3 1 所示 i q 图3 1 数字一f 变频原理框图 从王作原理讲 数字下变频与模拟下变频是一样的 就是输入信号与 个本 地振荡傣号的乘法运算 利用高速模数转换器对模拟中频调制信号进行采样 得 到中频数字信号 用这个信号同一个与中频频率相同的复指数信号相乘 将带通 信号下变频到基带 之后再用低通抽取滤波器进行抽取滤波 以m p s k 信号为倒 设中频信号隽 s f 彳c o s 2 万z f 痧 蛾 胛 f 3 1 其中 么是振幅 工是发端载频 以是调制信息 为初始相位 l f 为噪声 经过采样和数字下变频磊得到同褶和正交分量 1 5 电予科技大学硕士学位论文 j 嚣 c o s 2 z a f n 苁 终 嚣 2 3 2 名 以弹 詈s 酢剃咖 矽 以 勘 嚣 二 其中 矽 z 一力 是数字下变频器中心频率 一般恧言 数字下变频后信号的采样率仍然很高 数据量大 导致后续信号 处理过程的运算量相当大 这种情况下 需要在满足n y q u i s t 定理的前提下对高采 样率的信号进行抽取 降低采样率 减小运算量 这样 在确保抽取后的信号能 够恢复原始信号 不会带来信息丢失的前提下减小了屠续处理的运算量 3 2数控振荡器 n c 0 数控振荡器f u c o 的目标是产生一个理想的正弦波或余弦波 更确切地说是产 生一个频率可变的正弦波样本 n c o 采用全数字技术 具有分辨率高 频率转换 时间快 相位噪声低等特点 将其应用于电子设备中 可以大大简化系统 降低成 本 例如 n c o 以其离精度的频率输搬 方便的数字控制特性 在实现诸如l q 通道混频器 f s k p s k 调制器 f f t 算法等得到了广泛的应用 传统的数字下变频器由本地n c o 产生的信号与输入信号相乘实现下变频