无线通信体系中载波同步重要科技研究

1、无线通信体系中载波同步重要科技研究 第一章 绪论本章首先简述了论文研究背景的发展现状与趋势，回顾了无线通信系统中载波同步技术的研究现状，分析总结出载波同步面临的一些问题，在此基础上提出了本论文研究的基本问题和主要目标，最后阐述了本论文的创新点、组织结构和内容安排。1.1 研究背景回顾最近几十年科技发展的历史，无线通信领域无疑是发展最为迅速、对人类生产生活方式改变最大的几个领域之一。信息与通信产业是典型的技术含量高、产品附加值大的高新技术产业，已经成为世界各国的支柱产业。其中的无线通信技术已成为世界各国互相竞争的科技高地，世界各国都投入了大量资源进行无线通信技术的研发及标准化工作。可以预见无线通

2、信技术在未来相当长的一段时间内仍然会引领着世界科技的发展。无线通信技术在人们日常生活中随处可见，涵盖的范围也非常广泛，有不同的通信体系。如以蜂窝通信为代表的移动通信技术;以蓝牙、wifi 及无线路由器为代表的无线局域网产业;以全球卫星定位系统为代表的卫星应用产品;以地面移动数字电视为代表的移动视频广播产业等。本文主要的研究领域是低信噪比场景下的卫星与深空通信、多用户协作通信系统中的载波同步技术。下面分别介绍以上三种无线通信系统的发展现状及趋势。卫星通信在国民经济和国家安全等领域起着至关重要的作用。美国在伊拉克战争中使用了 186 颗各类侦察、预警、导航、通信与气象卫星，目前美军利用各种卫星得到

3、了 95%的侦察情报、90%的通信、100%的导航和气象信息。此外“十二五”期间，我国民用卫星产业将进入黄金发展期1。国家战略性新兴产业发展 “十二五”规划中明确提出要全力推进卫星产业在农业、教育、国土、气象、海洋、水利、林业、减灾防灾、定位导航、通信广播等领域及公众生活中的应用，整个卫星产业将迎来发展新机遇。“十二五”期间，我国将实现“百箭百星”的发射目标，探月计划、载人航天、北斗导航等重大科技计划会极大地推动卫星产业的发展。预计“十二五”末期，仅卫星应用产业规模就将突破

4、3000 亿元。到时我国将建成以卫星导航、卫星遥感应用、卫星通信广播为核心，同时涵盖地面设备与用户终端制造、卫星运营服务、系统集成及信息综合服务等完整的卫星通信产业链。卫星通信的发展方向是高速率、宽带化、高频谱利用率及低解调门限2。卫星的传输对象已不再是低速率的语音及电视数据，而是无线 internet、高清电视、遥感对地观测等大容量数据业务;另一方面射频技术、软件无线电及编码调制技术的发展也使得宽带卫星的发展成为了可能。宽带卫星的发展趋势有以下两点3：(1) 大量地采用先进的信道编码技术和高阶调制解调技术，使得卫星接收机的解调门限降低，工作区间逼近香农限。比如自适应编码调制技术和高阶的幅相调

5、制技术已经运用到卫星接收机中;(2) 随着集成电路技术的发展，适应于卫星通信的专用集成电路的速率已经由原来的几百兆向 g 比特的方向发展;2001 年美国喷气动力实验室开发出了速率为 2.4g bit /s 的高速卫星通信专用集成电路，欧洲航天局资助的高阶调制解调器项目的传输速率高达1g bit /s ，能够支持多种频带效率的调制方式，可以在逼近香农限的信噪比区间上工作。我国的“天链”高速中继卫星系统已经可以提供可靠的天基测控通信，并且在去年的 “天宫一号”与“神舟八号”对接过程中展示了良好的性能。与国际先进水平相比，我国

6、的太动态范围高速卫星数传技术虽然取得了较快进步，但仍然有明显的差距。人类的生存和生产活动会受到同时代环境、资源及空间等因素的制约。以航海时代为例，哪个民族率先突破这些因素的制约就站在了时代发展的前沿。随着人口爆炸、资源枯竭及环境污染等问题的出现，太空就成为了人类突破自身发展瓶颈的另外一个资源维度。浩瀚的宇宙蕴含着大量未知的科学秘密及丰富的物质资源。从上个世纪五十年代开始，以美国为代表的世界各国陆续掀起了开展深空探测活动的热潮。进入新世纪，深空探测活动的竞争愈发激烈。欧盟、俄罗斯、日本、印度等国家和组织都制定并实施了雄心勃勃的探月与深空探测计划。虽然受到经济危机的影响，美国政府的太空计划受到了一

7、定程度的制约，但是美国民间的太空探索计划却借机发展的如火如荼，“太空经济”已成为一个朝阳产业。受限于科技与经济发展水平，我国的深空探测活动起步较晚，但是发展速度很快。我国分别在 2000 年、2006 年和 2011 年发表了中国的航天白皮书。2007 年国家正式将载人航天列为重大科技工程。目前我国航天科技每年带动的经济效益已达 1200 亿，已经将 2000 多项航天科技成果运用到国民经济领域。第二章 低信噪比下锁频锁相器性能分析及改进2.1 引言为了实现相干解调，数字接收机首先需要进行载波同步操作。锁相环具有技术成熟、成本低以及便于硬件实现等优点，已被广泛应用于各类

8、通信系统中。数字锁相环的设计面临着两个技术难点：即如何对抗强噪声以及实现大频偏的精准捕获。在 dvb-s(digital video broadcast-satellite, dvb-s)、卫星与 gps(globalpositioning system, gps)等通信系统中的信噪比很低，并且频偏较大。一个性能优异的锁相环应该具备大的频偏捕获范围与小的稳态相位抖动这两个指标。采用辅助捕获的方式可满足第一个指标要求，典型的辅助捕获方式包括扫频与采用自动频率控制器这两种方式。低信噪比条件下扫频速率受限，捕获速度较慢。自动频率控制器不仅需要非线性元件，而且还要另外设计一个跟踪环路来完成跟踪操作。通

9、过设计窄带锁相环的方式可达到第二个指标要求。但是窄带锁相环的捕获速度慢，不能及时跟踪频偏变化，无法解决捕获速度与估计精度之间的矛盾。目前低信噪比载波同步技术的主要研究方向集中在基于估值理论的算法设计上37-41，而针对大频偏、低信噪比场景中锁相环设计的研究则是一个很少受关注的方向。锁频锁相器42( phase and frequency detector, pfd)同时具备锁频器与锁相器的优点，能够在实现大频偏捕获的同时保持较小的稳态相位噪声。mpsk(multiple phase shift keying, mpsk)与高阶 qam(quadrature amplitude modulation, qam)通信系统就广泛地使用了 pfd 进行载波同步43-46。传统 costas 环的相位跟踪性能好，但频率捕获范围较窄47-49。文献48将 costas 环运用到扩