數(shù)字接收機(jī)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(jī)的性能。基帶成形濾波器對信號頻譜進(jìn)行壓縮時(shí)，利用個(gè)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(jī)設(shè)計(jì)出一種簡單可行的位同步器，并通過仿真驗(yàn)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(shí)，致相鄰碼元產(chǎn)生碼間干擾，增大接收機(jī)發(fā)生錯(cuò)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(gè)碼元定時(shí)脈沖的適宜時(shí)刻，可能是碼元結(jié)束時(shí)刻、碼元中間時(shí)刻或者其他時(shí)刻。平方根升余弦濾波器是應(yīng)用較為廣泛的成形濾波器。

　　位同步指的是從收訊機(jī)基帶信號中提取碼元定時(shí)信號的全過程。位同步^[1]是正確采樣的基礎(chǔ)，在數(shù)字接收機(jī)中的地位極其重要。實(shí)現(xiàn)位同步信息的方法通常有插入導(dǎo)頻法和直接法兩大類^[2]。目前，直接法的應(yīng)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(jī)中，主要采用直接法進(jìn)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(jī)的時(shí)鐘同步和最佳判決取樣時(shí)刻是通過模擬鎖相環(huán)調(diào)整得到的。全數(shù)字接收機(jī)一般不能通過直接采樣得到位同步的最佳時(shí)刻，必須利用位定時(shí)誤差估計(jì)值控制內(nèi)插濾波器對采樣信號樣本值進(jìn)行插值運(yùn)算，得到信號在最佳時(shí)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(jìn)行匹配濾波后，提取位時(shí)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(shè)計(jì)是在頻域上進(jìn)行的，其過程是尋找一個(gè)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(shí)網(wǎng)絡(luò)來校正。數(shù)字信號處理技術(shù)和超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，利用數(shù)字濾波來實(shí)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(shè)計(jì)和研究更為全面。

　　升余弦濾波器具有如下優(yōu)點(diǎn)^[3]：

　　(1)滿足Nyquist 第1準(zhǔn)則;

　　(2)消除理想低通濾波器設(shè)計(jì)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(shí)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(yīng)滿足：

(1)

　　其中，在分段疊加后為理想低通函數(shù)。當(dāng)信道為理想信道(即)時(shí)，

(2)

　　取H(f)為滾降的升余弦函數(shù)，其表達(dá)式如下：

(3)

　　其中，為滾降因子，T為符號周期。當(dāng)時(shí)，H(f)是一個(gè)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(shí)域表達(dá)式為：

(5)

1.2 基帶成形濾波器的實(shí)現(xiàn)

　　隨著數(shù)字信號處理硬件技術(shù)和超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，利用數(shù)字式處理來實(shí)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(qiáng)、便于大規(guī)模集成、高性能指標(biāo)等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)有限沖激響應(yīng)濾波器或無限沖激響應(yīng)濾波器。由于數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，基帶信號的頻譜成形可通過數(shù)字方法實(shí)現(xiàn)。常用方法有查表法和濾波法。在用FPGA實(shí)現(xiàn)時(shí)，查表法不但節(jié)省硬件資源，而且能提高系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的最高頻率，以節(jié)省乘法器。對于時(shí)域函數(shù)，理論上是連續(xù)的，但在實(shí)際中，只要取有限樣點(diǎn)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(yīng)。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(shí)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(shí)際的通信系統(tǒng)中，發(fā)射機(jī)的時(shí)鐘速率和接收機(jī)的時(shí)鐘速率不一定完全相同，可能會(huì)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(shí)現(xiàn)位同步的主要方法有插入導(dǎo)頻法和直接法。插入導(dǎo)頻法是在基帶信號頻譜的零點(diǎn)處插入所需的位定時(shí)導(dǎo)頻信號，在接收端使用一個(gè)窄帶濾波器，從接收信號中提取出位同步時(shí)鐘，將接收信號通過移相、倒相和相加電路來消除導(dǎo)頻信號對進(jìn)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(guān)器的輸出值是采樣值的相對大小來判斷是否同步和調(diào)整方向。鎖相環(huán)法是采用時(shí)鐘誤差信號控制壓控振蕩器，實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘相位誤差調(diào)整，直接采樣就可以獲得接收信號的近似最佳采樣點(diǎn)。在數(shù)字接收機(jī)中，由于采用固定頻率的時(shí)鐘進(jìn)行采樣，所以當(dāng)抽樣時(shí)鐘與數(shù)據(jù)碼元不同步時(shí)，可以通過在非同步的抽樣數(shù)據(jù)之間進(jìn)行內(nèi)插，以得到同步的信號值點(diǎn)。

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(shí)引用，并注明出處。