數(shù)字接收機(jī)中位同步器的研制　

數(shù)字鎖相環(huán)^[4](DPLL)位同步器具有體積小、成本低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，避免了模擬器件所固有的溫漂、VCO非線性、器件易飽和等缺點(diǎn)，因而在同步數(shù)字通信系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。數(shù)字鎖相環(huán)位同步器原理框圖如圖3所示。

　　數(shù)字鎖相環(huán)主要由高穩(wěn)定的晶振、分頻器、相位比較器、序列濾波器和控制器組成。位同步時(shí)鐘由晶振和分頻器分頻后產(chǎn)生。如果位時(shí)鐘信號(hào)超前于接收碼元相位躍變時(shí)，則扣除脈沖門(mén)減去一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，進(jìn)而使本地時(shí)鐘相位減少一個(gè)時(shí)間間隔。這個(gè)時(shí)間間隔是由分頻器的最小時(shí)間間隔決定。相反，則加上一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，使本地時(shí)鐘前進(jìn)一個(gè)時(shí)間間隔。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是不需要專(zhuān)門(mén)提供位同步信號(hào)，缺點(diǎn)是接收基帶信號(hào)不能出現(xiàn)長(zhǎng)串“0”和“1”，否則會(huì)導(dǎo)致鎖相環(huán)失鎖。圖3中的序列濾波器可以濾除噪聲的干擾，降低由轉(zhuǎn)換時(shí)間產(chǎn)生的隨機(jī)抖動(dòng)。數(shù)字鎖相環(huán)是目前使用較多的一種技術(shù)，具有工作頻率高、寬帶寬、頻譜質(zhì)量好、控制靈活、體積小和成本低等優(yōu)點(diǎn)，但是其頻率分辨率低、頻率建立時(shí)間長(zhǎng)、相位噪聲性能較差和碼率適應(yīng)性差。全數(shù)字接收機(jī)的插值法位時(shí)鐘恢復(fù)的結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

　　要計(jì)算出正確的內(nèi)插值，需要知道正確的插值基點(diǎn)和小數(shù)插值間隔，這是由插值控制器來(lái)計(jì)算^[4-5]的。理想的插值濾波器是非因果的，物理上是不可實(shí)現(xiàn)的。因?yàn)樗枰獰o(wú)窮多個(gè)信號(hào)樣值點(diǎn)。實(shí)際上，也沒(méi)有必要在解調(diào)中完全恢復(fù)接收信號(hào)r(t)的任何時(shí)刻的值。常用的內(nèi)插濾波器有線性?xún)?nèi)插器、拉格朗日內(nèi)插器和最佳低通濾波器構(gòu)成的內(nèi)插器。線性?xún)?nèi)插器要求兩個(gè)樣值點(diǎn)參與運(yùn)算，而拉格朗日內(nèi)插器需要多個(gè)樣值點(diǎn)參與運(yùn)算，所以拉格朗日內(nèi)插器性能要優(yōu)于線性?xún)?nèi)插器。多項(xiàng)式內(nèi)插器適合基帶信號(hào)的樣點(diǎn)速率超出其奈奎斯特速率多倍的情況，而由最佳低通濾波器構(gòu)成的內(nèi)插器更適合于基帶信號(hào)的樣點(diǎn)速率大于其奈奎斯特速率的情況。

2.2 簡(jiǎn)單數(shù)字位同步器的設(shè)計(jì)

　　直接法提取位同步時(shí)鐘的方法主要是通過(guò)接收數(shù)據(jù)有碼元0和1變換進(jìn)行計(jì)算得到碼元最佳采樣時(shí)刻。由圖1和圖2可以看出，平方根升余弦成形濾波器近似為Sinc函數(shù)，經(jīng)過(guò)脈沖成形后的碼元數(shù)據(jù)近似為升余弦的形狀。對(duì)于單個(gè)碼元1來(lái)說(shuō)，理想情況是采樣時(shí)刻是成形濾波器最大值。在FPGA實(shí)現(xiàn)時(shí)，運(yùn)算速度和精度會(huì)限制其性能。特別是，通過(guò)內(nèi)插來(lái)恢復(fù)數(shù)字位同步時(shí)鐘的方法運(yùn)算量大，所占硬件資源多，會(huì)限制芯片的應(yīng)用。

　　假設(shè)接收端第i個(gè)碼元的數(shù)字信號(hào)表示為，對(duì)每個(gè)碼元的采樣點(diǎn)數(shù)M進(jìn)行統(tǒng)計(jì)求取最大值作為這個(gè)碼元的最佳采樣點(diǎn)，送入判決器。具體實(shí)現(xiàn)如圖5所示。

　　在圖5中，最佳采樣點(diǎn)位置。

3 仿真結(jié)果

　　多進(jìn)制移相鍵控(MPSK)具有較高的頻帶利用率，在高數(shù)據(jù)率通信系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。對(duì)所涉及的簡(jiǎn)單位同步器在QPSK通信系統(tǒng)中進(jìn)行仿真，碼元周期為0.1μs，每個(gè)碼元采樣率是碼率的8倍，平方根升余弦濾波器采用如圖1所示(滾降因子為0.5)設(shè)計(jì)，一幀數(shù)據(jù)包含128個(gè)符號(hào)，這里對(duì)每幀數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)來(lái)尋找最佳采樣點(diǎn)。圖6和圖7分別給出了理想信道和加性高斯白噪聲信道下基帶信號(hào)經(jīng)過(guò)匹配濾波器后的最佳采樣信號(hào)(左圖)和偏移最佳采樣點(diǎn)一個(gè)位置的信號(hào)星座圖(右圖)。由圖6和圖7可以看出，最佳采樣的信號(hào)星座圖比非最佳采樣的信號(hào)星座圖更緊湊。這也證明了最佳采樣位置的正確性。

　　對(duì)QPSK系統(tǒng)的性能仿真圖如圖8所示。由圖8可以看出，所提到的位同步器誤比特曲線與理論曲線相重合，并無(wú)性能損失。而非最佳位置采樣的誤比特率比最佳位置采樣的誤比特?fù)p失約1dB。因此，這種同步方法具有可實(shí)現(xiàn)性和正確性。

4 結(jié)論

　　本文所提的位同步算法是直接從數(shù)字信號(hào)中提取位同步信號(hào)，而不需要數(shù)字鎖相環(huán)和插值濾波器等模塊，因而具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，復(fù)雜度低，性能優(yōu)良等特點(diǎn)。但是，這種位同步器的應(yīng)用具有一定的局限性，它只能用在具有脈沖成形模塊和接收端高倍采樣的系統(tǒng)中。

參考文獻(xiàn)：

　　[1]姜宇柏,游思晴.軟件無(wú)線電原理與工程應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

　　[2]樊昌信,張甫翊,徐炳祥,等.通信原理(第5版)[M].北京：國(guó)防大學(xué)出版社,2006.6.

　　[3]張公禮.全數(shù)字接收機(jī)理論與技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社,2005.

　　[4]Floyd M.Gardner.鎖相環(huán)技術(shù)(第3版)[M].北京：人民郵電出版社,2007,11.

　　[5]Floyd M Gardner. Interpolation in digital modems part I: fundamentals. IEEE Trans Comm., 1993,41(3):501-507.

　　[6]Erup L and Gardner F M and Harris R A. Interpolation in digital modems part II: implementation and performance. IEEE Trans Comm., 1993,41(6).

本文來(lái)源于中國(guó)科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第8期第46頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。