高速移動條件下位同步器的設計

摘要：在通信系統中，會遇到發射機和接收機具有相對運動的情況，這將導致接收到的信號含有多普勒頻移。多普勒頻移使接收的信號相位發生旋轉偏移，這對具有基帶成形濾波器通信系統中的位同步器設計產生影響。如何在多普勒頻移條件下設計出簡單可行的位同步器是通信系統中的一個關鍵技術。

引言

　　在通信系統中，通常會遇到發送端和接收端存在相對移動的情況，這使得接收信號存在較大的多普勒頻移。多普勒頻移的計算公式[1]為fD=vcosθ/λ，其中fD是多普勒頻移，v是發送端和接收端的相對移動速度，θ是入射波與移動方向的夾角，λ是發射波的波長。當相對運動速度v=1.2km/s，載波頻率fc=2GHz，則多普勒頻移的最大值fD=8kHz。當碼速率fs=5Mbits/s時，由fD引起的相鄰碼元間相位變化為0.576°，幀長為96bits時，首尾碼元間相位變化為73.728°。這將使得對相位調制系統(PSK、QAM、MSK等)不能直接正確地解調數據。

　　由于數字基帶信號波形是矩形脈沖，因而其高頻成分比較豐富，頻域占用的頻帶很寬。這使得當信號通過帶限信道時，相鄰符號的碼元內產生碼間干擾，導致接收機在解調碼元時誤碼率增加。因此，基帶成形濾波器在不增加信道帶寬的情況下，可以減小碼間干擾，降低基帶信號的帶寬，提高頻帶利用率。其中，平方根升余弦濾波器是應用較為廣泛的基帶成形濾波器。

　　在高速移動條件下，通信系統中位同步器的設計將受到多普勒頻移的影響，本文針對這種情況進行研究，對所提出的算法進行了理論研究和理論仿真。

1 多普勒頻移

　　相移鍵控(PSK)調制方式在高速數據通信[2]中應用廣泛。這種調制方式具有頻帶利用率高和實現簡單等優點。當系統存在多普勒頻移時，其系統框圖如圖1所示。

　　圖1所示的通信系統模型與傳統的通信系統模型相比，主要區別是接收端增加了一個多普勒頻移估計與校正模塊。其原因是信號經過信道之后，產生了多普勒頻移。多普勒頻移的直接影響可通過信號的星座圖直接展現。圖2給出了加性高斯白噪聲(AWGN)信道下E_b/N₀=10dB的 QPSK信號星座圖(左)和存在頻偏的QPSK信號星座圖(右)。

　　由圖2可以看出，多普勒頻移使得QPSK信號的相位發生偏移，無法直接進行解調，需要對多普勒頻移進行估計與校正。

2 位同步器

　　在實際的通信系統中，發射機的時鐘速率和接收機的時鐘速率可能會存在一定的偏差，這將導致系統無法采樣到最佳的同步數據，從而影響整個系統的性能。位同步是數字通信系統接收端的關鍵技術，它是正確采樣判決的基礎。實現位同步的主要方法^[3]有插入導頻法和直接法。插入導頻法是在基帶信號頻譜的零點處插入所需的位定時導頻信號，在接收端使用一個窄帶濾波器，從接收信號中提取出位同步時鐘，將接收信號通過移相、倒相和相加電路來消除導頻信號對進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字信號中提取位同步信號，主要有提前-滯后門同步算法和鎖相環法。

　　平方根升余弦濾波器引入滾降系數，具有平滑的過渡帶，消除了理想低通濾波器設計上的困難，具有很好的實用性。圖3給出了理想無噪聲情況下的基帶碼元、平方根升余弦濾波器成形后的基帶信號和匹配濾波器之后的基帶信號時域波形圖。由圖3可以看出，經過平方根升余弦成形后的信號波形不再是矩形脈沖，其上升沿和下降沿是緩變的，因而高頻成分比較少，頻域占用的頻帶窄。經過匹配濾波器后的數據，找到最佳采樣位置能夠保證接收機的正確解調。

3 設計與仿真

　　在對具有多普勒頻移系統中的位同步設計時，需要先去除多普勒頻移的影響。多普勒頻移估計的方法有盲估計算法^[4]和采用訓練序列估計算法^[5]。由于采用訓練序列估計多普勒頻移算法精度高，這里采用訓練序列算法對多普勒頻偏估計，然后對頻偏進行校正。再對接收的信號進行位同步計算。具體理論實現框圖如圖4所示。

　　對QPSK通信系統^[6]進行仿真，多普勒頻移f_D=8kHz，碼速率f_s=5Mbits/s，8倍內插，平方根升余弦濾波器 (滾降因子為0.5)，一幀數據包含96個符號。使用MATLAB軟件對本文所提算法進行仿真，并與不存在多普勒頻移的系統性能仿真曲線進行對比(這里使用軟件進行分析，具體硬件實現暫不討論)。圖5給出了所提系統與基本系統的性能仿真曲線比較圖。

　　由圖5可以看出，所設計的位同步器在通信系統中的誤比特曲線與理論曲線相近，并無明顯的性能損失。

4 結論

　　通過對所提位同步算法的理論分析結果可知，此算法具有實現簡單、復雜度低等特點。多普勒頻移并沒有對其產生明顯的性能影響，主要原因是位同步器在尋找最佳位置時，通過求模來找出最大點，從而消除了多普勒頻移的影響。

參考文獻：

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　　[5]代延村,李宇,常樹龍,等.高速移動條件下的多普勒估計與校正[J].現代電子技術:2011,34(20).

　　[6]季仲梅,楊洪生,王大鳴,等.通信中的同步技術及應用[M].北京:清華大學出版社,2008:2.

本文來源于中國科技期刊《電子產品世界》2016年第5期第57頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。