WiMAX中的载波恢复技术研究_硕士论文_学位论文
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WiMAX中的载波恢复技术研究
关键词: &&&&&&&&&
类　型: 硕士论文
年　份: 2006年
下　载: 405次
引　用: 0次
本文的工作分为两部分，第一部分为数字微波链路中载波恢复技术的研究；第二部分为WiMAX中载波恢复技术的研究。
在与国人公司合作的3G基站互联项目中，为了高效率的利用频带，我们采用了基于QAM调制的数字微波链路的设计方案。在高阶QAM调制解调器设计中，由于QAM信号本身结构所具有的特点，它容易受信道中各种衰落、失真等因素的影响，而解调中再生载波的相位误差、相位抖动等对QAM系统的信噪比恶化特别敏感。因此如何高精度地恢复QAM系统中的载波，是提高系统实际性能的关键问题。文章第一部分在分析总结了经典算法的优缺点的基础上，提出了QAM载波恢复环路设计中的三大问题：一是要有一个足够大的捕捉范围，足以捕捉到发送端和接收端的最大频差；二是在稳态时达到足够小的相位抖动来满足高阶QAM调制的要求；三是消除载波恢复算法带来的nπ／2相位模糊。针对这三个问题，本文的载波恢复环路采用一个鉴频器(FD)加一个鉴相器(PD)的结构，并采用差分相关编码消除了该载波恢复算法带来的nπ／2相位模糊。该结构中的FD采用了RCFD，它与传统的GFD相比有着类似的性能，而且通过在时域匹配滤波器的结构上衍生出频域匹配滤波器结构，大大节省了实现开销；该结构中的PD采用了改进的算法，该算法在环路中添加了一个平均器来统计一段时间误差的平均值，根据误差大小来控制环路中的增益因子，从而防止了噪声的扩散。仿真表明，该载波恢复环路可以达到±300KHz的捕获范围，信噪比大于13dB时，稳态时的频率误差能控制在±5KHZ以内，在10e-3误码率时，改进后的环路误码率比改进前约有了2.5dB的提高。
OFDM是一种多载波调制技术，具有频谱效率高、抗多径干扰能力强、均衡简单等突出优点，被看作下一代无线局域网的标准和4G移动通信的支撑技术。而OFDM系统设计中的难点之一就是OFDM系统对载波频率同步的精度要求特别高。载波频偏对OFDM系统影响有两大方面：一方面它使得星座图发生了旋转；另一方面它破坏了子载波间的正交性，带来了载波间干扰。文章第二部分先分析了几种经典的OFDM载波频偏捕获算法和载波频偏跟踪算法，然后分小数频偏估计、整数频偏估计、残留相偏估计三部分介绍了自己的OFDM载波恢复算法。其中小数频偏估计部分详细分析了算法和共轭对称算法的性能，再作出比较之后，选择了估计范围大，误差小的SCA算法；整数频偏估计部分采用了只用一个前导符号，利用PN序列的相关性来估计整数频偏的简化算法，并验证了该算法在多径信道下的可行性；残留相偏估计部分采用利用进行相偏跟踪的方法，并采用补偿后估计的结构来增加估计的精度。
摘要&&4-5Abstract&&5-8第一章 绪论&&8-12&&1.1 WiMAX技术背景介绍&&8-9&&&&1.1.1 WiMAX协议标准的发展&&8-9&&&&1.1.2 WiMAX的应用与前景&&9&&&&1.1.3 WiMAX面临的挑战&&9&&1.2 高速单载波调制技术简介&&9-10&&&&1.2.1 数字微波技术简介&&9-10&&&&1.2.2 数字微波通信的特点&&10&&1.3 本文的主要内容及结构&&10-12第二章 载波恢复环路设计&&12-30&&2.1 QAM载波恢复设计方法综述&&12&&2.2 QAM载波同步性能对解调信号的影响&&12-13&&2.3 几种经典的非数据辅助载波恢复算法&&13-17&&&&2.3.1 四次方载波恢复法&&13-15&&&&2.3.2 同相―正交环载波恢复算法&&15&&&&2.3.3 通用载波恢复环路&&15-16&&&&2.3.4 GFD(Gardner’s frequency detector)频率检测器&&16-17&&2.4 本文的QAM载波环路设计&&17-30&&&&2.4.1 QAM载波恢复环路设计中的三个问题&&17-18&&&&2.4.2 用RCFD实现频率检测器&&18-20&&&&2.4.3 用改进的算法实现 PD&&20-25&&&&&&2.4.3.1 传统的DD算法&&20-22&&&&&&2.4.3.2 改进的DD算法&&22-25&&&&2.4.4 用差分相关编码消除1/2nπ相位模棚&&25-30&&&&&&2.4.4.1 相位模糊对载波恢复的影响&&25-26&&&&&&2.4.4.2 差分相关编码&&26-30第三章 基于IEEE802.16的系统介绍&&30-38&&3.1 OFDM技术原理及概念简介&&30-34&&&&3.1.1 OFDM技术的发展和演进&&30-31&&&&3.1.2 OFDM基本原理&&31-32&&&&3.1.3 用FFT实现OFDM&&32-33&&&&3.1.4 OFDM基带系统的结构&&33&&&&3.1.5 OFDM中的保护间隔和循环前缀&&33-34&&3.2 IEEE802.16协议及有关概念简介&&34-38&&&&3.2.1 IEEE802.16协议简介&&34-36&&&&3.2.2 IEEE802.16标准中的前导序列&&36-37&&&&3.2.3 IEEE802.16标准中的结构&&37-38第四章 基于WiMAX的OFDM载波恢复环路设计&&38-68&&4.1 OFDM载波恢复环路设计综述&&38&&4.2 载波频偏对OFDM调制的影响&&38-42&&4.3 几种经典OFDM载波频偏捕获算法&&42-54&&&&4.3.1 基于训练符号的载波频偏捕获算法&&42-48&&&&&&4.3.1.1 算法&&42-44&&&&&&4.3.1.2 ESCA算法&&44-46&&&&&&4.3.1.3 基于共轭对称训练结构的载波恢复法&&46-48&&&&4.3.2 利用循环前缀捕获载波频偏&&48-51&&&&4.3.3 利用导频子载波进行载波频偏估计&&51-54&&&&&&4.3.3.1 Classen和Meyr的导频子载波频偏估计算法&&51-52&&&&&&4.3.3.2 利用虚载波实现载波频偏捕获&&52-54&&4.4 两种典型载波频偏跟踪算法&&54-55&&&&4.4.1 J. J.van de Beek等提出的ML算法&&54-55&&&&4.4.2 M.Luise等提出的NL算法&&55&&4.5 基于802.16的OFDM载波频偏估计&&55-68&&&&4.5.1 小数频偏估计&&55-61&&&&&&4.5.1.1 SCA算法小数频偏估计性能&&55-57&&&&&&4.5.1.2 共轭对称算法小数频偏估计性能分析&&57-59&&&&&&4.5.1.3 SCA算法与共轭对称算法在小数频偏估计性能上的比较&&59-61&&&&4.4.2 整数频偏估计&&61-64&&&&&&4.4.2.1 802.16a载波系统中的整数频偏&&61-62&&&&&&4.4.2.2 利用单个前导符号估计整数频偏&&62&&&&&&4.4.2.3 单前导符号估计方法在频率选择性信道下的可行性&&62-64&&&&4.4.3 利用导频进行残余相位跟踪&&64-68第五章 结束语&&68-70&&5.1 全文小结&&68&&5.2 下一步工作建议&&68-70参考文献&&70-72攻读硕士期间发表的文章和参加的项目&&72-74致谢&&74
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实验八PSK 信号载波恢复
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3秒自动关闭窗口导读：载波同步，同步是通信系统中一个重要的实际问题，当采用同步解调或相干检测时，或称为载波同步，载波同步系统的主要性能指标是高效率和高精度，稳态相差主要是指载波信号通过同步信号提取电路一后，随机相差是由于随机噪声的影响而引起同步信号的相位误差，载波同步系统的性能除了高效率、高精度外，还要求同步建立时间快、保持时间长等，本实验是采用科斯塔斯环法提取同步载波的，PN是32K伪随机码信号源：128K同步正载波同步 实验目的
1、掌握用科斯塔斯（Costas）环提取相干载波的原理与实现方法。 2、了解相干载波相位模糊现象的产生原因。
1、观察科斯塔斯环提取相干载波的过程。 2、观察科斯塔斯环提取的相干载波，并做分析。
1、通信原理 0 号模块
一块 2、通信原理 3 号模块
一块 3、通信原理 7 号模块
一块 4、示波器
1、基本原理 同步是通信系统中一个重要的实际问题。当采用同步解调或相干检测时，接收端需要提供一个与发射端调制载波同频同相的相干载波。这个相干载波的获取方法就称为载波提取，或称为载波同步。 提取载波的方法一般分为两类：一类是在发送有用信号的同时，在适当的频率位置上，插入一个（或多个）称为导频的正弦波，接收端就由导频提取出载波，这类方法称为导频插入法；另一类就是不专门发送导频，而在接收端直接从发送信号中提取载波，这类方法称为直接法。下面就重点介绍直接法的两种方法。 1）平方变换法和平方环法 设调制信号为 ， 中无直流分量，则抑制载波的双边带信号为
接收端将该信号进行平方变换，即经过一个平方律部件后就得到
（17-1） 由式（17-1）看出，虽然前面假设了 中无直流分量，但 中却有直流分量，而 表示式的第二项中包含有2ωc频率的分量。若用一窄带滤波器将2ωc频率分量滤出，再进行二分频，就获得所需的载波。根据这种分析所得出的平方变换法提取载波的方框图如图17-1所示。若调制信号 ＝±1，该抑制载波的双边带信号就成为二相移相信号，这时
图17-1 平方变换提取载波 因而，用图17-1所示的方框图同样可以提取出载波。 由于提取载波的方框图中用了一个二分频电路，故提取出的载波存在180°的相位模糊问题。对移相信号而言，解决这个问题的常用方法是采用相对移相。 平方交换法提取载波方框图中的 窄带滤波器若用锁相环代替，构成如图17-2所示的方框图，就称为平方环法提取载波。由于锁相环具有良好的跟踪、窄带滤波和记忆性能，平方环法比一般的平方变换法具有更好的性能。因此，平方环法提取载波应用较为广泛。
图17-2 平方环法提取载波 2）科斯塔斯环法 科斯塔斯环又称同相正交环，其原理框图如下：
图17-3 科斯塔斯环原理框图 在科斯塔斯环环路中，误差信号V7是由低通滤波器及两路相乘提供的。压控振荡器输出信号直接供给一路相乘器，供给另一路的则是压控振荡器输出经90o移相后的信号。两路相乘器的输出均包含有调制信号，两者相乘以后可以消除调制信号的影响，经环路滤波器得到仅与压控振荡器输出和理想载波之间相位差有关的控制电压，从而准确地对压控振荡器进行调整，恢复出原始的载波信号。 现在从理论上对科斯塔斯环的工作过程加以说明。设输入调制信号为 ，则
（17-4） 经低通滤波器后的输出分别为：
将v5和v6在相乘器中相乘，得，
（17-5） （17-5）中θ是压控振荡器输出信号与输入信号载波之间的相位误差，当θ较小时，
（17-6） （17-6）中的v7大小与相位误差θ成正比，它就相当于一个鉴相器的输出。用v7去调整压控振荡器输出信号的相位，最后使稳定相位误差减小到很小的数值。这样压控振荡器的输出就是所需提取的载波。 载波同步系统的主要性能指标是高效率和高精度。所谓高效率就是为了获得载波信号而尽量少消耗发送功率。用直接法提取载波时，发端不专门发送导频，因而效率高；而用插入导频法时，由于插入导频要消耗一部分功率，因而系统的效率降低。所谓高精度，就是提取出的载波应是相位尽量准确的相干载波，也就是相位误差应该尽量小。相位误差通常由稳态相差和随机相差组成。稳态相差主要是指载波信号通过同步信号提取电路一后，在稳态下所引起的相差；随机相差是由于随机噪声的影响而引起同步信号的相位误差。相位误差对双边带信号解调性能的影响只是引起信噪比下降，对残留边带信号和单边带信号来说，相位误差不仅引起信噪比下降，而且还引起信号畸变。 载波同步系统的性能除了高效率、高精度外，还要求同步建立时间快、保持时间长等。
2、电路组成 本实验是采用科斯塔斯环法提取同步载波的。由“PSK”输入的PSK调制信号分两路输出至两模拟乘法器（MC1496）的输入端，乘法器1（U2）与乘法器2（U5）的载波信号输入端的输入信号分别为0相载波信号与π/2相载波信号。这样经过两乘法器输出的解调信号再通过有源低通滤波器滤掉其高频分量，由乘法器U4（MC1496）构成的相乘器电路，去掉数字基带信号中的数字信息。得到反映恢复载波与输入载波相位之差的误差电压Ud, Ud经过压控晶振CRY1（16.384M）后，再进入CPLD（EPM240T）进行128分频，输出 0相载波信号。 该解调环路的优点是：
①该解调环在载波恢复的同时，即可解调出数字信息。
②该解调环电路结构简单，整个载波恢复环路可用模拟和数字集成电路实现。 但该解调环路的缺点是：存在相位模糊。 当解调出的数字信息与发端的数字信息相位反相时，即相干信号相位和载波相位反相，则按一下按键开关S1，迫使CPLD复位，使相干信号的相位与载波信号相位同频同相，以消除相位误差。然而，在实际应用中，一般不用绝对移相，而用相对移相，采用相位比较法克服相位模糊。
科斯塔斯环法提取载波方框图
1、按照下表进行实验连线： 源端口 目的端口 连线说明 信号源：PN（32K） 模块3：PSK-NRZ S4拨为“1010”，PN是32K伪随机码 信号源：128K同步正弦模块3：PSK载波 提供PSK调制载波，幅度为4V 波 模块3：PSK-OUT 模块7：PSKIN 提供载波同步提取输入 2、参考如下方式连接示波器和测试点： 示波器通道 目标测试点 说明 通道１ 模块0：128K同步正弦波 输入载波信号 通道２ 模块7：载波输出 输出载波信号 启动仿真开关，开启各模块的电源开关。 3、将信号源模块上S5拨为“1010”，将模块3上开关K3拨到“PSK”端。 4、以信号源输出点“128K同步正弦波”为触发源，用示波器观察信号源输出点“128K同步正弦波”与模块7的信号输出点“载波输出”的波形。 5、如果示波器两路信号反向，按复位开关S1使其同相。此时“载波输出”点输出的信号就是从输入的PSK调制信号中提取出来的0相载波。 6、用示波器观察模块7的信号输出点“载波输出”的频率，可以观察到此时波形的频率为128KHz。
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