載波恢復技術的算法

1、第四章載波恢復技術及其相關算法4.1 載波恢復的根本原理在數(shù)字傳輸系統(tǒng)中,接收端解調(diào)局部通常采用相干解調(diào) (同步解調(diào))的方法, 由于相干解調(diào)無論在誤碼率、檢測門限還是在輸出信噪比等方面較非相干解調(diào)都 具有明顯優(yōu)勢.相干解調(diào)要求在接收端必須產(chǎn)生一個與載波同頻同相的相干載 波.從接收信號中產(chǎn)生相干載波就稱為載波恢復.相干解調(diào)的優(yōu)越性是以接收端擁有準確相位的參考載波為前提的,如果頻率有誤差,解調(diào)就不能正常工作,如果相位有誤差,解調(diào)的性能就會下降.由于星 座點數(shù)多的QAM(如64QAM,256QAM)對載波相位抖動非常敏感,所以對DVB-C 系統(tǒng)的QAM調(diào)制方式來說,在接收端取得精確頻率和相位的相關載

2、波尤為重要.在數(shù)字傳輸系統(tǒng)中,由于收發(fā)端的本振時鐘不精確相等或者信道特性的快速 變化使得信號偏離中央頻譜,都會導致下變頻后的基帶信號中央頻率偏離零點, 從而產(chǎn)生一個變化的頻偏,同時,信號的相位在傳輸中也會受到影響,引起信號 的相位抖動.為了消除因此產(chǎn)生的載波頻偏 拉和相偏A.在數(shù)字傳輸系統(tǒng)接收端 的QAM解調(diào)器中需要通過載波恢復(Carrier recovery)環(huán)路來計算出信號中載波頻 偏與相偏,并將載波頻偏與相偏的值反應回混頻器來消除載波頻偏與相偏.本文論述采用特殊的鎖相環(huán)來獲得相干載波的方法,其根本思想是：對于經(jīng)過了下變頻、濾波器、定時恢復和均衡之后的信號,應用盲載波恢復,通過利用 鎖相

3、環(huán),提取出頻偏并且跟蹤相偏.4.2 載波恢復的具體方法以下介紹從抑制載波的己調(diào)信號中恢復相干載波的常用的方法：四次方環(huán) 法、同相正交環(huán)法、逆調(diào)制環(huán)法、判決反應環(huán)法.4.2.1 四次方環(huán)四次方環(huán)6的根本方法是將接收信號進行四次方運算,然后用選頻回路選出4fc分量,再進行四分頻,取得頻率為fc的相干載波.具體的四次方環(huán)載波恢復 框圖如圖4-1所示.圖4-1中接收到的射頻信號與本地振蕩器混頻,在中頻處理階段進行濾波和 自動增益限制后,升為四次幕,送入鎖相環(huán).鎖相環(huán)的作用是提取出載波的4倍頻分量,并濾除其它隨機分量.因此它可以輸出所需頻率.然后載波頻率乘以四, 如圖中X 4方框所示.這一步可以通過求輸

4、入信號的四次幕實現(xiàn).將接收信號通 過一個四方律器件得到接收信號的四次幕,同時相位角也變成原來的四倍.然后 將四方律器件輸出的四倍載頻除以四就可以恢復出載波了.本地振蕩射頻中頻/自動 增益限制輸出PLL*VCO基帶電路相干解調(diào)LPFPLL圖4-1四次萬環(huán)結構框圖4.2.2 科斯塔斯環(huán)Costas環(huán)Costa杯又稱為同相正交環(huán).它的優(yōu)點在于提取相干載波的同時完成了對I,Q兩路的解調(diào),而且性能也較好.其模擬的結構框圖如圖4-2所示：圖4-2科斯塔斯環(huán)模擬域結構框圖利用數(shù)字化基帶處理的方法,將模擬的 Costa/路的基帶處理電路用數(shù)字電 路來代替,即用模二和電路取代乘法器、增加判決器,可以大大提升環(huán)路

5、的性能 和可靠性.這種數(shù)字化基帶處理的Costa/在上個世紀70年代由日本人松尾首先 提出,所以又被稱為“松尾環(huán).其數(shù)字化結構圖如圖 4-3所示.提取相位誤差圖4-3松尾環(huán)結構框圖其鑒相表達式為：Se=S ®Sq©§i® &=sgn(S 艮£缶2)(4-1)簡化數(shù)字實現(xiàn)處理式是：Se =sgnsin(4 8)(4-2)4.2.3 逆調(diào)制環(huán)一種利用恢復的信碼脈沖對壓控振蕩器的信號進行再調(diào)制的逆調(diào)制環(huán)7如圖4-4所示.圖4-4逆調(diào)制環(huán)結構框圖逆調(diào)制環(huán)在環(huán)內(nèi)設置相位檢波器和判決器作為信碼再生部件,從輸入的中頻鍵控信號中恢復出信碼脈沖,并利用此

6、信碼脈沖對輸入的信號進行再調(diào)制,從而得到無調(diào)制的載波,并用它作為鑒相器的輸入信號；或利用信碼脈沖對壓控振蕩 器的信號進行調(diào)制,得到參考已調(diào)波,并將它作為鑒相器的參考信號.在這種方 式中,為了消除載波的相位模糊,通常在報頭內(nèi)發(fā)出假設干比特的載波恢復碼,而在接收端得到相位準確的載波.4.2.4 判決反應環(huán)DD-PLL傳統(tǒng)的面向判決鎖相環(huán)法(Decision Directed PLL,即DD-PLL ,亦稱判決反應 環(huán))的實現(xiàn)框圖網(wǎng)如圖4-5所示,首先,輸入的信號y(n)假定已經(jīng)經(jīng)過了自動增益 限制、定時恢復和均衡,y(n)與數(shù)控振蕩器的輸出相乘,產(chǎn)生相干解調(diào)信號 S(n), 軟n)為S(n)的逐電

7、平判決輸出.ry(n)JSe(n)圖4-5 DD-PLL的結構框圖-IDD-PLL的鑒相輸出為:(4-3)Se(n)=Im件 S(n)式中S(n)、S(n)分別是載波恢復環(huán)路輸入信號y(n)的軟判決和硬判決的值,軟n)是S(n)經(jīng)過判決器輸出的信號,Se(n)是鑒相器輸出的相位誤差信號,Im口表 示取虛部運算.鑒相器輸出Se(n)經(jīng)過環(huán)路濾波器后用于驅(qū)動數(shù)控振蕩器工作,數(shù)控振蕩器輸出的頻率就是我們需要的與信號同步的工作頻率.常用的DD算法9有以下兩種：(1) DD算法一該算法相位檢測器輸出的相位誤差為(4-4)Se(n)=ImcsgnS(n)U(S(n)-S(n)*其中,csgn(x) =sg

8、nRe(x)十j|_SgnIm( x) , sgn表示取符號位操作.該算法可以用QAM信號的星座圖來說明,見圖4-6.當接收的QAM信號點存在小的相位誤差 日時,以圖上A點為例說明,無相位誤差接收時的A點會圍繞坐標原點旋轉,落 在標有“+或“-的區(qū)域中,據(jù)此可以計算出相應的相位誤差,當信號落在 A 點上時,相位誤差為零,即接收的信號不存在相位誤差.DD算法二該算法相位檢測器輸出的誤差值為(4-5)Se(n)=SQ(n)j?I(n)-S(n)§Q(n)在接收信號信噪比擬低時,判決器的輸出 S(n)不可信,但是S(n)的符號位 還是比擬可信的.因此可以用sgn(S(n)來替代S(n),由

9、于sgnS(n)=sgnS(n), 所以上式可變?yōu)椋?4-6)Se(n)=SQ(n)sgnS|(n) -S|(n)_sgnSQ(n)直接使用DD算法,其載波恢復的頻偏捕獲范圍是比擬小的,一般低于80kHz0判決導向鎖相環(huán)采用全星座圖判決,在穩(wěn)定時的相位噪聲最小,所以實 際應用中DD算法可以用于載波頻偏捕獲之后對載波相位進行跟蹤,這樣可以獲 得較小的穩(wěn)態(tài)相位誤差.DD算法和通用環(huán)一樣,也是面向判決的,當載波頻偏或相偏太大時,無法 得到正確的符號判決值,此時將無法實現(xiàn)載波同步,所以 DD-PLL算法的載波捕 捉范圍比擬小.4.3 其它的載波恢復方法4.3.1 通用載波恢復環(huán)1983年,法國國家電信

10、中央實驗室萊耳特(A.Leclert)提出了一種專門用于QAM信號的通用載波恢復環(huán)簡稱為通用環(huán)10o其結構如圖4-7所示.圖4-7通用載波恢復環(huán)結構框圖這種環(huán)路結構簡單、容易實現(xiàn),從理論上說可以到達比擬理想的載波跟蹤. 這種環(huán)路從理論上說可以完全消除統(tǒng)計跟蹤法或矢量點扣除法所固有的碼型噪 聲,到達比擬理想的載波跟蹤.但是,當載波有比擬大的頻差時,判決很不可靠,使得取出的誤差也不可靠, 這時載波恢復環(huán)路無法很好地工作.只有當載波頻差很小時,判決比擬可靠了, 才能有效地恢復出載波,因此通用環(huán)一般只用于環(huán)路的跟蹤,即實現(xiàn)相位檢測 (PD)的功能.通用環(huán)的基帶處理函數(shù)可以表示為：Se =sgn(S -

11、S?i)©sgn(S3)-sgn(S3 §Q)Csgn(S)(4-7)式中Si、Sq為正交鑒相器輸出兩路基帶信號,？、Sq分別是S、Sq的判決 值.4.3.2 PFD 算法Hikmet Sari和Said Moridi提出了 PFD載波恢復算法,其原理框圖如圖 4-8所 示,該方法可以有效地增大載波恢復環(huán)的頻率跟蹤范圍,同時起到調(diào)頻和調(diào)相的作用.圖4-8PFD算法結構方框圖這種PFD是基于傳統(tǒng)的PD提出來的,其根本思想是檢測出載波相位的過零點, 只將過零點后的PD檢測值送給環(huán)路濾波器,并且這個值保存到下一個過零點的 到來,從統(tǒng)計上分析,該方法可以使檢測值具有與載波頻偏同樣極

12、性的直流輸出, 起到FD的作用.具體的做法是,對星座點設置一個窗口,如果信號落在窗口內(nèi), 就認為載波誤差在零點附近,用 PD算法提取相位誤差,否那么就保持上一次的檢 測值.這種PFD算法將FD和PD相結合,大大擴展了環(huán)路捕捉的范圍.但是由于只 利用了 QAM星座圖中對角線上的信號,造成載波相位抖動增大.因此在環(huán)路鎖 定后,利用限制邏輯切換到PD方式下工作,對所有的信號點都進行相位檢測,以此減小穩(wěn)態(tài)相位抖動.該算法對噪聲比擬敏感,高階 QAM的兩個星座點間的 相位間隔太小,只能對付比擬小的載波頻率誤差.這種 PFD算法應用在我們的 DVB-C系統(tǒng)中,需要輔助較多的掃頻回合.4.3.3 極性判決相

13、位檢測算法為了更好地提升載波捕捉范圍,Kim和Choi提出了極性判決相位檢測算法11 用于高階QAM的載波恢復.實現(xiàn)結構如圖4-9所示,根本思想和DD-PLL方法一 樣,同時結合了功率檢測,并且用極性判決替換逐電平判決, 減小了鑒相輸出對 精確判決靈敏度的影響.y(n)r圖4-9極性判決算法的結構框圖極性判決算法中,功率檢測電路輸出限制信號,決定符號是否被處理.當滿 足S(n)2 at2時進行判決,當|S(n)2 Mt2時PD狀態(tài)保持不變,即Se(n)=0.其中七 表示門限值,該值可根據(jù)不同模式及所選擇有用信號而改變,以便適合不同頻偏 系統(tǒng).極性判決對I、Q兩路分別進行判決,輸出：Se(n)=

14、sgnS I(n)+j sgnSQ(n)= -1 -j當不判決時,鑒相器輸出Se(n)=0.判決允許時,Se,郝 3丁鳴那么鑒相器輸出如下式所示：Se(n)=_22S(n) >t2(4-8)其他22S(n) >t2其他Sq (n)sgnS (n)-S| (n)sgnSQ(n) 2該算法隨著t的增大,被處理的符號減少,鎖定誤差范圍減小,當 t等于9.3 時,理論上可以消除鎖定誤差.但是t取值太大時,被判決的符號會大大減小. 為了更好的追蹤,需要減小門限值T.隨著丁減小,輸出抖動方差卻不斷增大.這是Se(n)的非準確判決造成的,Se(n)只有四個取值-3冗/4,-冗/4,冗/4,3冗/4, 分別對應了對角線