載波恢復(fù)技術(shù)的算法分析

1、第四章載波恢復(fù)技術(shù)及其相關(guān)算法載波恢復(fù)的基本原理在數(shù)字傳輸系統(tǒng)中，接收端解調(diào)部分通常采用相干解調(diào) (同步解調(diào))的方法， 因為相干解調(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(fù)。相干解調(diào)的優(yōu)越性是以接收端擁有準(zhǔn)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。因為星 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(guān)載波尤為重

2、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心頻譜，都會導(dǎo)致下變頻后的基帶信號中心頻率偏離零點， 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(fù)(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饋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，其基本思想是：對于經(jīng)過了下變頻、濾波器、定時恢復(fù)和均衡之后的信號，應(yīng)用盲載波恢復(fù)，通過利用 鎖相環(huán)，提取

3、出頻偏并且跟蹤相偏。載波恢復(fù)的具體方法以下介紹從抑制載波的己調(diào)信號中恢復(fù)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、判決反饋環(huán)法。四次方環(huán)四次方環(huán)6的基本方法是將接收信號進(jìn)行四次方運算，然后用選頻回路選出4fc分量，再進(jìn)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(fù) 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(jìn)行濾波和 自動增益控制后，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(jī)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入信號的四次幕實現(xiàn)。將接收信

4、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(fù)出載波了。7本地振蕩射頻中頻/自動 增益控制輸出PLL*VCO基帶電路相干解調(diào)LPFPLL圖4-1四次萬環(huán)結(jié)構(gòu)框圖科斯塔斯環(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(jié)構(gòu)框圖如圖4-2所示：Sq (t)VCOLF圖4-2科斯塔斯環(huán)模擬域結(jié)構(gòu)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，可以大大提高環(huán)路的性能 和可

5、靠性。這種數(shù)字化基帶處理的Costa/在上個世紀(jì)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(jié)構(gòu)圖如圖 4-3所示。提取相位誤差圖4-3松尾環(huán)結(jié)構(gòu)框圖其鑒相表達(dá)式為： TOC o 1-5 h z Se=?i Q12 =sgn(Skb)(4-1)簡化數(shù)字實現(xiàn)處理式是：Se =sgnsin(48)(4-2)逆調(diào)制環(huán)一種利用恢復(fù)的信碼脈沖對壓控振蕩器的信號進(jìn)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(jié)構(gòu)框圖逆調(diào)制環(huán)在環(huán)內(nèi)設(shè)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(fù)出信碼脈沖，并利用此信碼脈沖對輸入的信號進(jìn)行再調(diào)制，從而得到無調(diào)制的載波，并用它作為鑒

6、相器的輸入信號；或利用信碼脈沖對壓控振蕩 器的信號進(jìn)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)出若干比特的載波恢復(fù)碼，而在接收端得到相位準(zhǔn)確的載波。判決反饋環(huán)DD-PLL傳統(tǒng)的面向判決鎖相環(huán)法(Decision Directed PLL,即DD-PLL ,亦稱判決反饋 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 控制、定時恢復(fù)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), &n)為S(n)的逐電平判決輸出。y(n)r圖4-5 DD-PLL的結(jié)構(gòu)框圖DD-PLL的鑒相輸出為:

7、(4-3)Se(n)=Im科S(n)式中S(n)、S(n)分別是載波恢復(fù)環(huán)路輸入信號y(n)的軟判決和硬判決的值，(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：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)&S(n)S(n)*其中，csgn(x) =sgnRe(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

8、4-6。當(dāng)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(biāo)原點旋轉(zhuǎn)，落 在標(biāo)有“+”或“-”的區(qū)域中，據(jù)此可以計算出相應(yīng)的相位誤差，當(dāng)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。d卜I圖4-6 QAM星座圖DD算法二該算法相位檢測器輸出的誤差值為Se(n尸SqS)LSi (n)昱(4-5)在接收信號信噪比較低時，判決器的輸出 S(n)不可信，但是S(n)的符號位 還是比較可信的。因此可以用sgn(S(n)來替代S(n),因為sgnS(n)=sgnS(n), 所以上式可變?yōu)椋篠e(n尸SQ(n)歸gnS(n) S(n*gnSQ(n)(

9、4-6)直接使用DD算法，其載波恢復(fù)的頻偏捕獲范圍是比較小的，一般低于80kHz0判決導(dǎo)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(yīng)用中DD算法可以用于載波頻偏捕獲之后對載波相位進(jìn)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(dāng)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較小。其它的載波恢復(fù)方法通用載波恢復(fù)環(huán)1983年，法國國家電信中心實驗室萊耳特(A.Leclert)提出了一種專門用于QAM信號的通用載波恢復(fù)環(huán)簡稱為通用環(huán)10o其結(jié)構(gòu)如圖4-7所示。圖4-7通用載波恢復(fù)環(huán)結(jié)構(gòu)

10、框圖這種環(huán)路結(jié)構(gòu)簡單、容易實現(xiàn)，從理論上說可以達(dá)到比較理想的載波跟蹤。 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，達(dá)到比較理想的載波跟蹤。但是，當(dāng)載波有比較大的頻差時，判決很不可靠，使得取出的誤差也不可靠， 這時載波恢復(fù)環(huán)路無法很好地工作。只有當(dāng)載波頻差很小時，判決比較可靠了， 才能有效地恢復(fù)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 -i)sgn(?Q)-sgn(S3 -Q)sgn(JS)(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。PFD

11、 算法Hikmet Sari和Said Moridi提出了 PFD載波恢復(fù)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(fù)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(jié)構(gòu)方框圖這種PFD是基于傳統(tǒng)的PD提出來的，其基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，并且這個值保留到下一個過零點的 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性的直流輸出， 起到FD的作用。具體的做法是，對星座點設(shè)置一個窗口，如果信號落在窗口內(nèi)， 就認(rèn)為載波誤差在零點附近，用 PD算法提取相位誤差，否則就保持上一次的檢 測值。這種PFD算法將

12、FD和PD相結(jié)合，大大擴(kuò)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，利用控制邏輯切換到PD方式下工作，對所有的信號點都進(jìn)行相位檢測，以此減小穩(wěn)態(tài)相位抖動。該算法對噪聲比較敏感，高階 QAM的兩個星座點間的 相位間隔太小，只能對付比較小的載波頻率誤差。這種 PFD算法應(yīng)用在我們的 DVB-C系統(tǒng)中，需要輔助較多的掃頻回合。極性判決相位檢測算法為了更好地提高載波捕捉范圍，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(fù)。實現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖4-9所示，基本思想和DD-PLL方法一 樣，同時結(jié)合了功率檢測，并且用極性

13、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)圖4-9極性判決算法的結(jié)構(gòu)框圖極性判決算法中，功率檢測電路輸出控制信號，決定符號是否被處理。當(dāng)滿 足S(n)2 at2時進(jìn)行判決，當(dāng)|S(n)24d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(jìn)行判決，輸出：Se(n尸sgnS(n)+jL_sgn徒(n)= 一1 -j當(dāng)不判決時，鑒相器輸出Se(n)=0。判決允許時，Se(n)=Im鑼=SQsg哨-SIsgnSQ。 TOC o 1-5 h z 9(n)2則鑒相器輸出如下式所示： HYPERLINK l bookmark24 o Current Document Im SS之2Se(n)=S(n)(4-8)其他2 oS(n) t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(dāng) 丁等于9.3 時，理論上可以消除鎖定誤差。但是丁取值太大時，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(zhǔn)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(yīng)