第四章載波恢復(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4.1 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?yàn)橄喔山庹{(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?yàn)樾?座點(diǎn)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

2、率和相位的相關(guān)載波尤為重要。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(diǎn)， 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 Af和相偏 0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(jì)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

3、，應(yīng)用盲載波恢復(fù)，通過利用 鎖相環(huán)，提取出頻偏并且跟蹤相偏。4.2 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。4.2.1 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(yùn)算， 然后用選頻回路選出4仁分量，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，升為四次冪，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，

4、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(shí)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冪， 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輸出本地振蕩射頻PLL中頻/自動 增益控制相干解調(diào)基帶電路rSrv.LPFjrlF1X 4圖4-1四次萬環(huán)結(jié)構(gòu)框圖422 科斯塔斯環(huán)（Costas環(huán)）Costal又稱為同相正交環(huán)。它的優(yōu)點(diǎn)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：利用數(shù)字化基帶處理的方法，將模擬的 Costas環(huán)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

5、加判決器，可以大大提高環(huán)路的性能和可靠性。這種數(shù)字化基帶處理的Costas環(huán)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：Se=Si §q $ =sgnQLSQfiLfe?)(4-1)簡化數(shù)字實(shí)現(xiàn)處理式是：Se =sg n si n(4R( 4-2)4.2.3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)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

6、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(bào)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。424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(shí)現(xiàn)框圖如圖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

7、出。廠y(n)圖4-5 DD-PLL的結(jié)構(gòu)框圖DD-PLL的鑒相輸出為:(4-3)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，S(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，lm表 示取虛部運(yùn)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)=lmcsg nS( n)曲 n)S( n)*其中，csgn(x)二sgnRe(x) - j|_Sgnlm( x) , sg

8、n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(dāng)接收的QAM信號點(diǎn)存在小的相位誤差 二時，以圖上A點(diǎn)為例說明，無相位誤差接收時的A點(diǎn)會圍繞坐標(biāo)原點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，落 在標(biāo)有“ +”或“-”的區(qū)域中，據(jù)此可以計(jì)算出相應(yīng)的相位誤差，當(dāng)信號落在A點(diǎn)上時，相位誤差為零，即接收的信號不存在相位誤差。i kI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)二Sq(n)S(n) -$(門)耳(n)(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?yàn)閟gnS(n)=sgnS(n).

9、所以上式可變?yōu)?Se(n)=SQ(n)bgnS(n) -S(n)#g“Sq(n)(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80kHz。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(shí) 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(shí)現(xiàn)載波同步，所以DD-PLL算法的載波捕捉范圍比較小。4.3其它的載波恢復(fù)方法4.3.1通用載波恢復(fù)環(huán)1983年，法國國家電信中心實(shí)驗(yàn)室萊耳特(A.Leclert)提出了一種專

10、門用于QAM信號的通用載波恢復(fù)環(huán)簡稱為通用環(huán)10。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)框圖這種環(huán)路結(jié)構(gòu)簡單、容易實(shí)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(jì)跟蹤法或矢量點(diǎn)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(shí)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 -？)sgn(?Q)_sgn(& _Sq) s

11、gn(S)(4-7)式中s、Sq為正交鑒相器輸出兩路基帶信號，S、Sq分別是s、Sq的判決 值。432 PFD算法Hikmet Sar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(diǎn)， 只將過零點(diǎn)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(diǎn)的 到來，從統(tǒng)計(jì)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(diǎn)設(shè)置一個窗口，如果信號落在

12、窗口內(nèi)， 就認(rèn)為載波誤差在零點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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。433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 用于高

13、階QAM的載波恢復(fù)。實(shí)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。1y(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2 2足S(n) >t2時進(jìn)行判決，當(dāng)|S(n) <t2時PD狀態(tài)保持不變，即S°( n) = 0。其中i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 )=sg n S< n) +jLsg nQS )= 一1 _j

14、當(dāng)不判決時，鑒相器輸出Se(n)=0判決允許時,Se( n)=ImS( n)Sq (n )sg nS (n)-Si (n )sg n Sq( n)S(n)=2則鑒相器輸出如下式所示:Se(n)二ImS(n)22S( n)2(4-8)其他Sq (n)sgnS (n)-Si (n)sgnSQ(n)2oS(n) > t其他該算法隨著.的增大，被處理的符號減少，鎖定誤差范圍減小，當(dāng)?shù)扔?.3 時，理論上可以消除鎖定誤差。但是.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。隨著.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 n /4, - n /4, n /4,3 n /4，分別對