无线传输系统中的载波与符号同步技术研究

发布时间：2020-04-13 15:36

【摘要】：随着社会的不断进步及经济的发展,人类对无线通信的高数据速率、大容量、高通信质量以及多样化数据业务等需求也在不断的增长。为了满足这些通信新需求,无线传输技术一直处在不断发展和演进中。其中,精准的系统同步是任何一个无线传输系统都不可回避的问题,它决定了数字接收机设计的成败,并对系统通信质量有很大的影响。在无线传输系统中,现有的同步算法都存在或多或少不可忽视的缺点,例如环路参数的确定过程不直观、参数同步范围偏小、算法的计算复杂度过高、不易于硬件实现、扩展性较差、低信噪比及高动态条件下的同步性能不理想等,因此它们不能很好地适应下一代无线传输系统的进一步发展。为此,本文重点对卫星数字调制通信系统的闭环同步技术、低信噪比及符号速率采样条件下高速数据传输系统的载波跟踪技术、通用滤波多载波(Universal Filtered Multi-Carrier,UFMC)调制系统的频率与符号同步技术等进行了研究,提出了相应的改进算法,并改善了无线传输系统的参数同步性能,从而促使下一代无线通信技术的快速发展。本文的主要研究内容与创新成果如下:1.对卫星数字调制通信系统的闭环同步技术进行了研究。分析了数字同步环路的常用参数确定方法,即通过利用从s域到z域的映射变换,得到所需的数字环路参数。但这种方法具有参数确定过程不直观、复杂度高等缺点,并且当接收信号的采样速率接近于符号传输速率时,则实际获得的环路性能与设计所需的跟踪性能之间的差距较大,导致不得不重新调整环路参数。为了更好地解决这个问题,提出了两种有效的z域环路参数确定方法。第一种方法是首先通过引入新的可控变量,在z域中直接、灵活地确定锁相跟踪系统极点的位置;然后,根据引入变量与环路参数之间的约束关系,计算出未知的环路参数。第二种方法是首先分析闭环同步系统的稳定性和噪声抑制特性,得到一个较小的环路参数取值范围;然后,调节该同步环路的单位阶跃响应特性,并将参数的求解问题转化为相位差噪声方差的条件最小化问题,进一步求解此最小化问题得到最优的环路参数。与传统的映射变换方法相比,所提的两种方法都不需要进行s域到z域的映射变换,它们具有直观性好、复杂度较低等特点,并能够保证数字同步环的设计与其实际实现是相一致的;而且根据第二种方法,还可以设计出相应的参数求解软件,这使数字同步环的参数确定更加灵活、方便。2.对符号速率采样条件下高速率无线传输系统的载波跟踪技术进行了研究。提出了一种鲁棒的非数据辅助(Non-Data Aided,NDA)的新型载波跟踪算法,该算法采用了一种新的基于符号判决引导的复合载波同步结构。在所提算法中,通过引入采样速率变换模块使得数字频率锁定环(Digital Frequency-Locked Loop,DFLL)工作在符号速率采样条件下,而使数字锁相环(Digital Phase-Locked Loop,DPLL)工作在高倍速率采样条件下,这样可使DPLL在一个符号持续周期内多次对接收信号的相偏进行估计及补偿。与此同时,该算法还对原有的符号硬判决策略进行了改进,可降低数据符号误判的概率。与数据辅助(Data-Aided,DA)算法相比,所提算法不需要消耗额外的系统频带资源和信号发射功率。此外,该算法还具有比编码辅助(Code-Aided,CA)算法低得多的计算复杂度。性能仿真结果表明,与传统的载波跟踪环相比,所提算法在低信噪比与符号速率采样条件下可获得良好的载波同步性能。3.对多径瑞利衰落信道条件下UFMC系统的载波同步技术进行了研究。不同于正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)技术,UFMC不需要添加循环前缀(Cyclic Prefix,CP)或者保护间隔,则经多径衰落信道传输后相邻UFMC调制符号之间存在不可去除的块间干扰(Inter Block Interference,IBI)。因此,不能直接利用一个单独的UFMC调制符号来设计相应的载波频率偏移(Carrier Frequency Offset,CFO)估计算法。为了更好地解决此问题,提出了一种基于两个相同的连续训练符号序列的复合频率同步算法。因两个训练序列是相邻且等同的,所提算法首先将最小平方(Least Square,LS)方法直接应用于第二个接收的训练符号序列,推导出基于LS准则的CFO估计表达式,从而得到系统CFO的粗略估计值;然后对这两个接收训练符号中未受前一个UFMC调制符号干扰的那部分信号进行自相关运算,精确地估计残留的CFO。理论分析与性能仿真表明:与现有的CFO估计算法相比,所提算法的频偏估计范围较大,并且它还可获得较高的频偏估计精度。4.对多径瑞利衰落信道环境中UFMC系统的符号定时同步技术进行了研究。由于UFMC技术是OFDM技术的一种改进形式,因此可将OFDM系统中的部分时间同步算法推广并应用到UFMC系统中,但这些同步算法存在估计范围不足、估计方差过大或者计算复杂度过高等缺点。为了克服现有时间偏移(Timing Offset,TO)估计算法的缺点以及进一步提高它们的时间同步精度,设计了一种新的基于伪随机噪声(Pseduo-random Noise,PN)序列的前导同步信号结构,并依据此信号结构,提出了一种鲁棒的低复杂度的定时偏差估计算法。在该算法中,首先改进了一种时间偏差的度量准则,可进一步改善TO的粗估计性能,同时也给出一个较小的参数精调范围;然后在此精调范围内对接收信号与本地PN序列进行互相关运算,并结合门限判定准则,准确地对残留的TO进行估计。理论分析与仿真结果表明,所提算法的计算复杂度较低,并且它在多径衰落信道条件下可获得比传统TO估计算法要好的同步性能。
【图文】：

噪声带宽,取值,变量,滤波特性

在二阶 DPLL 的设计中，和的合理取值范围分别为 0,13/80 和 0, /8 。在此范围内，根据图2.3 中的变化规律调整和的取值，以便获得合理的环路等效噪声带宽。这里，值可通过转换模拟角频率求得。其中， 2 f，， f 为模拟频率。在实际的通信场景中， f 的选择应该满足 15 5s sR f R，而sR 为系统的符号传输速率。表 2.1 参数和对二阶 DPLL 的稳定性和滤波特性的影响极点的位置滤波特性稳定性13, +80 02 ，区域 z 1的右半侧低通特性很差稳定2 ，区域的左半侧130,80 0,8 区域的右半侧低通8 2
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：E11

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