高速移动条件下位同步器的设计

摘要：在通信系统中，会遇到发射机和接收机具有相对运动的情况，这将导致接收到的信号含有多普勒频移。多普勒频移使接收的信号相位发生旋转偏移，这对具有基带成形滤波器通信系统中的位同步器设计产生影响。如何在多普勒频移条件下设计出简单可行的位同步器是通信系统中的一个关键技术。

引言

在通信系统中，通常会遇到发送端和接收端存在相对移动的情况，这使得接收信号存在较大的多普勒频移。多普勒频移的计算公式[1]为fD=vcosθ/λ，其中fD是多普勒频移，v是发送端和接收端的相对移动速度，θ是入射波与移动方向的夹角，λ是发射波的波长。当相对运动速度v=1.2km/s，载波频率fc=2GHz，则多普勒频移的最大值fD=8kHz。当码速率fs=5Mbits/s时，由fD引起的相邻码元间相位变化为0.576°，帧长为96bits时，首尾码元间相位变化为73.728°。这将使得对相位调制系统(PSK、QAM、MSK等)不能直接正确地解调数据。

由于数字基带信号波形是矩形脉冲，因而其高频成分比较丰富，频域占用的频带很宽。这使得当信号通过带限信道时，相邻符号的码元内产生码间干扰，导致接收机在解调码元时误码率增加。因此，基带成形滤波器在不增加信道带宽的情况下，可以减小码间干扰，降低基带信号的带宽，提高频带利用率。其中，平方根升余弦滤波器是应用较为广泛的基带成形滤波器。

在高速移动条件下，通信系统中位同步器的设计将受到多普勒频移的影响，本文针对这种情况进行研究，对所提出的算法进行了理论研究和理论仿真。

1 多普勒频移

相移键控(PSK)调制方式在高速数据通信[2]中应用广泛。这种调制方式具有频带利用率高和实现简单等优点。当系统存在多普勒频移时，其系统框图如图1所示。

图1所示的通信系统模型与传统的通信系统模型相比，主要区别是接收端增加了一个多普勒频移估计与校正模块。其原因是信号经过信道之后，产生了多普勒频移。多普勒频移的直接影响可通过信号的星座图直接展现。图2给出了加性高斯白噪声(AWGN)信道下E_b/N₀=10dB的 QPSK信号星座图(左)和存在频偏的QPSK信号星座图(右)。

由图2可以看出，多普勒频移使得QPSK信号的相位发生偏移，无法直接进行解调，需要对多普勒频移进行估计与校正。

2 位同步器

在实际的通信系统中，发射机的时钟速率和接收机的时钟速率可能会存在一定的偏差，这将导致系统无法采样到最佳的同步数据，从而影响整个系统的性能。位同步是数字通信系统接收端的关键技术，它是正确采样判决的基础。实现位同步的主要方法^[3]有插入导频法和直接法。插入导频法是在基带信号频谱的零点处插入所需的位定时导频信号，在接收端使用一个窄带滤波器，从接收信号中提取出位同步时钟，将接收信号通过移相、倒相和相加电路来消除导频信号对进入取样判决器的基带信号的影响。直接法是直接从接收的数字信号中提取位同步信号，主要有提前-滞后门同步算法和锁相环法。

平方根升余弦滤波器引入滚降系数，具有平滑的过渡带，消除了理想低通滤波器设计上的困难，具有很好的实用性。图3给出了理想无噪声情况下的基带码元、平方根升余弦滤波器成形后的基带信号和匹配滤波器之后的基带信号时域波形图。由图3可以看出，经过平方根升余弦成形后的信号波形不再是矩形脉冲，其上升沿和下降沿是缓变的，因而高频成分比较少，频域占用的频带窄。经过匹配滤波器后的数据，找到最佳采样位置能够保证接收机的正确解调。

3 设计与仿真

在对具有多普勒频移系统中的位同步设计时，需要先去除多普勒频移的影响。多普勒频移估计的方法有盲估计算法^[4]和采用训练序列估计算法^[5]。由于采用训练序列估计多普勒频移算法精度高，这里采用训练序列算法对多普勒频偏估计，然后对频偏进行校正。再对接收的信号进行位同步计算。具体理论实现框图如图4所示。

对QPSK通信系统^[6]进行仿真，多普勒频移f_D=8kHz，码速率f_s=5Mbits/s，8倍内插，平方根升余弦滤波器 (滚降因子为0.5)，一帧数据包含96个符号。使用MATLAB软件对本文所提算法进行仿真，并与不存在多普勒频移的系统性能仿真曲线进行对比(这里使用软件进行分析，具体硬件实现暂不讨论)。图5给出了所提系统与基本系统的性能仿真曲线比较图。

由图5可以看出，所设计的位同步器在通信系统中的误比特曲线与理论曲线相近，并无明显的性能损失。

4 结论

通过对所提位同步算法的理论分析结果可知，此算法具有实现简单、复杂度低等特点。多普勒频移并没有对其产生明显的性能影响，主要原因是位同步器在寻找最佳位置时，通过求模来找出最大点，从而消除了多普勒频移的影响