载波同步技术

进一步可表示为
j 2πΔft I (t ) + jQ(t ) = a ( t ) ja ( t ) e + Q I
时变的相位旋转
通信信号处理
15
载波偏差的影响—频率偏差
(t) +
Scatter plot 3 4 3 2 1 Quadrature Quadrature 1 0 -1 -2 -2 -3 -4 -3 -2 -1 0 In-Phase 1 2 3 -4 -2 0 In-Phase 2 4
Q(t ) = A sin ( Δωt + Δϕ + θi )
通信信号处理
I (t ) = A cos ( Δωt + Δϕ + θ i )
37
同相正交环法
传统Costas环的鉴相算法 BPSK
ud (t ) = I (t )Q(t ) = A2 sin ( Δωt + Δϕ + θi ) cos ( Δωt + Δϕ + θ i ) A2 A2 = sin 2 ( Δωt + Δϕ ) + 2θi = sin 2 ( Δωt + Δϕ ) 2 2
通信信号处理
38
同相正交环法
传统Costas环的鉴相算法 QPSK
2 2 ud (t ) = I (t )Q(t ) Q ( t ) I (t ) −
= A4 cos ( Δωt + Δϕ + θi ) sin ( Δωt + Δϕ + θ i )
2 2 Δ + Δ + − ω ϕ θ sin t cos ( ) ( Δωt + Δϕ + θi ) i A4 A4 sin 4 ( Δωt + Δϕ ) + 4θ i sin 4 ( Δωt + Δϕ ) =− = 4 4
4
5
1
载波同步基本概念
通信信号处理
5
载波同步
当接收端采用相干解调时，接收端需要提供一个与 发射端调制载波同频同相的相干载波，这个相干载 波的获取就称为载波同步 载波同步是实现相干解调的基础
通信信号处理
6
数字接收机中的载波频偏
发射机射频本振和接收机本振偏差 ADC采样时钟偏差等效数字中频载波偏差 相位噪声引起载波相位和频率偏差 运动中的物体进行通信时出现的多普勒效应
通信信号处理
22
时域插入导频
在时域中插入导频以传送和提取同步载波的方法 时域插入法中对被传输数据信号和导频信号在时间 上加以区别 把一定数目的数字信号分作一组，称为一帧 在每一帧中，除有一定数目的数字信号外，在特定 的时隙位置插入同步信号
通信信号处理
23
时域插入导频
信号帧结构图
通信信号处理
39
同相正交环法
数字Costas环（松尾环） BPSK QPSK
2 2 − ud (t ) = sgn [ I (t ) ] sgn [Q(t ) ] sgn Q ( t ) I (t )
ud (t ) = sgn [ I (t ) ] sgn [Q(t ) ]
= aI (t ) cos ( 2πΔft + Δϕ ) − aQ (t ) sin ( 2πΔft + Δϕ )
Q(t ) = −2r (t ) sin(2π f 0 t + ϕ0 ) = aI (t ) sin ( 2πΔft + Δϕ ) + aQ (t ) cos ( 2πΔft + Δϕ )
清华大学
载波同步技术
王劲涛 戴凌龙 电子工程系
2
上讲回顾
OFDM同步概述 OFDM符号同步原理及算法 OFDM采样钟同步原理及算法
r f (t )
通信信号处理
2
本节内容
载波同步基本概念 单载波系统载波同步 OFDM载波同步方法
– – – – P. H. Moose算法 Schmidl & Cox算法 Van de Beek JJ算法 基于导频的频偏估计 – 外同步法 – 自同步法
通信信号处理
34
同相正交环法
Costas环的通用结构
通信信号处理
35
同相正交环法
传统Costas环、修正Costas环和数字Costas环之间的 区别主要在处理电路 处理电路的输入为同相和正交支路的基带信号I(t)和 Q(t)，输出ud(t)等效为鉴相器的输出
通信信号处理
36
同相正交环法
用于已调制的数字信号中没有载波分量以及虽有载 波分量但难以实现载波分离的情况
– 可在适当的频率位置上，插入一个低功率的线谱（此线谱 对应的时域正弦波称为导频信号） –接收端用窄带滤波器将导频取出，经过适当处理，得到相 干载波
插入导频的方法包括
– 频域插入导频法 – 时域插入导频法
通信信号处理
通信信号处理
31
百度文库
平方环法
为了改善平方变换法的性能，使恢复的相干载波更为 纯净，图中的窄带滤波器常用锁相环代替，称为平方 环法提取载波 锁相环具有良好的跟踪、窄带滤波和记忆功能，平方 环法比一般的平方变换法具有更好的性能。因此，平 方环法提取载波得到了较广泛的应用
通信信号处理
32
平方环法
x (t )cos ωct n i (t ) 带通 × fc 平方律 部件 e (t ) 二分频 2fc 低通 x (t )
– 平方变换法 – 平方环法
通信信号处理
28
平方变换法
x (t )cos ωct n i (t ) x (t )
带通
× fc 平方律 部件 e (t ) 二分频 2fc
低通
2fc 窄带滤波
通信信号处理
29
平方变换法
经过平方变换之后的信号为
1 2 1 2 e(t ) = [ x(t ) cos ωc t ] = x (t ) + x (t ) cos ωc t 2 2
2
对于2PSK信号，x(t)是双极性矩形脉冲，设x(t)=±1， 则x2(t)=1，这样已调信号x(t)cosωct经过非线性变换— 平方律部件后得
1 1 e(t ) = + cos 2ω ct 2 2
通信信号处理
30
平方变换法
经过2fc窄带滤波器可得到2倍频的载波信号 经过2分频之后可以得到cosωct或者cos(ωct+π) 由于分频起点的不确定性得到的可能是cosωct也可能 是cos(ωct+π)，称为相位模糊
通信信号处理
12
载波偏差的影响—相位偏差
若载波频偏Δf=fc-f0=0，则
I (t ) = aI (t ) cos(Δϕ ) − aQ (t ) sin(Δϕ ) Q(t ) = aI (t ) sin(Δϕ ) + aQ (t ) cos(Δϕ )
进一步可表示为
I (t ) + jQ(t ) = aI (t ) + jaQ (t ) [ cos(Δϕ ) + j sin(Δϕ ) ] 载波相差造成 j Δϕ = 星座图的旋转 aI (t ) + jaQ (t ) e
平方变换法
2fc 窄带滤波
输入已调 信号
平方律 部件
鉴鉴鉴
环路 滤波鉴
压控 振振鉴
第二二
载波输出
平方环法
锁相环
通信信号处理
33
同相正交环法
同相正交环又叫科斯塔斯(Costas)环 BPSK/QPSK最为常用的载波恢复环路 Costas环包括
– 传统的Costas环 – 修正的Costas环 – 数字Costas环（松尾环）
通信信号处理
11
载波偏差的影响
接收机的所产生的本振信号的同向和正交分量表示 为2cos(2πf0t+φ0)和-2sin(2πf0t+φ0) 则经过数字下变频并低通滤波之后的基带信号为
载波频偏 载波相偏 Δf=f Δφ= φc-φ0 I (t ) = 2r (t ) cos(2 π c-f0 0 t + ϕ0 )
19
频域插入导频
在载波中心频率fc的位置插入导频信号 插入的导频必须是“正交导频”
导频与调制载 波相差90度
通信信号处理
20
频域插入导频
通信信号处理
21
频域插入导频
发射信号
s (t ) = a ⋅ m(t ) sin ωc t − a ⋅ cos ωc t
接收端
v(t ) = s (t ) ⋅ a ⋅ sin ωc t = [ a ⋅ m(t ) sin ωc t − a cos ωc t ] a sin ωc t = a 2 m(t ) sin 2 ωc t − a 2 cos ωc t sin ωc t 1 2 1 2 1 2 = a m(t ) − a m(t ) cos 2ωc t − a sin 2ωc t 2 2 2 低通 1 = a 2 m(t ) 2
通信信号处理
7
载波同步
载波频率估计：接收机本振信号必须与接收到的调 制信号的载波频率相同 载波相位估计：接收机本振信号的相位也要和接收 信号的载波相位一致
通信信号处理
8
9
载波同步系统模型
结构和定时环路一致:
– 误差提取(估计出载波频率偏差) – 环路滤波 – 差值恢复(使用相乘器)
e − jΩTS k
通信信号处理
40
同相正交环法
科斯塔斯环与平方环都是利用锁相环（PLL）提取载 波的常用方法 与平方环相比，科斯塔斯环虽然电路复杂一些，但 它的工作频率即为载波频率，而平方环的工作频率 是载波频率的两倍，当载波频率很高时，工作频率 较低的科斯塔斯环易于实现 当环路锁定后，科斯塔斯环可直接获得解调输出， 而平方环则没有该功能
设Costas环输入的信号s(t)可表示为
s (t ) = A cos (ωc t + θi + ϕc )
其中，θi表示BPSK/QPSK的调制相位 对于BPSK， θi =kiπ，ki=0,1 对于QPSK， θi = kiπ/2+ π/4 ， ki=0,1,2,3 经过正交下变频之后的信号为
(
+
Scatter plot
( )
2
0
-1
-3
通信信号处理
16
载波恢复的实现方式
外同步法：在发送有用信号的同时，在适当的频率 位置插入一个或多个导频信号，接收端通过导频来 提取本地载波 自同步法：接收端直接从接收信号中提取载波信号
通信信号处理
17
18
a
外同步法
通信信号处理
18
插入导频法
同步小结
通信信号处理
3
4
参考书目
《全数字接收机理论与技术》 张公礼著；科学出 版社；第七章、第八章 《宽带无线通信OFDM系统同步技术》艾渤、王 劲涛、钟章队著；人民邮电出版社；第五章、第 七章 《OFDM移动通信技术原理与应用》 佟学俭、罗 涛著；人民邮电出版社；第四章、第九章
通信信号处理
26
自同步法
直接从接收信号中提取同步载波的方法
– – – – 非线性变换法 同相正交环法 非数据辅助的频偏估计器 数据辅助的频偏估计器
通信信号处理
27
非线性变换法
适用于无载频分量的信号和抑制载频的双边带信号 经过非线性变换后可以得到载频的倍频分量，再用 窄带滤波器或等效锁相环提取，经过分频可得相干 载波 两种常用的方法
通信信号处理
13
载波偏差的影响—相位偏差
(t) + ( + ( )
通信信号处理
14
载波偏差的影响—频率偏差
令Δφ=0，则
I (t ) = aI (t ) cos(2πΔft ) − aQ (t ) sin(2πΔft ) Q(t ) = aI (t ) sin(2πΔft ) + aQ (t ) cos(2πΔft )
通信信号处理
41
数据辅助的频偏估计器
发送信号连续传输2段相同的长度为L的序列xPN(k)
经过数字下变频之后的信号可表示为
j ( Δω kTs + Δϕ ) j ( Δω kTs +Δϕ ) + = rc (k ) = I (k ) + jQ(k ) = a ( k ) ja ( k ) e x ( k ) e Q I
ˆ
通信信号处理
9
10
2
单载波系统载波同步
通信信号处理
10
载波偏差的影响
设接收到的QAM正交调制信号（忽略噪声）为
r (t ) = aI (t ) cos(2π f c t + ϕc ) − aQ (t ) sin(2π f c t + ϕc )
其中，aI(t)、aQ(t)分别表示I、Q两路基带信号，fc和 φc分别为接收信号载波的中心频率和相位
位 同 步
t0 t1
帧 同 步
t2
载 波 同 步
t3
信信
位 同 步
t4
帧 同 步
载 波 同 步
信信
第第帧
(a )
第第帧
通信信号处理
24
时域插入导频
接收机提取相干载波
接接信门 带带 线线线 锁鉴环 鉴鉴鉴 环 路 滤波鉴 压 控 振振鉴 解解
线控信门
(b )
通信信号处理
25
26
b
自同步法
通信信号处理