【摘要】：隨著社會的不斷進(jìn)步及經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,人類對無線通信的高數(shù)據(jù)速率、大容量、高通信質(zhì)量以及多樣化數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)等需求也在不斷的增長。為了滿足這些通信新需求,無線傳輸技術(shù)一直處在不斷發(fā)展和演進(jìn)中。其中,精準(zhǔn)的系統(tǒng)同步是任何一個(gè)無線傳輸系統(tǒng)都不可回避的問題,它決定了數(shù)字接收機(jī)設(shè)計(jì)的成敗,并對系統(tǒng)通信質(zhì)量有很大的影響。在無線傳輸系統(tǒng)中,現(xiàn)有的同步算法都存在或多或少不可忽視的缺點(diǎn),例如環(huán)路參數(shù)的確定過程不直觀、參數(shù)同步范圍偏小、算法的計(jì)算復(fù)雜度過高、不易于硬件實(shí)現(xiàn)、擴(kuò)展性較差、低信噪比及高動(dòng)態(tài)條件下的同步性能不理想等,因此它們不能很好地適應(yīng)下一代無線傳輸系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展。為此,本文重點(diǎn)對衛(wèi)星數(shù)字調(diào)制通信系統(tǒng)的閉環(huán)同步技術(shù)、低信噪比及符號速率采樣條件下高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的載波跟蹤技術(shù)、通用濾波多載波(Universal Filtered Multi-Carrier,UFMC)調(diào)制系統(tǒng)的頻率與符號同步技術(shù)等進(jìn)行了研究,提出了相應(yīng)的改進(jìn)算法,并改善了無線傳輸系統(tǒng)的參數(shù)同步性能,從而促使下一代無線通信技術(shù)的快速發(fā)展。本文的主要研究內(nèi)容與創(chuàng)新成果如下:1.對衛(wèi)星數(shù)字調(diào)制通信系統(tǒng)的閉環(huán)同步技術(shù)進(jìn)行了研究。分析了數(shù)字同步環(huán)路的常用參數(shù)確定方法,即通過利用從s域到z域的映射變換,得到所需的數(shù)字環(huán)路參數(shù)。但這種方法具有參數(shù)確定過程不直觀、復(fù)雜度高等缺點(diǎn),并且當(dāng)接收信號的采樣速率接近于符號傳輸速率時(shí),則實(shí)際獲得的環(huán)路性能與設(shè)計(jì)所需的跟蹤性能之間的差距較大,導(dǎo)致不得不重新調(diào)整環(huán)路參數(shù)。為了更好地解決這個(gè)問題,提出了兩種有效的z域環(huán)路參數(shù)確定方法。第一種方法是首先通過引入新的可控變量,在z域中直接、靈活地確定鎖相跟蹤系統(tǒng)極點(diǎn)的位置;然后,根據(jù)引入變量與環(huán)路參數(shù)之間的約束關(guān)系,計(jì)算出未知的環(huán)路參數(shù)。第二種方法是首先分析閉環(huán)同步系統(tǒng)的穩(wěn)定性和噪聲抑制特性,得到一個(gè)較小的環(huán)路參數(shù)取值范圍;然后,調(diào)節(jié)該同步環(huán)路的單位階躍響應(yīng)特性,并將參數(shù)的求解問題轉(zhuǎn)化為相位差噪聲方差的條件最小化問題,進(jìn)一步求解此最小化問題得到最優(yōu)的環(huán)路參數(shù)。與傳統(tǒng)的映射變換方法相比,所提的兩種方法都不需要進(jìn)行s域到z域的映射變換,它們具有直觀性好、復(fù)雜度較低等特點(diǎn),并能夠保證數(shù)字同步環(huán)的設(shè)計(jì)與其實(shí)際實(shí)現(xiàn)是相一致的;而且根據(jù)第二種方法,還可以設(shè)計(jì)出相應(yīng)的參數(shù)求解軟件,這使數(shù)字同步環(huán)的參數(shù)確定更加靈活、方便。2.對符號速率采樣條件下高速率無線傳輸系統(tǒng)的載波跟蹤技術(shù)進(jìn)行了研究。提出了一種魯棒的非數(shù)據(jù)輔助(Non-Data Aided,NDA)的新型載波跟蹤算法,該算法采用了一種新的基于符號判決引導(dǎo)的復(fù)合載波同步結(jié)構(gòu)。在所提算法中,通過引入采樣速率變換模塊使得數(shù)字頻率鎖定環(huán)(Digital Frequency-Locked Loop,DFLL)工作在符號速率采樣條件下,而使數(shù)字鎖相環(huán)(Digital Phase-Locked Loop,DPLL)工作在高倍速率采樣條件下,這樣可使DPLL在一個(gè)符號持續(xù)周期內(nèi)多次對接收信號的相偏進(jìn)行估計(jì)及補(bǔ)償。與此同時(shí),該算法還對原有的符號硬判決策略進(jìn)行了改進(jìn),可降低數(shù)據(jù)符號誤判的概率。與數(shù)據(jù)輔助(Data-Aided,DA)算法相比,所提算法不需要消耗額外的系統(tǒng)頻帶資源和信號發(fā)射功率。此外,該算法還具有比編碼輔助(Code-Aided,CA)算法低得多的計(jì)算復(fù)雜度。性能仿真結(jié)果表明,與傳統(tǒng)的載波跟蹤環(huán)相比,所提算法在低信噪比與符號速率采樣條件下可獲得良好的載波同步性能。3.對多徑瑞利衰落信道條件下UFMC系統(tǒng)的載波同步技術(shù)進(jìn)行了研究。不同于正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)技術(shù),UFMC不需要添加循環(huán)前綴(Cyclic Prefix,CP)或者保護(hù)間隔,則經(jīng)多徑衰落信道傳輸后相鄰UFMC調(diào)制符號之間存在不可去除的塊間干擾(Inter Block Interference,IBI)。因此,不能直接利用一個(gè)單獨(dú)的UFMC調(diào)制符號來設(shè)計(jì)相應(yīng)的載波頻率偏移(Carrier Frequency Offset,CFO)估計(jì)算法。為了更好地解決此問題,提出了一種基于兩個(gè)相同的連續(xù)訓(xùn)練符號序列的復(fù)合頻率同步算法。因兩個(gè)訓(xùn)練序列是相鄰且等同的,所提算法首先將最小平方(Least Square,LS)方法直接應(yīng)用于第二個(gè)接收的訓(xùn)練符號序列,推導(dǎo)出基于LS準(zhǔn)則的CFO估計(jì)表達(dá)式,從而得到系統(tǒng)CFO的粗略估計(jì)值;然后對這兩個(gè)接收訓(xùn)練符號中未受前一個(gè)UFMC調(diào)制符號干擾的那部分信號進(jìn)行自相關(guān)運(yùn)算,精確地估計(jì)殘留的CFO。理論分析與性能仿真表明:與現(xiàn)有的CFO估計(jì)算法相比,所提算法的頻偏估計(jì)范圍較大,并且它還可獲得較高的頻偏估計(jì)精度。4.對多徑瑞利衰落信道環(huán)境中UFMC系統(tǒng)的符號定時(shí)同步技術(shù)進(jìn)行了研究。由于UFMC技術(shù)是OFDM技術(shù)的一種改進(jìn)形式,因此可將OFDM系統(tǒng)中的部分時(shí)間同步算法推廣并應(yīng)用到UFMC系統(tǒng)中,但這些同步算法存在估計(jì)范圍不足、估計(jì)方差過大或者計(jì)算復(fù)雜度過高等缺點(diǎn)。為了克服現(xiàn)有時(shí)間偏移(Timing Offset,TO)估計(jì)算法的缺點(diǎn)以及進(jìn)一步提高它們的時(shí)間同步精度,設(shè)計(jì)了一種新的基于偽隨機(jī)噪聲(Pseduo-random Noise,PN)序列的前導(dǎo)同步信號結(jié)構(gòu),并依據(jù)此信號結(jié)構(gòu),提出了一種魯棒的低復(fù)雜度的定時(shí)偏差估計(jì)算法。在該算法中,首先改進(jìn)了一種時(shí)間偏差的度量準(zhǔn)則,可進(jìn)一步改善TO的粗估計(jì)性能,同時(shí)也給出一個(gè)較小的參數(shù)精調(diào)范圍;然后在此精調(diào)范圍內(nèi)對接收信號與本地PN序列進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算,并結(jié)合門限判定準(zhǔn)則,準(zhǔn)確地對殘留的TO進(jìn)行估計(jì)。理論分析與仿真結(jié)果表明,所提算法的計(jì)算復(fù)雜度較低,并且它在多徑衰落信道條件下可獲得比傳統(tǒng)TO估計(jì)算法要好的同步性能。
【圖文】：

在二階 DPLL 的設(shè)計(jì)中， 和 的合理取值范圍分別為 0,13/80 和 0, /8 。在此范圍內(nèi)，根據(jù)圖2.3 中的變化規(guī)律調(diào)整 和 的取值，以便獲得合理的環(huán)路等效噪聲帶寬。這里， 值可通過轉(zhuǎn)換模擬角頻率 求得。其中， 2 f，， f 為模擬頻率。在實(shí)際的通信場景中， f 的選擇應(yīng)該滿足 15 5s sR f R，而sR 為系統(tǒng)的符號傳輸速率。表 2.1 參數(shù) 和 對二階 DPLL 的穩(wěn)定性和濾波特性的影響 極點(diǎn)的位置 濾波特性 穩(wěn)定性13, +80 02 ，區(qū)域 z 1的右半側(cè)低通特性很差穩(wěn)定2 ，區(qū)域 的左半側(cè)130,80 0,8 區(qū)域 的右半側(cè) 低通8 2
【學(xué)位授予單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：E11

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本文編號：2626146