無線通信體系中載波同步重要科技研究

1、無線通信體系中載波同步重要科技研究 第一章 緒論本章首先簡述了論文研究背景的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢，回顧了無線通信系統(tǒng)中載波同步技術(shù)的研究現(xiàn)狀，分析總結(jié)出載波同步面臨的一些問題，在此基礎(chǔ)上提出了本論文研究的基本問題和主要目標(biāo)，最后闡述了本論文的創(chuàng)新點(diǎn)、組織結(jié)構(gòu)和內(nèi)容安排。1.1 研究背景回顧最近幾十年科技發(fā)展的歷史，無線通信領(lǐng)域無疑是發(fā)展最為迅速、對人類生產(chǎn)生活方式改變最大的幾個領(lǐng)域之一。信息與通信產(chǎn)業(yè)是典型的技術(shù)含量高、產(chǎn)品附加值大的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，已經(jīng)成為世界各國的支柱產(chǎn)業(yè)。其中的無線通信技術(shù)已成為世界各國互相競爭的科技高地，世界各國都投入了大量資源進(jìn)行無線通信技術(shù)的研發(fā)及標(biāo)準(zhǔn)化工作?？梢灶A(yù)見無線通

2、信技術(shù)在未來相當(dāng)長的一段時間內(nèi)仍然會引領(lǐng)著世界科技的發(fā)展。無線通信技術(shù)在人們?nèi)粘Ｉ钪须S處可見，涵蓋的范圍也非常廣泛，有不同的通信體系。如以蜂窩通信為代表的移動通信技術(shù);以藍(lán)牙、wifi 及無線路由器為代表的無線局域網(wǎng)產(chǎn)業(yè);以全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)為代表的衛(wèi)星應(yīng)用產(chǎn)品;以地面移動數(shù)字電視為代表的移動視頻廣播產(chǎn)業(yè)等。本文主要的研究領(lǐng)域是低信噪比場景下的衛(wèi)星與深空通信、多用戶協(xié)作通信系統(tǒng)中的載波同步技術(shù)。下面分別介紹以上三種無線通信系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢。衛(wèi)星通信在國民經(jīng)濟(jì)和國家安全等領(lǐng)域起著至關(guān)重要的作用。美國在伊拉克戰(zhàn)爭中使用了 186 顆各類偵察、預(yù)警、導(dǎo)航、通信與氣象衛(wèi)星，目前美軍利用各種衛(wèi)星得到

3、了 95%的偵察情報(bào)、90%的通信、100%的導(dǎo)航和氣象信息。此外“十二五”期間，我國民用衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)將進(jìn)入黃金發(fā)展期1。國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展 “十二五”規(guī)劃中明確提出要全力推進(jìn)衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)在農(nóng)業(yè)、教育、國土、氣象、海洋、水利、林業(yè)、減災(zāi)防災(zāi)、定位導(dǎo)航、通信廣播等領(lǐng)域及公眾生活中的應(yīng)用，整個衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)將迎來發(fā)展新機(jī)遇。“十二五”期間，我國將實(shí)現(xiàn)“百箭百星”的發(fā)射目標(biāo)，探月計(jì)劃、載人航天、北斗導(dǎo)航等重大科技計(jì)劃會極大地推動衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。預(yù)計(jì)“十二五”末期，僅衛(wèi)星應(yīng)用產(chǎn)業(yè)規(guī)模就將突破

4、3000 億元。到時我國將建成以衛(wèi)星導(dǎo)航、衛(wèi)星遙感應(yīng)用、衛(wèi)星通信廣播為核心，同時涵蓋地面設(shè)備與用戶終端制造、衛(wèi)星運(yùn)營服務(wù)、系統(tǒng)集成及信息綜合服務(wù)等完整的衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)鏈。衛(wèi)星通信的發(fā)展方向是高速率、寬帶化、高頻譜利用率及低解調(diào)門限2。衛(wèi)星的傳輸對象已不再是低速率的語音及電視數(shù)據(jù)，而是無線 internet、高清電視、遙感對地觀測等大容量數(shù)據(jù)業(yè)務(wù);另一方面射頻技術(shù)、軟件無線電及編碼調(diào)制技術(shù)的發(fā)展也使得寬帶衛(wèi)星的發(fā)展成為了可能。寬帶衛(wèi)星的發(fā)展趨勢有以下兩點(diǎn)3：(1) 大量地采用先進(jìn)的信道編碼技術(shù)和高階調(diào)制解調(diào)技術(shù)，使得衛(wèi)星接收機(jī)的解調(diào)門限降低，工作區(qū)間逼近香農(nóng)限。比如自適應(yīng)編碼調(diào)制技術(shù)和高階的幅相調(diào)

5、制技術(shù)已經(jīng)運(yùn)用到衛(wèi)星接收機(jī)中;(2) 隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，適應(yīng)于衛(wèi)星通信的專用集成電路的速率已經(jīng)由原來的幾百兆向 g 比特的方向發(fā)展;2001 年美國噴氣動力實(shí)驗(yàn)室開發(fā)出了速率為 2.4g bit /s 的高速衛(wèi)星通信專用集成電路，歐洲航天局資助的高階調(diào)制解調(diào)器項(xiàng)目的傳輸速率高達(dá)1g bit /s ，能夠支持多種頻帶效率的調(diào)制方式，可以在逼近香農(nóng)限的信噪比區(qū)間上工作。我國的“天鏈”高速中繼衛(wèi)星系統(tǒng)已經(jīng)可以提供可靠的天基測控通信，并且在去年的 “天宮一號”與“神舟八號”對接過程中展示了良好的性能。與國際先進(jìn)水平相比，我國

6、的太動態(tài)范圍高速衛(wèi)星數(shù)傳技術(shù)雖然取得了較快進(jìn)步，但仍然有明顯的差距。人類的生存和生產(chǎn)活動會受到同時代環(huán)境、資源及空間等因素的制約。以航海時代為例，哪個民族率先突破這些因素的制約就站在了時代發(fā)展的前沿。隨著人口爆炸、資源枯竭及環(huán)境污染等問題的出現(xiàn)，太空就成為了人類突破自身發(fā)展瓶頸的另外一個資源維度。浩瀚的宇宙蘊(yùn)含著大量未知的科學(xué)秘密及豐富的物質(zhì)資源。從上個世紀(jì)五十年代開始，以美國為代表的世界各國陸續(xù)掀起了開展深空探測活動的熱潮。進(jìn)入新世紀(jì)，深空探測活動的競爭愈發(fā)激烈。歐盟、俄羅斯、日本、印度等國家和組織都制定并實(shí)施了雄心勃勃的探月與深空探測計(jì)劃。雖然受到經(jīng)濟(jì)危機(jī)的影響，美國政府的太空計(jì)劃受到了一

7、定程度的制約，但是美國民間的太空探索計(jì)劃卻借機(jī)發(fā)展的如火如荼，“太空經(jīng)濟(jì)”已成為一個朝陽產(chǎn)業(yè)。受限于科技與經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平，我國的深空探測活動起步較晚，但是發(fā)展速度很快。我國分別在 2000 年、2006 年和 2011 年發(fā)表了中國的航天白皮書。2007 年國家正式將載人航天列為重大科技工程。目前我國航天科技每年帶動的經(jīng)濟(jì)效益已達(dá) 1200 億，已經(jīng)將 2000 多項(xiàng)航天科技成果運(yùn)用到國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域。第二章 低信噪比下鎖頻鎖相器性能分析及改進(jìn)2.1 引言為了實(shí)現(xiàn)相干解調(diào)，數(shù)字接收機(jī)首先需要進(jìn)行載波同步操作。鎖相環(huán)具有技術(shù)成熟、成本低以及便于硬件實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于各類

8、通信系統(tǒng)中。數(shù)字鎖相環(huán)的設(shè)計(jì)面臨著兩個技術(shù)難點(diǎn)：即如何對抗強(qiáng)噪聲以及實(shí)現(xiàn)大頻偏的精準(zhǔn)捕獲。在 dvb-s(digital video broadcast-satellite, dvb-s)、衛(wèi)星與 gps(globalpositioning system, gps)等通信系統(tǒng)中的信噪比很低，并且頻偏較大。一個性能優(yōu)異的鎖相環(huán)應(yīng)該具備大的頻偏捕獲范圍與小的穩(wěn)態(tài)相位抖動這兩個指標(biāo)。采用輔助捕獲的方式可滿足第一個指標(biāo)要求，典型的輔助捕獲方式包括掃頻與采用自動頻率控制器這兩種方式。低信噪比條件下掃頻速率受限，捕獲速度較慢。自動頻率控制器不僅需要非線性元件，而且還要另外設(shè)計(jì)一個跟蹤環(huán)路來完成跟蹤操作。通

9、過設(shè)計(jì)窄帶鎖相環(huán)的方式可達(dá)到第二個指標(biāo)要求。但是窄帶鎖相環(huán)的捕獲速度慢，不能及時跟蹤頻偏變化，無法解決捕獲速度與估計(jì)精度之間的矛盾。目前低信噪比載波同步技術(shù)的主要研究方向集中在基于估值理論的算法設(shè)計(jì)上37-41，而針對大頻偏、低信噪比場景中鎖相環(huán)設(shè)計(jì)的研究則是一個很少受關(guān)注的方向。鎖頻鎖相器42( phase and frequency detector, pfd)同時具備鎖頻器與鎖相器的優(yōu)點(diǎn)，能夠在實(shí)現(xiàn)大頻偏捕獲的同時保持較小的穩(wěn)態(tài)相位噪聲。mpsk(multiple phase shift keying, mpsk)與高階 qam(quadrature amplitude modulation, qam)通信系統(tǒng)就廣泛地使用了 pfd 進(jìn)行載波同步43-46。傳統(tǒng) costas 環(huán)的相位跟蹤性能好，但頻率捕獲范圍較窄47-49。文獻(xiàn)48將 costas 環(huán)運(yùn)用到擴(kuò)