載波恢復技術

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1、載波恢復技術及其相關算法4.1 載波恢復的基本原理在數字傳輸系統中，接收端解調部分通常采用相干解調(同步解調)的方法， 因為相干解調無論在誤碼率、檢測門限還是在輸出信噪比等方面較非相干解調都 具有明顯優勢。相干解調要求在接收端必須產生一個與載波同頻同相的相干載 波。從接收信號中產生相干載波就稱為載波恢復。相干解調的優越性是以接收端擁有準確相位的參考載波為前提的，如果頻率 有誤差，解調就不能正常工作，如果相位有誤差，解調的性能就會下降。因為星 座點數多的QAM(如64QAM,256QAM)對載波相位抖動非常敏感,所以對DVB-C 系統的QAM調制方式來說，在接收端取得精確頻率和相位的相關載波尤為

2、重要。在數字傳輸系統中,由于收發端的本振時鐘不精確相等或者信道特性的快速 變化使得信號偏離中心頻譜,都會導致下變頻后的基帶信號中心頻率偏離零點, 從而產生一個變化的頻偏,同時,信號的相位在傳輸中也會受到影響,引起信號 的相位抖動。為了消除因此產生的載波頻偏Af和相偏A0,在數字傳輸系統接收端 的QAM解調器中需要通過載波恢復(Carrier recovery)環路來計算出信號中載波頻 偏與相偏,并將載波頻偏與相偏的值反饋回混頻器來消除載波頻偏與相偏。本文論述采用特殊的鎖相環來獲得相干載波的方法,其基本思想是：對于經 過了下變頻、濾波器、定時恢復和均衡之后的信號,應用盲載波恢復,通過利用 鎖相環

3、,提取出頻偏并且跟蹤相偏。4.2 載波恢復的具體方法以下介紹從抑制載波的己調信號中恢復相干載波的常用的方法：四次方環 法、同相正交環法、逆調制環法、判決反饋環法。4.2.1 四次方環四次方環6的基本方法是將接收信號進行四次方運算,然后用選頻回路選出4f分量，再進行四分頻，取得頻率為f的相干載波。具體的四次方環載波恢復 cc框圖如圖4-1所示。圖4-1中接收到的射頻信號與本地振蕩器混頻，在中頻處理階段進行濾波和 自動增益控制后，升為四次冪，送入鎖相環。鎖相環的作用是提取出載波的4倍 頻分量，并濾除其它隨機分量。因此它可以輸出所需頻率。然后載波頻率乘以四， 如圖中X4方框所示。這一步可以通過求輸入

4、信號的四次冪實現。將接收信號通 過一個四方律器件得到接收信號的四次冪，同時相位角也變成原來的四倍。然后 將四方律器件輸出的四倍載頻除以四就可以恢復出載波了。圖 4-1 四次方環結構框圖422科斯塔斯環（Costas環）Costas環又稱為同相正交環。它的優點在于提取相干載波的同時完成了對I,Q兩路的解調，而且性能也較好。其模擬的結構框圖如圖4-2所示：LPFs(t)n /2LPFLFs (t)eSQVCO圖 4-2 科斯塔斯環模擬域結構框圖利用數字化基帶處理的方法，將模擬的Costas環路的基帶處理電路用數字電 路來代替，即用模二和電路取代乘法器、增加判決器，可以大大提高環路的性能 和可靠性。

5、這種數字化基帶處理的Costas環在上個世紀70年代由日本人松尾首先 提出，所以又被稱為“松尾環”。其數字化結構圖如圖4-3所示。提取相位誤差圖 4-3 松尾環結構框圖其鑒相表達式為：Se=SI SQ S1 S2=Sgn(S沖Q即JI)簡化數字實現處理式是：S = sgnsin(46 )(4-2 )e4.2.3 逆調制環 一種利用恢復的信碼脈沖對壓控振蕩器的信號進行再調制的逆調制環7如 圖4-4所示。圖 4-4 逆調制環結構框圖逆調制環在環內設置相位檢波器和判決器作為信碼再生部件，從輸入的中頻 鍵控信號中恢復出信碼脈沖，并利用此信碼脈沖對輸入的信號進行再調制，從而 得到無調制的載波，并用它作為

6、鑒相器的輸入信號；或利用信碼脈沖對壓控振蕩 器的信號進行調制，得到參考已調波，并將它作為鑒相器的參考信號。在這種方 式中，為了消除載波的相位模糊，通常在報頭內發出若干比特的載波恢復碼，而 在接收端得到相位準確的載波。4.2.4 判決反饋環 DD-PLL傳統的面向判決鎖相環法(Decision Directed PLL,即DD-PLL，亦稱判決反饋 環)的實現框圖如圖4-5所示，首先，輸入的信號y(n)假定已經經過了自動增益 控制、定時恢復和均衡，y(n)與數控振蕩器的輸出相乘，產生相干解調信號S(n), S (n)為S(n)的逐電平判決輸出。I1圖 4-5 DD-PLL 的結構框圖DD-PLL

7、的鑒相輸出為：S (n)=Im空(4-3)eS (n)式中S(n)、S(n)分別是載波恢復環路輸入信號y(n)的軟判決和硬判決的值，S(n)是S(n)經過判決器輸出的信號，S (n)是鑒相器輸出的相位誤差信號，Im表 e示取虛部運算。鑒相器輸出S (n)經過環路濾波器后用于驅動數控振蕩器工作，數控振蕩器 e輸出的頻率就是我們需要的與信號同步的工作頻率。常用的DD算法有以下兩種：(1)DD算法一該算法相位檢測器輸出的相位誤差為(n)=ImcsgnS(n)(S(n) - S(n)*4-4)其中,c sgn(x) = sgnRe(x) +x), sgn 表示取符號位操作。該算法可以I圖 4-6 QA

8、M 星座圖+/+z+7一戈+一/+用QAM信號的星座圖來說明，見圖4-6。當接收的QAM信號點存在小的相位誤差 e時，以圖上A點為例說明，無相位誤差接收時的A點會圍繞坐標原點旋轉，落 在標有“ + ”或“-”的區域中，據此可以計算出相應的相位誤差，當信號落在A 點上時，相位誤差為零，即接收的信號不存在相位誤差。DD算法二該算法相位檢測器輸出的誤差值為4-5)沖=屮) i(n)-沖 Q(n)在接收信號信噪比較低時，判決器的輸出S(n)不可信，但是S(n)的符號位還是比較可信的。因此可以用sgn(S(n)來替代S(n)，因為sgnS(n)=sgnS(n),所以上式可變為：4-6)Se (n)=SQ

9、(n)廣gnS (n)片(n)廣gnSQ(n)直接使用DD算法，其載波恢復的頻偏捕獲范圍是比較小的，一般低于 80kHz。判決導向鎖相環采用全星座圖判決，在穩定時的相位噪聲最小，所以實 際應用中DD算法可以用于載波頻偏捕獲之后對載波相位進行跟蹤，這樣可以獲 得較小的穩態相位誤差。DD算法和通用環一樣，也是面向判決的，當載波頻偏或相偏太大時，無法 得到正確的符號判決值，此時將無法實現載波同步，所以DD-PLL算法的載波捕 捉范圍比較小。4.3 其它的載波恢復方法4.3.1 通用載波恢復環1j1983年，法國國家電信中心實驗室萊耳特(A.Leclert)提出了一種專門用于 QAM 信號的通用載波恢

10、復環簡稱為通用環10。其結構如圖 4-7 所示。圖 4-7 通用載波恢復環結構框圖這種環路結構簡單、容易實現，從理論上說可以達到比較理想的載波跟蹤。這種環路從理論上說可以完全消除統計跟蹤法或矢量點扣除法所固有的碼型噪聲，達到比較理想的載波跟蹤。但是，當載波有比較大的頻差時，判決很不可靠，使得取出的誤差也不可靠， 這時載波恢復環路無法很好地工作。只有當載波頻差很小時，判決比較可靠了， 才能有效地恢復出載波，因此通用環一般只用于環路的跟蹤，即實現相位檢測(PD )的功能。通用環的基帶處理函數可以表示為：S = sgn(S - S ) sgn(S ) - sgn(S - S ) sgn(S )(4-

11、7)e I I Q Q Q I式中s、s為正交鑒相器輸出兩路基帶信號，S、S分別是s、s的判決I Q I Q I Q值。4.3.2 PFD 算法Hikmet Sari和Said Moridi提出了PFD載波恢復算法，其原理框圖如圖4-8所 示，該方法可以有效地增大載波恢復環的頻率跟蹤范圍，同時起到調頻和調相的 作用。圖 4-8 PFD 算法結構方框圖這種PFD是基于傳統的PD提出來的，其基本思想是檢測出載波相位的過零點， 只將過零點后的PD檢測值送給環路濾波器，并且這個值保留到下一個過零點的 到來，從統計上分析，該方法可以使檢測值具有與載波頻偏同樣極性的直流輸出， 起到FD的作用。具體的做法是

12、，對星座點設置一個窗口，如果信號落在窗口內, 就認為載波誤差在零點附近，用PD算法提取相位誤差，否則就保持上一次的檢 測值。這種PFD算法將FD和PD相結合，大大擴展了環路捕捉的范圍。但是由于只 利用了 QAM星座圖中對角線上的信號，造成載波相位抖動增大。因此在環路鎖 定后，利用控制邏輯切換到PD方式下工作，對所有的信號點都進行相位檢測，以此減小穩態相位抖動。該算法對噪聲比較敏感，高階QAM的兩個星座點間的 相位間隔太小，只能對付比較小的載波頻率誤差。這種PFD算法應用在我們的 DVB-C系統中，需要輔助較多的掃頻回合。4.3.3 極性判決相位檢測算法為了更好地提高載波捕捉范圍，Kim和Cho

13、i提出了極性判決相位檢測算法11 用于高階QAM的載波恢復。實現結構如圖4-9所示，基本思想和DD-PLL方法一 樣，同時結合了功率檢測，并且用極性判決替換逐電平判決，減小了鑒相輸出對 精確判決靈敏度的影響。圖 4-9 極性判決算法的結構框圖極性判決算法中，功率檢測電路輸出控制信號，決定符號是否被處理。當滿足|S(n)|2 t2時進行判決，當|S(n)|2 t2時PD狀態保持不變，即S (n) = 0。其中t e表示門限值，該值可根據不同模式及所選擇有用信號而改變，以便適合不同頻偏系統。極性判決對I、Q兩路分別進行判決，輸出：Se (n)=sgnS (n)+jgnSQ(n)= 土 1 j當不判

14、決時，鑒相器輸出S (n) = 0。e判決允許時，S (n)=lm空兒卸氣卜卩血即明 eS (n)則鑒相器輸出如下式所示：S (n)= t 2S (n)4-8)其他SQ嘰吧吃嘰吧(町|S(n)F t 2其他該算法隨著T的增大，被處理的符號減少，鎖定誤差范圍減小，當T等于9.3 時，理論上可以消除鎖定誤差。但是T取值太大時，被判決的符號會大大減小。 為了更好的追蹤，需要減小門限值T。隨著T減小，輸出抖動方差卻不斷增大。這是S (n)的非準確判決造成的，S (n)只有四個取值-3n /4,-n /4, n /4, 3n /4,ee分別對應了對角線的四個方位。相對于S(n)存在了相位偏差，從而加劇了穩態相 位抖動。所以該算法雖然提高了頻率捕捉范圍，卻不能良好跟蹤環路相位。4.4 小結載波恢復過程分成了捕獲和跟蹤兩部分。在許多系統中，跟蹤都是由簡單有 效的誤差判決導向(DD)完成的，而捕獲則有多種方法。本章所論述的載波恢 復算法中，DD算法和通用載波恢復環主要用途是跟蹤載波相位，而其它的載波 恢復則主要是用于載波捕獲。下一章將論述把極性判決算法和DD算法結合起來的載波恢復電路。