载频偏差与载波频率同步汇总课件.ppt
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1、1数字通信数字通信 (第十讲第十讲)载频偏差与载波频率同步载频偏差与载波频率同步2014 Yuping Zhao(Professor)赵玉萍赵玉萍Department of ElectronicsPeking UniversityBeijing 100871,Chinaemail:2数字通信系统的构成(点到点)信源编码信道编码调制低通滤波载波调制通道载波解调低通滤波解调信道解码同步均衡信宿发射天线接收天线3 接收机的载波解调将信号频谱搬移到基带;接收机在本地产生载波信号,其频率与发端频率之间存在误差。4载波频率偏差发射/接收信号的载波频率不同-器件固有频率偏差发射/接收频率受到温度变化的影响-
2、温度漂移一般来讲发射/接收频率偏差在50ppm以下-1ppm为10-6例:设载波频率为1GHz,收发端频率偏差为2ppm,则收发端频率差的绝对值为:1 109 2 10-6=2KHz收发端载波频率差直接影响基带信号的解调5载波频率偏差模型设传输信号为这里 fc 为传输端载波信号的频率,为基带信号。若收端载频与发端载频存在频差,接收端的载波信号频率为载波解调后的基带信号表示为:6经过采样后,接收的基带信号序列为这里设发端与收端载波频率的偏差表示为对于基带信号而言,相当于在接收信号上附加了一个角度,并且该角度的绝对值随n的增大而增大载波频率差对系统的影响引起单载波系统和多载波(OFDM)系统的频率
3、偏差的原因和模型是相同的载波频差对单载波系统和多载波(OFDM)系统的影响是不同的无论哪种系统接收端都需要进行频率偏差纠正7单载波系统的载波频差的影响及其解决方案89载波频率偏差对单载波BPSK系统的影响信号实部信号虚部带有载波频率偏差的接收信号采样值说明:本例是频偏值较大情况的示意图,每个符号的角度旋转不同10载波频率偏差对单载波系统的影响信号实部信号虚部说明:本例是频偏值较小情况的示意图,在一段时间内每个符号的角度旋转几乎相同,长时间观察可以看到星座图旋转的情况载频同步载频同步的方法的方法发送用于同步的pilot频率-特征:发射的是纯单频信号,没有数据载频信号上调制了已知信号-特征:发射的
4、是已知信号,称为训练序列载频信号上调制了未知信号-特征:没有专用的单频信号或训练序列锁相的环的基本原理1112载波频率偏差与相位偏差载波频率偏差与相位偏差 在特定时刻,载波频偏体现出的是收发端载波相位的不同。在很短的时间内,可以看作收发端的频率是相同的。设发送调幅信号为接收机本地载波为13如果去掉上式中的第二项(2倍频率项),接收信号为则载频解调后的信号为使用这种方法即可将发送/接收信号的相位差提取出来14载波偏差估计方法:载波偏差估计方法:ML carrier estimator设发射/接收信号存在频率偏差,传输的是载波信号,依据最大似然法则,有其中第一项和第三项与估计无关,因此最大似然函数
5、为15对数似然函数为例:设接收载波信号为这里相位差的问题变成了需要找出使如下公式最大化的角度 值本地载波信号为16因此得到求导并令导数为零设满足上式的角度为 并将 展开,得到:17框图表示由此即可得出收/发载频相位的偏差18Xs(t)e(t)LPF g(t)v(t)VCO r(t)InOut锁相环锁相环工作原理工作原理功能:1.检测出频率/相位偏差2.纠正(跟踪)频率/相位偏差2(t)锁相环的工作框图19接收信号:本地信号:相乘以后的结果为误差信号为:经过低通滤波后的信号为(去掉高频成分):其中g(t)为滤波器响应函数20VCO是一个具有如下响应的函数这里变化的相位部分为f这里根据 的大小调整
6、频率21 i(t)Xg(t)v(t)o(t)e(t)2 K0+-以相位环表示系统,得到输入输出关系图如下:22锁相环的工作原理的传输函数表示(时域/频域)展开为:其相应频域表达式为23代入得到输入输出传输函数24锁相环是一个非线性系统,但是当相位误差较小时,可以使用如下近似式:25数字通信书中对锁相环的说明数字通信书中对锁相环的说明低通滤波器的响应函数为低通滤波器的响应函数为26对于较小的相位误差,可以近似为对于较小的相位误差,可以近似为则则或或 27有有 AWGN的的PLL的等效模型的等效模型28 AWGN 对相位估计的影响在有AWGN 时,环路滤波器的输入 噪声的存在使用于相位调整的误差信
7、号不够准确,导致相位调整产生震荡29关于携带了信息序列的载频处理关于携带了信息序列的载频处理当传输信号携带已知信息时当传输信号携带已知信息时,接收信号星座图为接收信号星座图为条件:1。发射/接收信号均为已知2。接收信号存在高斯噪声问题:如何得到接收信号的相位偏差30关于携带了信息序列的载频处理关于携带了信息序列的载频处理设发射设发射的已知信息序列的已知信息序列为为In,成型滤波器响应函数为,成型滤波器响应函数为g(t),未知相位值为,未知相位值为等效低通信号表示为已知信息旋转了一个未知角度等效低通信号表示为已知信息旋转了一个未知角度31其对应的似然函数及对数似然函数分别为其对应的似然函数及对数
8、似然函数分别为 对每个对每个 T0=KT区间积分,得区间积分,得32假设匹配滤波器的输出为(即采样值)假设匹配滤波器的输出为(即采样值)则对数似然函数可表示为则对数似然函数可表示为ML 估计估计 是使上式达到最大值的估计(以是使上式达到最大值的估计(以 为自变量)为自变量)33令该导数结果为零,得到令该导数结果为零,得到物理意义说明:1.对于接收的信号序列而言,相当于求多个信号的平均角度2.对于求平均角度而言,上式的平均要优于分别求角度以后的平均3.上式实际上也在进行最大比合并34判决反馈判决反馈:PAM当接收信号携带信息时,接收信号判决后可以作为已知信号求平均35判决反馈判决反馈:PSK36
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