哈尔滨工业大学
硕士学位论文中期报告
题 目：高阶QAM解调算法研究
院 （系） 电子与信息工程学院 学 科 电子与通信工程 导 师 研 究 生 学 号 中期报告日期
研究生院制 二〇一二年三月
目 录
1．课题主要研究内容及进度情况 .......................................................................................... 1
1.1．课题主要研究内容 .................................................................................................... 1 1.2．进度情况 .................................................................................................................... 1 2．目前已完成的研究工作及结果 .......................................................................................... 2
2.1．系统仿真模型 ............................................................................................................ 2
2.1.1系统仿真模型的建立 .......................................................................................... 2 2.1.2系统仿真模型的验证 .......................................................................................... 3 2.2匹配滤波 ........................................................................................................................ 4 2.3符号同步 ........................................................................................................................ 5
2.3.1 闭环Gardner算法 ............................................................................................... 6 2.3.2 开环非线性处理算法 ...................................................................................... 10 2.3.3 定时误差校正算法 .......................................................................................... 14 2.3.4 开环和闭环系统算法性能对比 ...................................................................... 16 2.3.5 减少定时同步抖动的预滤波器设计 .............................................................. 17 2.4载波同步 ...................................................................................................................... 19
2.4.1 DFT频率粗估计算法 ....................................................................................... 19 2.4.2 维特比频率估计算法 ...................................................................................... 23 2.4.3 维特比相位估计算法 ...................................................................................... 25 2.5结论 .............................................................................................................................. 26 3．后期拟完成的研究工作及进度安排 ................................................................................ 27 4．存在的困难与问题 ............................................................................................................ 27 5．如期完成全部论文工作的可能性 .................................................................................... 27
1．课题主要研究内容及进度情况
1.1．课题主要研究内容
近年来，QAM 调制由于频谱利用率高和抗干扰能力强，被广泛应用于数字广播电视标准、数字微波、HFC网络、本地多点分配业务LMDS等宽带数字应用系统中[1]，其中在LMDS系统中，调制阶数可达256和512。然而，随着 QAM调制阶数的增加，星座点间的距离变小，更容易受符号干扰的影响，传输过程中较小的符号定时误差、频率误差和相位误差都会对系统造成很大的影响，增加误码率，对解调算法的精度和稳定性提出了更高要求，传统算法很可能难以满足。因此研究适合高阶QAM 调制下对应的解调算法，对保证高阶QAM调制下接收机的通信质量和系统信息的可靠性具有重要意义。
本文主要针对调制阶数为16~1024阶的规则星座图的QAM系统进行研究，考虑到在QAM全数字接收机设计中，前端射频到中频的下变频和增益处理、中频到基带的正交下变频和重采样滤波处理，都可利用前端硬件FPGA实现，速度更快，更加灵活。因此本课题研究致力于基带信号，使问题集中在信号解调上，对成型匹配滤波、定时同步、载波同步等关键技术展开研究，同时，在实际通信系统中，考虑到传输效率，发射端不提供任何前导辅助信息，因此，本文中解调时涉及到的核心算法，均采用NDA实现方式（NDA，non-data aided，非数据辅助），其可以分为开环方式和闭环方式。
课题主要通过对不同的NDA核心算法进行性能优劣对比分析，并提出合适的改进算法，以减小计算复杂度并提高其精度，最终，建立完整的面向高阶QAM调制的接收机解调系统的通用处理框架，其中，最大调制阶数可达1024阶。考虑到系统实现的精度，捕获范围及实现的难易程度，主要对以下几种算法进行研究与分析：
匹配滤波定时同步载波同步窗函数法误差估计内插校正频率同步相位同步Gardener算法升余弦4类非线性法根升余弦预滤波法改进线性内插器维特比法DFT维特比法 Polar、RC、DD算法改进抛物线内插器锁相环法锁相环法立方内插器 图1.1 高阶QAM解调所涉及的各种算法
1.2．进度情况
1
目前，课题已完成了匹配成型滤波器设计和定时同步算法的研究，正在进行载波同步部分的研究和高阶QAM解调通用体系框架的构建，大致进度如下图所示，其中红色为已完成的，灰色为待完成的。
表1.1 研究进度
项12345主要研究内容匹配成型滤波技术符号同步技术载波频率同步技术载波相位同步技术高阶QAM解调通用体系框架50P`%研究进度1000% 2．目前已完成的研究工作及结果
课题首先建立了系统仿真模型，然后对各算法进行讨论。
2.1．系统仿真模型
2.1.1系统仿真模型的建立
利用信号的低通等效模型，可以将实际信号传输中的频谱搬移，带通滤波，以及信道特性都等效至基带，变为低通滤波模型，从而使信号的表示大为简化，使问题集中于信号解调算法方面。因此，本课题采用如图2.1所示等效基带模型对各种算法展开讨论。
b(m)a(n)信号源调制映射发送滤波器s(t)信道发送端gT(t)n(t)??f??信道损伤r(t)解调输出信号载波同步定时同步z(k)匹配滤波gR(t)接收端图2-1 QAM调制解调等效基带模型
2
在发送端，信号源b(m)经过调制映射为复基带信号a(n)，然后通过发送滤波器成型滤波后，得到数字调制信号s(t)。
s(t)??n????a(n)gT(t?nT) (1)
式中，T为符号间隔；gT(t)为发送端脉冲成型滤波器的冲激响应。s(t)被送入AWGN信道后，接收到的复基带信号r(t)为：
r(t)?s(t)*?(t)exp[j(2?Vft??)]?n(t) (2)
式中，Vf是收发端载波之间存在的频差；?是收发端载波间的初始相位差；n(t)是信道引入的加性高斯噪声，其单边带功率谱密度为N0/2；不考虑幅度衰减的影响，即令
?(t)=1。在接收端，信号通过接收匹配滤波器得到：
z(t)?r(t)*gR(t)?[?a(n)g(t?nT)]exp[j(2?Vft??)]?n(t) (3)
n????式中，gR(t)为接收匹配滤波器的冲激响应，它与发端成形滤波器冲激响应相匹配；
g(t)?gT(t)?gR(t)满足Nyquist第一准则；Ts是采样周期
在t?kTs??T时刻采样，得到的数字信号z(k)为：
z(k)?[?a(n)g(kTs??T?nT)]exp[j(2?VfkTs??0)]?n(k) (4)
n????式中，???T是整个信道传输引入的未知的归一化延时；?0是相位差。
匹配滤波输出的z(k)经过任意采样率适配，用于各误差参数的估计，完成符号同步和载波同步，得到测量信号。对测量信号进行符号判决、调制映射，经过参考滤波器滤波得到参考信号。根据得到的测量信号和参考信号，就可以进行矢量信号误差分析。 2.1.2系统仿真模型的验证
在无任何误差的理想条件下，通过实际仿真所得误码率曲线与理论计算值对比，对系统模型进行验证。
仿真条件：发送信号为1024QAM调制信号；符号速率1/T=20Mbps；发送端脉冲成型滤波器和接收端匹配滤波器均为平方根升余弦滤波器；滚降系数??0.75；信道为AWGN信道；?f=?=?0=0；单次发送信号数为4×105，蒙特卡罗循环10次，得到其误码率曲线如下图所示。
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