了得網研究生_衛星通信接收機同步技術

編輯推薦

本書作者武楠現於2011年在北京理工大學獲得博士學位，獲“2013年全國優秀博士學位論文”（百篇優博）榮譽。本書基於其博士論文，既涵蓋了對衛星通信接收機中多種經典同步算法的分類和比較，也特別加入了近年來該技術領域出現的一些新算法。可作為高等院校相關專業高年級本科生、研究生學習數字接收機同步技術的教材或參考書，也可作為從事衛星通信的工程技術人員的參考書。

內容簡介

本書介紹衛星通信接收機中的同步技術，主要內容包括衛星通信概述、同步技術的理論基礎、載波頻率同步技術、載波相位同步技術、符號定時同步技術、幀同步技術、信噪比估計技術，並以歐洲第二代衛星數字視頻廣播（DVB-S2）標準為例，詳細介紹了接收機同步算法的設計、仿真和實現過程。本書既涵蓋了衛星通信接收機中的經典同步算法，也特別融入了近年來該技術領域出現的新方法。

本書是專門闡述衛星通信接收機同步技術的理論書籍，可作為高等院校相關專業高年級本科生、研究生學習數字接收機同步技術的教材或參考書，也可作為從事衛星通信的工程技術人員的參考書。

作者簡介

武楠，男，1981年生，內蒙古巴彥淖爾人。2011年在北京理工大學獲得博士學位。現任北京理工大學副教授，博士生導師。主要研究方向為無線網絡信號處理技術。主持國家自然科學基金青年和面上項目、國家863項目子課題、*博士點基金以及企業合作等項目10餘項。在IEEE Trans. Signal Processing、IEEE Trans. Communications、IEEE Trans. Wireless Communications等國際著名期刊及會議發表學術論文60餘篇，其中SCI檢索30餘篇，授權發明專利10餘項。擔任IEEE Access、IEICE Trans. Communications等期刊編委。獲“2013年全國優秀博士學位論文”（百篇優博）榮譽。

王華，男，1967年生，安徽全椒人。2000年在北京理工大學獲得博士學位。現任北京理工大學教授，博士生導師。主要研究方向為無線通信傳輸理論與技術。主持和參與國家自然基金面上項目、國防預研和企業合作項目30餘項，發表SCI論文10餘篇，授權專利10餘項，作為主要完成人獲得省部級科技進步二等獎四次。
武楠，男，1981年生，內蒙古巴彥淖爾人。2011年在北京理工大學獲得博士學位。現任北京理工大學副教授，博士生導師。主要研究方向為無線網絡信號處理技術。主持國家自然科學基金青年和面上項目、國家863項目子課題、*博士點基金以及企業合作等項目10餘項。在IEEE
Trans. Signal Processing、IEEE Trans. Communications、IEEE Trans.
Wireless
Communications等國際著名期刊及會議發表學術論文60餘篇，其中SCI檢索30餘篇，授權發明專利10餘項。擔任IEEE
Access、IEICE Trans. Communications等期刊編委。獲“2013年全國優秀博士學位論文”（百篇優博）榮譽。

王華，男，1967年生，安徽全椒人。2000年在北京理工大學獲得博士學位。現任北京理工大學教授，博士生導師。主要研究方向為無線通信傳輸理論與技術。主持和參與國家自然基金面上項目、國防預研和企業合作項目30餘項，發表SCI論文10餘篇，授權專利10餘項，作為主要完成人獲得省部級科技進步二等獎四次。

匡鏡明，男，1943年生，湖南益陽人。北京理工大學教授，通信電子繫統專家，博士生導師。1988年5月西德西柏林工業大學獲工學博士學位。1999年7月起至2007年8月任北京理工大學校長兼研究生院院長。主要研究方向為無線通信理論及數字信號處理技術。主持承擔了多項國家各類別的科研項目，獲得多項科技進獎，出版專著2部，發表論文200餘篇。曾任國務院學位委員會學科評議組召集人，總裝備部科技委兼職委員，中國電子學會通信學分會副主任委員，中國兵工學會副理事長，全國學位與研究生教育學會副會長，中國通信學會常務理事，《學位與研究生教育》主編，北京市人民政府專家顧問團顧問等職務。先後獲“全國優秀留學回國人員”、“國※級有突出貢獻的中青年專家”、“全國國防科技繫統先進工作者”等榮譽稱號。

第1章概述 1
1.1 衛星通信繫統的基本概念 2
1.1.1 衛星通信的定義 2
1.1.2 通信衛星的分類 2
1.1.3 衛星通信的特點 5
1.1.4 衛星通信的任務 6
1.2 衛星通信繫統的現狀與發展趨勢 8
1.2.1 衛星固定通信的現狀與發展趨勢 8
1.2.2 衛星移動通信的現狀與發展趨勢 9
1.2.3 衛星廣播通信的現狀與發展趨勢 10
1.3 衛星接收機中的同步技術 11
1.3.1 通信繫統的基本模型 11
1.3.2 接收機中的同步技術 13
參考文獻 14 第1章概述 1
1.1 衛星通信繫統的基本概念 2
1.1.1 衛星通信的定義 2
1.1.2 通信衛星的分類 2
1.1.3 衛星通信的特點 5
1.1.4 衛星通信的任務 6
1.2 衛星通信繫統的現狀與發展趨勢 8
1.2.1 衛星固定通信的現狀與發展趨勢 8
1.2.2 衛星移動通信的現狀與發展趨勢 9
1.2.3 衛星廣播通信的現狀與發展趨勢 10
1.3 衛星接收機中的同步技術 11
1.3.1 通信繫統的基本模型 11
1.3.2 接收機中的同步技術 13
參考文獻 14
第2章同步技術的理論基礎 15
2.1 概述 15
2.2 基帶信號的定時恢復及對信號抽樣的影響 15
2.2.1 基帶信號的定時恢復 16
2.2.2 定時恢復誤差對檢測性能的影響 18
2.3 帶通信號的載波恢復及對解調性能的影響 20
2.3.1 帶通信號的載波恢復 20
2.3.2 載波相位誤差造成的性能損失 23
2.4 差分解調的同步性能分析 26
2.5 同步的參數估計理論 28
2.5.1 後驗概率估計和似然估計 28
2.5.2 同步參數估計中的似然函數構建 34
2.6 同步參數估計的性能極限 36
2.6.1 克拉美羅限及修正的克拉美羅限 36
2.6.2 同步參數估計中的修正克拉美羅限 40
參考文獻 42
第3章載波頻率同步技術 43
3.1 概述 43
3.2 經典載波頻率同步方法 43
3.2.1 平方環法 43
3.2.2 Costas環法 45
3.3 數據輔助頻率估計 46
3.3.1 基於似然的頻率估計理論 46
3.3.2 載波頻率估計的簡化模型 48
3.3.3 Kay算法 49
3.3.4 Fitz算法 50
3.3.5 L&R算法 51
3.3.6 M&M算法 52
3.3.7 頻率估計算法性能比較 53
3.3.8 一種改進的M&M載波頻率估計算法 54
3.4 非數據輔助載波頻率同步 57
3.4.1 理想定時同步下的載波頻率同步 57
3.4.2 非理想定時同步下的開環載波頻率同步 63
3.4.3 非數據輔助載波頻率估計的克拉美羅限 66
3.5 APSK調制信號的非數據輔助載波頻率估計 68
3.5.1 存在載波頻率誤差的APSK信號模型 68
3.5.2 L&R載波頻率估計算法在APSK調制信號下的性能分析 69
3.5.3 算法性能的進一步優化 75
附錄3. A 76
參考文獻 77
第4章載波相位同步技術 79
4.1 數據輔助載波相位同步 79
4.1.1 載波相位似然估計 79
4.1.2 載波相位估計的性能分析 80
4.1.3 頻率殘差對載波相位估計的影響 82
4.2 基於判決引導的載波相位估計方法 83
4.2.1 硬判決反饋的載波相位同步 83
4.2.2 軟判決反饋的載波相位同步 88
4.3 非數據輔助的載波相位同步 97
4.3.1 理想定時同步下的非數據輔助載波相位同步 97
4.3.2 高SNR下的非數據輔助載波相位同步 98
4.3.3 低SNR下的非數據輔助載波相位同步 99
4.3.4 非數據輔助載波相位同步的開環方法 102
4.3.5 QAM調制信號的非數據輔助載波相位開環估計方法 103
4.4 APSK調制信號的非數據輔助載波相位估計 104
4.4.1 繫統模型 104
4.4.2 非數據輔助載波相位估計的克拉美羅限 105
4.4.3 V&V載波相位估計算法在APSK調制信號下的性能分析 108
4.4.4 基於星座圖分割的載波相位估計算法 112
4.5 編碼輔助載波相位同步 114
4.5.1 編碼輔助載波相位同步算法 114
4.5.2 基於選擇性軟判決反饋的載波相位同步算法 118
4.5.3 編碼輔助判決反饋載波相位同步性能分析 122
附錄4.A 134
附錄4.B 138
附錄4.C 139
附錄4.D 142
參考文獻 150
第5章定時同步技術 153
5.1 定時同步技術概述 153
5.2 經典定時同步方法 154
5.2.1 平方律同步法 154
5.2.2 超前滯後門同步法 156
5.3 基於同步采樣的定時誤差反饋跟蹤同步法 157
5.3.1 模數混合數控振蕩器原理 158
5.3.2 同步采樣定時校準關繫的建立 158
5.4 基於非同步采樣的定時誤差反饋跟蹤同步法 160
5.4.1 非同步采樣插值控制時鐘恢復原理 162
5.4.2 分段多項式插值器原理 163
5.4.3 非同步采樣定時校準關繫的建立 164
5.5 基於判決引導的定時誤差檢測 165
5.5.1 基於似然的定時誤差檢測算法 165
5.5.2 基於真似然函數的誤差檢測算法性能分析 166
5.5.3 三種近似的定時誤差估計算法 171
5.5.4 三種近似算法的跟蹤性能分析與比較 173
5.6 非數據輔助的定時誤差檢測算法 176
5.6.1 基於似然的非數據輔助定時誤差檢測算法 176
5.6.2 非數據輔助的GAD定時誤差檢測算法 177
5.6.3 GAD算法和NDA-ELD算法的跟蹤性能比較 179
5.7 前饋定時估計算法 181
5.7.1 基於似然的非數據輔助前饋定時估計算法 181
5.7.2 O&M前饋定時估計算法 184
5.8 編碼輔助符號定時同步及其性能分析 186
5.8.1 編碼輔助符號定時同步算法 186
5.8.2 編碼輔助判決反饋符號定時同步性能分析 190
附錄5.A 200
附錄5.B 201
附錄5.C 202
參考文獻 206
第6章幀同步技術 209
6.1 概述 209
6.2起止式幀同步 209
6.3集中插入式幀同步的基本方法 210
6.3.1 巴克碼 210
6.3.2 巴克碼識別器 211
6.3.3 幀同步的保護 212
6.3.4 幀同步性能分析 213
6.4 復雜同步碼組下的集中插入式幀同步 214
6.4.1 采用復雜同步碼組的幀結構特征 215
6.4.2 復雜同步碼組的幀同步檢測方法 216
6.4.3 復雜同步碼組的幀同步校核保護方法 225
6.4.4 復雜同步碼組幀同步性能分析 227
6.4.5 復雜同步碼組幀同步性能仿真分析 233
參考文獻 240
第7章信噪比估計技術 242
7.1 概述 242
7.2 傳統的信噪比估計算法 243
7.2.1 基於相干接收的信噪比估計 243
7.2.2 基於矩的信噪比估計 245
7.3 基於期望的編碼輔助迭代信噪比估計 247
7.4 似然編碼輔助信噪比估計 251
7.4.1 似然編碼輔助信噪比估計算法 252
7.4.2 編碼輔助信噪比估計的克拉美羅限 254
7.4.3 編碼輔助信噪比估計算法的仿真結果及分析 255
7.5 存在載波頻偏的數據輔助信噪比估計 258
7.5.1 基於差分相關的數據輔助信噪比估計算法 259
7.5.2 CFR信噪比估計算法在實際繫統中的仿真與改進 259
7.6 存在載波相偏的數據輔助信噪比估計 264
7.6.1 相位信噪比聯合設計的MLDA信噪比估計算法 264
7.6.2 CPR MLDA信噪比估計算法的性能分析與仿真 266
7.7 APSK調制信號的編碼輔助似然信噪比估計 269
7.7.1 編碼APSK信號的ML信噪比估計器 269
7.7.2 編碼輔助APSK信號信噪比估計的CRB 273
7.7.3 APSK信號信噪比估計仿真結果及分析 273
參考文獻 277
第8章DVBS2接收機中的同步技術 279
8.1 第二代衛星數字視頻廣播標準DVB-S2 279
8.1.1 國際數字電視廣播標準 279
8.1.2 DVBS2的背景 280
8.1.3 DVBS2繫統概述 281
8.2 DVBS2接收機的同步技術 284
8.2.1 DVBS2繫統解調與同步原理概述 284
8.2.2 DVBS2繫統幀同步的差分檢測方法 287
8.2.3 DVBS2繫統符號定時同步 292
8.2.4 DVBS2繫統載波頻率同步 292
8.2.5 DVBS2繫統載波相位同步 297
8.3 DVBS2同步繫統仿真與分析 302
8.3.1 DVBS2繫統差分檢測幀同步仿真與分析 303
8.3.2 DVBS2繫統符號定時同步仿真與分析 307
8.3.3 DVBS2繫統載波頻率同步仿真與分析 311
8.3.4DVBS2繫統載波相位同步仿真與分析 315
8.3.5 DVBS2繫統同步總體仿真 318
8.4 DVBS2繫統同步模塊的FPGA設計與實現 319
8.4.1 FPGA開發平臺ISE 320
8.4.2 DVBS2繫統幀同步設計與實現 321
8.4.3 DVBS2繫統符號定時同步設計與實現 323
8.4.4 DVBS2繫統載波同步設計與實現 328
8.4.5 DVBS2繫統接收機總體設計與實現 348
參考文獻 354

前言

衛星通信具有覆蓋範圍廣、通信距離遠、建設速度快、容量大、不易受地理環境和自然災害影響等優點，已經在通信廣播、導航定位、氣像預報、災害預防、軍事偵察等各個領域得到了廣泛應用。
隨著信息社會的飛速發展，人們對多媒體業務的需求顯著增加，因此，要求衛星通信繫統具有更大的繫統容量、更高的傳輸可靠性，並且能夠支持交互式業務。應用需求推動了衛星相關技術的快速進步：衛星平臺技術和功率放大器的發展顯著提升了衛星轉發器的功率，使新一代衛星通信繫統可以采用高階調制技術，從而提高了衛星的頻譜利用率；衛星的工作頻段由X頻段、Ku頻段向Ka頻段，甚至更高的Q 頻段發展，極大地增加了衛星通信繫統的可用帶寬；多波束衛星天線技術的進步提高了覆蓋範圍內的頻率復用因子；鏈路自適應理論和技術的發展，不僅使逼近時變衛星信道的傳輸容量成為可能，而且為衛星通信繫統提供不同“服務質量等級（QoS）”的交互式業務奠定了基礎。總之，借助上述衛星相關技術的發展優勢，新一代的衛星通信繫統將進一步突破功率和帶寬約束，實現大容量、高可靠的自適應傳輸。衛星通信具有覆蓋範圍廣、通信距離遠、建設速度快、容量大、不易受地理環境和自然災害影響等優點，已經在通信廣播、導航定位、氣像預報、災害預防、軍事偵察等各個領域得到了廣泛應用。

隨著信息社會的飛速發展，人們對多媒體業務的需求顯著增加，因此，要求衛星通信繫統具有更大的繫統容量、更高的傳輸可靠性，並且能夠支持交互式業務。應用需求推動了衛星相關技術的快速進步：衛星平臺技術和功率放大器的發展顯著提升了衛星轉發器的功率，使新一代衛星通信繫統可以采用高階調制技術，從而提高了衛星的頻譜利用率；衛星的工作頻段由X頻段、Ku頻段向Ka頻段，甚至更高的Q

頻段發展，極大地增加了衛星通信繫統的可用帶寬；多波束衛星天線技術的進步提高了覆蓋範圍內的頻率復用因子；鏈路自適應理論和技術的發展，不僅使逼近時變衛星信道的傳輸容量成為可能，而且為衛星通信繫統提供不同“服務質量等級（QoS）”的交互式業務奠定了基礎。總之，借助上述衛星相關技術的發展優勢，新一代的衛星通信繫統將進一步突破功率和帶寬約束，實現大容量、高可靠的自適應傳輸。
同步技術是衛星通信接收機中的關鍵技術。首先，信號同步的結構和性能影響接收機模擬前端的設計方案，從而很大程度上決定了整個接收機的成本；其次，信號同步是接收機正常工作的前提，任何因素造成的“失步”將導致通信中斷，因而要求同步具有較強的可靠性和魯棒性；後，同步的偏差直接影響信道譯碼器的性能，導致接收機誤比特率性能的惡化。本書較為繫統地闡述了衛星通信接收機中的同步理論與技術，主要內容涉及載波頻率同步、載波相位同步、符號定時同步、幀同步等。本書既涵蓋了大量經典的同步算法，又特別引入了近年來在衛星通信同步技術方面湧現出的新方法；既嘗試通過信號處理理論分析，探究各類同步算法的原理本質，又借助實際通信接收機同步算法的設計和實現過程，使讀者對同步技術有更為“立體”的把握。
本書共分為8章。第1章和第2章由武楠、匡鏡明撰寫；第3～6章由武楠撰寫；第7章和第8章由武楠、王華撰寫。在本書的撰寫過程中，得到了北京理工大學通信技術研究所的老師和學生的支持和幫助，在此向他們表示衷心的感謝。本書的研究內容受到國家自然科學基金青年基金項目（編號：61201181）、國家自然科學基金面上項目（編號：61072049、61471037）、*全國優秀博士學位論文作者基金項目（編號：201445）的資助。北京理工大學優秀博士學位論文出版項目基金資助。借此機會，特別向國家自然科學基金委、*、北京理工大學研究生院所給予的支持和幫助表示感謝。
由於作者水平有限，書中疏漏之處在所難免，敬請同仁和讀者批評指正。

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