调制信号的自适应解调方法研究

摘要

近年来数字通信技术得到了长足的发展。调制与解调技术是数字通信技术的最基本也是最为关键的技术。常见的调制技术有频移键控(FSK)、相移键控(PSK)、正交幅度调制(QAM)、正交频分复用调制(OFDM)等。随着应用的不同，这些基本的调制技术还衍生出许多变形的调制技术，如高斯最小频移键控(GMSK)、多输入多输出正交频分复用调制（MIMO-OFDM）等。这些调制技术已经广泛应用在第二代(2G)、第三代(3G)乃至第四代(4G)移动通信系统、无线局域网(WLAN)、非对称数字用户线(ADSL)、有线电视网络(CATV)等多种实际通信系统中，作为其物理层的传输技术。
　　 微电子技术的进步促进了全数字通信机的发展。调制器将待发送比特数据流调制成适合信道传输的波形和频谱，而解调器则是将从信道接收到信号解调为比特数据流。因此调制与解调器的数字化实现尤为重要。其中解调器涉及的功能单元较多，一般包括下变频、低通滤波、载波误差提取、环路滤波、压控振荡器等，其数字化实现时需要耗费大量的数字逻辑资源。本文试图运用自适应信号处理技术来解决调制信号的解调问题，以最典型的调制方式为例，来讨论自适应解调问题，并给出自适应解调方法(ADEM)与传统方法的性能比较。
　　 自适应信号处理技术是一种迭代的信号处理技术，它通过检测系统输出与期望信号之间的误差，动态地以迭代方式调整系统参数，使该误差为最小。以自适应迭代方式调整系统参数的算法即为自适应算法。从数字实现的角度看，迭代法更有利于数字化实现，因为它通常只与上一时刻的结果有关，迭代运算消耗的计算资源少。另外，自适应过程也是系统收敛、锁定的过程，这种行为类似于解调器载波恢复回路中的锁相过程。这正是本文为什么需要研究自适应解调方法的原因。文中的仿真分析结果对此进行了验证。
　　 本文对几种典型调制信号的自适应解调方法进行了探讨，研究的重点不在于采用何种自适应算法或自适应算法本身的性能如何，而是针对某个自适应算法研究如何构造自适应解调的结构。本文主要结合最小均方误差(LMS)自适应算法，研究几种主要的调制信号的自适应解调器结构及其性能，取得的研究成果如下：
　　 (1)分析了传统的全数字通信接收机的结构，研究了前人的自适应解调方法的优缺点，提出了二进制相移键控(BPSK)信号和多进制脉冲幅度调制（MPAM）信号的自适应解调方法。该方法采用LMS自适应算法提取调制的相位信息或幅度信息，与传统方法相比其性能接近相干解调性能，实现复杂度下降，便于DSP实现。给出了计算机仿真结果。
　　 (2)提出了QAM和OFDM信号的自适应解调方法并推导了一种实用算法。该方法采用LMS自适应算法从滤波器的权值直接提取单载波或多载波调制的幅度与相位信息，并在解调结果中增加了一项修正系数，无需等到滤波器完成收敛，只需有一定的迭代次数即可。理论分析与仿真结果表明，该方法与传统方法相比其性能接近相干解调性能，实现复杂度下降，便于DSP实现。
　　 (3)提出了基于自适应陷波器的自适应时间同步方法，并对其性能进行了研究。该方法利用自适应陷波器来跟踪输入信号，当信号从一个码元变到另一个不同的码元时，陷波器会从稳态过渡到另一个状态。过渡的起始时刻，陷波器输出误差发生较大的突变，提取该突变能获得时间同步信息。本文推导了自适应时间同步的性能公式，并进行计算机模拟。该自适应时间同步方法的结构简单，便于DSP实现，且具有较好的性能。
　　 (4)提出了一种基于自适应陷波器的自适应频偏估计方法。利用自适应陷‘波器具有非常高Q值，能跟踪已调的输入信号，从其权系数中导出了信号的频率偏移。以LMS自适应算法为例，讨论其频偏估计结构和性能。
　　 (5)分析了常用的OFDM系统的信道估计方法，提出了OFDM系统中用自适应滤波方法实现在频域对梳状导频的自适应插值，从而得到数据子载波处的信道估计。在此基础上，又提出了自适应时频联合OFDM信道估计方法，该方法能充分利用OFDM信道的频域相关性和时域相关性，因而能进一步提高信道估计性能。自适应时频联合信道估计解决了二维维纳滤波信道估计计算量非常大，且需要已知某些信道信息（如自相关函数等）的问题，能在实际系统中得到很好的应用。文中给出这两种信道估计的计算机模拟结果。