基于DPMR協(xié)議的900M無中心系統(tǒng)的載波同步技術

謝曉明，王春雨

(北京化工大學信息科學與技術學院，北京100029)

0 引言

目前，我國的公眾移動通信網已經全面實現了數字化，而專網移動通信的數字化程度還需要很大的提高，例如民用數字對講機。歐洲電信標準協(xié)會 (ETSI)于2005年針對民用數字對講機系統(tǒng)推出了可以應用于900M頻段資源無中心通信系統(tǒng)的非集群標準:dPMR(digital Private Mobile Radio)協(xié)議?；赿PMR協(xié)議的900M無中心系統(tǒng)采用基于多信道選址的單工對講方式工作，根據信息產業(yè)部無線電管理局下達的信無函［2002］10號文規(guī)定，民用數字對講機系統(tǒng)的工作頻率變更為915.0125M-916.0875M之間?；赿PMR協(xié)議的900M無中心系統(tǒng)不僅能滿足專網移動通信由模擬化向數字化轉變的一系列要，更能滿足信息產業(yè)部最新出臺的數字對講機射頻指標。無論是dPMR協(xié)議還是900M無中心系統(tǒng)在國內都處于起步階段，因此具有良好的發(fā)展前景。

1 基于dPMR協(xié)議的900M無中心系統(tǒng)

1.1 基于dPMR協(xié)議的900M無中心系統(tǒng)簡介

基于dPMR協(xié)議的900M無中心系統(tǒng)是一種不采用交換控制中心的集中控制，而由各移動臺或固定臺分別設定無線通信鏈路的分散控制方式的自集群系統(tǒng)［1］。dPMR協(xié)議中規(guī)定信道間隔改為6.25kHz。

dPMR是數字無線電協(xié)議，通過使用低成本、低復雜性技術的專門針對高度功能性的解決方案。dPMR是一種窄帶FDMA技術，100%數字化，提供多種形式的語音和或數據應用，并可以可提供歐洲電信標準協(xié)會 (ETSI)技術標102 361-1規(guī)定的高級通信性能［2］。dPMR協(xié)議的分層模型是簡化后的OSI分層模型發(fā)展而來的，通常劃分為3個層次，自上而下分別是:呼叫控制層、數據鏈路層和物理層，如圖1所示，物理層規(guī)定信道間隔為6.25kHz。

圖1 dPMR協(xié)議模型

1.2 基于軟件無線電的dPMR物理層的載波同步

軟件無線電［3-5］(software radios)的基本思想是將寬帶的A/D轉換器盡可能靠近射頻天線，以使DSP或FPGA的功能最大化。如數字下變頻，載波同步等。

載波同步［6-7］是dPMR理層中一個必不可少的單元。在物理層中需要將900M的基帶射頻信號經過混頻器調制為一個中頻模擬信號，然后將中頻模擬信號經過A/D采樣轉化中頻數字信號，隨后要將數字中頻信號進行解調處理。載波同步技術的性能將直接影響對數字信號的解調輸出，通常情況下，采用鎖相環(huán) (PLL)的載波同步技術具有較好的抗噪聲特性和比較高的捕獲精度，但是受捕獲帶寬的影響，對多普勒效應的容忍度低。使用鎖頻環(huán) (FLL)的載波同步技術雖然增加捕獲帶寬，能夠較好的抑制多普勒效應的影響，但是卻大大降低了跟蹤精度和抗噪聲性能。

為了滿足載波同步技術的動態(tài)性能、抗噪聲性能以及精度要求，本文提出一種FLL和PLL聯(lián)合載波同步技術，折中的解決了FLL和PLL之間矛盾，并利用MATLAB進行仿真。結果證明，本方法適用于高動態(tài)環(huán)境和低信噪比環(huán)境下的基于dPMR協(xié)議的900M無中心系統(tǒng)。

2 載波同步方案設計

由于dPMR協(xié)議中要求信號的調制方式為4FSK，所以本文針對4FSK調制的信號進行研究。載波同步系統(tǒng)結構如圖2所示。

圖2 FLL+PLL載波跟蹤方案模型

由于900M的射頻信號頻率非常高，對硬件要求極高，在實際中很難實現，所以將900M的射頻信號進行模擬混頻后得到75M的中頻模擬信號，然后經過A/D采樣，將模擬中頻信號數字化之后輸入到載波同步模塊中，對載波信號進行捕獲。

載波同步模塊利用FLL和PLL各自的優(yōu)點，采用FLL和PLL聯(lián)合跟蹤方案。由于剛剛進入載波同步模塊的數字中頻信號具有高動態(tài)性，所以載波具有一個較大的頻偏，因此，首先采用FLL進行頻率的粗捕獲，當捕獲頻率到達一定門限，利用一個判決模塊使捕獲工作進入到PLL中，利用PLL對載波信號實現精確的相位同步。如果動態(tài)增大時，使FLL的捕獲頻率超過判決模塊所規(guī)定的判決門限，又轉入FLL進行捕獲，從而實現環(huán)路的FLL和PLL的自動切換。

3 載波同步環(huán)路的設計

3.1 數字鎖頻環(huán)的設計

由于傳統(tǒng)的叉積自動鑒頻算法 (CPAFC)和改進的基于符號的叉-點積鑒頻 (Cross Dot Product AFCCDPAFC)［8-9］算法都會受到信號幅度的影響，所以本文采用反正切算法［10］來消除這一現象，假設輸入中頻信號為

式中:n(t)——譜密度為窄帶高斯白噪聲。

鎖頻環(huán)數控震蕩器輸出為

經過如圖2中的FLL模塊的積分清洗器后的輸出為

上式中，T是預檢測積分時間，tk－1是預檢測積分開始時間，Δω是頻率估計殘差，θ是本地初始相位。所以叉積鑒頻和點積鑒頻結果為

所以有

經過反正切變換可以得出頻率估計殘差為

使用該算法的鎖頻環(huán)可以有效的對具有高多普勒效應的頻率斜生信號進行載波同步。

3.2 數字鎖相環(huán)的設計

基于科斯塔斯環(huán)的鑒相算法是數字鎖相環(huán)的常用算法，一般有反正切鑒相算法、正切鑒相算法、2倍角正弦鑒相算法和正弦鑒相算法，算法表達式分別是

鎖相環(huán)能夠捕獲的頻率域越廣，說明鑒相方法的鑒相范圍和線性度越大。在相差比較小時，上述四種鑒相法分別對應的鑒相直線方程為

我們在［-π/2，π/2］的值域內，對上述4種方法進行評估，在幾種誤差下，上述4種鑒相算法的線性范圍比較見表1。

表1 4種鑒相算法的線性范圍比較

通過表1可以看出，4中鑒相法中，反正切鑒相方法的線性度為最優(yōu)，所以本文在鑒相算法上使用基于科斯塔斯環(huán)的反正切鑒相算法。

3.3 鎖頻環(huán)和鎖相環(huán)的數字環(huán)路濾波器設計

本文采用二階數字鎖頻環(huán)來進行載波頻率的粗同步，其數字濾波器基本結構如圖3所示。

圖3 二階鎖頻環(huán)數字濾波器模型

由圖3可以推導出二階FLL的環(huán)路傳遞函數為

那么二階FLL的環(huán)路誤差傳遞函數為

同樣本文采用的數字鎖相環(huán)也為二階，其數字濾波器基本結構如圖4所示。

二階PLL的環(huán)路傳遞函數為

圖4 二階鎖相環(huán)數字濾波器模型

那么二階PLL的環(huán)路誤差傳遞函數為

由圖3和圖4進行以及由式17和式19比較可以看出，鎖頻環(huán)的數字濾波器要比鎖相環(huán)的數字濾波器多一個積分環(huán)節(jié)，這也是鎖頻環(huán)比鎖相環(huán)能夠較好的抑制信號多普勒效應的關鍵原因之一。C1和C2的計算表達式為

式中:ωn——環(huán)路固有振蕩頻率，表達式為BL——環(huán)路等效噪聲帶寬，ξ——阻尼系數，一般取經驗值0.707。

3.4 二階FLL和二階PLL的抗多普勒效應性能分析

穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差的表達式為

He(s)為誤差傳遞函數，θi(s)為輸入信號的拉普拉斯變換。根據拉氏變換中值定理有

下面以輸入信號為具有多普勒效應的頻率一次斜生信號來進行分析。頻率一次斜生信號i(t)=0.5Rt2的拉氏變換是

R為信號變化速率，所以二階FLL的穩(wěn)態(tài)誤差為

二階PLL的穩(wěn)態(tài)誤差為

二階FLL和二階PLL的穩(wěn)態(tài)誤差比較結果如圖5所示。

圖5 二階鎖相環(huán)數字濾波器模型

由式 (24)和圖5可以看出，對于輸入的頻率一次斜生信號來說，二階FLL跟蹤環(huán)中穩(wěn)態(tài)誤差為0，所以二階FLL可以很好的跟蹤頻率一次斜生信號。由式25和圖5可以看出，對于輸入的頻率一次斜生信號來說，其二階PLL跟蹤環(huán)中穩(wěn)態(tài)誤差是存在的，并與環(huán)路的帶寬BL的平方成反比，當BL足夠大時，當可以跟蹤頻率一次斜生信號，這就意味著輸入的信號會伴隨著大量噪聲。

4 仿真結果及分析

前面已經對FLL聯(lián)合PLL的載波同步系統(tǒng)進行詳細的設計以及算法的描述，下面利用matlab對系統(tǒng)進行仿真驗證和性能分析。根據A/D采樣過程以及DPMR協(xié)議進行的仿真系統(tǒng)參數設計為:輸入FSK中頻信號為一次斜生信號，中心頻率75M，載波頻率為10M，采樣率為fs=60M，載噪比-10dB，積分時間T=1ms，多普勒動態(tài)范圍 (-300，+300)kHz，FLL轉入 PLL的判決門限為 (-40，+40)kHz。載波同步仿真結果如圖6和圖7所示。

由圖6可以看出，FLL可以很快的捕獲具有多普勒效應的載波信號，當FLL捕獲的殘余頻差為40kHz時轉入PLL來完成載波信號的精確捕獲。由圖7可以看出，對于一次斜生的多普勒信號，本載波同步方案可以比較好的完成載波信號的同步。

5 結束語

本文根據信息產業(yè)部無線電管理局下達的信無函［2002］10號文并結合歐洲電信標準協(xié)會 (ETSI)推出的dPMR協(xié)議，創(chuàng)新性的提出一種可以應用于民用對講機或是其它領域的基于DPMR協(xié)議的900M無中心系統(tǒng)。在以此系統(tǒng)為背景下，利用鎖頻環(huán)和鎖相環(huán)各自的優(yōu)點，提出一種二階FLL輔助二階PLL的載波同步跟蹤方案，通過MAT-LAB仿真結果證明了本文提出的載波同步方案能夠為基于DPMR協(xié)議的900M無中心系統(tǒng)的載波同步模塊提供一種可行性方案。

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