0  引言

在通信系統(tǒng)中不理想的信道會對信號造成畸變,，其中非常普遍的畸變就是信道間干擾和碼間干擾,，會使信號的頻率發(fā)生頻移和相位發(fā)生偏轉(zhuǎn)，降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。為此，常在接收端采用適當(dāng)補(bǔ)償?shù)姆绞浇鉀Q畸變問題,。Bussgang類盲均衡算法是以一種迭代方式進(jìn)行盲均衡,，缺點(diǎn)是算法收斂時間長，收斂后穩(wěn)態(tài)剩余誤差大^［1］,。Godard最早提出恒模算法(Constant Modulus Algorithm,CMA),，它是Bussgang類盲均衡算法中最常用的一種^［2-3］。郭曉宇,、趙寶峰等對恒模盲均衡算法進(jìn)行了改進(jìn)^［4-5］,。童本鋒設(shè)計(jì)了基于鎖相環(huán)的CMA盲均衡器^［6］，解決了信號幅度變化和相位偏移補(bǔ)償?shù)膯栴},。改進(jìn)型CMA盲均衡器可以對信號幅度做均衡,，其性能優(yōu)于常規(guī)CMA，二階PLL可以對頻偏和相位旋轉(zhuǎn)進(jìn)行補(bǔ)償,，其性能優(yōu)于一階鎖相環(huán),，而兩者結(jié)合可以提高收斂速度，減少穩(wěn)態(tài)誤差,，可以用于實(shí)時信號的畸變處理,。聯(lián)合使用GNURadio和USRP(Universal Software Radio Peripheral，通用軟件無線電設(shè)備)的軟件無線電是一種開放的可重新編程的無線電通信系統(tǒng)^［7］,，現(xiàn)在已經(jīng)普遍利用該系統(tǒng)進(jìn)行仿真實(shí)現(xiàn)和工程項(xiàng)目開發(fā),。使用C++和Python語言編寫通信模塊，通過GNURadio軟件結(jié)合USRP硬件可以設(shè)計(jì)所需的通信系統(tǒng),。因此,，深人研究基于軟件無線電平臺的CMA盲均衡器和PLL組合的信號處理系統(tǒng)具有非常重要的意義和使用價值。

1  盲均衡器原理和組合設(shè)計(jì)

1.1  盲均衡的原理

盲均衡器是一種不需要訓(xùn)練序列就可以完成信道的均衡自適應(yīng)技術(shù)，原理如圖1所示,。

輸入序列x(n)假設(shè)為獨(dú)立同分布序列,，通過一未知時變離散時間傳輸信道h(n)，考慮加性信道噪聲n(n),，得到均衡器接收序列y(n)：

可知,y(n)是由x(n)和h(n)卷積而成,要想從y(n)中獲得x(n),就需要對y(n)進(jìn)行反卷積或解卷積運(yùn)算,。

1.2  Bussgang類盲均衡算法

圖4仿真各階段信號星座圖Bussgang盲均衡器原理圖如圖2所示。Bussgang類盲均衡算法有兩個公式^［2］,，式(2)為均衡器輸出,，式(3)為抽頭系數(shù)迭代。

均衡器長度為2L+1,，,，μ為迭代步長因子。

1.3  恒模算法

Godard提出的CMA是最常用的一種Bussgang類盲均衡算法^［3］,。表1所示為恒模算法公式列表,。

1.4  恒模算法和鎖相環(huán)組合

因?yàn)楦倪M(jìn)型CMA可以均衡因信道引起的信號幅度，而二階PLL糾正信號的頻偏和相偏,，因此改進(jìn)型CMA和二階PLL相結(jié)合的方法可以減小穩(wěn)態(tài)均方誤差和處理信道引起的畸變,，既能加快收斂速度，又能糾正頻率誤差和相位誤差,。圖3所示為兩者結(jié)合信號處理原理圖,。

2  仿真實(shí)現(xiàn)

基于原理圖生成QAM信號，調(diào)制頻偏100 Hz,，相位偏移10°,，經(jīng)SNR=10 dB高斯信道，監(jiān)測信號星座圖,。

圖4星座圖分別是:(a)為原始4-QAM基帶信號,，(b)為信號經(jīng)過調(diào)制通過加性噪聲高斯信道后有頻偏相偏信號，(c)為經(jīng)過改進(jìn)型CMA處理后的信號,，(d)為經(jīng)過改進(jìn)型CMA和二階PLL處理后的信號,。通過分階段星座圖顯示，經(jīng)過改進(jìn)型CMA處理后幅度均衡效果明顯,，再經(jīng)過二階PLL處理后信號解調(diào)星座圖收斂較好,。

圖5信號未經(jīng)過CMA處理，通過頻響時間可見信號趨于穩(wěn)定時間明顯增加,，相位趨于穩(wěn)定時間明顯增加,，相位偏移起伏也明顯增大，尤其是處理后信號解調(diào)星座圖收斂不好,，誤碼率高,。而圖6是信號經(jīng)過改進(jìn)型CMA和二階PLL處理后的情況,，可見總體效果較好。

綜合上面仿真情況來看,，改進(jìn)型CMA和二階PLL的組合對信號幅度,、頻率和相位都有較好的均衡和糾正，性能較好,。

3  軟件無線電平臺實(shí)現(xiàn)

3.1  GNURadio和URSP軟件無線電平臺

本文的重點(diǎn)在于對GNURadio和USRP軟件無線電平臺的研究,，并在其上實(shí)現(xiàn)CMA+PLL組合對信號消除信道畸變。GNURadio軟件部分主要基于Linux操作系統(tǒng),，通信系統(tǒng)模型由C++和Python語言編程構(gòu)成,，C++語言用來編寫各種信號處理模塊，這些信號處理模塊在GNURadio中被稱“block”; Python用來連接各個block使之成為一個腳本文件,，從而實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)的某些功能,，而這個腳本文件被稱為“flow graph”。USRP是硬件部分,，它的作用為收發(fā)射頻信號并將其轉(zhuǎn)換為基帶信號連接PC^［8］,。

GNURadio和USRP軟件無線電平臺的軟件部分是一個開源的項(xiàng)目，硬件部分的價格也不是很高,，技術(shù)要求較低^［9］,。

3.2  模塊化實(shí)現(xiàn)

使用GNURadio軟件設(shè)計(jì)信號處理模塊，用USRP硬件發(fā)射和接收,。發(fā)射機(jī)（圖7）：隨機(jī)信號生成模塊生成隨機(jī)二進(jìn)制數(shù)據(jù)，調(diào)制模塊生成MQAM(M=4,16,64)基帶信號或者M(jìn)PSK(M=2,4,8)（灰色模塊）基帶信號,，兩個模塊可選,，發(fā)射USRP設(shè)置中心頻率為1 GHz。接收機(jī)（圖8）：接收USRP設(shè)置中心頻率為1 GHz,，考慮到信號經(jīng)過無線通道后參數(shù)不可控,，增加一個模擬信道模塊，經(jīng)過模擬信道模塊仿真多徑分布,、頻率偏移和相位偏移等參數(shù),，CMA盲均衡模塊和PLL（選用科斯塔斯環(huán)）模塊處理經(jīng)過信道影響后的信號，處理后的信號送入信號解調(diào)和星座圖監(jiān)測模塊,。

參數(shù)設(shè)置：（1）隨機(jī)信號生成：10 000碼元重復(fù)生成,；（2）調(diào)制模塊：MQAM (M=4，16,，64)調(diào)制,，格雷差分編碼，或MPSK(M=2,，4,，8)調(diào)制,，格雷差分編碼；（3）發(fā)射接收單元：發(fā)射IP192.168.10.3,，射頻1 GHz,，AGC增益50 dB，接收IP192.168.10.2,，中心頻率1 GHz,；（4）模擬信道：噪聲電平，歸一化的頻率偏移,、相位偏移,，多徑分布；（5）多相時鐘同步;（6）CMA均衡器：抽頭數(shù)15,，增益參數(shù),；（7）鎖相環(huán)：二階環(huán)路帶寬參數(shù)；（8）星座顯示,；（9）頻譜顯示,。

可變參數(shù)：噪聲電平，歸一化的頻率偏移,，采樣定時偏移量,，多路徑延遲分布，均衡器增益,，環(huán)路帶寬,。

全局變量：samp_rate為32 000，arrity為4,，sps為4,，taps為1，nfilts為32,。

幅度系數(shù)常量：0.5+0.5j,，從數(shù)學(xué)導(dǎo)入pi，從gnuradio.filter導(dǎo)入firdes,，升余弦整形濾波器設(shè)計(jì)參數(shù)：rcc_taps：firdes.root_raised_cosine(nfilts, nfilts, 1.0/float(sps), 0.35, 11*sps*nfilts),。

系統(tǒng)組建完成后，測試發(fā)射了4,，8-PSK和16,，64-QAM信號，經(jīng)過接收和CMA+PLL模塊處理,，圖9為信號解調(diào)星座,，可見信號通過系統(tǒng)后星座圖收斂情況較好。

4  結(jié)論

本文分析了一種用來處理信號畸變的CMA盲均衡器和PLL組合方法,，并對組合的方法進(jìn)行改進(jìn),。通過MATLAB仿真進(jìn)行對比論證,，仿真結(jié)果證明了該方法的有效性。研究并設(shè)計(jì)了基于GNURadio和USRP軟件無線電平臺的CMA盲均衡器和PLL組合的系統(tǒng),，通過MQAM和MPSK的信號驗(yàn)證,，系統(tǒng)性能良好。

參考文獻(xiàn)

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［5］ 趙寶峰.變步長盲均衡算法的研究［D］.太原:太原理工大學(xué)，2004.

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［8］ 王洪,，陳祝明，孫清清. 基于USRP和GNU Radio《軟件無線電》課程實(shí)驗(yàn)［J］.實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù),，2013,11（4）:310-312.

［9］ 曹俊杰.基于GNU Radio和USRP的認(rèn)知無線電頻譜感知技術(shù)研究［D］.西安：西安電子科技大學(xué),，2014.

 （收稿日期：2018-03-07）

作者簡介：

李曉光（1977-），通信作者,，男,，碩士，助理研究員,，主要研究方向：通信信號處理,。E-mail：[email protected]。

潘克剛（1977-）,，男,，博士，副教授,，主要研究方向：通信信號處理,。