0  引言

在通信系統(tǒng)中不理想的信道會(huì)對(duì)信號(hào)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(huì)使信號(hào)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(wèn)題,。Bussgang類(lèi)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(shí)間長(zhǎng)，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(lèi)盲均衡算法中最常用的一種^［2-3］。郭曉宇,、趙寶峰等對(duì)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(hào)幅度變化和相位偏移補(bǔ)償?shù)膯?wèn)題,。改進(jìn)型CMA盲均衡器可以對(duì)信號(hào)幅度做均衡,，其性能優(yōu)于常規(guī)CMA，二階PLL可以對(duì)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(shí)信號(hào)的畸變處理,。聯(lián)合使用GNURadio和USRP(Universal Software Radio Peripheral,，通用軟件無(wú)線電設(shè)備)的軟件無(wú)線電是一種開(kāi)放的可重新編程的無(wú)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(kāi)發(fā),。使用C++和Python語(yǔ)言編寫(xiě)通信模塊,，通過(guò)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(wú)線電平臺(tái)的CMA盲均衡器和PLL組合的信號(hào)處理系統(tǒng)具有非常重要的意義和使用價(jià)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(guò)一未知時(shí)變離散時(shí)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(duì)y(n)進(jìn)行反卷積或解卷積運(yùn)算,。

1.2  Bussgang類(lèi)盲均衡算法

圖4仿真各階段信號(hào)星座圖Bussgang盲均衡器原理圖如圖2所示。Bussgang類(lèi)盲均衡算法有兩個(gè)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(zhǎng)度為2L+1,，,，μ為迭代步長(zhǎng)因子。

1.3  恒模算法

Godard提出的CMA是最常用的一種Bussgang類(lèi)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(hào)幅度，而二階PLL糾正信號(hào)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(hào)處理原理圖,。

2  仿真實(shí)現(xiàn)

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

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

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

綜合上面仿真情況來(lái)看,，改進(jìn)型CMA和二階PLL的組合對(duì)信號(hào)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(wú)線電平臺(tái)實(shí)現(xiàn)

3.1  GNURadio和URSP軟件無(wú)線電平臺(tái)

本文的重點(diǎn)在于對(duì)GNURadio和USRP軟件無(wú)線電平臺(tái)的研究,，并在其上實(shí)現(xiàn)CMA+PLL組合對(duì)信號(hào)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(yǔ)言編程構(gòu)成,，C++語(yǔ)言用來(lái)編寫(xiě)各種信號(hào)處理模塊，這些信號(hào)處理模塊在GNURadio中被稱(chēng)“block”; Python用來(lái)連接各個(gè)block使之成為一個(gè)腳本文件,，從而實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)的某些功能,，而這個(gè)腳本文件被稱(chēng)為“flow graph”。USRP是硬件部分,，它的作用為收發(fā)射頻信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為基帶信號(hào)連接PC^［8］,。

GNURadio和USRP軟件無(wú)線電平臺(tái)的軟件部分是一個(gè)開(kāi)源的項(xiàng)目，硬件部分的價(jià)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(hào)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(hào)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(hào)或者M(jìn)PSK(M=2,4,8)（灰色模塊）基帶信號(hào),，兩個(gè)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(hào)經(jīng)過(guò)無(wú)線通道后參數(shù)不可控,，增加一個(gè)模擬信道模塊，經(jīng)過(guò)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(guò)信道影響后的信號(hào),，處理后的信號(hào)送入信號(hào)解調(diào)和星座圖監(jiān)測(cè)模塊。

參數(shù)設(shè)置：（1）隨機(jī)信號(hào)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(shí)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(shí)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(cè)試發(fā)射了4，8-PSK和16,，64-QAM信號(hào),，經(jīng)過(guò)接收和CMA+PLL模塊處理，圖9為信號(hào)解調(diào)星座,，可見(jiàn)信號(hào)通過(guò)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(lái)處理信號(hào)畸變的CMA盲均衡器和PLL組合方法，并對(duì)組合的方法進(jìn)行改進(jìn),。通過(guò)MATLAB仿真進(jìn)行對(duì)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(wú)線電平臺(tái)的CMA盲均衡器和PLL組合的系統(tǒng),，通過(guò)MQAM和MPSK的信號(hào)驗(yàn)證,，系統(tǒng)性能良好。

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 （收稿日期：2018-03-07）

作者簡(jiǎn)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(hào)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(hào)處理,。