數位通訊系統同步技術之研究

Abstract

同步工作為通訊系統中極為重要的一環。依照不同的通訊層次上的同步需求，同步 工作可分為多個等級，如時脈同步 (Clock Synchronization)、載波同步(Carrier Synchronization)、字元同步 (Word Synchronization) 、字框同步 (Frame Synchronization)、與網路同步(Net-work Synchronization)等。至今已有許多同 步技術發表在文獻上，本論文則針對目前熱門的高速率電話線傳輸系統和無線電傳 輸系統其最基層的時序回復與載波相位回復等相關同步技術探討之。 高速率電話線傳輸由於使用基頻傳送，故主要的同步問題在於時序的回復。但是， 嚴重的符際干擾(Intersymbol Interference, ISI) 、殘留回音(Residual Echo) 與近端串音(Near-End Crosstalk, NEXT)增加資料還原和時序回復上的困難。為增 加時序回復的可靠度，接收信號需經適應性通道等化。本文中，我們將提出一鮑率 取樣的時序回復技術。為降低時脈閃動(Timing Jitter) 幅度，該法乃利用適應性 通道估測技術自估測得到的通道響應中拮取時序資訊而非自接收信號本身。更進步 發揮適應性通道估測器的功能可將通道等化、時序回復與微調自動增益藉一通道估 測器合而為一，因而簡化硬體複雜度。為了將通道等化與同步進一步結合來克服傳 送端與接收端間的延遲問題，我們採用週期性（非隨機性）序列來訓練適應性通道 估測器與通道等化器。為加快收斂速度，吾人並發展一類多位階特別序列供適應性 濾波器訓練之用。另外，在時序調整過程中時脈閃動會造成回音消除器產生暫態擾 動因而降低回音消除器的效能並增加設計上的困難。針對此問題，吾人提出一適應 性延遲濾波器置於回音消除器與等化器的介面處，該濾波器可將信號作任意非整數 倍取樣週期的延遲或超前。由於在吾人提出之接收器架構中，適應性通道估測器佔 著極重要的關鍵，故文中另闢一章專門探討快速通道估測器的效能與其穩定性，並 提出一套系統化的分析方法。 對於在無線電傳輸方面，數位蜂巢式行動電話與個人通訊系統（俗稱大哥大），近 來一直是各方研究的熱門題材。美國、歐洲與日本均發展個自標準規格的系統。歐 洲採用共同制定發展的GSM 數位汽車電話系統，美國的ADC系統(American Digital Cellular)與日本的JDC系統(Japanese Digital Cellular) 則採用不同傳送率，其 調變方式為π/4-DQPSK與GSM的GMSK (Gaussian-filtered Minimum Shift Keying) 迴然不同。不過，這些系統均屬於分時複接 (Time-Division Multiple Access, TDMA) 的傳輸系統。至於分碼複接(Code-Division Multiple Access, CDMA) 的數 位式個人通訊系統，目前其相關技術則為各方所積極研發中。在本文中，我們將探 討π/4-DQPSK信號其時序回復與載波頻率回復等同步問題。 無線電通道會因城市中密集的建築物或其他地形障礙而造成多重路徑反射的干擾， 使得接收到的信號發生嚴重衰落(Fading)。首先，我們針對π/4-DQPSK信號評估一 類非線性時序回復技術在衰落通道中的效能並比較之。在解調技術考量上，由於衰 落效應產生隨機性的頻率與相位調變而會造成接收信號相位快速變化，導致同步相 位解調(Coherent Detector) 困難。差分解調(Differential Detector) 技術由於 不需同步的相位資訊，因此在衰落通道中益顯其重要性。雖然差分解調無需載波相 位的回復，但是頻率的控制上卻依然重要，太大的頻率漂移將使系統效能大受影響 。故在π/4-DQPSK信號的差分解調接收系統中，頻率漂移量的估測和補償成為主要 的同步工作。在文中，我們提出一快速頻移估測器並分析頻移量和其系統效能間的 數學關係，更進一步評估該快速頻移估測器在衰落通道中的效能。 最後我們自理論觀點上進一步探討衰落效應與符際干擾兩者對一般LOS (Line-of- Sight)無線電通訊系統載波相位回復的影響，並分析I-Q 載波相位回復迴路在該系 統中的效能。