简化的BPSK通信系统设计及同步机制

在第16章，我们介绍了一些用于产生二进制相移键控（BPSK）基本的技术。由于跟产生BPSK信号有关的不同形式和要求很多，所以不必惊奇出现很多种类型的接收机。在本章，我们将介绍其中一种以及一些用于恢复包含在BPSK信号中的信息的技术。

下面，我们讨论简化的BPSK接收机，它必须能完成下面的功能：

（1）恢复载波，并从接收到的信号中去除载波的影响，相伴而生的技术是使用锁相环（PLL）的相关内容（见本书第15章）。这个过程将恢复BPSK信号的基带形式。

（2）通过基于FIR匹配滤波器（MF）处理前面恢复得到的基带信号。假设我们的BPSK信号在发射端是使用2400Symbol/s的脉冲调制（IM）“方均根升余弦”形式脉冲产生的。这是一个和本书第16章介绍的通常的升余弦形态脉冲相似的一种有趣的较为常见的变例。MF工作模式需要接收机使用一个和发射端相同的方均根升余弦滤波器。我们选择一个基于MF模式的接收机，因为它可以在有额外高斯白噪声（AWGN）情况下达到最优的信噪比（SNR）^[67]。

（3）最后，必须从来自接收机的MF信号中恢复同步信号。我们将使用基于最大似然（Maximum Likehood，ML）同步恢复环路来确定合适采样匹配滤波器的输出。这个采样/决定过程等价于确定平均意义下何处眼图最“开”。在本章后面的内容中，我们将更详细地讨论眼图。这个采样/决定过程也将一系列滤波采样信号数值转换成信号比特（0或者1）。要注意的是，BPSK中比特和符号是等价的。

在这里，我们讨论一种BPSK接收机，要特别强调的是载波恢复、匹配滤波、符号同步恢复必须都完美实现的，这才能保证信号的无误的传输。同时实现这三个必须的要求很具挑战性。我们将在后面的内容尝试完成这个课题。为了能够让你放轻松一些，要指出的是这个工程实际上是综合了你已经知道的两个概念，只涉及一个新的概念。具体来说，这两个已经涉及的概念分别是在本书第15章已经研究过了的锁相环路（PLL）和本书第3章已经研究过了的FIR滤波器中的匹配滤波器。基于ML的同步恢复系统是这个工程中一个新出现的概念。在后面的内容中，我们将使用缩写NCO来表示数字可控振荡器Numerically Controlled Oscillator，但它实际上是本书第5章介绍的直接数字综合器（Direct Digital Synthesizer，DDS）的同义词。

端到端的BPSK发射机/信道/接收机的简化框图如图17.1所示。图中接收机的框图包含在点划线框中。接收机的同步恢复部分如图17.2所示。可以从参考文献[66]来了解更详细的内容。

图17.1 一个BPSK通信系统的简化框图（发射机/信道/接收机）(www.xing528.com)

图17.2 一个基于最大似然的同步恢复原理图

对图17.2所示框图做一些关键的简化可以得到图17.1所示框图。具体说有以下几个方面：

（1）不是像图17.2所示框图那样实现两个高阶FIR滤波器（匹配的滤波器和匹配滤波器导数的滤波器），我们只实现一个匹配的滤波器，然后对该滤波器的输出近似求导数。

（2）导数的运算是使用包含一个采样时间群延时的非常简单的2阶FIR滤波器来实现的。这个单位延时用于在时间上使得两个信号准确同步。

（3）图17.2所示框图中的探测器是使用归类判断的方法来实现的。正的信号被映射到+1（信息比特1），负的信号被映射到-1（信息比特0）。检测器模块可以被理解为接收机确定接收信息比特的模块。

（4）图17.2所示框图中的同步误差探测器使用乘法操作来近似。