前言在[阶段性总结从bit流到QPSK点簇——基于P201Pro和GNU Radio的简单收发系统]中其实已经详细给出了发射端和简单的接收端的操作了在最近的学习中给接收端的同步做了一些细化解决了相位旋转的问题还有前导辅助载波同步的问题。最终得到了从一台PC端发送bit到另一台PC端并且能解调出与发送端一致的bit今天对这部分进行增加总结。同时界定一些硬件造成的误差。本次链路的配置与观察结果本次实验由两台 P201Pro 分别承担发射与接收。下面按“设备连接—发送端基准—接收端结果”展示本次运行的关键证据。设备与链路。实物照片展示两台 P201Pro 的部署图两台设备的实物连接与早期收发结构示意。结构图用于说明链路不作为本次参数记录。发送端基准。新增的 bit 显示模块呈现发送序列并能搜索到已知前导码同一截图中的 QPSK 星座点为调制输出提供观察依据。这些已知 bit 和前导码是后续接收端对照的基准。图发送 bit 与前导码搜索结果右下角为发送信号的 QPSK 星座。接收端结果。截图上方的星座图分别呈现环状轨迹和较集中的四个点簇频率曲线用于观察载波跟踪状态bit 视图则多次命中与发送端相同的前导码。结合两端 bit 的逐位对照本次展示片段可以对应这些截图还不能代替连续运行的误码率和丢帧率统计。图接收端的星座、载波频率估计与前导码搜索结果。bit 搜索模块和频率曲线使解调结果与同步过程都变得可观察。接收链概览图本次阶段总结的接收主链。只保留采集、频偏粗捕获、同步跟踪和bit恢复四个阶段GUI观察支路与具体参数见原流图。从QPSK点簇到bit一致上一篇总结把接收链推进到了稳定的四个QPSK点簇但点簇清晰只说明符号采样和载波跟踪已有成效不能直接证明比特映射正确。继续做硬判决和收发bit对照时我发现Costas环即使锁定仍可能留下90°整数倍的象限模糊星座不再旋转判出的bit却可能整体对应错位置。为让接收端自动确定数据含义我比较了两条处理路线路线处理象限模糊的方式对当前系统的影响DQPSK依据相邻符号的相位差恢复数据收发两端都需要差分编解码已知前导码根据已知符号估计整体相位并校正保留原QPSK映射还能提供帧位置参考当前分帧收发系统采用前导码方案具体实验与取舍见[接收端基础知识——Costas环锁定后为何仍会错DQPSK与前导码相位校正6]。这一步也让我把判断标准从“星座好看”推进到“发送与接收的bit能否对应”。图第6篇中的前导码相位校正示意。相关峰值给出前导码位置和整体相位校正后才能按约定映射判决bit图中数值是原理演示。设备带来的误差在之前[软件无线电接收端学习——从HackRF One到P201Pro的设备升级2]中我们提到我们无线电设备P201Pro的时钟参数如下设备时钟精度1 GHz时的单机最大频偏发送端P201Pro0.5 ppm VCTCXO500 Hz接收端P201Pro0.5 ppm VCTCXO500 Hz然后我们是发送到1GHz上去的所以频偏的范围可以计算得到如下 单台 P201Pro 在 1 GHz 载波频率下由 0.5 ppm 时钟误差引起的最大频率偏差为单机因此发送端实际载波频率可能位于接收端本振也可能存在同样大小的误差接收机看到的相对载波频偏为当收发两端的误差方向相同时二者会部分甚至完全抵消当误差方向相反时相对频偏达到最坏情况因此在只考虑两台 P201Pro 的 0.5 ppm 时钟精度时1 GHz载波上的理论相对频偏范围为在这次GNU Radio流图的对照截图中上方freq曲线是未经前导码粗补偿的Costas环频率估计稳定在约800 Hz下方中间的前导码模块估计约900 Hz右下角freq曲线则是粗补偿后Costas环对残余频偏的估计约为-100 Hz。这里的800 Hz是流图内部的观测值并非独立测得的两台设备晶振频差。它与仅按时钟精度推得的±1 kHz范围处于同一量级但单次观测不能验证整个理论范围。图上方为未加前导码粗补偿的Costas环频率估计下方中间为前导码粗频偏估计右下角为粗补偿后的Costas环残余频偏估计。这一级别的相对载波频偏虽然不大仍会使星座随时间旋转因此后续需要载波同步。从稳定跟踪到初始捕获设备正常工作时的频偏估算解释了本次链路面对的误差量级为了进一步看清同步环路的能力我又人为增大发送端频偏观察Costas环从启动到锁定的过程。借助静态plot保留捕获期间的变化可以看到环路带宽增大虽会加快响应也会带来更明显的稳态波动。由此我开始区分两个任务先把较大的初始误差拉进可工作范围再持续跟踪剩余误差。图第7篇的环路带宽对照实验。三幅频率曲线自上而下对应Loop Bandwidth 0.015、0.1和0.35带宽增大后捕获更快稳态波动也更明显。阶段要解决的问题当前接收链中的分工初始捕获启动时可能存在较大的频偏重复前导码先估计并补偿粗频偏持续跟踪锁定后仍有残余频率和相位误差Costas环连续修正粗频偏的校正问题沿着“先捕获、再跟踪”的思路本次接收端利用重复前导码估计并补偿粗频偏再由Costas环跟踪剩余的频率和相位误差。这样前导码从象限校正与帧定位的参考进一步成为载波初始估计的依据Costas环锁定后仍由已知前导码确定最终象限。前导长度与捕获范围的取舍后续将在协议设计中进一步讨论。图第8篇的重复前导码帧结构。两段相同的A用于载波粗捕获已知的A还可供后级象限校正复用图中的4 MS/s是原理示例本次链路使用2.084 MS/s。总结回头看接收端的推进顺序是先得到稳定的符号点簇再让比特映射自动对齐随后检验环路的初始捕获能力最后由前导码提供粗估计、Costas环负责持续跟踪。每一步都来自上一阶段暴露出的具体问题。最终用发送端和接收端的bit显示、前导码搜索结果进行对照本次展示的数据能够对应上。这里记录的是一次链路验证连续运行的误码率、丢帧率和不同信道条件下的可靠性还需要另行统计。