本發(fā)明屬于移動(dòng)通信系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種符號(hào)定時(shí)同步裝置及方法。

背景技術(shù)：

數(shù)字通信系統(tǒng)中，帶限信號(hào)傳輸時(shí)數(shù)字信號(hào)需要經(jīng)過濾波成形后再進(jìn)行載波調(diào)制，接收端經(jīng)過匹配濾波、采樣判決、恢復(fù)發(fā)端的數(shù)字信號(hào)。由于信道傳輸延時(shí)以及收發(fā)兩地時(shí)鐘的偏移，收端采樣判決無法在最佳時(shí)刻進(jìn)行，會(huì)使恢復(fù)出的數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)之間存在誤差，接收端為了得到最佳采樣值恢復(fù)發(fā)送端所發(fā)送的數(shù)據(jù)，要求接收端的時(shí)鐘與發(fā)端時(shí)鐘同步。

傳統(tǒng)數(shù)字通信系統(tǒng)中，采用反饋結(jié)構(gòu)的方式調(diào)整本地采樣時(shí)鐘，從而獲得與發(fā)送端同步的時(shí)鐘，但是在全數(shù)字接收系統(tǒng)中，本地振蕩時(shí)鐘是固定的，系統(tǒng)不能通過調(diào)整本地時(shí)鐘獲得一個(gè)位同步時(shí)鐘，而是采用插值的方法直接獲得符號(hào)的估計(jì)值；

假設(shè)接收信號(hào)的等效低通形式

r(t)＝σicigt(t-it-τ)+w(t)(1)

其中，{ci}為發(fā)送符號(hào)序列，對(duì)于mpsk，有ci＝e^jα，α＝0,2π/m,…,2π(m-1)/m，對(duì)于mqam，有a,b＝±1,...,±(m-1)，τ為路徑延時(shí)，也即需要同步的參量，這里設(shè)τ∈[-t/2,t/2]，gt(t)為發(fā)送端成形濾波器，一般為升余弦濾波器，w(t)為復(fù)高斯過程，

經(jīng)過匹配濾波后

x(t)＝∑icih(t-it-τ)+v(t)(2)

其中，h(t)＝gt(t)*gr(t)為升余弦濾波器，v(t)＝w(t)*gr(t)為窄帶高斯過程，ts為本地固定采樣頻率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決數(shù)字通信系統(tǒng)中的符號(hào)定時(shí)同步，實(shí)現(xiàn)最佳時(shí)刻采樣判決，本發(fā)明特提出一種基于插值濾波的反饋型符號(hào)定時(shí)同步裝置及方法。一種基于插值濾波的反饋型符號(hào)定時(shí)同步裝置包括插值濾波單元、定時(shí)誤差檢測(cè)單元、環(huán)路濾波單元和定時(shí)控制器單元，發(fā)明創(chuàng)新點(diǎn)在于：

針對(duì)插值濾波單元涉及的多項(xiàng)式插值計(jì)算復(fù)雜的問題，提出采用farrow結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，并對(duì)具體的實(shí)現(xiàn)過程進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少了實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度。

采用非實(shí)時(shí)反饋代替實(shí)時(shí)反饋，提高了符號(hào)定時(shí)同步裝置的處理速度和應(yīng)用范圍?？紤]匹配濾波器的輸出經(jīng)過插值濾波器后的輸出為

y(t)＝∑mx(mts)hi(t-mts)(3)

其中，hi(t)表示插值濾波器。插值濾波器主要實(shí)現(xiàn)時(shí)變插值和抽取的功能，因此，插值濾波器的數(shù)字輸出為

y(kti+εt)＝σmx(mts)hi(kti+εt-mts)(4)

可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化為

式(5)是符號(hào)定時(shí)同步中插值濾波器的基本方程。由基本方程可知，基本指針mk和μk控制著內(nèi)插估值過程，信號(hào)樣值與內(nèi)插估值點(diǎn)之間的定時(shí)關(guān)系如圖1所示。其中，基本指針mk決定了用來計(jì)算第k個(gè)內(nèi)插值y(kti+εt)的信號(hào)樣值，分?jǐn)?shù)間隔μk指示了內(nèi)插估值點(diǎn)，并決定了用來計(jì)算內(nèi)插值y(kti+εt)的插值濾波器脈沖響應(yīng)值。

根據(jù)上述分析，設(shè)計(jì)了一種基于插值濾波的反饋型符號(hào)定時(shí)同步器，它的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。虛線部分表示一種反饋型的符號(hào)定時(shí)同步裝置，a/d轉(zhuǎn)換器以獨(dú)立時(shí)鐘ts對(duì)接收到的模擬信號(hào)進(jìn)行采樣，得到數(shù)字信號(hào)r(mts)，然后通過匹配濾波器得到x(mts)輸入到符號(hào)定時(shí)同步裝置。符號(hào)定時(shí)同步裝置包括插值濾波器、定時(shí)誤差檢測(cè)器、環(huán)路濾波器和定時(shí)控制器四個(gè)部分，它們之間構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)。首先，定時(shí)誤差檢測(cè)器根據(jù)插值濾波器的輸出信號(hào)獲得當(dāng)前時(shí)刻的時(shí)鐘相位誤差ε。接著，環(huán)路濾波器對(duì)時(shí)鐘相位誤差ε進(jìn)行平滑濾波，得到累積時(shí)鐘相位誤差e(k)。定時(shí)控制器起到插值控制的作用，它根據(jù)環(huán)路濾波器輸出的累積時(shí)鐘相位誤差e(k)獲得定時(shí)控制器的控制量mk和μk，其中，mk描述最接近最佳采樣時(shí)刻的信號(hào)位置，它決定了用來計(jì)算第k個(gè)內(nèi)插值y(kti+εt)的信號(hào)樣值，而指針μk描述最佳采樣時(shí)刻與mk的偏差值，它決定了用來計(jì)算內(nèi)插值y(kti+εt)的插值濾波器脈沖響應(yīng)值。在此基礎(chǔ)上，插值濾波器根據(jù)定時(shí)控制器反饋的控制量mk和μk確定用于計(jì)算內(nèi)插估計(jì)值y(kti+εt)的信號(hào)樣值x(mk)和濾波器脈沖響應(yīng)值ci(μk)從而獲得內(nèi)插值y(kti+εt)。最后經(jīng)過抽取y(kti+εt)得到同步后的信號(hào)值z(mì)(nt)，從而實(shí)現(xiàn)和發(fā)端符號(hào)頻率匹配。

從圖2中可以看出，符號(hào)定時(shí)同步裝置中涉及的定時(shí)誤差檢測(cè)器和環(huán)路濾波器原理和實(shí)現(xiàn)均比較成熟和簡(jiǎn)單，它的難點(diǎn)和核心是插值濾波器和定時(shí)控制器。為了實(shí)現(xiàn)方便，這里采用多項(xiàng)式插值方法，即

完成插值所需要的輔助信息，都包含在定時(shí)控制器所提供的插值位置參數(shù)中，其中，取最接近interp_pos的整數(shù)點(diǎn)為mk，而系數(shù)ci由interp_pos與mk的差μk決定，ci與μk的不同對(duì)應(yīng)關(guān)系取決于不同的插值方法。本設(shè)計(jì)采用分段拋物線插值，ci(μk)與μk的對(duì)應(yīng)關(guān)系為

由于我們的目標(biāo)是獲得內(nèi)插估計(jì)值，而不是構(gòu)建插值濾波器，因此，可以利用簡(jiǎn)單、高效的farrow結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)插值濾波。式(7)所示的拋物線多項(xiàng)式的farrow結(jié)構(gòu)如圖3所示?？梢钥闯?，farrow結(jié)構(gòu)每計(jì)算一個(gè)內(nèi)插值只需要傳送一個(gè)變量—內(nèi)插估計(jì)點(diǎn)μk，并由μk直接算出內(nèi)插值，而不需要計(jì)算中間的濾波器系數(shù)，實(shí)現(xiàn)起來相當(dāng)簡(jiǎn)單。

本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明提供了一種基于插值濾波的反饋型符號(hào)定時(shí)同步方法用于數(shù)字通信系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)裝置。本方法的好處在于通過采用farrow結(jié)構(gòu)優(yōu)化了多項(xiàng)式插值濾波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，減少了實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度，另一方面，通過采用非實(shí)時(shí)反饋代替實(shí)時(shí)反饋，從而實(shí)現(xiàn)了信號(hào)低倍采樣的條件下通過插值濾波和反饋控制也能得到很高精度的符號(hào)定時(shí)同步，提高了方法的適用范圍。

附圖說明

圖1信號(hào)樣值與內(nèi)插估值點(diǎn)之間的定時(shí)關(guān)系圖；

圖2基于插值濾波的反饋型符號(hào)定時(shí)同步器結(jié)構(gòu)框圖；

圖3拋物線多項(xiàng)式插值濾波器的farrow結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)框圖；

圖4改進(jìn)的拋物線多項(xiàng)式插值濾波器farrow結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)框圖；

圖5定時(shí)誤差檢測(cè)實(shí)現(xiàn)框圖；

圖6環(huán)路濾波器結(jié)構(gòu)框圖；

圖7定時(shí)控制器結(jié)構(gòu)框圖；

圖8-圖9基于插值濾波的反饋型符號(hào)定時(shí)同步器性能(snr＝0db)，去掉了前300個(gè)符號(hào)；

圖10-圖11基于插值濾波的反饋型符號(hào)定時(shí)同步器性能(snr＝30db)，去掉了前300個(gè)符號(hào)。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例的附圖，對(duì)本發(fā)明中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整的描述，顯然所描述的實(shí)施例是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)范圍。

本發(fā)明實(shí)施例公開一種數(shù)字通信系統(tǒng)符號(hào)定時(shí)同步裝置，請(qǐng)參見圖2，它共包含插值濾波單元、定時(shí)誤差檢測(cè)單元、環(huán)路濾波單元和定時(shí)控制器單元。

插值濾波單元

插值濾波單元根據(jù)定時(shí)控制器單元所提供的插值位置參數(shù)mk和μk得到最佳采樣時(shí)刻點(diǎn)的估計(jì)值，其中，指針mk描述最接近最佳采樣時(shí)刻interp_pos的信號(hào)位置，它決定了用來計(jì)算第k個(gè)內(nèi)插值y(kti+εt)的信號(hào)樣值，而指針μk描述最佳采樣時(shí)刻interp_pos與mk的偏差值，它決定了用來計(jì)算內(nèi)插值y(kti+εt)的插值濾波器脈沖響應(yīng)值ci。本設(shè)計(jì)采用式(7)所示的分段拋物線插值方式。針對(duì)多項(xiàng)式插值，在實(shí)現(xiàn)過程中一般采用簡(jiǎn)單、高效的farrow結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，圖3是經(jīng)典的拋物線多項(xiàng)式插值實(shí)現(xiàn)的farrow結(jié)構(gòu)，通過進(jìn)一步分析，發(fā)現(xiàn)可以對(duì)其中的一些計(jì)算過程進(jìn)行合并優(yōu)化，從而可以進(jìn)一步減少所需要的計(jì)算資源，我們改進(jìn)了插值濾波器的farrow結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了如圖4所示的拋物線插值farrow結(jié)構(gòu)，可以看出，它相較于圖3所示的farrow結(jié)構(gòu)，可以節(jié)省更多的乘法器資源。

定時(shí)誤差檢測(cè)單元

gardner定時(shí)誤差檢測(cè)器可用式(8)表示

可以看出，gardner定時(shí)誤差檢測(cè)算法中，一個(gè)符號(hào)只需要兩個(gè)采樣點(diǎn)，并且采樣時(shí)刻與符號(hào)最佳采樣時(shí)刻一致，一個(gè)采樣點(diǎn)在符號(hào)最佳判決時(shí)刻附近，另一個(gè)采樣點(diǎn)的時(shí)刻相對(duì)于前一個(gè)采樣點(diǎn)延遲1/2個(gè)符號(hào)周期，從而可以在兩個(gè)點(diǎn)之一的位置恢復(fù)出最佳采樣信號(hào)值。當(dāng)定時(shí)超前，誤差為負(fù)，定時(shí)滯后，誤差為正，同時(shí)誤差檢測(cè)單元的輸出與符號(hào)速率一致。因此，可以構(gòu)造如圖5所示的定時(shí)誤差檢測(cè)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)框圖。

環(huán)路濾波器

環(huán)路濾波器采用鎖相環(huán)中常用的比例積分結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示

很容易得到其傳遞函數(shù)為

其中，k1和k2為環(huán)路濾波器系數(shù)?？梢钥闯?，環(huán)路濾波器的實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵在于參數(shù)的選取，主要牽涉到環(huán)路濾波器等效噪聲帶寬bl和定時(shí)誤差檢測(cè)器增益kd的選取，這里根據(jù)meyr給出的等效環(huán)路噪聲帶寬來定

其中，ωn為環(huán)路自由振蕩角頻率，為阻尼系數(shù)，ωn與環(huán)路的跟蹤精度和收斂速度有關(guān)。定時(shí)誤差檢測(cè)器增益kd一般取鑒相函數(shù)s(ε)在零定時(shí)誤差附近的斜率

其中，α為成形脈沖的滾降系數(shù)。一般情況下此時(shí)對(duì)應(yīng)的濾波器系數(shù)k1＝8/3kd(blts)，k2＝4/3(blts)。

定時(shí)控制器

定時(shí)控制器模型如圖7所示

一般情況下k0＝1。根據(jù)基本方程(5)的分析，定時(shí)控制器需要將當(dāng)前符號(hào)的定時(shí)誤差反饋給下一個(gè)符號(hào)的插值濾波單元，從而調(diào)整下一個(gè)符號(hào)的采樣位置，獲得符號(hào)定時(shí)精度的提高。然而，由于插值濾波單元、定時(shí)誤差檢測(cè)單元和環(huán)路濾波單元牽涉一些運(yùn)算，會(huì)需要一些時(shí)鐘單元來進(jìn)行處理，因此，當(dāng)前符號(hào)的定時(shí)誤差并不能實(shí)時(shí)反饋給下一個(gè)符號(hào)的插值濾波單元，若要將當(dāng)前符號(hào)的定時(shí)誤差實(shí)時(shí)反饋給下一個(gè)符號(hào)的插值濾波單元，則需要倍頻出遠(yuǎn)高于信號(hào)采樣時(shí)鐘的時(shí)鐘來處理，從而影響了該裝置的適用范圍。事實(shí)上，定時(shí)誤差的反饋并不需要是實(shí)時(shí)的，定時(shí)誤差需要環(huán)路進(jìn)行一定的跟蹤調(diào)整才能消除，因此，將當(dāng)前符號(hào)的定時(shí)誤差反饋給延后n個(gè)符號(hào)的插值濾波單元，同樣可以實(shí)現(xiàn)定時(shí)誤差的調(diào)整和跟蹤。

上述基于插值濾波的反饋型符號(hào)定時(shí)同步裝置在實(shí)際系統(tǒng)中進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試的系統(tǒng)為單載波qpsk系統(tǒng)，系統(tǒng)的符號(hào)速率為10m/s，采用平方根升余弦成形濾波器，滾將系數(shù)α取0.35，對(duì)符號(hào)進(jìn)行4倍過采樣，接收端存在兩個(gè)采樣時(shí)鐘的定時(shí)偏差。實(shí)現(xiàn)過程中，將當(dāng)前符號(hào)的定時(shí)誤差反饋給延后128個(gè)符號(hào)之后的插值濾波單元。大約經(jīng)過300個(gè)數(shù)據(jù)即可收斂。另一方面，若采用實(shí)時(shí)反饋的方式，則由于插值濾波、定時(shí)誤差檢測(cè)、環(huán)路濾波等單元需要大約30-40個(gè)時(shí)鐘進(jìn)行處理，因此，實(shí)時(shí)反饋的方式下，該定時(shí)同步裝置需要工作在300-400mhz的時(shí)鐘下，這對(duì)于系統(tǒng)的硬件提出了很好的要求，且難以實(shí)現(xiàn)。

圖8-9給出了基于插值濾波的反饋型符號(hào)定時(shí)同步器的定時(shí)精度，可以看出，在信噪比為0db的條件下，該裝置還能穩(wěn)定工作，取得良好的同步性能。圖10-11給出了基于插值濾波的反饋型符號(hào)定時(shí)同步器的定時(shí)精度，可以看出，在信噪比為30db的條件下，該裝置穩(wěn)定工作，且恢復(fù)出的符號(hào)與理想定時(shí)同步下的星座圖接近。