CN100365964C - 提高定时同步调整精度的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种提高定时同步调整精度的装置，包括顺序连接的第一乘法器、采样点选择模块、分析滤波器、相关器乘法器、计算模块、环路滤波器、数控振荡器和PN序列发生器，该PN序列发生器的输出端与所述相关器连接，还包括累加器和旋转因子控制器，所述数控振荡器的输出端还分别与所述采样点选择模块和所述旋转因子控制器的输出端连接，所述旋转因子控制器的输出端与所述第二乘法器的输入端连接，该装置通过调整采样时刻和相位补偿因子的方法提高定时同步的调整的精度。本发明结构和算法简单，采用本发明，可有效提高定时同步的调整精度并节省软硬件资源。

Description

提高定时同步调整精度的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种提高定时同步调整精度的装置及方法，尤其是一种采用闭环控制系统的提高定时同步调整精度的装置及通过调整相位补偿因子的大小、本地PN码的相位或采样时刻提高定时同步调整精度的方法。

背景技术

在多载波码分多址(MC-CDMA)系统中，为了正确解调发送端发送的自相位调制信号，需要先经过捕获阶段使本地伪随机序列(PN码)与接收到的伪随机序列(PN码)实现基本同步，通常是通过调整本地PN码时钟来实现基本同步的目的，定时调整的步长一般为T_c/M，也可以用T_c/2M表示，其中M为扩频序列周期(即系统载波数)，T_c为扩频码片持续时间；然后经过跟踪阶段调整采样时刻，使在捕获阶段获得的本地PN码与接收到的PN码保持同步关系，并进一步减小本地PN码与接收到的PN码之间的同步误差，在该阶段，因为定时同步调整的精度不够高，仍然存在很小的定时同步的残余误差。假定该残余误差为τ_k，则MC-CDMA系统接收信号中与本地PN码相关的相关值的有用信号可以表示为：

$Z_k^s=d_k\left(n\right)R_a\left({\mathrm{\τ}}_k\right)R_f\left({\mathrm{\τ}}_k\right)e^{j[{\mathrm{\φ}}_k-\mathrm{\πf}(M-1){\mathrm{\τ}}_k]}---\left(1\right)$

在该有用信号中，第m个子载波上的有用信号可以表示为：

$Z_{k,m}^s=d_k\left(n\right)R_a\left({\mathrm{\τ}}_k\right)e^{j[{\mathrm{\φ}}_k-2\mathrm{\πf}(m-1){\mathrm{\τ}}_k]}---\left(2\right)$

在(2)式中，d_k(n)为第k个用户发送的第n个信息；ω_m＝(m-1)f是第m个子载波的中心频率相对于载波频率ω_c的偏移(m＝1，2，...，M)，f是符号速率且f＝1/T_c，φ_k为解调时的初始相位差，R_a(τ_k)＝1-|τ_k|/T_c，R_f(τ_k)＝sin(Mπfτ_k)/M sin(πfτ_k)。残余误差τ_k的存在，将会对随后的解调尤其是载波同步造成负面影响，其影响通过Ra(τ_k)和R_f(τ_k)体现。由τ_k与R_f(τ_k)的关系及式(1)和式(2)可以看出，τ_k越大，则R_f(τ_k)越小，进一步会使接收信号中的相关值变得更小，造成损失也就越大。因此，要想降低损失，必须通过提高定时同步的精度以减小残余误差τ_k的值。

现有技术中，通常是通过增加时域插值的次数或提高过采样速率的办法来提高定时同步的调整精度，若增加时域插值次数后，过采样率为P，则跟踪过程定时调整分辨率可以达到T_c/MP。虽然通过这种方式在一定程度上提高了分辨率，也即提高了定时同步的调整精度，但是，若采用这两种方法，则设备投资将提高数倍，而且增加了硬件电路和算法的复杂度；另外，通过这两种方法实现的定时调整分辨率和定时同步调整精度也不高。

发明内容

本发明的目的在于针对目前提高定时同步调整精度的装置和方法存在的缺陷和不足，提供一种提高定时同步调整精度的装置及方法，该装置采用一闭环控制系统控制，通过调整相位补偿因子的大小、本地PN码的相位或采样时刻的方法提高定时同步调整精度，有效简化了设备和算法，提高了定时同步的调整精度。

为实现上述目的，本发明提供一种提高定时同步调整精度的装置，该提高定时同步调整精度的装置包括顺序连接的第一乘法器131、采样点选择模块100、分析滤波器110、相关器120，顺序连接的环路滤波器190、数控振荡器180和PN序列发生器170，以及累加器150，所述PN序列发生器170的输出端与所述相关器120连接，其特征在于，该提高定时同步调整精度的装置还包括一用于将输入的两个信号相乘的第二乘法器130、一用于获得定时误差信号的计算模块160和一用于产生相位补偿因子的旋转因子控制器140；所述第二乘法器130的输入端与所述相关器120的输出端连接；所述第二乘法器130的输出端与所述累加器150的输入端连接；所述计算模块160的输入端与所述第二乘法器130的输出端连接；所述计算模块160的输出端与所述环路滤波器190的输入端连接；所述数控振荡器180的输出端分别与所述采样点选择模块100的输入端和所述旋转因子控制器140的输入端连接；所述旋转因子控制器140的输出端与所述第二乘法器130的输入端连接。

在上述提高定时同步调整精度的装置中，所述第二乘法器130为一用于将同时由所述相关器120输入的相关值与由所述旋转因子控制器140输入的相位补偿因子相乘的乘法器。

所述计算模块160为一用于由所述第二乘法器130输出的信号获得定时误差信号的计算模块。

为实现上述目的，本发明提供一种基于上述提高定时同步调整精度的装置的提高定时同步调整精度的方法，包括以下步骤：

步骤1.第一乘法器131将接收到的信号进行下变频，得到一基带信号；

步骤2.采样点选择模块100对所述基带信号在准时时刻采样，得到一准时臂采样值；

步骤3.分析滤波器110将各子载波的所述准时臂采样值进行子载波解调得到各子载波在准时时刻的解调信号；

步骤4.相关器120使所述解调信号与本地PN码相关得到各子载波在准时时刻的相关值；

步骤5.第二乘法器130将同时输入的所述相关值与一由旋转因子控制器140输入的相位补偿因子相乘，得到各子载波的矢量旋转信号；

步骤6.累加器150将同时输入的各子载波上的所述矢量旋转信号相加，得到准时时刻的解调信号；同时，计算模块160根据输入的所述矢量旋转信号获得定时误差信号；

步骤7.环路滤波器190对的所述定时误差信号中的噪声进行滤除；

步骤8.数控振荡器180对滤除噪声后的所述定时误差信号进行分析，产生一定时调整控制信号，该定时调整控制信号包括一用于控制PN序列发生器170产生本地PN码输出的PN码控制信号、一用于产生及调整各子载波的旋转因子即相位补偿因子的旋转因子控制信号和一用于控制采样点选择即调整采样时刻超前或滞后的采样点调整信号。

步骤9.旋转因子控制器140根据所述旋转因子控制信号调整所述相位补偿因子的大小，产生一新相位补偿因子；同时，PN序列发生器170根据所述PN码控制信号产生新本地PN码，所述采样点选择模块100根据所述采样点调整信号不调整采样时刻或对采样时刻进行前调或后调以得到新准时臂采样时刻；

步骤10.以所述新准时臂采样时刻代替原有采样时刻，执行步骤2，分别以步骤9中产生的新准时臂采样值、新本地PN码和新相位补偿因子代替步骤2中的准时臂采样值、步骤4中的本地PN码和步骤5中的相位补偿因子。

在上述提高定时同步调整精度的方法中，所述步骤1中将接收到的信号进行下变频为将接收到的四进制相移键控信号进行下变频。

所述步骤8中所述数控振荡器180对滤除噪声后的所述定时误差信号进行分析，产生所述定时调整控制信号的具体操作包括以下步骤：

步骤81.所述数控振荡器180对所述定时误差信号进行分析，判断该定时误差信号是否为正值，若为正值，执行步骤82；否则执行步骤83；

步骤82.所述数控振荡器180产生一增大相位补偿因子的所述旋转因子控制信号、一不调整本地PN码相位的所述PN码控制信号和一不调整采样时刻的所述采样点调整信号，或产生一不进行相位补偿的所述旋转因子控制信号、一不调整本地PN码相位的所述PN码控制信号和一使采样时刻后调一个采样时刻的所述采样点调整信号，或产生一不进行相位补偿的所述旋转因子控制信号、一使本地PN码相位前调一个时刻的所述PN码控制信号和一使采样时刻前调一个采样时刻的所述采样点调整信号；

步骤83.所述数控振荡器产生一减小相位补偿因子的所述旋转因子控制信号、一不调整本地PN码相位的所述PN码控制信号和一不调整采样时刻的所述采样点调整信号，或产生一不进行相位补偿的所述旋转因子控制信号、一不调整本地PN码相位的所述PN码控制信号和一使采样时刻前调一个采样时刻的所述采样点调整信号，或产生一不进行相位补偿的所述旋转因子控制信号、一使本地PN码相位后调一个时刻的所述PN码控制信号和一使采样时刻后调一个采样的所述采样点调整信号。

由上述发明内容可知，与现有技术相比，本发明通过一闭环控制系统控制相位补偿因子和采样时刻来提高定时同步的调整精度，结构和设备简单，可达到成倍提高定时同步的调整精度的目的；另外采用一计算模块代替传统定时误差检测器中的超前臂和滞后臂产生定时误差信号的方法，更进一步简化了系统结构，也使本发明的算法比现有技术更简便。

以下通过本发明的具体实施例和附图对其做进一步说明。

附图说明

图1为本发明提高定时同步调整精度装置实施例的结构示意图；

图2为本发明提高定时同步调整精度方法实施例的流程图；

图3为本发明数控振荡器定时调整控制信号方法实施例的流程图。

具体实施方式

参见图1，图1所示为本发明提高定时同步调整精度装置的一具体结构图，图中虚线框所示为一定时误差检测器。由图1，该提高定时同步调整精度装置包括顺序连接的用于将MC-CDMA系统接收到的信号与一下变频因子e^-jω _c ^′t相乘的第一乘法器131、用于对接收到的基带信号在准时时刻进行采样采样点选择模块100、用于将接收到的各子载波的准时臂采样值进行子载波解调分析滤波器110、用于使接收到的准时臂各子载波解调信号与本地PN码相关的相关器120，顺序连接的用于对接收到的定时误差信号e(τ_k)中的噪声进行滤除的环路滤波器190、用于产生定时调整控制信号数控振荡器180和用于产生本地PN码PN序列发生器170，以及用于将同时输入的各子载波上的矢量旋转信号Y_k，m ^s(τ_k)相加的累加器150，所述PN序列发生器170的输出端与所述相关器120连接，其特征在于，该提高定时同步调整精度的装置还包括一用于使接收到的各子载波的相关值Z_k，m ^s(τ_k)与一相位补偿因子e^jlω _m ^T _c ^/LMP相乘的第二乘法器130、一用于根据各子载波上的矢量旋转信号Y_k，m ^s(τ_k)获得出一定时误差信号的计算模块160和一用于提供相位补偿因子e^jlω _m ^T _c ^/LMP的旋转因子控制器140。图中，11为接收信号，12为基带信号，13为为准时臂采样值，14为解调信号，15为定时误差信号，16为旋转因子控制信号，17为PN码控制信号，18为采样点调整信号。

在上述提高定时同步调整精度装置中，第二乘法器130的输入端与相关器120的输出端连接，第二乘法器130的输出端与累加器150的输入端连接，计算模块160的输入端与第二乘法器130的输出端连接，计算模块160的输出端与环路滤波器190的输入端连接，数控振荡器180的输出端分别与采样点选择模块100的输入端和旋转因子控制器140的输入端连接；旋转因子控制器140的输出端与第二乘法器130的输入端连接。

若想要将定时同步的调整精度提高L倍，即分辨率由原来精度时的δ＝T_c/MP变为δ＝T_c/LMP，则对接收信号中第m个子载波的进行相位补偿的相位补偿因子应为e^jlω _m ^s＝e^jlω _m ^T _c ^/LMP，其中l是一个整数，且l的取值范围为-L＜l＜L。参见图2，图2所示为本发明提高定时同步调整精度的方法的具体流程，执行以下步骤：

步骤1.第一乘法器131将MC-CDMA系统接收到的四进制相移键控信号与一下变频因子e^-jω _c ^′t相乘进行频率下变换，得到一基带信号；

步骤2.采样点选择模块100对接收到的基带信号在准时时刻进行采样，得到一准时臂采样值；

步骤3.分析滤波器110将接收到的各子载波的准时臂采样值进行子载波解调得到各子载波在准时时刻的解调信号；

步骤4.相关器120使接收到的准时臂各子载波解调信号与本地PN码相关得到各子载波在准时时刻的相关值Z_k，m ^s(τ_k)；

步骤5.第二乘法器130使同时输入的各子载波的相关值Z_k，m ^s(τ_k)与一相位补偿因子e^jlω _m ^T _c ^/LMP相乘，得到各子载波上的矢量旋转信号 $Y_{k,m}^s\left({\mathrm{\τ}}_k\right)=Z_{k,m}^s\left({\mathrm{\τ}}_k\right)\·e^{\mathrm{jl}{\mathrm{\ω}}_m\mathrm{\δ}}=d_k\left(n\right)R_a\left({\mathrm{\τ}}_k\right)e^{j[{\mathrm{\φ}}_k-2\mathrm{\πf}(m-1){{\mathrm{\τ}}^{\′}}_k],}$ 其中τ′_k＝τ_k-lT_c/LMP。由此可见，经过该步骤的处理后，|τ′_k|＜|τ_k|，使由定时误差引起的相关值的损失得到补偿，这样更有利于后续的解调尤其是载波同步过程；

步骤6.累加器150将同时输入的各子载波上的矢量旋转信号Y_k，m ^s(τ_k)相加，得到准时时刻的解调解扩信号 $Y_k^s\left({\mathrm{\τ}}_k\right)=\underset{m}{\mathrm{\Σ}}{Y}_{k,m}^s\left({\mathrm{\τ}}_k\right)=d_k\left(n\right)R_a\left({\mathrm{\τ}}_k\right)R_f\left({{\mathrm{\τ}}^{\′}}_k\right)e^{j[{\mathrm{\φ}}_k-\mathrm{\πf}(M-1){{\mathrm{\τ}}^{\′}}_k];}$ 同时，计算模块160根据各子载波上的矢量旋转信号Y_k，m ^s(τ_k)获得出一定时误差信号 $e\left({\mathrm{\τ}}_k\right){=\left|\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{Y}_{k,m}^s\left({\mathrm{\τ}}_k\right)e^{-j{\mathrm{\ω}}_m\mathrm{\Δ}}\right|}^2-{\left|\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{Y}_{k,m}^s\left({\mathrm{\τ}}_k\right)e^{j{\mathrm{\ω}}_m\mathrm{\Δ}}\right|}^2,$ 其中Δ为超前滞后量；

步骤7.环路滤波器190对接收到的定时误差信号e(τ_k)中的噪声进行滤除；

步骤8.数控振荡器180对接收到的滤除噪声后的定时误差信号e(τ_k)进行分析，产生一定时调整控制信号，该定时调整控制信号包括一用于控制PN序列发生器170产生本地PN码输出的PN码控制信号、一用于产生及调整各子载波的旋转因子即相位补偿因子的旋转因子控制信号和一用于控制采样点选择即调整采样时刻超前或滞后的采样点调整信号。

步骤9.旋转因子控制器140根据旋转因子控制信号调整相位补偿因子的大小，产生一新相位补偿因子；同时，PN序列发生器170根据PN码控制信号产生新本地PN码，采样点选择模块100根据采样点调整信号得到一个新准时臂采样时刻；

步骤10.以新代替原有准时臂采样时刻，执行步骤2，分别以步骤9中产生的新准时臂采样值、新本地PN码和新相位补偿因子代替步骤2中的准时臂采样值、步骤4中的本地PN码和步骤5中的相位补偿因子。

在上述提高定时同步调整精度的方法中，假设想要定时同步的精度提高4倍，即L＝4，则l的取值范围为l∈{-3，-2，-1，0，1，2，3}，参见图3，步骤8中数控振荡器180对滤除噪声后的定时误差信号e(τ_k)进行分析，产生定时调整控制信号的具体操作包括以下步骤：

步骤801.数控振荡器180对接收到的定时误差信号e(τ_k)进行分析，判断该定时误差信号e(τ_k)是否为正值，若为正值，执行步骤802；否则执行步骤807；

步骤802.数控振荡器180判断l的值是否等于3，若不等于3，执行步骤803；否则执行步骤804；

步骤803.数控振荡器180产生一使l的取值增加1，即增大相位补偿因子的旋转因子控制信号、一不调整本地PN码相位的PN码控制信号和一不调整采样时刻的采样点调整信号；

步骤804.数控振荡器180判断采样点选择模块调整的采样时间的累计量是否超出采样点选择模块的调整控制范围，若未超出，执行步骤805；否则，执行步骤806；

步骤805.数控振荡器180产生一使l的取值取0，即不进行相位补偿的旋转因子控制信号、一不调整本地PN码相位的PN码控制信号和一使采样时刻后调一个采样时刻即后调T_c/MP时间的采样点调整信号；

步骤806.数控振荡器180产生一使l的取值取0，即不进行相位补偿的旋转因子控制信号、一使本地PN码相位前调T_c/M时间的PN码控制信号和一使采样时刻前调一个采样时刻即前调T_c/MP时间的采样点调整信号；

步骤807.数控振荡器180判断l的值是否等于-3，若不等于-3，执行步骤808；否则执行步骤809；

步骤808.数控振荡器180产生一使l的取值减小1，即减小相位补偿因子的旋转因子控制信号、一不调整本地PN码相位的PN码控制信号和一不调整采样时刻的采样点调整信号；

步骤809.数控振荡器180判断采样点选择模块调整的采样时间的累计量是否超出采样点选择模块的调整控制范围，若未超出，执行步骤810；否则，执行步骤811；

步骤810.数控振荡器180产生一使l的取值取0，即不进行相位补偿的旋转因子控制信号、一不调整本地PN码相位的PN码控制信号和一使采样时刻前调一个采样时刻即前调T_c/MP时间的采样点调整信号；

步骤811.数控振荡器180产生一使l的取值取0，即不进行相位补偿的旋转因子控制信号、一使本地PN码相位后调T_c/M时间的PN码控制信号和一使采样时刻后调一个采样时刻即后调T_c/MP时间的采样点调整信号。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (6)

1.一种提高定时同步调整精度的装置，该提高定时同步调整精度的装置包括顺序连接的第一乘法器(131)、采样点选择模块(100)、分析滤波器(110)、相关器(120)，顺序连接的环路滤波器(190)、数控振荡器(180)和PN序列发生器(170)，以及累加器(150)，所述PN序列发生器(170)的输出端与所述相关器(120)连接，其特征在于，该提高定时同步调整精度的装置还包括一用于将输入的两个信号相乘的第二乘法器(130)、一用于获得定时误差信号的计算模块(160)和一用于产生相位补偿因子的旋转因子控制器(140)；所述第二乘法器(130)的输入端与所述相关器(120)的输出端连接，所述第二乘法器(130)的输出端与所述累加器(150)的输入端连接；所述计算模块(160)的输入端与所述第二乘法器(130)的输出端连接；所述计算模块(160)的输出端与所述环路滤波器(190)的输入端连接；所述数控振荡器(180)的输出端分别与所述采样点选择模块(100)的输入端和所述旋转因子控制器(140)的输入端连接；所述旋转因子控制器(140)的输出端与所述第二乘法器(130)的输入端连接。

2.根据权利要求1所述的提高定时同步调整精度的装置，其特征在于，所述第二乘法器(130)为一用于将同时由所述相关器(120)输入的相关值与由所述旋转因子控制器(140)输入的相位补偿因子相乘的乘法器。

3.根据权利要求1所述的提高定时同步调整精度的装置，其特征在于，所述计算模块(160)为一用于由所述第二乘法器(130)输出的信号获得定时误差信号的计算模块。

4.一种提高定时同步的调整精度的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1.第一乘法器(131)将接收到的信号与一相位因子相乘进行下变频，得到一基带信号；

步骤2.采样点选择模块(100)对所述基带信号在准时时刻采样，得到一准时臂采样值；

步骤3.分析滤波器(110)将各子载波的所述准时臂采样值解调得到各子载波在准时时刻的解调信号；

步骤4.相关器(120)使所述解调信号与本地PN码相关得到各子载波在准时时刻的相关值；

步骤5.第二乘法器(130)将同时输入的所述相关值与一由旋转因子控制器(140)输入的相位补偿因子相乘，得到各子载波的矢量旋转信号；

步骤6.累加器(150)将同时输入的各子载波上的所述矢量旋转信号相加，得到准时时刻的解调信号；同时，计算模块(160)根据输入的所述矢量旋转信号获得定时误差信号；

步骤7.环路滤波器(190)对的所述定时误差信号中的噪声进行滤除；

步骤8.数控振荡器(180)对滤除噪声后的所述定时误差信号进行分析，产生一定时调整控制信号，该定时调整控制信号包括一用于控制PN序列发生器(170)产生本地PN码输出的PN码控制信号、一用于产生及调整各子载波的旋转因子即相位补偿因子的旋转因子控制信号和一用于控制采样点选择即调整采样时刻超前或滞后的采样点调整信号；

步骤9.旋转因子控制器(140)根据所述旋转因子控制信号调整所述相位补偿因子的大小，产生一新相位补偿因子；同时，PN序列发生器(170)根据所述PN码控制信号产生新本地PN码，所述采样点选择模块(100)根据所述采样点调整信号不调整采样时刻或对采样时刻进行前调或后调以得到新准时臂采样时刻；

步骤10.以所述新准时臂采样时刻代替原有采样时刻，执行步骤2，分别以步骤9中产生的新准时臂采样值、新本地PN码和新相位补偿因子代替步骤2中的准时臂采样值、步骤4中的本地PN码和步骤5中的相位补偿因子。

5.根据权利要求4所述的提高定时同步调整精度的方法，其特征在于，所述步骤1中将接收到的信号进行下变频为将接收到的四进制相移键控信号进行下变频。

6.根据权利要求4所述的提高定时同步调整精度的方法，其特征在于，所述步骤8中所述数控振荡器(180)对滤除噪声后的所述定时误差信号进行分析，产生所述定时调整控制信号的操作具体包括以下步骤：

步骤81.所述数控振荡器(180)对所述定时误差信号进行分析，判断该定时误差信号是否为正值，若为正值，执行步骤82；否则执行步骤8 3；

步骤82.所述数控振荡器(180)产生一增大相位补偿因子的所述旋转因子控制信号、一不调整本地PN码相位的所述PN码控制信号和一不调整采样时刻的所述采样点调整信号，或产生一不进行相位补偿的所述旋转因子控制信号、一不调整本地PN码相位的所述PN码控制信号和一使采样时刻后调一个采样时刻的所述采样点调整信号，或产生一不进行相位补偿的所述旋转因子控制信号、一使本地PN码相位前调一个时刻的所述PN码控制信号和一使采样时刻前调一个采样时刻的所述采样点调整信号；

步骤83.所述数控振荡器产生一减小相位补偿因子的所述旋转因子控制信号、一不调整本地PN码相位的所述PN码控制信号和一不调整采样时刻的所述采样点调整信号，或产生一不进行相位补偿的所述旋转因子控制信号、一不调整本地PN码相位的所述PN码控制信号和一使采样时刻前调一个采样时刻的所述采样点调整信号，或产生一不进行相位补偿的所述旋转因子控制信号、一使本地PN码相位后调一个时刻的所述PN码控制信号和一使采样时刻后调一个采样时刻的所述采样点调整信号。

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