CN103746790A - 一种基于内插的全数字高速并行定时同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于内插的全数字高速并行定时同步方法，并行内插滤波器对接收到的并行数字信号进行定时同步插值，输出插值后的并行数字信号；并行定时误差检测器计算插值后并行数字信号的定时误差信号，并求得平均定时误差信号；平均定时误差信号经环路滤波器进行滤波，并输出步长调整信号；并行数字控制振荡器根据步长调整信号调整内部控制字，进而控制并行内插滤波器在最佳采样点对并行数字信号进行插值，从而实现定时同步。本发明适用于数百兆比特每秒乃至吉比特每秒高速传输速率下的任何调制方法和编码方式，不受载波频率偏差和相位偏差的影响，无需载波恢复即可准确地完成定时同步。

Description

一种基于内插的全数字高速并行定时同步方法

技术领域

本发明涉及高速并行数字信息传输技术，特别适用于对串行数字处理技术难以实现的吉比特高速数字信息传输领域。

背景技术

随着技术的发展和高速业务应用需求的增加，无线通信从数十兆比特每秒向数百比特每秒，甚至于吉比特每秒的数据传输速率方向发展。而由于市场上数字器件及芯片处理速度的限制，目前数字电路最大仅能实现对百兆比特每秒量级数据的处理能力，而对于更高速率数据传输则需采用并行处理算法。

对于百兆比特每秒量级的高速数字信号的解调，定时同步的精度要求非常高。由于符号周期很短，时钟抖动超过1/4个符号，就会对其系统特性产生明显影响。对于更高传输速率的高速数字信号，定时同步电路由于现有数字器件及芯片的限制难以实现，或难以实现成本控制。采用高速并行定时同步算法可以很好地解决这一问题。进一步需合理设计高速并行定时同步算法及其实现结构，使其易于实现，且不受载波频率偏差的影响，可独立于载波恢复。

发明内容

本发明提出一种基于内插的全数字高速并行定时同步方法，其目的在于实现数百兆比特每秒乃至吉比特每秒的高速数字信息传输中的符号定时同步，突破高速传输速率条件下现有数字器件及芯片对定时同步系统的限制；该方法适用于任何调制方法和编码方式，不受载波频率偏差和相位偏差的影响，因此不需要进行载波恢复即可准确地完成定时同步。

一种基于内插的全数字高速并行定时同步方法，包括以下步骤：

（1）并行内插滤波器对接收到的N路并行数字信号分别进行定时同步插值，N是大于1的自然数；并行内插滤波器将插值后的N路并行数字信号对外输出，同时将插值后的N路并行数字信号输入至并行定时误差检测器；

（2）并行定时误差检测器分别计算插值后N路并行数字信号的定时误差信号，并求得平均定时误差信号；将平均定时误差信号输出至环路滤波器；

（3）环路滤波器对平均定时误差信号进行滤波，并输出步长调整信号至并行数字控制振荡器；

（4）并行数字控制振荡器接收步长调整信号，调整并行数字控制振荡器内部控制字，进而调整内插采样点的位置，并行数字控制振荡器将得到的分数间隔补偿信号和内插使能信号输出至并行内插滤波器；

（5）并行内插滤波器根据分数间隔补偿信号和内插使能信号在调整后的内插采样点对N路并行数字信号进行插值同步。

步骤（1）中所述的并行内插滤波器由多个独立的内插滤波器并行构成；内插滤波器由基于多项式的直接型内插滤波器组成。

步骤（2）中所述的并行定时误差检测器包括N个误差检测器和一个均值计算器，插值后的并行数字信号进入N个误差检测器进行定时误差检测，输出定时误差信号至均值计算器得到平均定时误差信号。

步骤（2）中所述的并行定时误差检测器分别计算插值后并行数字信号的定时误差，并求得平均定时误差信号包括以下步骤：

（201）误差检测器采用Gardner算法，对相邻的两路并行数字信号进行定时误差检测，将得到定时误差信号输出至均值计算器；

（202）均值计算器对N路定时误差信号进行均值计算，得到平均定时误差信号。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

（1）本发明可以实现对多路并行数字信号的定时同步，从而降低数字定时同步系统对高速数字器件及芯片的需求。

（2）本发明可以在数百兆比特每秒乃至吉比特每秒的高速数字信息传输条件下，采用任何调制方式和编码方式获得定时误差，无需进行载波恢复即可准确地进行定时同步。

附图说明：

图1是本发明的结构示意图；

图2是并行定时误差检测器的结构示意图；

图3是环路滤波器的结构示意图；

图4是并行数字控制振荡器的结构示意图。

具体实施方式：

下面，结合附图对本发明作进一步说明。

结合图1所示，一种基于内插的全数字高速并行定时同步方法，包括以下步骤：

（1）并行内插滤波器对接收到的N路并行数字信号分别进行定时同步插值，N是大于1的自然数；并行内插滤波器将插值后的N路并行数字信号对外输出，同时将插值后的N路并行数字信号输入至并行定时误差检测器；

其中，并行内插滤波器由多个独立的内插滤波器并行构成；内插滤波器由基于多项式的直接型内插滤波器组成。

（2）并行定时误差检测器分别计算插值后N路并行数字信号的定时误差信号，并求得平均定时误差信号；将平均定时误差信号输出至环路滤波器；

其中，并行定时误差检测器包括N个误差检测器和一个均值计算器，插值后的并行数字信号进入N个误差检测器进行定时误差检测，输出定时误差信号至均值计算器得到平均定时误差信号。

其中，并行定时误差检测器分别计算插值后并行数字信号的定时误差，并求得平均定时误差信号包括以下步骤：

（201）误差检测器采用Gardner算法，对相邻的两路并行数字信号进行定时误差检测，将得到定时误差信号输出至均值计算器；

（202）均值计算器对N路定时误差信号进行均值计算，得到平均定时误差信号。

（3）环路滤波器对平均定时误差信号进行滤波，并输出步长调整信号至并行数字控制振荡器；

（4）并行数字控制振荡器接收步长调整信号，调整并行数字控制振荡器内部控制字，进而调整内插采样点的位置，并行数字控制振荡器将得到的分数间隔补偿信号和内插使能信号输出至并行内插滤波器；

（5）并行内插滤波器根据分数间隔补偿信号和内插使能信号在调整后的内插采样点对N路并行数字信号进行插值同步。工作原理为：

定时模块启动后，并行内插滤波器包括N路独立的内插滤波器，对输入的N路并行数字信号分别进行插值滤波，并输出经过插值的N路并行数字信号。

其中，并行内插滤波器由N个独立的内插滤波器构成；每个独立内插滤波器采用基于多项式的直接型内插滤波器。可以应用Farrow实现结构，该结构下可以方便控制抽头系数，便于计算；这里采用立方内插滤波器，具有频率响应主瓣宽，边带抑制度的特点。立方内插滤波器的系数为：

$\left\{\begin{array}{c}{C}_{-2}\left(\mathrm{\μ}\right)={\mathrm{\μ}}^3/6-\mathrm{\μ}/6\\ C_{-1}\left(\mathrm{\μ}\right)=-{\mathrm{\μ}}^3/2+{\mathrm{\μ}}^2/2+\mathrm{\μ}\\ C_0\left(\mathrm{\μ}\right)={\mathrm{\μ}}^3/2-{\mathrm{\μ}}^2-\mathrm{\μ}/2+1\\ C_1\left(\mathrm{\μ}\right)=-{\mathrm{\μ}}^3/6+{\mathrm{\μ}}^2/2-\mathrm{\μ}/3\end{array}\right.$

μ表示内插时刻的分数间隔，由并行数字控制振荡器给出；C_-2,C_-1,C₀,C₁分别表示内插滤波器不同阶的系数。

并行内插滤波器的输出数据进入并行定时误差检测器，计算出各路数据信号插值样本之间的定时误差，再求得平均定时误差进行输出。

结合图2所示，并行定时误差检测器包括：N个独立的定时误差检测器，一个均值计算模块。定时误差检测器采用易于高速实现的Gardner算法，该算法每个符号只需要两个采样点，一个在判决时刻的采样点和一个两次判决之间中间的采样点，即可通过符号定时误差检测表达式得到定时误差；N路定时误差信号经过均值计算后，求出平均定时误差，在利用该误差确定分数间隔，控制内插滤波器使其采样时刻逐渐接近最佳采样时刻，从而完成定时同步。该算法不受调制方式、编码方式的影响，不需要进行载波恢复。

假定nT_s为最佳采样位置，τ为偏离最佳采样位置的定时偏差，每路信号的符号定时误差检测（TED，Timing Error Detector）表达式为

$\begin{array}{c}{\mathrm{\ϵ}}_i\left(n\right)={\mathrm{\ϵ}}_{i,I}\left(n\right)+{\mathrm{\ϵ}}_{i,Q}\left(n\right)\\ =[x_{i,I}(n-1+\mathrm{\τ})-x_{i,I}(n+\mathrm{\τ})]\×x_{i,I}(n-\frac{1}{2}+\mathrm{\τ})\\ +[x_{i,Q}(n-1+\mathrm{\τ})-x_{i,Q}(n+\mathrm{\τ})]\×x_{i,Q}(n-\frac{1}{2}+\mathrm{\τ})\end{array}$

式中，ε_i(n)表示第i路信号计算得到的定时误差；下标i=1,2,...,N，表示第i路插值后的数字信号；下标I、Q分别表示采样信号的实部和虚部；x_i,I(n+τ)和x_i,Q(n+τ)分别表示第i路信号第n个符号实部和虚部在判决时刻的样点值，

和

分别表示第i路信号介于第n和n-1个符号的中间样点值。

平均定时误差为

$\mathrm{\ϵ}\left(n\right)=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ϵ}}_i\left(n\right)$

将计算得到的平均定时误差值送给环路滤波器，环路滤波器对其进行滤波，输出步长调整信号至并行数字控制振荡器。

环路滤波器采用由比例支路和一阶积分环路构成的二阶环路滤波器；环路滤波器的结构如图3所示，它的传输函数为

$F\left(z\right)=k_1(1+k_2\frac{z^{-1}}{1-z^{-1}})$

其中，k₁为滤波器比例支路的增益系数，k₂为滤波器积分支路的增益系数。

调节环路滤波器的比例支路和积分支路的增益系数，可以改变环路的环路带宽w_n和环路增益k，进而影响到环路的收敛时间、捕获带宽等性能。环路的阻尼系数由ξ表示，一般取0.707。环路滤波器输入平均定时误差值，则其输出补偿调制信号，其递归表达式为

ω(n)=ω(n-1)+c₁*[ε(n)-ε(n-1)]+c₂*ε(n)

其中，c₁=2ω_nξ/k，

c₁、c₂分别表示环路滤波器时域系数。

并行数字控制振荡器从环路滤波器的输出得到步长调整信号，产生并行内插滤波器需要的分数间隔补偿信号和内插使能信号，步骤包括：

并行数字控制振荡器接收到步长调整信号后，以新的步长运行；

并行数字控制振荡器以步长量为减数，以其寄存器中存储的数字为被减数，从初始值0开始作减法；

减法操作由时钟控制，当寄存器中的数减到溢出成为负数时，输出一个控制使能，这个信号即为内插使能信号；在溢出的前一刻，寄存器中所保留的数即为分数间隔补偿信号；

对寄存器中的负数进行模1运算，重新以新的步长运行。

结合图4所示，为实现对高速并行数字信号的快速处理，并行数字控制振荡器由一个初值为0的寄存器，多个并行的数字控制振荡器（NCO，Numerical Controlled Oscillator）组成。

定义第i个NCO在n时刻的寄存器值为η_i(n)，输入的控制字为平均定时误差ω(n)，则有第i个NCO在n+1时刻的寄存器值η_i(n+1)为

η_i(n)=(η_i(n+1)-ω_j)mod1

每个并行周期调整一次所有N个NCO，相当于在串行方式下N个周期调整一次。因此在n时刻，任何两个相邻的NCO寄存器值之差均相同，定义为

其取值由经环路滤波器输出的平均定时误差确定，为

其中，i=1,2,...,N，表示第i路NCO的路数。

环路滤波其后的平均定时误差ω_j+1，经延时将二者送入线性计算网络计算出

控制每路NCO的变化，从而实现并行数字控制振荡器。

并行数字控制振荡器输出分数间隔补偿信号和内插使能信号，控制并行内插滤波器进行插值。

综上所述，本发明可以在数百兆比特每秒乃至吉比特每秒的高速数字信息传输条件下，采用任何调制方式和编码方式获得定时误差，无需进行载波恢复即可准确地进行定时同步，从而降低高速数字器件及芯片对数字定时同步系统的限制。

Claims (4)

1.一种基于内插的全数字高速并行定时同步方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）并行内插滤波器对接收到的N路并行数字信号分别进行定时同步插值，N是大于1的自然数；并行内插滤波器将插值后的N路并行数字信号对外输出，同时将插值后的N路并行数字信号输入至并行定时误差检测器；

（2）并行定时误差检测器分别计算插值后N路并行数字信号的定时误差信号，并求得平均定时误差信号；将平均定时误差信号输出至环路滤波器；

（3）环路滤波器对平均定时误差信号进行滤波，并输出步长调整信号至并行数字控制振荡器；

（4）并行数字控制振荡器接收步长调整信号，调整并行数字控制振荡器内部控制字，进而调整内插采样点的位置，并行数字控制振荡器将得到的分数间隔补偿信号和内插使能信号输出至并行内插滤波器；

（5）并行内插滤波器根据分数间隔补偿信号和内插使能信号在调整后的内插采样点对N路并行数字信号进行插值同步。

2.根据权利要求1所述的一种基于内插的全数字高速并行定时同步方法，其特征在于：步骤（1）中所述的并行内插滤波器由多个独立的内插滤波器并行构成；内插滤波器由基于多项式的直接型内插滤波器组成。

3.根据权利要求1所述的一种基于内插的全数字高速并行定时同步方法，其特征在于：步骤（2）中所述的并行定时误差检测器包括N个误差检测器和一个均值计算器，插值后的并行数字信号进入N个误差检测器进行定时误差检测，输出定时误差信号至均值计算器得到平均定时误差信号。

4.根据权利要求3所述的一种基于内插的全数字高速并行定时同步方法，其特征在于：步骤（2）中所述的并行定时误差检测器分别计算插值后并行数字信号的定时误差，并求得平均定时误差信号包括以下步骤：

（201）误差检测器采用Gardner算法，对相邻的两路并行数字信号进行定时误差检测，将得到定时误差信号输出至均值计算器；

（202）均值计算器对N路定时误差信号进行均值计算，得到平均定时误差信号。

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