CN104619004A - 一种实现航空无线通信系统定时同步的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现航空无线通信系统定时同步的方法，包含以下步骤：对复基带信号进行采样率变换，使得输出的复基带信号采样速率为符号速率的N倍；将数据速率进行变换后的复基带信号转换为N路并行信号进行判决，将判决结果存至数据缓冲区；对各路并行判决结果与训练序列进行匹配，按照最大后验概率准则进行最佳点选择，然后输出最佳点对应的数据缓冲区地址，读取解调数据。本发明还公开了一种实现航空无线通信系统定时同步的系统，包含数据速率转换模块、并行判决模块、数据缓冲区、最佳点判决策略模块。本发明实现简单、定时精度高、鲁棒性好，适用于突发及连续通信系统。

Description

一种实现航空无线通信系统定时同步的方法及系统

技术领域

本发明涉及航空无线通信技术领域，尤其涉及无线通信中的定时同步技术，是一种基于并行解调和最大后验概率策略的定时同步实现方法。

技术背景

在无线通信中，定时同步技术是其关键技术之一，其性能的好坏直接决定了通信系统的通信质量。

全数字接收机在接收机前端即中频、高频或靠近接收天线的地方就对接收到的调制载波信号进行取样、量化，将其转换为数字信号，后续研究工作如：载波相位误差和时钟相位误差的消除，最佳判决点的估计，符号的判决等，全部由数字信号处理器来完成，这样有利于接收机的数字化和集成化。全数字解调器是无线通信系统高速接收机的关键部件，其性能直接影响数字接收机的性能，而定时同步是全数字解调器设计的重点之一。在数字接收机中，由于采样时钟独立于接收到的调制信号的符号时钟，因此在数字通信系统中解调器的输出必须通过数字信号处理的方式以符号速率周期性地获取时刻上的抽样值，其中为符号周期，为信号从发射机到接收机传播时间的标称时延。

定时同步分为前向定时同步及反馈定时同步，前向定时同步需要较复杂的参数估计运算，反馈定时同步需要较长的收敛时间且一般只适用于连续发射模式通信。

发明内容

为了简化前向定时同步参数估计的复杂度，降低反馈定时同步的收敛时间，本发明提供了一种实现航空无线通信系统定时同步的方法，采用并行解调结合最大后验概率策略进行定时同步设计。利用插值滤波器提高数据采样速率，从而提高定时同步精度，此方法实现简单，只需引入少量处理时延，其收敛时间较短、定时精度高、鲁棒性好，适用于突发及连续通信系统。本发明还提供了一种实现航空无线通信系统定时同步的系统。

本发明的发明目的通过以下技术方案实现：

一种实现航空无线通信系统定时同步的方法，包含以下步骤：

步骤1)、对输入中频带通抽样的AD数据进行数字下变频，获得复基带信号；

步骤2)、对复基带信号进行采样率变换，使得输出的复基带信号采样速率为符号速率的N倍；

步骤3)、将数据速率进行变换后的复基带信号转换为N路并行信号进行判决，将判决结果存至数据缓冲区；

步骤4)、对各路并行判决结果与训练序列进行匹配，按照最大后验概率准则进行最佳点选择，然后输出最佳点对应的数据缓冲区地址，读取解调数据。

依据上述特征，所述步骤2)中对复基带信号进行采样率变换包含以下步骤：

若为窄带系统，通过数字接收前端滤波器完成数据速率转化；

若为宽带系统，通过三个并行三次插值器进行并行插值操作来提高数据采样速率，所述三次插值器实现公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{C}_{-2}=\frac{1}{6}{u}^3-\frac{1}{6}u\\ C_{-1}=-\frac{1}{2}{u}^3+\frac{1}{2}{u}^2+u\\ C_0=\frac{1}{2}{u}^3-u^2-\frac{1}{2}u+1\\ C_1=-\frac{1}{6}{u}^3+\frac{1}{2}{u}^2-\frac{1}{3}u\end{array}\right.,$

通过改变插值位置u得到三次插值器的4阶FIR插值器。

依据上述特征，所述数据缓冲区通过缓冲区高位地址对缓冲区进行分块，

将各个支路的判决结果缓存至不同数据块。

依据上述特征，所述数据缓冲区采用环形数据缓冲区，通过地址溢出计数器进行环形缓冲区地址计数，按照偏移地址及块地址读取缓存数据。

依据上述特征，所述步骤4)中最佳点选择的步骤为：

步骤4.1)、将各个支路的匹配相关结果与设定门限值进行比较，如果超过门限值则将该支路对应的标志位置为‘1’，否则置为‘0’各个支路的门限比较结果组成flag，同时记录各个支路匹配相关结果过门限时的缓冲区偏移地址；

步骤4.2)、如果flag的所有位均为‘0’，或者所有位均为‘1’，则最佳点为匹配值最大的那个支路；如果flag为非全‘0’/‘1’，则最佳点为排除最长连‘0’后的中间位置，如果该位置为‘0’则取离其最近的flag为‘1’的支路作为最佳点。

本发明的另一目的通过以下技术方案实现：

一种实现航空无线通信系统定时同步的系统，包含数据速率转换模块、并行判决模块、数据缓冲区、最佳点判决策略模块；

所述数据速率转换模块用于对复基带信号进行采样率变换，使得输出的复基带信号采样速率为符号速率的N倍；

所述并行判决模块用于将数据速率进行变换后的复基带信号转换为N路并行信号进行判决，将判决结果存至数据缓冲区；

最佳点判决策略模块用于对各路并行判决结果与训练序列进行匹配，按照最大后验概率准则进行最佳点选择，然后输出最佳点对应的数据缓冲区地址，读取解调数据。

依据上述特征，所述数据速率转换模块若应用于窄带系统时，通过数字接收前端滤波器完成数据速率转化；

若应于于宽带系统时，通过三个并行三次插值器进行并行插值操作来提高数据采样率，所述三次插值器实现公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{C}_{-2}=\frac{1}{6}{u}^3-\frac{1}{6}u\\ C_{-1}=-\frac{1}{2}{u}^3+\frac{1}{2}{u}^2+u\\ C_0=\frac{1}{2}{u}^3-u^2-\frac{1}{2}u+1\\ C_1=-\frac{1}{6}{u}^3+\frac{1}{2}{u}^2-\frac{1}{3}u\end{array}\right.,$

通过改变插值位置u得到三次插值器的4阶FIR插值器。

依据上述特征，所述数据缓冲区通过缓冲区高位地址对数据缓冲区进行分块，将各个支路的判决结果缓存至不同数据块。

依据上述特征，所述数据缓冲区采用环形数据缓冲区，通过地址溢出计数器进行环形缓冲区地址计数，按照偏移地址及块地址读取缓存数据。

依据上述特征，所述最佳点判决策略模块将各个支路的匹配相关结果与设定门限值进行比较，如果超过门限值则将该支路对应的标志位置为‘1’，否则置为‘0’各个支路的门限比较结果组成flag，同时记录各个支路匹配相关结果过门限时的缓冲区偏移地址；如果flag的所有位均为‘0’，或者所有位均为‘1’，则最佳点为匹配值最大的那个支路；如果flag为非全‘0’/‘1’，则最佳点为排除最长连‘0’后的中间位置，如果该位置为‘0’则取离其最近的flag为‘1’的支路作为最佳点。

本发明有如下几个主要的技术要点：

1、利用数字信号处理方法，通过抽取器和并行重采样器构成数据采样速率变换器，可形成任意采样速率复基带信号，可以达到任意定时精度。

2、采用一种分块环形缓冲区对并行判决结果进行缓存，通过地址简单运算完成将各并行支路判决结果存至缓冲区的不同区域，存取操作简单。

3、基于最大后验概率思想，通过各个并行支路判决结果与训练序列进行匹配，将匹配结果作为后验概率，并结合峰值居中准则确定最大后验概率对应的并行支路。

本发明的有益效果为:

1、实现简单，不需要复杂的参数估计过程，也无需较长的收敛时间。即可用于连续发射通信模式，也适用于突发发射通信模式。基于最大后验概率准则，不会因为参数估计导致较大定时偏差，也不会因为反馈环路崩溃而影响较长数据段。

2、适用范围广泛，该定时方案适用于除CPM等具有符号记忆特性外的各种调制解调系统。

3、实现性能优异，在低信噪比下系统解调误码性能几乎与理论曲线重合，在高信噪比时与理论曲线仅有少量性能损失。图2给出了该定时方法在QPSK/OQPSK调制系统下的解调性能，其中插值抽取器输出数据采样速率为8倍符号速率，可以看出在BER＝10^-5时性能损失仅为0.5dB。

附图说明

图1为本发明一种实现航空无线通信系统定时同步的方法的流程示意图。

图2为本发明实施例中的定时同步性能效果图。

图3为本发明中插值器结构框图。

图4为本发明中最佳点判决策略流程图。

具体实施方式

下面根据附图和实施例对本发明作进一步详细说明：

本发明一种实现航空无线通信系统定时同步的方法及系统实施方案流程如下：

(1)数据采样率变换模块

数据采样率变换模块通过数字处理的方式完成对基带数据采样速率的变换。对于窄带系统，AD采样速率远大于符号速率，因此只需要合理设计数字接收前端滤波器即可完成数据速率转化。对于宽带系统，AD采样速率相对符号速率而言不是很高，这时可以通过下式所示的三次插值器进行插值操作来提高数据采用速率。

$\left\{\begin{array}{c}{C}_{-2}=\frac{1}{6}{u}^3-\frac{1}{6}u\\ C_{-1}=-\frac{1}{2}{u}^3+\frac{1}{2}{u}^2+u\\ C_0=\frac{1}{2}{u}^3-u^2-\frac{1}{2}u+1\\ C_1=-\frac{1}{6}{u}^3+\frac{1}{2}{u}^2-\frac{1}{3}u\end{array}\right..$

如要将数据采用速率提高2倍，只需取u＝0.5，得到插值系数，通过滤波完成插值处理，原始数据结合插值输出结果即可将采样速率提高一倍。如要将数据采用速率提高4倍，只需取u＝[0.25,0.5,0.75]，得到3组插值系数，通过3个并行滤波器对原始信号滤波完成插值处理，原始数据结合3路插值输出结果即可将采样速率提高4倍。图3给出了将原始数据速率提高4倍的并行插值器结构框图，其中Int_FIR_u0.25是将代入三次插值器得到的4阶FIR插值器，同理Int_FIR_u0.5及Int_FIR_u0.75是将及代入三次插值器得到的4阶FIR插值器。图中T_sample为插值器输入数据采样速率。该插值模块阶数少，采用并行实现，适合高速传输系统，可以方便的实现所需要的数据采样速率。

此步骤/模块优点在于：

1、通过改变插值位置得到三次插值器，通过FIR滤波实现对原始信号的重采样，将多次重采样信号与原始数据结合，以此来提高数据采样速率，获得更高定时精度；

2、通过多个并行三次插值器并行获得原始信号的重采样，以提高系统的处理速度，适用于高速传输系统，且各个插值滤波器只有4阶，实现简单。

(2)并行判决模块

通过插值/抽取器对数据速率进行变换，得到满足定时要求的N倍符号速率采样数据后，将数据进行串并转换为N路并行数据，对每一路数据分别进行判决，即对各并行支路按照调制方式对应的映射关系所得到的解调判决结果，既可以是软判决结果，也可以是硬判决结果；将判决结果缓存至数据缓存器。然后按照相应的判决准则，选取最佳的一路结果作为定时输出。

(3)数据缓存区

为了简化数据缓冲区数据写入及读取过程，将数据缓冲区分为N块，每块依次存放对应支路的判决结果。为了处理方便，每块缓冲区的深度大于等于帧长2倍，且为2的幂次数。

数据缓冲区写地址的高位作为块地址，其他位为数据地址。其中块地址与支路对应，数据地址为循环计数器。由于每块缓冲区的深度为大于等于帧长2倍，因而不会发生数据覆盖，可以通过溢出计数实现环形缓冲器。同时，采用环形缓冲器方便数据写入，且不需要采用乒乓操作，数据写入缓冲区处理简单。数据读取时，将最佳点判决策略给出的结果作为缓冲块选择地址，并根据匹配支路标志位置得出偏移地址，依此读取缓冲区数据即可。

(4)最佳点判决策略模块

对N路并行判决结果分别于帧结构中的已知序列进行匹配相关，将会得到N路相关结果，将各路匹配值作为后验概率。离最佳点越近匹配度越高。

将各个支路的匹配相关结果与设定门限值进行比较，如果过门限值则将该支路对应的标志位置为‘1’，否则置为‘0’，各门限值比较结果组成flag。同时，记录各个支路匹配相关结果过门限时的数据缓冲区偏移地址。这样，最佳点就简化对flag的处理。如果flag的所有位均为‘0’，或者所有位均为‘1’，则最佳点为匹配值最大的那个支路。如果flag的非全‘0’/‘1’，则最佳点为排除最长连‘0’后的中间位置，如果该位置为‘0’则取离其最近的flag为‘1’的支路作为最佳点。以8支路为例：当flag为“00000000”或者“11111111”时，最佳点为匹配值最大的支路；当flag为“11000111”时，则最佳点为支路7；当flag为“11000110”时，则最佳点为支路6和支路0中匹配值最大的一路。最佳点判决策略流程如图4所示，图中0≤i≤N-1，0≤j≤N-1，0≤k≤N-1，N为支路数。

Claims (10)

1.一种实现航空无线通信系统定时同步的方法，包含以下步骤：

步骤1)、对输入中频带通抽样的AD数据进行数字下变频，获得复基带信号；

步骤2)、对复基带信号进行采样率变换，使得输出的复基带信号采样速率为符号速率的N倍；

步骤3)、将数据速率进行变换后的复基带信号转换为N路并行信号进行判决，将判决结果存至数据缓冲区；

步骤4)、对各路并行判决结果与训练序列进行匹配，按照最大后验概率准则进行最佳点选择，然后输出最佳点对应的数据缓冲区地址，读取解调数据。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述步骤2)中对复基带信号进行采样率变换包含以下步骤：

若为窄带系统，通过数字接收前端滤波器完成数据速率转化；

若为宽带系统，通过三个并行三次插值器进行并行插值操作来提高数据采样

速率，所述三次插值器实现公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{C}_{-2}=\frac{1}{6}{u}^3-\frac{1}{6}u\\ C_{-1}=-\frac{1}{2}{u}^3+\frac{1}{2}{u}^2+u\\ C_0=\frac{1}{2}{u}^3-u^2-\frac{1}{2}u+1\\ C_1=-\frac{1}{6}{u}^3+\frac{1}{2}{u}^2-\frac{1}{3}u\end{array}\right.,$

通过改变插值位置u得到三次插值器的4阶FIR插值器。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述数据缓冲区通过缓冲区高位地址对数据缓冲区进行分块，将各个支路的判决结果缓存至不同数据块。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述数据缓冲区采用环形数据缓冲区，通过地址溢出计数器进行环形缓冲区地址计数，按照偏移地址及块地址读取缓存数据。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述步骤4)中最佳点选择的步骤为：

步骤4.1)、将各个支路的匹配相关结果与设定门限值进行比较，如果超过门限值则将该支路对应的标志位置为‘1’，否则置为‘0’各个支路的门限比较结果组成flag，同时记录各个支路匹配相关结果过门限时的缓冲区偏移地址；

步骤4.2)、如果flag的所有位均为‘0’，或者所有位均为‘1’，则最佳点为匹配值最大的那个支路；如果flag为非全‘0’/‘1’，则最佳点为排除最长连‘0’后的中间位置，如果该位置为‘0’则取离其最近的flag为‘1’的支路作为最佳点。

6.一种实现航空无线通信系统定时同步的系统，包含数据速率转换模块、并行判决模块、数据缓冲区、最佳点判决策略模块；

所述数据速率转换模块用于对复基带信号进行采样率变换，使得输出的复基带信号采样速率为符号速率的N倍；

所述并行判决模块用于将数据速率进行变换后的复基带信号转换为N路并行信号进行判决，将判决结果存至数据缓冲区；

最佳点判决策略模块用于对各路并行判决结果与训练序列进行匹配，按照最大后验概率准则进行最佳点选择，然后输出最佳点对应的数据缓冲区地址，读取解调数据。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于所述数据速率转换模块若应用于窄带系统时，通过数字接收前端滤波器完成数据速率转化；

若应于于宽带系统时，通过三个并行三次插值器进行并行插值操作来提高数

据采样率，所述三次插值器实现公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{C}_{-2}=\frac{1}{6}{u}^3-\frac{1}{6}u\\ C_{-1}=-\frac{1}{2}{u}^3+\frac{1}{2}{u}^2+u\\ C_0=\frac{1}{2}{u}^3-u^2-\frac{1}{2}u+1\\ C_1=-\frac{1}{6}{u}^3+\frac{1}{2}{u}^2-\frac{1}{3}u\end{array}\right.,$

通过改变插值位置u得到三次插值器的4阶FIR插值器。

8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于所述数据缓冲区通过缓冲区高位地址对数据缓冲区进行分块，将各个支路的判决结果缓存至不同数据块。

9.根据权利要求6所述的系统，其特征在于所述数据缓冲区采用环形数据缓冲区，通过地址溢出计数器进行环形缓冲区地址计数，按照偏移地址及块地址读取缓存数据。

10.根据权利要求6所述的系统，其特征在于所述最佳点判决策略模块将各个支路的匹配相关结果与设定门限值进行比较，如果超过门限值则将该支路对应的标志位置为‘1’，否则置为‘0’各个支路的门限比较结果组成flag，同时记录各个支路匹配相关结果过门限时的缓冲区偏移地址；如果flag的所有位均为‘0’，或者所有位均为‘1’，则最佳点为匹配值最大的那个支路；如果flag为非全‘0’/‘1’，则最佳点为排除最长连‘0’后的中间位置，如果该位置为‘0’则取离其最近的flag为‘1’的支路作为最佳点。