CN105072070B - 一种数字宽带无线信号同步算法 - Google Patents

Abstract

一种数字宽带无线信号同步算法，该算法包括数字宽带无线信号进行相位预处理；在数字宽带无线信号进入环路第一个处理部分——相位预处理，输入信号可分为同相支路和正交支路，将这两路信号进行四象限反正切处理；增加乘法器，纠正信号抖动，辅助频率偏移估计；使用减法器代替传统鉴相器提高运算效率；使用环路滤波器完成低通滤波器的功能；数控振荡器控制反馈信号；增加延迟单元，调整环路时序；符号定时同步算法参考电平；符号定时同步检错部分。本方法将数字信号处理与自动控制原理结合在了一起。运用MATLAB编写并成功实现了同步算法，建立了基于同步算法的新型环路，以实现对数字宽带无线信号的高精度同步。

Description

一种数字宽带无线信号同步算法

技术领域

本发明实现了对数字宽带无线信号的同步功能，包括载波同步和符号定时同步，属于数字信号处理技术领域。

背景技术

在目前的信息通信产业中，发展最迅猛的领域无疑是数字宽带无线通信。通信网络、通信终端和互联网通过宽带无线通信技术结合为一个有机体，为世界带来了全新的通信方式。它表现为愈加宽广的覆盖范围、愈加简便的接入方式，愈加细致的问题处理，愈加繁多的业务种类以及愈加快捷的网络服务。除了我们所熟悉的民用范围，无线信号在军用和商用领域的表现也非常抢眼，例如商用卫星通信、军用跳频通信等等。总而言之，为了满足更多的需求，为承载更多的业务量，无线信号的带宽越来越宽，传输速率越来越快，调制方式越来越复杂，编码方式越来越多变。

数字宽带无线通信的快速发展，对信号的解调带来了更高的要求。要在解调速度上满足实时性的要求，要在解调精度上满足准确性的要求，故需要立足于之前的研究，结合当下新兴的技术，着眼于目前信号的特点，满足目前应用的要求，发明了一种新的同步算法，以此来解决新出现的问题，并为以后的研究打下坚实的基础。

发明内容

本发明主要目的是为了克服以往数字宽带无线信号同步精度低、速度慢的缺点，对数字宽带无线信号进行快速高精度的同步。

为实现上述目的，本发明提出一种数字宽带无线信号同步算法，包括载波同步算法和符号定时同步算法，并且研发了基于此种同步算法的实际环路，为数字宽带无线信号的同步提供了一种新视角。

本方法将数字信号处理与自动控制原理结合在了一起。运用MATLAB编写并成功实现了同步算法，建立了基于同步算法的新型环路，以实现对数字宽带无线信号的高精度同步。

本发明的基本思路：

(1)根据数字宽带无线信号的幅度特征，波形特征，频率特征和相位特征等特征的分析，发现传统的数字同步算法无法适应这种信号，于是寻找一种新的同步算法。

(2)以信号的特征为出发点，以高精度，高速率解调为标准，进行的同步算法设计。

(3)根据同步算法中的载波同步算法，设计新的全数字宽带无线信号载波同步环路。

(4)根据同步算法中的符号定时同步算法，设计新的全数字宽带无线信号符号定时同步环路。

(5)将全数字宽带无线信号载波同步环路与符号定时同步环路结合在一起，组成完整的同步环路。

(6)综合以上的分析，以MATLAB开发平台为基础，对同步算法和以此为基础的全新同步环路进行仿真，得出算法满足高精度，高速率解调的标准。其整体工作流程图如附图1所示，载波同步算法如图2所示，符号定时同步算法如图3所示。

本发明采取的具体技术方案如下：

(1)数字宽带无线信号进行相位预处理。

在数字宽带无线信号进入环路第一个处理部分——相位预处理。输入信号可分为同相支路和正交支路，将这两路信号进行四象限反正切处理，计算公式为：

其中I(n)为同相支路信号分量，Q(n)为正交支路信号分量，为信号相位信息；此相位信息包含信号初相位，频率偏移和相位偏移，初相位是最后需要的信息，频率偏移和相位偏移是在同步算法中需要消除的量。表现公式为：

其中θ(n)为初相位，Δf为频率偏移，Δθ为相位偏移。

(2)增加乘法器，纠正信号抖动，辅助频率偏移估计。

相位信号通过相位预处理部分来到乘法器。乘法器可以用于辅助频率偏移估计。乘法器的数学表达式如下：

其中k为乘法器的倍数，按照输入信号的相位特征调整不同的值。s(n)乘法器输出信号。通过对输入相位进行乘法运算，使信号变得比较平稳，方便测算载波频率偏移。对于形如BPSK信号这样跳变较大的信号，其瞬时相位变化范围为[0+Δθ,π+Δθ]，Δθ为相位偏移，相差为π，相位信息在符号间跳动较大。乘法器倍数调整为2倍，将输入信号调整到[0+2Δθ,2π+2Δθ]，去除符号间有可能出现的跳动，使信号变得平稳，进而可以方便的估算频率偏移。

(3)使用减法器代替传统鉴相器提高运算效率。

乘法器输出的信号进入减法器。由于整个环路中的变量统一为相位，改鉴相器为减法器，反馈信号直接和输入信号进行减法运算，得到相位差值，从而控制整个环路。减法器表现公式为：

其中为输入信号相位信息，为环路反馈信息，为相差控制信息。

(4)使用环路滤波器完成低通滤波器的功能。

相差控制信息送入环路滤波器。环路滤波器承担低通滤波器和维持环路动态特性的功能，使用比例积分滤波器。比例积分滤波器对直流信号有着无穷大的增益，这会导致整个电路呈现低通特性，可利用此特性实现低通滤波环路的功能。同时，比例积分滤波器在时域中呈现对此时刻信号和前一时刻信号的加权求和特性，利用此特性可以维持环路动态特性，避免环路失锁。滤波器S域表现公式如下：

对其进行双线性变化后，可以将其变换到离散域，公式如下：

时域加权求和公式如下：

y(n)＝y(n-1)+c₁x(n-1)+(c₁+c₂)x(n)

其中，c₁和c₂为环路滤波器系数；x(n)为控制信号，y(n)为数控振荡器输出的反馈信号，x(n-1)表示相差前一时刻的控制信号；

环路滤波器结构图如图4所示，电路图如图5所示，图中应用了两个电阻，一个运算放大器以及一个电容，其中电阻R₁和电容C构成第一个时间常数τ₁，电阻R₂和电容C构成第二个时间常数τ₂。这两个数决定环路的阻尼系数，阻尼系数对环路特性影响极大。环路滤波器的频率响应如图6所示，在频率很小的时候环路滤波器表现出了极大的增益，说明环路滤波器对直流分量以及低频分量的增益非常大，体现出低通特性。

(5)数控振荡器控制反馈信号。

环路滤波器得到数控振荡器的控制信号。数控振荡器根据此控制信号的调节，输出反馈相位。数控振荡器的时域数学表达式和Z域数学表达式如下所示：

y(n)＝y(n-1)+Kx(n)

其中x(n)为控制信号，y(n)为数控振荡器输出的反馈信号，K为数控灵敏度。

(6)增加延迟单元，调整环路时序。

为环路添加一个延迟单元，添加位置在减法器和环路数控振荡器之间。延迟单元的主要目的调整环路的时序结构，使得第N个负反馈可以和第N个样点进行计算。第N个时刻的信号送入环路后，会产生第N个时刻的反馈，这个反馈值要和第N+1个输入信号进行运算。为了调整这一个单位时间的差值特别设置环路延迟单元。延迟单元的时域表达式和Z域表达式分别为：

y(n)＝x(n-1)

y(n)为数控振荡器输出的反馈信号，x(n-1)表示相差前一时刻的控制信号；

(7)符号定时同步算法参考电平。

利用载波同步算法中的符号周期，可以预先确定符号定时同步中的周期参考电平。参考周期来自于数控电压振动，在一个周期内，数控电压保持平稳，当新的符号周期到来，数控电压在短时间内产生一个跳变，这个跳变就预示着符号的预判周期，根据预判周期的电平值，可以计算出预判周期的参考电平。此参考电平用于改进Gardner算法，使其可以应用在多电平信号上。公式如下所示：

u_t(n)＝[x_I(n-1/2)-A_I][x_I(n)-x_I(n-1)]+[x_Q(n-1/2)-A_Q][x_Q(n)-x_Q(n-1)]

其中x_I(n)和x_Q(n)表示预判周期内的电平值。对于多电平信号，类似于即使在没有符号定时误差的时候周期之间的值也很有可能不为零。为了避免这种情况的发生，本算法将中间值与前后两个码元的代表电平平均值做差，这样差值就代表原来算法中的中间值。

(8)符号定时同步检错部分。

根据上文所提到的来自于数控电压振动产生的预判区间信息，判断采样信号位于第[N,N+m]区间内，若实际采样信号在这个区间之外，则环路同步失败。

本发明的优点：

(1)本发明克服了原有算法速度慢，精度低的缺点，考虑到信号传递的速度越来越快，需要进行高速率同步，同时也考虑到人们对信号的要求越来越高，需要进行高精度同步。所以，以上述两者标准发明了一种同步算法。

(2)本发明简化了算法中的变量，使算法的推演更为简便，并容易以此算法为基础开发更高级的算法。

(3)本发明结构简单，硬件软件开支较少。

(4)本发明采用数字信号处理与自动控制原理相结合的研究模式；基于WindowsXP操作系统，采用MATLAB开发工具进行开发。

通过修正信号的频率偏移和相位偏移以及准确定位符号最佳采样点的方式，大幅降低了信号的误码率，提高信号解调效率和精确度。

附图说明

图1：同步算法结构。

图2：基于载波同步算法的同步环路。

图3：基于符号定时同步算法的同步环路。

图4：环路滤波器结构图。

图5：环路滤波器电路图。

图6：环路滤波器频率响应。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本实施例：

(1)数字宽带无线信号进入载波同步环路，首先通过取相位部分，利用取得相位部分对信号进行反正切处理，得到输入信号的瞬时相位；

(2)将信号的相位信息输入环路的乘法器，用来辅助频率偏移估计；

(3)乘法器输出的信号，送入环路滤波器部分，信号在这个模块进行累加，保持环路动态特性，并滤除高频干扰；

(4)将环路滤波器处理过后的信号送入数控振荡器，数控振荡器在控制电压的调节下得到反馈信号；

(5)反馈信号在经过延迟之后，与输入信号进行运算。

(6)载波同步之后的信号进入符号定时同步部分，经过符号定时同步之后，获取最佳采样点，完成整个同步过程。

算法测试结果：

采用数字宽带无线信号中的BPSK，QPSK，8PSK，D8PSK，DQPSK，pi/4-DQPSK,16QAM，64QAM，256QAM信号进行测试，发现在频率偏移估计与相位偏移估计方面，与参考值非常接近，如表1，表2所示。在相位追踪方面，在很快的时间内可以到达信号同步，同步时间可以控制在50～100个符号之内。在数控电压方面，符号周期内数控电压平稳，在符号之间，数控电压出现短时剧烈跳动，这种剧烈跳动可以表示信号周期。经过载波同步算法的信号，星座点聚集明显，信号大多分布在标准点周围。经过符号定时同步之后，星座点完全部集中在标准点周围，且标准点之间没有链接，完全呈现理算的状态。

综上所示，本发明改变了以往同步算法的不足，并满足高效率，高精度标准。

表1频率偏移对比

表2：相位偏移对比

Claims (1)

1.一种数字宽带无线信号同步算法，其特征在于：具体技术方案如下，

(1)数字宽带无线信号进行相位预处理；

在数字宽带无线信号进入环路第一个处理部分——相位预处理；输入信号分为同相支路和正交支路，将这两路信号进行四象限反正切处理，计算公式为：

其中I(n)为同相支路信号分量，Q(n)为正交支路信号分量，为信号相位信息；此相位信息包含信号初相位，频率偏移和相位偏移，初相位是最后需要的信息，频率偏移和相位偏移是在同步算法中需要消除的量；表现公式为：

其中θ(n)为初相位，Δf为频率偏移，Δθ为相位偏移；

(2)增加乘法器，纠正信号抖动，辅助频率偏移估计；

相位信号通过相位预处理部分来到乘法器；乘法器可以用于辅助频率偏移估计；乘法器的数学表达式如下：

其中k为乘法器的倍数，按照输入信号的相位特征调整不同的值；s(n)乘法器输出信号；通过对输入相位进行乘法运算，使信号变得比较平稳，方便测算载波频率偏移；对于形如BPSK信号这样跳变较大的信号，其瞬时相位变化范围为[0+Δθ,π+Δθ]，Δθ为相位偏移，相差为π，相位信息在符号间跳动较大；乘法器倍数调整为2倍，将输入信号调整到[0+2Δθ,2π+2Δθ]，去除符号间有可能出现的跳动，使信号变得平稳，进而可以方便的估算频率偏移；

(3)使用减法器代替传统鉴相器提高运算效率；

乘法器输出的信号进入减法器；由于整个环路中的变量统一为相位，改鉴相器为减法器，反馈信号直接和输入信号进行减法运算，得到相位差值，从而控制整个环路；减法器表现公式为：

其中为输入信号相位信息，为环路反馈信息，为相差控制信息；

(4)使用环路滤波器完成低通滤波器的功能；

相差控制信息送入环路滤波器；环路滤波器承担低通滤波器和维持环路动态特性的功能，使用比例积分滤波器；比例积分滤波器对直流信号有着无穷大的增益，这会导致整个电路呈现低通特性，可利用此特性实现低通滤波环路的功能；同时，比例积分滤波器在时域中呈现对此时刻信号和前一时刻信号的加权求和特性，利用此特性可以维持环路动态特性，避免环路失锁；滤波器S域表现公式如下：

对其进行双线性变化后，可以将其变换到离散域，公式如下：

时域加权求和公式如下：

y(n)＝y(n-1)+c₁x(n-1)+(c₁+c₂)x(n)

其中，c₁和c₂为环路滤波器系数；x(n)为控制信号，y(n)为数控振荡器输出的反馈信号，x(n-1)表示相差前一时刻的控制信号；

环路滤波器结构中应用了两个电阻，一个运算放大器以及一个电容，其中电阻R₁和电容C构成第一个时间常数τ₁，电阻R₂和电容C构成第二个时间常数τ₂；这两个数决定环路的阻尼系数，阻尼系数对环路特性影响极大；环路滤波器的频率响应中，在频率很小的时候环路滤波器表现出了极大的增益，说明环路滤波器对直流分量以及低频分量的增益非常大，体现出低通特性；

(5)数控振荡器控制反馈信号；

环路滤波器得到数控振荡器的控制信号；数控振荡器根据此控制信号的调节，输出反馈相位；数控振荡器的时域数学表达式和Z域数学表达式如下所示：

y(n)＝y(n-1)+Kx(n)

其中x(n)为控制信号，y(n)为数控振荡器输出的反馈信号，K为数控灵敏度；

(6)增加延迟单元，调整环路时序；

为环路添加一个延迟单元，添加位置在减法器和环路数控振荡器之间；延迟单元的主要目的调整环路的时序结构，使得第N个负反馈可以和第N个样点进行计算；第N个时刻的信号送入环路后，会产生第N个时刻的反馈，这个反馈值要和第N+1个输入信号进行运算；为了调整这一个单位时间的差值特别设置环路延迟单元；延迟单元的时域表达式和Z域表达式分别为：

y(n)＝x(n-1)

y(n)为数控振荡器输出的反馈信号，x(n-1)表示相差前一时刻的控制信号；

(7)符号定时同步算法参考电平；

利用载波同步算法中的符号周期，可以预先确定符号定时同步中的周期参考电平；参考周期来自于数控电压振动，在一个周期内，数控电压保持平稳，当新的符号周期到来，数控电压在短时间内产生一个跳变，这个跳变就预示着符号的预判周期，根据预判周期的电平值，计算出预判周期的参考电平；此参考电平用于改进Gardner算法，使其可以应用在多电平信号上；公式如下所示：

u_t(n)＝[x_I(n-1/2)-A_I][x_I(n)-x_I(n-1)]+[x_Q(n-1/2)-A_Q][x_Q(n)-x_Q(n-1)]

其中x_I(n)和x_Q(n)表示预判周期内的电平值；对于多电平信号，类似于即使在没有符号定时误差的时候周期之间的值也很有可能不为零；为了避免这种情况的发生，本算法将中间值与前后两个码元的代表电平平均值做差，这样差值就代表原来算法中的中间值；

(8)符号定时同步检错部分；

根据上文所提到的来自于数控电压振动产生的预判区间信息，判断采样信号位于第[N,N+m]区间内，若实际采样信号在这个区间之外，则环路同步失败。