CN105245303B - 一种高速突发解调同步系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高速突发解调同步系统，其差分检测模块的输入为具有N倍于符号速率的固定采样率的数字基带信号，通过差分检测找到数字基带信号的导频序列第一个符号中最接近最佳采样点的点；数字AGC模块对数字基带信号进行幅度补偿；符号同步模块估计幅度补偿后的数字基带信号的符号定时误差，并采用线性插值来获得导频序列中每个符号的最佳采样点；粗频偏同步模块通过导频序列的最佳采样点估计频偏并进行频偏恢复；粗相位恢复模块，对频偏恢复后的导频序列最佳采样点来估计相偏并进行相偏恢复；锁相环模块通过二阶锁相环来快速跟踪残余小频偏和小相偏，实现精载波同步。该方法具有非常高的检测概率。
Description
技术领域
本发明涉及突发通信领域。
背景技术
突发通信中广泛采用TDMA方式，接收端需要接收以空隙相隔的时隙信号，通常每个时隙仅使用较短的导频段，这对载波同步带来了考验，因为基于导频辅助的算法需要较长的导频段才能准确地估计参数，因此很多系统通过相位前馈的估计算法(例如V&V算法)来继续修正载波误差，而本系统使用反馈环路对残余频偏和相位误差进行修正，比相位前馈跟踪算法更加准确，并且设计简单节省资源。
在卫星通信和某些环境下的陆地通信中，信号可能发生急剧的功率变化，因此要想捕获到每个时隙，往往需要自适应门限方法来抵消信号功率变化产生的影响。
由于移动导致接收信号产生的多普勒频移，或者由于接收机与发射机的晶振偏差都会导致信号存在载波频偏的影响，因此在较大频偏下，时隙的捕获不能使用相干检测的方法，需要借助于非相干的检测方法，而差分检测几乎是非相干检测方法中性能最优的。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种高速突发解调同步系统，可以在较大频偏，低信噪比和信号功率急剧变化下有非常高的检测概率。
为了达到上述目的，本发明的技术方案为：该系统包括顺次连接的差分检测模块、数字自动增益控制AGC模块、符号同步模块、粗频率同步模块、粗相位恢复模块以及锁相环模块，其中：
差分检测模块的输入为具有N倍于符号速率的固定采样率的数字基带信号，通过差分检测的峰值找到数字基带信号的导频序列第一个符号中最接近最佳采样点的点；数字AGC模块通过计算时隙前若干个符号的平均功率，来确定补偿系数对数字基带信号进行幅度补偿；符号同步模块通过基于多符号累积的绝对值非线性前馈估计方法和卡尔曼滤波方法估计幅度补偿后的数字基带信号的符号定时误差，并采用线性插值来获得导频序列中每个符号的最佳采样点；粗频偏同步模块通过导频序列的最佳采样点采取数据辅助方法来估计频偏并进行频偏恢复；粗相位恢复模块，对频偏恢复后的导频序列最佳采样点采用数据辅助方法来估计相偏并进行相偏恢复；锁相环模块针对相偏恢复后的导频序列通过二阶锁相环来快速跟踪残余小频偏和小相偏，实现精载波同步。
进一步地，具有n倍于符号速率的固定采样率的数字基带信号，其中N＝4。
进一步地，差分检测模块包括差分检测器、相关单元和比较单元，差分检测器用于对于输入的具有N倍于符号速率的固定采样率的数字基带信号进行差分检测，获得差分信号；相关单元用于将差分信号与预存的差分信息进行相关，获取多个相关值，并将多个相关值进行取模值平方后累加，获得总相关值输入至比较单元；比较单元用于对差分信号取模值平方后累加，累加结果再乘以一个与信噪比相关的系数k，作为自适应门限值，在比较单元中比较总相关值与自适应门限值的大小，其中自适应门限值随着数字基带信号的输入不断更新。
在多个相关值中，若第n个相关值超过自适应门限，则以第n个相关值作为当前值。
若第n+1个相关值超过当前值，则以第n+1个相关值作为当前值，并继续检测第n+2个相关值，直到相关值小于或者等于当前值，则当前值即为峰值；峰值对应的差分信息即为输入信号导频序列最接近最佳采样点的点之间的差分信息，利用这个差分信息获得第一个符号中最接近最佳采样点。
进一步地，AGC模块包括功率检测单元和功率补偿单元，功率检测单元对采样点计算功率并累加求和，功率补偿单元对于和值与判决值进行对比确定补偿系数并进行补偿。
进一步地，粗频偏同步模块采用基于数据辅助的L&R频偏估计算法。
有益效果：
(1)自适应差分检测可以在较大频偏，低信噪比和信号功率急剧变化下有非常高的检测概率。
(2)数字AGC模块能够使不同时隙信号的幅度趋近一致，方便后续载波同步模块采取良好的位宽策略来降低处理复杂度和资源消耗。
(3)在较短导频情况下，锁相环在粗载波估计方法辅助下对剩余的频偏和相偏进行补偿，可以在较低的资源消耗代价下实现快速和精准的载波同步。
附图说明
图1为本发明的高速突发解调同步系统的结构框图；
图2为本发明的差分检测模块的原理框图；
图3为本发明的AGC模块的原理框图；
图4为本发明的符号同步模块延时τ估计的原理框图；
图5为本发明的符号同步模块线性插值器的原理框图；
图6为本发明的粗频率同步模块频率估计原理框图；
图7为本发明的粗相位同步模块相位估计原理框图；
图8为本发明的锁相环模块原理框图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种高速突发解调同步系统，如图1所示，该高速突发解调同步系统应处于数字前端之后，由于符号同步需要相应采样率支持，因此在数字前端中需要经过采样率变换，变换后采样率为1个符号4个采样点。该系统包含差分检测模块、AGC数字自动增益控制模块、符号同步模块、粗频率同步模块、粗相位恢复模块、锁相环模块。
上述各模块的连接关系为：
经过数字前端后的信号为1个符号4个采样点，通过突发检测模块找到第一个前导序列的最接近最佳采样点的点，即粗定时误差为(-TS/8，TS/8)，然后把符号输入到AGC模块，根据测得的信号功率值，对信号做幅度补偿，然后输出符号到符号同步模块，估计出延时τ，对采样点进行插值，然后插值器输出每个符号的最佳采样点，即采样率变为1个符号一个采样点，输入到粗频率估计模块进行基于导频辅助的频偏估计算法，估计出频偏ΔωTS，然后使用数控振荡器(Numeric Control Oscillator，NCO)进行频偏恢复。然后输出的符号信息再进入粗相位估计模块进行基于导频辅助的相位估计算法，估计出相偏然后使用NCO进行相位恢复。最终通过频率/相位跟踪环对符号进行残余频偏和相偏的补偿。
为对抗频偏和相偏的影响，本方案采用差分的突发检测方法，差分检测模块包括差分检测器、相关单元和比较单元，差分检测器用于对于输入的具有N倍于符号速率的固定采样率的数字基带信号进行差分检测，获得差分信号；相关单元用于将差分信号与预存的差分信息进行相关，获取多个相关值，并将多个相关值进行取模值平方后累加，获得总相关值输入至比较单元；比较单元用于对差分信号取模值平方后累加，累加结果再乘以一个与信噪比相关的系数k，作为自适应门限值，在比较单元中比较总相关值与自适应门限值的大小，其中自适应门限值随着数字基带信号的输入不断更新。
如图2所示，图中给出前导序列为48个符号的情况。插值器输出的信号，每个符号周期包含4个采样点。当前的输入采样点，取共轭后与延迟4个采样点的数据(即前一个符号对应的采样点)相乘，即完成差分操作；差分信号与本地预存前导序列的47个差分信息进行相关，并取模值平方来进行相关特性的表示；当相关值大于预设的门限时、且为局部最大值时，即认为出现了突发信号，给出指示。其中考虑到信号功率可能会出现较大变化，不能选用固定门限对相关特性做判定，因此选择了自适应门限方法，对差分操作后获得的差分信号分别取模值的平方再进行累加作为门限，对相关特性做判定。其中差分信号每4个采样点取一个，对应符号间相同位置采样点的差分信息，统计长度为47个符号。
检测过程如下：
1)当差分检测器的输出值超过自适应门限的阈值，则认为找到峰值区间，保存当前差分检测值。
2)根据爬坡法，若下个差分检测值超过当前差分检测值，则保存新的差分检测值，并继续检测下个差分检测值，直到下次差分检测小于当前保存的差分检测值，则认为所保存的差分检测值即为峰值。此值对应的差分信息正是我们需要找到的输入信号前导序列最接近最佳采样点的点之间的差分信息，其中与图中b47对应相乘的差分信息认为是输入信号第48个导频的共轭与第47个导频相乘的结果，b47为已知前导序列第48个导频与第47个导频的共轭相乘的结果。前导序列通常我们选用类似扩频序列的结构，每个前导符号之间的相位误差为0或者π，即b1～b47只有1和-1两种可能，这样差分信息进行相关时就不需要通过乘法器来计算，节省乘法器资源。
进行差分检测的好处是，可以减小频偏和相偏对于突发检测的影响。假设在某段突发内，信号的频偏和相偏分别为Δω和则进行差分检测后，相偏的影响被完全消除，频偏Δω引起的相位偏转的则被限制在ΔωTS。
自动增益控制模块位于帧检测模块后面，其作用是将信号功率统一到一个固定的区间内。自动增益控制控制模块包括两个部分，功率检测以及功率补偿，如图3所示。当突发检测模块检测到前导序列，AGC确定所统计的数据为信号段的数据，统计该信号段的信号功率，通过计算的值的大小，决定补偿系数，下一时隙开始时，重新进行统计。
定时同步模块分为定时估计和定时内插两部分。定时估计采用绝对值非线性的前馈估计方法，如图4所示。
输入数据序列取绝对值后，计算傅里叶系数：
其中N＝4，对应一个符号4个采样点；xk＝|rk|，取绝对值操作可使用CORDIC算法实现。为减小噪声对定时估计的影响，对结果进行累加和卡尔曼滤波处理，累加长度和卡尔曼滤波器系数K可以根据输入信噪比进行相应的设置来获得所需的估计精度。最后对结果取辐角，即得到定时误差的估计值：
最后利用得到的定时误差估计值，对原始信号进行内插。内插的方法有很多种，例如线性插值、拉格朗日插值和立方插值，对于1个符号4个采样点的情况线性插值就能很好的满足性能要求，而且线性插值实现最简单，消耗资源最少，如图5所示。
粗频偏估计模块采用基于导频辅助的L&R频偏估计算法，例如Kay、Fitz、L&R和M&M算法，以L&R为例，如图6所示。
L&R算法公式如下：
其中，
其中Rl(m)(m＝1,2,…,N)表示导频域自相关矢量，z(p)(k)为接收到的导频符号，为导频符号对应的本地导频数据，则去除了调制信息的影响。LP表示导频域的符号数目，N为设计参数，受估计范围影响；为经过L个导频域之后估计得到的一个归一化频率误差估计值。
计算归一化频偏需要计算Rl(m)、累加Rl(m)并求辐角。其中的信号延时以及乘加结构可视为一个N阶的复输入FIR滤波器。而对于未取共轭的路径，由于乘加结构引入的延迟，需要进行延时处理，以匹配流水线。估计器仅在导频域工作，在数据域处于冻结状态。估计得到的频偏用于控制NCO，将NCO的输出与原始数据流相乘，得到解旋转的数据。
粗相位估计模块，通常选用ML(最大似然)估计方法，直接使用经粗频偏恢复后的导频序列与已知的导频符号进行相关运算，求得相位估计值如图7所示，是相位估计模块的原理框图。相位估计模块实质是进行相关运算，相关运算的计算公式如下：
其中，ck对应本系统中的未译码符号数据，x(k)对应经过粗频偏恢复后的导频序列，N表示一帧数据的长度，arg{·}表示求复数的幅角，为计算得到的相位估计值。估计器仅在导频域工作，在数据域处于冻结状态。相偏补偿器根据估计得到的相位偏差值使用NCO或者Cordic IP核对星座点进行反向旋转，输出符号作为解调器的输出。
为了进一步补偿残余的频偏与相偏对载波相位误差的影响，将在环路最后加上基于软件锁相环模块，具体结构如图8所示。其中，鉴相器的输出即为载波相位误差，有很多种鉴相器可供选择，以符号乘积鉴相器为例，鉴相器公式可表示为：其中Q和I表示的是前一环节的输出信号，和表示的是判决得出的信号的同相和正交分量,通常正数判决为1，负数判决为-1。
为了保证上面的环路能够性能良好的进行频率和相位跟踪，设计系数K1和K2时需要既要有足够的捕获带宽满足跟踪残余频差的要求和捕获速度的要求，即需要在导频段完成捕获，但是太大的捕获带宽会导致跟踪精度的降低，在设计参数时要充分了解系数带来的性能变化。
综上，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种高速突发解调同步系统，其特征在于，包括顺次连接的差分检测模块、数字自动增益控制AGC模块、符号同步模块、粗频率同步模块、粗相位恢复模块以及锁相环模块，其中：
所述的差分检测模块的输入为具有N倍于符号速率的固定采样率的数字基带信号，通过差分检测的峰值找到所述数字基带信号的导频序列第一个符号中最接近最佳采样点的点；
所述的数字AGC模块通过计算时隙前若干个符号的平均功率，来确定补偿系数对所述数字基带信号进行幅度补偿；
所述的符号同步模块通过基于多符号累积的绝对值非线性前馈估计方法和卡尔曼滤波方法估计所述幅度补偿后的数字基带信号的符号定时误差，并采用线性插值来获得导频序列中每个符号的最佳采样点；
所述粗频偏同步模块通过导频序列的最佳采样点采取数据辅助方法来估计频偏并进行频偏恢复；
所述粗相位恢复模块，对频偏恢复后的导频序列最佳采样点采用数据辅助方法来估计相偏并进行相偏恢复；
所述锁相环模块针对相偏恢复后的导频序列通过二阶锁相环来快速跟踪残余小频偏和小相偏，实现精载波同步；
所述差分检测模块包括差分检测器、相关单元和比较单元，所述差分检测器用于对于输入的具有N倍于符号速率的固定采样率的数字基带信号进行差分检测，获得差分信号；所述相关单元用于将所述差分信号与预存的差分信息进行相关，获取多个相关值，并将多个相关值进行取模值平方后累加，获得总相关值输入至比较单元；所述比较单元用于对差分信号取模值平方后累加，累加结果再乘以一个与信噪比相关的系数k，作为自适应门限值，在比较单元中比较总相关值与自适应门限值的大小，其中自适应门限值随着数字基带信号的输入不断更新；
在所述多个相关值中，若第n个相关值超过自适应门限，则以第n个相关值作为当前值；
若第n+1个相关值超过当前值，则以第n+1个相关值作为当前值，并继续检测第n+2个相关值，直到相关值小于或者等于当前值，则当前值即为峰值；所述峰值对应的差分信息即为输入信号导频序列最接近最佳采样点的点之间的差分信息，利用这个差分信息获得第一个符号中最接近最佳采样点。
2.如权利要求1所述的一种高速突发解调同步系统，其特征在于，所述具有N倍于符号速率的固定采样率的数字基带信号，其中N＝4。
3.如权利要求1所述的一种高速突发解调同步系统，其特征在于，所述AGC模块包括功率检测单元和功率补偿单元，所述功率检测单元对采样点计算功率并累加求和，功率补偿单元对于和值与判决值进行对比确定补偿系数并进行补偿。
4.如权利要求1所述的一种高速突发解调同步系统，其特征在于，粗频偏同步模块采用基于数据辅助的L&R频偏估计算法。
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| CN101340526A (zh) * | 2007-07-05 | 2009-01-07 | 上海明波通信技术有限公司 | 数字电视信号接收方法及装置 |
Non-Patent Citations (5)
| Title |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109104390A (zh) * | 2018-09-12 | 2018-12-28 | 北京睿信丰科技有限公司 | 一种高速信号的捕获和跟踪方法及装置 |
| CN109104390B (zh) * | 2018-09-12 | 2021-01-12 | 北京睿信丰科技有限公司 | 一种高速信号的捕获和跟踪方法及装置 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
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| CN105245303A (zh) | 2016-01-13 |
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