CN105553890B - 一种mf-tdma非均匀多载波的整体解调方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种MF‑TDMA非均匀多载波的整体解调方法，它涉及通信领域中数字信号处理的滤波、抽取、数字重构以及调制解调等相关技术。不同于基于多相滤波器组的均匀信道分路的整体解调方法，它采用基于完全重构调制滤波器组的非均匀信道化技术，通过分析滤波器、综合滤波器等处理可在一定带宽内实现多路不同符号速率、任意频点的非均匀TDMA信号的灵活重构和整体解调。本方明能够在FPGA中实现非均匀多路TDMA信号的整体解调，具有处理路数多，实现复杂度低，降低中心站解调器成本等优点，同时应用在大容量TDMA卫星通信系统的中心站上，能够使系统处理组网方式更加灵活，处理能力更强，并兼容均匀多载波整体解调的功能。

Description

一种MF-TDMA非均匀多载波的整体解调方法
技术领域
本方明涉及通信领域中的一种MF-TDMA非均匀多载波的整体解调方法，能够在FPGA中实现非均匀多路TDMA信号的整体解调，具有处理路数多，实现复杂度低，降低中心站解调器成本等优点，同时应用在大容量TDMA卫星通信系统的中心站上，能够使系统处理组网方式更加灵活，处理能力更强，并兼容均匀多载波整体解调的功能。
背景技术
采用基于多相滤波器组的均匀信道分路的整体解调方法只能实现多路相同符号速率、相同间隔的均匀TDMA信号的整体解调，应用具有很大局限性，对于某些TDMA系统应用的场合适应性较差。
发明内容
本发明采用基于完全重构调制滤波器组的非均匀信道化技术，通过分析滤波器、综合滤波器等处理可在一定带宽内实现多路不同符号速率、任意频点的非均匀TDMA信号的灵活重构和整体解调，具有处理路数多，实现复杂度低，降低中心站解调器成本等优点，同时应用在大容量TDMA卫星通信系统的中心站上，能够使系统处理组网方式更加灵活，处理能力更强，并兼容均匀多载波整体解调的功能。
本发明是这样实现的，一种MF-TDMA非均匀多载波的整体解调方法，其特征在于包括以下步骤：
①MF-TDMA非均匀多载波的采样数据首先进入非均匀信道分路的分析部分，该分析部分包括分析滤波器和N点IFFT运算模块；分析滤波器模块将外部输入的采样数据转化为高倍工作钟数据，在N/2个采样钟时间内将完成高倍工作钟的N个分析滤波数据送入N点IFFT运算模块；N点IFFT运算模块对N个分析滤波数据进行N点IFFT处理，实现将整个频带划分成N个小子带，每个TDMA信号各自占其中某段小子带，其中N为所做IFFT点数；
②参数控制模块将解调器参数中包括各TDMA信号的起/止子带号和符号速率的子信道参数依次送入综合FFT处理模块，该综合FFT处理模块将N点IFFT处理后的数据中存在TDMA信号的子信道提取出来，按照各信号起始子带号由小到大的顺序依次选择子带数据并完成速率变换操作，并对不同长度的数据分别进行多种可变点数的FFT运算，然后再对FFT运算后的数据依次完成各自的综合滤波和上采样计算，实现各载波数据速率与各自符号速率相关且都为4倍符号速率；
③串行输出模块在需要同时处理各载波的时间内将上采样处理后的数据利用存储RAM的乒乓操作控制实现大数据量的缓存并按照子带起始号顺序串行连续输出，实现多载波信号的串行分路；
④整体解调模块根据参数控制模块输出的时隙参数对串行输出模块输出的串行数据依次进行串行解调；
完成MF-TDMA非均匀多载波的整体解调。
其中，所述的步骤①中分析滤波器模块数据缓存利用多组双端口RAM串行实现，例化深度为N/2*M，写入时钟为采样钟fs，读出为高倍工作时钟fw，其中fw>2fs；采用高倍工作时钟乘法器复用后，每隔一组RAM读出一个数据分别与对应系数做滤波处理，共有M/2组乘法器，每组N/2个数据共用一个乘法器，其中M为一组分析或综合滤波器系数的个数。
其中，所述的步骤②中综合FFT处理模块包括乒乓缓存RAM、子带选择模块、速率变换模块、可变多点FFT运算模块以及蝶形运算模块；根据子信道参数，选择通过双端口RAM乒乓缓存后的子带数据，并完成速率变换将速率降至4倍符号速率，根据载波符号速率分别完成不同点数的FFT处理，所有子带选择和FFT运算都是串行完成的，需要等待上个载波数据处理完成之后才能触发下一组数据和参数控制。
其中，所述的步骤②中综合滤波器处理模块，其具体实现结构为：利用双端口RAM实现，深度最大数据长度为N，宽度为M*Q比特，每M个数据循环存储在同一个RAM地址中，不同数据长度对应的系数可由最长N点的系数抽取得到，其中Q为量化比特数。
本发明相比背景技术具有如下优点：
本发明解决了原有成熟的均匀多载波整体解调技术的局限性，能够实现对非均匀突发信号的整体解调，且采用高效实现算法，节约了FPGA硬件资源，具有处理路数多，实现复杂度低，降低中心站解调器成本等优点，同时应用在大容量TDMA卫星通信系统的中心站上，能够使系统处理组网方式更加灵活，处理能力更强，并兼容均匀多载波整体解调的功能。
附图说明
图1是本发明实施例的非均匀多载波整体解调的电原理方框图；
图2是本发明分析部分的分析滤波器模块的实现原理框图；
图3是本发明分析滤波器输出数据缓存原理图；
图4是本发明综合部分的综合FFT处理模块的实现原理框图。
图5是本发明综合处理FFT处理数据的原理图。
图6是本发明综合部分的综合滤波器模块的实现原理框图。
图7是本发明综合部分的上采样模块的实现原理框图。
图8是本发明整体解调的实现原理框图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
图1是本发明实施例的非均匀多载波整体解调的电原理方框图，它包括非均匀信道分路、串行输出、整体解调以及参数控制模块。非均匀信道分路模块包括分析和综合两大部分，其中分析部分有分析滤波器和N点IFFT模块，综合部分有综合FFT处理和综合滤波器模块。整体解调包括匹配滤波、突发捕获、定时同步、载波恢复以及译码等模块。
一种MF-TDMA非均匀多载波的整体解调方法，包括步骤：
①MF-TDMA非均匀多载波的采样数据首先进入非均匀信道分路的分析部分，该分析部分包括分析滤波器和N点IFFT运算模块；分析滤波器模块将外部输入的采样数据转化为高倍工作钟数据，在N/2个采样钟时间内将完成高倍工作钟的N个分析滤波数据送入N点IFFT运算模块；N点IFFT运算模块对N个分析滤波数据进行N点IFFT处理，实现将整个频带划分成N个小子带，每个TDMA信号各自占其中某段小子带，其中N为所做IFFT点数；
②参数控制模块将解调器参数中包括各TDMA信号的起/止子带号和符号速率的子信道参数依次送入综合FFT处理模块，该综合FFT处理模块将N点IFFT处理后的数据中存在TDMA信号的子信道提取出来，按照各信号起始子带号由小到大的顺序依次选择子带数据并完成速率变换操作，并对不同长度的数据分别进行多种可变点数的FFT运算，然后再对FFT运算后的数据依次完成各自的综合滤波和上采样计算，实现各载波数据速率与各自符号速率相关且都为4倍符号速率；
③串行输出模块在需要同时处理各载波的时间内将上采样处理后的数据利用存储RAM的乒乓操作控制实现大量数据的缓存，并按照子带起始号顺序串行连续输出，实现多载波信号的串行分路；
④整体解调模块根据参数控制模块输出的时隙参数对串行输出模块输出的串行数据依次进行解调；
完成MF-TDMA非均匀多载波的整体解调。
本实施例中，分析滤波器模块可由图2中多组双端口RAM串行实现，例化深度为N/2*M，写入时钟为采样钟fs，读出为高倍工作时钟fw，其中fw>2fs。由于分析滤波器每组M个系数中实际有效系数为M个，其余为零，故采用高倍工作时钟复用后，每隔一组RAM读出一个数据分别与对应系数做乘法运算，这样共有M组乘法器，每组N/2个数据共用一个乘法器，节省了大量的乘法器资源。分析滤波器模块具体实现结构如图2所示：数据在采样钟fs下顺序写入RAM1中的0～N/2-1地址后，原来RAM1中的N个数据依次推入下一组RAM2的0～N/2-1地址中，其他RAM写入数据以此类推。每完成一组N个数据写入后，从每隔一组RAM块的0～N/2-1地址中读出一个数据并与相应滤波器系数相乘相加完成滤波过程，读完数据后等待下一组N/2个数据写入。为了使在N/2/fs时间内完成N点的IFFT运算，还需要将前段时间内读出的N/2个数据缓存到后一时间段内，与后一段读出的N/2个数据合并成N个数据进行IFFT运算，原理如图3所示。
本实施例中，综合FFT处理模块由乒乓缓存RAM、子带选择模块、速率变换模块、可变多点FFT运算模块以及蝶形运算模块组成，其具体实现结构如图4所示：先将N点IFFT数据进行乒乓缓存，根据参数控制模块得到各载波起止子带号和载波速率等参数，并按照起始子带号由小到大的顺序将各载波参数排列，根据起止信道号从乒乓缓存后的N个子信道中提取出各载波子信道数据，之后依据各载波占用子信道长度和起始子信道号进行数据速率变换，变换后的数据乒乓缓存在RAM中；然后对各载波符号速率分别完成不同长度Ni的FFT处理，FFT支持可变多点的FFT计算，同时为了节省处理时间、处理更多路数，对于长度较长的FFT点数计算采用分解为两段或四段的FFT的蝶形运算来实现。经过速率变换后数据速率可以降低至4倍符号速率。其中如图5所示两个分析处理后数据第n帧和第n+1帧的时间间隔为N/2/fs，所有载波子带ai选择和Ni点FFT运算都是串行完成的，需要等待上个载波数据处理完成之后才能触发下一组数据。图中ai(i＝1,2,3…)为多个子带，Ni(i＝1,2,3…)为不同载波计算FFT的点数。
本实施例中，综合滤波器处理模块，其具体实现结构如图6所示为：利用双端口RAM实现，深度最大数据长度为N，宽度为M/2*Q比特，每M个数据ci循环存储在同一个RAM地址中，需要注意的是综合滤波器系数相隔一列都为零，因此只需要间隔存储一组数据，每隔M组数据ci分别与对应的综合滤波器系数相乘相加并输出，不同数据长度对应的系数可由最长N点系数抽取得到，同时每隔M组数据每一个Ram存储单元内的数据循环更新一次。图中D为速率变换后需处理数据的长度，ci(i＝1,2,3…M)为写入数据。
本实施例中，上采样模块，其具体实现结构如图7所示，上采样倍数N/2可由数据缓存来实现。上采样模块的数据可由第0列数据的1～N/2个数据与第1列数据N/2+1～N个数据分别相加，并与第0列N/2+1～N个缓存数据合并成N个数据输出，其他列数据操作以此类推。
本实施例中，整体解调模块主要实现TDMA突发信号的解调，其具体实现结构如图8所示。
匹配滤波模块主要完成非均匀信道分路后各数据的固定4倍符号速率的匹配滤波功能。
突发捕获主数字下变频、相关计算、能量统计、判决处理和输出控制模块组成，相关计算单元对输入的样值信号进行去调制，去调制后的数据按照相关检测算法获取相关结果，并与能量统计单元同步输出的能量结果一块送入判决处理单元；判决处理单元按照固有门限关系比较输入的相关和能量结果以判断是否有信号出现，一旦检测到信号出现，则输出捕获脉冲和估计频偏；同时将本时隙参数复接到数据中。
定时同步由定时误差估计、插值恢复、解扩、数据速率匹配模块组成，定时同步将突发捕获模块的4倍采样数据首先经过定时误差估计模块获得定时误差，定时误差估计采用数字滤波平方定时频域算法，应用立方插值算法完成最佳定时数据的恢复；以符号速率输出的最佳样值进入解扩模块后，依据输入的扩频倍数以及突发类型等参数完成导频和有效数据的解扩处理；数据速率匹配单元首先完成解扩后数据的缓存，后转换为固定钟输出。
载波恢复模块由FFT校频和载波跟踪模块组成，FFT校频利用突发帧中的一段数据实现载波频差的精确估计及校正的功能。载波跟踪主要功能是对校频后残余频差的各个突发的符号进行双通道载波跟踪。
完成MF-TDMA非均匀多载波的整体解调方法。

Claims (4)

1.一种MF-TDMA非均匀多载波的整体解调方法，其特征在于包括以下步骤：
①MF-TDMA非均匀多载波的采样数据首先进入非均匀信道分路的分析部分，该分析部分包括分析滤波器模块和N点IFFT运算模块；分析滤波器模块将外部输入的采样数据转化为高倍工作钟数据，在N/2个采样钟时间内将完成高倍工作钟的N个分析滤波数据送入N点IFFT运算模块；N点IFFT运算模块对N个分析滤波数据进行N点IFFT处理，实现将整个频带划分成N个小子带，每个TDMA信号各自占其中某段小子带，其中N为所做IFFT点数；
②参数控制模块将解调器参数中包括各TDMA信号的起始子带号和符号速率的子信道参数依次送入综合FFT处理模块，该综合FFT处理模块将N点IFFT处理后的数据中存在TDMA信号的子信道提取出来，按照各信号起始子带号由小到大的顺序依次选择子带数据并完成速率变换操作，并对不同长度的数据分别进行多种可变点数的FFT运算，然后综合滤波器处理模块和上采样模块再对FFT运算后的数据依次完成各自的综合滤波和上采样计算，实现各载波数据速率与各自符号速率相关且都为4倍符号速率；
③串行输出模块在需要同时处理各载波的时间内将上采样处理后的数据利用存储RAM的乒乓操作控制实现大量数据的缓存，并按照起始子带号顺序串行连续输出，实现多载波信号的串行分路；
④整体解调模块根据参数控制模块输出的时隙参数对串行输出模块输出的串行数据依次进行解调；
完成MF-TDMA非均匀多载波的整体解调。
2.根据权利要求1所述的一种MF-TDMA非均匀多载波的整体解调方法，其特征在于：所述的步骤①中分析滤波器模块数据缓存利用多组双端口RAM串行实现，例化深度为N/2*M，写入时钟为采样钟fs，读出为高倍工作钟fw，其中fw>2fs；采用高倍工作钟乘法器复用后，每隔一组RAM读出一个数据分别与对应系数做滤波处理，共有M/2组乘法器，每组N/2个数据共用一个乘法器，其中M为一组分析或综合滤波器系数的个数。
3.根据权利要求1所述的一种MF-TDMA非均匀多载波的整体解调方法，其特征在于：所述的步骤②中综合FFT处理模块包括乒乓缓存RAM、子带选择模块、速率变换模块、可变多点FFT运算模块以及蝶形运算模块；根据子信道参数，选择通过双端口RAM乒乓缓存后的子带数据，并完成速率变换将速率降至4倍符号速率，根据载波符号速率分别完成不同点数的FFT处理，所有子带选择和FFT运算都是串行完成的，需要等待上个载波数据处理完成之后才能触发下一组数据和参数控制。
4.根据权利要求1所述的一种MF-TDMA非均匀多载波的整体解调方法，其特征在于：所述的步骤②中综合滤波器处理模块，其具体实现结构为：利用双端口RAM实现，深度最大数据长度为N，宽度为M*Q比特，每M个数据循环存储在同一个RAM地址中，不同数据长度对应的系数可由最长N点的系数抽取得到，其中Q为量化比特数。
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