CN107528805A - 一种适用于信号分析仪的psk信号同步方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于信号分析仪的PSK信号同步方法及装置，其中该方法包括对PSK信号载波进行匹配滤波，判断匹配滤波后的PSK信号是否需要进行载波粗同步，若是，则利用延迟相乘法进行载波粗同步使载波频率偏差减小到预设偏差范围内，进入下一步；否则，进入直接下一步；利用定时误差估计算法，估计出信号分析仪采样时刻与码元最佳采样时刻的偏差；再利用定时误差估计结果和原始采样点进行插值滤波恢复出最佳采样时刻的采样值；利用最佳采样时刻的采样值对载波频率偏差进行载波细同步，得到精确的载波频率偏差，最终得到同步的PSK信号。

Description

一种适用于信号分析仪的PSK信号同步方法及装置
技术领域
本发明属于信号同步领域，尤其涉及一种适用于信号分析仪的PSK信号同步方法及装置。
背景技术
现代无线通信系统的发展对通信容量和信号质量提出了更高的要求。由于数字调制信号比模拟调制具有更高的调制效率、更好的抗干扰性，现代主要通信系统从模拟调制转为数字调制，PSK数字调制信号在卫星通信、无线互联等领域广泛应用。PSK信号解调主要由两种比较典型的实现方案：
(1)锁相环闭环同步方案
一般的数字解调方案大都采用锁相技术来实现，如图2所示。它的主要特点是将载波相位误差和时钟相位误差信息反馈控制本地载波压控振荡器和本地时钟来达到同步。采用反馈锁相技术不需要得到相位和时钟误差的精确值，只需要知道误差信号的变化方向进行调整就可以了，因此实现相对简单，能够做到很好的同步精度。
但是，锁相环闭环同步方案的缺陷为：需要较大的数据量才能实现同步，无法满足分析仪快速、高效分析的测试需求；捕获时间和捕获频偏范围矛盾，要想实现较大的频偏范围，在保证同步精度的前提下需要非常大的数据量才能完成解调。此外，信号分析仪采用基于数据块采集和处理的方式，即完成指定点数的数据块采集后，进行面向应用的数据处理得到测量结果，然后才能启动下一次的采集。由于两次采集之间存在采样盲区，导致数据块之间是不连续的，锁相环需要重新入锁，从而失去了锁相环连续跟踪的优势。
(2)开环同步方案
开环解调需要准确估计出载波频率、相位偏差与采样时钟误差，而不是仅仅估计出应该调整的方向和趋势，在误差估计的基础上对载波参数和定时误差进行纠正。如图3所示，开环结构主要包括两类子功能单元：估计单元，准确估计出载波与时钟的频率和相位等误差信息；校正单元，根据估计单元估计出的误差大小进行相应的校正，消除误差。
但是，开环同步方案的缺陷为：开环解调不仅仅估计出应该误差调整的方向和趋势，还需要准确估计出载波频率、相位偏差与采样时钟误差才能实现解调，为了满足信号分析仪高精度估计要求，对估计范围有所折衷，一般仅能达到10％符号速率，不能适应大频偏信号的同步要求。
信号分析仪作为一种基础通用测试仪表，不仅可以完成时、频域测试，也可以胜任数字调制信号的解调测量，是常用的无线通信测试仪表。衡量信号分析仪的解调能力，除了测量精度指标之外，解调捕获时间和频偏捕获范围也非常重要。解调捕获时间长则意味着需要更多的信号采样点参与运算才能实现解调，解调时间增加必然降低解调效率；如果调制信号的载波频率与信号分析仪的接收频率超出信号分析仪的频偏捕获范围，需要手动调整信号接收频率才能完成解调，导致需要更多的操作步骤。
目前的信号分析仪产品一般不能兼顾上述三项测试需求，解调时间和频偏范围不可同时兼得，多数产品为了保证解调效率，只能解调10％左右符号速率的频偏信号，对载波频偏的适应能力需要进一步改进。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明实施例第一方面提供了一种适用于信号分析仪的PSK信号同步方法。本发明的该方法可应用于信号分析仪中，实现PSK信号的高效、高精度、大频偏范围同步。
本发明实施例第一方面提供的一种适用于信号分析仪的PSK信号同步方法，包括：
步骤1：对PSK信号载波进行匹配滤波，判断匹配滤波后的PSK信号是否需要进行载波粗同步，若是，则利用延迟相乘法进行载波粗同步使载波频率偏差减小到预设偏差范围内，进入下一步；否则，进入直接下一步；
步骤2：利用定时误差估计算法，估计出信号分析仪采样时刻与码元最佳采样时刻的偏差；再利用定时误差估计结果和原始采样点进行插值滤波恢复出最佳采样时刻的采样值；
步骤3：利用最佳采样时刻的采样值对载波频率偏差进行载波细同步，得到精确的载波频率偏差，最终得到同步的PSK信号。
结合本发明实施例第一方面，本发明实施例第一方面的第一实施方式中，在所述步骤2中，定时误差估计算法采用数字滤波平方定时法。
数字滤波平方定时算法是一种频域实现的数字滤波器提取定时误差信号的算法，属于前向结构的时钟相位估计算法，能够在较短的数据量下提取出定时误差信息。在一段时间间隔内，认为定时误差不变，对采样信号进行平方操作后样本中包含一个频率为定时误差的频谱分量，该频谱分量可以通过计算一定长度数据的傅里叶系数提取出来。
结合本发明实施例第一方面，本发明实施例第一方面的第二实施方式中，在所述步骤2中，利用定时误差估计结果和原始采样点进行插值滤波的过程中，采用立方插值滤波方法恢复出最佳采样时刻的采样值。
其中，立方插值滤波方法的插值系数分别为C-2、C-1、C0和C1，分别如下：
其中，μ为估计出的定时误差。
得到插值系数后，对载波粗同步后的数据进行插值滤波得到定时同步后的结果。
结合本发明实施例第一方面，本发明实施例第一方面的第三实施方式中，在所述步骤2中，利用定时误差估计结果和原始采样点进行插值滤波的过程中，采用分段抛物线插值滤波方法恢复出最佳采样时刻的采样值。
结合本发明实施例第一方面，本发明实施例第一方面的第四实施方式中，在所述步骤3中，采用M&M算法结合最佳采样时刻的采样值，对载波频率偏差进行载波细同步。
M&M算法是最大似然算法的一种简化算法，不仅利用短时延自相关函数，还结合了长时延自相关函数，不同时延的自相关函数在的作用下进行加权平均，减小估计误差，从而在克服相位折叠问题的同时，具有很高的频率估计准确度。
本发明实施例第二方面提供了一种适用于信号分析仪的PSK信号同步装置。
本发明实施例第二方面提供的一种适用于信号分析仪的PSK信号同步装置，包括：
匹配滤波模块，其用于对PSK信号载波进行匹配滤波；
捕获范围判断模块，其用于判断匹配滤波后的PSK信号是否需要进行载波粗同步；
载波粗同步模块，其用于当匹配滤波后的PSK信号需要进行载波粗同步时，利用延迟相乘法进行载波粗同步使载波频率偏差减小到预设偏差范围内；
定时同步模块，其用于匹配滤波或载波粗同步后的信号，利用定时误差估计算法，估计出信号分析仪采样时刻与码元最佳采样时刻的偏差；再利用定时误差估计结果和原始采样点进行插值滤波恢复出最佳采样时刻的采样值；
载波细同步模块，其用于利用最佳采样时刻的采样值对载波频率偏差进行载波细同步，得到精确的载波频率偏差，最终得到同步的PSK信号。
结合本发明实施例第二方面，本发明实施例第二方面的第一实施方式中，在所述定时同步模块中，定时误差估计算法采用数字滤波平方定时法。
结合本发明实施例第二方面，本发明实施例第二方面的第二实施方式中，在所述定时同步模块中，利用定时误差估计结果和原始采样点进行插值滤波的过程中，采用立方插值滤波方法恢复出最佳采样时刻的采样值。
结合本发明实施例第二方面，本发明实施例第二方面的第三实施方式中，在所述定时同步模块中，利用定时误差估计结果和原始采样点进行插值滤波的过程中，采用分段抛物线插值滤波方法恢复出最佳采样时刻的采样值。
结合本发明实施例第二方面，本发明实施例第二方面的第四实施方式中，在所述载波细同步模块中，采用M&M算法结合最佳采样时刻的采样值，对载波频率偏差进行载波细同步。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明在信号分析仪解调中采用开环同步方法，克服了锁相环反馈同步带来的解调时间长的问题；而且对开环同步方法做了改进，增加了一个载波粗同步单元，在不损失同步精度的基础上，实现了频率捕获范围的大幅提升。
(2)载波粗同步之前，判断匹配滤波后的PSK信号是否需要进行载波粗同步，来确定是进入载波粗同步还是直接进行定时同步，实现了范围和精度的可定制，为用户提供了更多选择空间。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1是本发明实施例提供的一种适用于信号分析仪的PSK信号同步方法流程图。
图2是锁相环反馈同步方案原理图。
图3是开环同步方案原理图。
图4是延迟相乘法原理图。
图5是数字滤波平方法原理图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
信号分析仪采用超外差式接收体制将输入信号与内置的本振混频到一个固定的中频，中频信号经过抗混叠滤波后进入ADC完成信号数字化，数字化后的信号进行数字下变频和抽取滤波为I/Q两路复数信号，I/Q数据率一般为PSK调制信号整数倍符号速率，4-20倍是一个比较合适的比率。I/Q数据经过匹配滤波后，进入载波同步和符号同步单元恢复出原始调制信息，同步是完成数字调制信号解调的关键。
图1是本发明实施例提供的一种适用于信号分析仪的PSK信号同步方法流程图。
如图1所示，本发明实施例提供的一种适用于信号分析仪的PSK信号同步方法，包括：
步骤1：对PSK信号载波进行匹配滤波，判断匹配滤波后的PSK信号是否需要进行载波粗同步，若是，则利用延迟相乘法进行载波粗同步使载波频率偏差减小到预设偏差范围内，进入下一步；否则，进入直接下一步。
在该步骤中，载波频偏较大时，后续定时同步效果会受到影响，导致定时误差估计不正确，由于频偏超出细载波同步范围，导致无法得到载波偏差真实值。
定时误差和载波偏差会导致解调得到的PSK信号星座点发散并且沿单位圆产生旋转。载波粗同步的目的是消除较大的载波频偏，使载波偏差减小到一个较小的范围内，从而保证后续符号定时和载波细同步的效果。因此，载波粗同步不要求有很高的估计精度，但估计范围一定要够大。
本发明选用了延时相乘法，这种方法不需要事先经过定时同步，估计范围可以达到100％符号速率，且运算量较小。
延迟相乘法的实现如图4所示。信号与另一路经过延迟之后的数据进行相关运算，求和后计算幅角，得到频率偏差估计结果计算公式如下：
其中，T为码元速率，L0为符号个数，ΔT为延迟时间。
虽然上述粗同步方法的计算量比较小，但毕竟会影响解调效率，考虑到频偏较小时的测试需求，本发明没有将载波粗同步直接嵌入到解调流程中，而是设计一个控制开关，允许用户根据需要来关闭粗同步单元。
步骤2：利用定时误差估计算法，估计出信号分析仪采样时刻与码元最佳采样时刻的偏差；再利用定时误差估计结果和原始采样点进行插值滤波恢复出最佳采样时刻的采样值。
由于信号分析仪采用固定采样频率，与发射端码元时钟相互独立，加上传输过程中的噪声和干扰，必须恢复出码元周期的最佳采样时刻，这个过程就是定时同步。定时同步包括两个部分，分别是定时误差估计和插值器：定时误差估计就是要得到信号分析仪采样时刻与码元最佳采样时刻的偏差；插值器利用定时误差估计结果和原始采样点进行插值滤波恢复出最佳采样时刻的采样值。
定时误差估计算法采用数字滤波平方定时法，该算法是一种频域实现的数字滤波器提取定时误差信号的算法，属于前向结构的时钟相位估计算法，能够在较短的数据量下提取出定时误差信息，其实现方法如图5所示。在一段时间间隔内，认为定时误差不变，对采样信号进行平方操作后样本中包含一个频率为定时误差的频谱分量，该频谱分量可以通过计算一定长度数据的傅里叶系数提取出来。
利用定时误差估计结果和原始采样点进行插值滤波的过程中，采用立方插值滤波方法恢复出最佳采样时刻的采样值。
其中，立方插值滤波方法的插值系数分别为C-2、C-1、C0和C1，分别如下：
其中，μ为估计出的定时误差。
得到插值系数后，对载波粗同步后的数据进行插值滤波得到定时同步后的结果。
在另一实施例中，除了采用立方插值滤波方法恢复出最佳采样时刻的采样值之外，还可以利用定时误差估计结果和原始采样点进行插值滤波的过程中，采用分段抛物线插值滤波方法恢复出最佳采样时刻的采样值。
步骤3：利用最佳采样时刻的采样值对载波频率偏差进行载波细同步，得到精确的载波频率偏差，最终得到同步的PSK信号。
经过载波粗同步之后，载波频率偏差被缩小到了一个较小的范围之内。载波细同步的作用就是得到精确的剩余频偏值。
载波细同步方法采用M&M算法，M&M算法是最大似然算法的一种简化算法，不仅利用短时延自相关函数，还结合了长时延自相关函数，不同时延的自相关函数在的作用下进行加权平均，减小估计误差，从而在克服相位折叠问题的同时，具有很高的频率估计准确度。
令xk为经过定时同步后的信号，M为PSK信号星座点个数，Zk的自相关函数定义为R(k)可表示为：
其中，N为输入的数据点数。PSK信号载波频偏估计结果为：
其中，T为符号速率，Wk为加权平均系数，
算法估计范围为：
本发明实施例还提供了一种适用于信号分析仪的PSK信号同步装置。
本发明实施例的一种适用于信号分析仪的PSK信号同步装置，包括：
(1)匹配滤波模块，其用于对PSK信号载波进行匹配滤波；
(2)捕获范围判断模块，其用于判断匹配滤波后的PSK信号是否需要进行载波粗同步；
(3)载波粗同步模块，其用于当匹配滤波后的PSK信号需要进行载波粗同步时，利用延迟相乘法进行载波粗同步使载波频率偏差减小到预设偏差范围内；
(4)定时同步模块，其用于匹配滤波或载波粗同步后的信号，利用定时误差估计算法，估计出信号分析仪采样时刻与码元最佳采样时刻的偏差；再利用定时误差估计结果和原始采样点进行插值滤波恢复出最佳采样时刻的采样值；
在具体实施中，在所述定时同步模块中，定时误差估计算法采用数字滤波平方定时法。
在具体实施中，在所述定时同步模块中，利用定时误差估计结果和原始采样点进行插值滤波的过程中，采用立方插值滤波方法恢复出最佳采样时刻的采样值。
在另一实施例中，在所述定时同步模块中，利用定时误差估计结果和原始采样点进行插值滤波的过程中，采用分段抛物线插值滤波方法恢复出最佳采样时刻的采样值。
(5)载波细同步模块，其用于利用最佳采样时刻的采样值对载波频率偏差进行载波细同步，得到精确的载波频率偏差，最终得到同步的PSK信号。
在具体实施中，在所述载波细同步模块中，采用M&M算法结合最佳采样时刻的采样值，对载波频率偏差进行载波细同步。
本发明在信号分析仪解调中采用开环同步方法，克服了锁相环反馈同步带来的解调时间长的问题；而且对开环同步方法做了改进，增加了一个载波粗同步单元，在不损失同步精度的基础上，实现了频率捕获范围的大幅提升。
载波粗同步之前，判断匹配滤波后的PSK信号是否需要进行载波粗同步，来确定是进入载波粗同步还是直接进行定时同步，实现了范围和精度的可定制，为用户提供了更多选择空间。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种适用于信号分析仪的PSK信号同步方法，其特征在于，包括：
步骤1：对PSK信号载波进行匹配滤波，判断匹配滤波后的PSK信号是否需要进行载波粗同步，若是，则利用延迟相乘法进行载波粗同步使载波频率偏差减小到预设偏差范围内，进入下一步；否则，进入直接下一步；
步骤2：利用定时误差估计算法，估计出信号分析仪采样时刻与码元最佳采样时刻的偏差；再利用定时误差估计结果和原始采样点进行插值滤波恢复出最佳采样时刻的采样值；
步骤3：利用最佳采样时刻的采样值对载波频率偏差进行载波细同步，得到精确的载波频率偏差，最终得到同步的PSK信号。
2.如权利要求1所述的一种适用于信号分析仪的PSK信号同步方法，其特征在于，在所述步骤2中，定时误差估计算法采用数字滤波平方定时法。
3.如权利要求1所述的一种适用于信号分析仪的PSK信号同步方法，其特征在于，在所述步骤2中，利用定时误差估计结果和原始采样点进行插值滤波的过程中，采用立方插值滤波方法恢复出最佳采样时刻的采样值。
4.如权利要求1所述的一种适用于信号分析仪的PSK信号同步方法，其特征在于，在所述步骤2中，利用定时误差估计结果和原始采样点进行插值滤波的过程中，采用分段抛物线插值滤波方法恢复出最佳采样时刻的采样值。
5.如权利要求1所述的一种适用于信号分析仪的PSK信号同步方法，其特征在于，在所述步骤3中，采用M&M算法结合最佳采样时刻的采样值，对载波频率偏差进行载波细同步。
6.一种适用于信号分析仪的PSK信号同步装置，其特征在于，包括：
匹配滤波模块，其用于对PSK信号载波进行匹配滤波；
捕获范围判断模块，其用于判断匹配滤波后的PSK信号是否需要进行载波粗同步；
载波粗同步模块，其用于当匹配滤波后的PSK信号需要进行载波粗同步时，利用延迟相乘法进行载波粗同步使载波频率偏差减小到预设偏差范围内；
定时同步模块，其用于匹配滤波或载波粗同步后的信号，利用定时误差估计算法，估计出信号分析仪采样时刻与码元最佳采样时刻的偏差；再利用定时误差估计结果和原始采样点进行插值滤波恢复出最佳采样时刻的采样值；
载波细同步模块，其用于利用最佳采样时刻的采样值对载波频率偏差进行载波细同步，得到精确的载波频率偏差，最终得到同步的PSK信号。
7.如权利要求6所述的一种适用于信号分析仪的PSK信号同步装置，其特征在于，在所述定时同步模块中，定时误差估计算法采用数字滤波平方定时法。
8.如权利要求6所述的一种适用于信号分析仪的PSK信号同步装置，其特征在于，在所述定时同步模块中，利用定时误差估计结果和原始采样点进行插值滤波的过程中，采用立方插值滤波方法恢复出最佳采样时刻的采样值。
9.如权利要求6所述的一种适用于信号分析仪的PSK信号同步装置，其特征在于，在所述定时同步模块中，利用定时误差估计结果和原始采样点进行插值滤波的过程中，采用分段抛物线插值滤波方法恢复出最佳采样时刻的采样值。
10.如权利要求6所述的一种适用于信号分析仪的PSK信号同步装置，其特征在于，在所述载波细同步模块中，采用M&M算法结合最佳采样时刻的采样值，对载波频率偏差进行载波细同步。
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