CN108322299A

CN108322299A - 一种码偏模拟信号产生方法和装置

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Publication number: CN108322299A
Application number: CN201810023093.8A
Authority: CN
Inventors: 方金辉; 宋哲
Original assignee: Beijing Sentinel Science And Technology Co Ltd
Current assignee: Beijing Sentinel Science And Technology Co Ltd
Priority date: 2018-01-10
Filing date: 2018-01-10
Publication date: 2018-07-24

Abstract

本发明提供一种码偏模拟信号产生方法和装置，包括：通过奈奎斯特采样定理对信源信号进行采样，得到样本信号，并获取所述样本信号的模拟脉冲信号；对所述模拟脉冲信号进行数字插值滤波处理，得到模拟内插信号，对所述模拟内插信号进行重采样处理，得到码偏模拟信号。利用了内插法实现了码偏，通过在不同步的样本中进行内插，从而恢复出最佳采样时刻时的样值，进而可以得到码偏模拟信号。解决了现有技术中信号的产生由于多普勒效应，并不能满足实际需要的码片速率的问题。

Description

一种码偏模拟信号产生方法和装置

技术领域

本发明涉及数字通信编码技术领域，更具体地，涉及一种码偏模拟信号产生方法和装置。

背景技术

在相干通信系统中，数据传输的有效性首先决定于对参数估计的有效性。对于相干接收机而言，首先要做的便是数据同步(主要有码元同步、频率同步、相位同步、帧同步等)。对于收发双方存在相对运动的无线通信系统而言，多普勒效应是影响系统同步的重要原因之一。当存在较大径向运动速度或中心频率较高时会产生严重的频差(符号位取决于相对运动的方向)，进而影响通信同步质量。由于收发双方相对运动、导致收发双方频率不一致的现象就是多普勒效应。

通信收发端的时钟难免在标称值附近有摆动，则在通信时也附加随机的一个频率的偏差，这也是产生频偏和码偏的重要原因。发端信号通过信道时由于多普勒效应发生频偏，导致整体波形发生展缩，在接收端解调后得到的基带信号就会产生对应展缩效果。对于扩频系统，码偏的产生会严重影响接收端对信号进行解扩时的相关峰幅值和位置。

多普勒效应产生的频偏往往比较大，通常情况下，频偏往往会带来码偏。多普勒效应不仅会造成中心频率的偏移，也会造成码速率的严重偏移，因此如何消除多普勒效应往往会成为卫星通信中接收端首先要面对的问题。

现有技术中，对数字信号多普勒消音的模拟主要是采用提高数字信号采样率来实现多普勒效应，该方法是通过提高采样率，以获得对信号码片长度的控制。如果信号码流的速率为f，则采用10f或者更高的速率(f1)来产生该码流，产生的码片长度可以在1/10f或者1/f1长度上调整，但是，由于产生高速率的数字信号时，数字信号的码率已经很高，如果再提高十倍或者更高将不是硬件平台所能承受的，因此传统信号的产生由于多普勒效应而并不能满足实际需要的码片速率。

发明内容

本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种码偏模拟信号产生方法和装置，解决了现有技术中信号的产生由于多普勒效应，并不能满足实际需要的码片速率的问题。

根据本发明的一个方面，提供一种码偏模拟信号产生方法，包括：

通过奈奎斯特采样定理对信源信号进行采样，得到样本信号，并获取所述样本信号的模拟脉冲信号；

对所述模拟脉冲信号进行数字插值滤波处理，得到模拟内插信号，对所述模拟内插信号进行重采样处理，得到码偏模拟信号。

作为优选的，通过奈奎斯特采样定理对信源信号进行采样具体包括：

通过奈奎斯特采样定理，每隔时间T_s采集信源信号中的信号样值序列，得到离散化的样本信号。

作为优选的，获取所述样本信号的模拟脉冲信号具体包括：

将所述样本信号输入数模转换器DAC，将数字量信号模拟化，得到模拟脉冲信号。

作为优选的，对所述模拟脉冲信号进行数字插值滤波处理，得到模拟内插信号，具体包括：

将所述模拟脉冲信号输入数字插值滤波器h_I(t)，得到模拟内插信号：

式中，y(t)为模拟内插信号，m表示第m个采集点，x(mT_s)为样本信号，i为数字插值滤波器的指示数，μ_k为小数间隔，b_l(i)为内插系数。

作为优选的，对所述模拟内插信号进行重采样处理具体包括：

以间隔时间为kT_i对所述模拟内插信号进行重采样，得到码偏模拟信号：

式中，m_k为基数指数，INT(x)表示不大于x的最大整数。

一种码偏模拟信号产生装置，包括：

采样模块，用于通过奈奎斯特采样定理对信源信号进行采样，得到样本信号，并获取所述样本信号的模拟脉冲信号；

内插模块，用于对所述模拟脉冲信号进行数字插值滤波处理，得到模拟内插信号，对所述模拟内插信号进行重采样处理，得到码偏模拟信号。

作为优选的，所述内插模块包括模拟内插信号获取单元，所述模拟内插信号获取单元包括数字插值滤波器，所述数字插值滤波器的冲击函数h_I(t)为：

式中，i为数字插值滤波器的指示数，μ_k为小数间隔，b_l(i)为内插系数。

作为优选的，所述内插模块还包括重采样模块，所述重采样模块用于以间隔时间为kT_i对所述模拟内插信号进行重采样，得到码偏模拟信号：

式中，m_k为基数指数，INT(x)表示不大于x的最大整数。

本发明提出一种码偏模拟信号产生方法和装置，将信源发出的信号根据奈奎斯特准则进行采样，将采样得到的样本信号转换为模拟脉冲信号，并进行数字插值滤波，得到模拟内插信号，可以满足通过取内插位置相邻的样点值来较为准确的估计出需要的样值，最后对模拟内插信号以合理的速率进行重新采样，可以得到最佳采样值时刻的样值，即产生了码偏模拟信号。可以保证接收端对输入数据的采样跟输入数据符号的速率同步，为信号的同步捕获的实现奠定了基础。

附图说明

图1为根据本发明实施例的码偏模拟信号产生的方法流程示意图；

图2为根据本发明实施例的重采样时刻与原来采样时刻之间的关系示意图；

图3为根据本发明实施例的内插器结构的流程示意图；

图4为根据本发明实施例的下采样序列和内插生成序列的对比示意图；

图5为根据本发明实施例的下采样序列和内插生成序列相减后的结果示意图；

图6是本发明实施例的无码偏波形和通过插值法加入码偏的波形的对比示意图；

图7是本发明实施例的通过内插产生的正弦波和直接产生的正弦波的波形对比示意图；

图8是本发明实施例的通过内插产生的正弦波和直接产生的正弦波的波形相减的结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1所示，图中示出了一种码偏模拟信号产生方法，包括：

本实施例中的思想是利用内插法实现信号插值。先从模拟的角度分析一下数字插值滤波器的实现原理，假设原来的信号的采样间隔为T_s，接收到的采样信号为x(mT_s)(m代表第m个采样点，x(mT_s))可简写为x(m))，经时间连续滤波器h_I(t)滤波后，得到输出信号y(t)。

再对输出信号以间隔T_i进行插值，就得到了我们需要的插值信号 y(kT_i)(k代表第k个采样点，y(kT_i)可简写为y(k))。

根据上述公式，可以发现利用数字系统来实现插值是可行的。上式中，m是输入信号的指示数，滤波器的指示数设为i。

具体的，在本实施例中，对信源产生的信号根据奈奎斯特采样定理进行采样，用每隔一定时间(T_s)的信号样值序列来代替原来在时间上连续的信号，也就是在时间上将模拟信号离散化，得到信号样本 x(mT_s)。

将信号样本x(mT_s)经过数模转换器DAC进行处理，将数字量的信号模拟化，得到模拟脉冲信号。

对所述模拟脉冲信号进行数字插值滤波处理，得到模拟内插信号，具体包括：

式中，m表示第m个采集点，x(mT_s)为样本信号，i为数字插值滤波器的指示数，μ_k为小数间隔，b_l(i)为内插系数。

其中，INT(x)表示不大于x的最大整数。定义基点m_k为：

由上式可得：

m＝m_k-i

定义小数间隔μ_k为：

由上式可得

kT_i＝(m_k+μ_k)T_s

kT_i-mT_s＝(i+μ_k)T_s

因此，以间隔时间为kT_i对所述模拟内插信号进行重采样，将式 kT_i＝(m_k+μ_k)T_s和式kT_i-mT_s＝(i+μ_k)T_s代入式模拟内插信号式中可得：

经过数字滤波器处理，得到模拟内插信号。本实例中采用的是成型滤波器，即根升余弦滤波器，滚降系数为0.1。上文已经叙述了数字插值滤波器的插值原理，为内插器的基本数学模型，且关于基数指数 m_k以及小数间隔μ_k等指数之间的关系如图2所示，从图中可以看出重采样时刻与原来采样时刻之间的关系，上式可表示数字插值滤波器的插值原理。

在本实施例中可以借鉴Farrow数字插值滤波器的使用原理。 Farrow数字插值滤波器的冲击函数h_I(t)的表达式如下式所示：

由此可得第k个采样点的值为：

其中，b_l(i)称为Farrow系数，也可称为抽头系数或者内插系数，此系数是固定的，不受μ_k的影响。

y(k)＝[{v(3)μ_k+v(2)}μ_k+v(1)]μ_k+v(0)

下表1-1列出了Farrow数字插值滤波器的系数b_l(i)，表中各级的系数b_l(i)是由Lagrange公式可得。

表1-1三次Farrow数字插值滤波器系数b_l(i)的值

i	l＝0	l＝1	l＝2	l＝3
					-2	0	-1/6	0	1/6
-1	0	1	1/2	-1/2
					0	1	-1/2	-1	1/2
1	0	-1/3	1/2	-1/6

码偏的产生可以利用类似码偏补偿的方法，下面介绍一种实现码偏的方法。假设无偏时码速率为R_c，采样速率为f_c，偏移后速率R_c′则有：

M和M′分别是无偏和有偏时的平均每个码元周期内的采样数(不必是整数)，R_C、M、V/C与之间的关系如下：

下面以码元T_b不变分析可得：

由上式可得：

Δμ＝V/C

上式显示了径向相对速度V和内插小数间隔之间的关系，即当已知无偏时的采样值，可以根据上述公式推导出的内插小数间隔的增量进行插值，进而得到码偏后的样值。

如图3所示为一个内插器结构的流程示意图，为了求出重采样时刻的函数值，只需要知道原来采样序列的四个采样点的值b₃(l-2)、b₃ (l-1)、b₃(l+1)、b₃(l)，以及小数间隔μ_k。为了避免定时偏差，不同的μ_k值需要选择原来序列的不同采样点，可以利用重采样时刻的前面两个采样点和后面两个采样点以及小数间隔μ_k来实现内插运算。对 μ_k进行分析，当T_i与T_s不成比例的时候，小数间隔μ_k将会是无理数，且每一次的插值都会改变。如果定义为无限精度，μ_k会呈现出无限多种数值，且不会重复。当μ_k变化非常缓慢时，如果μ_k是量化的，它可能在许多插值处保持不变。如果T_s与T_i的值成比例但不相等，μ_k将循环重复出现一组有限的值，因此通过控制μ_k每次的变化量就可以实现可变速率的重采样。重采样处理之后即可得到码偏模拟信号。

传统的模拟信号需要经过连续时间滤波器，一般情况下，会使用 Sinc函数作为理想连续时间滤波器的冲击响应。但Sinc函数的长度是无限大的，在数字系统中，处理无限长的序列是非常困难的。如果使用Sinc函数作为内插函数，那么通过理论分析可知，如果计算一个重采样点，就需要无穷多个初始的采样点，这显然是行不通的。因此需要使用更加适合数字系统的内插函数。Farrow滤波器利用重采样时刻的前面两个采样点和后面两个采样点以及小数间隔μ_k来实现内插运算的，Farrow滤波器更加易于实现码偏补偿，而码偏的产生可以利用上述方法。

在本实施例中，对于上述实施例提出的码偏的内插实现方法，下面从两方面进行验证。

首先验证插值算法的准确性。将16倍过采样的基带波形进行两倍的下采样，将结果保存成两组，分别为下标为奇数和下标为偶数，然后利用下标为奇数的一组数据按μ＝0.5进行插值，即用奇数下标的值插出偶数下标位置上的值，插值之后的结果如图4所示。将两序列相减得到的结果如图5所示，从图中可以看出两序列之间的误差相对于两序列数值小了3个数量级，可以认为插值十分准确。

然后验证插值后产生偏移量的准确性。如图6所示为无码偏波形和通过插值法加入码偏的波形对比的示意图。图中蓝线为无码偏时的波形，红线为加入码偏后的波形。考虑到直接通过扩频的基带波形验证偏移量不容易实现，这里可以通过一个容易产生的波形来进行验证。正弦波有着良好的特性，其波形的展缩对应着频率的变化，即其偏移量可以通过频率值的设置直接得到。下面将测试分为两路，第一路采用一个800Hz的正弦波通过内插后加入码偏，控制Δμ＝-0.02541，则根据本实施例中的方法进行插值后，输出780Hz正弦波；第二路采用设置频率值的办法直接产生780Hz正弦波，两路产生的正弦波形对比的结果如图7所示，上述两种方法产生的正弦波相减的结果如图8所示。两路相减的结果因为在插值的初始位置有相位差，因此呈现出正弦波的包络。但其幅值比两路的样值差了10个数量级，说明插值出的偏移量准确等于实际的偏移量。

综上所述，本发明利用了内插法实现了码偏，通过在不同步的样本中进行内插，从而恢复出最佳采样时刻时的样值，进而可以得到码偏模拟信号。

最后，本发明的方法仅为较佳的实施方案，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

1.一种码偏模拟信号产生方法，其特征在于，包括：

对信源信号进行采样，得到样本信号，并获取所述样本信号的模拟脉冲信号；

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过奈奎斯特采样定理对信源信号进行采样具体包括：

通过奈奎斯特采样定理，每隔T_s采集信源信号中的信号样值序列，得到离散化的样本信号。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，获取所述样本信号的模拟脉冲信号具体包括：

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，对所述模拟脉冲信号进行数字插值滤波处理，得到模拟内插信号，具体包括：

5.根据权利要求4所述的码偏模拟信号产生方法，其特征在于，对所述模拟内插信号进行重采样处理具体包括：

式中，m_k为基数指数，INT(x)表示不大于x的最大整数。

6.一种码偏模拟信号产生装置，其特征在于，包括：

7.根据权利要求6所述的码偏模拟信号产生装置，其特征在于，所述内插模块包括模拟内插信号获取单元，所述模拟内插信号获取单元包括数字插值滤波器，所述数字插值滤波器的冲击函数h_I(t)为：

8.根据权利要求7所述的码偏模拟信号产生装置，其特征在于，所述内插模块还包括重采样模块，所述充采样模块用于以间隔时间为kT_i对所述模拟内插信号进行重采样，得到码偏模拟信号：

式中，m_k为基数指数，INT(x)表示不大于x的最大整数。