一种低轨卫星馈电链路定时同步方法
技术领域
本发明涉及定时同步技术领域,具体涉及一种低轨卫星馈电链路定时同步方法。
背景技术
随着通信行业对移动通信、卫星通信以及突发通信业务不断增长的需求,对位同步技术的研究就显得越发重要,近几十年来,对该技术的研究工作饱受各国专家学者的重视。
早期所使用的位同步方法是在发送端各码元频谱为零的位置插入一个导频,在接收端再利用窄带滤波器提取出该频率分量,从而进行码元同步,这就是所谓的插入类同步方法,是一种数据辅助算法。这种算法的优点是原理简单、易于实现,但由于其要求在信息序列中插入额外的同步码元,因而会占用本已有限的系统资源,降低信道利用率,并且需要较长的时间开销来完成同步过程,无法很好的应用于突发通信系统中。
Gardner位同步算法是一种典型的并且被广泛研究和使用的自同步算法。该算法是一种基于锁相环技术的闭环反馈算法,它的特点是在工程应用上易于实现。Gardner位同步算法最初是针对二进制和四进制数字相位调制信号提出的;但是目前存在信号传输性能不高,不能准确的提取最佳采样位置点处的信号,信号容易受干扰,复杂性高,计算精度较低,相位误差矫正准确性不高等问题。
发明内容
针对现有技术中的缺陷,本发明提供一种低轨卫星馈电链路定时同步方法及装置。
一方面,本发明提供了一种低轨卫星馈电链路定时同步方法,所述方法包括如下述步骤:
S1:初始化NCO数控振荡器的初始值,从而也初始化NCO数控振荡器中NCO寄存器的初始值,初始化控制字;
S2:将输入的扩频QPSK调制信号通过内插滤波器,从采样序列中恢复出最佳采样值A;将最佳采样值A通过Farrow滤波器并结合定位小数间隔μk计算内插值;
S3:对计算出的内插值进行解扩,从而获得解扩信号;
S4:根据解扩信号进行QPSK调制信号的误差提取;如果发射端与接收端同步,则定时误差:u(t)=0;当相邻数据的符号为异号时,定时超前:u(t)<0,定时滞后:u(t)>0;当相邻数据的符号为同号时,定时超前:u(t)>0,定时滞后:u(t)<0;
S5:提取误差信息u(t),并将误差信息u(t)通过环路滤波器,输出定时误差;
S6:根据定时误差调整状态控制字,更新NCO寄存器;NCO寄存器为内插滤波器提供所需的小数间隔μk和内插基点mk。
可选的,计算内插值的过程表示为:
y(kTi)=y[(mk+uk)Ts]=∑x[(mk-i)Ts]hi[(i+uk)Ts]
其中Ts为内插前符号周期,Ti为i内插后符号周期,如果已知输入序列x(mk),内插滤波器的冲击相应h(t)、Ts和Ti,则可根据上式计算出内插值;内插基点mk表示内插滤波器应在该时刻内插,kTi和mkTs之间的偏差μk是最佳内插时刻与基点之间的小数间隔;每当控制器溢出时,内插滤波器从最接近内插时刻的四个连续离散点x[(mk-1)Ts]、x[mkTs]、x[(mk+1)Ts]和x[(mk+2)Ts]计算内插值x[(mk+uk)Ts]。
可选的,对计算出的内插值进行解扩,从而获得解扩信号的步骤,包括:所述内插值进行解扩方法是数据通过与伪随机码相乘,把已扩信号接口转化为窄带信号:
可选的,提取误差信息u(t)的步骤,包括:对基带模拟信号进行数字信号采样;对所述数字信号进行平方运算,得到平方信号;对包含时钟分量的平方信号进行窄带滤波,得到频域信号;计算频域信号中采样时钟与解扩信号之间存在的相位差;其算法数学表达式为:
可选的,所述环路滤波器中,整数常量Ki和分数常量Kp为:
其中Kd为鉴相增益,Ko为NCO增益,ξ为环路阻尼系数,Rs为码元速率;环路滤波器递归方程为:y(n)=y(n-1)+Ki[x(n)-x(n-1)]+Kpx(n)。
可选的,所述NCO数字振荡器,采用线性变换实现相位误差μn到定时误差整数部分mk和小数部分μk的转换,其算法公式为:
本发明的有益效果体现在:
(1)本发明的一种扩频信号定时同步技术,使用Farrow滤波器对输入信号进行插值,根据NCO数控振荡器输出相应位置插值,提取最佳采样位置点处的信号;
(2)本发明的一种扩频信号定时同步技术,在定时同步中结合使用扩频方法,降低干扰信号的密度,信号通过窄带滤波器滤掉有用信号的外带干扰。降低干扰信号的强度;
(3)本发明的一种扩频信号定时同步技术,使用平方定时误差估计算法计算内插值的误差,选取合适的分段缓冲长度和采样倍数,保证方法具有较高的精度与较低的复杂度;
(4)本发明的一种扩频信号定时同步技术,使用环路滤波,滤除采样时钟频偏估计值中的高频分量,提高环路对相位误差矫正的准确性,以减小相位抖动。
(5)本发明的一种扩频信号定时同步技术,相较于传统算法,算法有效地联合实现解扩与定时同步,算法复杂度低,能够有效应用于低轨卫星馈电链路信号的定时同步。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案,下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中,类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中,各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1是本发明低轨卫星馈电链路定时同步方法的流程示意图;
图2是本发明低轨卫星馈电链路定时同步方法的应用模型图;
图3是本发明低轨卫星馈电链路定时同步方法的环路滤波器实现流程图;
图4是本发明低轨卫星馈电链路定时同步方法的应用误码率仿真结果。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案,因此只作为示例,而不能以此来限制本发明的保护范围。
需要注意的是,除非另有说明,本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
在本文中提及“实施例”意味着,结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例,也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是,本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
Gardner位同步算法是一种典型的并且被广泛研究和使用的自同步算法;但是目前存在信号传输性能不高,不能准确的提取最佳采样位置点处的信号,信号容易受干扰,复杂性高,计算精度较低,相位误差矫正准确性不高等问题;为了解决上述问题,所以有必要,研制一种低轨卫星馈电链路定时同步方法,保证信号保持定时同步,提高信号传输的有效性。
本发明设计了一种低轨卫星馈电链路定时同步方法,基于Gardner定时恢复算法,采用联合解扩与定时同步的方法,分段处理机制对4倍过采样数据进行误差检查和Farrow滤波器,计算出理想采样点值。其中,低轨卫星馈电链路定时同步方法包括Farrow滤波器、解扩、Gardner误差提取、环路滤波器、NCO数控振荡器等。
本发明具体实施方式提供一种低轨卫星馈电链路定时同步方法,该方法如图1-4所示,包括如下步骤:
在步骤S1中,初始化NCO数控振荡器的初始值,从而也初始化NCO数控振荡器中NCO寄存器的初始值,初始化控制字。
在本发明实施例中,NCO数字振荡器包括NCO寄存器,对NCO数控振荡器进行初始化初始值的同时,也初始化了NCO寄存器的初始值,其中控制字为NCO寄存器里存储的数据。
在步骤S2中,将输入的扩频QPSK调制信号通过内插滤波器,从采样序列中恢复出最佳采样值A;将最佳采样值A通过Farrow滤波器并结合定位小数间隔μk计算内插值。
在本发明实施例中,采用立方拉格朗日多项式内插滤波器,通过Farrow滤波器来实现;计算内插值的过程表示为:
y(kTi)=y[(mk+uk)Ts]=∑x[(mk-i)Ts]hi[(i+uk)Ts]
其中Ts为内插前符号周期,Ti为i内插后符号周期,如果已知输入序列x(mk),内插滤波器的冲击相应h(t)、Ts和Ti,则可根据上式计算出内插值;内插基点mk表示内插滤波器应在该时刻内插,kTi和mkTs之间的偏差μk是最佳内插时刻与基点之间的小数间隔;每当控制器溢出时,内插滤波器从最接近内插时刻的四个连续离散点x[(mk-1)Ts]、x[mkTs]、x[(mk+1)Ts]和x[(mk+2)Ts]计算内插值x[(mk+uk)Ts]。
在步骤S3中,对计算出的内插值进行解扩,从而获得解扩信号。
在本发明实施例中,内插值进行解扩方法是数据通过与伪随机码相乘,把已扩信号接口转化为窄带信号:
在步骤S4中,根据解扩信号进行QPSK调制信号的误差提取;如果发射端与接收端同步,则定时误差:u(t)=0;当相邻数据的符号为异号时,定时超前:u(t)<0,定时滞后:u(t)>0;当相邻数据的符号为同号时,定时超前:u(t)>0,定时滞后:u(t)<0。
在本发明实施例中,u(t)的符号指示调整的方向,u(t)值的大小指示相位偏移量及与其相对应的调整量的大小;当相邻数据的符号为异号时,指输入的数据是一串数据,数据是实数,有正负,相邻数据就是按次序依次输入的两个数据为异号;当相邻数据的符号为同号时,指输入的数据是一串数据,数据是实数,有正负,相邻数据就是按次序依次输入的两个数据为同号。
在步骤S5中,提取误差信息u(t),并将误差信息u(t)通过环路滤波器,输出定时误差。
在本发明实施例中,通过环路滤波器滤除采样时钟频偏估计值中的高频分量,提高环路对相位误差矫正的准确性,以减小相位抖动;其中对提取误差信息u(t)的步骤为:对基带模拟信号进行数字信号采样;对所述数字信号进行平方运算,得到平方信号;对包含时钟分量的平方信号进行窄带滤波(求傅里叶级数),得到频域信号;计算频域信号中采样时钟与解扩信号之间存在的相位差;其算法数学表达式为:
其中分段缓冲长度L是非常重要的参数,LM越大,则精度越高,运算延时也越高,但对输入信号时钟相位快速变化的适应能力变差;同样的,采样倍数M越大则精度和复杂度越高。
所述环路滤波器中,整数常量Ki和分数常量Kp为:
其中Kd为鉴相增益,Ko为NCO增益,ξ为环路阻尼系数,Rs为码元速率;环路滤波器递归方程为:y(n)=y(n-1)+Ki[x(n)-x(n-1)]+Kpx(n)。
在步骤S6中,根据定时误差调整状态控制字,更新NCO寄存器;NCO寄存器为内插滤波器提供所需的小数间隔μk和内插基点mk。
在本发明实施例中,NCO数字振荡器包括NCO寄存器,采用线性变换实现相位误差μn到定时误差整数部分mk和小数部分μk的转换,其算法公式为:
本发明所设计的一种低轨卫星馈电链路定时同步方法,针对低轨卫星馈电链路扩频信号的定时偏差,提出低轨卫星馈电链路扩频信号定时同步技术,使用Gardner定时同步与解扩相结合的方法对输入扩频信号进行定时同步。首先信号通过Farrow滤波器,根据NCO数控振荡器输出小数间隔插值;输出插值经过解扩,使用平方定时误差估计算法计提取误差,通过环路滤波器滤除采样时钟频偏估计值中的高频分量,根据定时误差更新CO寄存器为内插器提供所需的小数间隔和内插基点,保证信号保持定时同步,提高信号传输的有效性;使用Farrow滤波器对输入信号进行插值,根据NCO数控振荡器输出相应位置插值,提取最佳采样位置点处的信号;在定时同步中结合使用扩频方法,降低干扰信号的密度,信号通过窄带滤波器滤掉有用信号的外带干扰,降低干扰信号的强度;使用平方定时误差估计算法计算内插值的误差,选取合适的分段缓冲长度和采样倍数,保证方法具有较高的精度与较低的复杂度;使用环路滤波,滤除采样时钟频偏估计值中的高频分量,提高环路对相位误差矫正的准确性,以减小相位抖动;本发明相较于传统算法,算法有效地联合实现解扩与定时同步,算法复杂度低,能够有效应用于低轨卫星馈电链路信号的定时同步。
最后应说明的是:以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围,其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。