CN113542166B - 一种低抖动、快速收敛的定时恢复方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低抖动、快速收敛的定时恢复方法及装置，该方法包括：对输入序列进行平方环定时误差估计，得到定时误差向量；采用IIR预滤波器对定时误差向量进行预滤波处理，得到定时误差值；对定时误差值进行修正，得到适用于内插器的修正定时误差值；对输入序列进行延迟处理；根据定时误差值对延迟后的输入序列进行插值运算，以获得最佳采样时刻的值。本发明提供的定时恢复方法在进行平方环定时误差估计时采用IIR预滤波器对定时误差向量进行了预滤波处理，消除了定时算法固有的定时抖动问题；同时配合高精度插值处理进一步提升了定时同步性能，能够实现快速收敛并进一步降低误码率。

Description

一种低抖动、快速收敛的定时恢复方法及装置

技术领域

本发明属于数字通信技术领域，具体涉及一种低抖动、快速收敛的定时恢复方法及装置。

背景技术

在数字通信系统中，接收机采用全数字方式工作，由于发射机和接收机两端时钟相互独立，无法保证频率相位同步。为了正确恢复出接收信号中携带的发送信息，需要进行定时同步得到最佳采样时刻值以减小符号间干扰(intersymbol-interference,ISI)。

传统的符号定时恢复通常分为数据辅助和非数据辅助两种方法，其中，非数据辅助方式不依赖位定时序列，仅依靠发送数据估计出位定时误差。按照实现结构非数据辅助一般分为闭环反馈和开环前馈两种方式。

对于闭环反馈方式：专利文献《一种加速收敛的Gardner符号定时恢复方法和装置》(申请号：201811319602.8，公开号：CN 110401609 A)中提出了一种联合平方定时环和Gardner定时估计算法的加速收敛结构，其首先通过检测帧指示符号有效时对输入符号进行平方定时环误差估计，并在其达到预设值后，切换至Gardner定时误差检测器，然后通过Gardner环路滤波器进行滤波，并将滤波后的误差值送入数控振荡器计算内插滤波器小数因子，进而得到Gardner定时环路误差值，最后通过重复滤波得到定时恢复输出的最佳采样数据。然而，该方法在利用平方定时环误差估计时，会出现定时抖动的现象；同时，在选择开关切换时，会出现Garnder环路收敛滞后的现象，在低信噪比情况下会使最初恢复出的数据误码率增大。此外，上述闭环反馈的方法在硬件实现上较为复杂。

对于开环前馈方式：论文《改进的非数据辅助前向反馈符号定时恢复算法》中提出了一种改进Kalman预滤波器的定时恢复结构。在该结构中采用Kalman滤波器来对平方定时环估计的定时误差值进行平滑，并进行两次修正调整至插值区间内。然而，由于该方法需要对定时误差估计值进行两次修正，因而在稳定点修正时会增大定时误差估计值的误差，此外，该方法同样存在硬件实现复杂度较高的问题。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种低抖动、快速收敛的定时恢复方法及装置。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

一种低抖动、快速收敛的定时恢复方法，包括：

对输入序列进行平方环定时误差估计，得到定时误差向量；

采用IIR预滤波器对所述定时误差向量进行预滤波处理，得到定时误差值；

对所述定时误差值进行修正，得到适用于内插器的修正定时误差值；

对所述输入序列进行延迟处理；

根据所述定时误差值对延迟后的输入序列进行插值运算，以获得最佳采样时刻的值。

在本发明的一个实施例中，在对输入序列进行平方环定时误差估计之前，还包括：

对所述输入序列进行匹配滤波处理。

在本发明的一个实施例中，对输入序列进行平方环定时误差估计，得到定时误差向量，包括：

获取输入符号并统计其个数；

当判断所述输入符号的个数达到预设值时，计算输入序列块的平方环定时误差估计向量，并将当前输入符号的个数清零；否则，持续获取输入符号。

在本发明的一个实施例中，所述输入序列块的平方环定时误差估计向量的计算公式为：

其中，X_m表示第m个序列块的平方环定时误差估计向量，y(kT_s)表示序列块中的第k个采样点，T_s表示采样周期，L表示序列估计长度，S表示符号采样点个数。

在本发明的一个实施例中，采用IIR预滤波器对所述定时误差向量进行预滤波处理，得到定时误差值，包括：

采用IIR预滤波器对所述定时误差向量进行预滤波处理，得到预滤波后的定时误差向量；

对所述预滤波后的定时误差向量求相角，以得到符号定时同步误差值。

在本发明的一个实施例中，所述符号定时同步误差值的计算公式为：

其中，ε′_m表示第m个序列块的符号定时同步误差值，arg(·)表示求相角，

表示第m个序列块的预滤波后的定时误差向量，S表示符号采样点个数。在本发明的一个实施例中，所述修正定时误差值表示为：

当μ_m'＞μ_C时，μ_m＝μ_m'-μ_C；

当μ_m'≤μ_C时，μ_m＝μ_m'；

其中，μ_m表示第m个序列块的修正定时误差值，μ_m'＝SAW(Δμ_m)+μ_m-1，Δμ_m表示修正定时误差值的相对距离，SAW(x)表示锯齿函数，μ_C为预设值。

在本发明的一个实施例中，在得到适用于内插器的修正定时误差值之后，还包括：

根据所述修正定时误差值对删除/保持信号进行置位；

根据所述删除/保持信号产生输出序列的有效指示信号。

在本发明的一个实施例中，根据所述定时误差值对延迟后的输入序列进行插值运算，以获得最佳采样时刻的值，包括：

将所述定时误差值和延迟后的输入序列送入插值器，得到插值后的输出序列；

根据所述输出序列的有效指示信号确定所述输出序列的最佳采样点。

本发明的另一个实施例还提供了一种低抖动、快速收敛的定时恢复装置，包括：

平方环定时误差估计器，用于对输入序列进行平方环定时误差估计，得到定时误差向量；

预滤波器，连接所述平方环定时误差估计器，用于对所述定时误差向量进行预滤波处理，得到定时误差值；

定时误差修正模块，连接所述预滤波器，用于对所述定时误差值进行修正，得到适用于内插器的定时误差值；

存储器，用于对所述输入序列进行延迟处理并存储；

插值器，连接所述定时误差修正模块和所述存储器，用于根据所述定时误差值对延迟后的输入序列进行插值运算，以获得最佳采样时刻的值。

本发明的有益效果：

1、本发明提供的定时恢复方法在进行平方环定时误差估计时采用IIR预滤波器对定时误差向量进行了预滤波处理，消除了定时算法固有的定时抖动问题；同时配合高精度插值处理进一步提升了定时同步性能，能够实现快速收敛并进一步降低误码率；

2、本发明提供的利用IIR滤波器和时域插值器进行定时恢复的框架结构简单且硬件实现复杂度低，能够节省硬件资源。

以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种低抖动、快速收敛的定时恢复方法流程示意图；

图2是本发明是实施例提供的一种低抖动、快速收敛的定时恢复装置结构示意图；

图3是采用本发明的方法在Eb/No＝50dB情况下的眼图收敛情况；

图4是采用本发明的方法在Eb/No＝50dB情况下定时误差估计值与现有平方环定时误差估计算法估计值的收敛情况比较图；

图5是采用本发明的方法与平方环同步算法在QPSK、8PSK、16APSK调制下的BER性能对比图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例一

请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种低抖动、快速收敛的定时恢复方法流程示意图，包括以下步骤：

S1：对输入序列进行平方环定时误差估计，得到定时误差向量。

需要说明的是，为了使得输出信号信噪比最大，本实施例在步骤S1之前，还包括：对输入序列进行匹配滤波处理，也即将接收机端输入序列先进行匹配滤波，并将匹配滤波后的序列作为定时恢复的输入序列，用于后续的平方环定时误差估计。

在本实施例中，步骤S1具体包括：

S11：获取输入符号并统计其个数。

在本实施例中，设置计数变量Num来统计输入符号(也即输入序列)个数。

S12：当判断输入符号的个数达到预设值时，计算输入序列块的平方环定时误差估计向量，并将当前输入符号的个数清零；否则，持续获取输入符号。

具体地，判断计数变量值Num是否等于预设值L，若是，则获取输入序列块的平方环定时误差估计向量X_m，同时计数变量值Num清0，若否，则继续等待。

更具体地，输入序列块的平方环定时误差估计向量的计算公式为：

其中，X_m表示第m个序列块的平方环定时误差估计向量，y(kT_s)表示序列块中的第k个采样点，T_s表示采样周期，L表示序列估计长度，S表示每符号的采样点个数。

在实际中，L一般取2的整数幂次方。优选的，本实施例可以利用输入序列后的每128个符号来进行平方环定时误差估计，此时L＝128；S通常取值为4。

S2：采用IIR预滤波器对定时误差向量进行预滤波处理，得到定时误差值。

首先，采用IIR预滤波器对定时误差向量进行预滤波处理，得到预滤波后的定时误差向量。

具体地，本实施例选用一阶IIR滤波器进行预滤波处理，其中，预滤波器的频域响应为：

需要注意的是，预滤波器频域响应中k₁的取值需要根据定时频偏值大小进行适当调整，当定时频偏值较小时，相应地，k₁取值应较小，抗定时抖动效果明显。在本实施例中，通常考虑到系统定时偏差在10PPM以内，k₁可取典型值0.2。

通过上述IIR预滤波器对定时误差向量进行预滤波处理后，得到预滤波后的定时误差向量

然后，对预滤波后的定时误差向量求相角，以得到符号定时同步误差值，具体公式如下：

其中，ε′_m表示第m个序列块的符号定时同步误差值，arg(·)表示求相角，

表示预滤波后的定时误差向量，S表示符号采样点数。

S3：对定时误差值进行修正，得到适用于内插器的修正定时误差值。

在本实施例中，可根据锯齿函数SAW(x)来计算适用于插值器的定时误差值，具体过程如下：

a)计算定时误差值相对距离Δμ_m＝ε′_m-μ_m-1，m≥1。

需要注意的是，Δμ_m的初始值Δμ₀可置为ε′₀。

b)根据锯齿函数SAW(x)展开Δμ_m得到SAW(Δμ_m)；

c)计算μ_m'＝SAW(Δμ_m)+μ_m-1，并判断μ_m'是否大于预设值μ_C，从而得到修正定时误差值μ_m，具体如下：

当μ_m'＞μ_C时，μ_m＝μ_m'-μ_C；

当μ_m'≤μ_C时，μ_m＝μ_m'。

在本实施例中，在得到适用于内插器的修正定时误差值之后，还包括：

根据修正定时误差值对删除/保持信号进行置位；根据删除/保持信号产生输出序列的有效指示信号。

具体地，本实施例采用flag表示删除/保持信号，valid表示有效指示信号，计算方式如下：

首先，计算定时误差值μ_m的相对步长d_m＝|μ_m-μ_m-1|，m≥1。需要注意的是，d_m的初始值d₀预置为0；

然后，判断d_m是否大于预设值d_c，当大于预设值d_c时，将删除/保持信号flag置为1，否则，置为0；

最后，根据删除/保持信号flag产生定时恢复输出序列的有效指示信号valid。

S4：对输入序列进行延迟处理。

具体地，本实施例利用RAM存储器进行延时处理，使得RAM存储器的输出序列对齐修正定时误差值μ_m的第一个输出μ₁。

S5：根据定时误差值对延迟后的输入序列进行插值运算，以获得最佳采样时刻的值，具体包括：

S51：将定时误差值和延迟后的输入序列送入插值器，得到插值后的输出序列。

具体地，将RAM存储器的输出序列和定时误差估计值μ_m送入插值器，得到插值后的输出序列。

S52：根据输出序列的有效指示信号确定最佳采样点。

具体地，在得到valid信号后，需要对其进行延迟以与上述插值后的输出序列的第一个数据对齐，以获取最佳采样点。

本发明提供的定时恢复方法在进行平方环定时误差估计时采用IIR预滤波器对定时误差向量进行了预滤波处理，消除了定时算法固有的定时抖动问题；同时配合高精度插值处理进一步提升了定时同步性能，能够实现快速收敛并进一步降低误码率。同时，本发明利用IIR滤波器和时域插值器进行定时恢复的框架结构简单且硬件实现复杂度低，能够节省硬件资源。

实施例二

在上述实施例一的基础上，本实施例提供了一种低抖动、快速收敛的定时恢复装置。请参见图2，图2是本发明实施例提供的一种低抖动、快速收敛的定时恢复装置结构示意图，其包括：

平方环定时误差估计器1，用于对输入序列进行平方环定时误差估计，得到定时误差向量；

预滤波器2，连接平方环定时误差估计器1，用于对定时误差向量进行预滤波处理，得到定时误差值；

定时误差修正模块3，连接预滤波器2，用于对定时误差值进行修正，得到适用于内插器的定时误差值；

存储器4，用于对输入序列进行延迟处理并存储；

插值器5，连接定时误差修正模块3和存储器4，用于根据定时误差值对延迟后的输入序列进行插值运算，以获得最佳采样时刻的值。

具体的，本实施例采用一阶IIR滤波器进行域滤波处理，存储器采用RAM存储器。

其中，图2中的DataRe和DataIm分别表示输入序列的实部和虚部，valid表示定时恢复输出序列的有效指示信号，其经延迟处理后与插值器的输出序列进行对齐，用以获取最佳采样时刻的值。

本实施例提供的定时恢复装置可实现上述实施例一提供的方法，详细过程在此不再赘述。且该装置装置结构简单，易于实现，能够节省硬件资源。

实施例三

下面通过仿真试验进一步说明本发明的有益效果。

试验条件：

本实施例的仿真实验在MATLAB 2017b软件下进行，以QPSK/8PSK/16APSK调制解调系统为例，其中匹配滤波的滚降因子α＝0.35，上采样倍数为4，仿真所用信道为加性高斯白噪声信道，仿真时定时频偏值为10PPM，内插器采用32阶分段抛物插值(Piecewiseparabolic interpolator，PPI)插值滤波器。

试验内容及结果分析：

1、采用QPSK仿真条件进行仿真

仿真结果参见图3-4，其中，图3是采用本发明的方法在Eb/No＝50dB情况下的眼图收敛情况，其中，图3中横坐标表示恢复出符号个数，纵坐标表示恢复出符号的幅值。图4是采用本发明的方法在Eb/No＝50dB情况下定时误差估计值与现有平方环定时误差估计算法估计值的收敛情况比较图，其中，图4中横坐标表示估计块个数，纵坐标表示经修正后的定时偏差值。

从图3和图4可见，在高信噪比时定时误差的估计值仍具有明显的波动，而进行预滤波处理后的定时误差抖动明显下降。

2、采用QPSK、8PSK及16APSK仿真条件，利用本发明的方法与现有的平方定时环算法在高斯信道，不同信噪比条件下进行定时恢复算法仿真，结果如图5所示。

图5是采用本发明的方法与平方环同步算法在QPSK、8PSK、16APSK调制下的BER性能对比图，其中，图5中横轴表示系统的信噪比Eb/No，其单位为分贝dB，纵轴表示误比特率性能(BER)。

从图5中可以看出，现有的前馈平方定时环算法受不同信噪比和估计抖动影响较大，且在较高信噪比时，抖动影响使得BER性能明显恶化，而本发明能够有效消除算法的定时误差抖动，从而改善定时同步性能。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种低抖动、快速收敛的定时恢复方法，其特征在于，包括：

对输入序列进行平方环定时误差估计，得到定时误差向量；

采用IIR预滤波器对所述定时误差向量进行预滤波处理，得到定时误差值；

对所述定时误差值进行修正，得到适用于内插器的修正定时误差值；

对所述输入序列进行延迟处理；

根据所述修正定时误差值对延迟后的输入序列进行插值运算，以获得最佳采样时刻的值。

2.根据权利要求1所述的低抖动、快速收敛的定时恢复方法，其特征在于，在对输入序列进行平方环定时误差估计之前，还包括：

对所述输入序列进行匹配滤波处理。

3.根据权利要求1所述的低抖动、快速收敛的定时恢复方法，其特征在于，对输入序列进行平方环定时误差估计，得到定时误差向量，包括：

获取输入符号并统计其个数；

当判断所述输入符号的个数达到预设值时，计算输入序列块的平方环定时误差估计向量，并将当前输入符号的个数清零；否则，持续获取输入符号。

4.根据权利要求3所述的低抖动、快速收敛的定时恢复方法，其特征在于，所述输入序列块的平方环定时误差估计向量的计算公式为：

其中，X_m表示第m个序列块的平方环定时误差估计向量，y(kT_s)表示序列块中的第k个采样点，T_s表示采样周期，L表示序列估计长度，S表示符号采样点个数。

5.根据权利要求1所述的低抖动、快速收敛的定时恢复方法，其特征在于，采用IIR预滤波器对所述定时误差向量进行预滤波处理，得到定时误差值，包括：

采用IIR预滤波器对所述定时误差向量进行预滤波处理，得到预滤波后的定时误差向量；

对所述预滤波后的定时误差向量求相角，以得到符号定时同步误差值。

6.根据权利要求5所述的低抖动、快速收敛的定时恢复方法，其特征在于，所述符号定时同步误差值的计算公式为：

其中，ε′_m表示第m个序列块的符号定时同步误差值，arg(·)表示求相角，

表示第m个序列块的预滤波后的定时误差向量，S表示符号采样点个数。

7.根据权利要求1所述的低抖动、快速收敛的定时恢复方法，其特征在于，所述修正定时误差值表示为：

当μ_m'＞μ_C时，μ_m＝μ_m'-μ_C；

当μ_m'≤μ_C时，μ_m＝μ_m'；

其中，μ_m表示第m个序列块的修正定时误差值，μ_m'＝SAW(Δμ_m)+μ_m-1，Δμ_m表示修正定时误差值的相对距离，SAW(x)表示锯齿函数，μ_C为预设值。

8.根据权利要求7所述的低抖动、快速收敛的定时恢复方法，其特征在于，在得到适用于内插器的修正定时误差值之后，还包括：

根据所述修正定时误差值对删除/保持信号进行置位；

根据所述删除/保持信号产生输出序列的有效指示信号。

9.根据权利要求1所述的低抖动、快速收敛的定时恢复方法，其特征在于，根据所述定时误差值对延迟后的输入序列进行插值运算，以获得最佳采样时刻的值，包括：

将所述定时误差值和延迟后的输入序列送入插值器，得到插值后的输出序列；

根据所述输出序列的有效指示信号确定所述输出序列的最佳采样点。

10.一种低抖动、快速收敛的定时恢复装置，其特征在于，包括：

平方环定时误差估计器(1)，用于对输入序列进行平方环定时误差估计，得到定时误差向量；

IIR预滤波器(2)，连接所述平方环定时误差估计器(1)，用于对所述定时误差向量进行预滤波处理，得到定时误差值；

定时误差修正模块(3)，连接所述IIR预滤波器(2)，用于对所述定时误差值进行修正，得到适用于内插器的定时误差值；

存储器(4)，用于对所述输入序列进行延迟处理并存储；

插值器(5)，连接所述定时误差修正模块(3)和所述存储器(4)，用于根据所述修订定时误差值对延迟后的输入序列进行插值运算，以获得最佳采样时刻的值。

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