CN115348000A - 基于维纳系数解的每码元单采样点的码元同步方法和装置 - Google Patents

Abstract

本公开是关于基于维纳系数解的每码元单采样点的码元同步方法和装置，其中方法包括：确定当前码元的前一码元对所述当前码元的干扰信息；根据所述干扰信息，确定所述当前码元的采样时刻，其中，所述采样时刻是所述当前码元中配置的单采样点的采样时刻；在所述采样时刻采集所述当前码元的输出信号，以进行码元同步。本公开的方法中，为每个码元确定单个采样点所对应的目标采样时刻，在目标采样时刻对码元进行单次采样，以获得码元同步。本公开中，每个码元只需要进行一次采样，降低了AD采样速率对码元传输速率的限制；在AD采样速率一定情况下，将码元传输速率提升一倍。

Description

基于维纳系数解的每码元单采样点的码元同步方法和装置

技术领域

本公开涉及数字信息传输领域，尤其涉及一种基于维纳系数解的每码元单采样点的码元同步方法和装置。

背景技术

在遥感卫星高速星地数字信息传输系统中，可利用低轨或高轨卫星的高视角优势，对地球表面进行高分辨率观测，观测数据存储在卫星载荷内。随着我国卫星载荷技术的进步，卫星平台已经可以装载越来越多种类和数量的遥感载荷，卫星携带的载荷数量增多，观测图像的幅宽加大、分辨率提高，导致卫星数据接收的数据量直线上升。其中，高分辨率卫星数据下传速率需要达到10Gbps量级。地面接收系统在接收数据时，需要在卫星有限的过顶时间内把卫星存储的数据都接收下来。数据传输速率越高，所需接收的数据量越大。

在相关技术中，由于地面接收系统在接收数据时AD（数模转换器）采样速率的限制，对码元传输速率限制仍较大，影响了码元传输速率。在卫星宽带通信、地面微波通信、光纤通信等系统中，接收端的AD采样速率也限制了码元传输速率的提升。

发明内容

为克服相关技术中存在的问题，本公开提供一种基于维纳系数解的每码元单采样点的码元同步方法和装置。

根据本公开实施例的第一方面，提出了基于维纳系数解的每码元单采样点的码元同步方法，应用于高速数据传输系统接收端，包括：

确定当前码元的前一码元对所述当前码元的干扰信息；

根据所述干扰信息，确定所述当前码元的采样时刻，其中，所述采样时刻是所述当前码元中配置的单采样点的采样时刻；

在所述采样时刻采集所述当前码元的输出信号，以进行码元同步。

在一些实施方式中，所述干扰信息包括：所述前一码元的采样值，以及所述前一码元对所述当前码元的干扰滤波系数。

在一些实施方式中，所述根据所述干扰信息，确定所述当前码元的采样时刻，包括：

根据采样偏差模型以及所述干扰信息，确定所述采样时刻的调整信息，其中，所述采样偏差模型用于表征采样时刻的调整信息与干扰信息的函数关系；

根据所述调整信息以及理想采样周期，确定所述当前码元的所述采样时刻。

在一些实施方式中，所述根据采样偏差模型以及所述干扰信息，确定所述采样时刻的调整信息，包括：

将所述前一码元的采样值和所述干扰滤波系数代入所述采样偏差模型；

根据计算结果确定所述当前码元采样时刻的调整方向及调整值。

在一些实施方式中，所述根据计算结果确定所述当前码元采样时刻的调整方向及调整值，包括：

根据计算结果中的正负符号，确定当前码元的采样时刻的调整方向；

以计算结果中的数值作为采样时刻的调整值。

在一些实施方式中，所述根据计算结果中的正负符号，确定当前码元的采样时刻的调整方向，包括：

响应于所述计算结果的符号为正，确定所述调整方向为：沿时间轴方向向远离原点方向移动；

响应于所述计算结果为的符号为负，确定所述调整方向为：沿时间轴方向向靠近原点方向移动。

在一些实施方式中，所述确定当前码元的前一码元对所述当前码元的干扰信息，包括：

获取所述前一码元的采样值；

根据维纳霍夫方程，确定所述干扰滤波系数。

在一些实施方式中，所述根据维纳霍夫方程，确定所述干扰滤波系数，包括：

根据误差模型，确定所述维纳霍夫方程；其中，所述维纳霍夫方程包括：码元的输出信号与所述干扰信息中干扰滤波系数的函数对应关系；

以所述维纳霍夫方程的维纳系数解，作为所述干扰滤波系数。

根据本公开实施例的第二方面，提出了一种基于维纳系数解的每码元单采样点的码元同步装置，应用于数据接收端，包括：

确定模块，用于确定当前码元的前一码元对所述当前码元的干扰信息；

所述确定模块还用于，根据所述干扰信息，确定所述当前码元的采样时刻，其中，所述采样时刻是所述当前码元中配置的单采样点的采样时刻；

采集模块，用于在所述采样时刻采集所述当前码元的输出信号，以进行码元同步。

根据本公开实施例的第三方面，提出了一种基于维纳系数解的每码元单采样点的码元同步装置，包括：FPGA处理器和AD采样器；

所述FPGA处理器用于确定当前码元的前一码元对所述当前码元的干扰信息，根据所述干扰信息，确定所述当前码元的采样时刻，其中，所述采样时刻是所述当前码元中配置的单采样点的采样时刻；

所述AD采样器用于在所述采样时刻采集所述当前码元的输出信号。

本公开的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

本公开的方法中，能够结合前一码元的干扰信息，确定当前码元所配置的单个采样点的采样时刻，在码元同步过程中在采样时刻对码元进行单次采样。而由于每个码元只需要进行一次采样，降低了AD采样速率对码元传输速率的限制；在AD采样速率一定情况下，可将码元传输速率提升一倍。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，表示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

图1是本实施例方法的应用场景示意图。

图2是根据一示例性实施例示出的方法的流程图。

图3是根据一示例性实施例示出的码元传输的示意图。

图4是根据一示例性实施例示出的信道输出信号的示意图。

图5是根据一示例性实施例示出的码元同步结构示意图。

图6是根据一示例性实施例示出的获得干扰滤波系数的示意图。

图7是根据一示例性实施例示出的装置的示意图。

图8是根据一示例性实施例示出的通信装置的示意图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在遥感卫星高速星地数据传输系统中，数据信号是以码元形式逐个地发送和接收的，因此收发双方的时钟要有一个稳定而可靠的同步关系。接收方（如地面接收系统）获得与发送方（如遥感卫星）的码元定时脉冲频率相同、相位及采样时刻一致的码元定时脉冲序列的过程，称为码元同步。

地面接收系统若需正确恢复所接收的数据信号，需要对码元的中间时刻进行周期性的采样判决。信号在传输过程中受到噪声等影响，与本地时钟信号不同步，因此需要采用定时同步算法恢复出与接收码元同频同相的时钟信号，即进行时钟恢复。

相关技术中，时钟恢复环节定时同步算法采用Gardner算法，每个码元需要有两个采样点，即

。因此，受到此AD采用速率的限制，码元传输速率最高为AD采样速率的1/2，在此基础上码元传输速率无法进一步提高。

为解决相关技术中的问题，本公开实施例中提出了一种基于维纳系数解的每码元单采样点的码元同步方法，应用于数据接收端，包括：确定当前码元的前一码元对当前码元的干扰信息；根据干扰信息，确定当前码元的采样时刻，其中，采样时刻是当前码元中配置的单采样点的采样时刻；在采样时刻采集当前码元的输出信号，以进行码元同步。本公开的方法中，能够结合前一码元的干扰信息，确定当前码元所配置的单个采样点的采样时刻，在码元同步过程中在采样时刻对码元进行单次采样。而由于每个码元只需要进行一次采样，降低了AD采样速率对码元传输速率的限制；在AD采样速率一定情况下，可将码元传输速率提升一倍。

在一个示例性的实施例中，本公开中的基于维纳系数解的每码元单采样点的码元同步方法，可应用于如图1所示的遥感卫星高速星地数据传输系统中，本实施例的方法可以由遥感高速星地数据传输系统中的数据接收端执行。

比如，遥感卫星101对地面接收站102进行高速数据传输的场景，或者通信卫星节点与地面站节点或者其他通信卫星节点进行高速数据传输的场景，或者用于地面微波中继通信的场景。本公开实施例尤其适用于数据传输速率达到10Gbps/载波以上时的高速传输场景。

如图2所示，本实施例的方法可以包括如下步骤：

S210、确定当前码元的前一码元对当前码元的干扰信息。

S220、根据干扰信息，确定当前码元的采样时刻。

S230、在采样时刻采集当前码元的输出信号，以进行码元同步。

其中，在步骤S210中，数据在传输过程中，相邻码元间可能存在串扰，如前一码元会对后面相邻的码元产生串扰。结合图3所示，无线发送端（如卫星）所发送的数据信号包括多个码元，比如依次为

……，以第n个码元

表示当前码元，相邻码元之间的发送周期为T。各码元在信道H(f)内传输，每个码元的输出信号可表示为码元与信道函数的卷积，如当前码元

经过信道传输后的输出信号为

。结合图3所示每个码元的输出信号可知，由于信道非理想性因素如相邻码元间的串扰，码元在输出过程中产生了拖尾。

在一个示例中，前一码元对当前码元的干扰信息包括：前一码元的采样值，以及前一码元对当前码元的干扰滤波系数。其中，前一码元的采样值记为x（n-1），干扰滤波系数记为h _n-1。

在步骤S220中，采样时刻是当前码元中配置的单采样点的采样时刻。可以理解的，结合图3或图4所示，码元的输出信号是正弦信号，每个码元的采样时刻与正弦信号的相位存在对应关系。本步骤中，根据前一码元的干扰信息，调整当前码元的采样时刻。比如是，根据前一码元的采样值，以及前一码元对当前码元的干扰滤波系数，调整当前码元的采样时刻。

在一个示例中，本步骤S220可以包括如下步骤S2201和S2202：

S2201、根据采样偏差模型以及干扰信息，确定当前码元的采样时刻的调整信息。

在本步骤S2201中，采样偏差模型用于表征采样时刻的调整信息与干扰信息的函数关系。其中，采样偏差模型表示为：

，采样偏差模型可以表征前一码元的采样点的偏移。本示例中，步骤S2201可以包括步骤S2201-1和步骤S2201-2：

步骤S2201-1、将步骤S210所确定的前一码元的采样值x（n-1），以及干扰滤波系数h _n-1代入采样偏差模型。此步骤中，根据采样偏差模型的计算结果可获得采样时刻的调整信息。比如，调整信息包括调整的方向和调整值。

步骤S2201-2、根据计算结果确定当前码元采样时刻的调整方向及调整值。此步骤中，调整值是相位值，结合采样时刻与相位的对应关系，调整相位即可对应调整采样时刻。调整方向可以表征理想采样周期（T）的调整方向。此步骤可以包括：

S2201-21、根据计算结果中的正负符号，确定当前码元的采样时刻的调整方向。其中，结合

，计算结果

的正负不同，表明前一码元采样点的偏移情况。当前一码元的采样值x（n-1）的正负与干扰滤波系数h _n-1的正负一致时，计算结果

的符号为正。当前一码元的采样值的正负与干扰滤波系数的正负不一致时，计算结果

的符号为负。

在一种方式中，响应于计算结果的符号为正，确定调整方向为：沿时间轴方向向远离原点方向移动。结合图4所示的时间轴（t轴），也即此时，当前码元的采样时刻，在理想采样周期的基础上，还需向远离前一码元的采样点时刻的方向移动（向右移动）。

在另一种方式中，响应于计算结果为的符号为负，确定调整方向为：沿时间轴方向向靠近原点方向移动。结合图4所示的时间轴（t轴），也即此时，当前码元的采样时刻，在理想采样周期的基础上，还需向靠近前一码元的采样点时刻的方向移动（向左移动）。

S2201-22、以计算结果中的数值作为采样时刻的调整值。此步骤中，调整值可以是指调整的相位值。结合图3或图4所示，码元的输出信号是正弦信号，每个码元的采样时刻与正弦信号的相位存在对应关系。结合采样偏差模型的计算结果，以计算所得数值作为采用时刻的调整值。结合调整方向和调整值两项调整信息，有利于确定当前码元的采样时刻。

S2202、根据调整信息以及理想采样周期，确定当前码元的采样时刻。

本步骤中，在前一码元的采样点时刻或采样点时刻对应的相位，以及理想采样周期的基础上，结合调整方向和调整值，可确定当前码元的采样时刻。其中，调整方向表征理想采样周期的调整方向。

比如，结合图3或图4所示，若

的为正，调整方向为：沿时间轴方向向远离原点方向移动（向右移动）时，当前码元的采样时刻满足：与前一码元的采样点时刻相距（理想采样周期+调整值）个单位。

再比如，结合图3或图4所示，若

的为负，调整方向为：沿时间轴方向向靠近原点方向移动（向左移动）时，当前码元的采样时刻满足：与前一码元的采样点时刻相距（理想采样周期－调整值）个单位。

可以理解的，若

，则当前码元的采样时刻满足：与前一码元的采样点时刻相距理想采样周期T个单位。

在步骤S230中，在确定采样时刻后，可在采样时刻进行当前码元的采样，以获得当前码元的采样值，并进行码元同步，获知发送端所发送的信号频率或相位。

结合图3所示，在码元同步过程中可对任一码元经过信道传输的输出信号进行采样，如对当前码元的输出信号x(n)进行采样。

结合图5所示，在采样过程中涉及的结构包括鉴相器501、环路滤波器502和相位可控频率源503，其中输出信号x(n)视为AD采样的输入信号。鉴相器501用于确定输入信号的相位差，环路滤波器502用于对采样偏差模型（或称采样偏差信号）进行滤波，相位可控频率源503用于提供采样时钟信号（clk），也即可提供采样时刻，并调整采样时刻对应的相位。本实施例中，结合前述实施例，鉴相器501中定时误差提取对应的理想采样点只有一个，即

。在AD采样频率一定的情况下，相较于Gardner算法需两个采样点的方式，系统所能接收处理的码元传输速率可提升一倍。

在一个示例性的实施例中，本实施例中步骤S210可以包括如下步骤：

S2101、获取前一码元的采样值。

S2102、根据维纳霍夫方程，确定干扰滤波系数。

其中，在步骤S2101中，结合图5所示的结构，采样获得前一码元的采样值。本步骤中，当前码元的采样值可记为

，当前码元的前一码元的采样值可记为

。

在步骤S2102中，可结合维纳霍夫方程确定干扰滤波系数h _n-1，比如，h _n-1为维纳霍夫方程的维纳系数解。在一个示例中，本步骤S2102可以包括如下步骤：

S2102-1、根据误差模型，确定维纳霍夫方程。此步骤中，维纳霍夫方程包括：码元的输出信号与干扰信息中干扰滤波系数的函数对应关系。

以下以确定当前码元的维纳霍夫方程为例进行描述：

当前码元的采样值满足如下函数模型：

，其中，x(n)即当前码元的输出信号，h _n是当前码元的滤波系数，x（n-1）是前一码元的采样值，h _n-1是前一码元对当前码元的干扰滤波系数，干扰信息即包括x（n-1）和h _n-1。可以理解的，若当前码元的采样时刻较为理想时，当前码元的采样值

与其经过信道的输出信号x(n)相等，即此时h _n=1，h _n-1=0。若当前码元的采样时刻不理想，则存在偏差，此时h _n-1≠0。

结合图6所示，误差函数或代价函数可表示为：

，其中，

表示无码元串扰时的理想输出信号。

误差函数的方差为：

此外，由于还存在采样值

的如下关系：

，将此式表示为如下矩阵-矢量形式：

其中，

因此，误差函数的均方差可以写成：

已知二次误差曲面有单一极小值，对

求微商可得：

在极小值时，上式为零，即：

则，

由于在星地数据传输系统中，

和

互不相关，则下式成立：

对P和R作如下定义：

令

，表示输出信号与采样值之间的互相关；

令

，表示输出信号序列的互相关矩阵。

则有维纳-霍夫方程：

S2102-2、以维纳霍夫方程的维纳系数解，作为干扰滤波系数。此步骤中，结合步骤S2102-1中所得的维纳霍夫方程，该维纳霍夫方程的最佳维纳系数解为：

，可以此维纳系数解作为干扰滤波系数h _n-1。

本实施例中，在获得最佳维纳系数解的过程中可利用梯度运算。当按照梯度方向，干扰滤波系数h _n-1可收敛到稳态值，这个稳态值使得自适应滤波输出值收敛到期望值，并且均方值最小。其中，最小均方误差算法能够使自适应滤波器的期望输出值和实际输出值之间的均方误差最小化。最小均方误差算法基于最陡下降原理，即沿着权值的负梯度方向搜索，达到权值最优，使滤波后的均方误差最小。当初始化系数位于曲面上任意一点时，利用梯度运算，使得系数h _n-1向稳态收敛。

其中，结合图6所示，h _n-1按其的梯度调整的方向和数值为：

同理，h _n的调整方向和数值为：

可以理解的，图6中T表示时钟的理想采样周期。

在一个示例性的实施例中，本公开实施例还提出了一种基于维纳系数解的每码元单采样点的码元同步装置，应用于数据接收端。如图7所示，本实施例的装置包括：确定模块701和采集模块702，本实施例的装置用于实现如图2所示的方法。其中，确定模块701用于确定当前码元的前一码元对所述当前码元的干扰信息；所述确定模块701还用于，根据所述干扰信息，确定所述当前码元的采样时刻，其中，采样时刻是当前码元中配置的单采样点的采样时刻。采集模块702用于在采样时刻采集当前码元的输出信号，以进行码元同步。

在一个示例性的实施例中，本公开实施例还提出了一种基于维纳系数解的每码元单采样点的码元同步装置，包括：FPGA处理器和AD采样器。FPGA处理器用于确定当前码元的前一码元对当前码元的干扰信息，根据干扰信息，确定当前码元的采样时刻，其中，采样时刻是当前码元中配置的单采样点的采样时刻。AD采样器用于在采样时刻采集当前码元的输出信号。

在一个示例性的实施例中，本公开实施例还提出了一种通信装置，如图8所示，装置包括存储器801、处理器802、收发组件803、电源组件806。其中，存储器801与处理器802耦合，可用于保存通信装置800实现各功能所必要的程序和数据。该处理器802被配置为支持通信装置800执行上述方法中相应的功能，所述功能可通过调用存储器801存储的程序实现。收发组件803可以是无线收发器，可用于支持通信装置800通过无线空口进行接收信令和/或数据，以及发送信令和/或数据。收发组件803也可被称为收发单元或通信单元，收发组件803可包括射频组件804以及一个或多个天线805，其中，射频组件804可以是远端射频单元(remote radio unit，RRU)，具体可用于射频信号的传输以及射频信号与基带信号的转换，该一个或多个天线805具体可用于进行射频信号的辐射和接收。

当通信装置800需要发送数据时，处理器802可对待发送的数据进行基带处理后，输出基带信号至射频单元，射频单元将基带信号进行射频处理后将射频信号通过天线以电磁波的形式进行发送。当有数据发送到通信装置800时，射频单元通过天线接收到射频信号，将射频信号转换为基带信号，并将基带信号输出至处理器802，处理器802将基带信号转换为数据并对该数据进行处理。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.基于维纳系数解的每码元单采样点的码元同步方法，其特征在于，应用于数据接收端，包括：

确定当前码元的前一码元对所述当前码元的干扰信息；

根据所述干扰信息，确定所述当前码元的采样时刻，其中，所述采样时刻是所述当前码元中配置的单采样点的采样时刻；

在所述采样时刻采集所述当前码元的输出信号，以进行码元同步。

2.根据权利要求1所述的基于维纳系数解的每码元单采样点的码元同步方法，其特征在于，所述干扰信息包括：

所述前一码元的采样值，以及所述前一码元对所述当前码元的干扰滤波系数。

3.根据权利要求2所述的基于维纳系数解的每码元单采样点的码元同步方法，其特征在于，所述根据所述干扰信息，确定所述当前码元的采样时刻，包括：

根据采样偏差模型以及所述干扰信息，确定所述采样时刻的调整信息，其中，所述采样偏差模型用于表征采样时刻的调整信息与干扰信息的函数关系；

根据所述调整信息以及理想采样周期，确定所述当前码元的所述采样时刻。

4.根据权利要求3所述的基于维纳系数解的每码元单采样点的码元同步方法，其特征在于，所述根据采样偏差模型以及所述干扰信息，确定所述采样时刻的调整信息，包括：

将所述前一码元的采样值和所述干扰滤波系数代入所述采样偏差模型；

根据计算结果确定所述当前码元采样时刻的调整方向及调整值。

5.根据权利要求4所述的基于维纳系数解的每码元单采样点的码元同步方法，其特征在于，所述根据计算结果确定所述当前码元采样时刻的调整方向及调整值，包括：

根据计算结果中的正负符号，确定当前码元的采样时刻的调整方向；

以计算结果中的数值作为采样时刻的调整值。

6.根据权利要求5所述的基于维纳系数解的每码元单采样点的码元同步方法，其特征在于，所述根据计算结果中的正负符号，确定当前码元的采样时刻的调整方向，包括：

响应于所述计算结果的符号为正，确定所述调整方向为：沿时间轴方向向远离原点方向移动；

响应于所述计算结果为的符号为负，确定所述调整方向为：沿时间轴方向向靠近原点方向移动。

7.根据权利要求2至6任一项所述的基于维纳系数解的每码元单采样点的码元同步方法，其特征在于，所述确定当前码元的前一码元对所述当前码元的干扰信息，包括：

获取所述前一码元的采样值；

根据维纳霍夫方程，确定所述干扰滤波系数。

8.根据权利要求7所述的基于维纳系数解的每码元单采样点的码元同步方法，其特征在于，所述根据维纳霍夫方程，确定所述干扰滤波系数，包括：

根据误差模型，确定所述维纳霍夫方程；其中，所述维纳霍夫方程包括：码元的输出信号与所述干扰信息中干扰滤波系数的函数对应关系；

以所述维纳霍夫方程的维纳系数解，作为所述干扰滤波系数。

9.基于维纳系数解的每码元单采样点的码元同步装置，其特征在于，应用于数据接收端，包括：

确定模块，用于确定当前码元的前一码元对所述当前码元的干扰信息；

所述确定模块还用于，根据所述干扰信息，确定所述当前码元中的采样时刻，其中，所述采样时刻是所述当前码元中配置的单采样点的采样时刻；

采集模块，用于在所述采样时刻采集所述当前码元的输出信号，以进行码元同步。

10.基于维纳系数解的每码元单采样点的码元同步装置，其特征在于，包括：FPGA处理器和AD采样器；

所述FPGA处理器用于确定当前码元的前一码元对所述当前码元的干扰信息，根据所述干扰信息，确定所述当前码元的采样时刻，其中，所述采样时刻是所述当前码元中配置的单采样点的采样时刻；

所述AD采样器用于在所述采样时刻采集所述当前码元的输出信号。

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