CN116261213B - 一种联合Farrow插值滤波器和匹配滤波器的并行定时同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种联合Farrow插值滤波器和匹配滤波器的并行定时同步方法，首先，通过并行Farrow插值滤波器将基带信号的采样率变换为码率的整数倍，同时利用并行NCO完成定时频偏误差校正；然后将频域并行匹配滤波后的数据通过并行O&M算法估计出定时相位误差；最后利用傅里叶变换的时移特性，在频域匹配滤波实现过程中完成定时相位误差校正。本发明联合插值滤波器和匹配滤波器，通过并行处理方式在现有数字器件中的实现了定时同步机制，同时，本发明的定时同步方法不受调制方式与码率变换的限制，可以作为一种通用定时同步方法。同时，本发明只有一个简单的判别，判别以及后续处理的硬件实现比较简单。

Description

一种联合Farrow插值滤波器和匹配滤波器的并行定时同步 方法

技术领域

本发明属于宽带无线通信技术领域，更为具体地讲，涉及一种联合Farrow插值滤波器和匹配滤波器的并行定时同步方法。

背景技术

对于高速数据传输系统，受目前FPGA(Field-programmable Gate Array,现场可编程门阵列)器件工艺水平的限制，其数据处理速度基本限制在500Msps左右。因此要在FPGA上对高达数Gsps采样数据流进行相关的数字信号处理，需要采用并行的处理架构。

定时同步是获取最大信噪比符号峰值点数据的过程，目前常用的定时同步方案有两种：时域插值方法和基于O&M算法的频域校正方法。

时域插值方法基于Gardner检测算法，准确的估算出期望插值位置，进一步，借助Farrow插值滤波器，从而完成定时同步校正。这种方法的特点是结构简单且独立于载波同步，可以在载波同步前完成定时校正。但是Gardner算法对于不同的调制方式误差表达式有所不同。

频域校正方法基于O&M算法，通过提取高频分量出现的位置，从频域角度获取定时误差。频域校正方法适用于大部分线性调制信号，且对信噪比和载波误差不敏感。上述两种方案中的定时误差估计算法都要求基带等效采样率为码率的整数倍，这就限定了上述两种方案只能在单一调制方式或固定码率的条件下对宽带信号进行解调。而对于多种调制方式、多种码率的宽带信号显然是不适用的。

在2022年12月13日公布的、公布号为CN115473512A的中国发明专利申请《一种基于多相滤波器组结构的并行定时同步方法》中，基于多相滤波器组开发并行定时误差校正技术，每个通道的滤波计算速率等于符号速率，有效降低了高速数传信号对数字处理模块的要求；同时，本发明提出的并行定时误差校正方案，能够对每个判决采样点分别进行滤波校正，适用于采样率与符号率不相称的情况。然后，其判决情况以及后续处理比较复杂，硬件上实现比较繁琐。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术不足，提供一种联合Farrow插值滤波器和匹配滤波器的并行定时同步方法，以实现多种调制方式、多种码率的通用并行定时同步，同时降低处理复杂度。

为实现上述发明目的，本发明联合Farrow插值滤波器和匹配滤波器的并行定时同步方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、构建并行Farrow插值滤波器对基带信号进行滤波

1.1)、首先根据Farrow插值滤波器前的等效采样率1/T_s和插值滤波器后的等效采样率1/T_j设计一个N-1阶低通滤波器分为P相，得到N/P阶数为N/P-1的多相滤波器，其中，N/P等于串并转后得到的基带信号的数据路数，然后用一个L-1阶多项式分别对N/P个P相滤波器系数进行拟合，得到Farrow插值滤波器的系数矩阵b(l,m)，其中，l、m分别是系数矩阵的列标号和行标号，0≤l≤L-1，0≤m≤N/P-1，进而，将Farrow插值滤波器简化为L组N/P-1阶FIR滤波器；

对于串并转后得到的N/P路数据构成的基带信号，用L组N/P-1阶FIR滤波器分别做并行处理，每组FIR滤波器的N/P路输入与N/P路数据分别一一对应连接，然后并行输出，则第l组FIR滤波器的第m路输出表示为V_l(N/P·i+m)，其中，i表示当前时刻，i≥0且为整数；

1.2)、利用并行数控振荡器(NCO)计算出Farrow插值滤波器所期望的N/P路并行分数间隔μ_m，0≤m≤N/P-1；

所述N/P路并行分数间隔计算公式如下：

其中，η(i)表示第i时刻NCO中寄存器的相位值，w为NCO的频率控制字，其初始值通过Farrow插值滤波器前的等效采样率1/T_s和插值滤波器后的等效采样率1/T_j计算得到，即w＝T_s/T_j；

1.3)、对N/P路并行分数间隔μ_m分别进行判决，进一步得到N/P路并行使能信号en_m，0≤m≤N/P-1，所述判决公式如下：

即当并行分数间隔μ_m小于1时，相应的产生一个使能有效信号，反之，产生一个使能无效信号；

1.4)、将L组FIR滤波器的N/P路并行输出分别与N/P路并行分数间隔μ_m按如下公式进行运算，得到N/P路并行数据y_m(N/P·i+m)，0≤m≤N/P-1：

然后利用N/P个FIFO和N/P路并行使能信号en_m对并行数据y_m(N/P·i+m)进行数据选择，将使能有效信号对应的数据选出且以并行形式输出即为并行Farrow插值滤波器输出数据I_m，0≤m≤N/P-1；

(2)、构建并行频域匹配滤波器进行定时校正

2.1)、将并行Farrow插值滤波器输出的N/P路并行数据I_m经过一次寄存器缓存得到2N/P路并行数据，然后对2N/P路并行数据做FFT运算得到2N/P点频域序列I_k，0≤k≤2N/P-1；

2.2)、对M-1阶匹配滤波器系数做2N/P点FFT，得到2N/P个频域系数，记为：H_k，0≤k≤2N/P-1，然后将频域序列I_k与频域系数H_k对应相乘，得到2N/P个频域序列W_k，然后再对每个分别进行定时相位校正，得到定时相位校正后的频域序列

其中，ε是利用并行O&M算法估计出的定时相位误差值；

2.3)、将2N/P个频域序列做IFFT，得到2N/P路并行数据Q_n，0≤n≤2N/P-1，其中，N/P路并行数据Q_n，N/P≤n≤2N/P-1即为并行频域匹配滤波器的并行输出数据，同时也作为定时校正后的并行输出数据。

本发明的发明目的是这样实现的：

本发明联合Farrow插值滤波器和匹配滤波器的并行定时同步方法，首先，通过并行Farrow插值滤波器将基带信号的采样率变换为码率的整数倍，同时利用并行NCO完成定时频偏误差校正；然后将频域并行匹配滤波后的数据通过并行O&M算法估计出定时相位误差；最后利用傅里叶变换的时移特性，在频域匹配滤波实现过程中完成定时相位误差校正。本发明联合插值滤波器和匹配滤波器，通过并行处理方式在现有数字器件中的实现了定时同步机制，同时，本发明的定时同步方法不受调制方式与码率变换的限制，可以作为一种通用定时同步方法。同时，本发明只有一个简单的判别，判别以及后续处理的硬件实现比较简单。

附图说明

图1是本发明联合Farrow插值滤波器和匹配滤波器的并行定时同步方法一种具体实例的同步架构示意图；

图2是本发明联合Farrow插值滤波器和匹配滤波器的并行定时同步方法一种具体实施方式流程图；

图3是NCO递减累加过程示意图；

图4是同一调制方式、不同码率条件下的定时误差捕获性能；

图5是同一码率、不同调制方式条件下的定时误差捕获性能。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

图1是本发明联合Farrow插值滤波器和匹配滤波器的并行定时同步方法一具体实例的同步架构示意图。

本发明所设计的并行定时同步架构如图1所示。该架构主要包括：串并转换、并行插值滤波、并行频域匹配滤波、并行O&M算法、定时校正。首先在接收端对采样后的中频信号进行数字下变频并通过串并转换得到I、Q各8路并行数据。进而通过并行插值滤波和并行NCO联合控制模块，将I、Q各8路数据的等效采样率变换为码率的4倍。然后利用并行的FIFO模块选择出有效数据并输入至并行频域匹配滤波器模块进行傅里叶变换。最后利用傅里叶变换的时延特性，将O&M算法估计的定时相位误差在频域匹配滤波实现过程中完成定时校正。

图2是本发明联合Farrow插值滤波器和匹配滤波器的并行定时同步方法一种具体实施方式流程图。

在本实施例中，如图2所示，本发明联合Farrow插值滤波器和匹配滤波器的并行定时同步方法包括以下步骤：

步骤S1：构建并行Farrow插值滤波器对基带信号进行滤波

步骤S1.1：构建L组N/P-1阶FIR滤波器对基带信号进行滤波

首先根据Farrow插值滤波器前的等效采样率1/T_s和插值滤波器后的等效采样率1/T_j设计一个N-1阶低通滤波器分为P相，得到N/P阶数为N/P-1的多相滤波器，其中，N/P等于串并转后得到的基带信号的数据路数，然后用一个L-1阶多项式分别对N/P个P相滤波器系数进行拟合，得到Farrow插值滤波器的系数矩阵b(l,m)，其中，l、m分别是系数矩阵的列标号和行标号，0≤l≤L-1，0≤m≤N/P-1，进而，将Farrow插值滤波器简化为L组N/P-1阶FIR滤波器。

为了实现多种码率信号的定时同步，本发明首先采用了基于多项式拟合的多相滤波Farrow插值结构完成任意比例采样率的转换，对于任意码率，它可以将基带信号的采样率转换为码率的4倍。在本实施例中，取N＝1024、P＝128、L＝4；相应在本实施例中，为4组7阶FIR滤波器构成插值滤波器。

对于串并转后得到的N/P-1路数据构成的基带信号，用L组N/P-1阶FIR滤波器分别做并行处理，每组FIR滤波器的N/P路输入与N/P路数据分别一一对应连接，然后并行输出，则第l组FIR滤波器的第m路输出表示为V_l(N/P·i+m)，其中，i表示当前时刻，i≥0且为整数。

在本实施例中，对4组7阶的FIR滤波器分别并行处理后，每组FIR滤波器以8路并行输出。

步骤S1.2：计算N/P路并行分数间隔μ_m

利用并行数控振荡器(NCO)计算出Farrow插值滤波器所期望的N/P路并行分数间隔μ_m，0≤m≤N/P-1；

所述N/P路并行分数间隔计算公式如下：

其中，η(i)表示第i时刻NCO中寄存器的相位值，w为NCO的频率控制字，其初始值通过Farrow插值滤波器前的等效采样率1/T_s和插值滤波器后的等效采样率1/T_j计算得到，即w＝T_s/T_j。

本发明中采用数控振荡器(NCO)产生分数间隔μ。NCO是一个相位递减累加器，其表达式为

η(m+1)＝[η(m)-w]mod(1) (1)

其中，mod(1)是模为1的函数，即当η(m)-w＞0时，η(m+1)保持不变；当η(m)-w＜0时，η(m+1)＝η(m+1)+1。η(m)表示第m时刻NCO中寄存器的相位值。w为NCO的频率控制字。

由于在每次测试前，宽带信号的码率已知，而插值滤波器后的等效采样率1/T_i为码率的4倍，所以频率控制字w可以通过插值滤波器前的等效采样率1/T_s和插值滤波器后的等效采样率1/T_i计算得到，即w＝T_s/T_i。

图3展示了NCO递减累加过程。图3中kT_i为插值滤波器输出时刻，分数间隔μ根据图3中相似三角形由下式计算得到：

对公式(1)进行简化，得到8路并行NCO表达式

由公式(3)和(4)，8路并行分数间隔为：

由图3可知，只有η(m)-w＜0时，即μ＜1，相应的分数间隔为有效值，反之，为无效值。因此在公式(5)中，8路并行分数间隔包含了无效值。

步骤S1.3：对N/P路并行分数间隔μ_m进行判别，得到N/P路并行使能信号en_m

对N/P路并行分数间隔μ_m分别进行判决，进一步得到N/P路并行使能信号en_m，0≤m≤N/P-1，所述判决公式如下：

即当并行分数间隔μ_m小于1时，相应的产生一个使能有效信号，反之，产生一个使能无效信号。

在本实施例中，对8路并行分数间隔分别进行判决，当分数间隔小于1时，产生一个使能有效信号，反之，为使能无效信号。

步骤S1.4：计算N/P路并行数据y_m(N/P·i+m)，并利用并行使能信号en_m对其进行数据选择

将L组FIR滤波器的N/P路并行输出分别与N/P路并行分数间隔μ_m按如下公式进行运算，得到N/P路并行数据y_m(N/P·i+m)，0≤m≤N/P-1：

然后利用N/P个FIFO和N/P路并行使能信号en_m对并行数据y_m(N/P·i+m)进行数据选择，将使能有效信号对应的数据选出且以并行形式输出即为并行Farrow插值滤波器输出数据I_m，0≤m≤N/P-1。

在本实施例中，将S1.1中8路并行FIR滤波器输出与S1.2中8路并行分数间隔按对应关系做乘加运算，得到一组8路并行数据。把8路并行数据分别送入8个FIFO，将S1.3中的使能有效信号分别作为8路并行FIFO的写使能信号，然后控制FIFO读出正确的8路并行数据，记为I_m,m＝1,2,...,7。

步骤S2：构建并行频域匹配滤波器进行定时校正

步骤S2.1：缓存得到2N/P路并行数据并做FFT运算得到频域序列I_k

将并行Farrow插值滤波器输出的N/P路并行数据I_m经过一次寄存器缓存得到2N/P路并行数据，然后对2N/P路并行数据做FFT运算得到2N/P点频域序列I_k，0≤k≤2N/P-1。

在本实施例中，对8路并行数据I_m,m＝0,1,...,7通过一次寄存器缓存得到16路并行数据，然后对16路并行数据做16点FFT，得到16点频域序列I_k,k＝0,1,...15。

步骤S2.2：计算频域系数H_k并与频域序列I_k对应相乘，再进行定时相位校正得到频域序列

对M-1阶匹配滤波器系数做2N/P点FFT，得到2N/P个频域系数，记为：H_k，0≤k≤2N/P-1，然后将频域序列I_k与频域系数H_k对应相乘，得到2N/P个频域序列W_k，然后再对每个分别进行定时相位校正，得到定时相位校正后的频域序列

其中，ε是利用并行O&M算法估计出的定时相位误差值。并行O&M算法估计定时相位误差值ε是现有技术，在此不再赘述。

在本实施例中，对8阶匹配滤波器系数做16点FFT，得到16个频域系数，简记为：H_k,k＝0,1,...15。将频域序列I_k与频域系数H_k对应相乘，得到16个频域序列W_k，然后再对每个分别进行定时相位校正，得到定时相位校正后的频域序列

步骤S2.3：对频域序列做IFFT，将后N/P路并行数据Q_n作为定时校正后的并行输出数据

将2N/P个频域序列做IFFT，得到2N/P路并行数据Q_n，0≤n≤2N/P-1，其中，N/P路并行数据Q_n，N/P≤n≤2N/P-1即为并行频域匹配滤波器的并行输出数据，同时也作为定时校正后的并行输出数据。

在本实施例中，对16个频域序列做IFFT，得到16路并行数据Q_n,n＝0,1,...,15，取后八路Q_n,n＝8,9,...,15作为定时校正后的并行输出数据。

为了验证本发明中并行定时同步方法的有效性。下面进行了相关的测试及仿真实验。仿真参数如下：

调制方式：QPSK、8PSK、16QAM；

采样率：3.2GHz；

码率：180MHz、250MHz、315MHz、360MHz；

匹配滤波器滚降因子：α＝0.4；

其中，调制信号由信号源产生。

将采样后的调制信号利用MATLAB按图1所示方法进行仿真。

在16QAM调制方式下，对于三种不同的码率，图4展示了并行定时同步方法的定时误差捕获性能。从图中可以看出，在相同调制方式、不同码率条件下，本发明采用的并行定时方法具有较快的误差收敛速度。由于信号源晶振固有的微小抖动，且与采样时钟不同步，这意味着二者存在随机的定时误差。因此造成了不同码率所对应的定时误差ε不同，但是这不会影响对最终结果的验证，进而也验证了本发明采用的并行定时同步方法在多种码率的情况下具有实用性。

图5展示了三种不同调制方式在码率为315MHz条件下的定时误差捕获性能。从图5中可以看出，本发明采用的并行定时同步方法也可以适用于不同的调制方式。相应地，由于随机定时误差的存在，造成了不同调制方式所对应的定时误差ε不同。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (1)

1.一种联合Farrow插值滤波器和匹配滤波器的并行定时同步方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、构建并行Farrow插值滤波器对基带信号进行滤波

1.1)、首先根据Farrow插值滤波器前的等效采样率1/T_s和插值滤波器后的等效采样率1/T_j设计一个N-1阶低通滤波器分为P相，得到N/P阶数为N/P-1的多相滤波器，其中，N/P等于串并转后得到的基带信号的数据路数，然后用一个L-1阶多项式分别对N/P个P相滤波器系数进行拟合，得到Farrow插值滤波器的系数矩阵b(l,m)，其中，l、m分别是系数矩阵的列标号和行标号，0≤l≤L-1，0≤m≤N/P-1，进而，将Farrow插值滤波器简化为L组N/P-1阶FIR滤波器；

对于串并转后得到的N/P路数据构成的基带信号，用L组N/P-1阶FIR滤波器分别做并行处理，每组FIR滤波器的N/P路输入与N/P路数据分别一一对应连接，然后并行输出，则第l组FIR滤波器的第m路输出表示为V_l(N/P·i+m)，其中，i表示当前时刻，i≥0且为整数；

1.2)、利用并行数控振荡器NCO计算出Farrow插值滤波器所期望的N/P路并行分数间隔μ_m，0≤m≤N/P-1；

所述N/P路并行分数间隔计算公式如下：

其中，η(i)表示第i时刻NCO中寄存器的相位值，w为NCO的频率控制字，其初始值通过Farrow插值滤波器前的等效采样率1/T_s和插值滤波器后的等效采样率1/T_j计算得到，即w＝T_s/T_j；

1.3)、对N/P路并行分数间隔μ_m分别进行判决，进一步得到N/P路并行使能信号en_m，0≤m≤N/P-1，所述判决公式如下：

即当并行分数间隔μ_m小于1时，相应的产生一个使能有效信号，反之，产生一个使能无效信号；

1.4)、将L组FIR滤波器的N/P路并行输出分别与N/P路并行分数间隔μ_m按如下公式进行运算，得到N/P路并行数据y_m(N/P·i+m)，0≤m≤N/P-1：

然后利用N/P个FIFO和N/P路并行使能信号en_m对并行数据y_m(N/P·i+m)进行数据选择，将使能有效信号对应的数据选出且以并行形式输出即为并行Farrow插值滤波器输出数据I_m，0≤m≤N/P-1；

(2)、构建并行频域匹配滤波器进行定时校正

2.1)、将并行Farrow插值滤波器输出的N/P路并行数据I_m经过一次寄存器缓存得到2N/P路并行数据，然后对2N/P路并行数据做FFT运算得到2N/P点频域序列I_k，0≤k≤2N/P-1；

2.2)、对M-1阶匹配滤波器系数做2N/P点FFT，得到2N/P个频域系数，记为：H_k，0≤k≤2N/P-1，然后将频域序列I_k与频域系数H_k对应相乘，得到2N/P个频域序列W_k，然后再对每个分别进行定时相位校正，得到定时相位校正后的频域序列

其中，ε是利用并行O&M算法估计出的定时相位误差值；

2.3)、将2N/P个频域序列做IFFT，得到2N/P路并行数据Q_n，0≤n≤2N/P-1，其中，N/P路并行数据Q_n，N/P≤n≤2N/P-1即为并行频域匹配滤波器的并行输出数据，同时也作为定时校正后的并行输出数据。