衛(wèi)星通信中基于全數(shù)字接收的定時同步誤差檢測方法
【專利摘要】衛(wèi)星通信中基于全數(shù)字接收的定時同步誤差檢測改進(jìn)方法。鑒于Gardner算法在定時同步環(huán)路中的廣泛應(yīng)用及其對限帶信號的局限性，當(dāng)兩相鄰符號發(fā)生極性跳轉(zhuǎn)時，利用相鄰兩碼元余弦滾降成形濾波后兩最佳采樣點(diǎn)及其中間點(diǎn)的樣值關(guān)系，先考慮不同相鄰符號對中間值的影響，根據(jù)最小均方誤差準(zhǔn)則求出該影響值，然后再消除該影響值。當(dāng)兩相鄰符號沒有極性跳變時，考慮如何減小因無法獲取定時信息而產(chǎn)生的自噪聲。在E-Gardner算法中用符號函數(shù)sign(·)解決該問題。在衛(wèi)星信道環(huán)境下，該增強(qiáng)算法結(jié)構(gòu)簡單，在小滾降系數(shù)情況下對QPSK調(diào)制信號的時鐘捕獲及誤差檢測的性能有明顯改善，而且能有效地消除自噪聲及降低系統(tǒng)資源消耗。
【專利說明】衛(wèi)星通信中基于全數(shù)字接收的定時同步誤差檢測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及空間通信，尤其涉及低軌道衛(wèi)星通信中接收端的時間同步技木。
【背景技術(shù)】
[0002]低軌道衛(wèi)星通信是當(dāng)前通信發(fā)展的熱點(diǎn)之一，由于其覆蓋面廣、可靠性高、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單及方便靈活等特點(diǎn)，在數(shù)字視頻廣播衛(wèi)星系統(tǒng)(DVB-S)以及銥星系統(tǒng)等多種衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，相移鍵控(PSK)調(diào)制方式得到了廣泛應(yīng)用，為了提高衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器的性能，就需要引入同步技術(shù)。符號同步是衛(wèi)星通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，其準(zhǔn)確性將直接影響整個系統(tǒng)的性能。隨著計算機(jī)及數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)數(shù)字通信系統(tǒng)由于采用的反饋式模擬環(huán)路的載波和時鐘恢復(fù)算法主要集中于經(jīng)典的以鎖相環(huán)(PLL)為基礎(chǔ)的遞歸反饋式結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的鎖相環(huán)不僅捕獲時間長而且調(diào)試?yán)щy。因此，基于數(shù)字信號處理的全數(shù)字接收機(jī)在衛(wèi)星通信中得到了廣泛應(yīng)用。由于移動終端與衛(wèi)星間長的傳播時延及其相對運(yùn)動引起的多普勒頻移，使接收端不可避免的存在采樣時刻偏差，導(dǎo)致數(shù)據(jù)樣點(diǎn)并不一定在最佳采樣點(diǎn)上，從而造成了誤碼。鑒于此，很多關(guān)于全數(shù)字接收的同步研究和算法被提出。
[0003]定時恢復(fù)中經(jīng)典算法主要有:(I)較早出現(xiàn)是早遲門算法，這個算法利用了存在時鐘誤差時，最佳采樣點(diǎn)前一個和后一個采樣點(diǎn)幅度差值不為零的特點(diǎn)來提取誤差信息。當(dāng)最佳采樣點(diǎn)前后采樣點(diǎn)的幅度不同吋，則用這兩點(diǎn)的幅度差值產(chǎn)生ー個時鐘誤差；當(dāng)環(huán)路收斂同步時，它們的幅值相等，此時前后采樣點(diǎn)中間的樣點(diǎn)值就是所需要的符號值。因此采用早遲門算法時，每符號至少需要三個采樣點(diǎn)，這對許多輸入高數(shù)據(jù)率的系統(tǒng)是不太適合的。(2)Mueller 和 Muller 提出 了一種 Mueller&Muller 算法(參見文獻(xiàn):E.Shoor, A.Ran, A.Mezer.Recovering precoding data using a Mueller—Muller recoverymechanism.U.S.Patent, 2011, N0.7920649),該算法姆個符號需要一個采樣點(diǎn)，而且該算法面向判決，利用了判決后的采樣點(diǎn)。該算法雖然需要的采樣點(diǎn)很少，但它對載波頻偏及相位比較敏感，因此需要在定時同步之前完成載波同歩。(3)Gardner算法(參見文獻(xiàn):Z.Da, L.X.Wang.The Application of Gardner Algorithm to Sampling Rate Synchronization inOFDM Systems.Journal of Electronics&Information Technology, 2011, 4:017),該算法不需要判決反饋，每ー個符號只需要兩個采樣點(diǎn)，其中ー個為符號最佳采樣點(diǎn)，另ー個為兩個最佳采樣點(diǎn)之間的采樣點(diǎn)。該算法每個符號周期計算一次，在實際中參與計算的為內(nèi)插估值，同時其與載波相位無關(guān)，也就意味著在頻偏糾正完成以前，符號定時同步就可以達(dá)到收斂。
[0004]基于Gardner定時誤差檢測器的反饋環(huán)路由于結(jié)構(gòu)簡單，且獨(dú)立于載波相位，在全數(shù)字接收機(jī)中被廣泛采用。然而隨著滾降系數(shù)減小，其抖動性會増大，表明了該算法在限帶情況下的局限性，同時當(dāng)相鄰符號極性無跳變時，環(huán)路會出現(xiàn)嚴(yán)重的自噪聲。鑒于此，提出了ー些修正措施(參見文獻(xiàn):L.Zhang, Z.He.A modified timingsynchronization algorithm for QPSK in digital receiver.1EEE Internationa丄Conference on Artificial Intelligence,Management Science and ElectronicCommerce, 2011，1821-1824)。此修正算法在一定程度上減小了定時誤差，但對QPSK衛(wèi)星信號來說，由于低軌衛(wèi)星信道的衰落特性，定時誤差檢測器的輸出偏差仍較大，另外該修正算法在工程實現(xiàn)中復(fù)雜度較高不易實現(xiàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是:在移動衛(wèi)星信道中，針對發(fā)送的QPSK信號幅度上的多值性和隨機(jī)性，即使對信號準(zhǔn)確采樣，定時誤差輸出也不為零，因此其不利于同步環(huán)路的鎖定，同時系統(tǒng)會輸出嚴(yán)重自噪聲，以致接收端無法準(zhǔn)確恢復(fù)出發(fā)送信號等問題。我們提出一種基于全數(shù)字接收的定時同步誤差檢測方法，既能消除同步環(huán)路中的定時誤差偏差，又能有效的減小系統(tǒng)自噪聲及系統(tǒng)資源消耗。
[0006]本發(fā)明解決上述問題的技術(shù)方案是:衛(wèi)星通信系統(tǒng)發(fā)送的相移鍵控信號進(jìn)入接收端定時同步環(huán)路誤差檢測模塊后，當(dāng)相鄰符號發(fā)生極性跳變時，估計余弦滾降成形濾波后兩最佳采樣點(diǎn)對其中間點(diǎn)的影響，采用最小均方誤差(MMSE)準(zhǔn)則計算該影響值，用獲得的采樣中間值減去該影響值；當(dāng)相鄰符號沒有發(fā)生極性跳變時，用符號函數(shù)sign( ?)表示E-Gardner定時誤差檢測算法中的方向，獲取定時信息，將其作為驅(qū)動信號反饋調(diào)節(jié)同步環(huán)路，使其快速趨于穩(wěn)定。其具體過程如下:
[0007]1.發(fā)送端的連續(xù)正交QPSK信號經(jīng)成形濾波器后由L波段調(diào)制并發(fā)送，經(jīng)衛(wèi)星移動信道和接收端初步載波同步后進(jìn)入定時同步環(huán)路；
[0008]2.在定時同步環(huán)路中對接收信號采用異步采樣恢復(fù)，即在估算采樣時鐘和最佳采樣時刻之間誤差的基礎(chǔ)上，通過插值算法對采樣值進(jìn)行修正。其具體方法為:對每個碼元先進(jìn)行四樣點(diǎn)采樣，然后利用基于四點(diǎn)樣本集的拉格朗日插值公式，計算該碼元的兩個采樣值。經(jīng)選通運(yùn)算后，可得到每個碼元的最佳樣值y(n)和兩相鄰最佳樣值間的中間樣值y(n-1/2)；
[0009]3.將上述樣值用于Gardner算法中，當(dāng)沒有定時誤差吋，輸出為零；當(dāng)定時滯后時，定時誤差輸出為正值；當(dāng)定時超前時定時，誤差輸出為負(fù)值。為了能盡快進(jìn)入定時同步狀態(tài)及改變Gardner算法只對零點(diǎn)檢測有效性的缺點(diǎn)，即只將y (n-1/2)歸零化即可。同時為了減小噪聲對定時誤差信號的影響，可以用判決點(diǎn)附近數(shù)值的符號值代替判決點(diǎn)附近的實際數(shù)值。通過以上兩方面的改進(jìn)，得到E-Gardner檢測誤差。
[0010]4.將通過E-Gardner算法檢測到的準(zhǔn)確有效的時鐘誤差信號反饋給前端控制模塊，校正采用獨(dú)立采樣時鐘源所帯來的偏差，即將得到的定時誤差送給環(huán)路濾波器，得到更新后的遞減步長，再將遞減步長送到定時控制器，計算出新的正確的內(nèi)插基點(diǎn)和分?jǐn)?shù)間隔以使插值濾波器校正定時誤差所用。然后依次重復(fù)上述步驟，最終整個系統(tǒng)的性能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。
[0011]對時鐘誤差檢測器輸出的定時誤差值、數(shù)控振蕩器(NCO)調(diào)整的穩(wěn)態(tài)誤差、誤碼率統(tǒng)計、捕獲及跟蹤等性能指標(biāo)的考察是通過設(shè)置定時同步環(huán)路的系統(tǒng)參數(shù)并運(yùn)用E-Gardner算法實現(xiàn)的。具體技術(shù)方案為:
[0012]一種衛(wèi)星通信中基于全數(shù)字接收的定時同步誤差檢測方法，衛(wèi)星通信系統(tǒng)發(fā)送的相移鍵控信號進(jìn)入接收端定時同步環(huán)路誤差檢測模塊后，當(dāng)相鄰符號發(fā)生極性跳變時，估計余弦滾降成形濾波后兩最佳采樣點(diǎn)對其中間采樣點(diǎn)y (n-1/2)的影響，根據(jù)公式:
【權(quán)利要求】
1.一種衛(wèi)星通信中基于全數(shù)字接收的定時同步誤差檢測方法，其特征在于，衛(wèi)星通信系統(tǒng)發(fā)送的相移鍵控信號進(jìn)入接收端定時同步環(huán)路誤差檢測模塊后，當(dāng)相鄰符號發(fā)生極性跳變時，估計余弦滾降成形濾波后兩最佳采樣點(diǎn)對其中間采樣點(diǎn)y(n-l/2)的影響，根據(jù)公式
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，用符號函數(shù)sign(?)表示E-Gardner定時誤差檢測算法中的方向具體為:對于極性相同的兩相鄰符號，[sign (y (n)) -sign (y (n_l))]=0,即定時誤差為零；對于極性不同的兩相鄰符號，[sign(y(n))-sign(y(n-l))]幸0,即定時誤差不為零。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，根據(jù)公式
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，將其作為驅(qū)動信號反饋調(diào)節(jié)同步環(huán)路具體為:將定時誤差送給環(huán)路濾波器，得到更新后的遞減步長，將遞減步長送到定時控制器，計算出新的內(nèi)插基點(diǎn)和分?jǐn)?shù)間隔以使插值濾波器校正定時誤差。
【文檔編號】H04B17/00GK103457680SQ201310364695
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年8月20日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月20日
【發(fā)明者】李云, 趙艷麗, 劉期烈, 劉劍鋒, 封彬, 魏武 申請人:重慶郵電大學(xué)