[發明專利]一種數字寬帶無線信號同步算法

有效

• 申請號: 201510401909.2
• 申請日: 2015-07-09
• 公開（公告）號: CN105072070B
• 公開（公告）日: 2018-07-31
• 發明（設計）人: 王波濤;向靜
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: H04L27/22
• 分類號: H04L27/22;H04L27/38
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 沈波

1.一種數字寬帶無線信號同步算法，其特征在于：具體技術方案如下，

(1)數字寬帶無線信號進行相位預處理；

在數字寬帶無線信號進入環路第一個處理部分——相位預處理；輸入信號分為同相支路和正交支路，將這兩路信號進行四象限反正切處理，計算公式為：

其中I(n)為同相支路信號分量，Q(n)為正交支路信號分量，為信號相位信息；此相位信息包含信號初相位，頻率偏移和相位偏移，初相位是最后需要的信息，頻率偏移和相位偏移是在同步算法中需要消除的量；表現公式為：

其中θ(n)為初相位，Δf為頻率偏移，Δθ為相位偏移；

(2)增加乘法器，糾正信號抖動，輔助頻率偏移估計；

相位信號通過相位預處理部分來到乘法器；乘法器可以用于輔助頻率偏移估計；乘法器的數學表達式如下：

其中k為乘法器的倍數，按照輸入信號的相位特征調整不同的值；s(n)乘法器輸出信號；通過對輸入相位進行乘法運算，使信號變得比較平穩，方便測算載波頻率偏移；對于形如BPSK信號這樣跳變較大的信號，其瞬時相位變化范圍為[0+Δθ,π+Δθ]，Δθ為相位偏移，相差為π，相位信息在符號間跳動較大；乘法器倍數調整為2倍，將輸入信號調整到[0+2Δθ,2π+2Δθ]，去除符號間有可能出現的跳動，使信號變得平穩，進而可以方便的估算頻率偏移；

(3)使用減法器代替傳統鑒相器提高運算效率；

乘法器輸出的信號進入減法器；由于整個環路中的變量統一為相位，改鑒相器為減法器，反饋信號直接和輸入信號進行減法運算，得到相位差值，從而控制整個環路；減法器表現公式為：

其中為輸入信號相位信息，為環路反饋信息，為相差控制信息；

(4)使用環路濾波器完成低通濾波器的功能；

相差控制信息送入環路濾波器；環路濾波器承擔低通濾波器和維持環路動態特性的功能，使用比例積分濾波器；比例積分濾波器對直流信號有著無窮大的增益，這會導致整個電路呈現低通特性，可利用此特性實現低通濾波環路的功能；同時，比例積分濾波器在時域中呈現對此時刻信號和前一時刻信號的加權求和特性，利用此特性可以維持環路動態特性，避免環路失鎖；濾波器S域表現公式如下：

對其進行雙線性變化后，可以將其變換到離散域，公式如下：

時域加權求和公式如下：

y(n)＝y(n-1)+c₁x(n-1)+(c₁+c₂)x(n)

其中，c₁和c₂為環路濾波器系數；x(n)為控制信號，y(n)為數控振蕩器輸出的反饋信號，x(n-1)表示相差前一時刻的控制信號；

環路濾波器結構中應用了兩個電阻，一個運算放大器以及一個電容，其中電阻R₁和電容C構成第一個時間常數τ₁，電阻R₂和電容C構成第二個時間常數τ₂；這兩個數決定環路的阻尼系數，阻尼系數對環路特性影響極大；環路濾波器的頻率響應中，在頻率很小的時候環路濾波器表現出了極大的增益，說明環路濾波器對直流分量以及低頻分量的增益非常大，體現出低通特性；

(5)數控振蕩器控制反饋信號；

環路濾波器得到數控振蕩器的控制信號；數控振蕩器根據此控制信號的調節，輸出反饋相位；數控振蕩器的時域數學表達式和Z域數學表達式如下所示：

y(n)＝y(n-1)+Kx(n)

其中x(n)為控制信號，y(n)為數控振蕩器輸出的反饋信號，K為數控靈敏度；

(6)增加延遲單元，調整環路時序；

為環路添加一個延遲單元，添加位置在減法器和環路數控振蕩器之間；延遲單元的主要目的調整環路的時序結構，使得第N個負反饋可以和第N個樣點進行計算；第N個時刻的信號送入環路后，會產生第N個時刻的反饋，這個反饋值要和第N+1個輸入信號進行運算；為了調整這一個單位時間的差值特別設置環路延遲單元；延遲單元的時域表達式和Z域表達式分別為：

y(n)＝x(n-1)

y(n)為數控振蕩器輸出的反饋信號，x(n-1)表示相差前一時刻的控制信號；

(7)符號定時同步算法參考電平；

利用載波同步算法中的符號周期，可以預先確定符號定時同步中的周期參考電平；參考周期來自于數控電壓振動，在一個周期內，數控電壓保持平穩，當新的符號周期到來，數控電壓在短時間內產生一個跳變，這個跳變就預示著符號的預判周期，根據預判周期的電平值，計算出預判周期的參考電平；此參考電平用于改進Gardner算法，使其可以應用在多電平信號上；公式如下所示：

u_t(n)＝[x_I(n-1/2)-A_I][x_I(n)-x_I(n-1)]+[x_Q(n-1/2)-A_Q][x_Q(n)-x_Q(n-1)]

其中x_I(n)和x_Q(n)表示預判周期內的電平值；對于多電平信號，類似于即使在沒有符號定時誤差的時候周期之間的值也很有可能不為零；為了避免這種情況的發生，本算法將中間值與前后兩個碼元的代表電平平均值做差，這樣差值就代表原來算法中的中間值；

(8)符號定時同步檢錯部分；

根據上文所提到的來自于數控電壓振動產生的預判區間信息，判斷采樣信號位于第[N,N+m]區間內，若實際采樣信號在這個區間之外，則環路同步失敗。