一種基於滑動積分的比特位同步方法及系統與流程
2023-05-06 04:26:27
本發明涉及一種應用於數字通信系統中的基於滑動積分的比特位同步方法及系統。
背景技術：
在數字通信系統中，為了限制被傳輸數位訊號的頻譜，需要對數位訊號進行成型濾波後，再對載波進行調製，以實現信號的帶限傳輸，接收端經過相干解調、採樣判決後恢復出發射端的數位訊號。由於信道傳輸延時以及收發兩端時鐘偏移，接收端採樣判決無法在最佳時刻進行，比特位同步就是用來調整接收端的採樣時鐘與發送端時鐘同步的一種同步措施。比特位同步的方法主要有兩種：非線性變換濾波法和鎖相法。其中通過比較本地時鐘與接收數據碼元，使本地時鐘與接收數據碼元同步的絕對值型超前-遲後積分同步環法應用最為廣泛。傳統的超前-遲後積分同步環法如圖1所示，通過比較超前、遲後積分值的絕對值取得檢相誤差，經環路濾波後調整壓控振蕩器(VCO)產生超前和遲後採樣時鐘。其不僅需要兩路積分器，還需要設計複雜的VCO電路，設計實現困難，資源消耗較大。如授權公告號為CN1988435B(申請號為200610147457.0)的中國發明專利《一種數組比特位同步方法》中即採用該類似於超前-遲後積分同步環法的方法。又如授權公告號為CN101889408B(申請號為200880002215.X)的中國發明專利《一種改進的位同步數位化的方法》，其中公開的位同步數位化的方法，其對信號的處理過程及計算過程相對複雜。
技術實現要素：
本發明所要解決的第一個技術問題是針對上述現有技術提供一種計算簡單、易於實現、資源消耗較小且適用於多種通信調製模式的基於滑動積分的比特位同步方法。本發明所要解決的第二個技術問題是針對上述現有技術提供一種結構簡單，計算快速準確的基於滑動積分的比特位同步系統。本發明解決上述第一個問題所採用的技術方案為：一種基於滑動積分的比特位同步方法，其特徵在於：包括如下步驟：步驟一、根據本地參考時鐘，以Fs的採樣頻率對波特率為Fd的比特位信號進行採樣並量化，以獲取比特位數據，依次做連續k個採樣點對應獲取的比特位數據的滑動積分，從而獲取比特位數據的滑動積分序列，其中k＝Fs/Fd，對比特位信號的採樣周期t＝1/Fs；步驟二、隨機取滑動積分值序列中一個積分值為超前積分值；步驟三、獲取超前積分值後延時T個採樣周期計算獲取最佳積分值，延時2T個採樣周期計算獲取遲後積分值，其中步驟四、比較超前積分值絕對值和遲後積分值絕對值的大小；如果超前積分值絕對值等於遲後積分值絕對值，則執行步驟五；如果超前積分值絕對值大於遲後積分值絕對值，則執行步驟六；如果超前積分值絕對值小於遲後積分值絕對值，則執行步驟七；步驟五：在滑動積分序列中相對於當次超前積分值獲取的採樣時間位置，延時k個採樣周期對應獲取的下一個滑動積分值作為超前積分值；步驟六、在滑動積分序列中相對於當前超前積分值獲取的採樣時間位置，延時k-1個採樣周期對應獲取的下一個滑動積分值作為超前積分值；步驟七、在滑動積分序列中相對於當次超前積分值獲取的採樣時間位置，延時k+1個採樣周期對應獲取的下一個滑動積分值作為超前積分值；步驟八、返回步驟三，直至最佳積分值點穩定在一個比特位信號中的一個固定採樣點位置，最終實現比特位同步。本發明解決上述第二個問題所採用的技術方案為：一種基於滑動積分的比特位同步系統，其特徵在於：包括：採樣量化模塊，根據本地參考時鐘對比特位信號波形進行採樣並量化，從而獲取比特位數據；滑動積分模塊，與所述採樣量化模塊相連接，用於對比特位數據實現滑動積分處理，從而獲取比特位數據的滑動積分數據序列；積分鎖存模塊，與所述滑動積分模塊相連接，根據使能信號用於存儲比特位數據的超前積分值、最佳積分值和遲後積分值；環路濾波模塊，與所述積分鎖存模塊相連接，用於對超前積分值和遲後積分值進行比較運算，並獲取調整數據；鎖存周期調整模塊，分別與所述積分鎖存模塊和所述環路濾波模塊相連接，根據調整數據調整積分鎖存模塊的使能信號。優選地，所述滑動積分模塊包括：數據緩存單元，與所述採樣量化模塊相連接，用於存儲採樣量化的比特位數據；循環累加單元，分別與所述採樣量化模塊和所述數據緩存單元相連接，用於實現比特位數據的滑動積分；優選地，所述積分鎖存模塊包括：第一使能信號延遲單元，與所述鎖存周期調整模塊相連接，將鎖存周期調整模塊獲取的使能信號作為超前積分值使能信號，同時根據使能信號獲取最佳積分值使能信號和遲後積分值使能信號；數據鎖存單元，分別與循環累加單元和和第一使能信號延遲單元相連接，獲取與循環累加單元中傳送的比特位數據滑動積分序列，並根據自第一使能信號延遲單元中獲取的超前積分值使能信號鎖存超前積分值，獲取的最佳積分值使能信號鎖存最佳積分值，獲取的遲後積分值使能信號鎖存遲後積分值。優選地，所述環路濾波模塊包括：絕對值比較單元，與所述數據鎖存單元相連接，用於比較超前積分值絕對值和遲後積分值絕對值的大小；第二使能信號延遲單元，分別與所述絕對值比較單元和所述鎖存周期調整模塊相連接，根據鎖存周期調整模塊輸出的使能信號獲取絕對值比較單元的數據有效使能信號；雙向濾波單元，與所述絕對值比較單元相連接，根據絕對值比較單元的比較結果調整雙向濾波器單元參數。優選地，所述鎖存周期調整模塊包括：使能信號調整單元，與所述雙向濾波單元相連接，根據雙向濾波器單元參數調整使能信號周期；使能信號生成單元，分別與所述使能信號調整單元、第一使能信號延遲單元、第二使能信號延遲單元相連接，根據使能信號調整單元調整後的使能信號周期，生成使能信號。方便地，所述數據緩存單元為一個FIFO，所述FIFO的深度為k。為了完成循環累加單元對比特位數據的滑動積分計算，所述循環累加單元包括三個數據輸入端，其中，第一個數據輸入端與所述數據緩存單元的輸出端相連接，第二個數據輸入端與所述採樣量化模塊的輸出端相連接，第三個數據輸入端與循環累加單元的數據輸出端相連接。與現有技術相比，本發明的優點在於：該基於滑動積分的比特位同步方法計算簡單、計算量小，易於實現、資源消耗較小，同時適用於移頻鍵控(FSK)、最小移頻鍵控(MSK)、高斯最小移頻鍵控(GMSK)等多種通信調製模式。同時基於滑動積分的比特位同步系統配合其方法使用，整體架構簡單，計算快速準確，能夠有效的實現比特位同步。附圖說明圖1為傳統絕對值型超前-遲後積分環位同步方法的結構示意圖。圖2為本實施例中基於滑動積分的比特位同步系統結構框圖。圖3為本實施例中比特位信號波形和比特位數據滑動積分波形示意圖。圖4為本實施例中基於滑動積分的比特位同步方法的流程圖。具體實施方式以下結合附圖實施例對本發明作進一步詳細描述。如圖2所示，本實施例中的基於滑動積分的比特位同步系統，包括採樣量化模塊1、滑動積分模塊2、積分鎖存模塊3、環路濾波模塊4、鎖存周期調整模塊5。其中，採樣量化模塊1，根據本地參考時鐘對比特位信號波形進行採樣並量化，從而獲取比特位數據，本實施例中採樣頻率為Fs，則相應的採樣周期t＝1/Fs，比特位信號的波特率為Fd。滑動積分模塊2，與採樣量化模塊1相連接，用於對比特位數據實現滑動積分處理，從而獲取比特位數據的滑動積分數據序列。該滑動積分模塊2包括數據緩存單元21和循環累加單元22。其中，數據緩存單元21，與採樣量化模塊1相連接，用於存儲當比特位信號量化後的比特位數據。本實施例中的數據緩存單元21為一個FIFO，該FIFO的深度為k，其中k＝Fs/Fd。則FIFO中僅能存儲k個數據，FIFO根據其先進先出原則存儲最新的k個採樣點獲取的比特位數據，而將當前採樣點前的第k個採樣點對應的數據輸出到循環累加單元22。循環累加單元22，分別與採樣量化模塊1和數據緩存單元21相連接，用於做k個採樣點對應的比特位數據的滑動積分。該循環累加單元22包括三個數據輸入端，其中，第一個數據輸入端與數據緩存單元21的輸出端相連接，第二個數據輸入端與採樣量化模塊1的輸出端相連接，第三個數據輸入端與循環累加單元22的數據輸出端相連接。該循環累加單元22在累加計算時，將循環累加單元22的數據輸出端輸出的累加計算結果與採樣量化模塊1的輸出端傳送的最新採樣量化的比特位數據進行相加，同時減去FIFO中送出的比特位數據，獲取當前的比特位積分值。即當前的比特位積分值為當前採樣點前k個採樣點獲取的比特位數據和加上當前採樣點的比特位數據，再減去當前採樣點前的第k個採樣點對應獲取的比特位數據。積分鎖存模塊3，與滑動積分模塊2相連接，根據使能信號用於存儲比特位數據的超前積分值、最佳積分值和遲後積分值。該積分鎖存模塊3包括第一使能信號延遲單元31和數據鎖存單元32。其中，第一使能信號延遲單元31，與所述鎖存周期調整模塊5相連接，將鎖存周期調整模塊5獲取的使能信號作為超前積分值使能信號，同時根據使能信號獲取最佳積分值使能信號和遲後積分值使能信號；本實施例中，根據使能信號延時k/4個採樣周期獲取最佳積分值使能信號，延時k/2個採樣周期得到遲後積分值使能信號。數據鎖存單元32，分別與循環累加單元22和和第一使能信號延遲單元31相連接，獲取與循環累加單元22中傳送的比特位數據滑動積分序列，並根據自第一使能信號延遲單元31中獲取的超前積分值使能信號鎖存超前積分值，獲取的最佳積分值使能信號鎖存最佳積分值，獲取的遲後積分值使能信號鎖存遲後積分值。環路濾波模塊4，與所述積分鎖存模塊3相連接，用於對超前積分值和遲後積分值進行比較運算，並調整雙向濾單元波參數。該環路濾波模塊4包括絕對值比較單元42、第二使能信號延遲單元41和雙向濾波單元43。其中，絕對值比較單元42，與數據鎖存單元32相連接，用於比較超前積分值絕對值和遲後積分值絕對值的大小。第二使能信號延遲單元41，分別與所述絕對值比較單元42和所述鎖存周期調整模塊5相連接，根據鎖存周期調整模塊5輸出的使能信號獲取絕對值比較單元42的數據有效使能信號；本實施例中根據使能信號延時k/2+1個採樣周期獲取絕對值比較單元42的數據有效使能信號。雙向濾波單元43，與絕對值比較單元42相連接，根據絕對值比較單元42的比較結果調整雙向濾波器單元參數。鎖存周期調整模塊5，分別與積分鎖存模塊3和環路濾波模塊4相連接，根據調整數據調整積分鎖存模塊3的使能信號。該鎖存周期調整模塊5包括使能信號調整單元51和使能信號生成單元52。其中，使能信號調整單元51，與雙向濾波單元43相連接，根據雙向濾波器單元參數調整使能信號周期。使能信號生成單元52，分別與使能信號調整單元51、第一使能信號延遲單元31、第二使能信號延遲單元41相連接，根據使能信號調整單元51調整後的使能信號周期，生成使能信號。本實施例中，雙向濾波單元43中輸出的雙向濾波單元43參數N作為使能信號中的採樣時間位置指針參數，用於指示計算超前積分值相對應的採樣時間位置。同時，根據雙向濾波單元43中輸出的雙向濾波單元43參數N調整使能信號的周期，從而形成使能信號的周期參數L，最終在使能信號生成單元52中生成一個具有位置信息N和周期信息L的使能信號。該使能信號在本實施例中作為超前積分值使能信號。其中N＝[N0,N1,...,Ni,Ni+1,...]，i為自然數，Ni表示第i個完整的波特位信號對應的滑動積分序列中的採樣時間位置指針參數。如圖3和圖4所示，利用前述的基於滑動積分的比特位同步系統實現的比特位同步方法，包括如下步驟：步驟一、採樣量化模塊1根據本地參考時鐘，以Fs的採樣頻率對波特率為Fd的比特位信號進行採樣並對其進行量化，從而不斷的獲取比特位數據；將獲取的比特位數據分別送入到數據緩存單元21和循環累加單元22中，並在循環累加單元22中依次做連續k個採樣點對應獲取的比特位數據的滑動積分，從而獲取比特位數據的滑動積分序列，比特位數據的滑動積分序列再被傳送到數據鎖存單元32中。步驟二、隨機取滑動積分值序列中一個積分值為超前積分值。本實施例中，預設雙向濾波單元43參數初始值N0＝k/8，即自採樣開始，k/8個採樣周期內計算的積分值作為超前積分值。預設使能信號的周期參數初始值L0＝k，即初始階段使能信號時周期為k個採樣周期，使能信號電平保持一個採樣周期。步驟三、根據使能信號，在積分鎖存模塊3中獲取超前積分值、最佳積分值和遲後積分值；對於初始狀態而言，自獲取超前積分值後延時k/4個採樣周期計算獲取最佳積分值，即自採樣開始，3k/8個採樣周期內計算的積分值作為最佳積分值；自獲取超前積分值後延時k/2個採樣周期計算獲取遲後積分值，即自採樣開始，5k/8個採樣周期內計算的積分值作為最佳積分值。步驟四、根據第二使能信號延遲單元41中輸出的數據有效使能信號，在絕對值比較單元42中分別對數據鎖存單元32中輸出的超前積分值和延後積分值進行絕對值運算，從而獲取超前積分值絕對值C1和遲後積分值絕對值C2，並比較C1和C2的大小；如果超前積分值絕對值C1等於遲後積分值絕對值C2，則執行步驟五；如果超前積分值絕對值C1大於遲後積分值絕對值C2，則執行步驟六；如果超前積分值絕對值C1小於遲後積分值絕對值C2，則執行步驟七；步驟五、雙向濾波單元43中的雙向濾波單元43參數不進行調整，即Ni+1＝Ni，其中i為自然數，即在滑動積分序列中相對於當次超前積分值獲取的採樣時間位置，延時k個採樣周期對應獲取的下一個滑動積分值作為超前積分值。步驟六、雙向濾波單元43中的雙向濾波單元43參數進行調整，Ni+1＝Ni-1，其中i為自然數，即在滑動積分序列中相對於當次超前積分值獲取的採樣時間位置，延時k-1個採樣周期對應獲取的下一個滑動積分值作為超前積分值。步驟七、雙向濾波單元43中的雙向濾波單元43參數進行調整，Ni+1＝Ni+1，其中i為自然數，即在滑動積分序列中相對於當次超前積分值獲取的採樣時間位置，延時k+1個採樣周期對應獲取的下一個滑動積分值作為超前積分值。在步驟五、步驟六和步驟七中，如果N＝0，則調整使能信號周期參數L＝k-1，即表示使能信號周期調整為k-1個採樣周期，同時雙向濾波參數N復位為初始值，即Ni+1＝N0，最終在使能信號生成單元52中生成使能信號；如果Ni+1＝2N0，則調整使能信號周期參數L＝k+1，即表示使能信號周期調整為k+1個採樣周期，同時雙向濾波參數N復位為初始值，即Ni+1＝N0，最終在使能信號生成單元52中生成使能信號；如果0<Ni+1＝2N0，則使能信號周期參數保持初始值，即L＝k，同時雙向濾波參數N不做調整，最終在使能信號生成單元52中生成使能信號。步驟八、返回步驟三，直至最佳積分值點穩定在一個比特位信號中的一個固定採樣點位置，最終實現比特位同步。