一種用於無線傳輸系統的定時和載波恢復裝置及恢復方法
2023-10-11 01:30:44 1
專利名稱：一種用於無線傳輸系統的定時和載波恢復裝置及恢復方法
技術領域：
本發明涉及一種用於無線傳輸系統的定時和載波恢復裝置及恢復方法，屬於無線
通信技術領域。
背景技術：
在現代通信系統中無線通信手段越來越受到人們的重視。隨著通信技術的發展，對通信的信道容量，頻譜利用率、可靠性和實時性提出了越來越高的要求，利用MIM0信道可以成倍地提高無線信道容量，在不增加帶寬和天線發送功率的情況下，頻譜利用率可以成倍地提高，同時提高了信道的可靠性，降低誤碼率。因此MIM0系統及其相關技術成為近年來人們研究的熱點。 MIMO相關技術的測試驗證以往都只是在仿真的信道環境下進行，嚴重影響了算法驗證的準確性。 一種MM0實時通信系統測試平臺解決了該問題，提供一種MM0無線實時通信系統真實環境測試平臺(以下簡稱MIMO實時平臺)，該平臺的發送接收經歷一個完整的從星座映射、脈衝成形、上變頻、調製、RF到解調、定時和載波恢復、星座逆映射、判決的傳輸過程，並通過真實的無線信道傳輸，恢復的信號能夠更加準確的檢驗MIM0系統算法的性能。並可在此基礎上進行音視頻信號的傳輸，使之同時具有了實際系統開發的價值。MM0實時平臺為研究在真實無線信道環境下多輸入多輸出通信系統的實現問題，搭建一套開放式、階段性、系統級試驗平臺，集數字基帶軟體實現、模擬前端電路和MIMO天線陣列於一體，實現"算法設計一性能驗證一系統實現"的全方位服務。 在MMO實時平臺的搭建過程中，接收端的同步和載波恢復方法是必不可少的。目前，在數字通信系統中，任何消息都是通過一連串碼元序列傳送的，所以接收時必須知道每個碼元的起止時刻，以便在恰當的時刻進行判決。這就需要進行位同步。位同步是指在接收端的基帶信號中提取碼元定時的過程。位同步是正確取樣判決的基礎，位同步點的準確性、穩定性對系統的性能有很大影響。所提取的位同步信息頻率等於碼速率的定時脈衝，相位根據判決時信號的波形確定，可能在碼元中間也可能在碼元的終止時刻或其他時刻，實現方法有插入導頻法和直接法。 在通信系統設計中，由於相干解調與非相干解調相比具有更好的功率效率，因此得到廣泛的應用。而相干解調就需要進行載波恢復，大量的文獻研究了用模擬或數字的方法進行載波恢復，但真正應用於現實系統還需要進一步的改進。
發明內容
針對現有技術的缺陷，本發明提供一種用於無線傳輸系統的定時和載波恢復裝置及恢復方法。 —種用於無線傳輸系統的定時和載波恢復裝置，包括無線傳輸系統的接收裝置、計算機和開發板，無線傳輸系統的接收裝置與開發板和計算機連接，開發板是Sundance公司的帶有FPGA晶片、通過軟體寫入程序的電路板。
—種用於無線傳輸系統的定時和載波恢復方法，用System generater軟體搭建模塊，自動生成Verilog語言的程序，將該程序寫入開發板的FPGA晶片中；定時和載波恢復方法包括如下步驟 1)無線傳輸系統接收機接收數據信號，經過32倍下採樣，獲得在4倍符號速率下的採樣值； 2)內插濾波器對步驟1)得到的採樣值進行插值運算，得到接收數據信號的近似值；在初始狀態下尚未得到定時誤差時，利用初始化後的內插控制信號控制內插濾波器；在環路運行一個周期後，得到接收數據信號的定時誤差；
3)環路濾波器對步驟2)得到的定時誤差進行低通濾波； 4)低通濾波後的定時誤差，經過時鐘控制單元，得到採樣時鐘控制信號和內插控制信號；用內插控制信號控制步驟2)中的內插濾波器； 5)無線傳輸系統的接收機在步驟4)得到的採樣時鐘控制信號的控制下進行頻偏恢復，得到消除了定時誤差和頻偏的最佳接收採樣信號； 6)步驟1)至5)循環往復，實現連續的位定時誤差的恢復和頻偏的恢復。
所述步驟1中，無線實時傳輸系統發送機符號速率為T，接收機進行32倍下採樣，得到的信號時鐘周期為Ts，設採樣速率和符號速率的比值是Ms : Ms = Ts/T。該方法中選擇Ms = 4。 所述步驟2中，初始狀態下還沒有得到定時誤差，利用初始化後的內插控制信號控制內插濾波器，在環路運行一個周期後就會得到定時誤差，就利用定時誤差得到的內插控制信號控制內插濾波器對採樣值進行內插運算，調整採樣時刻使其更接近最佳採樣點。設採樣點估計值為z (mT+ e T)。利用採樣點估計值z (mT+ e T)估計定時誤差，具體步驟如下 定時誤差檢測模塊對上述採樣點估計值分實部虛部分別平方後相加，得到採樣點
估計值的平方L( O 。丄")=2 |z(mT+sT)|2 。 對上述採樣點估計值的平方L( e )進行傅立葉分解丄(s》
Z ，再利用採
樣點估計值的平方L( e )信號延時0個時鐘單元得到的數據減去延時2個時鐘單元得到的數據，得到傅立葉係數Q的實部，採樣點估計值的平方L( e )信號延時1個時鐘單元得到的數據加上延時3個時鐘單元得到的數據再取反，得到傅立葉係數C1的虛部。
1 M ， ，
ReW=+ E |z(4《)l -|z[(4m + 2)7;]
1 M
Im{Cl}=^~ 2 +[(4w + l)7;]| +z[(4m + 3)7;] 對實部和虛部分別進行滑動平均，得到在一段時鐘周期內的平均值。
利用上述步驟得到的實部和虛部的平均值用CORDIC算法，得到相位信息。
由於CORDIC算法必然會有延遲，並且該算法實現的延遲都是按系統時鐘計算的，這就使得外部使能信號和CORDIC算法內部的數據很難同步，所以首先將計算出來的q進行32倍降採樣，使之變成系統時鐘，然後再進入CORDIC算法，計算出來的誤差數據再進行
432倍升採樣恢復。並且由於CORDIC算法要求精度很高，所以對輸入數據首先限制在[-1，1)之間，即將數據位數設置為[-l，l)間的最高精度(16， 15) (16表示數據總位數為16， 15表示小數位佔15位)。然後再變換為(16，13)，原因是C0RDIC算法的輸出數據位數默認是與輸入數據相同，CORDIC算法結果[-2ji，2ji)避免溢出，再將(16,15)的數據轉換為(16，13)，滿足精度和幅值的要求。 對相位信息進行界限控制，將相位信息控制在[-2ji ，2ji)，並乘以-1/2JI ，得到定時誤差s附。 =-1/27rarg(cJ 。 所述步驟3中，對步驟2到的定時誤差估計值進行環路濾波，所述環路濾波器採用低通濾波。 所述步驟4中，利用低通濾波後的定時誤差獲得內插濾波器的控制信號和採樣時鐘控制信號。 所述步驟5中，無線傳輸系統接收機頻偏恢復，具體步驟如下 利用步驟3得到的採樣時鐘控制信號進行採樣，得到單倍符號速率的數據採樣。 單倍速率的數據採樣和其經過極性判決後的數據相乘，然後利用CORDIC算法求
相位，得到相位偏差估計值e e。 &=argOSO^ V"。 環路濾波器對上述相位偏差估計值進行低通濾波，濾除噪聲和幹擾，提高了抗幹擾能力。 利用經過環路濾波後的相位偏差估計值控制NCO，得到相應頻率的誤差控制信號。
誤差控制信號取共軛，乘以單倍速率的數據信號，得到糾正誤差後的正確數據。
在實現過程中，由於信號是4倍的符號速率，但有的地方是只對有效的數據進行操作，也就是在操作過程中進行採樣抽取，這就需要各個模塊都用採樣時鐘來控制使能。最重要的就是延遲，如附圖4:用使能信號控制延時，當有使能時，信號取上一個時鐘的信號，沒有使能信號時就維持以前的數據，所以用該使能信號控制下一步操作，正好能將有效數據取出來，以保證運算的正確性。並且用FPGA仿真時是定點操作，每一步的數據位數都既要滿足數據幅度的大小，保證不溢出，又要保證資源的利用率，不能盲目的使用較大的數據位數，這就需要一步步的調整。 本發明提供了一種適用於MIMO實時平臺的定時和載波恢復方法，具有特殊的接口以滿足整個系統的要求，並具有獨立的模塊性質，可以用於其他的通信系統，只需對接口做適當的修改。通過定時和載波恢復算法，解決了通過無線信道後接收信號重採樣的定時誤差以及傳輸過程中引入的相位偏差問題，提高信號質量。 本發明的有益效果為對應用於實際平臺中的算法降低系統複雜度的同時，解決了數據星座圖發散和旋轉的問題，並使得星座圖收斂的較好較快。 本發明針對MMO實時平臺搭建過程中通信鏈路接收端數據載波頻偏和時鐘不同步的問題，提供一種檢測載波頻偏和時鐘信息，並能通過鎖相環進行載波恢復和位定時同步的方法。該方法可以大大提高接收端數據的準確性，減小誤碼率，並且星座圖鎖定時間較短，適用於實際信道環境的數據恢復。
圖1為本發明的結構示意圖。 圖2為本發明的系統流程圖。 圖3為本發明中定時檢測模塊的實現流程圖。 圖4為本發明中載波恢復算法的環路實現流程圖。 圖5為本發明中使能控制延遲的原理時序圖。 其中，1 、接收裝置，2 、開發板，3 、計算機。
具體實施方式
實施例 —種用於無線傳輸系統的定時和載波恢復裝置，包括無線傳輸系統的接收裝置l、計算機3和開發板2，無線傳輸系統的接收裝置1與開發板2和計算機3連接，開發板2是Sundance公司的帶有FPGA晶片、通過軟體寫入程序的電路板。 —種用於無線傳輸系統的定時和載波恢復方法，用System generater軟體搭建模塊，自動生成Verilog語言的程序，將該程序寫入開發板的FPGA晶片中；定時和載波恢復方法包括如下步驟 1)無線傳輸系統接收機接收數據信號，經過32倍下採樣，獲得在4倍符號速率下的採樣值； 2)內插濾波器對步驟1)得到的採樣值進行插值運算，得到接收數據信號的近似值；在初始狀態下尚未得到定時誤差時，利用初始化後的內插控制信號控制內插濾波器；在環路運行一個周期後，得到接收數據信號的定時誤差；
3)環路濾波器對步驟2)得到的定時誤差進行低通濾波； 4)低通濾波後的定時誤差，經過時鐘控制單元，得到採樣時鐘控制信號和內插控制信號；用內插控制信號控制步驟2)中的內插濾波器； 5)無線傳輸系統的接收機在步驟4)得到的採樣時鐘控制信號的控制下進行頻偏恢復，得到消除了定時誤差和頻偏的最佳接收採樣信號； 6)步驟1)至5)循環往復，實現連續的位定時誤差的恢復和頻偏的恢復。
權利要求
一種用於無線傳輸系統的定時和載波恢復裝置，包括無線傳輸系統的接收裝置、計算機和開發板，其特徵在於，無線傳輸系統的接收裝置與開發板和計算機連接，開發板是Sundance公司的帶有FPGA晶片、通過軟體寫入程序的電路板。
2. —種用於無線傳輸系統的定時和載波恢復方法，其特徵在於，用System generater軟體搭建模塊，生成Verilog語言的程序，將該程序寫入開發板的FPGA晶片中；定時和載波恢復方法包括如下步驟1) 無線傳輸系統接收機接收數據信號，經過32倍下採樣，獲得在4倍符號速率下的採樣值；2) 內插濾波器對步驟l)得到的採樣值進行插值運算，得到接收數據信號的近似值；在初始狀態下尚未得到定時誤差時，利用初始化後的內插控制信號控制內插濾波器；在環路運行一個周期後，得到接收數據信號的定時誤差；3) 環路濾波器對步驟2)得到的定時誤差進行低通濾波；4) 低通濾波後的定時誤差，經過時鐘控制單元，得到採樣時鐘控制信號和內插控制信號；用內插控制信號控制步驟2)中的內插濾波器；5) 無線傳輸系統的接收機在步驟4)得到的採樣時鐘控制信號的控制下進行頻偏恢復，得到消除了定時誤差和頻偏的最佳接收採樣信號；6) 步驟l)至5)循環往復，實現連續的位定時誤差的恢復和頻偏的恢復。
全文摘要
一種用於無線傳輸系統的定時和載波恢復裝置及恢復方法，屬於無線通信技術領域。裝置包括無線傳輸系統的接收裝置、計算機和開發板，無線傳輸系統的接收裝置與開發板和計算機連接，開發板是帶有FPGA晶片、通過軟體寫入程序的電路板。方法是用軟體搭建模塊，生成程序，將該程序寫入開發板中；接收機接收數據信號，經過32倍下採樣，獲得4倍符號速率下的採樣值；對採樣值進行插值運算，得到接收數據信號的定時誤差；對定時誤差進行低通濾波；經過時鐘控制單元，得到採樣時鐘控制信號和內插控制信號；用內插控制信號控制內插濾波器，在採樣時鐘控制信號的控制下進行頻偏恢復，循環往復，實現連續的位定時誤差的恢復和頻偏的恢復。
文檔編號H04L1/06GK101753289SQ20091023149
公開日2010年6月23日 申請日期2009年12月15日 優先權日2009年12月15日
發明者劉朝娜, 孫健, 岑楠, 徐超, 王鳳菊, 王恆, 袁東風, 賈會超 申請人:山東大學