高速數(shù)傳中定時同步設計與FPGA實現(xiàn)
摘要 文中對適用于高速突發(fā)通信的基于數(shù)字濾波平方的定時同步算法進行了研究。通過對在高速數(shù)據(jù)傳輸通信中,該定時同步環(huán)路的定時誤差估計模塊進行并行結(jié)構實現(xiàn),大幅降低了系統(tǒng)對于時鐘的要求,且更加易于實現(xiàn);將文中所提定時控制部分與其他文獻中的方法做了對比,表明所用方法可以達到更好的效果。最后進行的Matlab仿真以及硬件實現(xiàn),結(jié)果表明,該環(huán)路可以實現(xiàn)突發(fā)與非突發(fā)情況下的高速數(shù)傳定時同步。
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/201610/308515.htm目前,數(shù)字通信系統(tǒng)正向高速全數(shù)字化方向發(fā)展。在全數(shù)字接收機定時同步中,主要包括兩個關鍵點:定時誤差估計和定時控制。傳統(tǒng)的定時同步方法中一般直接調(diào)節(jié)本地采樣時鐘以達到采樣最佳的效果,而在全數(shù)字接收機中,本地采樣時鐘不變,通過計算定時誤差控制產(chǎn)生重采樣時鐘達到最佳采樣。通過產(chǎn)生重采樣時鐘達到定時同步的方法常用的有Gardner算法和數(shù)字濾波平方法。二者同屬定時同步中的內(nèi)插法,對載波信號不敏感,可以先于載波同步進行,差別在于Gardner屬于反饋式,而數(shù)字濾波平方法屬于前饋式,所以后者的同步時間更短更適合處理突發(fā)信號,因此在存在突發(fā)情況的全數(shù)字接收機中得到了廣泛應用。數(shù)字濾波平方法適用于正在研究項目中,要求可以處理突發(fā)情況下MPSK與MQAM調(diào)制信號的定時同步,并且在高速通信情況下,通過對算法的定時誤差估計模塊進行并行結(jié)構實現(xiàn),可以大幅降低對于時鐘的要求,所以對數(shù)字濾波平方法的研究是必要和有意義的。
1 定時同步原理
對于一般的線性調(diào)制信號,有
其中,cn為發(fā)送的符號數(shù)據(jù);g(t):gT(t)×gR(t)為系統(tǒng)脈沖響應;gT(t)為發(fā)送端成型濾波器的脈沖響應;gR(t)為接收端匹配濾波器的脈沖響應;T為符號周期;s(t)為慢變的采樣時間誤差;B(t)為載波相差,這里不考慮載波相差,即B(t)=0,n(t)為高斯噪聲,n(t)~N(0,2δ2),其同相分量和正交分量的方差均為δ2。
對接收信號r(t)以采樣率N/T采樣可得
rk=r(kT/N) (2)
然后對采樣后的信號取模并平方,得xk樣本信號,該樣本信號中包含有一個頻率為1/T的頻譜分量,該頻譜分量中就包含有定時誤差信息。通過計算每一段長為LN(即LN個采樣數(shù)據(jù);L代表一次運算的符號數(shù);N表示每個符號的采樣點數(shù);一般取N=4)的數(shù)據(jù)序列的傅里葉系數(shù)提取出來,該系數(shù)為
式中求出的定時誤差
為ε的無偏估計。
2 定時誤差估計
2.1 實現(xiàn)框圖
根據(jù)式(3),當N=4時通過公式變換可得定時誤差估計實現(xiàn)框圖如圖1所示。
其中,匹配濾波之后,加入一個中心頻率為1/2T,帶寬為α/T的帶通濾波器,用來濾除帶外噪聲,并在誤差求出之后加入一個卡爾曼濾波器,用以對結(jié)果進行平滑。
2.2 誤差估計的并行結(jié)構
針對高速數(shù)據(jù)傳輸時的通信,在定時同步的前端,ADC采樣采取并行結(jié)構,也即ADC通過并行時間交織的采樣方式進行4倍采樣。然后匹配濾波器設計為并行轉(zhuǎn)置型FIR,進行并行輸出,輸出的結(jié)果再次使用并行結(jié)構,分別求出式(5)中image(x)和real(x),并行結(jié)構如圖2所示。
預設定時誤差為1/4,在不同輸入信噪比情況下驗證定時誤差估計的準確性,如圖3所示。定時誤差并行算法結(jié)構能夠正確地估計定時誤差。
3 定時控制
定時控制部分,文獻提到用與Gardner算法中相同的控制方法,即環(huán)路濾波和NCO控制。在此,文中使用另外一種定時控制方法,獲得了更好的效果。定時控制部分,文中采用定時估計算法,估計出的誤差值去控制產(chǎn)生內(nèi)插所要用到的整數(shù)間隔mk和分數(shù)間隔μk。
Gardner定時控制方法和新控制方法分別為兩種定時控制方法在碼速率為300 MHz,采樣率為1.2 GHz,時偏為0.25T,SNR為15 dB時的星座圖。從星座圖可明顯看出,新控制方法效果更好,星座圖更加收斂。
4 Matlab仿真
仿真中,采用QPSK調(diào)制,匹配濾波器滾降系數(shù)設為0.35,符號率為300 MHz,采樣率1.2 GHz,每個碼元采4個點,信噪比設為15 dB,信道為高斯白噪聲信道。
當時偏設為0.25T和-0.25T時,環(huán)路定時誤差檢測結(jié)果分別如圖6(a)和圖6(b)所示。通過圖8可以看出誤差檢測結(jié)果是可信的。
5 算法實現(xiàn)
在Matlab仿真性能得到保證的前提下,文中對該算法進行了硬件實現(xiàn),并取得了良好的效果。算法硬件實現(xiàn)流程,如圖7所示。
信號源部分使用信號發(fā)生器產(chǎn)生300 MHz的BPSK信號,A/D采樣率為1.2 GHz,A/D直接對基帶信號以4倍的符號率采樣,匹配濾波的滾降系數(shù)為0.5,數(shù)字處理部分采用Xilinx公司的Virtex-4系列FPGA芯片。算法實現(xiàn)消耗8%的Slices以及14%的DSP48s。
使用Chipscope觀察,當信噪比為15 dB時,定時同步前后的星座圖對比如圖8所示。
6 結(jié)束語
設計了基于數(shù)字濾波平方的全數(shù)字接收機定時同步方法,定時同步環(huán)路主要由定時誤差提取、定時控制與內(nèi)插濾波器3部分組成。其中定時誤差是由基帶采樣信號進行離散傅里葉變換提取得到,并且文中設計了一種適用于高速通信下的并行實現(xiàn)結(jié)構,內(nèi)插系數(shù)由定時控制模塊計算的小數(shù)間隔確定,從定時控制模塊計算出的整數(shù)間隔相當于重采樣時鐘,對內(nèi)插后的信號進行采樣,即可得到同步數(shù)據(jù)。數(shù)字濾波平方法屬于非數(shù)據(jù)輔助型,對載波不敏感,可以先于載波同步進行,算法實現(xiàn)結(jié)構屬于前饋式,適合于突發(fā)通信、運算簡單、系統(tǒng)實現(xiàn)方便,Matlab仿真與硬件實現(xiàn)結(jié)果表明,該設計方案可以較好地解決定時問題。
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