基于FPGA的通用位同步器設(shè)計方案(一)
本文主要是先闡述傳統(tǒng)Gardner算法的原理,然后給出改進(jìn)后的設(shè)計和FPGA實現(xiàn)方法,最后對結(jié)果進(jìn)行仿真和分析,證明該設(shè)計方案的正確、可行性。
0 引言
數(shù)字通信中,位同步性能直接影響接收機(jī)的好壞,是通信技術(shù)研究的重點和熱點問題。通信系統(tǒng)中,接收端產(chǎn)生與發(fā)送基帶信號速率相同,相位與最佳判決時刻一致的定時脈沖序列,該過程即稱為位同步。常見的位同步方法包括濾波法和鑒相法。濾波法對接收波形進(jìn)行變換,使之含有位同步信息,再通過窄帶濾波器濾出,缺點是只適用于窄帶信號。最為常用的位同步方法是鑒相法,包括鎖相法和內(nèi)插法兩種。鎖相法采用傳統(tǒng)鎖相環(huán),需要不斷調(diào)整本地時鐘的頻率和相位,不適合寬速率范圍的基帶碼元同步。而內(nèi)插法則利用數(shù)字信號的內(nèi)插原理,通過計算直接得到最佳判決點的值和相位。
Gardner算法即是基于內(nèi)插法的原理,通過定時環(huán)路調(diào)整內(nèi)插計算的參數(shù),從而跟蹤和鎖定位同步信號,該算法的優(yōu)點在于不需要改變本地采樣時鐘,可以適應(yīng)較寬速率范圍內(nèi)的基帶信號,因而具有傳統(tǒng)方法不可替代的優(yōu)勢。Gardner算法的實現(xiàn)方法,為算法的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。Farrow結(jié)構(gòu)非常適合實現(xiàn)Gardner算法的核心,即內(nèi)插濾波器部分,其優(yōu)點是資源占用較少,且濾波器系數(shù)實時計算,便于內(nèi)插參數(shù)調(diào)整。定時誤差檢測,但在定時誤差檢測時需要信號中存在判定信息,并且對載波相位偏差敏感。不足進(jìn)行了改進(jìn),提出了GA-TED(Gardner Timing Error Detection)算法,其優(yōu)點是不需要預(yù)知判定信息,且獨立于載波同步,并且適合FPGA 實現(xiàn)。改進(jìn)的Gardner 算法,并將其應(yīng)用于M-PSK 系統(tǒng)。提高了Gardner 算法的抗自噪聲能力,即降低了對本地時鐘的要求。
本文基于FPGA 平臺并采用Gardner 算法設(shè)計,其中,內(nèi)插濾波器采用Farrow 結(jié)構(gòu),定時誤差檢測采用GA-TED算法。同時對傳統(tǒng)Gardner算法結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn),使環(huán)路濾波器和NCO的參數(shù)可由外部控制器設(shè)置,以適應(yīng)不同速率的基帶碼元,實現(xiàn)通用的位同步器的設(shè)計方案。此外,本設(shè)計方案還對FPGA 代碼進(jìn)行了優(yōu)化,節(jié)省了大量硬件資源。最后進(jìn)行了仿真和分析,給出了仿真結(jié)果,證實了該方案的可行性。
1 傳統(tǒng)Gardner 算法與改進(jìn)
1.1 傳統(tǒng)Gardner算法基本原理
傳統(tǒng)Gardner算法結(jié)構(gòu)如圖1所示。
在圖1中,輸入的連續(xù)時間信號x(t) 碼元周期為T,頻帶受限。在滿足奈奎斯特定理的條件下,接收端采用獨立時鐘對x(t) 進(jìn)行采樣。內(nèi)插濾波器計算出內(nèi)插值y(k),送至定時環(huán)路進(jìn)行誤差反饋和參數(shù)調(diào)整,并與控制器輸出的位同步脈沖BS一起送往解調(diào)器的抽樣判決器。
定時環(huán)路包含定時誤差檢測、環(huán)路濾波器和控制器。定時誤差檢測提取插值時刻和最佳判決時刻的誤差;該誤差經(jīng)環(huán)路濾波器濾除高頻噪聲后送給控制器;控制器計算插值時刻(即為位同步信號的2倍頻)和誤差間隔。插值時刻和誤差間隔用于調(diào)整內(nèi)插濾波器的系數(shù),使插值時刻盡可能與最佳判決點同相,最終實現(xiàn)位同步信號的提取。
1.2 改進(jìn)的Gardner算法結(jié)構(gòu)
從上節(jié)可以看出,傳統(tǒng)Gardner算法無法滿足較寬速率范圍基帶信號的位同步要求。為實現(xiàn)該要求,本設(shè)計在FPGA 平臺的基礎(chǔ)上,對算法實現(xiàn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn),改進(jìn)結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2中,內(nèi)插濾波器采用Farrow結(jié)構(gòu)的FIR 濾波器實現(xiàn),濾波器
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