一种射频直接带通采样数字接收系统中时钟抖动消除方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种射频直接带通采样数字接收系统中时钟抖动消除算法，属于高速 高精度模拟数字转换技术和通信技术领域。
【背景技术】
[0002] 高速高精度模数转换器是雷达、医疗仪器、通信系统等现代电子系统的重要部件， 而时钟抖动是模数转换中影响信号信噪比的重要因素。传统的超外差接收机和中频接收机 由于其架构本身的限制，本身具有体积笨重，可扩展性差的缺点，已逐渐不能适应数字接收 系统的发展需要。一种新的解决方案是使用射频直接带通采样架构。运种接收方案利用了 软件无线电的思想，将ADC尽量靠近天线，使用模数转换器直接采样射频信号，在天线和模 数转换器之间只有跟踪滤波器和放大器，如果ADC的灵敏度足够高，则放大器也可W取消。 因此，射频直接带通采样的设计方案，使得其具有极强的灵活性和可重配置性，能够适应目 前设备兼容多种通讯标准的要求，具有体积小，成本低的特点，同时由于其采用了带通采样 方式，使得ADC和系统的功耗大大降低。理想的ADC可实现模拟信号的均匀采样。但是由 于实际电路制造工艺的限制，使得ADC在采样的上升沿（下降沿）跳变时刻不可避免的产 生偏差，将影响接收系统的性能。传统的接收架构将射频信号下变频到中频或者基带后再 对模拟信号进行采样，ADC采样信号的采样率不高，使得模数转换器的时钟抖动影响相对较 小。而射频直接采样数字接收系统中，模数转换器要对射频信号进行进行直接采样，因此， 对模数转换器采样时钟的准确性提出了较高的要求。因此，射频直接带通采样下时钟抖动 的补偿既是研究热点也是一个技术难点。
[0003] 技术上，通常是通过在射频直接采样系统的模数转换器输出端采用数字后补偿技 术来补偿时钟抖动的影响。文献跟踪研究表明，迄今数字接收系统的时钟抖动补偿研究开 展的并不广泛，主要因为目前的通讯接收技术主要使用数字中频和零中频技术。现有的时 钟抖动技术大多基于输入信号为OFDM或者LTE信号，将信号变换到频域变换消除时钟抖动 效果，运类算法目前成为国内外研究热点，也有文献显示将接收端的抖动估计值反馈到输 入端，在发射端使用数字预失真技术消除抖动的影响，但要求系统的发射端和接收端能够 很好同步。综上，现有的时钟抖动消除算法存在W下局限性：（1)只能对窄带信号进行补偿 (Rutten,民.，L. J. Breems, and 民.Η. Μ. van Veldhoven. Digital jitter-cancellation for narrowband signals, in Circuits and Systems, 2008. ISCAS 2008. IEEE International Symposium on. 2008.) ; (2)计算复杂度高（Weller, D.S. and V. K. Goyal, Bayesian Post-Processing Methods for Jitter Mitigation in Sampling. Signal Processing, IE 邸 Transactions on, 2011. 59 巧）：p. 2112-2123.) ;(3)仅适 合于特定输入信号的数字接收系统，如0抑M等（Rabbi，M.F. and C.C.Ko. Modeling， estimation and mitigation of colored timing jitter for OFDMA system, in Consumer Communications and Networking Conference (CCNC));因此，研究一种新的适 用范围广，计算复杂度化，对模拟输入信号限制少的射频直接带通采样数字接收系统的时 钟抖动消除算法具有重要现实意义。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提出一种射频直接带通采样数字接收系统的时钟抖动补偿方法， 该补偿方法具有补偿效果好，计算复杂度低的特点，对输入信号频率无限制，对数字接收系 统的接收信号类型无限制等突出优点，能对射频直接带通采样数字接收系统的时钟抖动进 行补偿。 阳〇化]一种射频直接带通采样数字接收系统的时钟抖动补偿方法。其思想是，利用射频 直接带通采样数字接收系统的实际采样输出值，利用带通采样定理和数字下变频等原理， 推导含有抖动的非均匀离散信号与误差信号之间的关系，实现射频直接带通采样数字接收 系统的时钟抖动误差的估计和消除，具体原理表述如下，对于射频直接带通采样数字接收 系统，不失一般性，设其输入信号为：
[0006]
脚
[0007] 其中，Si(t)+js?(t)为接收的带通信号对应的基带等效信号，f。为载波频率。设 ADC的采样抖动RMS (均方根）值为ζ。，射频直接带通采样数字接收系统采用带通采样，贝U ADC输出信号可表示为：
[0008]
傑
[0009] 其中，IV为ADC采样周期。利用带通采样定理和数字下变频原理可得，采样信号 变换到基带的近似表达式为：
[0010]
(3)
[0011] 其中，L为基带信号采样周期，Ζ。是射频直接带通采样数字接收系统经过带通采 样和数字下变频后获得的基带信号（为含有抖动的非均匀离散信号）。s(nL)为理想的均 匀基带离散信号，并由下式定义
[0015] 由（5)式可得，时钟抖动消除可由下式计算：
[0016] S (ηΤ,) = z"-e (η) 化）
[0017] e(n)为重构得到的误差信号，且e(n)由下式计算： W 化]
口)
[0019] 利用（6)式，即可求得公式巧）
[0020] 射频直接带通采样数字接收系统中时钟抖动消除方法，其步骤是：
[0021] (a)对射频直接带通采样数字接收系统经过带通采样和数字下变频后获得的基带 信号，根据式（6)和（7) W及泰勒级数展开m项，获得W下关系式
[00对其中，f。为载波频率，m为所选择的求和项数。
[00%] 化）根据公式（6)计算消除了抖动的均匀采样基带信号S (nL)。
[0027] 本发明的有益效果在于：本发明所述的方法能对射频直接带通采样数字接收系统 的时钟抖动误差进行消除，对接收系统的输入信号类型没有限制，对输入信号频率范围没 有限制，适用于采样方式为带通采样的情况。采用MTLAB搭建的仿真环境（该射频直接带 通采样数字接收系统参数为：采用LTE上行链路信号作为数字接收系统的接收信号，载波 频率2. 6GHz，采样率245. 76MHz，SNR18地，时钟抖动0-50PS)，对本发明提出的射频直接带 通采样数字接收系统时钟抖动消除方法进行验证。根据本发明方法对采样信号进行补偿， 结果表明，对于0-50PS内的抖动，该射频直接带通采样数字接收系统的BER(误码率）相对 于补偿前有显著提升，验证了本发明方法的有效性
【附图说明】
[0028] 图1为射频直接带通采样数字接收系统的结构示意图。
[0029] 图2为时钟抖动与系统BER(误码率）的关系曲线，时钟抖动范围为0-50PS。
[0030] 图3为使用本算法进行抖动补偿后的系统BER(误码率）曲线。
[0031] 图4为本发明所述方法的级联结构框图（一级）。
【具体实施方式】
[0032] 下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
[0033] 实施案例1 : W MTLAB搭建的射频直接带通采样数字接收系统（图1所示）仿真 环境进行时钟抖动补偿为例（实验中采用LTE上行链路信号作为数字接收系统的接收信 号，载波频率2. 6GHz，采样率为245. 76MHz, SNR18地）。
[0034] (a)对射频直接带通采样数字接收系统经过带通采样和数字下变频后获得的基带 信号根据公式（8)，（9)进行计算，其中，m = 3, fc = 2. 6GHz
[00对 （b)根据公式（6)计算消除抖动后的均匀采样基带信号8(化）；
[0036] 补偿后的系统BER(误码率）曲线如图3所示，与不含时钟抖动补偿的系统BER(误 码率）曲线相比（图2所示），该系统的BER(误码率）表现相比于补偿前有了显著提升。
【主权项】
1. 一种射频直接带通采样数字接收系统中时钟抖动消除方法，其特征在于针对射频直 接带通采样数字接收系统（Direct Radio Frequency Sampling Receive, DRFSR)，存在的时 钟电路抖动，实现射频直接带通采样数字接收系统的时钟抖动误差的估计和消除，具体原 理表述如下，对于射频直接带通采样数字接收系统，不失一般性，设其输入信号为：其中，Sl(t)+jsQ(t)为接收的带通信号对应的基带等效信号，f。为载波频率。设ADC的 采样抖动RMS (均方根）值为ζη，射频直接带通采样数字接收系统采用带通采样，则ADC输 出信号可表不为：其中，V为ADC采样周期，利用带通采样定理和数字下变频原理可得，采样信号变换 到基带的近似表达式为：其中，^为基带信号采样周期，％是射频直接带通采样数字接收系统经过带通采样和 数字下变频后获得的基带信号（为含有抖动的非均匀离散信号），s(nTs)为理想的均匀基 带离散信号，并由下式定义由（5)式可得，时钟抖动消除由下式计算： s (nTs) = zn-e (η) (6) e(n)为重构得到的误差信号，且e(n)由下式计算：利用（6)式，即可求得公式（5);综上，本算法实现了对射频直接带通采样数字接收系 统中时钟抖动的消除。2. 根据权利要求1所述的一种射频直接带通采样数字接收系统中时钟抖动消除方法， 其特征在于，其步骤是： (a)对射频直接带通采样数字接收系统经过带通采样和数字下变频后获得的基带信 号，根据（6)和（7)以及泰勒级数展开m项，获得以下关系式式中，rnk由以下公式确定其中，f。为载波频率，m为所选择的求和项数； (b)根据公式（6)计算消除了抖动的均匀采样基带信号S(nTs)。3. 根据权利要求1所述的一种射频直接带通采样数字接收系统中时钟抖动消除方法， 其特征在于，其步骤（a)的e (η)的计算仅存在乘法和求和操作。4. 根据权利要求1所述的一种射频直接带通采样数字接收系统中时钟抖动消除方法， 其特征在于，其补偿结构为级联的补偿结构。5. 根据权利要求1所述的一种射频直接带通采样数字接收系统中时钟抖动消除方法， 其特征在于，对射频直接带通采样数字接收系统系统的时钟抖动进行补偿，仅要求射频直 接带通采样数字接收系统采样类型为带通采样，对射频直接带通采样数字接收系统的输入 信号类型没有限制，对输入信号频率范围没有限制，适用于在同一设备中兼容多种通信标 准的要求。
【专利摘要】本发明涉及一种射频直接带通采样数字接收系统中时钟抖动消除方法。所述方法通过采用射频直接带通采样数字接收系统的非均匀采样输出值，利用带通采样定理，数字下变频原理和射频直接带通采样数字接收系统的特点，实现射频直接带通采样数字接收系统的时钟抖动的消除。该发明方法可根据射频直接带通采样数字接收实际需求选择不同的级联级数以满足所要求的时钟抖动消除性能。本发明所述方法实际实现复杂度低，易于硬件实现，消除效果好，对射频直接带通采样数字接收系统输入信号类型无限制，非常适用于射频直接带通采样数字接收系统在现代通讯，雷达，高精密数字仪器中的应用。
【IPC分类】H03K5/01, G06F17/50
【公开号】CN105447218
【申请号】CN201410808895
【发明人】张晓宇, 邹月娴, 徐祥俊
【申请人】北京大学深圳研究生院
【公开日】2016年3月30日
【申请日】2014年12月22日