一种数字宽带无线信号同步算法
【技术领域】
[0001] 本发明实现了对数字宽带无线信号的同步功能，包括载波同步和符号定时同步， 属于数字信号处理技术领域。
【背景技术】
[0002] 在目前的信息通信产业中，发展最迅猛的领域无疑是数字宽带无线通信。通信网 络、通信终端和互联网通过宽带无线通信技术结合为一个有机体，为世界带来了全新的通 信方式。它表现为愈加宽广的覆盖范围、愈加简便的接入方式，愈加细致的问题处理，愈加 繁多的业务种类以及愈加快捷的网络服务。除了我们所熟悉的民用范围，无线信号在军用 和商用领域的表现也非常抢眼，例如商用卫星通信、军用跳频通信等等。总而言之，为了满 足更多的需求，为承载更多的业务量，无线信号的带宽越来越宽，传输速率越来越快，调制 方式越来越复杂，编码方式越来越多变。
[0003] 数字宽带无线通信的快速发展，对信号的解调带来了更高的要求。要在解调速度 上满足实时性的要求，要在解调精度上满足准确性的要求，故需要立足于之前的研究，结合 当下新兴的技术，着眼于目前信号的特点，满足目前应用的要求，发明了一种新的同步算 法，以此来解决新出现的问题，并为以后的研究打下坚实的基础。
【发明内容】
[0004] 本发明主要目的是为了克服以往数字宽带无线信号同步精度低、速度慢的缺点， 对数字宽带无线信号进行快速高精度的同步。
[0005] 为实现上述目的，本发明提出一种数字宽带无线信号同步算法，包括载波同步算 法和符号定时同步算法，并且研发了基于此种同步算法的实际环路，为数字宽带无线信号 的同步提供了一种新视角。
[0006] 本方法将数字信号处理与自动控制原理结合在了一起。运用MATLAB编写并成功 实现了同步算法，建立了基于同步算法的新型环路，以实现对数字宽带无线信号的高精度 同步。
[0007] 本发明的基本思路：
[0008] (1)根据数字宽带无线信号的幅度特征，波形特征，频率特征和相位特征等特征的 分析，发现传统的数字同步算法无法适应这种信号，于是寻找一种新的同步算法。
[0009] (2)以信号的特征为出发点，以高精度，高速率解调为标准，进行的同步算法设计。
[0010] (3)根据同步算法中的载波同步算法，设计新的全数字宽带无线信号载波同步环 路。
[0011] (4)根据同步算法中的符号定时同步算法，设计新的全数字宽带无线信号符号定 时同步环路。
[0012] (5)将全数字宽带无线信号载波同步环路与符号定时同步环路结合在一起，组成 完整的同步环路。
[0013] (6)综合以上的分析，以MATLAB开发平台为基础，对同步算法和以此为基础的全 新同步环路进行仿真，得出算法满足高精度，高速率解调的标准。其整体工作流程图如附图 1所示，载波同步算法如图2所示，符号定时同步算法如图3所示。
[0014] 本发明采取的具体技术方案如下：
[0015] (1)数字宽带无线信号进行相位预处理。
[0016] 在数字宽带无线信号进入环路第一个处理部分一一相位预处理。输入信号可分为 同相支路和正交支路，将这两路信号进行四象限反正切处理，计算公式为：
[0017]
[0018] 其中I (n)为同相支路信号分量，Q(n)为正交支路信号分量，（七?)为信号相位信 息；此相位信息包含信号初相位，频率偏移和相位偏移，初相位是最后需要的信息，频率偏 移和相位偏移是在同步算法中需要消除的量。表现公式为：
[0019]
[0020] 其中0 (n)为初相位，A f为频率偏移，A 0为相位偏移。
[0021] (2)增加乘法器，纠正信号抖动，辅助频率偏移估计。
[0022] 相位信号通过相位预处理部分来到乘法器。乘法器可以用于辅助频率偏移估计。 乘法器的数学表达式如下：
[0023] s(n) ~ktp(n)
[0024] 其中k为乘法器的倍数，按照输入信号的相位特征调整不同的值。s(n)乘法器输 出信号。通过对输入相位进行乘法运算，使信号变得比较平稳，方便测算载波频率偏移。对 于形如BPSK信号这样跳变较大的信号，其瞬时相位变化范围为[0+A 0，Ji+A 0]，A 0为 相位偏移，相差为JT，相位信息在符号间跳动较大。乘法器倍数调整为2倍，将输入信号调 整到[0+2A 0，2jt+2A 0]，去除符号间有可能出现的跳动，使信号变得平稳，进而可以方 便的估算频率偏移。
[0025] (3)使用减法器代替传统鉴相器提高运算效率。
[0026] 乘法器输出的信号进入减法器。由于整个环路中的变量统一为相位，改鉴相器为 减法器，反馈信号直接和输入信号进行减法运算，得到相位差值，从而控制整个环路。减法 器表现公式为：
[0027] 卸{") = </?,(/?}-妒,（"）
[0028] 其中的〇〇为输入信号相位信息，心(《)为环路反馈信息，为相差控制信息。
[0029] (4)使用环路滤波器完成低通滤波器的功能。
[0030] 相差控制信息送入环路滤波器。环路滤波器承担低通滤波器和维持环路动态特性 的功能，使用比例积分滤波器。比例积分滤波器对直流信号有着无穷大的增益，这会导致整 个电路呈现低通特性，可利用此特性实现低通滤波环路的功能。同时，比例积分滤波器在时 域中呈现对此时刻信号和前一时刻信号的加权求和特性，利用此特性可以维持环路动态特 性，避免环路失锁。滤波器S域表现公式如下：
[0031]
[0032] 对其进行双线性变化后，可以将其变换到离散域，公式如下：
[0033]
[0034] 时域加权求和公式如下：
[0035] y(n) = y (n-1)+c:x (n-1) + (ci+02) x (n)
[0036] 其中，cJP c 2为环路滤波器系数。
[0037] 环路滤波器结构图如图4所示，电路图如图5所示，图中应用了两个电阻，一个运 算放大器以及一个电容，其中电阻&和电容C构成第一个时间常数ti，电阻&和电容C构 成第二个时间常数t2。这两个数决定环路的阻尼系数，阻尼系数对环路特性影响极大。环 路滤波器的频率响应如图6所示，在频率很小的时候环路滤波器表现出了极大的增益，说 明环路滤波器对直流分量以及低频分量的增益非常大，体现出低通特性。
[0038] (5)数控振荡器控制反馈信号。
[0039] 环路滤波器得到数控振荡器的控制信号。数控振荡器根据此控制信号的调节，输 出反馈相位。数控振荡器的时域数学表达式和Z域数学表达式如下所示：
[0040] y(n) = y (n-1)+Kx (n)
[0041 ]
[0042] 其中x(n)为控制信号，y(n)为数控振荡器输出的反馈信号，K为数控灵敏度。
[0043] (6)增加延迟单元，调整环路时序。
[0044] 为环路添加一个延迟单元，添加位置在减法器和环路数控振荡器之间。延迟单元 的主要目的调整环路的时序结构，使得第N个负反馈可以和第N个样点进行计算。第N个 时刻的信号送入环路后，会产生第N个时刻的反馈，这个反馈值要和第N+1个输入信号进行 运算。为了调整这一个单位时间的差值特别设置环路延迟单元。延迟单元的时域表达式和 Z域表达式分别为：
[0045] y (n) = x (n-1)
[0046] //(/)：-
[0047] (7)符号定时同步算法参考电平。
[0048] 利用载波同步算法中的符号周期，可以预先确定符号定时同步中的周期参考电 平。参考周期来自于数控电压振动，在一个周期内，数控电压保持平稳，当新的符号周期到 来，数控电压在短时间内产生一个跳变，这个跳变就预示着符号的预判周期，根据预判周期 的电平值，可以计算出预判周期的参考电平。此参考电平用于改进Gardner算法，使其可以 应用在多电平信号上。公式如下所示：
[0049] ut(n) = [xJn-l/^-Aj [xI(n)-xI(n_l)] +
[0050] [xQ (n-1/2) -AQ] [xQ (n) -xQ (n-1)]
[0053] 其中Xl(n)和&(11)表示预判周期内的电平值。对于多电平信号，类似于即使在 没有符号定时误差的时候周期之间的值也很有可能不为零。为了避免这种情况的发生，本 算法将中间值与前后两个码元的代表电平平均值做差，这样差值就代表原来算法中的中间 值。
[0054] (8)符号定时同步检错部分。
[0055] 根据上文所提到的来自于数控电压振动产生的预判区间信息，判断采样信号位于 第[N，N+m]区间内，若实际采样信号在这个区间之外，则环路同步失败。
[0056] 本发明的优点：
[0057] (1)本发明克服了原有算法速度慢，精度低的缺点，考虑到信号传