卫星通信中基于全数字接收的定时同步误差检测方法
【专利摘要】卫星通信中基于全数字接收的定时同步误差检测改进方法。鉴于Gardner算法在定时同步环路中的广泛应用及其对限带信号的局限性，当两相邻符号发生极性跳转时，利用相邻两码元余弦滚降成形滤波后两最佳采样点及其中间点的样值关系，先考虑不同相邻符号对中间值的影响，根据最小均方误差准则求出该影响值，然后再消除该影响值。当两相邻符号没有极性跳变时，考虑如何减小因无法获取定时信息而产生的自噪声。在E-Gardner算法中用符号函数sign(·)解决该问题。在卫星信道环境下，该增强算法结构简单，在小滚降系数情况下对QPSK调制信号的时钟捕获及误差检测的性能有明显改善，而且能有效地消除自噪声及降低系统资源消耗。
【专利说明】卫星通信中基于全数字接收的定时同步误差检测方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及空间通信，尤其涉及低轨道卫星通信中接收端的时间同步技木。
【背景技术】
[0002]低轨道卫星通信是当前通信发展的热点之一，由于其覆盖面广、可靠性高、网络拓扑结构简单及方便灵活等特点，在数字视频广播卫星系统(DVB-S)以及铱星系统等多种卫星通信系统中，相移键控(PSK)调制方式得到了广泛应用，为了提高卫星调制解调器的性能，就需要引入同步技术。符号同步是卫星通信系统的关键技术之一，其准确性将直接影响整个系统的性能。随着计算机及数字信号处理技术的发展，传统数字通信系统由于采用的反馈式模拟环路的载波和时钟恢复算法主要集中于经典的以锁相环(PLL)为基础的递归反馈式结构，这种结构的锁相环不仅捕获时间长而且调试困难。因此，基于数字信号处理的全数字接收机在卫星通信中得到了广泛应用。由于移动終端与卫星间长的传播时延及其相对运动引起的多普勒频移，使接收端不可避免的存在采样时刻偏差，导致数据样点并不一定在最佳采样点上，从而造成了误码。鉴于此，很多关于全数字接收的同步研究和算法被提出。
[0003]定时恢复中经典算法主要有:(I)较早出现是早迟门算法，这个算法利用了存在时钟误差时，最佳采样点前一个和后一个采样点幅度差值不为零的特点来提取误差信息。当最佳采样点前后采样点的幅度不同吋，则用这两点的幅度差值产生ー个时钟误差；当环路收敛同步时，它们的幅值相等，此时前后采样点中间的样点值就是所需要的符号值。因此采用早迟门算法时，每符号至少需要三个采样点，这对许多输入高数据率的系统是不太适合的。(2)Mueller 和 Muller 提出 了一种 Mueller&Muller 算法(參见文献:E.Shoor, A.Ran, A.Mezer.Recovering precoding data using a Mueller—Muller recoverymechanism.U.S.Patent, 2011, N0.7920649),该算法姆个符号需要一个采样点，而且该算法面向判决，利用了判决后的采样点。该算法虽然需要的采样点很少，但它对载波频偏及相位比较敏感，因此需要在定时同步之前完成载波同歩。(3)Gardner算法(參见文献:Z.Da, L.X.Wang.The Application of Gardner Algorithm to Sampling Rate Synchronization inOFDM Systems.Journal of Electronics&Information Technology, 2011, 4:017),该算法不需要判决反馈，每ー个符号只需要两个采样点，其中ー个为符号最佳采样点，另ー个为两个最佳采样点之间的采样点。该算法每个符号周期计算一次，在实际中參与计算的为内插估值，同时其与载波相位无关，也就意味着在频偏纠正完成以前，符号定时同步就可以达到收敛。
[0004]基于Gardner定时误差检测器的反馈环路由于结构简单，且独立于载波相位，在全数字接收机中被广泛采用。然而随着滚降系数减小，其抖动性会増大，表明了该算法在限带情况下的局限性，同时当相邻符号极性无跳变时，环路会出现严重的自噪声。鉴于此，提出了ー些修正措施(參见文献:L.Zhang, Z.He.A modified timingsynchronization algorithm for QPSK in digital receiver.1EEE Internationa丄Conference on Artificial Intelligence,Management Science and ElectronicCommerce, 2011，1821-1824)。此修正算法在一定程度上减小了定时误差，但对QPSK卫星信号来说，由于低轨卫星信道的衰落特性，定时误差检测器的输出偏差仍较大，另外该修正算法在工程实现中复杂度较高不易实现。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题是:在移动卫星信道中，针对发送的QPSK信号幅度上的多值性和随机性，即使对信号准确采样，定时误差输出也不为零，因此其不利于同步环路的锁定，同时系统会输出严重自噪声，以致接收端无法准确恢复出发送信号等问题。我们提出一种基于全数字接收的定时同步误差检测方法，既能消除同步环路中的定时误差偏差，又能有效的减小系统自噪声及系统资源消耗。
[0006]本发明解决上述问题的技术方案是:卫星通信系统发送的相移键控信号进入接收端定时同步环路误差检测模块后，当相邻符号发生极性跳变时，估计余弦滚降成形滤波后两最佳采样点对其中间点的影响，采用最小均方误差(MMSE)准则计算该影响值，用获得的采样中间值减去该影响值；当相邻符号没有发生极性跳变时，用符号函数sign( ?)表示E-Gardner定时误差检测算法中的方向，获取定时信息，将其作为驱动信号反馈调节同步环路，使其快速趋于稳定。其具体过程如下:
[0007]1.发送端的连续正交QPSK信号经成形滤波器后由L波段调制并发送，经卫星移动信道和接收端初步载波同步后进入定时同步环路；
[0008]2.在定时同步环路中对接收信号采用异步采样恢复，即在估算采样时钟和最佳采样时刻之间误差的基础上，通过插值算法对采样值进行修正。其具体方法为:对每个码元先进行四样点采样，然后利用基于四点样本集的拉格朗日插值公式，计算该码元的两个采样值。经选通运算后，可得到每个码元的最佳样值y(n)和两相邻最佳样值间的中间样值y(n-1/2)；
[0009]3.将上述样值用于Gardner算法中，当没有定时误差吋，输出为零；当定时滞后时，定时误差输出为正值；当定时超前时定时，误差输出为负值。为了能尽快进入定时同步状态及改变Gardner算法只对零点检测有效性的缺点，即只将y (n-1/2)归零化即可。同时为了减小噪声对定时误差信号的影响，可以用判决点附近数值的符号值代替判决点附近的实际数值。通过以上两方面的改进，得到E-Gardner检测误差。
[0010]4.将通过E-Gardner算法检测到的准确有效的时钟误差信号反馈给前端控制模块，校正采用独立采样时钟源所帯来的偏差，即将得到的定时误差送给环路滤波器，得到更新后的递减步长，再将递减步长送到定时控制器，计算出新的正确的内插基点和分数间隔以使插值滤波器校正定时误差所用。然后依次重复上述步骤，最終整个系统的性能达到稳定状态。
[0011]对时钟误差检测器输出的定时误差值、数控振荡器(NCO)调整的稳态误差、误码率统计、捕获及跟踪等性能指标的考察是通过设置定时同步环路的系统參数并运用E-Gardner算法实现的。具体技术方案为:
[0012]一种卫星通信中基于全数字接收的定时同步误差检测方法，卫星通信系统发送的相移键控信号进入接收端定时同步环路误差检测模块后，当相邻符号发生极性跳变时，估计余弦滚降成形滤波后两最佳采样点对其中间采样点y (n-1/2)的影响，根据公式:
【权利要求】
1.一种卫星通信中基于全数字接收的定时同步误差检测方法，其特征在于，卫星通信系统发送的相移键控信号进入接收端定时同步环路误差检测模块后，当相邻符号发生极性跳变时，估计余弦滚降成形滤波后两最佳采样点对其中间采样点y(n-l/2)的影响，根据公式
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，用符号函数sign(?)表示E-Gardner定时误差检测算法中的方向具体为:对于极性相同的两相邻符号，[sign (y (n)) -sign (y (n_l))]=0,即定时误差为零；对于极性不同的两相邻符号，[sign(y(n))-sign(y(n-l))]幸0,即定时误差不为零。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据公式
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将其作为驱动信号反馈调节同步环路具体为:将定时误差送给环路滤波器，得到更新后的递减步长，将递减步长送到定时控制器，计算出新的内插基点和分数间隔以使插值滤波器校正定时误差。
【文档编号】H04B17/00GK103457680SQ201310364695
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2013年8月20日 优先权日:2013年8月20日
【发明者】李云, 赵艳丽, 刘期烈, 刘剑锋, 封彬, 魏武 申请人:重庆邮电大学