一种高速解调器的符号同步系统及实现方法与流程

本发明涉及一种高速解调器的符号同步系统及实现方法，属于卫星通信技术领域。

背景技术：

在宽带卫星通信中，高速调制解调器的符号同步模块需要工作在数百msps甚至数gsps的采样率上，其低复杂度实现一直是一个难点问题。

传统的符号同步模块一般通过时域的误差检测，然后插值滤波获取最佳采样点。在高速调制解调器中，符号同步可以通过多路时域并行处理来实现，但是资源消耗非常大，不适合星载处理。

频域符号同步是另外一种高效的处理思路，其基本原理为：信号的时域延时等效于频域相位旋转。对于一个带限的连续信号xa(t)，其傅立时变换为xa(jω)。这个信号经过信道传输后，接收端收到的信号为：

ya(t)＝xa(t-δts)

其中，δts为时间延迟，ts为采样间隔，δ为比例系数。ya(t)对应的傅里叶变换为：

对离散信号y(n)＝ya(nts)进行离散时间傅里叶变换可得：

上式中，x(e^jω)为离散信号x(n)＝xa(nts)对应的离散时间傅里叶变换。对y(e^jω)在频域上以ω＝2πk/m进行离散采样，可得到序列y(n)的m点离散数字频率的傅里叶交换(dft)：

上式中，x(k)为序列x(n)的m点dft变换。

由此可见，时间延迟为δts的输入序列y(n)的m点dft等效为原序列x(n)的m点dft变换x(k)乘以一个相位旋转因子。因此，从符号同步的角度看，接收端得到定时相位误差估计δ^′ts后，仅需在dft后的频域上乘以一个相位旋转因子就可以完成定时相位误差补偿，从而实现符号同步。

然而现有的频域符号同步一般不能适应存在定时频率误差的情况。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出了一种高速解调器的符号同步系统及实现方法，能够适应定时频率误差且可以快速入锁的频域符号同步实现。

本发明的技术方案如下：

提供一种高速解调器的符号同步系统，包括：

i信号并行数据存储器存储i信号的n路并行数据；

q信号并行数据存储器存储q信号的n路并行数据；

i信号数据寄存器存储2n个fft处理前的数据；

q信号数据寄存器存储2n个fft处理前的数据；

2n点复数fft处理模块对数据寄存器中存储的复信号(由i信号和q信号构成)数据进行fft处理；

相位旋转模块根据相位误差调整模块给出的相位旋转值，对2n点复数fft处理模块输出的复信号进行相位旋转；

2n点复数ifft处理模块对相位旋转后的复信号进行ifft处理；

输出控制模块将2n点复数ifft处理模块输出数据中间的n点取出输出给定时相位误差估计模块；对这n点以4为间隔进行抽取，得到最终的符号同步结果；

定时相位误差估计模块根据2n点复数ifft处理模块输出数据估计定时相位误差；

相位误差调整模块根据定时相位误差，得到方向调整标志和相位旋转值；

读地址控制模块根据方向调整标志，调整从i信号并行数据存储器读入i信号数据寄存器的数据以及从q信号并行数据存储器读入q信号数据寄存器的数据。

优选的，ad采集器对调制信号进行采样，进行数字下变频后获得i信号采样点和q信号采样点，分别进行串并转换后，输出i信号n路并行采样点和q信号n路并行采样点，分别存入i信号并行数据存储器和q信号并行数据存储器。

优选的，定时相位误差估计模块接收2n点复数ifft处理模块输出数据后，先对输入复信号序列包络信号取平方，然后通过dft变换提取符号周期的频率谱线，再统计估计出频谱矢量的相位角作为定时相位误差。

优选的，定时相位误差估计模块对输入复信号序列y(n)采样，采样率为4倍符号速率，包络平方序列为z(n)＝|y(n)|²，按照每段l个采样点对z(n)进行分段，l为n的整数倍；对第m段采样点进行dft变换获得符号速率频谱线上的频谱分量为：

获得定时相位误差的估计值：

优选的，相位误差调整模块根据定时相位误差得到方向调整标志flagm和相位旋转值δ′m的具体方法为：

优选的，读地址控制模块调整读入数据的方法为：

①当flagm＝0时，i信号、q信号数据寄存器的n个存储器分别直接往后顺移一个采样点参与fft运算；

②当flagm＝1时，需要删除一个采样点后，i信号、q信号数据寄存器的n个存储器分别直接往后顺移一个采样点参与fft运算；

③当flagm＝-1时，保留上一组最后一个数据作为第一个采样点，i信号、q信号数据寄存器的前n-1个存储器分别直接往后顺移一个采样点参与fft运算。

同时提供一种高速解调器的符号同步实现方法，包括如下步骤：

(1)每个处理周期i信号和q信号的n路并行采样点分别经n个存储器存储n个数据；

(2)读地址控制模块根据当前周期的方向调整标志flagm，调整从n个存储器读入参与fft运算的采样点，对由i信号和q信号构成的复信号数据进行2n点复数fft处理；m为读入序列组数；

(3)对2n点复数ifft处理模块输出的复信号进行相位旋转，相位旋转值为当前周期的δ′m；

(4)对相位旋转后的数据进行2n点复数ifft处理；

(5)对2n点复数ifft处理模块输出数据中间的n点取出输出给定时相位误差估计模块，并对这n点以4为间隔进行抽取，得到最终的符号同步结果；

(6)根据2n点复数ifft处理模块输出的复信号后估计定时相位误差

(7)根据估计的定时相位误差得到方向调整标志flagm+1发送给读地址控制模块，用于下一周期读取控制，得到相位旋转值δ′m+1发送给相位旋转模块，作为下一周期的相位旋转值。

优选的，步骤(2)中调整从n个存储器读入参与fft运算的采样点的方法为：

①当flagm＝0时，i信号、q信号数据寄存器的n个存储器分别直接往后顺移一个采样点参与fft运算；

②当flagm＝1时，需要删除一个采样点后，i信号、q信号数据寄存器的n个存储器分别直接往后顺移一个采样点参与fft运算；

③当flagm＝-1时，保留上一组最后一个数据作为第一个采样点，i信号、q信号数据寄存器的前n-1个存储器分别直接往后顺移一个采样点参与fft运算。

优选的，步骤(5)中估计定时相位误差的方法为：

输入序列y(n)采样率为4倍符号速率，包络平方序列为z(n)＝|y(n)|²，按照每段l个采样点对z(n)进行分段，l为n的整数倍；对第m段采样点进行dft变换获得符号速率频谱线上的频谱分量为：

获得定时相位误差的估计值：

优选的，步骤(7)中根据估计的定时相位误差得到方向调整标志flagm+1，相位旋转值δ′m+1的方法为：

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)通过分段定时相位误差估计和调整定时频率的跟踪，从而能够同时适应定时相位误差和定时频率误差，在定时相位误差和定时频率误差均存在的情况下能够实现符号同步，实现解调。

(2)本发明所提出的实现架构虽然为反馈环路，但是由于采用了分段估计和补偿，仍然具有快速入锁的特性。

(3)本发明通过使用flagm标志进行读控制实现多路时域并行处理，减少了资源消耗，适合星载处理。

附图说明

图1为频域符号同步实现架构示意图；

图2为本发明标志为0时读地址控制示意图；

图3为本发明标志为1时读地址控制示意图；

图4为本发明标志为-1时读地址控制示意图。

具体实施方式

一种高速解调器的符号同步实现系统，包括：i信号n路并行数据存储器、q信号n路并行数据存储器、i信号2n点并行数据寄存器、q信号2n点并行数据寄存器、2n点复数fft处理模块、相位旋转模块、2n点复数ifft处理模块、输出控制模块、定时相位误差估计模块、相位误差调整模块以及读地址控制模块。其中，n为采样点数据的并行处理路数。

i信号/q信号n路并行数据存储器：ad对调制信号进行采样，进行数字下变频后获得i信号采样点和q信号采样点，分别进行串并转换后，输出i信号n路并行采样点和q信号n路并行采样点；i信号/q信号n路并行数据存储器对i信号/q信号n路并行数据分别进行存储，i信号、q信号各需要设置n个存储器。

i信号/q信号2n点并行数据寄存器：用于对fft处理前的数据进行缓存，对于i信号、q信号，各设置一个能够存储2n个采样数据(包含n个旧采样点、n个新采样点)的寄存器。

2n点复数fft处理模块：以流水线的方式完成2n点的复数fft处理。

相位旋转模块：根据相位误差调整模块给出的相位旋转值δ′m，对fft后的频域数据进行相位旋转。

2n点复数ifft处理模块：以流水线的方式完成2n点的复数ifft处理；

输出控制模块：将2n点复数ifft处理模块输出数据中间的n点取出输出给定时相位误差估计模块；同时，对这n点以4为间隔进行抽取，得到最终的符号同步结果，输出给后续其它处理功能模块；

定时相位误差估计模块：采用数字平方滤波算法估计定时相位误差

定时相位误差估计采用数字平方滤波算法，其物理意义在于：先对输入复包络信号取平方，然后通过dft变换提取符号周期的频率谱线，再统计估计出其频谱矢量的相位角。输入复信号序列y(n)工作在每符号4倍采样上，其包络平方序列为z(n)＝|y(n)|²。将z(n)按照每段l(l为n的整数倍)个采样点进行分段，对第m段进行dft，可得到符号速率频谱线上的频谱分量为：

进一步可以获得定时相位误差系数的估计值：

其中，函数arg用于求相位角。的取值范围是[-0.5,+0.5]，该值是相对于采样周期ts的归一化误差。

相位误差调整模块：根据估计的定时相位误差得到方向调整标志flagm和相位旋转值δ′m；

读地址控制模块：根据方向调整标志flagm，调整数据存储器读地址a和存储器选择指示p。

由于定时相位误差的估计范围是[-ts/2,ts/2],当存在定时频率误差时，定时相位误差会持续增加或减小，真实的相位误差一旦超出这一范围，便会产生滑码，从而导致大量错误。因此，为了适应定时频率误差，需要跟踪定时相位误差的变化，并同时对采样点进行删除或者重复操作。整个处理过程描述如下：

步骤1)对当前估计的定时相位误差进行调整得到δ′m，使调整后的定时相位误差δ′m始终限制在[-0.125,+0.125]范围内，同时给出采样点调整指示标志flagm，具体调整方法如下：

步骤2)根据flagm调整用于本次参与fft运算的n个采样点。如果上一次n个采样点中第一个采样点为、第p(0≤p≤n-1)个存储器中地址a所对应的值，则本次参与fft运算的n个采样点分为三种情况：

①当flagm＝0时，不需要对采样点进行删除或者重复操作，等效于直接往后顺移n个采样点，如图2所示。即令：p′＝p、a′＝a+1，然后获取n个采样点：

②当flagm＝1时，需要删除一个采样点，等效于直接往后顺移n+1个采样点，如图3所示。即：对读地址a和存储器选择指示p，先按如下规则进行调整：

然后获取n个采样点；

③当flagm＝-1时，需要重复一个采样点，等效于直接往后顺移n-1个采样点，如图4所示。即：对读地址a和存储器选择指示p，先按如下规则进行调整：

然后获取n个采样点。

步骤3)令p＝p′,a＝a′，然后重复上述步骤。

本发明同时提供一种高速解调器的符号同步实现方法，包括如下步骤：

(1)ad对调制信号进行采样，进行数字下变频后获得i路采样点和q路采样点，分别进行串并转换后，输出i分支n路并行采样点和q分支n路并行采样点；

(2)每个处理周期i分支和q分支的n路并行采样点分别经n个存储器进行存储；

本发明中采样率为4倍符号速率，即：其中t为符号周期。将串行输入的复信号序列y(n)转换为n路并行数据{y0(n),y1(n),y2(n),…,yn-1(n)}，利用n个i信号数据存储器和n个q信号存储器分别进行存储。由于采用频域符号同步后，一般还会采用重叠保存法进行频域匹配滤波。因此，这里取m＝2n，即进行2n点的fft，且前后两次fft之间重叠n个采样点。

(3)读地址控制模块根据当前周期的方向调整标志flagm，调整数据存储器读地址a和存储器选择指示p，读取存储器的n个采样点数据并存入n个并行数据存储器，以流水线的方式完成2n点的fft处理；m为读入序列组数，取0时，flag0为0。

(4)对复数fft处理后的频域数据经相位旋转模块进行相位旋转，相位旋转值为当前周期的δ′m；

(5)对相位旋转后的复信号数据进行2n点复数ifft处理后形成序列，将中间的n点取出输出给定时相位误差估计模块，同时对这n点以4点为间隔进行抽取，得到最终的符号同步结果；

(6)对于ifft处理输出的复信号采用数字平方滤波算法估计定时相位误差并同时输出符号同步数据；

(7)相位误差调整模块根据估计的定时相位误差得到方向调整标志flagm+1发送给读地址控制模块，用于下一周期读取控制，得到相位旋转值δ′m+1发送给i分支和q分支相位旋转模块，作为下一周期的相位旋转值。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。