《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一種基于插值算法符號(hào)同步的硬件設(shè)計(jì)

2008-09-04
作者:蔡珉琦

  摘 要: 提出了一種數(shù)字接收機(jī)中符號(hào)同步的硬件設(shè)計(jì)方案。該方案屬于異步采樣恢復(fù)法,其插值" title="插值">插值濾波器的設(shè)計(jì)采用了理想插值算法" title="插值算法">插值算法加窗處理,較傳統(tǒng)的拉格朗日插值有更好的頻域" title="頻域">頻域特性。該設(shè)計(jì)方案已用VerilogHDL實(shí)現(xiàn),并通過(guò)了綜合及時(shí)序驗(yàn)證。
  關(guān)鍵詞: 符號(hào)同步 定時(shí)錯(cuò)誤檢測(cè)" title="錯(cuò)誤檢測(cè)">錯(cuò)誤檢測(cè) 插值 窗函數(shù)


  在數(shù)字通信系統(tǒng)中,為了限制被傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)的頻譜,需要對(duì)其進(jìn)行滾降升余弦濾波,形成基帶波形,并對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制,以實(shí)現(xiàn)頻帶傳輸。在接收端,需要對(duì)經(jīng)過(guò)相干解調(diào)、匹配濾波后的基帶波形進(jìn)行重新采樣得到相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)。根據(jù)奈奎斯特抽樣值無(wú)失真準(zhǔn)則[1],A/D轉(zhuǎn)換器若在最佳采樣時(shí)刻進(jìn)行采樣,得到的采樣值恰好是發(fā)送端所要傳遞的數(shù)據(jù)。但在實(shí)際情況下,由于信道傳輸延時(shí)以及收發(fā)兩地時(shí)鐘偏移,使采樣無(wú)法在最佳時(shí)刻進(jìn)行,這樣采集到的數(shù)據(jù)與正確的數(shù)據(jù)之間存在著偏差,需要有同步措施來(lái)調(diào)整采樣時(shí)鐘或?qū)Σ蓸又颠M(jìn)行插值修正。
  目前數(shù)字接收機(jī)中的符號(hào)同步大多采用自同步法。其主要有兩種[2],一種是由定時(shí)錯(cuò)誤檢測(cè)(TED)算法加環(huán)路濾波器" title="環(huán)路濾波器">環(huán)路濾波器估算采樣時(shí)鐘和最佳采樣時(shí)刻之間的相位差,然后通過(guò)數(shù)控振蕩器NCO調(diào)整采樣時(shí)鐘,稱為同步采樣恢復(fù);另一種也使用相同的方法估算時(shí)鐘相差,但它并不調(diào)整采樣時(shí)鐘相位,而是通過(guò)插值算法對(duì)采樣值進(jìn)行修正,稱為異步采樣恢復(fù)。由于后者不需要改變時(shí)鐘相位,因此具有更好的穩(wěn)定性,故得到廣泛的應(yīng)用。
  異步采樣恢復(fù)的符號(hào)同步設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。該方法的關(guān)鍵在于插值算法的準(zhǔn)確性。針對(duì)這一點(diǎn),本文提出了一種符號(hào)同步的硬件設(shè)計(jì)方案,其插值濾波器的設(shè)計(jì)采用了理想插值算法加窗處理,與目前所采用的另一種拉格朗日插值濾波器相比,具有更好的頻域特性。


1 時(shí)鐘相差的估算
  對(duì)于最佳采樣時(shí)刻和采樣時(shí)鐘相位差的估算,本文采用定時(shí)錯(cuò)誤檢測(cè)(TED)加環(huán)路濾波器實(shí)現(xiàn)。其中定時(shí)錯(cuò)誤檢測(cè)環(huán)節(jié)采用NDA-ELD算法[2],該算法是由最大似然估計(jì)法所推導(dǎo)的,它要求A/D轉(zhuǎn)換器以兩倍的符號(hào)頻率對(duì)輸入波形進(jìn)行采樣。公式如下:
  
  這里T是符號(hào)周期,Ts是采樣間隔,Ts=T/2。e(k)表示采到第k個(gè)符號(hào)時(shí)所得到的定時(shí)誤差信息。εk表示采到第k個(gè)符號(hào)時(shí)所估算出的最佳采樣時(shí)刻和采樣時(shí)鐘之間的相位差,其范圍是[-1,1],即時(shí)鐘偏差最多可為1個(gè)采樣間隔。y(kTskTs)則是根據(jù)εk而對(duì)匹配濾波器的輸出y(kTs)進(jìn)行的差值修正。將e(k)通過(guò)一環(huán)路濾波器和相位溢出控制器便可得到εk+1,從而實(shí)現(xiàn)PID控制。相位溢出控制器主要是對(duì)εk+1進(jìn)行限幅,將其控制在[-1,1]之內(nèi)。由此可得到時(shí)鐘相差估算的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu),如圖2。


  該算法對(duì)于一些幅度或相位調(diào)制的信號(hào),如MQAM、BPSK、QPSK等,具有較好的同步性能。在開啟時(shí),它能自動(dòng)跟蹤開啟的最大處,即最佳采樣時(shí)刻。當(dāng)存在噪聲干擾時(shí),可通過(guò)環(huán)路濾波器將其濾除,使之對(duì)時(shí)鐘相差估算產(chǎn)生較小的影響。環(huán)路濾波器系數(shù)K1、K2的選擇要視具體情況而定,取得過(guò)大,同步時(shí)間較短,但抖動(dòng)方差較大;反之,則需要較長(zhǎng)的同步時(shí)間。本設(shè)計(jì)是對(duì)64QAM信號(hào)進(jìn)行符號(hào)同步,經(jīng)過(guò)Matlab的仿真測(cè)試,結(jié)果表明K1、K2分別取1/512、1/256較為合適。
2 采樣值插值修正
  通過(guò)以上處理環(huán)節(jié)可估算出采樣時(shí)鐘和最佳采樣時(shí)刻之間的相位差,在插值修正環(huán)節(jié)就可根據(jù)該相差進(jìn)行采樣值修正處理。由內(nèi)插公式可知,如果采用理想插值,理論上可根據(jù)采樣值得到任意時(shí)刻的信號(hào)值[3],即:
  
  但理想插值濾波器需要無(wú)窮個(gè)信號(hào)采樣值,這在實(shí)際應(yīng)用中是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。一般情況下可對(duì)理想插值濾波器加窗處理,將其截短。
  窗函數(shù)的選擇要視具體情況而定。最簡(jiǎn)單的窗函數(shù)是矩形窗,即對(duì)理想插值濾波器直接截短。其優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,具有較窄的過(guò)渡帶,且對(duì)理想插值濾波器頻率響應(yīng)具有最好的均方逼近[3]。但它對(duì)無(wú)限長(zhǎng)理想沖激響應(yīng)直接截取,因此存在著較為明顯的吉布斯現(xiàn)象。此外,其最小阻帶衰減為21dB,這在實(shí)際應(yīng)用中也是不夠的。因此直接截取方式在現(xiàn)實(shí)中很少采用。對(duì)理想沖激響應(yīng)進(jìn)行窗處理的一個(gè)較成功的辦法是將窗函數(shù)的兩端平滑地減小至零,以減小旁瓣高度,減輕吉布斯現(xiàn)象[4]。在這一思想下,目前常用的窗函數(shù)有Hanning、Hamming、Blackman、Kaiser等。本設(shè)計(jì)采用了Kaiser窗,它是一種近似最佳的窗函數(shù)。經(jīng)過(guò)Matlab仿真測(cè)試,將Kaiser窗長(zhǎng)度定為10Ts,形狀參數(shù)β取為2.5248(對(duì)應(yīng)的阻帶最小衰減為33dB),可得到較小的插值平均誤差。由此得到如下公式:
  
  這里h(t)為插值濾波器的沖激響應(yīng),它是理想內(nèi)插函數(shù)的Kaiser窗截短形式,長(zhǎng)度為10Ts。即:
  
  這里I0(·)表示第一類零階修正Bessel函數(shù)。由此可得到其頻率響應(yīng)H(ω),它是所需理想頻率響應(yīng)與窗函數(shù)傅里葉變換卷積所得。H(ω)對(duì)數(shù)幅度特性如圖3所示(取Ts=1)。


  可見,Kaiser窗函數(shù)插值濾波器具有較好的頻域特性。在通帶,它能將衰減穩(wěn)定在0dB;在阻帶,最小衰減為33dB,且迅速增大。這些均優(yōu)于目前所用的另一種拉格朗日插值濾波器,其頻譜特性見文獻(xiàn)[4]。利用該濾波器便可對(duì)采樣值進(jìn)行插值修正。由公式(3)可得到如圖4所示的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。


  為了使硬件更容易實(shí)現(xiàn),可將εn離散化,即將其取值空間定為{-1,-0.75,-0.5,-0.25,0,0.25,0.5,0.75,1},以取代其在 [-1,1]上的連續(xù)取值。圖4中,h′(εn+m)=h(εnTs+mTs),其值取決于εn,即由εn控制9選1選擇器,根據(jù)不同的εn輸出不同的h′(εn+m)值,作為插值濾波器的系數(shù)。這9個(gè)選擇器選值空間各不相同,分別對(duì)應(yīng)了9個(gè)h′(εn+m)的各自取值空間,即理想插值濾波器系數(shù)與對(duì)應(yīng)的窗函數(shù)值相乘的結(jié)果。該結(jié)構(gòu)中應(yīng)用了移位寄存器,主要是為了避免εn改變時(shí),所造成的算法誤差。這樣在輸入一個(gè)y(kTs)后,經(jīng)過(guò)4個(gè)采樣周期的延遲,就可得到相應(yīng)的輸出y(kTsnTs),從而完成插值修正。
  本文提出了一種基于插值算法符號(hào)同步的硬件設(shè)計(jì)方案。在時(shí)鐘相差估算環(huán)節(jié)采用了NDA-ELD算法進(jìn)行定時(shí)錯(cuò)誤檢測(cè);插值濾波器的設(shè)計(jì)則采用了理想插值算法加窗處理,與拉格朗日插值濾波器相比,具有更好的頻域特性。該同步方案屬于非數(shù)據(jù)輔助的同步法。這里所謂的同步,是對(duì)采樣值進(jìn)行插值修正,而不需要對(duì)時(shí)鐘本身進(jìn)行相位調(diào)整。因此它較適用于對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘穩(wěn)定性要求較高的場(chǎng)合,如全數(shù)字接收機(jī)等。
  文中提到的設(shè)計(jì)已用VerilogHDL實(shí)現(xiàn),并用Design Compiler對(duì)其進(jìn)行了門級(jí)綜合,并用VCS進(jìn)行了時(shí)序驗(yàn)證,所用的工藝為0.25μm。設(shè)計(jì)門數(shù)約8000門,采樣時(shí)鐘可達(dá)17.5MHz,平均插值誤差11%左右。
參考文獻(xiàn)
1 姚 彥. 數(shù)字微波中繼通信工程.北京:人民郵電出版社,1990
2 U.Mengali, A.N.D′Andrea. Synchronization Techniques for Digital Receivers. New York: Plenum Press, 1997
3 A.V.奧本海姆. 離散時(shí)間信號(hào)處理.西安:西安交通大學(xué)出版社, 2001
4 R.E.克勞切,L.R.拉賓納.多抽樣率數(shù)字信號(hào)處理. 北京:人民郵電出版社, 1988

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