专利名称：定时恢复装置和方法
技术领域：
本发明涉及一种定时恢复装置和方法，特别涉及一种能够应用于突发通信，并且能够降低宽带扩频信号定时恢复的实现难度的定时恢复装置和方法。
背景技术：
直接序列扩频(DS)是将要发送的信息用伪随机码序列(PN码)扩展到一个很宽的频带上，在接收端用同样的伪随机码序列来进行相关接收及恢复信号。在直接序列扩频通信系统中，必须首先进行扩频码的同步，才能正确解调接收信号。所谓扩频码的同步，是指利用扩频码的自相关特性，调整接收机本地扩频码序列相位，使之与接收信号扩频码序列的相位一致。同步技术是扩频通信的关键技术，只有实现了同步，收发两端相关的信号在频率、相位上取得一致，整个系统才能正常地工作。
扩频序列的同步过程包括两个阶段第一阶段是捕获阶段，接收机在扩频序列精确同步之前，首先搜索接收信号，使接收信号的扩频序列与本地扩频序列在相位上进入可同步保持的范围之内，即二者的相位在一个扩频序列码元之内。
同步过程的第二个阶段即为跟踪。跟踪是指动态地维持同步并使扩频码定时偏差尽量小的过程，这个过程即是扩频信号定时恢复的过程。它能够动态地调整本地伪码产生器的时钟速率，使本地伪码能够自动地和接收到信号的伪码保持精确的同步。扩频序列的捕获完成后，本地伪码序列和接收伪码序列相位取得了大致的一致，但还存在一定的误差。另外，由于接收机中噪声的影响、信道传输时延的变化、扩频伪码时钟频率的漂移等原因，将会使两个序列的相位之间又出现偏差。为了使接收机的扩频序列能自动地和接收到信号的伪码保持精确的同步，就必须有扩频序列的跟踪电路。
传统的直接序列扩频通信系统全数字接收机，将匹配滤波器的输出通过一个插值滤波器以提高采样率，然后根据定时恢复模块输出的调整信号，从插值滤波器的输出中选择一个最佳采样值与本地扩频码进行相关运算，并根据相关值进行解调。其中的定时恢复模块常采用超前滞后跟踪环路，将超前滞后两个相关器输出的相关值之差经过滤波后作为调整信号选择最佳采样值。定时恢复模块也可以直接进行定时偏差的估计，然后根据估计的定时偏差选择最佳采样值。
现有技术中采用非相干超前滞后跟踪环路进行定时恢复的电路结构如图1所示。这种非相干超前滞后跟踪环路包括同相支路匹配滤波器1、正交支路匹配滤波器2、插值滤波器3、三路相关器即准时相关器4，滞后相关器5，超前相关器6，以及取模器7，还包括用于生成调整信号的码产生器10，当滞后相关器5和超前相关器6计算出的相关值取模，再通过环路滤波器8和码钟9，最终获得用来选择最佳采样值的调整信号。为了提高定时恢复的精度，需要采用插值滤波器3，以提高对码片的采样率，这会增加码片速率较高的宽带扩频通信系统的实现难度。而且这种反馈式的结构需要一定的时间才能使得环路锁定，不适合突发通信的情况。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提供一种定时恢复装置和方法，能够应用于突发通信，并且能够降低宽带扩频信号定时恢复的实现难度。
为实现上述发明目的，本发明提供了一种定时恢复装置，包括三路相关器，用于输出三个不同定时偏差对应的相关值，并将输出的相关值分成预先设定长度的数据块；
定时估计器，与所述三路相关器连接，用于根据所述三个不同定时偏差对应的相关值的模计算出各数据块的定时偏差；定时恢复器，与所述三路相关器和定时估计器连接，用于存储所述三路相关器输出的三路相关值，并根据所述定时估计器输出的定时偏差对存储的三路相关值进行二项式插值，计算出各符号对应的定时恢复后的相关值。
进一步地，上述技术方案中，所述三路相关器可进一步包括准时相关器，与所述累加处理模块相连，用于在每个符号周期输出捕获后准时路的相关值；超前相关器，与所述累加处理模块相连，用于在每个符号周期输出捕获后超前路的相关值；滞后相关器，与所述累加处理模块相连，用于在每个符号周期输出捕获后滞后路的相关值。
更进一步地，上述技术方案中，所述定时恢复器可包括存储器，与所述三路相关器连接，用于存储所述三路相关器输出的三路相关值。所述定时恢复器还可包括信号恢复器，与所述存储器和所述定时估计器连接，用于根据所述定时估计器输出的定时偏差，对所述存储器中保存的三路相关器输出的相关值进行二项式插值，得到各符号对应的定时恢复后的相关值。
为实现发明目的，本发明还提供了一种定时恢复方法，包括以下步骤步骤1、在扩频码捕获后，在每个符号周期利用三路相关器进行相关运算，将所述三路相关器输出的三路相关值分成预先设定长度的数据块后存储；步骤2、定时估计器对接收到的符号进行数据分块，并计算相干累加值或非相干累加值，然后通过二项式插值计算出各数据块的定时偏差估计值，并输出给定时恢复器；步骤3、定时恢复器根据所述定时估计器输出的定时偏差估计值对存储的所述三路相关值进行二项式插值，计算出各符号对应的定时恢复后的相关值后发送给信号解调器解调。
进一步地，在上述技术方案中，步骤1中所述的在扩频码捕获后在每个符号周期利用三路相关器进行相关运算可具体包括在扩频码捕获后，在每个符号周期利用准时相关器、超前相关器以及滞后相关器将本地扩频码和与准时路、超前路以及滞后路对应的过采样信号进行相关运算，并存储输出的相关值，所述超前相关器相对于准时相关器以超前Tc/M相位的方式进行相关值计算，所述滞后相关器相对于准时相关器以滞后Tc/M相位的方式进行相关值计算；其中Tc为扩频码片宽度，M为一大于等于2的自然数。
更进一步地，所述步骤3可具体包括定时恢复器的信号恢复器根据所述定时估计器输出的定时偏差估计值，对所述存储器存储的三路相关值进行二项式插值，计算出各符号对应的定时恢复后的相关值后发送给信号解调器解调。
在上述技术方案中，在得到定时偏差后，不采用通常对扩频码片进行处理的方法，而是直接对符号的相关值进行插值处理得到定时恢复后的信号。这样处理更加简单，而且信号定时恢复的精度与信号采样率没有直接联系，主要决定于定时偏差的估计精度，而定时偏差的估计精度可以通过增加数据分块的长度得到提高。因此采用本发明的信号定时恢复方法，可以去掉通常扩频信号接收机中的码跟踪电路，以及用于提高定时精度的插值滤波器。M最小可为2，此时整个装置最高工作在两倍码片速率，降低了宽带扩频信号定时估计与信号恢复的实现难度。同时通过将数据分块，用前馈方式估计定时偏差，可用于突发通信。
综上所述，本发明通过将数据分块，用前馈方式估计定时偏差，并通过直接对符号的相关值进行插值处理得到定时恢复后的信号，从而达到能够应用于突发通信，并且能够降低宽带扩频信号定时恢复的实现难度的有益技术效果。
下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
图1为现有的非相干超前滞后跟踪环路进行定时同步的电路结构示意图；图2为本发明定时恢复装置的基本结构示意图；图3为本发明定时恢复装置的具体实施例的结构示意图；图4为图3实施例一中定时估计器的具体结构示意图；图5为非相干处理器的结构示意图；图6为相干处理器的结构示意图；图7为本发明定时恢复方法的流程示意图。
具体实施例方式
本发明在信号接收过程中直接估计定时偏差，并根据定时偏差来计算最佳采样值，避免了现有的非相干超前滞后跟踪环路需要较长时间才能够稳定的缺陷，而且结构较简单，在系统实现难度上要低于现有技术。
图2为本发明定时恢复装置的基本结构示意图，定时恢复装置是由三路相关器12、定时估计器13以及定时恢复器14组成的，其中三路相关器12能够在扩频码捕获后，计算出三个不同定时偏差所对应的相关值，这些相关值进入定时估计器13后，要进行数据分块，并且利用这些相关值求出各个数据块的定时偏差；定时恢复器14接收定时估计器输入的定时偏差，并根据该定时偏差对三路相关器12输入的相关值进行定时恢复，然后将定时恢复后的相关值发送给信号解调器(图中未示出)进行解调。
图3为本发明定时恢复装置的具体实施例的结构示意图，在本实施例中，三路相关器12可以由准时、超前和滞后三路相关器组成，其中超前相关器6和滞后相关器5相对于准时相关器4在定时偏差上分别超前和滞后一定相位。优选超前和滞后Tc/M，而准时路的准时相关器4在码捕获的过程中很难达到绝对的同步，因此允许准时相关器的定时偏差在±Tc/2M之间。
相关值的存储可以由定时恢复器14中的存储器15完成，该存储器与前述准时相关器4、滞后相关器5和超前相关器6相连，接收并存储三路相关器输出的三路相关值。当定时估计器13计算出各数据块的定时偏差后，定时恢复器14中的信号恢复器16可以根据定时偏差对存储器15中存储的相关值进行二项式插值，得到各符号(即数据分块后的数据块)对应的定时恢复后的相关值。定时恢复后的信号从定时恢复器14输入到信号解调器(图中未示出)后，继续执行解调操作。
定时估计器可以根据对载波相位和数据符号信息的掌握情况进行不同工作方式的定时偏差估计，参见图4，为图3实施例一中定时估计器的具体结构示意图，定时估计器13包括累加处理模块20和定时估计模块19，其中累加处理模块20与三路相关器12相连，可以计算数据分块后各数据块的三个不同定时偏差对应的相关值的相干累加值或非相干累加值，相干处理器或非相干处理器可为若干个，与输入的相关值对应。
如图5所示，为非相干处理器的结构示意图，在非相干工作方式下，首先对收到的符号信号进行分块，然后三路相关器12输出的三个相关值通过三个取模器或求模方器进行取模运算或求模方运算，然后利用累加器18对属于一个数据块的符号对应的三个相关值的模或模方进行N次累加，从而得到准时、滞后和超前三路非相干相关值的累加值。
如果知道载波相位和数据符号的信息或者它们的估计值，可以采用相干方式，并采用相干处理器，如图6所示，为相干处理器的结构示意图，在相干工作方式下，在数据分块后，利用载波相位的信息(例如估计的载波相位 和数据符号的信息(例如由解码器反馈的信息 )将数据块的相位和符号调制影响消除掉，并获得相干的相关值。再通过累加器18对属于一个数据块的符号对应的三个相关值的实部进行N次累加，从而得到准时、滞后和超前三路相干相关值的累加值。
基于上述的定时恢复装置，定时恢复的流程参见图7(图7为本发明定时恢复方法的流程示意图)，包括以下步骤步骤101、在扩频码捕获后，在每个符号周期利用三路相关器进行相关运算，将所述三路相关器输出的三路相关值分成预先设定长度的数据块后存储；步骤102、定时估计器对接收到的符号进行数据分块，并计算相干累加值或非相干累加值，然后通过二项式插值计算出各数据块的定时偏差估计值，并输出给定时恢复器；步骤103、定时恢复器根据所述定时估计器输出的定时偏差估计值对存储的所述三路相关值进行二项式插值，计算出各符号对应的定时恢复后的相关值后发送给信号解调器解调。
在上述方案中，选用的输入信号为直接序列扩展频谱信号，扩频序列是周期为127的戈尔德码(GOLD)序列通过补零而获得的，周期为128。并采用QPSK调制，信息速率为512kbps，符号速率为256kps，扩频比为128，并采用码长为1056，1/2码率的LDPC码。采用的信道为加性高斯白噪声信道。
经过滤波解调的基带模拟信号进入A/D变换器变换成基带数字信号，基带数字信号在载波同步器的控制下对信号进行残余频偏的纠正，纠正残余频偏后的信号进入匹配滤波器进行最佳接收。接收后的信号以2倍过采样速率进行过采样。当步骤101中扩频码捕获后，在每个符号周期利用准时相关器、超前相关器以及滞后相关器进行相关运算，并存储输出的相关值，所述超前相关器相对于准时相关器以超前Tc/2相位的方式进行相关值计算，所述滞后相关器相对于准时相关器以滞后Tc/2相位的方式进行相关值计算。
在步骤102中，定时估计器可根据工作状态采用不同的处理器，前文已经提到，载波相位和数据符号的信息的是否可知会影响处理方式，一般包括非相干处理方式和相干处理方式两种，非相干处理器可以对接收到的符号进行数据分块并计算非相干累加值，即先将获得的相关值进行取模运算或求模方运算，并输出相关值的模；然后将所述相关值的模进行累加，并输出非相干累加值。这里的分块后的数据块大小选为1056，但不限于此。
如果使用相干处理器，则对接收到的符号进行数据分块并计算相干累加值，具体为先将数据块的相关值进行将数据块的相位和符号调制影响消除掉，并输出实部值；再将所述输出的实部值进行累加，并输出相干累加值。
在步骤103中，定时恢复器的信号恢复器根据定时估计器输出的定时偏差估计值，对存储器存储的三路相关值进行二项式插值，计算出各符号对应的定时恢复后的相关值后发送给信号解调器解调。设第n个符号对应的三路相关值分别为Yn(τ-1)、Yn(τ0)和Yn(τ1)，其中τ0为捕获后准时路残余的定时偏差，τ-1＝τ0-Tc/M，τ1＝τ0+Tc/M，其所在的数据块对应的定时偏差估计为 则定时恢复后输出的第n个符号的相关值Yn为Yn=aτ^2+bτ^+c]]>其中a=[Yn(τ-1)+Yn(τ1)-2Yn(τ0)2](MTc)2]]>b=[Yn(τ1-Yn(τ-1))2]MTc]]>c＝Yn(τ0)信号恢复器输出的相关值Yn，送入信号解调器进行后续解调。
本发明采用的是一种前馈式的定时偏差估计方法，然后根据估计出的定时偏差进行恢复，其信号恢复利用二项式插值，可以直接获得定时恢复后的输出符号相关值。效率和精度上都较现有技术有所提高，而且还可以通过增加数据分块的长度来提高估计精度，从而获得更加的同步效果。
最后应当说明的是以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解依然可以对本发明的具体实施方式
进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。
权利要求
1.一种定时恢复装置，其特征在于，包括三路相关器，用于在扩频码捕获后，输出三个不同定时偏差对应的相关值，并将输出的相关值分成预先设定长度的数据块；定时估计器，与所述三路相关器连接，用于根据所述三个不同定时偏差对应的相关值的模计算出各数据块的定时偏差；定时恢复器，与所述三路相关器和定时估计器连接，用于存储所述三路相关器输出的三路相关值，并根据所述定时估计器输出的定时偏差对存储的三路相关值进行二项式插值，计算出各符号对应的定时恢复后的相关值后发送给信号解调器解调。
2.根据权利要求1所述的定时恢复装置，其特征在于，所述三路相关器包括准时相关器，与所述累加处理模块相连，用于在每个符号周期输出捕获后准时路的相关值；超前相关器，与所述累加处理模块相连，用于在每个符号周期输出捕获后超前路的相关值；滞后相关器，与所述累加处理模块相连，用于在每个符号周期输出捕获后滞后路的相关值。
3.根据权利要求1所述的定时恢复装置，其特征在于所述定时恢复器包括存储器，与所述三路相关器连接，用于存储所述三路相关器输出的三路相关值。
4.根据权利要求3所述的定时恢复装置，其特征在于所述定时恢复器包括信号恢复器，与所述存储器和所述定时估计器连接，用于根据所述定时估计器输出的定时偏差，对所述存储器中保存的三路相关器输出的相关值进行二项式插值，得到各符号对应的定时恢复后的相关值。
5.根据权利要求4所述的定时恢复装置，其特征在于所述定时恢复器与所述扩频通信系统中的信号解调器连接，用于将定时恢复后得到的相关值输入所述信号解调器进行后续解调。
6.根据权利要求1所述的定时恢复装置，其特征在于，所述定时估计器包括累加处理模块，与所述三路相关器相连，用于计算各数据块的所述三个不同定时偏差对应的相关值的相干累加值或非相干累加值；定时估计模块，与所述累加处理模块相连，用于根据累加处理模块输出的相干累加值或非相干累加值进行插值计算，获得各数据块的定时偏差。
7.根据权利要求6所述的定时恢复装置，其特征在于，所述累加处理模块进一步包括数个相干处理器，与所述三路相关器相连，用于将数据块的相关值进行相位消除和消除符号调制信息，并输出实部值；数个累加器，与对应的所述数个相干处理器和定时估计器相连，用于将所述输出的实部值进行累加，并输出相干累加值。
8.根据权利要求6所述的定时恢复装置，其特征在于，所述累加处理模块进一步包括数个非相干处理器，与所述三路相关器相连，用于将所述三路相关器输出的相关值进行取模或求模方运算，并输出相关值的模或模方；数个累加器，与对应的所述数个非相干处理器和定时估计器相连，用于将所述相关值的模或模方进行累加，并输出非相干累加值。
9.一种定时恢复方法，其特征在于，包括步骤1、在扩频码捕获后，在每个符号周期利用三路相关器进行相关运算，将所述三路相关器输出的三路相关值分成预先设定长度的数据块后存储；步骤2、定时估计器对接收到的符号进行数据分块，并计算相干累加值或非相干累加值，然后通过二项式插值计算出各数据块的定时偏差估计值，并输出给定时恢复器；步骤3、定时恢复器根据所述定时估计器输出的定时偏差估计值对存储的所述三路相关值进行二项式插值，计算出各符号对应的定时恢复后的相关值后发送给信号解调器解调。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，步骤1中所述的在扩频码捕获后在每个符号周期利用三路相关器进行相关运算具体包括在扩频码捕获后，在每个符号周期利用准时相关器、超前相关器以及滞后相关器将本地扩频码和与准时路、超前路以及滞后路对应的过采样信号进行相关运算，并存储输出的相关值，所述超前相关器相对于准时相关器以超前Tc/M相位的方式进行相关值计算，所述滞后相关器相对于准时相关器以滞后Tc/M相位的方式进行相关值计算；其中Tc为扩频码片宽度，M为一大于等于2的自然数。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，步骤1中所述的将所述三路相关器输出的三路相关值分成预先设定长度的数据块后存储具体包括所述定时恢复器将所述三路相关器输出的三路相关值分成预先设定长度的数据块后存储在所述存储器中。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，步骤2中所述的定时估计器对接收到的符号进行数据分块并计算相干累加值或非相干累加值，具体包括步骤21、在非相干方式下，将获得的相关值进行取模或求模方运算，并输出相关值的模或模方；步骤22、将所述相关值的模或模方进行累加，并输出非相干累加值。
13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，步骤2中所述的定时估计器对接收到的符号进行数据分块并计算相干累加值或非相干累加值具体包括步骤21’、在相干方式下，将数据块的相关值进行相位消除和消除符号调制信息，并输出实部值；步骤22’、将所述输出的实部值进行累加，并输出相干累加值。
14.根据权利要求12或13所述的方法，其特征在于，所述步骤3具体包括定时恢复器的信号恢复器根据所述定时估计器输出的定时偏差估计值，对所述存储器存储的三路相关值进行二项式插值，计算出各符号对应的定时恢复后的相关值后发送给信号解调器解调。
全文摘要
一种定时恢复装置，包括三路相关器；定时估计器，与三路相关器连接；定时恢复器，与三路相关器和定时估计器连接。一种定时恢复方法，包括以下步骤步骤1为将三路相关器输出的三路相关值分成预先设定长度的数据块后存储；步骤2为定时估计器对接收到的符号进行数据分块并计算相干累加值或非相干累加值，通过二项式插值计算出各数据块的定时偏差估计值并输出给定时恢复器；步骤3为定时恢复器根据定时估计器输出的定时偏差估计值，利用所存储的三路相关值进行二项式插值，计算出各符号对应的定时恢复后的相关值。本发明能够应用于突发通信且降低宽带扩频信号定时恢复的实现难度。
文档编号H04B1/69GK1889372SQ20061009952
公开日2007年1月3日 申请日期2006年7月26日 优先权日2006年7月26日
发明者罗武, 刘安, 梁庆林 申请人:北京大学