专利名称：一种用于无线传输系统的定时和载波恢复装置及恢复方法
技术领域：
本发明涉及一种用于无线传输系统的定时和载波恢复装置及恢复方法，属于无线
通信技术领域。
背景技术：
在现代通信系统中无线通信手段越来越受到人们的重视。随着通信技术的发展，对通信的信道容量，频谱利用率、可靠性和实时性提出了越来越高的要求，利用MIM0信道可以成倍地提高无线信道容量，在不增加带宽和天线发送功率的情况下，频谱利用率可以成倍地提高，同时提高了信道的可靠性，降低误码率。因此MIM0系统及其相关技术成为近年来人们研究的热点。 MIMO相关技术的测试验证以往都只是在仿真的信道环境下进行，严重影响了算法验证的准确性。 一种MM0实时通信系统测试平台解决了该问题，提供一种MM0无线实时通信系统真实环境测试平台(以下简称MIMO实时平台)，该平台的发送接收经历一个完整的从星座映射、脉冲成形、上变频、调制、RF到解调、定时和载波恢复、星座逆映射、判决的传输过程，并通过真实的无线信道传输，恢复的信号能够更加准确的检验MIM0系统算法的性能。并可在此基础上进行音视频信号的传输，使之同时具有了实际系统开发的价值。MM0实时平台为研究在真实无线信道环境下多输入多输出通信系统的实现问题，搭建一套开放式、阶段性、系统级试验平台，集数字基带软件实现、模拟前端电路和MIMO天线阵列于一体，实现"算法设计一性能验证一系统实现"的全方位服务。 在MMO实时平台的搭建过程中，接收端的同步和载波恢复方法是必不可少的。目前，在数字通信系统中，任何消息都是通过一连串码元序列传送的，所以接收时必须知道每个码元的起止时刻，以便在恰当的时刻进行判决。这就需要进行位同步。位同步是指在接收端的基带信号中提取码元定时的过程。位同步是正确取样判决的基础，位同步点的准确性、稳定性对系统的性能有很大影响。所提取的位同步信息频率等于码速率的定时脉冲，相位根据判决时信号的波形确定，可能在码元中间也可能在码元的终止时刻或其他时刻，实现方法有插入导频法和直接法。 在通信系统设计中，由于相干解调与非相干解调相比具有更好的功率效率，因此得到广泛的应用。而相干解调就需要进行载波恢复，大量的文献研究了用模拟或数字的方法进行载波恢复，但真正应用于现实系统还需要进一步的改进。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明提供一种用于无线传输系统的定时和载波恢复装置及恢复方法。 —种用于无线传输系统的定时和载波恢复装置，包括无线传输系统的接收装置、计算机和开发板，无线传输系统的接收装置与开发板和计算机连接，开发板是Sundance公司的带有FPGA芯片、通过软件写入程序的电路板。
—种用于无线传输系统的定时和载波恢复方法，用System generater软件搭建模块，自动生成Verilog语言的程序，将该程序写入开发板的FPGA芯片中；定时和载波恢复方法包括如下步骤 1)无线传输系统接收机接收数据信号，经过32倍下采样，获得在4倍符号速率下的采样值； 2)内插滤波器对步骤1)得到的采样值进行插值运算，得到接收数据信号的近似值；在初始状态下尚未得到定时误差时，利用初始化后的内插控制信号控制内插滤波器；在环路运行一个周期后，得到接收数据信号的定时误差；
3)环路滤波器对步骤2)得到的定时误差进行低通滤波； 4)低通滤波后的定时误差，经过时钟控制单元，得到采样时钟控制信号和内插控制信号；用内插控制信号控制步骤2)中的内插滤波器； 5)无线传输系统的接收机在步骤4)得到的采样时钟控制信号的控制下进行频偏恢复，得到消除了定时误差和频偏的最佳接收采样信号； 6)步骤1)至5)循环往复，实现连续的位定时误差的恢复和频偏的恢复。
所述步骤1中，无线实时传输系统发送机符号速率为T，接收机进行32倍下采样，得到的信号时钟周期为Ts，设采样速率和符号速率的比值是Ms : Ms = Ts/T。该方法中选择Ms = 4。 所述步骤2中，初始状态下还没有得到定时误差，利用初始化后的内插控制信号控制内插滤波器，在环路运行一个周期后就会得到定时误差，就利用定时误差得到的内插控制信号控制内插滤波器对采样值进行内插运算，调整采样时刻使其更接近最佳采样点。设采样点估计值为z (mT+ e T)。利用采样点估计值z (mT+ e T)估计定时误差，具体步骤如下 定时误差检测模块对上述采样点估计值分实部虚部分别平方后相加，得到采样点
估计值的平方L( O 。丄")=2 |z(mT+sT)|2 。 对上述采样点估计值的平方L( e )进行傅里叶分解丄(s》
Z ，再利用采
样点估计值的平方L( e )信号延时0个时钟单元得到的数据减去延时2个时钟单元得到的数据，得到傅里叶系数Q的实部，采样点估计值的平方L( e )信号延时1个时钟单元得到的数据加上延时3个时钟单元得到的数据再取反，得到傅里叶系数C1的虚部。
1 M ， ，
ReW=+ E |z(4《)l -|z[(4m + 2)7;]
1 M
Im{Cl}=^~ 2 +[(4w + l)7;]| +z[(4m + 3)7;] 对实部和虚部分别进行滑动平均，得到在一段时钟周期内的平均值。
利用上述步骤得到的实部和虚部的平均值用CORDIC算法，得到相位信息。
由于CORDIC算法必然会有延迟，并且该算法实现的延迟都是按系统时钟计算的，这就使得外部使能信号和CORDIC算法内部的数据很难同步，所以首先将计算出来的q进行32倍降采样，使之变成系统时钟，然后再进入CORDIC算法，计算出来的误差数据再进行
432倍升采样恢复。并且由于CORDIC算法要求精度很高，所以对输入数据首先限制在[-1，1)之间，即将数据位数设置为[-l，l)间的最高精度(16， 15) (16表示数据总位数为16， 15表示小数位占15位)。然后再变换为(16，13)，原因是C0RDIC算法的输出数据位数默认是与输入数据相同，CORDIC算法结果[-2ji，2ji)避免溢出，再将(16,15)的数据转换为(16，13)，满足精度和幅值的要求。 对相位信息进行界限控制，将相位信息控制在[-2ji ，2ji)，并乘以-1/2JI ，得到定时误差s附。 =-1/27rarg(cJ 。 所述步骤3中，对步骤2到的定时误差估计值进行环路滤波，所述环路滤波器采用低通滤波。 所述步骤4中，利用低通滤波后的定时误差获得内插滤波器的控制信号和采样时钟控制信号。 所述步骤5中，无线传输系统接收机频偏恢复，具体步骤如下 利用步骤3得到的采样时钟控制信号进行采样，得到单倍符号速率的数据采样。 单倍速率的数据采样和其经过极性判决后的数据相乘，然后利用CORDIC算法求
相位，得到相位偏差估计值e e。 &=argOSO^ V"。 环路滤波器对上述相位偏差估计值进行低通滤波，滤除噪声和干扰，提高了抗干扰能力。 利用经过环路滤波后的相位偏差估计值控制NCO，得到相应频率的误差控制信号。
误差控制信号取共轭，乘以单倍速率的数据信号，得到纠正误差后的正确数据。
在实现过程中，由于信号是4倍的符号速率，但有的地方是只对有效的数据进行操作，也就是在操作过程中进行采样抽取，这就需要各个模块都用采样时钟来控制使能。最重要的就是延迟，如附图4:用使能信号控制延时，当有使能时，信号取上一个时钟的信号，没有使能信号时就维持以前的数据，所以用该使能信号控制下一步操作，正好能将有效数据取出来，以保证运算的正确性。并且用FPGA仿真时是定点操作，每一步的数据位数都既要满足数据幅度的大小，保证不溢出，又要保证资源的利用率，不能盲目的使用较大的数据位数，这就需要一步步的调整。 本发明提供了一种适用于MIMO实时平台的定时和载波恢复方法，具有特殊的接口以满足整个系统的要求，并具有独立的模块性质，可以用于其他的通信系统，只需对接口做适当的修改。通过定时和载波恢复算法，解决了通过无线信道后接收信号重采样的定时误差以及传输过程中引入的相位偏差问题，提高信号质量。 本发明的有益效果为对应用于实际平台中的算法降低系统复杂度的同时，解决了数据星座图发散和旋转的问题，并使得星座图收敛的较好较快。 本发明针对MMO实时平台搭建过程中通信链路接收端数据载波频偏和时钟不同步的问题，提供一种检测载波频偏和时钟信息，并能通过锁相环进行载波恢复和位定时同步的方法。该方法可以大大提高接收端数据的准确性，减小误码率，并且星座图锁定时间较短，适用于实际信道环境的数据恢复。
图1为本发明的结构示意图。 图2为本发明的系统流程图。 图3为本发明中定时检测模块的实现流程图。 图4为本发明中载波恢复算法的环路实现流程图。 图5为本发明中使能控制延迟的原理时序图。 其中，1 、接收装置，2 、开发板，3 、计算机。
具体实施方式
实施例 —种用于无线传输系统的定时和载波恢复装置，包括无线传输系统的接收装置l、计算机3和开发板2，无线传输系统的接收装置1与开发板2和计算机3连接，开发板2是Sundance公司的带有FPGA芯片、通过软件写入程序的电路板。 —种用于无线传输系统的定时和载波恢复方法，用System generater软件搭建模块，自动生成Verilog语言的程序，将该程序写入开发板的FPGA芯片中；定时和载波恢复方法包括如下步骤 1)无线传输系统接收机接收数据信号，经过32倍下采样，获得在4倍符号速率下的采样值； 2)内插滤波器对步骤1)得到的采样值进行插值运算，得到接收数据信号的近似值；在初始状态下尚未得到定时误差时，利用初始化后的内插控制信号控制内插滤波器；在环路运行一个周期后，得到接收数据信号的定时误差；
3)环路滤波器对步骤2)得到的定时误差进行低通滤波； 4)低通滤波后的定时误差，经过时钟控制单元，得到采样时钟控制信号和内插控制信号；用内插控制信号控制步骤2)中的内插滤波器； 5)无线传输系统的接收机在步骤4)得到的采样时钟控制信号的控制下进行频偏恢复，得到消除了定时误差和频偏的最佳接收采样信号； 6)步骤1)至5)循环往复，实现连续的位定时误差的恢复和频偏的恢复。
权利要求
一种用于无线传输系统的定时和载波恢复装置，包括无线传输系统的接收装置、计算机和开发板，其特征在于，无线传输系统的接收装置与开发板和计算机连接，开发板是Sundance公司的带有FPGA芯片、通过软件写入程序的电路板。
2. —种用于无线传输系统的定时和载波恢复方法，其特征在于，用System generater软件搭建模块，生成Verilog语言的程序，将该程序写入开发板的FPGA芯片中；定时和载波恢复方法包括如下步骤1) 无线传输系统接收机接收数据信号，经过32倍下采样，获得在4倍符号速率下的采样值；2) 内插滤波器对步骤l)得到的采样值进行插值运算，得到接收数据信号的近似值；在初始状态下尚未得到定时误差时，利用初始化后的内插控制信号控制内插滤波器；在环路运行一个周期后，得到接收数据信号的定时误差；3) 环路滤波器对步骤2)得到的定时误差进行低通滤波；4) 低通滤波后的定时误差，经过时钟控制单元，得到采样时钟控制信号和内插控制信号；用内插控制信号控制步骤2)中的内插滤波器；5) 无线传输系统的接收机在步骤4)得到的采样时钟控制信号的控制下进行频偏恢复，得到消除了定时误差和频偏的最佳接收采样信号；6) 步骤l)至5)循环往复，实现连续的位定时误差的恢复和频偏的恢复。
全文摘要
一种用于无线传输系统的定时和载波恢复装置及恢复方法，属于无线通信技术领域。装置包括无线传输系统的接收装置、计算机和开发板，无线传输系统的接收装置与开发板和计算机连接，开发板是带有FPGA芯片、通过软件写入程序的电路板。方法是用软件搭建模块，生成程序，将该程序写入开发板中；接收机接收数据信号，经过32倍下采样，获得4倍符号速率下的采样值；对采样值进行插值运算，得到接收数据信号的定时误差；对定时误差进行低通滤波；经过时钟控制单元，得到采样时钟控制信号和内插控制信号；用内插控制信号控制内插滤波器，在采样时钟控制信号的控制下进行频偏恢复，循环往复，实现连续的位定时误差的恢复和频偏的恢复。
文档编号H04L1/06GK101753289SQ20091023149
公开日2010年6月23日 申请日期2009年12月15日 优先权日2009年12月15日
发明者刘朝娜, 孙健, 岑楠, 徐超, 王凤菊, 王恒, 袁东风, 贾会超 申请人:山东大学