一种改进的初相注入的定时同步方法

1.本技术涉及通信技术领域，具体而言，涉及一种改进的初相注入的定时同步方法。


背景技术：

2.在通信系统中，信号在信道传输过程中会受到多普勒效应的影响，此外发射端与接收端的时钟也存在不完全匹配的情况，因此接收端接收到的信号与发送端发送的信号存在一定的频率和相位偏移。当存在频偏或相偏时，采样时钟无法在最佳采样时刻对信号进行采样，得到的采样值与理想值存在偏差，这个偏差会影响后续解调的符号判决过程，降低信号质量，造成译码过程中误码率上升，因此需要进行位同步处理，对采样时钟的频率和相位偏移进行补偿修正。
3.最初的位同步方法主要为插入导频法，该方法需要在数据帧中插入一段导频信息，接收机根据这一段导频信息进行位同步。导频信息占用了大量的传输能量，也增加了频谱资源，影响信号传输的吞吐率，在实际的通信系统中较少被采用。
4.目前常用的位同步方法主要包括平方滤波定时估计算法和gardner定时误差估计算法。平方滤波定时估计算法属于前馈结构估计算法，该方法先对接收信号做平方非线性变换，然后通过数字滤波提取出1/t处的频率分量，从而得到定时偏差的估计值。平方滤波定时估计算法收敛速度快，但对adc的采样速率的要求高，至少需要四倍过采样，且算法跟踪性能较差，无法抵抗较大的定时偏差。gardner定时误差估计算法是一种反馈结构估计算法，该算法每个符号定时误差值的计算只需要两个采样点。gardner定时误差估计算法因其位同步环路结构简单，且同步性能不受载波相位干扰的优势而被广泛使用，但其收敛速度慢，不适合用于突发传输。


技术实现要素：

5.本发明提供了一种改进的初相注入的定时同步方法，所述初相注入的定时同步方法包括以下步骤：
6.s1：对输入信号进行平方滤波定时误差估计，获取平方滤波定时误差值，完成时钟初相捕获；
7.s2：将上述平方滤波定时误差值作为gardner定时环路插值点的初始位置，对插值后得到的最佳采样数据进行gardner定时误差估计；
8.s3：将上述计算得到的gardner定时误差值同时输入到环路滤波器、增益控制滤波器以及选择控制器中，通过选择控制器调整环路系数，将环路滤波器、增益控制滤波器输出之和与环路系数相乘作为数控振荡器的控制字；
9.s4：数控振荡器通过溢出计数的方式产生分数间隔的更新值，改变插值基点的位置，形成闭环反馈的定时同步环路，然后进行循环迭代不断调整插值基点，得到最佳采样数据；
10.s5：将上述最佳采样数据进行下采样滤波，输出下采样滤波后的最佳采样数据。
11.更近一步地，在步骤1中，还包括以下步骤：
12.s11：初始化第一数控振荡器的控制字，同时获取输入数据；
13.s12：将输入数据送入插值滤波器，在第一数控振荡器的控制下输出数据，当输出数据的个数达到预定时进行时钟初相的估计；
14.s13：通过平方滤波算法计算得到时钟初相估计，并根据时钟初相估计完成第二数控振荡器的初始化。
15.更近一步地，在步骤s13中，所述平方滤波算法先对接收信号做平方非线性变换，然后通过数字滤波提取出1/t处的频率分量，从而得到定时偏差的估计值计算公式为：
[0016][0017]
其中，r(k)表示在第一数控振荡器的控制下插值滤波器输出的数据，k表示采样点，n表示一个符号周期内的采样点数，l表示符号长度，通常l取64即可满足要求，arg代表取角度操作；
[0018]
所述输出数据的个数达到ln时进行时钟初相的估计。
[0019]
更近一步地，在步骤s2中，还包括以下步骤：
[0020]
s21：输入数据在第二数控振荡器的控制下通过插值滤波器计算得到环路的插值序列；
[0021]
s22：根据gardner算法对插值序列进行定时误差估计运算，得到定时误差信号。
[0022]
更近一步地，在步骤s3中，还包括以下步骤：
[0023]
s31：将定时误差输入到环路滤波器以滤波出高频分量，同时将定时误差输入到增益控制滤波器中；
[0024]
s32：选择控制器通过计算定时误差的误差均值判断环路状态，从而调整环路系数；
[0025]
s33：将环路滤波器和增益控制滤波器输出之和乘以环路系数的结果作为第二数控振荡器的控制字。
[0026]
更近一步地，在步骤s4中，还包括以下步骤：
[0027]
s41：第二数控振荡器通过溢出计数的方式确定插值滤波器所需的插值基点和分数间隔；
[0028]
s42：插值滤波器利用插值基点和分数间隔完成新一轮的插值计算，从而形成闭环反馈的环路，通过循环迭代不断调整插值基点位置，得到最佳采样数据。
[0029]
本技术的有益效果是：
[0030]
本发明通过结合平方滤波定时估计算法和gardner定时误差估计算法两者的优势，将平方滤波定时误差值作为gardner算法插值点的初始位置，从而使gardner定时恢复环路快速入锁，缩短了定时同步的建立时间。
[0031]
本发明在传统的gardner定时恢复环路中增加增益控制滤波器、选择控制器以及环路系数。将环路滤波器、增益控制滤波器输出之和与环路系数相乘作为数控振荡器的控制字，其中选择控制器用于判断环路状态从而调整环路系数。改进后的环路结构能够有效
地降低同步过程中由于系统自噪声引起的定时抖动误差。
附图说明
[0032]
本技术的上述和/或附加方面的优点在结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
[0033]
图1是本发明实施例提供的一种改进的初相注入的定时同步方法的流程图；
[0034]
图2是本发明实施例提供的一种改进的初相注入的定时同步装置的结构示意图；
[0035]
图3是本发明实施例提供的一种改进的初相注入的定时同步方法中nco寄存器相位值的更新过程图。
[0036]
图4是本发明实施例提供的一种改进的初相注入的定时同步方法中平方滤波定时误差估计算法的原理图。
[0037]
图5是本发明实施例提供的一种改进的初相注入的定时同步方法中gardner定时误差检测算法的示意图。
[0038]
图6是本发明实施例提供的一种改进的初相注入的定时同步方法中增益控制滤波器的工作原理图。
[0039]
图7是本发明实施例提供的一种改进的初相注入的定时同步方法中选择控制器的工作原理图。
[0040]
图8是本发明实施例提供的一种改进的初相注入的定时同步方法中立方插值滤波器的结构框图。
具体实施方式
[0041]
为了能够更清楚地理解本技术的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本技术进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术的实施例及实施例中的特征可以相互结合。
[0042]
在下面的描述中，阐述了很多具体细节以便于充分理解本技术，但是，本技术还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本技术的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
[0043]
如附图1所示，一种改进的初相注入的定时同步方法，该定时同步方法，包括以下步骤：
[0044]
s1：对输入信号进行平方滤波定时误差估计，获取平方滤波定时误差值，完成时钟初相捕获；
[0045]
具体的在步骤s1中还包括：
[0046]
s11：初始化第一数控振荡器nco1，从而初始化nco1寄存器的初始值，初始化控制字，同时将输入数据送入数据缓冲器1；
[0047]
s12：将开关闭合到k1，从数据缓冲器1中取出数据进入插值滤波器1，在第一数控振荡器nco1的控制下不断向数据缓冲器2中存入插值滤波器1输出的数据，当存入数据的个数达到ln时即可进行时钟初相的估计；
[0048]
s13：通过平方滤波算法计算得到时钟初相估计值并完成数控振荡器nco2的初始化。
[0049]
具体地，第一数控振荡器nco1和数控振荡器nco2均为相位递减器，通过步长控制字ω(m)的作用下通过溢出计数的方式来确定插值基点mk，其中，第一数控振荡器nco1的步长控制字为预定的常数；数控振荡器nco2的步长控制字ω(m)由环路滤波器提供。相位递减器的功能可以用公式表示：
[0050][0051]
η(m)表示第m个采样时刻到来时nco寄存器的值，η(m+1)表示第m+1个采样时刻到来时nco寄存器的值，mod1表示取模1运算。
[0052]
附图3直观地展示了nco1、nco2寄存器相位值的更新过程，从中可以利用相似三角形法则可以推导出：
[0053][0054]
其中，μk表示分数间隔，mk表示插值基点，ts表示采样时钟周期。
[0055]
将其移位变形后可得到分数间隔μk的表达式：
[0056][0057]
其中，ω(mk)表示环路滤波器输出的步长控制字。
[0058]
在本实施例中，由于输入数据为4倍过采样数据，所以将数控振荡器nco1的控制字ω
nco1
(m)设置为常数1，nco1的寄存器的初始值η
nco
(1)设置为1。
[0059]
具体地，在步骤s13中的平方滤波算法，如附图4所示，该方法先对接收信号做平方非线性变换，然后通过数字滤波提取出1/t处的频率分量，从而得到定时偏差的估计值计算公式为：
[0060][0061]
其中，r(k)表示在第一数控振荡器的控制下插值滤波器输出的数据，k表示采样点，n表示一个符号周期内的采样点数，l表示符号长度，通常l取64即可满足要求，arg代表取角度操作。在本实施例中，使用前256个输入符号计算定时偏差估计值即n取4，l取64。
[0062]
得到定时偏差估计值后就可以对数控振荡器nco2进行初始化，其初始化与nco1类似，但对于nco2，其控制字ω
nc
(m)不是常数，其溢出周期是动态变化的。由于n取4，所以设置nco2控制字初始值ω
nco2
(1)为0.5，nco2寄存器初始值η
nc
(1)为完成nco2的初始化设置之后即可进入步骤s2。
[0063]
s2：将上述平方滤波定时误差值作为gardner定时环路插值点的初始位置，对插值后得到的最佳采样数据进行gardner定时误差估计；
[0064]
具体的在步骤s2中还包括：
[0065]
s21：将开关闭合至k2，将数据缓冲器1中的数据在数控振荡器nco2的控制下通过插值滤波器2计算得到环路的插值序列；
[0066]
s22：定时误差检测器根据gardner算法对插值序列进行定时误差估计运算，得到定时误差信号e(n)。
[0067]
具体地，在步骤s22中用gardner算法进行定时误差估计，传统的gardner定时误差检测算法的表达式为：
[0068][0069]
其中，e(n)为计算得到的定时误差值，yi(n)、yq(n)分别表示第n个同相信号、正交信号的符号采样值，yi(n-1)、yq(n-1)分别表示第n-1个同相信号、正交信号的符号采样值，分别表示同相信号、正交信号第n-1个和第n个采样时刻的中间采样值。如附图5所示，a)中，中间采样值为零，此时定时误差输出值为零，为环路的最佳采样点；b)中，中间采样值大于零，表示采样时钟超前，插值需要向后调整；c)中，中间采样值小于零，表示采样时钟滞后，插值需要向前调整。
[0070]
s3：将上述计算得到的gardner定时误差值同时输入到环路滤波器、增益控制滤波器以及选择控制器中，通过选择控制器调整环路系数，将环路滤波器、增益控制滤波器输出之和与环路系数相乘作为数控振荡器的控制字；
[0071]
具体的在步骤s3中还包括：
[0072]
s31：将检测到的定时误差e(n)输入到环路滤波器中，以滤波出高频分量，同时将定时误差e(n)输入到增益控制滤波器中；
[0073]
s32：选择控制器通过计算误差均值判断环路状态，从而调整环路系数；
[0074]
s33：将环路滤波器、增益控制滤波器输出之和乘以环路系数的结果作为数控振荡器nco2的控制字ω(m)，更新nco寄存器2的值。
[0075]
进一步地，在步骤s31中所述的环路滤波器，其主要作用是滤除定时误差信号中的高频干扰成分，在本实施例中，使用二阶有源比例积分滤波器来实现环路滤波的功能，对应的传递函数表达式为：的传递函数表达式为：其中coe1和coe2是环路滤波器的系数，具体计算公式为体计算公式为ωn表示环路带宽，ξ表示阻尼因子，km是nco的增益，kd是定时误差检测器的鉴相增益，fs表示环路滤波器的工作频率，即接收端本地采样时钟的频率。环路滤波器的递归方程为：
[0076]
ω(n)＝ω(n-1)+coe1
·
[e(n)-e(n-1)]+coe2
·
e(n)
[0077]
具体地，在步骤s31中所述的增益控制滤波器，其工作原理图如附图6所示，该滤波器中设定误差阈值u
ref
，通过对定时误差e(n)是否超出门限进行检测，若连续输入超过达到一定个数m，输出误差值e
′
(n)＝sign(e(n))
·
(u
ref
)，否则输出误差值e
′
(n)＝0。其中，在本实施例中，经过参数仿真，将m设置为3，u
ref
设置为0.2时增益控制滤波器的性能最好。
[0078]
进一步地，在步骤s32中所述的选择控制器，其工作原理图如附图7所示，该控制器
通过计算误差值的均值来判断环路状态，均值趋近于零时定时同步环路进入跟踪状态，否则处于捕获状态。当环路处于捕获状态时，将环路系数设置为1；处于跟踪状态时环路系数应在0至1之间取值，需要经过仿真实验，对定时抖动与同步时间进行综合分析，最终选定环路系数值。在本实施例中，环路处于跟踪状态时，通过仿真实验，对定时抖动与同步时间进行综合分析，最终将环路系数设定为0.1。
[0079]
s4：数控振荡器通过溢出计数的方式产生分数间隔的更新值，改变插值基点的位置，形成闭环反馈的定时同步环路，然后进行循环迭代不断调整插值基点，得到最佳采样数据；
[0080]
具体的在步骤s4中还包括：
[0081]
s41：数控振荡器nco2在ω(m)的控制下通过溢出计数的方式确定插值滤波器2所需的插值基点mk和分数间隔μk；
[0082]
s42：插值滤波器2利用mk和μk完成新一轮的插值计算，从而形成闭环反馈的环路，通过循环迭代不断调整插值基点位置，得到最佳采样数据。
[0083]
具体地，在步骤s1、s2中所述的插值滤波器一般采用多项式插值滤波器，其基本原理是利用将n阶拉格朗日多项式函数逼近插值点y(kti)的计算公式，得到拉格朗日插值公式表达式：
[0084][0085]
其中ci(t)表示拉格朗日系数，其具体表达式为(t)表示拉格朗日系数，其具体表达式为由于参与插值点运算的插值器抽头系数个数n必须为偶数，则可以设i1＝-n/2，i2＝n/2-1。因为只需要插值滤波器单位冲击响应在(μk+i)ts时刻的采样值hi[(μk+i)ts]，所以令t
μ
＝(μk+i)ts，则可以得到拉格朗日插值滤波器的表达式：
[0086]hi
[(μk+i)ts]＝ci(μk)
[0087]
其中，
[0088]
在本实例中采用farrow结构的立方插值滤波器，结构框图如附图8所示，插值滤波器阶数n＝4，则i1＝-2，i2＝1，立方插值系数为插值点的计算公式为y(kti)＝c-2
(μk)x(mk+2)+c-1
(μk)x(mk+1)+c0(μk)x(mk)+c1(μk)x(m
k-1)。
[0089]
s5：将上述最佳采样数据进行下采样滤波，输出下采样滤波后的最佳采样数据。
[0090]
本发明所设计的一种改进的初相注入的定时同步方法，使用平方滤波定时估计算法和gardner定时误差估计算法相结合的方法对信号进行定时同步。首先，信号通过平方滤波误差估计完成时钟初相捕获，再将平方滤波定时误差值作为gardner算法插值点的初始
位置，使gardner定时恢复环路快速入锁，缩短定时同步的建立时间；并且在传统的gardner定时恢复环路中增加增益控制滤波器、选择控制器以及环路系数，有效降低了同步过程中由于系统自噪声引起的定时抖动误差。本发明相较于传统的gardner定时恢复算法，能有效缩短同步建立时间并降低定时抖动误差。
[0091]
本技术中的步骤可根据实际需求进行顺序调整、合并和删减。
[0092]
尽管参考附图详地公开了本技术，但应理解的是，这些描述仅仅是示例性的，并非用来限制本技术的应用。本技术的保护范围由附加权利要求限定，并可包括在不脱离本技术保护范围和精神的情况下针对发明所作的各种变型、改型及等效方案。

技术特征：
1.一种改进的初相注入的定时同步方法，其特征在于，所述初相注入的定时同步方法包括以下步骤：s1：对输入信号进行平方滤波定时误差估计，获取平方滤波定时误差值，完成时钟初相捕获；s2：将上述平方滤波定时误差值作为gardner定时环路插值点的初始位置，对插值后得到的最佳采样数据进行gardner定时误差估计；s3：将上述计算得到的gardner定时误差值同时输入到环路滤波器、增益控制滤波器以及选择控制器中，通过选择控制器调整环路系数，将环路滤波器、增益控制滤波器输出之和与环路系数相乘作为数控振荡器的控制字；s4：数控振荡器通过溢出计数的方式产生分数间隔的更新值，改变插值基点的位置，形成闭环反馈的定时同步环路，然后进行循环迭代不断调整插值基点，得到最佳采样数据；s5：将上述最佳采样数据进行下采样滤波，输出下采样滤波后的最佳采样数据。2.根据权利要求1所述初相注入的定时同步方法，其特征在于，在步骤1中，还包括以下步骤：s11：初始化第一数控振荡器的控制字，同时获取输入数据；s12：将输入数据送入插值滤波器，在第一数控振荡器的控制下输出数据，当输出数据的个数达到预定时进行时钟初相的估计；s13：通过平方滤波算法计算得到时钟初相估计，并根据时钟初相估计完成第二数控振荡器的初始化。3.根据权利要求1所述初相注入的定时同步方法，其特征在于，在步骤s13中，所述平方滤波算法先对接收信号做平方非线性变换，然后通过数字滤波提取出1/t处的频率分量，从而得到定时偏差的估计值计算公式为：其中，r(k)表示在第一数控振荡器的控制下插值滤波器输出的数据，k表示采样点，n表示一个符号周期内的采样点数，l表示符号长度，通常l取64即可满足要求，arg代表取角度操作；所述输出数据的个数达到ln时进行时钟初相的估计。4.根据权利要求1所述初相注入的定时同步方法，其特征在于，在步骤s2中，还包括以下步骤：s21：输入数据在第二数控振荡器的控制下通过插值滤波器计算得到环路的插值序列；s22：根据gardner算法对插值序列进行定时误差估计运算，得到定时误差信号。5.根据权利要求1所述初相注入的定时同步方法，其特征在于，在步骤s3中，还包括以下步骤：s31：将定时误差输入到环路滤波器以滤波出高频分量，同时将定时误差输入到增益控制滤波器中；s32：选择控制器通过计算定时误差的误差均值判断环路状态，从而调整环路系数；
s33：将环路滤波器和增益控制滤波器输出之和乘以环路系数的结果作为第二数控振荡器的控制字。6.根据权利要求1所述初相注入的定时同步方法，其特征在于，在步骤s4中，还包括以下步骤：s41：第二数控振荡器通过溢出计数的方式确定插值滤波器所需的插值基点和分数间隔；s42：插值滤波器利用插值基点和分数间隔完成新一轮的插值计算，从而形成闭环反馈的环路，通过循环迭代不断调整插值基点位置，得到最佳采样数据。

技术总结
本发明提供了一种改进的初相注入的定时同步方法，包括S1，对输入信号进行平方滤波定时误差估计，获取平方滤波定时误差值；S2，将上述平方滤波定时误差值作为Gardner定时环路插值点的初始位置，对插值后得到的最佳采样数据进行Gardner定时误差估计；S3，将定时误差值同时输入到环路滤波器、增益控制滤波器以及选择控制器中，通过选择控制器调整环路系数，将环路滤波器、增益控制滤波器输出之和与环路系数相乘作为数控振荡器的控制字；S4，数控振荡器通过溢出计数的方式产生分数间隔的更新值，改变插值基点的位置，形成闭环反馈的定时同步环路，循环迭代不断调整插值基点，得到最佳采样数据；S5，将最佳采样数据进行下采样滤波输出最佳采样数据。最佳采样数据。最佳采样数据。


技术研发人员：郑悦然 宋宇鲲 孔令超 艾春搏 倪伟
受保护的技术使用者：合肥工业大学
技术研发日：2023.04.03
技术公布日：2023/7/7