[发明专利]一种数字宽带无线信号同步算法

摘要

一种数字宽带无线信号同步算法，该算法包括数字宽带无线信号进行相位预处理；在数字宽带无线信号进入环路第一个处理部分——相位预处理，输入信号可分为同相支路和正交支路，将这两路信号进行四象限反正切处理；增加乘法器，纠正信号抖动，辅助频率偏移估计；使用减法器代替传统鉴相器提高运算效率；使用环路滤波器完成低通滤波器的功能；数控振荡器控制反馈信号；增加延迟单元，调整环路时序；符号定时同步算法参考电平；符号定时同步检错部分。本方法将数字信号处理与自动控制原理结合在了一起。运用MATLAB编写并成功实现了同步算法，建立了基于同步算法的新型环路，以实现对数字宽带无线信号的高精度同步。

主权项

1.一种数字宽带无线信号同步算法，其特征在于：具体技术方案如下，(1)数字宽带无线信号进行相位预处理；在数字宽带无线信号进入环路第一个处理部分——相位预处理；输入信号分为同相支路和正交支路，将这两路信号进行四象限反正切处理，计算公式为：其中I(n)为同相支路信号分量，Q(n)为正交支路信号分量，为信号相位信息；此相位信息包含信号初相位，频率偏移和相位偏移，初相位是最后需要的信息，频率偏移和相位偏移是在同步算法中需要消除的量；表现公式为：其中θ(n)为初相位，Δf为频率偏移，Δθ为相位偏移；(2)增加乘法器，纠正信号抖动，辅助频率偏移估计；相位信号通过相位预处理部分来到乘法器；乘法器可以用于辅助频率偏移估计；乘法器的数学表达式如下：其中k为乘法器的倍数，按照输入信号的相位特征调整不同的值；s(n)乘法器输出信号；通过对输入相位进行乘法运算，使信号变得比较平稳，方便测算载波频率偏移；对于形如BPSK信号这样跳变较大的信号，其瞬时相位变化范围为[0+Δθ,π+Δθ]，Δθ为相位偏移，相差为π，相位信息在符号间跳动较大；乘法器倍数调整为2倍，将输入信号调整到[0+2Δθ,2π+2Δθ]，去除符号间有可能出现的跳动，使信号变得平稳，进而可以方便的估算频率偏移；(3)使用减法器代替传统鉴相器提高运算效率；乘法器输出的信号进入减法器；由于整个环路中的变量统一为相位，改鉴相器为减法器，反馈信号直接和输入信号进行减法运算，得到相位差值，从而控制整个环路；减法器表现公式为：其中为输入信号相位信息，为环路反馈信息，为相差控制信息；(4)使用环路滤波器完成低通滤波器的功能；相差控制信息送入环路滤波器；环路滤波器承担低通滤波器和维持环路动态特性的功能，使用比例积分滤波器；比例积分滤波器对直流信号有着无穷大的增益，这会导致整个电路呈现低通特性，可利用此特性实现低通滤波环路的功能；同时，比例积分滤波器在时域中呈现对此时刻信号和前一时刻信号的加权求和特性，利用此特性可以维持环路动态特性，避免环路失锁；滤波器S域表现公式如下：对其进行双线性变化后，可以将其变换到离散域，公式如下：时域加权求和公式如下：y(n)＝y(n‑1)+c1x(n‑1)+(c1+c2)x(n)其中，c1和c2为环路滤波器系数；x(n)为控制信号，y(n)为数控振荡器输出的反馈信号，x(n‑1)表示相差前一时刻的控制信号；环路滤波器结构中应用了两个电阻，一个运算放大器以及一个电容，其中电阻R1和电容C构成第一个时间常数τ1，电阻R2和电容C构成第二个时间常数τ2；这两个数决定环路的阻尼系数，阻尼系数对环路特性影响极大；环路滤波器的频率响应中，在频率很小的时候环路滤波器表现出了极大的增益，说明环路滤波器对直流分量以及低频分量的增益非常大，体现出低通特性；(5)数控振荡器控制反馈信号；环路滤波器得到数控振荡器的控制信号；数控振荡器根据此控制信号的调节，输出反馈相位；数控振荡器的时域数学表达式和Z域数学表达式如下所示：y(n)＝y(n‑1)+Kx(n)其中x(n)为控制信号，y(n)为数控振荡器输出的反馈信号，K为数控灵敏度；(6)增加延迟单元，调整环路时序；为环路添加一个延迟单元，添加位置在减法器和环路数控振荡器之间；延迟单元的主要目的调整环路的时序结构，使得第N个负反馈可以和第N个样点进行计算；第N个时刻的信号送入环路后，会产生第N个时刻的反馈，这个反馈值要和第N+1个输入信号进行运算；为了调整这一个单位时间的差值特别设置环路延迟单元；延迟单元的时域表达式和Z域表达式分别为：y(n)＝x(n‑1)y(n)为数控振荡器输出的反馈信号，x(n‑1)表示相差前一时刻的控制信号；(7)符号定时同步算法参考电平；利用载波同步算法中的符号周期，可以预先确定符号定时同步中的周期参考电平；参考周期来自于数控电压振动，在一个周期内，数控电压保持平稳，当新的符号周期到来，数控电压在短时间内产生一个跳变，这个跳变就预示着符号的预判周期，根据预判周期的电平值，计算出预判周期的参考电平；此参考电平用于改进Gardner算法，使其可以应用在多电平信号上；公式如下所示：ut(n)＝[xI(n‑1/2)‑AI][xI(n)‑xI(n‑1)]+[xQ(n‑1/2)‑AQ][xQ(n)‑xQ(n‑1)]其中xI(n)和xQ(n)表示预判周期内的电平值；对于多电平信号，类似于即使在没有符号定时误差的时候周期之间的值也很有可能不为零；为了避免这种情况的发生，本算法将中间值与前后两个码元的代表电平平均值做差，这样差值就代表原来算法中的中间值；(8)符号定时同步检错部分；根据上文所提到的来自于数控电压振动产生的预判区间信息，判断采样信号位于第[N,N+m]区间内，若实际采样信号在这个区间之外，则环路同步失败。