摘 要： 提出了一種數(shù)字接收機中符號同步的硬件設(shè)計方案。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)計方案已用VerilogHDL實現(xiàn)，并通過了綜合及時序驗證。
關(guān)鍵詞： 符號同步 定時錯誤檢測" title="錯誤檢測">錯誤檢測 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)字信號的頻譜，需要對其進行滾降升余弦濾波，形成基帶波形，并對載波進行調(diào)制，以實現(xiàn)頻帶傳輸。在接收端，需要對經(jīng)過相干解調(diào)、匹配濾波后的基帶波形進行重新采樣得到相應(yīng)的數(shù)字信號。根據(jù)奈奎斯特抽樣值無失真準(zhǔn)則[1]，A/D轉(zhuǎn)換器若在最佳采樣時刻進行采樣，得到的采樣值恰好是發(fā)送端所要傳遞的數(shù)據(jù)。但在實際情況下，由于信道傳輸延時以及收發(fā)兩地時鐘偏移，使采樣無法在最佳時刻進行，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，需要有同步措施來調(diào)整采樣時鐘或?qū)Σ蓸又颠M行插值修正。
目前數(shù)字接收機中的符號同步大多采用自同步法。其主要有兩種[2]，一種是由定時錯誤檢測(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鐘和最佳采樣時刻之間的相位差，然后通過數(shù)控振蕩器NCO調(diào)整采樣時鐘，稱為同步采樣恢復(fù)；另一種也使用相同的方法估算時鐘相差，但它并不調(diào)整采樣時鐘相位，而是通過插值算法對采樣值進行修正，稱為異步采樣恢復(fù)。由于后者不需要改變時鐘相位，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)的符號同步設(shè)計結(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。針對這一點，本文提出了一種符號同步的硬件設(shè)計方案，其插值濾波器的設(shè)計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 時鐘相差的估算
對于最佳采樣時刻和采樣時鐘相位差的估算，本文采用定時錯誤檢測(TED)加環(huán)路濾波器實現(xiàn)。其中定時錯誤檢測環(huán)節(jié)采用NDA-ELD算法[2]，該算法是由最大似然估計法所推導(dǎo)的，它要求A/D轉(zhuǎn)換器以兩倍的符號頻率對輸入波形進行采樣。公式如下：
這里T是符號周期，Ts是采樣間隔，Ts=T/2。e(k)表示采到第k個符號時所得到的定時誤差信息。εk表示采到第k個符號時所估算出的最佳采樣時刻和采樣時鐘之間的相位差，其范圍是[-1,1]，即時鐘偏差最多可為1個采樣間隔。y(kTs+εkTs)則是根據(jù)εk而對匹配濾波器的輸出y(kTs)進行的差值修正。將e(k)通過一環(huán)路濾波器和相位溢出控制器便可得到εk+1，從而實現(xiàn)PID控制。相位溢出控制器主要是對εk+1進行限幅，將其控制在[-1,1]之內(nèi)。由此可得到時鐘相差估算的設(shè)計結(jié)構(gòu),如圖2。
該算法對于一些幅度或相位調(diào)制的信號，如MQAM、BPSK、QPSK等，具有較好的同步性能。在開啟時，它能自動跟蹤開啟的最大處，即最佳采樣時刻。當(dāng)存在噪聲干擾時，可通過環(huán)路濾波器將其濾除，使之對時鐘相差估算產(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，取得過大，同步時間較短，但抖動方差較大；反之，則需要較長的同步時間。本設(shè)計是對64QAM信號進行符號同步，經(jīng)過Matlab的仿真測試，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
通過以上處理環(huán)節(jié)可估算出采樣時鐘和最佳采樣時刻之間的相位差，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)采樣值得到任意時刻的信號值[3]，即：
但理想插值濾波器需要無窮個信號采樣值，這在實際應(yīng)用中是無法實現(xiàn)的。一般情況下可對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。最簡單的窗函數(shù)是矩形窗，即對理想插值濾波器直接截短。其優(yōu)點是設(shè)計簡單，具有較窄的過渡帶，且對理想插值濾波器頻率響應(yīng)具有最好的均方逼近[3]。但它對無限長理想沖激響應(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，這在實際應(yīng)用中也是不夠的。因此直接截取方式在現(xiàn)實中很少采用。對理想沖激響應(yīng)進行窗處理的一個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)計采用了Kaiser窗，它是一種近似最佳的窗函數(shù)。經(jīng)過Matlab仿真測試，將Kaiser窗長度定為10Ts，形狀參數(shù)β取為2.5248(對應(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[4]。利用該濾波器便可對采樣值進行插值修正。由公式(3)可得到如圖4所示的設(shè)計結(jié)構(gòu)。
為了使硬件更容易實現(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個選擇器選值空間各不相同，分別對應(yīng)了9個h′(εn+m)的各自取值空間，即理想插值濾波器系數(shù)與對應(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，所造成的算法誤差。這樣在輸入一個y(kTs)后，經(jīng)過4個采樣周期的延遲，就可得到相應(yīng)的輸出y(kTs+εnTs)，從而完成插值修正。
本文提出了一種基于插值算法符號同步的硬件設(shè)計方案。在時鐘相差估算環(huán)節(jié)采用了NDA-ELD算法進行定時錯誤檢測；插值濾波器的設(shè)計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，是對采樣值進行插值修正，而不需要對時鐘本身進行相位調(diào)整。因此它較適用于對系統(tǒng)時鐘穩(wěn)定性要求較高的場合，如全數(shù)字接收機等。
文中提到的設(shè)計已用VerilogHDL實現(xiàn)，并用Design Compiler對其進行了門級綜合，并用VCS進行了時序驗證，所用的工藝為0.25μm。設(shè)計門數(shù)約8000門，采樣時鐘可達17.5MHz，平均插值誤差11%左右。
參考文獻
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. 離散時間信號處理.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)字信號處理. 北京：人民郵電出版社, 1988