一种基于p阶矩的带限系统定时恢复方法

摘要

本发明涉及一种基于p阶矩的带限系统定时恢复方法，该方法在反馈锁相环路中，采用信号模值的p次幂计算定时误差检测输出值，其中p>0为可变参数，本发明方法可应用在定时恢复环路中，获得更好的残留定时误差抖动性能，在AWGN信道下本发明方法定时恢复的归一化均方误差性能接近理论克拉美罗限。本发明方法适用于滚降因子小的带宽受限通信系统，适用于需要提高频谱利用率的卫星通信系统。

权利要求

1.一种基于p阶矩的带限系统定时恢复方法，其特征在于包括如下步骤：步骤(一)、将从外部接收的采样信号rn使用插值滤波器进行插值滤波，得到2倍于符号速率的信号数据，记为yk，其中，插值滤波器由插值基点mk与相对定时偏差uk控制进行插值拟合，mk、uk的初始值为0，k取正整数；

步骤(二)、将步骤(一)得到的信号数据使用匹配滤波器进行匹配滤波，得到滤波后的数据，记为xk-1、xk-1/2、xk，其中xk、xk-1表示两边点采样数据，xk-1/2表示中间点采样数据，其中，k取正整数；同时将xk-1、xk输出，作为定时恢复的输出数据结果；

步骤(三)、计算滤波后的数据xk-1、xk-1/2、xk模值的p次幂非线性值为Xk＝|xk|p，Xk-1/2＝|xk-1/2|p，Xk-1＝|xk-1|p其中：p为正数；

步骤(四)、根据滤波后的数据xk-1、xk-1/2、xk模值的p次幂非线性值计算定时误差检测器的输出量ekek＝Xk-1/2(Xk-Xk-1)＝|xk-1/2|p(|xk|p-|xk-1|p)步骤(五)、采用一阶滤波环路实现时，对定时误差检测输出量ek使用环路滤波器进行环路滤波，控制字Wk+1更新方法Wk+1＝Wk+γek

其中，W0＝1/Ns，Ns为插值滤波器前和插值滤波器后的数据周期的比值，控制字Wk+1逐级递进；γ的计算公式为 为定时误差检测器的检测增益，为求导数，τ为信道引入的未知定时误差偏差值，BL为环路滤波器的带宽，Ts为数据符号的周期；

步骤(六)、将更新的控制字Wk+1使用插值控制器提取插值基点mk+1和相对定时偏差uk+1；

步骤(七)、返回步骤(一)，令k＝k+1，重复步骤(一)至步骤(六)，完成对接收信号的定时恢复。

2.根据权利要求1所述的一种基于p阶矩的带限系统定时恢复方法，其特征在于：采用二阶滤波环路实现时，所述的控制字Wk+1更新方法为Wk+1＝Wk+K1ek+Lk+1

Lk+1＝Lk+K2ek

其中，L0＝0、W0＝1/Ns，Ns为插值滤波器前和插值滤波器后的数据周期的比值，更新系数更新系数

说明书

一种基于p阶矩的带限系统定时恢复方法

技术领域

[0001] 本发明涉及数字无线通信传输技术领域，特别涉及一种基于p阶矩的带限系统定时恢复方法。

背景技术

[0002] 在卫星通信系统中，常常需要对发送信号进行根升余弦成形来改善信号的频谱，降低对邻频带的干扰。在数字接收机中，需要对采样信号进行定时恢复获得准确的调制符号。定时恢复算法主要分为数据辅助方法和非数据辅助方法两类。在定时同步之前难以获得导频数据，故更常用非数据辅助定时方法。非数据辅助方法又可以分为前向定时和反馈定时两类方法。前向定时方法适于突发传输的通信系统，而反馈定时方法适于连续传输的通信系统。

[0003] 文献“F.M.Gardner,A BPSK/QPSK timing-error detector for sampled receivers,IEEE Trans.Commun.,vol.COM-34,pp.423–429,May 1986.”中，基于Gardner定时误差检测算法(GA)的反馈锁相环路定时恢复方法是一种非数据辅助的盲同步方法，其定时性能不受载波偏差的影响，在连续传输的通信系统中得到广泛应用。设接收信号表示为rk＝Ik+j·Qk，该算法的定时误差检测输出ek,GA表示为：

[0004]

[0005] 其中，rk、rk-1/2分别代表接收机在2倍于数据符号速率的“两边点”和“中间点”，Re{·}表示求复数值的实部。基于此算法，学者Gappmair和Lim等分别在文献“W.Gappmair,S.Cioni,G.E.Corazza,and O.Koudelka,Extended Gardner Detector for Improved Symbol-Timing Recovery of M-PSK Signals,IEEE Trans.Commun.,vol.54,pp.1923–1927,Nov.2006.”和“D.Lim,A modified Gardner detector for symbol timing recovery of M-PSK signals,IEEE Trans.Commun.,vol.52,no.10,pp.1643–1647,Oct.2004.”等文献中研究了定时误差检测算法的改进方案。但是这一类基于GA算法的定时方法只适用于采用较大成形滚降因子的通信系统中。

[0006] 随着高清、超高清数字电视卫星直播，以及基于卫星通信的多媒体互联网高速传输的快速发展，通信卫星转发器的带宽资源越来越紧张。在扩展的第二代卫星数字视频广播系统(DVB-S2X)中，采用成形因子接近于0的根升余弦成形滤波器来提高系统频带效率。此时，传统的基于GA算法的定时恢复方法性能较差，

发明内容

[0007] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于p阶矩的带限系统定时恢复方法，该方法在反馈锁相环路中，采用信号模值的p次幂计算定时误差检测输出值，其中p>0，可获得更好的残留定时误差抖动性能。

[0008] 本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：

[0009] 一种基于p阶矩的带限系统定时恢复方法，主要包括如下步骤：

[0010] 步骤(一)、将从外部接收的采样信号rn使用插值滤波器进行插值滤波，得到2倍于符号速率的信号数据，记为yk，其中，插值滤波器由插值基点mk与相对定时偏差uk控制进行插值拟合，mk、uk的初始值为0，k取正整数；

[0011] 步骤(二)、将步骤(一)得到的信号数据使用匹配滤波器进行匹配滤波，得到滤波后的数据，记为xk-1、xk-1/2、xk，其中xk、xk-1表示两边点采样数据，xk-1/2表示中间点采样数据，其中，k取正整数；同时将xk-1、xk输出，作为定时恢复的输出数据结果；

[0012] 步骤(三)、计算滤波后的数据xk、xk-1/2、xk-1模值的p次幂非线性值为

[0013] Xk＝|xk|p，Xk-1/2＝|xk-1/2|p，Xk-1＝|xk-1|p

[0014] 其中：p为正数；

[0015] 步骤(四)、根据滤波后的数据xk、xk-1/2、xk-1模值的p次幂非线性值计算定时误差检测器的输出量ek

[0016]

[0017] 步骤(五)、采用一阶滤波环路实现时，对定时误差检测输出量ek使用环路滤波器进行环路滤波，控制字Wk+1更新方法

[0018] Wk+1＝Wk+γek

[0019] 其中，W0＝1/Ns，Ns为插值滤波器前和插值滤波器后的数据周期的比值，控制字Wk+1逐级递进；；γ的计算公式为 为定时误差检测器的检测增益， 为求导数，τ为信道引入的未知定时误差偏差值，BL为环路滤波器的带宽，Ts为数据符号的周期；

[0020] 步骤(六)、将更新的控制字Wk+1使用插值控制器提取插值基点mk+1和相对定时偏差uk+1；

[0021] 步骤(七)、返回步骤(一)，令k＝k+1，重复步骤(一)至步骤(六)，完成对接收信号的定时恢复。

[0022] 在上述一种基于p阶矩的带限系统定时恢复方法，如采用二阶滤波环路实现时，所述的控制字Wk+1更新方法为

[0023] Wk+1＝Wk+K1ek+Lk+1

[0024] Lk+1＝Lk+K2ek

[0025] 其中，W0＝1/Ns，Ns为插值滤波器前和插值滤波器后的数据周期的比值，更新系数更新系数

[0026] 本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

[0027] (1)本发明基于p阶矩的带限系统定时恢复方法，适用于滚降因子小的情况，相对于传统定时恢复方法更适用于需要提高频谱利用率的卫星通信带限系统。

[0028] (2)本发明基于p阶矩的带限系统定时恢复方法，基于信号的幅值处理，其定时同步的性能不受载波偏差的影响，其定时同步的性能与调制方式无关；

[0029] (3)本发明基于p阶矩的带限系统定时恢复方法，采用信号模值的p次幂进行定时误差检测，检测增益随着p增大而增大；

[0030] (4)本发明基于p阶矩的带限系统定时恢复方法，AWGN信道下定时恢复的归一化均方误差性能接近理论克拉美罗限，在低信噪比下定时恢复后的定时抖动方差随着p减小而减小。

附图说明

[0031] 图1为本发明基于p阶矩的带限系统定时恢复方法的锁相环路组成框图；

[0032] 图2为本发明基于p阶矩的带限系统定时恢复方法在不同p,不同α时与GA算法的S曲线；

[0033] 图3为本发明基于p阶矩的带限系统定时恢复方法在不同p，α＝0.05时的S曲线；

[0034] 图4为本发基于p阶矩的带限系统明定时恢复方法在不同p，α＝0.05时的S曲线斜率；

[0035] 图5为本发明基于p阶矩的带限系统定时恢复方法的定时捕获过程中定时抖动收敛曲线；

[0036] 图6为本发明基于p阶矩的带限系统定时恢复方法的定时抖动均方误差(MSE)性能；

具体实施方式

[0037] 下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：

[0038] 一种基于p阶矩的带限系统定时恢复方法，其特征在于包括如下步骤：

[0039] 步骤(一)、将从外部接收的采样信号rn使用插值滤波器进行插值滤波，得到2倍于符号速率的信号数据，记为yk，其中，插值滤波器由插值基点mk与相对定时偏差uk控制进行插值拟合，mk、uk的初始值为0，k取正整数；

[0040] 步骤(二)、将步骤(一)得到的信号数据使用匹配滤波器进行匹配滤波，得到滤波后的数据，记为xk-1、xk-1/2、xk，其中xk、xk-1表示两边点采样数据，xk-1/2表示中间点采样数据，其中，k取正整数；同时将xk-1、xk输出，作为定时恢复的输出数据结果；

[0041] 步骤(三)、计算滤波后的数据xk、xk-1/2、xk-1模值的p次幂非线性值为

[0042] Xk＝|xk|p，Xk-1/2＝|xk-1/2|p，Xk-1＝|xk-1|p

[0043] 其中：p为正数；

[0044] 步骤(四)、根据滤波后的数据xk、xk-1/2、xk-1模值的p次幂非线性值计算定时误差检测器的输出量ek

[0045]

[0046] 步骤(五)、采用一阶滤波环路实现时，对定时误差检测输出量ek使用环路滤波器进行环路滤波，控制字Wk+1更新方法

[0047] Wk+1＝Wk+γek

[0048] 其中，Wk的初值W0＝1/Ns，Ns为插值滤波器前和插值滤波器后的数据周期的比值，控制字Wk+1逐级递进；；γ的计算公式为 为定时误差检测器的检测增益，为求导数，τ为信道引入的未知定时误差偏差值，BL为环路滤波器的带宽，Ts为数据符号的周期；

[0049] 步骤(六)、将更新的控制字Wk+1使用插值控制器提取插值基点mk+1和相对定时偏差uk+1；

[0050] 步骤(七)、返回步骤(一)，令k＝k+1，重复步骤(一)至步骤(六)，完成对接收信号的定时恢复。

[0051] 上述步骤(五)中，如采用二阶滤波环路实现时，所述的控制字Wk+1更新方法为[0052] Wk+1＝Wk+K1ek+Lk+1

[0053] Lk+1＝Lk+K2ek

[0054] 其中，令Lk的初值L0＝0、Wk的初值W0＝1/Ns，Ns为插值滤波器前和插值滤波器后的数据周期的比值，Lk+1和Wk+1逐级递进，更新系数 更新系数

[0055] 实施例1

[0056] 将现有技术的定时恢复方法和本发明定时恢复方法的处理结果进行比较。

[0057] (一)开环S曲线与斜率比较

[0058] 数据采用QPSK调制方式，在AWGN信道环境下，SNR＝10dB条件下对现有GA算法和本发明基于p阶矩的带限系统定时恢复方法检测特性进行仿真比较，仿真结果如图2、图3、图4所示，由图2中可以看出：GA算法随着滚降因子α减小，S曲线趋于平缓，峰值变小，本发明定时恢复方法当p＝1,2时，随着滚降因子α减小，S曲线趋于尖锐，峰值变大。由图3中可以看出：保持α＝0.05不变，本发明定时恢复方法在p＝1，1.5，2，2.5，3，3.5，4时随着p增大S曲线趋于尖锐，峰值变大。本发明定时恢复方法在p＝1，1.5，2，2.5，3，3.5，4时S曲线的斜率如图4所示，由图可知斜率随着p增大而增大。

[0059] (二)跟踪状态下定时抖动仿真比较

[0060] 数据采用QPSK调制，锁频环路采用一阶滤波环路，在不加噪声的情况下，保持环路归一化带宽BLTs＝5×10-3不变，由图5仿真结果可以看出，在滚降因子α＝0.05时，采用本发明定时恢复方法的收敛速度与GA算法在较大滚降因子α＝0.25时的收敛速度接近，由图可知，本发明定时恢复方法收敛后的抖动更小。

[0061] 数据采用QPSK，在AWGN信道条件下，锁频环路采用一阶滤波环路，保持滚降因子α＝0.05、环路归一化带宽BLTs＝5×10-3不变，信噪比分别设置为SNR＝5dB～30dB，由图6仿真结果可以看出，新算法接近理论的修正克拉美罗限(MCRB)，而GA算法定时性能很差。在改变p＝1,2,3时，随着p增大，低信噪比时的定时性能变差。同时，当保持p＝2不变，调制方式为8PSK信号时，本发明方法的定时性能与QPSK信号定时性能接近，说明本算法性能与调制方式无关。

[0062] 以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

[0063] 本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。