论文研究-无线扩频接收机比特边沿同步算法 .pdf

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无线扩频接收机比特边沿同步算法,李红军,陈萍,扩频通信体制在移动通信、卫星导航和测控通信等很多领域应用广泛。通信中当伪随机码的周期与比特长度不满足整数倍长度的情况下,
国科技论文在线 http:/www.paper.edu.cn 捕获态 失态 牵引态 跟踪态 图2系统状态转移 比特同步处理部分包含四种状态,捕获态、窄引态、跟琮态和失锁态。在捕获态期间, 主要完成对比特初始位置的粗约估计,允许偏差在±0.125个比特长度以内;在牵引态期间, 主要完成将比特起始位置由捕获岀的粗略位置夲引到准桷的位置,偏差在±0.125个比特长 度渐变到±001个比特长度范围以内:跟踪态宄成对起始比特位置的及时跟踪同步,给出准 确的比特起始位置标志信号;当比特起始位置失同步之后将会进入尖锁态,下一个状态将会 70转化到捕获态,重新进行比特位置的同步。 整个系统的状态转移都是状态机进行判断和控搾制。当系统刚开始工作时会处于捕获态, 如果捕获成功就会进入牵引态,否则继续进行比特位置捕获;当系统进入牵引态后,会渐渐 锁定比特位置之后进入跟踪态,如果没有锁定则继续俫持牵引态,超过100个比特灲转化为 失锁态,重新同步;进入跟踪态之后,比特同步过程将会持续工作,如果发现比特位置失同 75步就会进入失锁态,重新同步; 2比特同步算法 21比特积分值与积分位置的关系 数据解调过程中,依据比特积分值的符号判断传号信息,比特积分值符号岀错就是传输 过程误比特的直观反噢,而比特积分结果直接与积分位置有很大关系。如图3所示。 比特积分偏差 A A 80 比特积分位 图3比特积分位置 比特长度为T,在没有噪声的影响下,比特积分值是AT和-AT。当积分位置存在△t 偏差吋,比特积分值损失2AΔ,比特积分值变为A(T-2A)。由于比特积分位置不准确 85将会对系统的误码率影响很人。 2.,2滑动窗结构的比特捕获算法 比特捕汏算法釆用滑动窗结构,将·个比特分为四段,然后制作亠个滑动窗,滑动窗的 国科技论文在线 http:/www.paper.edu.cn 长度为个比特的长度,将滑动窗的起点滑动到之前划分每段的起点,之后观测在滑动窗 下的比特积分值,如果在某段的起始位置积分值最大,说明现在滑动的起点距比特起始位置 90点最近。分析可知比特捕获部分存在的偏差为士0.125个比特长度以内。具体原理如图4所 y滑动窗 图4滑动窗结构 第·次滑动的结果是 ,+T F1=∫Am0C(c(n (4) 将滑动窗滑动0.25个比特长度,得到第二次滑动的结果 1+1.251 Am(c(t)C,(t)d (5 +0257 然后滑动第三次和第四次求出E3和E4。 100 i=max{E,E2,E,E},禔其中最大值对应的编号,则i是是捕获到的比特边沿 位置。 23延迟锁相环的比特跟踪算法 比特起始位置捕获完成之后将捕获结果交给跟踪,这时比特位置还存在0.125个比特长 度的偏差,跟踪将会在此基础上找到准确的比特起始边沿位置、 105 比特起始位置跟踪最重要的三剖分是比特位置鉴別器、比特位置滤波器和数控NCO 比特位置鉴别器需要鉴别出当前无线扩频收机恢复的比特边沿与无线信号的比特边沿之间 的差距。比特位置滤波器将鉴別器的结果滤去噪声,然后用滤波结果调整环路。 调整环路就是调整输入数控NCO的值,使它恢复的比特位置按照滤波的结果进行变化 在比特位置鉴别器中需要输入早、中、晩路积分值分别是: 110 6-0.757 =∫Am()COC()d (6) o-0.257 ∫Am(C(xc()d 0+1.257 E Am(tc(tc (td (8) 其t是当前确定的比特起始位置。早路和晚路分别是早0.25个比特长度和晚0.25个比 特长度作为起点的积分结果。鉴别的比特偏差算法如下。 4 山国科技论文在线 http:/www.paper.edu.cn EL-E 115 (9) crror En+E L表示接收机目前所找到的比特起始位置比实际的位置晚L个比特长度 假设目前所找到的比特起始位置比实际位置晩Δt,则晩路积分位置比真实比特起始位 置晩θ.25T-Δt,早路积分位置比真实比特起始位置早0.25T-Δt由文章2.1节推导出式 (10)和式(11)。 120 E早=A-2(0.257-△t (10) E晚=A7-2(0.257+△t) (11) 因此可以计算得到鉴别公式的的第二个因了如式(12)。 E 早 (12) eu+e 推出p4 125 在采用FPGA实现时,比特同步滤波器采用二阶IR滤波器,滤波器需要选用合适的带 宽,岀带宽过小时,有可能滤除一部分有用信号,造成接收机的动态效果不好;当环路带宽 过大时,有可能将过多的噪声引进系统,造成比特同步不够准确。这个需要根据仿真结果 和实际坏境确定。 数控NCO采用16比特的累加器,依据写入的比特速率控制字FTW的不同,产生的比 130特时钟速率也会不同。比特时钟的一个周期就是一个比特的长度,并且在时间上完全对齐。 数控NCO的结构示意图如下所示。 FTW 图5NCO原哩 135 FTW是向NCO里面写入的数控字,s是累加FTW的频率, Bit clk是新比特起始标志 信号,数控NCO每累加溢出次 Bit clk标志就会产生个时钟的有效信号。因此可以得到 式(13) FTW×216 bit clk 通过控制FIW可以控制 Bit clk产生的速度,进而控制接收机的比特边沿与信号的比特 140边沿保持同步 整个比特跟踪部分的数字设计结构如图6所示。 国科技论文在线 http:/www.paper.edu.cn 环路鉴别器 环路滤波器 数控NCC KhWT+④ K W 图6比特跟踪数字设计 145 W是滤波器的圆频率T是跟踪环路的调整时间,a是滤波器的系数2 3算法FPGA实现 利用第二节所述功能框图和数字结构,将码速率为3.069MHz,码周期长度是1023,比 特传输速率为4K,统吋钟L作在47M,接收到的中频信号180M的接收机信号同步系统进 行了FPGA实现。系统采用的环路调整时间为一个比特的长度0.25ms。由于比特同步与载 150波同步和码同步是相互影响的,比特同步的整个部分和码、载波的同步部分综合在一起进行 测试。测试场景为,信号功率-123dBm,信号的动态效果在±2.5KHz以内,信号频偏±90KHz 以内。系统成功同步的概率能够达到95%以上,整个系统的完全同步时间在5S以内。 4结论 本文给出了在无线护频通信系统屮,比特起始位置的精确同步的一种工程实现方案。比 15特边沿同步对解调非常重要,如果比特起始位置没有同步,会对系统载泼同步、伪码同步和 误码率造成直接影响。本文提出了一种4段滑动窗结构的比特位置捕获算法和二阶延迟锁相 环的比特位跟踪算法进行系统匕特边沿同步,并在FPGA中对算法进行了实现,信号接收 杋最终的测试结果证明比特同步算法具有非常好的性能。 1601参考文献]( References [1]周炯槃厐沁华续大我吴伟陵通信原理].北京:北京邮电大学出版社,2006 「21谢钢GPS原理与接收机设计M北京:电子工业出版社,2009 B John G Proakis, Masoud Salehi Communication Systems Engineering]. Beijing Publishing House of Electronics Industry, 2004 165 [41 Simon Haykin, Michael Moher. Modern Wireless Communication[M]. Beijing: Publishing House of Eletronics Industry, 2006 [5]刘蕊锁相环屮二阶环路滤波器的设计小硅谷,2011,5)

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