无线突发通信全数字接收机无数据辅助同步方法及其系统

摘要

本发明公开了一种无线突发通信全数字接收机无数据辅助同步方法及其系统，该方法包括以下步骤：能量检测模块以M个采样数据为一组，计算能量和，当连续N次检测到的能量和大于或等于预设门限值时，输出数据有效信号及所述采样数据中的有效数据，直至连续N次检测到的采样数据能量和小于预设门限值时，停止输出数据有效信号及有效数据；时钟恢复模块存储有效数据，利用其进行时钟恢复，然后传输至载波恢复模块；载波恢复模块存储时钟恢复后的数据，并利用该数据进行载波恢复。本发明采用先存储再处理的方式，正反相间反复利用有限数据进行时钟恢复和载波恢复，取得与使用连续数据近乎一致的计算效果，实现对每一帧数据独立完成时钟恢复与载波恢复。

说明书

技术领域

本发明涉及数字信息传输技术领域，特别是涉及一种无线突发通信全数字接收机无数据辅助同步方法及其系统。

背景技术

全数字接收机是二十世纪末随着半导体技术的进步而蓬勃发展起来的，它是在接收机前端即中频、高频或靠近接收天线的地方采用模数转换器将载波信号转换为数字信号，接收机后续的功能全部用数字处理技术实现，其中针对同步算法的研究是全数字接收机研究的重要组成部分。在同步算法中，无论是时钟恢复还是载波恢复，从方法上主要都分为有数据辅助和无数据辅助两大类。Gardner提出了应用于BPSK及QPSK的无数据辅助时钟恢复算法，此方法在QPSK调制方式下对载波频偏不敏感，使得载波恢复可以位于时钟恢复之后，在速率较低的符号速率下进行，因而得到了广泛的应用。但是传统的Gardner算法收敛时间较长，对于只有几百到几千个符号的突发通信模式，通常在有效接收数据开始时还没有实现同步，因此不能直接应用，需要进行适当修改。同样，传统的无数据辅助载波恢复算法也同样是针对连续通信模式提出的，也存在着收敛时间过长的问题，不能直接应用于突发通信模式而需要适当修改。因此，传统的无数据辅助时钟恢复与载波恢复算法均无法直接应用于数据较少的突发通信模式。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够直接应用于无线突发通信模式的全数字接收机无数据辅助同步方法及其系统。

为达到上述目的，本发明的技术方案提供一种无线突发通信全数字接收机无数据辅助同步方法及其系统，包括以下步骤：

S1，利用能量检测模块以M个采样数据为一组，计算能量和，当连续N次检测到的能量和大于或等于预设门限值时，开始输出数据有效信号及所述采样数据中的有效数据，直至连续N次检测到的有效数据能量和小于预设门限值时，停止输出数据有效信号及有效数据；

S2，时钟恢复模块存储有效数据，并利用所述有效数据进行时钟恢复，然后传输至载波恢复模块；

S3，载波恢复模块存储时钟恢复后的数据，并利用该数据进行载波恢复。

其中，在所述步骤S1之前还包括步骤：利用过采样模块对输入突发数据进行过采样，然后传输至数字下变频模块，所述数字下变频模块对所述接收到的采样数据进行数字下变频，得到基带信号，传输至能量检测模块；其中所述输入突发数据由帧头和帧体两部分组成，帧体为有效数据，帧头为较短的已知字，帧头的作用为：1、保护帧体数据能够被完整接收。由于能量检测及同步算法会使接收到的最初几个数据丢失，帧头的作用即是保护帧体有效数据的完整性。2、确定帧体的起始位置。帧头应当采用具有特殊规律的字符串，以保证在接收时正确找到帧体的起始位置。

在所述步骤S2中所述时钟恢复的方法包括以下步骤：S21，参数初始化；S22，先正向从所述存储器的第一个数据开始读取，直至最后一个数据，然后反向从最后一个数据开始读取，直至第一个数据，如此反复；S23，插值运算；S24，2倍抽取及在正反向转换处进行丢点控制；S25，计算时钟误差；S26，环路滤波；S27，计算内插控制参数；S28，判断是否达到预设的重复读取存储器数据的最大次数L，若是，则时钟恢复结束，否则返回步骤S22。其中L为正奇数，以保证输出数据为正向输出。

所述步骤S23中，使用Cubic插值函数进行插值运算，相应地，在所述步骤S24中在正反向转换处进行丢点控制的方法为：

方法1，当A∈S时，丢弃2个插值点，B∈T2，当A∈T1时，丢弃4个插值点，B∈S，当A∈Z时，丢弃2个插值点，B∈T1，当A∈T2时，丢弃4个插值点，B∈Z；或者

方法2，当A∈S或A∈Z时，不丢点，当A∈T1或A∈T2时，丢弃2个点；上述的A为利用正向最后4个采样数据所得的插值点，B为利用反向数据所保留的第一个插值点，S为最佳采样点集，T1为最佳采样点到零点之间的过渡点集，Z为零点集，T2为零点到最佳采样点之间的过渡点集。

当利用所述方法1进行丢点控制时，在所述步骤S25中进行时钟误差的计算公式为：

正向读取数据时：

$e_n=\mathrm{Re}\{z(\mathrm{nT}+{\widehat{ϵ}}_{n}T)·[z^{*}(\mathrm{nT}+T/2+{\widehat{ϵ}}_{n}T)-z^{*}(\mathrm{nT}-T/2+{\widehat{ϵ}}_{n}T)\left]\right\}---\left(1\right)$

反向读取数据时：

$e_n=-\mathrm{Re}\{z(\mathrm{nT}+{T/2+\widehat{ϵ}}_{n}T)·[z^{*}(\mathrm{nT}+T+{\widehat{ϵ}}_{n}T)-z^{*}(\mathrm{nT}+{\widehat{ϵ}}_{n}T)\left]\right\}---\left(2\right)$

其中，e_n为时钟误差，n为整数，T为符号周期，ε_n为时间偏移，与为最佳采样点，及为零点；

当利用所述方法2进行丢点控制时，在所述步骤S2中时钟恢复的方法中利用所述公式(1)计算时钟误差。

在所述步骤S27中，在正反向转换处重新设置插值估计值的分数部分μ的起始值时，用1-μ代替μ即可。

在所述步骤S3中所述载波恢复的方法包括以下步骤：S31，参数初始化；S32，先正向从所述存储器的第一个数据开始读取，直至最后一个数据，然后反向从最后一个数据开始读取，直至第一个数据，如此反复；S33，计算需要旋转的相位；S34，相位旋转；S35，相位误差检测；S36，停走控制；S37，环路滤波；S38，判断是否达到预设的重复读取存储器数据的最大次数L，若是，载波恢复结束，否则返回步骤S32。其中L为正奇数。

在所述步骤S33中计算需要旋转的相位的方法为：

正向读取数据时

θ_n＝[θ_n-1+Δω_n-1]mod2π(3)

反向读取数据时

θ_n＝[θ_n-1-Δω_n-1]mod2π(4)

其中，θ表示需要旋转的相位，Δω表示计算的频偏。

在所述步骤S35中进行相位误差检测时，计算相位误差的方法为：

正向读取数据时

反向读取数据时

这里y_n为相位旋转后的数据，为相位误差。

本发明的目的还在于提供一种无线突发通信全数字接收机无数据辅助同步系统，包括：

能量检测模块，用于以M个采样数据为一组，计算能量和，当连续N次检测到的能量和大于或等于预设门限值时，开始输出数据有效信号及所述采样数据中的有效数据，直至连续N次检测到的采样数据能量和小于预设门限值时，停止输出数据有效信号及有效数据；

时钟恢复模块，用于存储有效数据，并利用该数据根据上述时钟恢复方法进行时钟恢复，然后传输至载波恢复模块；及

载波恢复模块，用于存储时钟恢复后的数据，并利用该数据根据上述载波恢复方法进行载波恢复。

所述系统还包括：

过采样模块，用于对输入突发数据进行过采样，然后传输至数字下变频模块；及

数字下变频模块，用于对接收到的采样数据进行数字下变频，然后传输至能量检测模块。

上述技术方案具有如下优点：通过采用先存储再处理的方式，正反相间反复利用有限数据进行时钟恢复和载波恢复，取得与使用连续数据近乎一致的计算效果，实现对每一帧数据独立完成时钟恢复与载波恢复。

附图说明

图1是本发明实施例的无线突发通信全数字接收机无数据辅助同步方法流程图；

图2是本发明实施例的时钟恢复方法流程图；

图3是本发明实施例的载波恢复方法流程图；

图4是本发明实施例的能量检测状态机示意图；

图5是本发明实施例的时钟恢复方法中正反向转换丢点控制示意图；

图6是本发明实施例的环路滤波器原理图；

图7是本发明实施例的无线突发通信全数字接收机无数据辅助同步系统的结构图；

图8是本发明实施例的时域恢复方法原理图；

图9是本发明实施例的载波恢复方法原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1所示，为本发明实施例的无线突发通信全数字接收机无数据辅助同步方法流程图，包括以下步骤：

S101：首先选择信号帧总长度为3063，其中帧头长度为63，帧体长度为3000。在全数字接收机中利用过采样模块对输入I、Q两路模拟信号进行4倍过采样，过采样数据用8比特二进制补码表示，取值范围为-128～127。然后传输至数字下变频模块，所述数字下变频模块对所述接收到的采样数据进行数字下变频，得到基带信号，传输至能量检测模块；

S102，利用能量检测模块以M＝4个采样数据为一组，I、Q两路共八个点，计算其能量和，当连续N＝3次检测到的能量和大于或等于预设门限值时，开始输出数据有效信号及所述采样数据中的有效数据，直至连续3次检测到的有效数据能量和小于预设门限值时，停止输出数据有效信号及有效数据。具体来说，能量检测状态机如图4所示，当能量和大于或等于门限值时满足条件A，否则满足条件B，进入S3状态则输出数据有效信号及有效数据，在S1和S2状态保持信号不变，进入S0状态输出数据无效信号。

S103，时钟恢复模块存储有效数据，存储器大小设置为16384×16比特，并利用所述有效数据进行时钟恢复，然后传输至载波恢复模块；这里，时钟恢复模块的输入是4倍符号速率，输出是单倍符号速率。

S104，载波恢复模块存储时钟恢复后的数据，存储器大小设置为4096×16比特，并利用该数据进行载波恢复。

其中，步骤S103所述时钟恢复的方法流程图如图2所示：

S201，参数初始化；取插值估值整数部分m₀＝0，插值估值分数部分μ₀＝0。

S202，先正向从所述存储器的第一个数据开始读取，直至最后一个数据，然后反向从最后一个数据开始读取，直至第一个数据，如此反复；若正向读取数据，存储器读地址加1；若反向读取数据，存储器读地址减1。当正向地址到达最大地值或者反向地址到达0时，设置标记Repeat_flag＝1，其它情况下Repeat_flag＝0。

S203，进行插值运算：

$r(m_n{T}_s+{\mu }_n{T}_s)=\underset{i=I_1}{\overset{I_2}{\Sigma }}r\left[(m_n-i)T_s\right]h_I\left[(i+{\mu }_n)T_s\right]---\left(7\right)$

这里T_s表示采样周期，h_I(t)为插值函数，在此选择Cubic插值函数，插值后数据仍是4倍符号速率；上式取第I₁个采样点至第I₂个采样点进行计算。

S204，2倍抽取及在正反向转换处进行丢点控制；其中丢点控制的处理方法如图5所示，图中实心黑点表示采样点，空心点表示插值点，E点为正向最后一个采样点，A点为利用正向最后四个采样数据所得的插值点，B点为利用反向数据所保留的第一个插值点，E点在反向时重复一次。图5所示为采样时钟略高于4倍符号速率的情形，由于正反重复，采样数据是左右对称的。插值后的数据点可以分为四类，分别属于最佳采样点集S，最佳采样点到零点之间的过渡点集T1，零点集Z及零点到最佳采样点之间的过渡点集T2。图5(a)～(d)分别表示点A属于集合S、T1、Z及T2的情况，丢点处理后，B分别属于T2、S、T1及Z。其规律是，在正反转换处，当A∈S时，丢弃两个插值点，B∈T2；当A∈T1时，丢弃四个插值点，B∈S；当A∈Z时，丢弃两个插值点，B∈T1；当A∈T2时，丢弃四个插值点，B∈Z。2倍抽取的方法是去掉上述过渡点，得到最佳采样点和零点。

S205，计算时钟误差：正向读取数据时：

$e_n=\mathrm{Re}\{z(\mathrm{nT}+{\widehat{ϵ}}_{n}T)·[z^{*}(\mathrm{nT}+T/2+{\widehat{ϵ}}_{n}T)-z^{*}(\mathrm{nT}-T/2+{\widehat{ϵ}}_{n}T)\left]\right\}---\left(1\right)$

反向读取数据时：

$e_n=-\mathrm{Re}\{z(\mathrm{nT}+{T/2+\widehat{ϵ}}_{n}T)·[z^{*}(\mathrm{nT}+T+{\widehat{ϵ}}_{n}T)-z^{*}(\mathrm{nT}+{\widehat{ϵ}}_{n}T)\left]\right\}---\left(2\right)$

其中，e_n为时钟误差，n为整数，T为符号周期，ε_n为时间偏移，与为最佳采样点；及为零点。需要说明的是，由于在正反转换处S点及Z点镜像对称，即S点或Z点重复一次，对于反向数据，只需要按照正向数据算法取反，即是(2)式计算结果，而不再需要其它调整。

S206，环路滤波：环路滤波器原理图如图6所示，其转移函数为

$H\left(z\right)=g_p+\frac{g_i}{1-z^{-1}}---\left(8\right)$

这里g_p＝1/2³，g_i＝1/2¹⁰为常数，环路滤波器输出为w(m_n)。

S207，计算内插控制参数：

m_n+1＝m_n+[μ_n+w(m_n)](9)

当Repeat_flag＝0时，

μ_n+1＝[μ_n+w(m_n)]mod1(10)

当Repeat_flag＝1时，

μ_n+1＝1-[μ_n+w(m_n)]mod1(11)

这里[x]表示对x作下取整运算。

在正反向转换处重新设置插值估计值的分数部分μ的起始值时，用1-μ代替μ即可。

S208，判断是否达到重复读取存储器数据的最大次数L＝5次，若是，则时钟恢复结束，否则返回步骤S202。

其中，步骤S104中进行载波恢复的方法流程图如图3所示：

S301，参数初始化，取初始相位θ₀＝0，初始频偏Δω₀＝0

S302，先正向从所述存储器的第一个数据开始读取，直至最后一个数据，然后反向从最后一个数据开始读取，直至第一个数据，如此反复；若正向读取数据，存储器读地址加1；若反向读取数据，存储器读地址减1。

S303，计算需要旋转的相位；正向读取数据时

θ_n＝[θ_n-1+Δω_n-1]mod2π(3)

反向读取数据时

θ_n＝[θ_n-1-Δω_n-1]mod2π(4)

其中，θ表示需要旋转的相位，Δω表示计算的频偏。

S304，相位旋转：y_n＝z_n·exp(jθ_n)(12)

这里z_n为载波恢复模块输入数据，即时钟恢复模块输出数据；

S305，相位误差检测；其中，计算相位误差的方法为：

正向读取数据时

反向读取数据时

这里y_n为相位旋转后的数据，为相位误差。然后进行累加，得到(13)，这里C₁＝1/2，C₂＝1/2⁷为常数；

S306，停走控制：

若sign(α_n)≠sign(α_n-1)，则E_n＝E_n-1(14)

否则E_n＝α_n-α_n-1(15)

S307，环路滤波：环路滤波器原理图如图6所示，其转移函数为

$H\left(z\right)=g_p+\frac{g_i}{1-z^{-1}}---\left(16\right)$

这里g_p＝1/2⁴，g_i＝1/2⁸为常数，输出为Δω_n。

S308，判断是否达到预设的重复读取存储器数据的最大次数L＝5次，若是，载波恢复结束，否则返回步骤S302。

上述步骤S204中的丢点控制的处理方法可以由以下方法代替：当A∈S或A∈Z时，不丢点，当A∈T1或A∈T2时，丢弃2个点。相应地，上述步骤S205计算时钟误差的公式为公式(1)。

图7为本发明实施例的无线突发通信全数字接收机无数据辅助同步系统的结构图。

选择信号帧总长度为3063，其中帧头长度为63，帧体长度为3000。

如图7所示，该系统包括：

过采样模块，用于对输入I、Q两路模拟信号进行4倍过采样，过采样数据用8比特二进制补码表示，取值范围为-128～127。然后传输至数字下变频模块；

数字下变频模块，对所述接收到的采样数据进行数字下变频，得到基带信号，传输至能量检测模块；

能量检测模块，以M＝4个采样数据为一组，I、Q两路共八个点，计算其能量和，当连续N＝3次检测到的能量和大于或等于预设门限值时，开始输出数据有效信号及所述采样数据中的有效数据，直至连续3次检测到的有效数据能量和小于预设门限值时，停止输出数据有效信号及有效数据。具体来说，能量检测状态机如图4所示，当能量和大于或等于门限值时满足条件A，否则满足条件B，进入S3状态则输出数据有效信号及有效数据，在S1和S2状态保持信号不变，进入S0状态输出数据无效信号；

时钟恢复模块，用于存储有效数据，存储器大小设置为16384×16比特，并利用所述有效数据进行时钟恢复，然后传输至载波恢复模块；这里，时钟恢复模块的输入是4倍符号速率，输出是单倍符号速率；以及

载波恢复模块，用于存储时钟恢复后的数据，并利用该数据进行载波恢复，存储器大小设置为4096×16比特。

其中，时钟恢复模块进行时钟恢复的原理图如图8所示，其方法流程图如图2所示：

S201，参数初始化；取插值估值整数部分m₀＝0，插值估值分数部分μ₀＝0。

S202，先正向从所述存储器的第一个数据开始读取，直至最后一个数据，然后反向从最后一个数据开始读取，直至第一个数据；如此反复，若正向读取数据，存储器读地址加1；若反向读取数据，存储器读地址减1。当正向地址到达最大地值或者反向地址到达0时，设置标记Repeat_flag＝1，其它情况下Repeat_flag＝0。

S203，进行插值运算：

$r(m_n{T}_s+{\mu }_n{T}_s)=\underset{i=I_1}{\overset{I_2}{\Sigma }}r\left[(m_n-i)T_s\right]h_I\left[(i+{\mu }_n)T_s\right]---\left(7\right)$

这里T_s表示采样周期，h_I(t)为插值函数，在此选择Cubic插值函数，插值后数据仍是4倍符号速率；上式取第I₁个采样点至第I₂个采样点进行计算。

S204，2倍抽取及在正反向转换处进行丢点控制；其中丢点控制的处理方法如图5所示，图中实心黑点表示采样点，空心点表示插值点，E点为正向最后一个采样点，A点为利用正向最后四个采样数据所得的插值点，B点为利用反向数据所保留的第一个插值点，E点在反向时重复一次。图5所示为采样时钟略高于4倍符号速率的情形，由于正反重复，采样数据是左右对称的。插值后的数据点可以分为四类，分别属于最佳采样点集S，最佳采样点到零点之间的过渡点集T1，零点集Z及零点到最佳采样点之间的过渡点集T2。图5(a)～(d)分别表示点A属于集合S、T1、Z及T2的情况，丢点处理后，B分别属于T2、S、T1及Z。其规律是，在正反转换处，当A∈S时，丢弃两个插值点，B∈T2；当A∈T1时，丢弃四个插值点，B∈S；当A∈Z时，丢弃两个插值点，B∈T1；当A∈T2时，丢弃四个插值点，B∈Z。2倍抽取的方法是去掉上述过渡点，得到最佳采样点和零点。

S205，计算时钟误差：正向读取数据时：

$e_n=\mathrm{Re}\{z(\mathrm{nT}+{\widehat{ϵ}}_{n}T)·[z^{*}(\mathrm{nT}+T/2+{\widehat{ϵ}}_{n}T)-z^{*}(\mathrm{nT}-T/2+{\widehat{ϵ}}_{n}T)\left]\right\}---\left(1\right)$

反向读取数据时：

$e_n=-\mathrm{Re}\{z(\mathrm{nT}+{T/2+\widehat{ϵ}}_{n}T)·[z^{*}(\mathrm{nT}+T+{\widehat{ϵ}}_{n}T)-z^{*}(\mathrm{nT}+{\widehat{ϵ}}_{n}T)\left]\right\}---\left(2\right)$

其中，e_n为时钟误差，n为整数，T为符号周期，ε_n为时间偏移，与为最佳采样点；及为零点。需要说明的是，由于在正反转换处S点及Z点镜像对称，即S点或Z点重复一次，对于反向数据，只需要按照正向数据算法取反，即是(2)式计算结果，而不再需要其它调整。

S206，环路滤波：环路滤波器原理图如图6所示，其转移函数为

$H\left(z\right)=g_p+\frac{g_i}{1-z^{-1}}---\left(8\right)$

这里g_p＝1/2³，g_i＝1/2¹⁰为常数，环路滤波器输出为w(m_n)。

S207，计算内插控制参数：

m_n+1＝m_n+[μ_n+w(m_n)](9)

当Repeat_flag＝0时，

μ_n+1＝[μ_n+w(m_n)]mod1(10)

当Repeat_flag＝1时，

μ_n+1＝1-[μ_n+w(m_n)]mod1(11)

这里[x]表示对x作下取整运算。

在正反向转换处重新设置插值估计值的分数部分μ的起始值时，用1-μ代替μ即可。

S208，判断是否达到重复读取存储器数据的最大次数L＝5次，若是，则时钟恢复结束，否则返回步骤S202。

其中，所述载波恢复模块进行载波恢复的原理图如图9所示，其方法流程图如图3所示：

S301，参数初始化，取初始相位θ₀＝0，初始频偏Δω₀＝0

S302，先正向从所述存储器的第一个数据开始读取，直至最后一个数据，然后反向从最后一个数据开始读取，直至第一个数据，如此反复；若正向读取数据，存储器读地址加1；若反向读取数据，存储器读地址减1。

S303，计算需要旋转的相位；正向读取数据时

θ_n＝[θ_n-1+Δω_n-1]mod2π(3)

反向读取数据时

θ_n＝[θ_n-1-Δω_n-1]mod2π(4)

其中，θ表示需要旋转的相位，Δω表示计算的频偏。

S304，相位旋转：y_n＝z_n·exp(jθ_n)(12)

这里z_n为载波恢复模块输入数据，即时钟恢复模块输出数据；

S305，相位误差检测；其中，计算相位误差的方法为：

正向读取数据时

反向读取数据时

这里y_n为相位旋转后的数据，为相位误差。然后进行累加，得到(13)，这里C₁＝1/2，C₂＝1/2⁷为常数；

S306，停走控制：

若sign(α_n)≠sign(α_n-1)，则E_n＝E_n-1(14)

否则E_n＝α_n-α_n-1(15)

S307，环路滤波：环路滤波器原理图如图6所示，其转移函数为

$H\left(z\right)=g_p+\frac{g_i}{1-z^{-1}}---\left(16\right)$

这里g_p＝1/2⁴，g_i＝1/2⁸为常数，输出为Δω_n。

S308，判断是否达到预设的重复读取存储器数据的最大次数L＝5，若是，载波恢复结束，否则返回步骤S302。

上述步骤S204中的丢点控制的处理方法可以由以下方法代替：当A∈S或A∈Z时，不丢点，当A∈T1或A∈T2时，丢弃2个点。相应地，上述步骤S205计算时钟误差的公式为公式(1)。

由以上实施例可以看出，本发明的实施例采用先存储再处理的方式，正反相间反复利用有限数据进行时钟恢复和载波恢复，取得与使用连续数据近乎一致的计算效果，实现对每一帧数据独立完成时钟恢复与载波恢复。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。