基于Gardner定时误差检测的低复杂度定时同步方法技术

本发明专利技术公开的基于Gardner定时误差检测算法的低复杂度定时同步方法，属于通信信号处理领域。本发明专利技术将Gardner定时误差检测算法进行优化，使其适用于开环前馈的定时同步结构，并以Gardner定时误差检测结果与实际定时误差的函数关系为基础，提出对应的采样点移位与固定分数间隔插值的误差补偿策略，降低误差补偿的复杂度，以此构建适用于短帧突发系统的低复杂度开环前馈定时同步方法。本发明专利技术具有如下优点：(一)在开环前馈结构中，使用改进后的Gardner定时误差检测算法，相比开环定时同步方法降低误差检测算法的复杂度，同时相比传统Gardner定时同步环路提高实时性；(二)通过采样点移位和固定分数间隔插值，降低误差补偿复杂度，减少定时同步处理时延，提高系统吞吐量。提高系统吞吐量。提高系统吞吐量。

【技术实现步骤摘要】
基于Gardner定时误差检测的低复杂度定时同步方法


[0001]本专利技术涉及一种基于Gardner定时误差检测的低复杂度定时同步方法，具体涉及一种针对短帧突发系统的开环低复杂度定时同步方法，属于通信信号处理领域。

技术介绍

[0002]定时同步技术也被称为符号同步或码元同步，是实现全数字通信系统的关键技术之一。在全数字无线通信系统中，因为接收机与发射机的时钟相互独立，二者时钟通常存在相位偏差或微小的频率偏差。接收机收到的数据会因此有定时偏差，使得接收机无法在最佳采样时刻对信号进行采样，信号的信噪比降低，导致整个系统解调性能下降。消除定时偏差，寻找最佳采样时刻的过程即为定时同步，此过程主要分为定时误差的检测与补偿。
[0003]在通信信号处理领域，针对诸如：早迟门算法、Mueller&Muller算法、最大似然准则定时误差检测方法、绝对值非线性算法、平方率非线性算法、四次方非线性算法和对数非线性算法等是目前较为成熟的定时误差检测方法。在众多的误差检测算法中，特别的，Gardner定时误差检测算法凭借其具有不需要辅助数据、仅要求信号过采样率为两倍或以上、能够独立于载波同步进行的特点得到了广泛的应用。误差补偿的基本原理为重构信号并对其进行重采样，在全数字的通信系统中，这一过程通过插值滤波器完成。Gardner提出的全数字插值公式因为能够用简单的多项式进行逼近，并具有非常高的同步精度，已经被广泛的应用于各种定时同步方法。
[0004]Gardner定时误差检测算法具有很高的同步性能，但由于其检测结果不代表真实的定时误差，此算法通常需要闭环反馈结构的辅助来进行误差补偿。闭环反馈结构实现复杂度相比开环结构较高，且由于实时性差无法运用于有短帧突发特性的系统。开环结构虽然实现简单且实时性高，但适用于开环结构的误差检测算法，例如平方律非线性算法，由于需要一次就准确检测出准确的定时误差，其算法本身实现复杂度较高。较高复杂度的定时同步算法会引入较高的处理时延，不仅增加了硬件的资源消耗还会降低系统的实时性。若能够将Gardner定时误差检测算适用于开环结构，系统便能够在保证算法低复杂度的同时使算法实时性提升。因此亟需开展适用于开环结构的Gardner定时误差检测算法修正方法及对应开环误差补偿策略的设计。

技术实现思路

[0005]为了解决现有技术存在的下述技术缺陷：(一)闭环反馈结构的定时同步方法结构较为复杂，实时性差；(二)传统开环前馈结构的定时同步方法所需误差检测算法复杂度高；本专利技术主要目的是提供一种基于Gardner定时误差检测的低复杂度定时同步方法，将Gardner定时误差检测算法进行优化，使其适用于开环前馈的定时同步结构，并以Gardner定时误差检测结果与实际定时误差的函数关系为基础，提出对应的采样点移位与固定分数间隔插值的误差补偿策略，降低误差补偿的复杂度，以此构建适用于短帧突发系统的低复杂度开环前馈定时同步方法。本专利技术具有如下优点：(一)在开环前馈结构中，使用改进后的
Gardner定时误差检测算法，相比传统开环定时同步方法降低误差检测算法的复杂度，同时相比传统Gardner定时同步环路提高了算法实时性；(二)通过采样点移位和固定分数间隔插值，降低误差补偿复杂度，从而进一步减少定时同步处理时延，提高系统吞吐量。
[0006]本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的。
[0007]本专利技术公开的基于Gardner定时误差检测的低复杂度定时同步方法，包括如下步骤：
[0008]步骤一、为了减少相邻两个符号对中间采样值的影响，将相邻两个符号中间采样值修正为零，减少Gardner定时误差检测算法的自噪声，提高Gardner定时误差检测算法检测额外带宽较小信号和高阶信号的检测精度，提高Gardner定时误差检测算法的通用性。将修正后的中间采样值代入Gardner定时误差检测公式，得到当前符号定时误差检测结果。所述额外带宽较小信号指信号额外带宽小于40％的信号，高阶信号指DQPSK信号和8PSK及以上调制阶数信号。
[0009]通过减少相邻两个符号对中间采样值的影响，对Gardner定时误差检测算法进行修正，修正后的中间采样值为：
[0010][0011]式中，β＝h(T/2)/h(0)，h(t)为系统的冲击响应，T为符号周期，x(r
‑
1)和x(r)为前后两个采样点。将修正后的中间采样值代入Gardner定时误差检测公式，计算当前符号定时误差：
[0012][0013]式中，I(r)和I(r
‑
1)为第r个和第r
‑
1个符号的I路采样点，I'(r
‑
1/2)为修正后的两个符号的中间采样点，Q(r)和Q(r
‑
1)为第r个和第r
‑
1个符号的Q路采样点，Q'(r
‑
1/2)为修正后的两个符号的中间采样点。
[0014]步骤二、通过对步骤一中得到的定时误差检测结果进行累积，减少无用检测结果对误差补偿的影响，提高Gardner定时误差检测算法的单次检测精度，由于单次检测精度的提高使Gardner定时误差检测算法适用于开环控制结构，降低整体定时同步方法的复杂度；并根据误差累积结果的正负进行采样点移位来补偿定时误差，省略传统定时同步方法中精确插值的步骤，进一步降低定时同步方法的复杂度，减少信号处理时延，提高定时同步的实时性，使所述定时同步方法适用于具有短帧突发特性的通信系统。
[0015]按照下式对步骤一中得到的L个定时误差检测结果进行累积：
[0016][0017]根据U
i
的正负对采样点位置进行调整。若U
i
>0，则将当前采样点位置向后移动一位，即将x(r+T/N)替代x(r)作为第r个符号的采样值，其中N为系统的过采样倍数；若U
i
<0，
则将当前采样点位置向前移动一位，即将x(r
‑
T/N)替代x(r)作为第r个符号的采样值。
[0018]步骤三、利用S曲线在实际定时误差
‑
0.25<τ<0.25范围内单调递增的特性和误差检测结果正负与实际定时误差的关系，通过采样点移位和比较最后两次误差累积结果大小，准确寻找出原始所有采样值中具有最大信噪比的采样值，并记录此采样点位置。对于过采样率较大的信号，此时采样值中的残留定时误差能够忽略不计，根据记录的采样点位置对信号进行下采样，即基于Gardner定时误差检测算法实现过采样率较大情况下的定时同步。所述S曲线为Gardner定时误差算法的检测结果与实际定时误差的函数关系。
[0019]选取步骤二中相同但经过采样点移位后的数据重复步骤一和步骤二，总共执行(N/2
‑
1)次，N为信号的过采样率，并保存第(N/2
‑
1)次误差累计的结果
[0020]再次重复步骤一和步骤二中的误差累本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于Gardner定时误差检测的低复杂度定时同步方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤一、为了减少相邻两个符号对中间采样值的影响，将相邻两个符号中间采样值修正为零，减少Gardner定时误差检测算法的自噪声；将修正后的中间采样值代入Gardner定时误差检测公式，得到当前符号定时误差检测结果；步骤二、通过对步骤一中得到的定时误差检测结果进行累积，减少无用检测结果对误差补偿的影响，提高Gardner定时误差检测算法的单次检测精度，由于单次检测精度的提高使Gardner定时误差检测算法适用于开环控制结构，降低整体定时同步方法的复杂度；并根据误差累积结果的正负进行采样点移位来补偿定时误差；步骤三、利用S曲线在实际定时误差
‑
0.25<τ<0.25范围内单调递增的特性和误差检测结果正负与实际定时误差的关系，通过采样点移位和比较最后两次误差累积结果大小，准确寻找出原始所有采样值中具有最大信噪比的采样值，并记录此采样点位置；对于过采样率较大的信号，此时采样值中的残留定时误差能够忽略不计，根据记录的采样点位置对信号进行下采样，即基于Gardner定时误差检测算法实现过采样率较大情况下的定时同步；所述S曲线为Gardner定时误差算法的检测结果与实际定时误差的函数关系；步骤四、对于过采样率较小的信号，通过使用固定分数间隔的插值滤波器，使开环结构的定时误差补偿复杂度降低，同时采用与定时误差检测并行的实现结构，使开环结构中的定时误差补偿处理时延明显降低；步骤五、对于步骤四中插值产生的信号与原始信号按照步骤一进行定时误差检测，选取定时误差较小的信号，并根据步骤三中记录的采样点位置进行下采样，完成过采样率N较小情况下的定时同步。2.如权利要求1所述的基于Gardner定时误差检测的低复杂度定时同步方法，其特征在于：步骤一实现方法为，通过减少相邻两个符号对中间采样值的影响，对Gardner定时误差检测算法进行修正，修正后的中间采样值为：式中，β＝h(T/2)/h(0)，h(t)为系统的冲击响应，T为符号周期，x(r
‑
1)和x(r)为前后两个采样点；将修正后的中间采样值代入Gardner定时误差检测公式，计算当前符号定时误差：式中，I(r)和I(r
‑
1)为第r个和第r
‑
1个符号的I路采样点，I'(r
‑
1/2)为修正后的两个符号的中间采样点，Q(r)和Q(r
‑
1)为第r个和第r
‑
1个符号的Q路采样点，Q'(r
‑
1/2)为修正后的两个符号的中间采样点。3.如权利要求2所述的基于Gardner定时误差检测的低复杂度定时同步方法，其特征在
于：步骤二实现方法为，按照下式对步骤一中得到的L个定时误差检测结果进行累积：根据U
i
的正负对采样点位置进行调整；若U
i
>0，则将当前采样点位置向后移动一位，即将x(r+T/N)替代x(r)作为第r个符号的采样值，其中N为系统的过采样倍数；若U
i
<0，则将当前采样点位置向前移动一位，即将x(r
‑
T/N)替代x(r)作为第r个符号的采样值。4.如权利要求3所述的基于Gardner定时误差检测的低复杂度定时同步方法，其特征在于：步骤三实现方法为，选取步骤二中相同但经过采样点移位后的数据重复步骤一和步骤二，总共执行(N/2
‑
1)次，N为信号的过采样率，并保存第(N/2
‑
1)次误差累计的结果再次重复步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁旭辉，赵得光，李高阳，杨凯，卜祥元，鲜云竹，金涌家，卢琦，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：