（通信与信息系统专业论文）数字相关器精同步判决算法研究及其fpga实现.pdf

摘要 随着数字技术的高速发展，软件无线电技术得到日益广泛的应用。软件无 线的基本原理是通过a d 、d a 转换接1 2 ：1 ，将原有的模拟射频、中频信号转换到 数字处理域，借助数字信号处理器件的强大功能，取代传统模拟器件完成无线信 号的处理，因而具有精度高、处理速度快、设计灵活等优点。 本论文论述了针对特殊无线电信号的某专用接收设备的算法建模、设计实现 和验证技术。该设备能够对待处理信号进行实时解调。由于该信号的已知信息量 极少，传统的同步方式已不适用，故本设计采用了先解调( 下变频) ，后同步的方 式，利用解调出的基带波形等恢复出同步信息，然后再根据该同步信息进行判决。 为了提高同步质量，本论文提出了粗同步、精同步相结合的同步算法设计方案， 即利用信号脉冲头部的编码和信号脉冲的幅值特征来得到信号的粗同步，然后再 利用最佳采样的原则寻找精确位同步点，为了提高同步精度，在寻找位同步点时 还使用了长时段统计和内插恢复的技术。 本论文对精同步判模块和决模块算法设计、实现以及系统的验证过程进行 了较深入的论述。通过h d l 描述、仿真及电路样机验证及测试，实验结果表明 本算法具有较好的准确性和实用性。 本论文获得的研究成果如下： 1 对脉冲头同步位信号的抖动建立了数学模型，并对抖动作了定量的分析， 为精确同步的设计提供了理论指导。 2 提出了针对长时段信号根据最佳采样原则进行加窗统计分析的算法，并 针对该算法作了大量的优化工作，保证了算法的可的实现。 3 使用了变速率的数字信号处理，对不在采样点上的信号对比了两种内插 方式，指出了各自的适用范围，保证了算法的可实现性。 本论文提出的算法及模型在f p g a 上得以实现及验证测试，实验结果表 明本设计的同步判决算法效果良好，能满足用户需要。与传统的实时捕获 离线分析的方法比较，本设计能够完成对数据的实时分析，并且具有体积 小巧操作简单等特点，因此具有较大的实用价值。 关键字无线信号侦测，精同步，最佳采样，长时段统计，内插，f p g a 实现 a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n to fd i g i t a lt e c h n 0 1 0 9 y ，t h es o f t w a r er a d i o t e c h n o l o g yg e t st h ee x t e n s i v ea p p l i c a t i o n t h r o u g ht h ea d o rd a i n t e r f a c e ，s o f t w a r er a d i oc a nu s et h ev e r s a t i l ed i g i t a ld e v i c e si n s t e a d o ft h eo l da n a l o go n e st og e tm o r ep r e c i s e ，f o s t e ra n dm o r ef l e x i b l e p e r f o r m a n c e t h i sp r oj e c ti saw i r e l e s ss i g n a ld e t e c t o rt h a tc a nd e m o d u l a t et h e s i g n a l b e c a u s et h ei n f o r m a t i o no ft h ed e t e c t e ds i g n a l i st o ol i m i t e d ， t h et r a d i t i o n a ld e m o d u a l t em e t h o df o rc o m m u n i c a t i o ns i g n a lc a nn o tw o r k a f t e rs t u d y i n gs o f t w a r er a d i ot e c h n o l o g y ，w ed e v e 1 0 p e d as p e c i a l a l g o r i t h mf o rt h i ss i g n a l t h ed e m o d u l a t i o na n ds y n c h r o n i z a t i o na r e s e p a r a t e di no u ra l g o r i t h m a n dt h es y n c h r o n i z a t i o ni sa l s os e p a r a t e di n t o c o a r s ep a r ta n dp r e c i s ep a r t i np r e c i s es y n c h r o n i z a t i o n ，w eu s et h em o s t l i k e l i h o o de s t i m a t i o no fo p t i m u mb i ts y n c h r o n i z a t i o nt og e t s y n c h r o n i z a t i o n f o rb e t t e rp e r f o r m a n c e ，t h ei n t e r p o l a t i o na n d1 0 n gt i m e s t a t i s t i ca r eu s e d t h e r ea r es o m ep a r t i c u l a rd i s c u s s i o n sa b o u tt h ea l g o r i t h md e s i g n i m p l e m e n t a t i o na n dv e r i f i c a t i o n o ft h ep r e c i s es y n c h r o n i z a t i o na n d a r b i t r a t em o d u l ei nt h i sa r t i c l e t h ef i n a lt e s tp r o v e dt h ea l g o r i t h mi s p r e c i s ea n da p p l i c a b l e a n dt h ea r t i l cs h o w e ds u c hr e s u l t s ： 1 g a v eam o d e lf o rt h ep u l s eh e a dd i t h e ra n dc a l c u l a t et h ed i t h e r r a n g 2 d e v e l o p e daw i n d o wa l g o r i t h mf o rl o n gt i m e s t a t i s t i ca n dd o n ea l o to fo p t i m i z ew o r kt og u a r a n t e et h ep o s s i b i l i t yo fi m p l e m e n t 3 u s et h ev a r i a b l es a m p l er a t et e c h n o l o g ya n di n t e r p o l a t et oi m p r o v e t h ep r e c i s e w h o l ea l g o r i t h mh a sb e e ni m p l e m e n t e di nf p g a s r e s u l t sp r o v e d t h a t t h ew h o l ed e v i c ec a nm e e tt h eu s e r sn e e d s t h e n e wd e v i c ec a np r o c e s s s i g n a li nr e a lt i m e c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a ld e v i c e ，i ti ss m a l l e r ， c h e a p e ra n d m o r ee a s yt ou s e k e y w o r d s ：w i r e l e s ss i g n a ld e t e c t ， p r e c i s es y n c h r o n i z a t i o n ， o p t i m u ms a m p l i n g ，l o n gt i m e s t a t i s i c ，i n t e r p o l a t e ，f p g a i m p l e m e n t i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：雀垒堕 日期：) 一r 年d - 月岁一日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：拯銎刚 导师签名： 1 1 日期：y 了年手月3 。日 电子科拙火学硕士学位论文：数字相关器同步判决算法研究投f p g a 实现 1 1 相关器概述 第一章引言 为了实现信号的检测与解调，可以在本地生成与待测的信号匹配的本地信号 并与之积分，利用本地信号和待测信号的相关性完成对信号的分离，相应的电路 被称为相关器。因此，模拟相关器在完成相关功能的时候会用到用一个积分求和 电路，数字相关器会有大量的乘加运算。 相关器常用在直接序列扩频通信中。大多数直接序列扩频的接收机就是用本 地产生的扩频码和输入信号做相关运算，利用产生的相关峰进行同步。由于在直 扩系统中，码同步是整个系统同步的关键，而同步又是整个解调的关键，因此相 关器的功能非常重要。随着直扩系统的广泛应用，相关器的功能范围也不断得到 扩展，发展成为包括解扩、同步和判决等的一个接收系统。 本文所指的数字相关器与一般意义上的相关器不同，确切的说，是一个完整 的信号检测设备，其中一些关键同步技术利用到了相关算法。该设备完成了中频 信号的下变频、同步检测与基带信号解调，并将解调结果通过p c i 模块传回p c 机以文件形式保存。因此，这里的相关器可以做为一个独立工作的数字接收设备。 对于一个数字接收机系统来说，其同步方案设计的好坏直接影响到整个接收 机系统的解调性能指标。目前，对于各种常用通信信号均有成熟的同步算法可借 鉴，然而，对于某些非通用信号，则需要根据其具体的信号特征进行有针对性的 设计。本课题所涉及的信号就具有上述非通用性。 1 2课题背景 本课题属国家研究课题一个子系统。该子系统的主要功能是将侦测到的中频 信号进行盲解调。在此之前，合作单位已经做了大量的研究工作，做了一套基于 实时采样、离线分析的设备。在该设备中，由前端处理板和工控机完成对信号的 实对录入。由于录入信号时的针对性较差，因此录入的数据量很大，约8 0 m b i t s s ， 使用了大量的工控机并定制了存储软件。实时记录完毕的数据由用户专门的分析 软件进行分析，得出有用数据的内容。因此，整个数据处理流程速度受限，且操 作比较麻烦。 用户单位迫切希望在保证原有处理精度的情况下，发展出一个小型，成本低 廉，操作简单的设备，并能够提高处理的速度，最好能够达到实时处理数据的程 度。这样就能极大的提高设备的实用性。 电予科技人学颂：卜学位论文：数字相关辑同步判决算法研究及f p g a 实现 在分析用户需求的基础上，我们提出了使用硬件加软件的处理结构。其中硬 件模快包括中频数字化接口和f p g a 阵列处理。系统中的中频数字化接口提高了 系统的集成度，方便了用户的使用，f p g a 阵列由3 片a l t e r a 的1 c 1 2 组成，拥 有强大的处理能力和极高的性价比，完成了从数字中频解调，有效信号捕捉，盲 同步，判决以及p c m a s t e r 接口在内的所有功能。这些功能通过f p g a 可实对的 完成，极大的提高了系统的处理速度，利用p c i 接1 3 还可以方便的将数据回传。 1 3 论文的主要内容及安排 本文全面的讲述了系统的组成结构：解调模块、粗同步模块和精确同步判决 模块。 系统的解调方案采用了差分解调，解调后的基带码流中含有脉冲头部编码的 特殊成份，在时隙信号中呈周期重复出现。利用这种特性，可使用脉冲头相关的 方法得到指示脉冲头部编码位置的指示信号。同时由于脉冲信号的外形特征，可 以利用一系列的相关运算，得到指示脉冲外形幅值的脉冲幅值指示信号。以上信 号结合单频干扰屏蔽信号，可以得到信号的粗周步，大致播绘出信号的起止范围。 由于粗同步信号标定了脉冲的第一个码元的位同步点，同时码元宽度是已知 的，因此可以出粗同步信号恢复出相应脉冲内的位同步点。但是，由于噪声的干 扰和粗同步算法的局限性，仅通过脉冲头同步位得到位同步会将前者的抖动带到 后者，为此需要对抖动做出分析和补偿。最先的 偿是基于对时隙中部份脉冲头 同步位的抖动进行统计后进行的。这种补偿方式的统计精度和补偿区域是一对矛 盾且存在精度不够的问题。 进一步的研究后，精同步的求取方法改变为根据最佳采样原则的似然估计。 由于基带码元通过信道后仍能够保持在码元中心取得最大幅值，因此可以将此中 心点作为码元的最佳采样点。该算法以时隙中每个位同步点上的基带波形的幅值 绝对值之和作为最大似然函数，并计算了根据一个对隙的信号所有可能起始位同 步点的最大似然函数值，以求得最有可能的起始位同步点。为了提高精度，系统 还采用了变速率内搔的方式来恢复出非采样点上的基带波形的值。通过上述处理 能够得到比较精确的位同步信号，然后就根据位同步所在位置处的基带波形进行 判决。 文章的第一章主要是讲述了系统的应用背景，第二章主要讲述了信号的特征 及相应的解调方式以及现有的成熟的数字接收机同步方式，第三章概述了粗同步 的设计原理并详细论述了精同步判决模块的早、中、后期的设计原理，第四章讲 述了系统的硬件结构和精同步判决模块的实现，第五章讲述了系统的验证平台的 2 电子科技大学硕士学位论文：数字相关器i g j 步判决算法研究及f p g a 实现 设计和性能测试结果，第六章对现有的工作做出了总结并对未来的工作做出了展 望。 我在设计中参与了整个系统方案的论证，负责了整个精同步判决模块的算法 设计以及设计实现，并参与了部份粗同步算法的设计，以及系统的整个验证过程。 在项e l 的验收阶段，我还参与了整个项目的验收工作。通过指导老师，全体组员 和我的努力，整个项目已经验收通过，并受到专家和用户的一致好评。 电了科技大学硕士学位论文：数字相哭 j ；同步判决算法研究2 ： f p g a 实现 第二章数字接收机相关知识介绍 为了便于读者对后续章节内容的理解，在本章将对所鼹研究问题的相关背景 知识加以简略介绍，并对现有的成熟同步算法做的一些总结。 2 1数字接收机的结构 无线通信在现代通信中占据着极其重要的位罱，被广泛应用于商业、气象、 军事、民用等领域。但是传统的无线电台的全部功能都由硬件实现，只能工作于 单的频段，单一的调制方式，不同体系结构的电台难以相互沟通。尤其在军事 领域，这种现象更为突出。1 9 9 2 年5 月，m i l t r e 公司的5 e o m i t o l a 首次提出了 软件无线电的概念。其概念。其中心思想是：构造一个具有开放性、标准化、模 块化的通用硬件平台，将各种功能用软件来完成，并使宽带a d 和d a 转换器尽 可能靠近天线，以硬件出具有高度灵活性、开放性的新一代无线通信系统。软件 无线电的各种功能是用软件实现的，如果要实现新的业务或调制方式只要增加一 个新的软件模块即可。由于软件无线电具有极强的灵活性以及开放性的特点，这 一概念一经提出，就得到了全世界无线电领域的广泛关注，并在提出的十余年间 得到了广泛的发展和应用。 软件无线电的基本思路是利用高速a d 和d a 转换器将基带、中频甚至射频 信号转换成的数字信号，通过数字器件的高速灵活的处理来代替传统无线电器件 的功能。从信号流向的角度可以分为发射机和接收机。发射机负责完成信号的编 码，扩频，调制等功能：接收机负责完成信号的解调、解扩、解码。由于接收侧 需要先完成对信号的同步，然后才能完成相应的功能，因此可以说，数字按收机 的设计是软件无线电中最关键的部份。同时由于本设计是利用软件无线点的方法 对侦测信号的盲解调，因此了解数字接收机的工作原理对理解设计原理关系最为 密切。 数字接收机的基本结构是：前端高速a o 转换器件将模拟信号转换成数字信 号，然后再用具有d s p 处理功能的器件完成对数字信号的解扩解调。根据转换位 置的不同，软件无线电采样结构可以分为射频采样和中频采样两种。由于对射频 采样需要极高的数据转换速率并加重了后续处理的负担，因此在现阶段，中频采 样应用的较为广泛。其结构如下图所示： 4 l b 了科技人学坝j ：学位论文：数寸：相关器同步判决算法研究及f p g a 实现 图2 一l数字接收机结构 射频信号在通过模拟处理变成中频后才被采样。采样时还可以根据中频和基 带信号的带宽灵活选择低通或者带通采样的形式。这样有利于降低采样频率，在 保留软件处理无线信号优点的情况下简化系统的实现。用数字处理器件完成信号 的解扩解调具有精度高，稳定度好，价格低廉，处理方式多样，升级灵活等众多 优势。后续的数字处理器件可以是通用d s p 处理器或者是f p g a 。通用d s p 具 有开发方便，控制能力强等优势，但是由于其基本上是c p u 串行处理结构，因 此处理带宽不如可以定制处理结构的f p g a 。而f p g a 可以在资源允许的情况下 拥有多个处理单元进行并行处理，因此其处理速度和实时性都很好，但是设计过 程相对要复杂一些。在本设计中，采用了f p g a 做为数字处理器件，在保留了数 字接收机的各种优点的同时还获得了极高的处理速度。 2 2 中频信号特征 信号送入本系统已经变频到中频，模拟中频频率为6 0 m h z ，数字化频率为 1 8 4 6 1 5 3 8 m h z 。调制方式为m s k 调制。信号的为分组扩频方式，扩频后的码元 速率为5 m h z ，信号帧结构如下图所示： i 坚l 卫生一 图2 - 2输入信号结构 信号由多个脉冲组成，每个脉冲宽度约为3 4 个基带码元。脉冲和脉冲之间 间隔相等，大致为3 1 个基带码元。脉冲之间无载波信号。多个脉冲组成一个时 隙，一个时隙中的脉冲数是已知的四种。时隙和时隙间隔不固定，时隙之间也无 电子科投太学硕士学位论文：数字相关器同步判决算法研究及f p g a 实现 载波信号。 2 3 m s k 信号及其特点 m s k 信号是相位连续的移键控的一种特例。其主要特点是包络恒定，带外 辐射小，实现简单，在相邻符号交界处相位保持连续，已广泛应用于移动通信中 的数字传输。 m s k 调制的信号可以表示为 鼢p 甜 ，- ( + 别c o s ( 叫吒争r 吼)公加川 其中，r 为码元宽度，口。为第肝个码元，口。= + 1 ，一1 ，吼是第 个码元的 初始相位，并且有 j 螺一1。吒一i n 2 1 疗鸹一i r e e l 为矩形函数，满足 删，：e 一钧 【0 其它 当输入符号为+ 1 时，发送的角频率为：嚷+ 万； 当输入符号为一l 时，发送的角频率为：皱一万。 所以，输入符号为+ l ，一1 时，发送的频率分别为c + 石，r 一一4 t 1 。 ， 1 ， 2 4m s k 信号的解调 2 4 1正交解调法 对中频m s k 信号进行采样后得到采样后的信号表达式如下 s c m 瓦，= 车，e 甜 聊五一( 以+ 吉 r c 。s ( 哦+ 寺 m 瓦十 公式。一：， 其中，m 为采样序数，z 为中频采样周期，t 为码元宽度，为第”个码元 3 + l ，一】，r e c t 为矩形函数，够，是第 个码元的初始相位，并且有 电子科技大学硕士学位论文：数字相关器同步判决算法研究及f p g a 实现 纯2 纛石耄i 乏 上述表达式简记为 s c m ，= 莓r 。c ， ，”一” c 。s q + a 。寺 m + 通过对信号进行正交分解，得同相和正交分量 同相分量蜀( 咖莩刚【】c o s c 研黑a 1 十j同相分量： ”7 正交分量：( m ) = 军膳d 【聊一”】s i n ( m 寺+ 于是，由同相、正交分量计算瞬时频率 仰一辔( 端卜喀( 揣 公式( 2 - 3 ) 公式( 2 - 4 ) 在计算出瞬时频率厂( m ) 后，对厂( m ) 抽样判决，即可恢复出码元。 由上述分析可以看出，在计算瞬时频率时要进行除法和反正切运算，这对于 非专用数字信号处理器来说是比较复杂的，因此可以用下面的简化方法来计算 ，( m ) ： f ( m ) = 。( 卅) 一( 埘) 心( 川- x ) ( m ) x o ( m ) 2 再丽i 及r 公式( 2 5 ) 由于m s k 信号为恒包络调制，其振幅近似恒定，不妨设爿；+ z ；= 1 ，则 ( 聊) = x ，( ) 氍( m ) 一x i ( m ) x 。( 用) ，( m ) 爿。( m ) 一x 0 ( m 一1 ) 一i x ，( 卅) 一爿，( 川一1 ) 托( 朋) = x 1 ( m 1 ) ( 卅) 一z ，( m ) x q ( m 一1 )公式( 2 - 6 ) 这种方法只有乘法与减法运算，计算比较简便，也比较节约资源。 叱于科投大学颂：学位论文：数字相关 | 同步判决算法研究投f p g a 实现 为了叙述的连贯，在前面的分析中，并没有介绍如何获得同相、正交分量。 在工程实践中，正交解调法采用如下的方法获得同相、正交分量【2 】= 中频输入 - - - 图2 3 数字i 0 分离原理框图 由上图可知，数字i q 分离需要用到n c o 和两路f i r 低通滤波器，即使采 用免混频的方式省去n c o 模块，也需要用到两个f i r 低通滤波器。加上计算瞬 时频率所需要的两个乘法嚣，整个解调部分对硬件资源的要求相当高。如果能在 解调性能基本不降低的条件下省去部分n c o 、低通滤波器以及乘法器电路，则 能大大降低资源消耗。而下面的差分解调方法正是这样的方案。 2 4 2 差分解调法 由于m s k 在实现调制时是有记忆的，因此也可以采用差分解调的方法【”。 差分解调可以省去n c o ，不用考虑载波提取，虽然会牺牲一些性能，但结 构简单，易于实现。文献 3 就采用延迟线将中频信号延迟后与其本身相乘从而 得到数字基带信号，但这种方式由于延迟线的特殊结构使得差分延迟解调不易集 成。随着数字器件性能的发展，如果将延迟线改用数字器件的移位延时结构实现， 上述问题则迎刃而解。 将前面所示m s k 采样信号延迟j i 个样点( n ，j v 为一个码元周期内的采 样点数) 得到表达式 s ( m - k ) = 车删 ( m 一女) 一 c o s 忙十吒寺) ( 珊一七) + l公式( 2 吲l n- 一一- 1 。 与采样信号自身相乘得到 跏) 跏叫= p 叫】c o s ( 皱帆寺) + 蛾1 - - ! ” l 地c 咀m 母小。s ( 纹+ 寺) ( h ， 球。删 电子科技大学硕士学位论文：数字相关器同步判决算法研究及f p g a 实现 这样，对于同一个码元的个采样点，只有( 一女) 个采样点对应相乘，而 有 个采样点是与相邻码元所对应采样点相乘。将上式进步推导可以得到 s ) s ( 朋- k ) = 丢莓卵州m ”】 c 。s ( q + 寺 t “n z ( q 十寺) m 一( q 鸲，寺) t + ：纯 + 三驴和叫删 ( 所_ 一胛 c o s ( 吒1 ，) 寺m + 婢蠢 州嘞) “n z 圳c 。争( 一- 舟也训 ) 。 上式中，第一项是码元重叠部分，第二项是码元交错部分，滤除其中的高频 分量，即每一项中的正弦部分即可得到 蚋) 毛车删卜小。s ( 峨+ 巳刍 刁 畦莓叫k c ， ( 一) 一帕卜) 寺m + ( q 弧，刳州纯哏，) 令q 七= ( 2 f + 1 ) 詈，f 为任意整数，则上式可以进一步化简为 。( m ) = 吾莓刚h 一疗咖一寺刁 球。， + 号删 。m ( m j ) 一”) s i n 似m 饥。( 尼一所) 务r ( 蛾啡。) 由上式可以很清楚的看出，在码元重叠的区域内，d ( 朋) 的值与l 口一万2 j 有 玎 关，由于。万k 在延迟k 以及码流速率确定下来以后为一常数，所以只与码元取值 a 。有关；而在码元交错区域内，d ( m ) 的值跟该点所对应的码元以及相邻的前 一码元以一。有关，当甜。与n 。一致时，上式第二项与第一项等值；当吼与q 一不 一致时，m 点逾靠近哪个码元，其值就受哪个码元的影响更多一些。 鱼王型垫盔堂堡士塑论文：数字相关嚣同步判决算法研究及f p g a 实现 由分析可知，k 的选取不是随意的，理论上只要满足q 忌2 ( 2 f + 1 ) 詈，k ， f 为任意整数的东都是可行的，但是由输出d ( 卅) 的幅度值f 8 j n ( 岛蠢七爿可知，当 女值选得较大时，幅度值较大，而这对于系统抗器件热嗓声、p c b 上的各种信号 干扰的能力增强，但条件k # 有噪声干扰时： 公式( 3 3 ) 由于噪声的干扰，在脉冲头部编码处的基带码流可能发生o 、1 跳变。如果用 求和结果为8 的情况进行脉冲头部定位，可能会出现漏判。因此需要降低判决的 门限，当判决门限为8 一所时，相关区域位于脉冲之间或时隙之间的无调制区域 时，误判的概率为： 只制” 蜀 公式( 3 4 ) 对于相关区域位于脉冲内部情况，当m 4 的时候，最大误判的概率不变， 巧=