劉斌彬， 葛啟宏， 王秋生， 曹曉衛(wèi)

（北京泰美世紀(jì)科技有限公司，北京 100097）

0 引言

數(shù)字衛(wèi)星廣播除了頻率和功率利用率高、抗噪聲和干擾能力強(qiáng)、支持?jǐn)?shù)據(jù)和多媒體業(yè)務(wù)之外，最大的特點就是覆蓋面廣[1]。特別是對于幅員遼闊、地理環(huán)境多樣、人口分布不均的中國，數(shù)字衛(wèi)星廣播在國家信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和國家信息安全戰(zhàn)略中具有重要地位。

在數(shù)字衛(wèi)星廣播系統(tǒng)中，接收機(jī)需要對接收到的連續(xù)信號進(jìn)行采樣。然而，接收機(jī)的數(shù)模轉(zhuǎn)換器（ADC）的采樣時鐘與發(fā)射機(jī)不可能具有完全相同的頻率和相位。對于正交頻分復(fù)用（OFDM）系統(tǒng)，采樣偏差會導(dǎo)致頻域上子載波不再正交，造成子載波間串?dāng)_（ICI）[2-3]。而單載波系統(tǒng)對采樣同步的要求更為嚴(yán)格，即需要采樣位置位于眼圖最大處，以獲得盡可能好的信干噪比（SINR）[4-5]。

針對數(shù)字衛(wèi)星廣播系統(tǒng)的采樣時鐘偏差問題，提出了一種采樣頻率和相位同步方法，并對其中的Farrow濾波器、遲早門和采樣頻率控制等關(guān)鍵算法進(jìn)行了詳細(xì)闡述，最后給出了實驗性能及分析。

1 系統(tǒng)概述

在數(shù)字衛(wèi)星廣播系統(tǒng)中，信號幀由幀頭和負(fù)載構(gòu)成，長度為300 000點，如圖1所示。其中同步頭由幀標(biāo)識、同步序列、控制字和循環(huán)冗余校驗（CRC）構(gòu)成，負(fù)載由若干數(shù)據(jù)段構(gòu)成。系統(tǒng)的時鐘頻率為30 MHz。

圖1 信號幀結(jié)構(gòu)

同步序列由一個偽隨機(jī)序列經(jīng)過 BPSK星座映射后生成，長度為18 432點。偽隨機(jī)序列由圖2所示的m序列生成器產(chǎn)生，生成多項式為x15+x12+x11+x9+x7+x5+x3+1，移位寄存器初始值為101010100101010。m序列生成器的移位時鐘與系統(tǒng)時鐘同步，且頻率相同。在每個信號幀同步頭的開始，移位寄存器復(fù)位為初始值。

2 采樣時鐘同步

采樣時鐘同步結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中關(guān)鍵的模塊主要有Farrow濾波器、遲早門和采樣頻偏控制，下面對其算法進(jìn)行詳細(xì)闡述。

圖3 采樣時鐘同步結(jié)構(gòu)

2.1 Farrow濾波器

ADC對接收到的連續(xù)信號進(jìn)行3倍過采樣，得到過采樣序列s(n)。Farrow濾波器根據(jù)采樣頻偏值，對s(n)進(jìn)行插值處理，得到采樣頻率變換后的過采樣序列r(n)。

濾波器采用二階拋物線內(nèi)插，如圖4所示。要得到內(nèi)插值r(n)，首先需要找準(zhǔn)插值點的位置

其中mn為整數(shù)，μn為小數(shù)。四個濾波器系數(shù)：C-1= 0.5μn2-0.5μn，C0= -0.5μn2- 0.5μn+ 1，C1= -0.5μn2+ 1.5μn，C2=0.5μn2- 0.5μn，輸出的內(nèi)插值為[6-7]：

根據(jù)采樣頻偏值 ΔfS和當(dāng)前插值點的位置，可以估算出下一插值點的位置：

圖4 二階拋物線內(nèi)插

2.2 遲早門

根據(jù)信號幀結(jié)構(gòu)和同步序列的位置，在過采樣序列r(n)中提取出同步序列，并分成6段。每一段的長度為9 228點，記為qi(n), i = 0,1,2,…,5, n = 0,1,2,…,9 227。分段的數(shù)目和長度可以根據(jù)所需對抗的噪聲干擾強(qiáng)度和載波頻偏值進(jìn)行折衷選擇。

通過延遲和3倍下采樣，得到單倍采樣的早門信號pe(k)和遲門信號pl(k)：

將早門信號和遲門信號分別與對應(yīng)的本地同步序列SYNi(k)進(jìn)行互相關(guān)：

對互相關(guān)值Se和Sl分別求第一范數(shù)：

其中函數(shù)real ( )和imag ( )分別表示取實部和虛部。采樣誤差可以由ai和bi的對稱度得到[8]。通過對同一個信號幀中的6個采樣誤差取平均，對采樣誤差進(jìn)行降噪，得到更準(zhǔn)確的采樣誤差值：

2.3 采樣頻偏控制

若采樣誤差| e |小于閥值T = 0.1，則不對采樣頻偏ΔfS進(jìn)行調(diào)整。

若采樣誤差| e |大于閥值T，則采樣頻偏ΔfS首先在原有值的基礎(chǔ)上進(jìn)行一次臨時性的粗調(diào)整，控制Farrow濾波器實現(xiàn)采樣相位的同步。

其中上標(biāo)j為調(diào)整次數(shù)，ΔfL(e)為粗調(diào)整值，是采樣誤差e的函數(shù)：

經(jīng)過一個信號幀的時間后，將采樣頻偏 ΔfS恢復(fù)為原有值，然后在原有值的基礎(chǔ)上進(jìn)行一次永久性的微調(diào)整，控制Farrow濾波器實現(xiàn)采樣頻率的同步。

其中ΔfM為微調(diào)整值，取ΔfM= 0.05×106。

考慮到整個環(huán)路可能有一定的延時，在進(jìn)行完采樣頻偏微調(diào)整后可以等待一定的時間。

3 實驗性能

當(dāng)接收信號的信噪比為-20 dB，載波頻偏為3 kHz，A/D的頻率穩(wěn)定度為1×106時，進(jìn)行200次采樣頻偏調(diào)整后的采樣誤差值如圖5所示?？梢钥闯?，環(huán)路可以在50次采樣頻偏調(diào)整（約1.5秒）之內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定，且采樣誤差可以控制在0.1（小于0.1個采樣點）之內(nèi)。這說明該方法能夠在高強(qiáng)度噪聲干擾和較大載波頻偏環(huán)境下，快速準(zhǔn)確的實現(xiàn)采樣時鐘同步。

圖5 200次采樣頻偏調(diào)整后的采樣誤差值

4 結(jié)語

針對數(shù)字衛(wèi)星廣播系統(tǒng)的采樣時鐘偏差問題，提出了一種采樣頻率和相位同步方法。該方法利用遲早門進(jìn)行采樣誤差估計，并通過采樣頻偏調(diào)整環(huán)路控制Farrow濾波器進(jìn)行插值處理，實現(xiàn)采樣頻率和相位同步。實驗結(jié)果表明，該方法能夠在高強(qiáng)度噪聲干擾和較大載波頻偏環(huán)境下，快速準(zhǔn)確的實現(xiàn)采樣時鐘同步。該方法還可以廣泛應(yīng)用于數(shù)字地面廣播、數(shù)字移動廣播等多個領(lǐng)域。

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