王 磊，丁 燕

（黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 開(kāi)封 475004）

黃河通信網(wǎng)中碼元盲同步的實(shí)現(xiàn)

王 磊，丁 燕

（黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 開(kāi)封 475004）

針對(duì)黃河通信網(wǎng)中存在的問(wèn)題，探討了在黃河通信網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)碼元盲同步的4個(gè)步驟：數(shù)據(jù)寄存、數(shù)據(jù)抽取、插值濾波和抽取控制。通過(guò)對(duì)定時(shí)誤差和環(huán)路濾波優(yōu)化，該方法能有效提高黃河通信網(wǎng)的通訊性能。

黃河通信網(wǎng)；碼元盲同步；全數(shù)字解調(diào)；數(shù)據(jù)寄存；數(shù)據(jù)抽??；插值濾波；抽取控制

0 引言

我國(guó)地域遼闊，河流眾多，水旱災(zāi)害較為頻繁且突發(fā)性強(qiáng)、地域分布廣，尤其是黃河，千百年來(lái)，防汛抗旱一直是中華民族社會(huì)活動(dòng)中的重要事件［1］。為了保障人民生命財(cái)產(chǎn)的安全，減少水旱災(zāi)害的損失，利用計(jì)算機(jī)及互聯(lián)網(wǎng)等科技手段進(jìn)行信息交換、信息處理已成為防汛抗旱指揮中的常態(tài)方式。黃河通信網(wǎng)則成為了影響信息傳輸效率的主要因素。

在現(xiàn)有的黃河通信網(wǎng)中，發(fā)送端按照確定的時(shí)間順序逐步傳輸數(shù)碼脈沖序列中的每個(gè)碼元，接收端要正確判決出所發(fā)送的碼元，就必須有準(zhǔn)確的采樣判決時(shí)刻。因此，接收端必須提供一個(gè)確定采樣判決時(shí)刻的定時(shí)脈沖序列，并且這個(gè)定時(shí)脈沖序列的重復(fù)頻率必須與發(fā)送的數(shù)碼脈沖序列一致。這樣，接收端就能在最佳判決時(shí)刻對(duì)接收的碼元進(jìn)行采樣判決［2］。這種提取定時(shí)脈沖序列的過(guò)程稱為碼元同步，它是保證黃河通信網(wǎng)有序、可靠工作的重要支撐。

目前，黃河通信網(wǎng)的接收端會(huì)通過(guò)數(shù)字電路來(lái)處理解調(diào)過(guò)程，即全數(shù)字解調(diào)。接收端的模擬中頻信號(hào)經(jīng)過(guò)A／D（Analog／Digital，模擬／數(shù)字）采樣后，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，被送入數(shù)字電路，由數(shù)字電路完成整個(gè)解調(diào)過(guò)程。該解調(diào)過(guò)程具體包括數(shù)字下變頻、匹配濾波、碼元同步、定時(shí)同步、載波同步和信道解碼等操作。但在現(xiàn)有技術(shù)中，碼元盲同步對(duì)黃河通信網(wǎng)的性能提升非常有限。本文提出了一種新的碼元盲同步的實(shí)現(xiàn)方法，即在幀同步之前先進(jìn)行碼元同步，可以有效地提高黃河通信網(wǎng)的性能。

1 實(shí)現(xiàn)碼元盲同步的4個(gè)步驟

實(shí)現(xiàn)碼元盲同步，首先要對(duì)黃河通信網(wǎng)接收端接收到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)，再利用預(yù)先設(shè)定的抽取控制系數(shù)和插值濾波系數(shù)對(duì)存儲(chǔ)的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)抽取，最后利用預(yù)先設(shè)定的插值濾波系數(shù)對(duì)存儲(chǔ)的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行插值濾波處理，具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖1所示。

圖1 碼元盲同步的實(shí)現(xiàn)過(guò)程Fig.1 Realization process of code element blind synchronization

圖1碼元盲同步的實(shí)現(xiàn)過(guò)程中有數(shù)據(jù)寄存、數(shù)據(jù)抽取、插值濾波處理、插值濾波和抽取控制系數(shù)的計(jì)算4個(gè)關(guān)鍵步驟。

1.1 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

在黃河通信網(wǎng)的接收端，通過(guò)數(shù)字電路對(duì)經(jīng)過(guò)A／D采樣后得到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行解調(diào)。在此過(guò)程中，首先需要通過(guò)寄存器對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)。寄存器存儲(chǔ)數(shù)字信號(hào)時(shí)，以碼元為單位，并且按照碼元的先后順序依次存儲(chǔ)。在實(shí)際應(yīng)用中，為了后續(xù)的插值濾波處理方便，通常采用4個(gè)寄存器來(lái)存儲(chǔ)上述數(shù)字信號(hào)，4個(gè)寄存器的系數(shù)分別設(shè)為C0、C1、C2、C3。

1.2 數(shù)據(jù)抽取

在數(shù)據(jù)抽取處理過(guò)程中，根據(jù)插值控制過(guò)程計(jì)算出的插值濾波系數(shù)un+1和抽取控制系數(shù)mn+1對(duì)寄存器存儲(chǔ)的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)抽取，并使抽取的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)碼元盲同步。

設(shè)當(dāng)前碼元的插值濾波系數(shù)、抽取控制系數(shù)分別為un和mn，下一個(gè)碼元的插值濾波系數(shù)和抽取控制系數(shù)分別為un+1和mn+1，判斷mn+1+un+1的值比mn+ un的值是否大于等于設(shè)定的數(shù)值 （該設(shè)定的數(shù)值可以為2）。如果是，則將接收端收到的信號(hào)中的一個(gè)碼元輸入到寄存器中存儲(chǔ)，并丟掉寄存器中存儲(chǔ)的數(shù)字信號(hào)中排列在最前列的一個(gè)碼元。否則，將接收端收到的信號(hào)中設(shè)定數(shù)量的碼元輸入到寄存器中存儲(chǔ)，并將寄存器中存儲(chǔ)的數(shù)字信號(hào)中排列在最前列的設(shè)定數(shù)量的碼元輸出。本次設(shè)定的數(shù)量應(yīng)與后續(xù)的插值濾波處理過(guò)程一次處理的數(shù)字信號(hào)的數(shù)量保持一致。例如，插值濾波處理過(guò)程一次處理4個(gè)數(shù)字信號(hào)，則上述設(shè)定數(shù)量為4。

重復(fù)執(zhí)行上述數(shù)據(jù)抽取過(guò)程，可以使得到的輸出信號(hào)與發(fā)送端之間實(shí)現(xiàn)碼元盲同步。

1.3 插值濾波

對(duì)數(shù)據(jù)抽取過(guò)程傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)字信號(hào)的各個(gè)碼元依次采樣，并利用插值控制過(guò)程傳輸過(guò)來(lái)的插值濾波系數(shù)對(duì)采樣后的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行插值濾波處理。當(dāng)采用4個(gè)寄存器來(lái)存儲(chǔ)上述數(shù)字信號(hào)時(shí)，插值濾波的計(jì)算過(guò)程如圖2所示。其計(jì)算公式為［3］

式中：y（n）為當(dāng)前碼元對(duì)應(yīng)的插值濾波處理后的輸出信號(hào)；x（mn-1）為上一個(gè)碼元的采樣信號(hào)；x（mn）為當(dāng)前碼元的采樣信號(hào)；x（mn+1）為下一個(gè)碼元的采樣信號(hào)；x（mn+2）為再下一個(gè)碼元的采樣信號(hào)；C1＝0.5u2n-0.5un；C0＝0.5u2n-0.5un+1；C-1＝0.5u2n+1.5un；C-2＝0.5u2n-0.5un；un為當(dāng)前碼元的插值濾波系數(shù)，它是根據(jù)前面碼元的插值濾波處理后的輸出信號(hào)通過(guò)插值控制過(guò)程計(jì)算得到的。

圖2 采用4個(gè)寄存器插值濾波的計(jì)算過(guò)程示意圖Fig.2 Four registers interpolation smoothing calculation process

設(shè)nTi為y（n）對(duì)應(yīng)的采樣時(shí)間點(diǎn)，即理論上當(dāng)前碼元的最佳采樣時(shí)間點(diǎn)，則上述nTi的計(jì)算過(guò)程如圖3所示。圖3中，mnTs為當(dāng)前碼元的采樣時(shí)間點(diǎn)，（mn-1）Ts為上一個(gè)碼元的采樣時(shí)間點(diǎn)，（mn+1）Ts為下一個(gè)碼元的采樣時(shí)間點(diǎn)，（mn+2）Ts為再下一個(gè)碼元的采樣時(shí)間點(diǎn)。

圖3 采樣時(shí)間點(diǎn)nTi的計(jì)算過(guò)程示意圖Fig.3 nTicalculation process of time sample

1.4 插值濾波和抽取控制系數(shù)的計(jì)算

在插值控制過(guò)程中，要對(duì)上述插值濾波過(guò)程輸出的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行定時(shí)誤差計(jì)算，如圖4所示。在定時(shí)誤差處理過(guò)程中，設(shè)y（n）、y（n-1）分別為插值濾波處理輸出的當(dāng)前碼元、上一個(gè)碼元所對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)，y（n-1/2）為所述y（n）與y（n-1）對(duì)應(yīng)采樣時(shí)間點(diǎn)的中心所對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)。

定時(shí)誤差e（n）的計(jì)算式為［4］

e（n）＝Re{y（n-1/2）[y*（n-）-y*（n-1）]} （2）

式中：Re表示取實(shí)部，＊表示共軛。

得到定時(shí)誤差e（n）后，再通過(guò)環(huán)路濾波器濾去e（n）中的高頻分量，得到Δτ（在實(shí)際應(yīng)用中，環(huán)路濾波器可以選擇有源比例積分濾波器）。然后，通過(guò)插值控制過(guò)程，根據(jù)Δτ計(jì)算出插值濾波輸出數(shù)字信號(hào)中的下一個(gè)碼元（第n+1個(gè)碼元）的插值濾波系數(shù)un+1和抽取控制系數(shù)mn+1，其計(jì)算公式為：

圖4 定時(shí)誤差e（n）計(jì)算過(guò)程示意圖Fig.4 Tim ing error e(n)calculation process

式中：int（.）和frac（.）分別表示取整數(shù)和取小數(shù)；Ts為黃河通信網(wǎng)發(fā)送端的理論采樣率（實(shí)際采樣率因晶振偏差而不同）；Ti為黃河通信網(wǎng)接收端的理論采樣率 （實(shí)際采樣率因?yàn)榫д衿疃煌?；Ti／Ts是一個(gè)常數(shù)。

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，Δτ是e（n）經(jīng)過(guò)環(huán)路濾波器處理后的結(jié)果。上述插值濾波系數(shù)的初始值u1及抽取控制系數(shù)的初始值m1都可以設(shè)置為0。

在黃河通信網(wǎng)中，碼元不同步主要是由發(fā)送端采樣率Ti和接收端采樣率Ts不一致引起的。上述插值控制過(guò)程計(jì)算得到的Δτ、un+1，可以有效修正發(fā)送端采樣率Ti和接收端采樣率Ts不一致的情況，使接收端和發(fā)送端的采樣率保持一致，從而達(dá)到接收端和發(fā)送端碼元盲同步的目的。

2 碼元盲同步裝置構(gòu)想

根據(jù)上述碼元盲同步在黃河通信網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)的過(guò)程，設(shè)計(jì)了一種數(shù)字信號(hào)處理裝置。

該裝置主要包含數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)抽取和插值濾波處理3個(gè)模塊。

（1）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊。對(duì)黃河通信網(wǎng)接收端接收到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)。寄存器存儲(chǔ)數(shù)字信號(hào)時(shí)，以碼元為單元，并且按照接收碼元的順序依次存儲(chǔ)。

（2）數(shù)據(jù)抽取模塊。利用抽取控制系數(shù)和插值濾波系數(shù)對(duì)存儲(chǔ)的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)抽取。根據(jù)插值濾波處理已經(jīng)輸出的數(shù)字信號(hào)，通過(guò)插值控制過(guò)程，計(jì)算出抽取控制系數(shù)和插值濾波系數(shù)。

（3）插值濾波模塊。利用插值濾波系數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)抽取后的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行插值濾波處理并輸出，再根據(jù)處理后的數(shù)字信號(hào)，計(jì)算出新的抽取控制系數(shù)和插值濾波系數(shù)。該模塊包括插值控制模塊和插值計(jì)算模塊兩個(gè)子模塊。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)黃河通信網(wǎng)定時(shí)誤差和環(huán)路濾波的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了碼元盲同步，并設(shè)計(jì)了數(shù)字信號(hào)處理裝置，有效提高了黃河通信網(wǎng)的性能。本文所述碼元盲同步的實(shí)現(xiàn)方法計(jì)算簡(jiǎn)單、可靠性高、易于實(shí)現(xiàn)，可以通過(guò)計(jì)算機(jī)程序指令相關(guān)硬件完成，實(shí)用性強(qiáng)。

［1］宋曙春.接入網(wǎng)在黃河通信網(wǎng)中的應(yīng)用［J］.黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2003（1）：44.

［2］王帆，王新新.基于單片機(jī)的數(shù)字通信系統(tǒng)位同步提取［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2010（23）：66-70.

［3］王玉德.數(shù)字信號(hào)處理 ［M］.北京：北京大學(xué)出版社，2010：110-127.

［4］ James D.Broesch.Data Signal Processing［M］.USA：Newnes，2010：78-83.

[責(zé)任編輯 楊明慶]

TN915.11

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1008-486X（2015）01-0035-03

2014-10-08

王 磊（1983-），男，河南開(kāi)封人，講師，碩士，從事電子信息技術(shù)方面的教學(xué)與研究工作。