黃河通信網(wǎng)中碼元盲同步的實現(xiàn)

王 磊，丁 燕

（黃河水利職業(yè)技術學院，河南 開封 475004）

黃河通信網(wǎng)中碼元盲同步的實現(xiàn)

王 磊，丁 燕

（黃河水利職業(yè)技術學院，河南 開封 475004）

針對黃河通信網(wǎng)中存在的問題，探討了在黃河通信網(wǎng)中實現(xiàn)碼元盲同步的4個步驟：數(shù)據(jù)寄存、數(shù)據(jù)抽取、插值濾波和抽取控制。通過對定時誤差和環(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)抽取；插值濾波；抽取控制

0 引言

我國地域遼闊，河流眾多，水旱災害較為頻繁且突發(fā)性強、地域分布廣，尤其是黃河，千百年來，防汛抗旱一直是中華民族社會活動中的重要事件［1］。為了保障人民生命財產(chǎn)的安全，減少水旱災害的損失，利用計算機及互聯(lián)網(wǎng)等科技手段進行信息交換、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)送端按照確定的時間順序逐步傳輸數(shù)碼脈沖序列中的每個碼元，接收端要正確判決出所發(fā)送的碼元，就必須有準確的采樣判決時刻。因此，接收端必須提供一個確定采樣判決時刻的定時脈沖序列，并且這個定時脈沖序列的重復頻率必須與發(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刻對接收的碼元進行采樣判決［2］。這種提取定時脈沖序列的過程稱為碼元同步，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)的接收端會通過數(shù)字電路來處理解調(diào)過程，即全數(shù)字解調(diào)。接收端的模擬中頻信號經(jīng)過A／D（Analog／Digital，模擬／數(shù)字）采樣后，轉換成數(shù)字信號，被送入數(shù)字電路，由數(shù)字電路完成整個解調(diào)過程。該解調(diào)過程具體包括數(shù)字下變頻、匹配濾波、碼元同步、定時同步、載波同步和信道解碼等操作。但在現(xiàn)有技術中，碼元盲同步對黃河通信網(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現(xiàn)方法，即在幀同步之前先進行碼元同步，可以有效地提高黃河通信網(wǎng)的性能。

1 實現(xiàn)碼元盲同步的4個步驟

實現(xiàn)碼元盲同步，首先要對黃河通信網(wǎng)接收端接收到的數(shù)字信號進行存儲，再利用預先設定的抽取控制系數(shù)和插值濾波系數(shù)對存儲的數(shù)字信號進行數(shù)據(jù)抽取，最后利用預先設定的插值濾波系數(shù)對存儲的數(shù)字信號進行插值濾波處理，具體實現(xiàn)過程如圖1所示。

圖1 碼元盲同步的實現(xiàn)過程Fig.1 Realization process of code element blind synchronization

圖1碼元盲同步的實現(xiàn)過程中有數(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)的計算4個關鍵步驟。

1.1 數(shù)據(jù)存儲

在黃河通信網(wǎng)的接收端，通過數(shù)字電路對經(jīng)過A／D采樣后得到的數(shù)字信號進行解調(diào)。在此過程中，首先需要通過寄存器對數(shù)字信號進行存儲。寄存器存儲數(shù)字信號時，以碼元為單位，并且按照碼元的先后順序依次存儲。在實際應用中，為了后續(xù)的插值濾波處理方便，通常采用4個寄存器來存儲上述數(shù)字信號，4個寄存器的系數(shù)分別設為C0、C1、C2、C3。

1.2 數(shù)據(jù)抽取

在數(shù)據(jù)抽取處理過程中，根據(jù)插值控制過程計算出的插值濾波系數(shù)un+1和抽取控制系數(shù)mn+1對寄存器存儲的數(shù)字信號進行數(shù)據(jù)抽取，并使抽取的數(shù)據(jù)實現(xiàn)碼元盲同步。

設當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定的數(shù)值 （該設定的數(shù)值可以為2）。如果是，則將接收端收到的信號中的一個碼元輸入到寄存器中存儲，并丟掉寄存器中存儲的數(shù)字信號中排列在最前列的一個碼元。否則，將接收端收到的信號中設定數(shù)量的碼元輸入到寄存器中存儲，并將寄存器中存儲的數(shù)字信號中排列在最前列的設定數(shù)量的碼元輸出。本次設定的數(shù)量應與后續(xù)的插值濾波處理過程一次處理的數(shù)字信號的數(shù)量保持一致。例如，插值濾波處理過程一次處理4個數(shù)字信號，則上述設定數(shù)量為4。

重復執(zhí)行上述數(shù)據(jù)抽取過程，可以使得到的輸出信號與發(fā)送端之間實現(xiàn)碼元盲同步。

1.3 插值濾波

對數(shù)據(jù)抽取過程傳輸過來的數(shù)字信號的各個碼元依次采樣，并利用插值控制過程傳輸過來的插值濾波系數(shù)對采樣后的數(shù)字信號進行插值濾波處理。當采用4個寄存器來存儲上述數(shù)字信號時，插值濾波的計算過程如圖2所示。其計算公式為［3］

式中：y（n）為當前碼元對應的插值濾波處理后的輸出信號；x（mn-1）為上一個碼元的采樣信號；x（mn）為當前碼元的采樣信號；x（mn+1）為下一個碼元的采樣信號；x（mn+2）為再下一個碼元的采樣信號；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通過插值控制過程計算得到的。

圖2 采用4個寄存器插值濾波的計算過程示意圖Fig.2 Four registers interpolation smoothing calculation process

設nTi為y（n）對應的采樣時間點，即理論上當前碼元的最佳采樣時間點，則上述nTi的計算過程如圖3所示。圖3中，mnTs為當前碼元的采樣時間點，（mn-1）Ts為上一個碼元的采樣時間點，（mn+1）Ts為下一個碼元的采樣時間點，（mn+2）Ts為再下一個碼元的采樣時間點。

圖3 采樣時間點nTi的計算過程示意圖Fig.3 nTicalculation process of time sample

1.4 插值濾波和抽取控制系數(shù)的計算

在插值控制過程中，要對上述插值濾波過程輸出的數(shù)字信號進行定時誤差計算，如圖4所示。在定時誤差處理過程中，設y（n）、y（n-1）分別為插值濾波處理輸出的當前碼元、上一個碼元所對應的輸出信號，y（n-1/2）為所述y（n）與y（n-1）對應采樣時間點的中心所對應的輸出信號。

定時誤差e（n）的計算式為［4］

e（n）＝Re{y（n-1/2）[y*（n-）-y*（n-1）]} （2）

式中：Re表示取實部，＊表示共軛。

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

圖4 定時誤差e（n）計算過程示意圖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 （實際采樣率因為晶振偏差而不同）；Ti／Ts是一個常數(shù)。

在系統(tǒng)設計中，Δτ是e（n）經(jīng)過環(huán)路濾波器處理后的結果。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。上述插值控制過程計算得到的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 碼元盲同步裝置構想

根據(jù)上述碼元盲同步在黃河通信網(wǎng)中實現(xiàn)的過程，設計了一種數(shù)字信號處理裝置。

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

（1）數(shù)據(jù)存儲模塊。對黃河通信網(wǎng)接收端接收到的數(shù)字信號進行存儲。寄存器存儲數(shù)字信號時，以碼元為單元，并且按照接收碼元的順序依次存儲。

（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)對存儲的數(shù)字信號進行數(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，通過插值控制過程，計算出抽取控制系數(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)對數(shù)據(jù)抽取后的數(shù)字信號進行插值濾波處理并輸出，再根據(jù)處理后的數(shù)字信號，計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算模塊兩個子模塊。

3 結語

通過對黃河通信網(wǎng)定時誤差和環(huán)路濾波的優(yōu)化，實現(xiàn)了碼元盲同步，并設計了數(shù)字信號處理裝置，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現(xiàn)方法計算簡單、可靠性高、易于實現(xiàn)，可以通過計算機程序指令相關硬件完成，實用性強。

［1］宋曙春.接入網(wǎng)在黃河通信網(wǎng)中的應用［J］.黃河水利職業(yè)技術學院學報，2003（1）：44.

［2］王帆，王新新.基于單片機的數(shù)字通信系統(tǒng)位同步提?。跩］.微型機與應用，2010（23）：66-70.

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

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

[責任編輯 楊明慶]

TN915.11

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1008-486X（2015）01-0035-03

2014-10-08

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