張振權(quán)等

摘 要：在衛(wèi)星通信的眾多可用頻段中，UHF頻段的信號(hào)具有頻率相對(duì)較低，可以使天線波束較寬，而傳播損耗和多譜勒頻移比較小，同時(shí)波長(zhǎng)較長(zhǎng)信號(hào)繞射能力因而也較強(qiáng)；具有設(shè)備結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單可靠、多譜勒頻移小和費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)。正是因?yàn)檫@些特點(diǎn)，UHF頻段衛(wèi)星通信極大地滿足了移動(dòng)通信的要求，對(duì)移動(dòng)用戶具有較強(qiáng)的支持力。該文分析了UHF波段中位定時(shí)信號(hào)的性能和檢測(cè)技術(shù)，采用平方法檢測(cè)位定時(shí)誤差，采用內(nèi)插方法來實(shí)現(xiàn)位定時(shí)調(diào)整、定時(shí)同步整體實(shí)現(xiàn)方案，并通過FPGA進(jìn)行了仿真和實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：UHF波段 定時(shí)同步 FPGA仿真

中圖分類號(hào)：TN919.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）03（a）-0066-02

衛(wèi)星通信天生作為一種應(yīng)急通信手段被廣泛使用在各個(gè)通信領(lǐng)域中并已經(jīng)成為現(xiàn)代社會(huì)中一種重要的通信手段，在衛(wèi)星通信的眾多可用頻段中，UHF頻段的信號(hào)具有一系列獨(dú)特的特點(diǎn)（1）UHF頻段信號(hào)能穿透惡劣的氣候、叢林遮蔽和城市環(huán)境，進(jìn)行有效的通信。（2）UHF頻段頻率相對(duì)較低，因而可以使天線波束較寬，而傳播損耗和多譜勒頻移比較小，同時(shí)波長(zhǎng)較長(zhǎng)信號(hào)繞射能力因而也較強(qiáng)。（3）UHF頻段中較低頻率部分的電子設(shè)備有較高的效率，正是因?yàn)檫@些特點(diǎn)，UHF頻段衛(wèi)星通信極大地滿足了移動(dòng)通信的要求，對(duì)移動(dòng)用戶具有較強(qiáng)的支持力。UHF波段中位同步技術(shù)是其調(diào)制解調(diào)中一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，位同步性能的好壞，直接影響到解調(diào)的性能。本文通過分析UHF波段中位定時(shí)信號(hào)的性能和檢測(cè)技術(shù)，采用平方法檢測(cè)位定時(shí)誤差，采用內(nèi)插方法來實(shí)現(xiàn)位定時(shí)調(diào)整，定時(shí)同步整體實(shí)現(xiàn)方案，并通過FPGA進(jìn)行了仿真和實(shí)現(xiàn)。

1 定時(shí)同步技術(shù)及實(shí)現(xiàn)方法

一般來講，位同步技術(shù)可以劃分為相互聯(lián)系的兩部分：位定時(shí)誤差檢測(cè)和位定時(shí)調(diào)整。位定時(shí)檢測(cè)指的是根據(jù)接收到的信號(hào)，提取出位定時(shí)誤差信息；位定時(shí)調(diào)整是指根據(jù)檢測(cè)到的位定時(shí)誤差，去調(diào)整判決時(shí)鐘或調(diào)整判決時(shí)刻的信號(hào)樣值，達(dá)到系統(tǒng)位定時(shí)的同步。在位同步技術(shù)的檢測(cè)中主要有以下兩種方法。

1.1 定時(shí)誤差檢測(cè)技術(shù)

目前常用的位定時(shí)誤差檢測(cè)方法有以下幾種：早遲門算法：利用匹配濾波器或相關(guān)器輸出信號(hào)的對(duì)稱特性，通過在早于和遲于理想抽樣位置抽樣來產(chǎn)生誤差信號(hào)，其特點(diǎn)是每個(gè)符號(hào)需要3個(gè)樣值。Gardner算法：是Gardner在1986年提出來的被廣泛的應(yīng)用于許多實(shí)際的定時(shí)恢復(fù)環(huán)路中，它有一個(gè)顯著的特點(diǎn)是對(duì)載波相位偏移不敏感，這樣可以獨(dú)立地進(jìn)行定時(shí)恢復(fù)的工作。Mueller & Muller算法：其特點(diǎn)是每符號(hào)只需要1個(gè)樣值，有利于簡(jiǎn)化硬件設(shè)計(jì)，但其對(duì)載波相位偏移比較敏感，在實(shí)際應(yīng)用中受到較大的限制。平方位定時(shí)誤差檢測(cè)算法（以后簡(jiǎn)稱為平方法）：Martin Oerder和Heinrich Meyr在1988年對(duì)其進(jìn)行了完整的論述，目前廣泛地應(yīng)用在各種數(shù)字通信系統(tǒng)中。這種方法有以下顯著優(yōu)點(diǎn)：適合各種線性調(diào)制，非常適合在軟件無線電系統(tǒng)中使用；對(duì)載波頻偏不敏感，可以獨(dú)立的進(jìn)行位定時(shí)檢測(cè)；不需判決反饋環(huán)路，硬件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單?；谄椒椒ǖ倪@些優(yōu)點(diǎn)，同步誤差檢測(cè)采用此算法。

1.2 定時(shí)調(diào)整技術(shù)

根據(jù)接收到的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的位定時(shí)同步。根據(jù)對(duì)本地時(shí)鐘處理機(jī)制的不同這些方法主要可以分為兩類，一類是通過直接改變本地時(shí)鐘的頻率和相位來實(shí)現(xiàn)位定時(shí)的調(diào)整，該方法的優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)簡(jiǎn)單、成熟，但該類方法的缺點(diǎn)是很明顯的：首先由于直接控制VCO時(shí)鐘的頻率和相位，調(diào)整起來不方便，準(zhǔn)確性不高；其次該方法實(shí)現(xiàn)困難，難以采用數(shù)字信號(hào)處理的辦法來實(shí)現(xiàn)。另一類是使用固定的本地時(shí)鐘而通過改變其它參數(shù)來實(shí)現(xiàn)位定時(shí)的調(diào)整。主要有兩種典型的方法：數(shù)字鎖相環(huán)調(diào)整方法和內(nèi)插位定時(shí)調(diào)整方法。數(shù)字鎖相環(huán)方法發(fā)展時(shí)間長(zhǎng)、理論成熟、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，在位定時(shí)系統(tǒng)中得到較普遍的應(yīng)用。內(nèi)插調(diào)整方法根據(jù)位定時(shí)誤差信息，通過控制內(nèi)插濾波器的參數(shù)，采用數(shù)字信號(hào)處理的辦法，直接恢復(fù)出所需的信號(hào)樣值。

2 定時(shí)同步的FPGA仿真和實(shí)現(xiàn)

綜合前面的討論，采用平方法檢測(cè)位定時(shí)誤差，采用內(nèi)插方法來實(shí)現(xiàn)位定時(shí)調(diào)整，定時(shí)同步整體實(shí)現(xiàn)方案如圖1所示。實(shí)現(xiàn)方案中去除了匹配濾波器，主要是由于圖中給出的濾波器為模擬濾波器，實(shí)現(xiàn)比較困難，且當(dāng)系統(tǒng)存在頻偏時(shí)難以實(shí)現(xiàn)“完全匹配”。

2.1 定時(shí)同步實(shí)現(xiàn)方法

位同步系統(tǒng)整體實(shí)現(xiàn)方案如圖1所示。首先將I、Q兩路基帶數(shù)據(jù)（來源于數(shù)字下變頻模塊）經(jīng)內(nèi)插器后獲得每符號(hào)4個(gè)樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)，然后采用平方法檢測(cè)出位定時(shí)誤差，根據(jù)計(jì)算出的值去控制內(nèi)插器，通過對(duì)內(nèi)插濾波器系數(shù)的不同選擇獲得同步后的信號(hào)樣值。同步檢測(cè)模塊主要包括平方運(yùn)算，傅氏變換模塊，Kalman濾波和相位計(jì)算模塊。傅氏變換模塊的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)如下圖所示。由于，所以如何根據(jù)得到的值，計(jì)算出是本模塊要實(shí)現(xiàn)的功能。在范圍內(nèi)。問題在于反正切函數(shù)難以通過硬件直接計(jì)算，通常求法有兩種：第一種方法是查找反正切函所示。這種實(shí)現(xiàn)方法首先通過一個(gè)除法器，求出Im（X）/Re（X）的值，然后根據(jù)得到的商查找反正切函數(shù)表。缺點(diǎn)在于：除法運(yùn)算耗費(fèi)資源較大，而且如需要得到精確的估計(jì)結(jié)果需要一個(gè)龐大的查找表，這也需消耗較多的硬件資源。第二種方法是采用CORDIC坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)算法，通過迭代的方式計(jì)算出相位。這種方法不需要查找表和除法器，且由于是針對(duì)低速的基帶數(shù)據(jù)運(yùn)算，對(duì)運(yùn)算速度要求不高，可以使用低速的串行結(jié)構(gòu)，使用這種算法可以大大減小對(duì)硬件資源的消耗。

2.2 定時(shí)同步的FPGA的仿真及實(shí)現(xiàn)

FPGA選用Altera公司Cyclone II 器件系列的EP2C20F484芯片。該芯片資源豐富，共有邏輯單元（LE）18752個(gè)，RAM 總量239616比特，其中M4KRAM 有52塊，嵌入式18×18乘法器有26個(gè)，鎖相環(huán)（PLL）4個(gè)，可用I/O管腳315個(gè)，完全能夠滿足相應(yīng)的需求。利用了QuartusII軟件對(duì)定時(shí)同步方案進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖2所示，可以看出，經(jīng)過若干歩調(diào)整后，系統(tǒng)的位定時(shí)誤差穩(wěn)定在7（位定時(shí)誤差用10位二進(jìn)制補(bǔ)碼表示，“7”表示位定時(shí)誤差為7/512=1.36%），可以看到，經(jīng)過若干歩調(diào)整后系統(tǒng)達(dá)到了同步，說明設(shè)計(jì)結(jié)果正確。

3 結(jié)語

UHF頻段衛(wèi)星通信極大地滿足了移動(dòng)通信的要求，對(duì)移動(dòng)用戶具有較強(qiáng)的支持力。本文分析了UHF波段中位定時(shí)信號(hào)的性能和檢測(cè)技術(shù)，采用平方法檢測(cè)位定時(shí)誤差，采用內(nèi)插方法來實(shí)現(xiàn)位定時(shí)調(diào)整，定時(shí)同步整體實(shí)現(xiàn)方案，并通過FPGA進(jìn)行了仿真和實(shí)現(xiàn)，從仿真結(jié)果來看可以達(dá)到對(duì)UHF波段位信號(hào)的定時(shí)同步。

參考文獻(xiàn)

[1] 張立新.衛(wèi)星系統(tǒng)的定位定時(shí)系統(tǒng).空間電子技術(shù)，2003（3）：39-42.

[2] 王利眾.UHF波段PLL頻率合成器的設(shè)計(jì)[J]..太原師范學(xué)院學(xué)報(bào)2011（12）：56-68.

[3] 王磊.Gardner算法在OFDM采樣頻率同步中的應(yīng)用[J].電子與信息學(xué)報(bào)，2011（4）：865-868.

[4] 梁千帆，陳建華.UHF頻段衛(wèi)星通信的現(xiàn)狀與未來發(fā)展[J].網(wǎng)絡(luò)與應(yīng)用，2007（6）：27-28.

[5] 宋文政.OFDM定時(shí)同步設(shè)計(jì)與FPGA實(shí)現(xiàn)[J].信息工程大學(xué)學(xué)報(bào)[J] 2009（4）：476：479.

[6] 吳慧朋.一種MSK信號(hào)符號(hào)定時(shí)同步算法的FPGA實(shí)現(xiàn)[J].電信技術(shù)研究，2011（5）：18：22.endprint

摘 要：在衛(wèi)星通信的眾多可用頻段中，UHF頻段的信號(hào)具有頻率相對(duì)較低，可以使天線波束較寬，而傳播損耗和多譜勒頻移比較小，同時(shí)波長(zhǎng)較長(zhǎng)信號(hào)繞射能力因而也較強(qiáng)；具有設(shè)備結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單可靠、多譜勒頻移小和費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)。正是因?yàn)檫@些特點(diǎn)，UHF頻段衛(wèi)星通信極大地滿足了移動(dòng)通信的要求，對(duì)移動(dòng)用戶具有較強(qiáng)的支持力。該文分析了UHF波段中位定時(shí)信號(hào)的性能和檢測(cè)技術(shù)，采用平方法檢測(cè)位定時(shí)誤差，采用內(nèi)插方法來實(shí)現(xiàn)位定時(shí)調(diào)整、定時(shí)同步整體實(shí)現(xiàn)方案，并通過FPGA進(jìn)行了仿真和實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：UHF波段 定時(shí)同步 FPGA仿真

中圖分類號(hào)：TN919.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）03（a）-0066-02

衛(wèi)星通信天生作為一種應(yīng)急通信手段被廣泛使用在各個(gè)通信領(lǐng)域中并已經(jīng)成為現(xiàn)代社會(huì)中一種重要的通信手段，在衛(wèi)星通信的眾多可用頻段中，UHF頻段的信號(hào)具有一系列獨(dú)特的特點(diǎn)（1）UHF頻段信號(hào)能穿透惡劣的氣候、叢林遮蔽和城市環(huán)境，進(jìn)行有效的通信。（2）UHF頻段頻率相對(duì)較低，因而可以使天線波束較寬，而傳播損耗和多譜勒頻移比較小，同時(shí)波長(zhǎng)較長(zhǎng)信號(hào)繞射能力因而也較強(qiáng)。（3）UHF頻段中較低頻率部分的電子設(shè)備有較高的效率，正是因?yàn)檫@些特點(diǎn)，UHF頻段衛(wèi)星通信極大地滿足了移動(dòng)通信的要求，對(duì)移動(dòng)用戶具有較強(qiáng)的支持力。UHF波段中位同步技術(shù)是其調(diào)制解調(diào)中一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，位同步性能的好壞，直接影響到解調(diào)的性能。本文通過分析UHF波段中位定時(shí)信號(hào)的性能和檢測(cè)技術(shù)，采用平方法檢測(cè)位定時(shí)誤差，采用內(nèi)插方法來實(shí)現(xiàn)位定時(shí)調(diào)整，定時(shí)同步整體實(shí)現(xiàn)方案，并通過FPGA進(jìn)行了仿真和實(shí)現(xiàn)。

1 定時(shí)同步技術(shù)及實(shí)現(xiàn)方法

一般來講，位同步技術(shù)可以劃分為相互聯(lián)系的兩部分：位定時(shí)誤差檢測(cè)和位定時(shí)調(diào)整。位定時(shí)檢測(cè)指的是根據(jù)接收到的信號(hào)，提取出位定時(shí)誤差信息；位定時(shí)調(diào)整是指根據(jù)檢測(cè)到的位定時(shí)誤差，去調(diào)整判決時(shí)鐘或調(diào)整判決時(shí)刻的信號(hào)樣值，達(dá)到系統(tǒng)位定時(shí)的同步。在位同步技術(shù)的檢測(cè)中主要有以下兩種方法。

1.1 定時(shí)誤差檢測(cè)技術(shù)

目前常用的位定時(shí)誤差檢測(cè)方法有以下幾種：早遲門算法：利用匹配濾波器或相關(guān)器輸出信號(hào)的對(duì)稱特性，通過在早于和遲于理想抽樣位置抽樣來產(chǎn)生誤差信號(hào)，其特點(diǎn)是每個(gè)符號(hào)需要3個(gè)樣值。Gardner算法：是Gardner在1986年提出來的被廣泛的應(yīng)用于許多實(shí)際的定時(shí)恢復(fù)環(huán)路中，它有一個(gè)顯著的特點(diǎn)是對(duì)載波相位偏移不敏感，這樣可以獨(dú)立地進(jìn)行定時(shí)恢復(fù)的工作。Mueller & Muller算法：其特點(diǎn)是每符號(hào)只需要1個(gè)樣值，有利于簡(jiǎn)化硬件設(shè)計(jì)，但其對(duì)載波相位偏移比較敏感，在實(shí)際應(yīng)用中受到較大的限制。平方位定時(shí)誤差檢測(cè)算法（以后簡(jiǎn)稱為平方法）：Martin Oerder和Heinrich Meyr在1988年對(duì)其進(jìn)行了完整的論述，目前廣泛地應(yīng)用在各種數(shù)字通信系統(tǒng)中。這種方法有以下顯著優(yōu)點(diǎn)：適合各種線性調(diào)制，非常適合在軟件無線電系統(tǒng)中使用；對(duì)載波頻偏不敏感，可以獨(dú)立的進(jìn)行位定時(shí)檢測(cè)；不需判決反饋環(huán)路，硬件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單?；谄椒椒ǖ倪@些優(yōu)點(diǎn)，同步誤差檢測(cè)采用此算法。

1.2 定時(shí)調(diào)整技術(shù)

根據(jù)接收到的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的位定時(shí)同步。根據(jù)對(duì)本地時(shí)鐘處理機(jī)制的不同這些方法主要可以分為兩類，一類是通過直接改變本地時(shí)鐘的頻率和相位來實(shí)現(xiàn)位定時(shí)的調(diào)整，該方法的優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)簡(jiǎn)單、成熟，但該類方法的缺點(diǎn)是很明顯的：首先由于直接控制VCO時(shí)鐘的頻率和相位，調(diào)整起來不方便，準(zhǔn)確性不高；其次該方法實(shí)現(xiàn)困難，難以采用數(shù)字信號(hào)處理的辦法來實(shí)現(xiàn)。另一類是使用固定的本地時(shí)鐘而通過改變其它參數(shù)來實(shí)現(xiàn)位定時(shí)的調(diào)整。主要有兩種典型的方法：數(shù)字鎖相環(huán)調(diào)整方法和內(nèi)插位定時(shí)調(diào)整方法。數(shù)字鎖相環(huán)方法發(fā)展時(shí)間長(zhǎng)、理論成熟、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，在位定時(shí)系統(tǒng)中得到較普遍的應(yīng)用。內(nèi)插調(diào)整方法根據(jù)位定時(shí)誤差信息，通過控制內(nèi)插濾波器的參數(shù)，采用數(shù)字信號(hào)處理的辦法，直接恢復(fù)出所需的信號(hào)樣值。

2 定時(shí)同步的FPGA仿真和實(shí)現(xiàn)

綜合前面的討論，采用平方法檢測(cè)位定時(shí)誤差，采用內(nèi)插方法來實(shí)現(xiàn)位定時(shí)調(diào)整，定時(shí)同步整體實(shí)現(xiàn)方案如圖1所示。實(shí)現(xiàn)方案中去除了匹配濾波器，主要是由于圖中給出的濾波器為模擬濾波器，實(shí)現(xiàn)比較困難，且當(dāng)系統(tǒng)存在頻偏時(shí)難以實(shí)現(xiàn)“完全匹配”。

2.1 定時(shí)同步實(shí)現(xiàn)方法

位同步系統(tǒng)整體實(shí)現(xiàn)方案如圖1所示。首先將I、Q兩路基帶數(shù)據(jù)（來源于數(shù)字下變頻模塊）經(jīng)內(nèi)插器后獲得每符號(hào)4個(gè)樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)，然后采用平方法檢測(cè)出位定時(shí)誤差，根據(jù)計(jì)算出的值去控制內(nèi)插器，通過對(duì)內(nèi)插濾波器系數(shù)的不同選擇獲得同步后的信號(hào)樣值。同步檢測(cè)模塊主要包括平方運(yùn)算，傅氏變換模塊，Kalman濾波和相位計(jì)算模塊。傅氏變換模塊的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)如下圖所示。由于，所以如何根據(jù)得到的值，計(jì)算出是本模塊要實(shí)現(xiàn)的功能。在范圍內(nèi)。問題在于反正切函數(shù)難以通過硬件直接計(jì)算，通常求法有兩種：第一種方法是查找反正切函所示。這種實(shí)現(xiàn)方法首先通過一個(gè)除法器，求出Im（X）/Re（X）的值，然后根據(jù)得到的商查找反正切函數(shù)表。缺點(diǎn)在于：除法運(yùn)算耗費(fèi)資源較大，而且如需要得到精確的估計(jì)結(jié)果需要一個(gè)龐大的查找表，這也需消耗較多的硬件資源。第二種方法是采用CORDIC坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)算法，通過迭代的方式計(jì)算出相位。這種方法不需要查找表和除法器，且由于是針對(duì)低速的基帶數(shù)據(jù)運(yùn)算，對(duì)運(yùn)算速度要求不高，可以使用低速的串行結(jié)構(gòu)，使用這種算法可以大大減小對(duì)硬件資源的消耗。

2.2 定時(shí)同步的FPGA的仿真及實(shí)現(xiàn)

FPGA選用Altera公司Cyclone II 器件系列的EP2C20F484芯片。該芯片資源豐富，共有邏輯單元（LE）18752個(gè)，RAM 總量239616比特，其中M4KRAM 有52塊，嵌入式18×18乘法器有26個(gè)，鎖相環(huán)（PLL）4個(gè)，可用I/O管腳315個(gè)，完全能夠滿足相應(yīng)的需求。利用了QuartusII軟件對(duì)定時(shí)同步方案進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖2所示，可以看出，經(jīng)過若干歩調(diào)整后，系統(tǒng)的位定時(shí)誤差穩(wěn)定在7（位定時(shí)誤差用10位二進(jìn)制補(bǔ)碼表示，“7”表示位定時(shí)誤差為7/512=1.36%），可以看到，經(jīng)過若干歩調(diào)整后系統(tǒng)達(dá)到了同步，說明設(shè)計(jì)結(jié)果正確。

3 結(jié)語

UHF頻段衛(wèi)星通信極大地滿足了移動(dòng)通信的要求，對(duì)移動(dòng)用戶具有較強(qiáng)的支持力。本文分析了UHF波段中位定時(shí)信號(hào)的性能和檢測(cè)技術(shù)，采用平方法檢測(cè)位定時(shí)誤差，采用內(nèi)插方法來實(shí)現(xiàn)位定時(shí)調(diào)整，定時(shí)同步整體實(shí)現(xiàn)方案，并通過FPGA進(jìn)行了仿真和實(shí)現(xiàn)，從仿真結(jié)果來看可以達(dá)到對(duì)UHF波段位信號(hào)的定時(shí)同步。

參考文獻(xiàn)

[1] 張立新.衛(wèi)星系統(tǒng)的定位定時(shí)系統(tǒng).空間電子技術(shù)，2003（3）：39-42.

[2] 王利眾.UHF波段PLL頻率合成器的設(shè)計(jì)[J]..太原師范學(xué)院學(xué)報(bào)2011（12）：56-68.

[3] 王磊.Gardner算法在OFDM采樣頻率同步中的應(yīng)用[J].電子與信息學(xué)報(bào)，2011（4）：865-868.

[4] 梁千帆，陳建華.UHF頻段衛(wèi)星通信的現(xiàn)狀與未來發(fā)展[J].網(wǎng)絡(luò)與應(yīng)用，2007（6）：27-28.

[5] 宋文政.OFDM定時(shí)同步設(shè)計(jì)與FPGA實(shí)現(xiàn)[J].信息工程大學(xué)學(xué)報(bào)[J] 2009（4）：476：479.

[6] 吳慧朋.一種MSK信號(hào)符號(hào)定時(shí)同步算法的FPGA實(shí)現(xiàn)[J].電信技術(shù)研究，2011（5）：18：22.endprint

摘 要：在衛(wèi)星通信的眾多可用頻段中，UHF頻段的信號(hào)具有頻率相對(duì)較低，可以使天線波束較寬，而傳播損耗和多譜勒頻移比較小，同時(shí)波長(zhǎng)較長(zhǎng)信號(hào)繞射能力因而也較強(qiáng)；具有設(shè)備結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單可靠、多譜勒頻移小和費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)。正是因?yàn)檫@些特點(diǎn)，UHF頻段衛(wèi)星通信極大地滿足了移動(dòng)通信的要求，對(duì)移動(dòng)用戶具有較強(qiáng)的支持力。該文分析了UHF波段中位定時(shí)信號(hào)的性能和檢測(cè)技術(shù)，采用平方法檢測(cè)位定時(shí)誤差，采用內(nèi)插方法來實(shí)現(xiàn)位定時(shí)調(diào)整、定時(shí)同步整體實(shí)現(xiàn)方案，并通過FPGA進(jìn)行了仿真和實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：UHF波段 定時(shí)同步 FPGA仿真

中圖分類號(hào)：TN919.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）03（a）-0066-02

衛(wèi)星通信天生作為一種應(yīng)急通信手段被廣泛使用在各個(gè)通信領(lǐng)域中并已經(jīng)成為現(xiàn)代社會(huì)中一種重要的通信手段，在衛(wèi)星通信的眾多可用頻段中，UHF頻段的信號(hào)具有一系列獨(dú)特的特點(diǎn)（1）UHF頻段信號(hào)能穿透惡劣的氣候、叢林遮蔽和城市環(huán)境，進(jìn)行有效的通信。（2）UHF頻段頻率相對(duì)較低，因而可以使天線波束較寬，而傳播損耗和多譜勒頻移比較小，同時(shí)波長(zhǎng)較長(zhǎng)信號(hào)繞射能力因而也較強(qiáng)。（3）UHF頻段中較低頻率部分的電子設(shè)備有較高的效率，正是因?yàn)檫@些特點(diǎn)，UHF頻段衛(wèi)星通信極大地滿足了移動(dòng)通信的要求，對(duì)移動(dòng)用戶具有較強(qiáng)的支持力。UHF波段中位同步技術(shù)是其調(diào)制解調(diào)中一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，位同步性能的好壞，直接影響到解調(diào)的性能。本文通過分析UHF波段中位定時(shí)信號(hào)的性能和檢測(cè)技術(shù)，采用平方法檢測(cè)位定時(shí)誤差，采用內(nèi)插方法來實(shí)現(xiàn)位定時(shí)調(diào)整，定時(shí)同步整體實(shí)現(xiàn)方案，并通過FPGA進(jìn)行了仿真和實(shí)現(xiàn)。

1 定時(shí)同步技術(shù)及實(shí)現(xiàn)方法

一般來講，位同步技術(shù)可以劃分為相互聯(lián)系的兩部分：位定時(shí)誤差檢測(cè)和位定時(shí)調(diào)整。位定時(shí)檢測(cè)指的是根據(jù)接收到的信號(hào)，提取出位定時(shí)誤差信息；位定時(shí)調(diào)整是指根據(jù)檢測(cè)到的位定時(shí)誤差，去調(diào)整判決時(shí)鐘或調(diào)整判決時(shí)刻的信號(hào)樣值，達(dá)到系統(tǒng)位定時(shí)的同步。在位同步技術(shù)的檢測(cè)中主要有以下兩種方法。

1.1 定時(shí)誤差檢測(cè)技術(shù)

目前常用的位定時(shí)誤差檢測(cè)方法有以下幾種：早遲門算法：利用匹配濾波器或相關(guān)器輸出信號(hào)的對(duì)稱特性，通過在早于和遲于理想抽樣位置抽樣來產(chǎn)生誤差信號(hào)，其特點(diǎn)是每個(gè)符號(hào)需要3個(gè)樣值。Gardner算法：是Gardner在1986年提出來的被廣泛的應(yīng)用于許多實(shí)際的定時(shí)恢復(fù)環(huán)路中，它有一個(gè)顯著的特點(diǎn)是對(duì)載波相位偏移不敏感，這樣可以獨(dú)立地進(jìn)行定時(shí)恢復(fù)的工作。Mueller & Muller算法：其特點(diǎn)是每符號(hào)只需要1個(gè)樣值，有利于簡(jiǎn)化硬件設(shè)計(jì)，但其對(duì)載波相位偏移比較敏感，在實(shí)際應(yīng)用中受到較大的限制。平方位定時(shí)誤差檢測(cè)算法（以后簡(jiǎn)稱為平方法）：Martin Oerder和Heinrich Meyr在1988年對(duì)其進(jìn)行了完整的論述，目前廣泛地應(yīng)用在各種數(shù)字通信系統(tǒng)中。這種方法有以下顯著優(yōu)點(diǎn)：適合各種線性調(diào)制，非常適合在軟件無線電系統(tǒng)中使用；對(duì)載波頻偏不敏感，可以獨(dú)立的進(jìn)行位定時(shí)檢測(cè)；不需判決反饋環(huán)路，硬件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。基于平方法的這些優(yōu)點(diǎn)，同步誤差檢測(cè)采用此算法。

1.2 定時(shí)調(diào)整技術(shù)

根據(jù)接收到的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的位定時(shí)同步。根據(jù)對(duì)本地時(shí)鐘處理機(jī)制的不同這些方法主要可以分為兩類，一類是通過直接改變本地時(shí)鐘的頻率和相位來實(shí)現(xiàn)位定時(shí)的調(diào)整，該方法的優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)簡(jiǎn)單、成熟，但該類方法的缺點(diǎn)是很明顯的：首先由于直接控制VCO時(shí)鐘的頻率和相位，調(diào)整起來不方便，準(zhǔn)確性不高；其次該方法實(shí)現(xiàn)困難，難以采用數(shù)字信號(hào)處理的辦法來實(shí)現(xiàn)。另一類是使用固定的本地時(shí)鐘而通過改變其它參數(shù)來實(shí)現(xiàn)位定時(shí)的調(diào)整。主要有兩種典型的方法：數(shù)字鎖相環(huán)調(diào)整方法和內(nèi)插位定時(shí)調(diào)整方法。數(shù)字鎖相環(huán)方法發(fā)展時(shí)間長(zhǎng)、理論成熟、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，在位定時(shí)系統(tǒng)中得到較普遍的應(yīng)用。內(nèi)插調(diào)整方法根據(jù)位定時(shí)誤差信息，通過控制內(nèi)插濾波器的參數(shù)，采用數(shù)字信號(hào)處理的辦法，直接恢復(fù)出所需的信號(hào)樣值。

2 定時(shí)同步的FPGA仿真和實(shí)現(xiàn)

綜合前面的討論，采用平方法檢測(cè)位定時(shí)誤差，采用內(nèi)插方法來實(shí)現(xiàn)位定時(shí)調(diào)整，定時(shí)同步整體實(shí)現(xiàn)方案如圖1所示。實(shí)現(xiàn)方案中去除了匹配濾波器，主要是由于圖中給出的濾波器為模擬濾波器，實(shí)現(xiàn)比較困難，且當(dāng)系統(tǒng)存在頻偏時(shí)難以實(shí)現(xiàn)“完全匹配”。

2.1 定時(shí)同步實(shí)現(xiàn)方法

位同步系統(tǒng)整體實(shí)現(xiàn)方案如圖1所示。首先將I、Q兩路基帶數(shù)據(jù)（來源于數(shù)字下變頻模塊）經(jīng)內(nèi)插器后獲得每符號(hào)4個(gè)樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)，然后采用平方法檢測(cè)出位定時(shí)誤差，根據(jù)計(jì)算出的值去控制內(nèi)插器，通過對(duì)內(nèi)插濾波器系數(shù)的不同選擇獲得同步后的信號(hào)樣值。同步檢測(cè)模塊主要包括平方運(yùn)算，傅氏變換模塊，Kalman濾波和相位計(jì)算模塊。傅氏變換模塊的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)如下圖所示。由于，所以如何根據(jù)得到的值，計(jì)算出是本模塊要實(shí)現(xiàn)的功能。在范圍內(nèi)。問題在于反正切函數(shù)難以通過硬件直接計(jì)算，通常求法有兩種：第一種方法是查找反正切函所示。這種實(shí)現(xiàn)方法首先通過一個(gè)除法器，求出Im（X）/Re（X）的值，然后根據(jù)得到的商查找反正切函數(shù)表。缺點(diǎn)在于：除法運(yùn)算耗費(fèi)資源較大，而且如需要得到精確的估計(jì)結(jié)果需要一個(gè)龐大的查找表，這也需消耗較多的硬件資源。第二種方法是采用CORDIC坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)算法，通過迭代的方式計(jì)算出相位。這種方法不需要查找表和除法器，且由于是針對(duì)低速的基帶數(shù)據(jù)運(yùn)算，對(duì)運(yùn)算速度要求不高，可以使用低速的串行結(jié)構(gòu)，使用這種算法可以大大減小對(duì)硬件資源的消耗。

2.2 定時(shí)同步的FPGA的仿真及實(shí)現(xiàn)

FPGA選用Altera公司Cyclone II 器件系列的EP2C20F484芯片。該芯片資源豐富，共有邏輯單元（LE）18752個(gè)，RAM 總量239616比特，其中M4KRAM 有52塊，嵌入式18×18乘法器有26個(gè)，鎖相環(huán)（PLL）4個(gè)，可用I/O管腳315個(gè)，完全能夠滿足相應(yīng)的需求。利用了QuartusII軟件對(duì)定時(shí)同步方案進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖2所示，可以看出，經(jīng)過若干歩調(diào)整后，系統(tǒng)的位定時(shí)誤差穩(wěn)定在7（位定時(shí)誤差用10位二進(jìn)制補(bǔ)碼表示，“7”表示位定時(shí)誤差為7/512=1.36%），可以看到，經(jīng)過若干歩調(diào)整后系統(tǒng)達(dá)到了同步，說明設(shè)計(jì)結(jié)果正確。

3 結(jié)語

UHF頻段衛(wèi)星通信極大地滿足了移動(dòng)通信的要求，對(duì)移動(dòng)用戶具有較強(qiáng)的支持力。本文分析了UHF波段中位定時(shí)信號(hào)的性能和檢測(cè)技術(shù)，采用平方法檢測(cè)位定時(shí)誤差，采用內(nèi)插方法來實(shí)現(xiàn)位定時(shí)調(diào)整，定時(shí)同步整體實(shí)現(xiàn)方案，并通過FPGA進(jìn)行了仿真和實(shí)現(xiàn)，從仿真結(jié)果來看可以達(dá)到對(duì)UHF波段位信號(hào)的定時(shí)同步。

參考文獻(xiàn)

[1] 張立新.衛(wèi)星系統(tǒng)的定位定時(shí)系統(tǒng).空間電子技術(shù)，2003（3）：39-42.

[2] 王利眾.UHF波段PLL頻率合成器的設(shè)計(jì)[J]..太原師范學(xué)院學(xué)報(bào)2011（12）：56-68.

[3] 王磊.Gardner算法在OFDM采樣頻率同步中的應(yīng)用[J].電子與信息學(xué)報(bào)，2011（4）：865-868.

[4] 梁千帆，陳建華.UHF頻段衛(wèi)星通信的現(xiàn)狀與未來發(fā)展[J].網(wǎng)絡(luò)與應(yīng)用，2007（6）：27-28.

[5] 宋文政.OFDM定時(shí)同步設(shè)計(jì)與FPGA實(shí)現(xiàn)[J].信息工程大學(xué)學(xué)報(bào)[J] 2009（4）：476：479.

[6] 吳慧朋.一種MSK信號(hào)符號(hào)定時(shí)同步算法的FPGA實(shí)現(xiàn)[J].電信技術(shù)研究，2011（5）：18：22.endprint