一種射頻直接帶通采樣數字接收系統中時鐘抖動消除方法
【技術領域】
[0001] 本發明設及一種射頻直接帶通采樣數字接收系統中時鐘抖動消除算法，屬于高速 高精度模擬數字轉換技術和通信技術領域。
【背景技術】
[0002] 高速高精度模數轉換器是雷達、醫療儀器、通信系統等現代電子系統的重要部件， 而時鐘抖動是模數轉換中影響信號信噪比的重要因素。傳統的超外差接收機和中頻接收機 由于其架構本身的限制，本身具有體積笨重，可擴展性差的缺點，已逐漸不能適應數字接收 系統的發展需要。一種新的解決方案是使用射頻直接帶通采樣架構。運種接收方案利用了 軟件無線電的思想，將ADC盡量靠近天線，使用模數轉換器直接采樣射頻信號，在天線和模 數轉換器之間只有跟蹤濾波器和放大器，如果ADC的靈敏度足夠高，則放大器也可W取消。 因此，射頻直接帶通采樣的設計方案，使得其具有極強的靈活性和可重配置性，能夠適應目 前設備兼容多種通訊標準的要求，具有體積小，成本低的特點，同時由于其采用了帶通采樣 方式，使得ADC和系統的功耗大大降低。理想的ADC可實現模擬信號的均勻采樣。但是由 于實際電路制造工藝的限制，使得ADC在采樣的上升沿（下降沿）跳變時刻不可避免的產 生偏差，將影響接收系統的性能。傳統的接收架構將射頻信號下變頻到中頻或者基帶后再 對模擬信號進行采樣，ADC采樣信號的采樣率不高，使得模數轉換器的時鐘抖動影響相對較 小。而射頻直接采樣數字接收系統中，模數轉換器要對射頻信號進行進行直接采樣，因此， 對模數轉換器采樣時鐘的準確性提出了較高的要求。因此，射頻直接帶通采樣下時鐘抖動 的補償既是研究熱點也是一個技術難點。
[0003] 技術上，通常是通過在射頻直接采樣系統的模數轉換器輸出端采用數字后補償技 術來補償時鐘抖動的影響。文獻跟蹤研究表明，迄今數字接收系統的時鐘抖動補償研究開 展的并不廣泛，主要因為目前的通訊接收技術主要使用數字中頻和零中頻技術。現有的時 鐘抖動技術大多基于輸入信號為OFDM或者LTE信號，將信號變換到頻域變換消除時鐘抖動 效果，運類算法目前成為國內外研究熱點，也有文獻顯示將接收端的抖動估計值反饋到輸 入端，在發射端使用數字預失真技術消除抖動的影響，但要求系統的發射端和接收端能夠 很好同步。綜上，現有的時鐘抖動消除算法存在W下局限性：（1)只能對窄帶信號進行補償 (Rutten,民.，L. J. Breems, and 民.Η. Μ. van Veldhoven. Digital jitter-cancellation for narrowband signals, in Circuits and Systems, 2008. ISCAS 2008. IEEE International Symposium on. 2008.) ; (2)計算復雜度高（Weller, D.S. and V. K. Goyal, Bayesian Post-Processing Methods for Jitter Mitigation in Sampling. Signal Processing, IE 邸 Transactions on, 2011. 59 巧）：p. 2112-2123.) ;(3)僅適 合于特定輸入信號的數字接收系統，如0抑M等（Rabbi，M.F. and C.C.Ko. Modeling， estimation and mitigation of colored timing jitter for OFDMA system, in Consumer Communications and Networking Conference (CCNC));因此，研究一種新的適 用范圍廣，計算復雜度化，對模擬輸入信號限制少的射頻直接帶通采樣數字接收系統的時 鐘抖動消除算法具有重要現實意義。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的是提出一種射頻直接帶通采樣數字接收系統的時鐘抖動補償方法， 該補償方法具有補償效果好，計算復雜度低的特點，對輸入信號頻率無限制，對數字接收系 統的接收信號類型無限制等突出優點，能對射頻直接帶通采樣數字接收系統的時鐘抖動進 行補償。 陽〇化]一種射頻直接帶通采樣數字接收系統的時鐘抖動補償方法。其思想是，利用射頻 直接帶通采樣數字接收系統的實際采樣輸出值，利用帶通采樣定理和數字下變頻等原理， 推導含有抖動的非均勻離散信號與誤差信號之間的關系，實現射頻直接帶通采樣數字接收 系統的時鐘抖動誤差的估計和消除，具體原理表述如下，對于射頻直接帶通采樣數字接收 系統，不失一般性，設其輸入信號為：
[0006]
腳
[0007] 其中，Si(t)+js?(t)為接收的帶通信號對應的基帶等效信號，f。為載波頻率。設 ADC的采樣抖動RMS (均方根）值為ζ。，射頻直接帶通采樣數字接收系統采用帶通采樣，貝U ADC輸出信號可表示為：
[0008]
傑
[0009] 其中，IV為ADC采樣周期。利用帶通采樣定理和數字下變頻原理可得，采樣信號 變換到基帶的近似表達式為：
[0010]
(3)
[0011] 其中，L為基帶信號采樣周期，Ζ。是射頻直接帶通采樣數字接收系統經過帶通采 樣和數字下變頻后獲得的基帶信號（為含有抖動的非均勻離散信號）。s(nL)為理想的均 勻基帶離散信號，并由下式定義
[0015] 由（5)式可得，時鐘抖動消除可由下式計算：
[0016] S (ηΤ,) = z"-e (η) 化）
[0017] e(n)為重構得到的誤差信號，且e(n)由下式計算： W 化]
口)
[0019] 利用（6)式，即可求得公式巧）
[0020] 射頻直接帶通采樣數字接收系統中時鐘抖動消除方法，其步驟是：
[0021] (a)對射頻直接帶通采樣數字接收系統經過帶通采樣和數字下變頻后獲得的基帶 信號，根據式（6)和（7) W及泰勒級數展開m項，獲得W下關系式
[00對其中，f。為載波頻率，m為所選擇的求和項數。
[00%] 化）根據公式（6)計算消除了抖動的均勻采樣基帶信號S (nL)。
[0027] 本發明的有益效果在于：本發明所述的方法能對射頻直接帶通采樣數字接收系統 的時鐘抖動誤差進行消除，對接收系統的輸入信號類型沒有限制，對輸入信號頻率范圍沒 有限制，適用于采樣方式為帶通采樣的情況。采用MTLAB搭建的仿真環境（該射頻直接帶 通采樣數字接收系統參數為：采用LTE上行鏈路信號作為數字接收系統的接收信號，載波 頻率2. 6GHz，采樣率245. 76MHz，SNR18地，時鐘抖動0-50PS)，對本發明提出的射頻直接帶 通采樣數字接收系統時鐘抖動消除方法進行驗證。根據本發明方法對采樣信號進行補償， 結果表明，對于0-50PS內的抖動，該射頻直接帶通采樣數字接收系統的BER(誤碼率）相對 于補償前有顯著提升，驗證了本發明方法的有效性
【附圖說明】
[0028] 圖1為射頻直接帶通采樣數字接收系統的結構示意圖。
[0029] 圖2為時鐘抖動與系統BER(誤碼率）的關系曲線，時鐘抖動范圍為0-50PS。
[0030] 圖3為使用本算法進行抖動補償后的系統BER(誤碼率）曲線。
[0031] 圖4為本發明所述方法的級聯結構框圖（一級）。
【具體實施方式】
[0032] 下面將結合附圖和實施例對本發明作進一步的說明。
[0033] 實施案例1 : W MTLAB搭建的射頻直接帶通采樣數字接收系統（圖1所示）仿真 環境進行時鐘抖動補償為例（實驗中采用LTE上行鏈路信號作為數字接收系統的接收信 號，載波頻率2. 6GHz，采樣率為245. 76MHz, SNR18地）。
[0034] (a)對射頻直接帶通采樣數字接收系統經過帶通采樣和數字下變頻后獲得的基帶 信號根據公式（8)，（9)進行計算，其中，m = 3, fc = 2. 6GHz
[00對 （b)根據公式（6)計算消除抖動后的均勻采樣基帶信號8(化）；
[0036] 補償后的系統BER(誤碼率）曲線如圖3所示，與不含時鐘抖動補償的系統BER(誤 碼率）曲線相比（圖2所示），該系統的BER(誤碼率）表現相比于補償前有了顯著提升。
【主權項】
1. 一種射頻直接帶通采樣數字接收系統中時鐘抖動消除方法，其特征在于針對射頻直 接帶通采樣數字接收系統（Direct Radio Frequency Sampling Receive, DRFSR)，存在的時 鐘電路抖動，實現射頻直接帶通采樣數字接收系統的時鐘抖動誤差的估計和消除，具體原 理表述如下，對于射頻直接帶通采樣數字接收系統，不失一般性，設其輸入信號為：其中，Sl(t)+jsQ(t)為接收的帶通信號對應的基帶等效信號，f。為載波頻率。設ADC的 采樣抖動RMS (均方根）值為ζη，射頻直接帶通采樣數字接收系統采用帶通采樣，則ADC輸 出信號可表不為：其中，V為ADC采樣周期，利用帶通采樣定理和數字下變頻原理可得，采樣信號變換 到基帶的近似表達式為：其中，^為基帶信號采樣周期，％是射頻直接帶通采樣數字接收系統經過帶通采樣和 數字下變頻后獲得的基帶信號（為含有抖動的非均勻離散信號），s(nTs)為理想的均勻基 帶離散信號，并由下式定義由（5)式可得，時鐘抖動消除由下式計算： s (nTs) = zn-e (η) (6) e(n)為重構得到的誤差信號，且e(n)由下式計算：利用（6)式，即可求得公式（5);綜上，本算法實現了對射頻直接帶通采樣數字接收系 統中時鐘抖動的消除。2. 根據權利要求1所述的一種射頻直接帶通采樣數字接收系統中時鐘抖動消除方法， 其特征在于，其步驟是： (a)對射頻直接帶通采樣數字接收系統經過帶通采樣和數字下變頻后獲得的基帶信 號，根據（6)和（7)以及泰勒級數展開m項，獲得以下關系式式中，rnk由以下公式確定其中，f。為載波頻率，m為所選擇的求和項數； (b)根據公式（6)計算消除了抖動的均勻采樣基帶信號S(nTs)。3. 根據權利要求1所述的一種射頻直接帶通采樣數字接收系統中時鐘抖動消除方法， 其特征在于，其步驟（a)的e (η)的計算僅存在乘法和求和操作。4. 根據權利要求1所述的一種射頻直接帶通采樣數字接收系統中時鐘抖動消除方法， 其特征在于，其補償結構為級聯的補償結構。5. 根據權利要求1所述的一種射頻直接帶通采樣數字接收系統中時鐘抖動消除方法， 其特征在于，對射頻直接帶通采樣數字接收系統系統的時鐘抖動進行補償，僅要求射頻直 接帶通采樣數字接收系統采樣類型為帶通采樣，對射頻直接帶通采樣數字接收系統的輸入 信號類型沒有限制，對輸入信號頻率范圍沒有限制，適用于在同一設備中兼容多種通信標 準的要求。
【專利摘要】本發明涉及一種射頻直接帶通采樣數字接收系統中時鐘抖動消除方法。所述方法通過采用射頻直接帶通采樣數字接收系統的非均勻采樣輸出值，利用帶通采樣定理，數字下變頻原理和射頻直接帶通采樣數字接收系統的特點，實現射頻直接帶通采樣數字接收系統的時鐘抖動的消除。該發明方法可根據射頻直接帶通采樣數字接收實際需求選擇不同的級聯級數以滿足所要求的時鐘抖動消除性能。本發明所述方法實際實現復雜度低，易于硬件實現，消除效果好，對射頻直接帶通采樣數字接收系統輸入信號類型無限制，非常適用于射頻直接帶通采樣數字接收系統在現代通訊，雷達，高精密數字儀器中的應用。
【IPC分類】H03K5/01, G06F17/50
【公開號】CN105447218
【申請號】CN201410808895
【發明人】張曉宇, 鄒月嫻, 徐祥俊
【申請人】北京大學深圳研究生院
【公開日】2016年3月30日
【申請日】2014年12月22日