專利名稱：定時恢復裝置和方法
技術領域：
本發明涉及一種定時恢復裝置和方法，特別涉及一種能夠應用于突發通信，并且能夠降低寬帶擴頻信號定時恢復的實現難度的定時恢復裝置和方法。
背景技術：
直接序列擴頻(DS)是將要發送的信息用偽隨機碼序列(PN碼)擴展到一個很寬的頻帶上，在接收端用同樣的偽隨機碼序列來進行相關接收及恢復信號。在直接序列擴頻通信系統中，必須首先進行擴頻碼的同步，才能正確解調接收信號。所謂擴頻碼的同步，是指利用擴頻碼的自相關特性，調整接收機本地擴頻碼序列相位，使之與接收信號擴頻碼序列的相位一致。同步技術是擴頻通信的關鍵技術，只有實現了同步，收發兩端相關的信號在頻率、相位上取得一致，整個系統才能正常地工作。
擴頻序列的同步過程包括兩個階段第一階段是捕獲階段，接收機在擴頻序列精確同步之前，首先搜索接收信號，使接收信號的擴頻序列與本地擴頻序列在相位上進入可同步保持的范圍之內，即二者的相位在一個擴頻序列碼元之內。
同步過程的第二個階段即為跟蹤。跟蹤是指動態地維持同步并使擴頻碼定時偏差盡量小的過程，這個過程即是擴頻信號定時恢復的過程。它能夠動態地調整本地偽碼產生器的時鐘速率，使本地偽碼能夠自動地和接收到信號的偽碼保持精確的同步。擴頻序列的捕獲完成后，本地偽碼序列和接收偽碼序列相位取得了大致的一致，但還存在一定的誤差。另外，由于接收機中噪聲的影響、信道傳輸時延的變化、擴頻偽碼時鐘頻率的漂移等原因，將會使兩個序列的相位之間又出現偏差。為了使接收機的擴頻序列能自動地和接收到信號的偽碼保持精確的同步，就必須有擴頻序列的跟蹤電路。
傳統的直接序列擴頻通信系統全數字接收機，將匹配濾波器的輸出通過一個插值濾波器以提高采樣率，然后根據定時恢復模塊輸出的調整信號，從插值濾波器的輸出中選擇一個最佳采樣值與本地擴頻碼進行相關運算，并根據相關值進行解調。其中的定時恢復模塊常采用超前滯后跟蹤環路，將超前滯后兩個相關器輸出的相關值之差經過濾波后作為調整信號選擇最佳采樣值。定時恢復模塊也可以直接進行定時偏差的估計，然后根據估計的定時偏差選擇最佳采樣值。
現有技術中采用非相干超前滯后跟蹤環路進行定時恢復的電路結構如圖1所示。這種非相干超前滯后跟蹤環路包括同相支路匹配濾波器1、正交支路匹配濾波器2、插值濾波器3、三路相關器即準時相關器4，滯后相關器5，超前相關器6，以及取模器7，還包括用于生成調整信號的碼產生器10，當滯后相關器5和超前相關器6計算出的相關值取模，再通過環路濾波器8和碼鐘9，最終獲得用來選擇最佳采樣值的調整信號。為了提高定時恢復的精度，需要采用插值濾波器3，以提高對碼片的采樣率，這會增加碼片速率較高的寬帶擴頻通信系統的實現難度。而且這種反饋式的結構需要一定的時間才能使得環路鎖定，不適合突發通信的情況。
發明內容
本發明的目的是針對上述現有技術的不足，提供一種定時恢復裝置和方法，能夠應用于突發通信，并且能夠降低寬帶擴頻信號定時恢復的實現難度。
為實現上述發明目的，本發明提供了一種定時恢復裝置，包括三路相關器，用于輸出三個不同定時偏差對應的相關值，并將輸出的相關值分成預先設定長度的數據塊；
定時估計器，與所述三路相關器連接，用于根據所述三個不同定時偏差對應的相關值的模計算出各數據塊的定時偏差；定時恢復器，與所述三路相關器和定時估計器連接，用于存儲所述三路相關器輸出的三路相關值，并根據所述定時估計器輸出的定時偏差對存儲的三路相關值進行二項式插值，計算出各符號對應的定時恢復后的相關值。
進一步地，上述技術方案中，所述三路相關器可進一步包括準時相關器，與所述累加處理模塊相連，用于在每個符號周期輸出捕獲后準時路的相關值；超前相關器，與所述累加處理模塊相連，用于在每個符號周期輸出捕獲后超前路的相關值；滯后相關器，與所述累加處理模塊相連，用于在每個符號周期輸出捕獲后滯后路的相關值。
更進一步地，上述技術方案中，所述定時恢復器可包括存儲器，與所述三路相關器連接，用于存儲所述三路相關器輸出的三路相關值。所述定時恢復器還可包括信號恢復器，與所述存儲器和所述定時估計器連接，用于根據所述定時估計器輸出的定時偏差，對所述存儲器中保存的三路相關器輸出的相關值進行二項式插值，得到各符號對應的定時恢復后的相關值。
為實現發明目的，本發明還提供了一種定時恢復方法，包括以下步驟步驟1、在擴頻碼捕獲后，在每個符號周期利用三路相關器進行相關運算，將所述三路相關器輸出的三路相關值分成預先設定長度的數據塊后存儲；步驟2、定時估計器對接收到的符號進行數據分塊，并計算相干累加值或非相干累加值，然后通過二項式插值計算出各數據塊的定時偏差估計值，并輸出給定時恢復器；步驟3、定時恢復器根據所述定時估計器輸出的定時偏差估計值對存儲的所述三路相關值進行二項式插值，計算出各符號對應的定時恢復后的相關值后發送給信號解調器解調。
進一步地，在上述技術方案中，步驟1中所述的在擴頻碼捕獲后在每個符號周期利用三路相關器進行相關運算可具體包括在擴頻碼捕獲后，在每個符號周期利用準時相關器、超前相關器以及滯后相關器將本地擴頻碼和與準時路、超前路以及滯后路對應的過采樣信號進行相關運算，并存儲輸出的相關值，所述超前相關器相對于準時相關器以超前Tc/M相位的方式進行相關值計算，所述滯后相關器相對于準時相關器以滯后Tc/M相位的方式進行相關值計算；其中Tc為擴頻碼片寬度，M為一大于等于2的自然數。
更進一步地，所述步驟3可具體包括定時恢復器的信號恢復器根據所述定時估計器輸出的定時偏差估計值，對所述存儲器存儲的三路相關值進行二項式插值，計算出各符號對應的定時恢復后的相關值后發送給信號解調器解調。
在上述技術方案中，在得到定時偏差后，不采用通常對擴頻碼片進行處理的方法，而是直接對符號的相關值進行插值處理得到定時恢復后的信號。這樣處理更加簡單，而且信號定時恢復的精度與信號采樣率沒有直接聯系，主要決定于定時偏差的估計精度，而定時偏差的估計精度可以通過增加數據分塊的長度得到提高。因此采用本發明的信號定時恢復方法，可以去掉通常擴頻信號接收機中的碼跟蹤電路，以及用于提高定時精度的插值濾波器。M最小可為2，此時整個裝置最高工作在兩倍碼片速率，降低了寬帶擴頻信號定時估計與信號恢復的實現難度。同時通過將數據分塊，用前饋方式估計定時偏差，可用于突發通信。
綜上所述，本發明通過將數據分塊，用前饋方式估計定時偏差，并通過直接對符號的相關值進行插值處理得到定時恢復后的信號，從而達到能夠應用于突發通信，并且能夠降低寬帶擴頻信號定時恢復的實現難度的有益技術效果。
下面結合附圖和實施例，對本發明的技術方案做進一步的詳細描述。
圖1為現有的非相干超前滯后跟蹤環路進行定時同步的電路結構示意圖；圖2為本發明定時恢復裝置的基本結構示意圖；圖3為本發明定時恢復裝置的具體實施例的結構示意圖；圖4為圖3實施例一中定時估計器的具體結構示意圖；圖5為非相干處理器的結構示意圖；圖6為相干處理器的結構示意圖；圖7為本發明定時恢復方法的流程示意圖。
具體實施例方式
本發明在信號接收過程中直接估計定時偏差，并根據定時偏差來計算最佳采樣值，避免了現有的非相干超前滯后跟蹤環路需要較長時間才能夠穩定的缺陷，而且結構較簡單，在系統實現難度上要低于現有技術。
圖2為本發明定時恢復裝置的基本結構示意圖，定時恢復裝置是由三路相關器12、定時估計器13以及定時恢復器14組成的，其中三路相關器12能夠在擴頻碼捕獲后，計算出三個不同定時偏差所對應的相關值，這些相關值進入定時估計器13后，要進行數據分塊，并且利用這些相關值求出各個數據塊的定時偏差；定時恢復器14接收定時估計器輸入的定時偏差，并根據該定時偏差對三路相關器12輸入的相關值進行定時恢復，然后將定時恢復后的相關值發送給信號解調器(圖中未示出)進行解調。
圖3為本發明定時恢復裝置的具體實施例的結構示意圖，在本實施例中，三路相關器12可以由準時、超前和滯后三路相關器組成，其中超前相關器6和滯后相關器5相對于準時相關器4在定時偏差上分別超前和滯后一定相位。優選超前和滯后Tc/M，而準時路的準時相關器4在碼捕獲的過程中很難達到絕對的同步，因此允許準時相關器的定時偏差在±Tc/2M之間。
相關值的存儲可以由定時恢復器14中的存儲器15完成，該存儲器與前述準時相關器4、滯后相關器5和超前相關器6相連，接收并存儲三路相關器輸出的三路相關值。當定時估計器13計算出各數據塊的定時偏差后，定時恢復器14中的信號恢復器16可以根據定時偏差對存儲器15中存儲的相關值進行二項式插值，得到各符號(即數據分塊后的數據塊)對應的定時恢復后的相關值。定時恢復后的信號從定時恢復器14輸入到信號解調器(圖中未示出)后，繼續執行解調操作。
定時估計器可以根據對載波相位和數據符號信息的掌握情況進行不同工作方式的定時偏差估計，參見圖4，為圖3實施例一中定時估計器的具體結構示意圖，定時估計器13包括累加處理模塊20和定時估計模塊19，其中累加處理模塊20與三路相關器12相連，可以計算數據分塊后各數據塊的三個不同定時偏差對應的相關值的相干累加值或非相干累加值，相干處理器或非相干處理器可為若干個，與輸入的相關值對應。
如圖5所示，為非相干處理器的結構示意圖，在非相干工作方式下，首先對收到的符號信號進行分塊，然后三路相關器12輸出的三個相關值通過三個取模器或求模方器進行取模運算或求模方運算，然后利用累加器18對屬于一個數據塊的符號對應的三個相關值的模或模方進行N次累加，從而得到準時、滯后和超前三路非相干相關值的累加值。
如果知道載波相位和數據符號的信息或者它們的估計值，可以采用相干方式，并采用相干處理器，如圖6所示，為相干處理器的結構示意圖，在相干工作方式下，在數據分塊后，利用載波相位的信息(例如估計的載波相位 和數據符號的信息(例如由解碼器反饋的信息 )將數據塊的相位和符號調制影響消除掉，并獲得相干的相關值。再通過累加器18對屬于一個數據塊的符號對應的三個相關值的實部進行N次累加，從而得到準時、滯后和超前三路相干相關值的累加值。
基于上述的定時恢復裝置，定時恢復的流程參見圖7(圖7為本發明定時恢復方法的流程示意圖)，包括以下步驟步驟101、在擴頻碼捕獲后，在每個符號周期利用三路相關器進行相關運算，將所述三路相關器輸出的三路相關值分成預先設定長度的數據塊后存儲；步驟102、定時估計器對接收到的符號進行數據分塊，并計算相干累加值或非相干累加值，然后通過二項式插值計算出各數據塊的定時偏差估計值，并輸出給定時恢復器；步驟103、定時恢復器根據所述定時估計器輸出的定時偏差估計值對存儲的所述三路相關值進行二項式插值，計算出各符號對應的定時恢復后的相關值后發送給信號解調器解調。
在上述方案中，選用的輸入信號為直接序列擴展頻譜信號，擴頻序列是周期為127的戈爾德碼(GOLD)序列通過補零而獲得的，周期為128。并采用QPSK調制，信息速率為512kbps，符號速率為256kps，擴頻比為128，并采用碼長為1056，1/2碼率的LDPC碼。采用的信道為加性高斯白噪聲信道。
經過濾波解調的基帶模擬信號進入A/D變換器變換成基帶數字信號，基帶數字信號在載波同步器的控制下對信號進行殘余頻偏的糾正，糾正殘余頻偏后的信號進入匹配濾波器進行最佳接收。接收后的信號以2倍過采樣速率進行過采樣。當步驟101中擴頻碼捕獲后，在每個符號周期利用準時相關器、超前相關器以及滯后相關器進行相關運算，并存儲輸出的相關值，所述超前相關器相對于準時相關器以超前Tc/2相位的方式進行相關值計算，所述滯后相關器相對于準時相關器以滯后Tc/2相位的方式進行相關值計算。
在步驟102中，定時估計器可根據工作狀態采用不同的處理器，前文已經提到，載波相位和數據符號的信息的是否可知會影響處理方式，一般包括非相干處理方式和相干處理方式兩種，非相干處理器可以對接收到的符號進行數據分塊并計算非相干累加值，即先將獲得的相關值進行取模運算或求模方運算，并輸出相關值的模；然后將所述相關值的模進行累加，并輸出非相干累加值。這里的分塊后的數據塊大小選為1056，但不限于此。
如果使用相干處理器，則對接收到的符號進行數據分塊并計算相干累加值，具體為先將數據塊的相關值進行將數據塊的相位和符號調制影響消除掉，并輸出實部值；再將所述輸出的實部值進行累加，并輸出相干累加值。
在步驟103中，定時恢復器的信號恢復器根據定時估計器輸出的定時偏差估計值，對存儲器存儲的三路相關值進行二項式插值，計算出各符號對應的定時恢復后的相關值后發送給信號解調器解調。設第n個符號對應的三路相關值分別為Yn(τ-1)、Yn(τ0)和Yn(τ1)，其中τ0為捕獲后準時路殘余的定時偏差，τ-1＝τ0-Tc/M，τ1＝τ0+Tc/M，其所在的數據塊對應的定時偏差估計為 則定時恢復后輸出的第n個符號的相關值Yn為Yn=aτ^2+bτ^+c]]>其中a=[Yn(τ-1)+Yn(τ1)-2Yn(τ0)2](MTc)2]]>b=[Yn(τ1-Yn(τ-1))2]MTc]]>c＝Yn(τ0)信號恢復器輸出的相關值Yn，送入信號解調器進行后續解調。
本發明采用的是一種前饋式的定時偏差估計方法，然后根據估計出的定時偏差進行恢復，其信號恢復利用二項式插值，可以直接獲得定時恢復后的輸出符號相關值。效率和精度上都較現有技術有所提高，而且還可以通過增加數據分塊的長度來提高估計精度，從而獲得更加的同步效果。
最后應當說明的是以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非對其限制；盡管參照較佳實施例對本發明進行了詳細的說明，所屬領域的普通技術人員應當理解依然可以對本發明的具體實施方式
進行修改或者對部分技術特征進行等同替換；而不脫離本發明技術方案的精神，其均應涵蓋在本發明請求保護的技術方案范圍當中。
權利要求
1.一種定時恢復裝置，其特征在于，包括三路相關器，用于在擴頻碼捕獲后，輸出三個不同定時偏差對應的相關值，并將輸出的相關值分成預先設定長度的數據塊；定時估計器，與所述三路相關器連接，用于根據所述三個不同定時偏差對應的相關值的模計算出各數據塊的定時偏差；定時恢復器，與所述三路相關器和定時估計器連接，用于存儲所述三路相關器輸出的三路相關值，并根據所述定時估計器輸出的定時偏差對存儲的三路相關值進行二項式插值，計算出各符號對應的定時恢復后的相關值后發送給信號解調器解調。
2.根據權利要求1所述的定時恢復裝置，其特征在于，所述三路相關器包括準時相關器，與所述累加處理模塊相連，用于在每個符號周期輸出捕獲后準時路的相關值；超前相關器，與所述累加處理模塊相連，用于在每個符號周期輸出捕獲后超前路的相關值；滯后相關器，與所述累加處理模塊相連，用于在每個符號周期輸出捕獲后滯后路的相關值。
3.根據權利要求1所述的定時恢復裝置，其特征在于所述定時恢復器包括存儲器，與所述三路相關器連接，用于存儲所述三路相關器輸出的三路相關值。
4.根據權利要求3所述的定時恢復裝置，其特征在于所述定時恢復器包括信號恢復器，與所述存儲器和所述定時估計器連接，用于根據所述定時估計器輸出的定時偏差，對所述存儲器中保存的三路相關器輸出的相關值進行二項式插值，得到各符號對應的定時恢復后的相關值。
5.根據權利要求4所述的定時恢復裝置，其特征在于所述定時恢復器與所述擴頻通信系統中的信號解調器連接，用于將定時恢復后得到的相關值輸入所述信號解調器進行后續解調。
6.根據權利要求1所述的定時恢復裝置，其特征在于，所述定時估計器包括累加處理模塊，與所述三路相關器相連，用于計算各數據塊的所述三個不同定時偏差對應的相關值的相干累加值或非相干累加值；定時估計模塊，與所述累加處理模塊相連，用于根據累加處理模塊輸出的相干累加值或非相干累加值進行插值計算，獲得各數據塊的定時偏差。
7.根據權利要求6所述的定時恢復裝置，其特征在于，所述累加處理模塊進一步包括數個相干處理器，與所述三路相關器相連，用于將數據塊的相關值進行相位消除和消除符號調制信息，并輸出實部值；數個累加器，與對應的所述數個相干處理器和定時估計器相連，用于將所述輸出的實部值進行累加，并輸出相干累加值。
8.根據權利要求6所述的定時恢復裝置，其特征在于，所述累加處理模塊進一步包括數個非相干處理器，與所述三路相關器相連，用于將所述三路相關器輸出的相關值進行取模或求模方運算，并輸出相關值的模或模方；數個累加器，與對應的所述數個非相干處理器和定時估計器相連，用于將所述相關值的模或模方進行累加，并輸出非相干累加值。
9.一種定時恢復方法，其特征在于，包括步驟1、在擴頻碼捕獲后，在每個符號周期利用三路相關器進行相關運算，將所述三路相關器輸出的三路相關值分成預先設定長度的數據塊后存儲；步驟2、定時估計器對接收到的符號進行數據分塊，并計算相干累加值或非相干累加值，然后通過二項式插值計算出各數據塊的定時偏差估計值，并輸出給定時恢復器；步驟3、定時恢復器根據所述定時估計器輸出的定時偏差估計值對存儲的所述三路相關值進行二項式插值，計算出各符號對應的定時恢復后的相關值后發送給信號解調器解調。
10.根據權利要求9所述的方法，其特征在于，步驟1中所述的在擴頻碼捕獲后在每個符號周期利用三路相關器進行相關運算具體包括在擴頻碼捕獲后，在每個符號周期利用準時相關器、超前相關器以及滯后相關器將本地擴頻碼和與準時路、超前路以及滯后路對應的過采樣信號進行相關運算，并存儲輸出的相關值，所述超前相關器相對于準時相關器以超前Tc/M相位的方式進行相關值計算，所述滯后相關器相對于準時相關器以滯后Tc/M相位的方式進行相關值計算；其中Tc為擴頻碼片寬度，M為一大于等于2的自然數。
11.根據權利要求10所述的方法，其特征在于，步驟1中所述的將所述三路相關器輸出的三路相關值分成預先設定長度的數據塊后存儲具體包括所述定時恢復器將所述三路相關器輸出的三路相關值分成預先設定長度的數據塊后存儲在所述存儲器中。
12.根據權利要求11所述的方法，其特征在于，步驟2中所述的定時估計器對接收到的符號進行數據分塊并計算相干累加值或非相干累加值，具體包括步驟21、在非相干方式下，將獲得的相關值進行取模或求模方運算，并輸出相關值的模或模方；步驟22、將所述相關值的模或模方進行累加，并輸出非相干累加值。
13.根據權利要求11所述的方法，其特征在于，步驟2中所述的定時估計器對接收到的符號進行數據分塊并計算相干累加值或非相干累加值具體包括步驟21’、在相干方式下，將數據塊的相關值進行相位消除和消除符號調制信息，并輸出實部值；步驟22’、將所述輸出的實部值進行累加，并輸出相干累加值。
14.根據權利要求12或13所述的方法，其特征在于，所述步驟3具體包括定時恢復器的信號恢復器根據所述定時估計器輸出的定時偏差估計值，對所述存儲器存儲的三路相關值進行二項式插值，計算出各符號對應的定時恢復后的相關值后發送給信號解調器解調。
全文摘要
一種定時恢復裝置，包括三路相關器；定時估計器，與三路相關器連接；定時恢復器，與三路相關器和定時估計器連接。一種定時恢復方法，包括以下步驟步驟1為將三路相關器輸出的三路相關值分成預先設定長度的數據塊后存儲；步驟2為定時估計器對接收到的符號進行數據分塊并計算相干累加值或非相干累加值，通過二項式插值計算出各數據塊的定時偏差估計值并輸出給定時恢復器；步驟3為定時恢復器根據定時估計器輸出的定時偏差估計值，利用所存儲的三路相關值進行二項式插值，計算出各符號對應的定時恢復后的相關值。本發明能夠應用于突發通信且降低寬帶擴頻信號定時恢復的實現難度。
文檔編號H04B1/69GK1889372SQ20061009952
公開日2007年1月3日 申請日期2006年7月26日 優先權日2006年7月26日
發明者羅武, 劉安, 梁慶林 申請人:北京大學