UHF波段定时同步分析及FPGA仿真与实现

卫星通信天生作为一种应急通信手段被广泛使用在各个通信领域中并已经成为现代社会中一种重要的通信手段，在卫星通信的众多可用频段中，U H F 频段的信号具有一系列独特的特点（1）U H F 频段信号能穿透恶劣的气候、丛林遮蔽和城市环境，进行有效的通信。

(2)U H F 频段频率相对较低，因而可以使天线波束较宽，而传播损耗和多谱勒频移比较小，同时波长较长信号绕射能力因而也较强。

(3)U H F 频段中较低频率部分的电子设备有较高的效率，正是因为这些特点，U H F 频段卫星通信极大地满足了移动通信的要求，对移动用户具有较强的支持力。

U H F 波段中位同步技术是其调制解调中一个关键技术，位同步性能的好坏，直接影响到解调的性能。

本文通过分析U H F 波段中位定时信号的性能和检测技术，采用平方法检测位定时误差，采用内插方法来实现位定时调整，定时同步整体实现方案，并通过F P G A 进行了仿真和实现。

1 定时同步技术及实现方法
一般来讲，位同步技术可以划分为相互联系的两部分：位定时误差检测和位定时调整。

位定时检测指的是根据接收到的信号，提取出位定时误差信息；位定时调整是
指根据检测到的位定时误差，去调整判决
时钟或调整判决时刻的信号样值，达到系统位定时的同步。

在位同步技术的检测中主要有以下两种方法。

1.1 定时误差检测技术
目前常用的位定时误差检测方法有以下几种：早迟门算法：利用匹配滤波器或相关器输出信号的对称特性，通过在早于和迟于理想抽样位置抽样来产生误差信号，其特点是每个符号需要3个样值。

Ga rd ner 算法：是Ga r d n er在1986年提出来的被广泛的应用于许多实际的定时恢复环路中，它有一个显著的特点是对载波相位偏移不敏感，这样可以独立地进行定时恢复的工作。

Mueller & Muller算法：其特点是每符号只需要1个样值，有利于简化硬件设计，但其对载波相位偏移比较敏感，在实际应用中受到较大的限制。

平方位定时误差检测算法(以后简称为平方法)：M a r tin Oerder 和Hein rich Mey r在1988年对其进行了完整的论述，目前广泛地应用在各种数字通信系统中。

这种方法有以下显著优点：适合各种线性调制，非常适合在软件无线电系统中使用；对载波频偏不敏感，可以独立的进行位定时检测；不需判决反馈环路，硬件实现简单。

基于平方法的这些优点，同步误差检测采用此算法。

1.2 定时调整技术
根据接收到的信号，实现系统的位定时同步。

根据对本地时钟处理机制的不同这些方法主要可以分为两类，一类是通过直接改变本地时钟的频率和相位来实现位定时的调整，该方法的优点是技术简单、成熟，但该类方法的缺点是很明显的：首先由于直接控制V C O 时钟的频率和相位，调整起来不方便，准确性不高；其次该方法实现困难，难以采用数字信号处理的办法来实现。

另一类是使用固定的本地时钟而通过改变其它参数来实现位定时的调整。

主要有两种典型的方法：数字锁相环调整方法和内插位定时调整方法。

数字锁相环方法发展时间长、理论成熟、实现简单，在位定时系统中得到较普遍的应用。

内插调整方法根据位定时误差信息，通过控制内插滤波器的参数，采用数字信号处理的办法，直接恢复出所需的信号样值。

2 定时同步的FPGA仿真和实现
综合前面的讨论，采用平方法检测位定时误差，采用内插方法来实现位定时调整，定时同步整体实现方案如图1所示。

实现方案中去除了匹配滤波器，主要是由于图中给出的滤波器为模拟滤波器，实现比较困难，且当系统存在频偏时难以实现“完全匹配”。

2.1 定时同步实现方法
位同步系统整体实现方案如图1所示。

首先将I、Q两路基带数据（来源于数字下变频模块）经内插器后获得每符号4个样点的数据，然后采用平方法检测出位定时误差，根据计算出的值去控制内插器，通过对内插滤波器系数的不同选择获得同步后的信号样值。

同步检测模块主要包括平方运算，傅氏变换模块，K a l m a n 滤波和相位计算模块。

傅氏变换模块的实现结构如下图所
示。

由于1/2arg()m m X επ=
-⨯
，所以如何根据得到的m X 值，计算出arg()m X 是本模
块要实现的功能。

在[/2,/2)ππ- 范围内。

arg()(Im()/Re())X arctg X X = 问题在于反正切函数难以通过硬件直接计算，通常求法有两种：第一种方法是查找反正切函所示。

这种实现方法首先通过一个除法器，求出I m(X)/R e(X)的值，然后根据得到的商查找反正切函数表。

缺点在于：除法运算耗费资源较大，而且如需要得到精确的
UHF波段定时同步分析及FPGA仿真与实现
张振权 樊宏 徐燕红 江涛(9046部队 新疆乌鲁木齐 830001)
摘　要：在卫星通信的众多可用频段中，UHF频段的信号具有频率相对较低，可以使天线波束较宽，而传播损耗和多谱勒频移比较小，同时波长较长信号绕射能力因而也较强；具有设备结构比较简单可靠、多谱勒频移小和费用低等优点。

正是因为这些特点，UHF频段卫星通信极大地满足了移动通信的要求，对移动用户具有较强的支持力。

该文分析了UHF波段中位定时信号的性能和检测技术，采用平方法检测位定时误差，采用内插方法来实现位定时调整、定时同步整体实现方案，并通过FPGA进行了仿真和实现。

关键词：UHF波段 定时同步 FPGA仿真中图分类号:TN919.2 文献标识码：A
文章编号：
1674-098X(2014)03（a）
-0066-02
图1 位同步系统实现方案
图2 位定时误差仿真图（下转68页)
风和新风入口，安装焓值传感器，对新风和排风的焓值分别测量。

夏季档排风焓值比新风焓值低时，焓控制器利用转轮控制器来指挥系统运行。

该文案例中的商场空调制冷器一般为五月到十月，参照商场地区全年的温度和湿度，根据相关公式可以得到制冷器的新风焓值曲线，从而得到此商场制冷器的全热交换器效率变化及回收能量，同理得到商场夏季制热期全热交换器的效率变化和回收能量，最后可分析冬夏两季热回收的总能量。

2.3 空调排风热回收系统负荷的分析
在对空调排风系统因为使用热回收而节约的热能、电能进行分析时，对锅炉燃料消耗的节省和冷水机组功耗的节省可以参照全热交换器节能量的分析进行。

而对于空调系统中的冷却塔、水泵等设备节省能耗的分析比较困难。

本文主要利用能耗模拟软件来对冷却塔、水泵中的设备能耗的变化进行分析，首先分析热回收使用前后系统的负荷变化，从而对各个负荷段运行的时间进行统计，最后分析热回收前后冷水塔、水泵等设备的节省能耗和运行能耗。

一般使用动态能耗模拟软件D e S T来模拟建筑空调能耗。

首先，根据原图纸来建立相关模型，接着参考原来的设计数据来进行相关参数的设置，然后利用D eST软件来开展负荷模拟分析，得到热回收使用前的空调逐时负荷。

一般在横轴上的为热负荷，而冷负荷在横轴下方。

在考虑空调排风热回收时，用上述模拟计算的结果将空调逐时回收的新风负荷减掉，则可以得到热回收使用后空调的逐时负荷。

2.4 空调排风热回收系统应用前后锅炉和设备能耗分析
在对空调排风热回收系统应用前后辅助设备及锅炉的能耗分析时，首先，是水泵等设备所节省的能源消耗的分析。

夏季，当冷水机组的设计容量中的建筑冷负荷的比例分别为0～33%、33%～66%、 66%～100%时，冷却塔和水泵一般开启1
台、2台和3台。

冬季，当锅炉设计容量中的
建筑热负荷比例为0～50%、50%～100%时，
热水泵和锅炉一般开启1台、2台。

冷冻水泵
和热水泵一起用，最多为2台。

根据相关数
据，可以知道空调热回收前后相关辅助设备
有着明显的能源节省，例如夏季辅助设备所
节省的能耗一般为68690k W h，占同时期
冷水机组电耗节省的40%左右。

其次，是空
调热回收增加的能耗分析。

空调全热交换
器的利用会使得系统增加阻力，因此风机
的动力消耗会增加。

本商场采用转轮式全
热交换器，除此外，还会使得设备的驱动电
耗增加。

因为空调机房的面积有限制，在新
排风侧没有安装旁通管，不进行热回收的时
候风机的能源消耗也会增加。

在对风机增
加能耗进行分析时，一般将排风侧和新风
侧分开分析，新风侧的风机能耗一般是因
为热交换器有新风通过时阻力增加而导致
的，排风侧的风机能耗是因为热交换器和中
效过滤段中有排风通过时阻力增加而导致
的。

3 空调排风热回收系统的应用对空气
品质的影响
在空调系统的使用过程中，加强室内换
气、增加室内新风是进行室内空气质量有效
改善的重要方法。

空调排风热回收系统不仅
能将排风中的一部分能量回收，实现有效
节能，还能使得室内新风量大幅度增加，促
使室内空气质量和环境有效改善，提高室内
空气品质。

首先，新风对于室内空气质量改
善、降低病态建筑综合征意义重大。

能够将
室内有味有害的气体有效的稀释，还能利
用相关通风途径带走一定的污染物，使得
室内的二氧化碳等对人体有害的气体和悬
浮颗粒等的浓度降低，因此，空调设计中的
关键之一是新风量，其大小对空调的负荷
大小有重要影响。

与此同时，在保证空调新
风量的同时，还要确保新风的质量，如此才
能实现提高室内空气品质的目的。

其次，因
为新的标准要求空调的新风量需要加大，
而且室内相对湿度的要求较低，因此室内
受到新风的影响非常突出。

空调排风系统
的湿负荷和冷负荷会增加很多，在一些较
热较潮湿的地区，以往的空气处理系统无
法完成。

而以排风热回收为前提，对新风实
施预处理，可以再不增加能耗的同时改善
空气质量。

例如，可以采用通过管道实现排
风进风独立的系统，与空调系统管道分开，
通过独立的管道姜预处理过的新风送到室
内，从而能增加新风量，改善室内空气分布
并提高其质量。

4 结语
随着经济的不断发展，节能降耗成为现
代社会的重要问题，同时越来越对的室内
空气质量问题开始凸显，如果不采取一定的
措施，会对人们的正常生活和健康有严重影
响，采用空调排风热回收，不仅能对排风中
的能量进行回收，还能对新风实施预处理，
能较好的解决上述问题。

本文首先对空调
排风热回收系统的工作原理和节能性能做
了全面的分析，然后以某大型商场为例，有
针对性的分析了空调排风热回收系统的实
际应用，最后总结了排风热回收系统对空气
质量的提升作用，对于现代居民的健康生
活意义重大。

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估计结果需要一个庞大的查找表，这也需消耗较多的硬件资源。

第二种方法是采用C O R DIC坐标旋转算法，通过迭代的方式计算出相位。

这种方法不需要查找表和除法器，且由于是针对低速的基带数据运算，对运算速度要求不高，可以使用低速的串行结构，使用这种算法可以大大减小对硬件资源的消耗。

2.2 定时同步的FPGA的仿真及实现
F P
G A选用A lt e r a公司C y c l o n e II 器件系列的EP2C20F484芯片。

该芯片资源丰富，共有逻辑单元（L E）18752个，R A M 总量239616比特，其中M4K R A M有52块，嵌入式18×18乘法器有26个，锁相环(PLL)4个，可用I/O管脚315个，完全能够满足相应的需求。

利用了Q u a r t u sII软件对定时同步方案进行仿真，仿真结果如图2所示，可以看出，经过若干歩调整后，系统的位定时误差稳定在7(位定时误差用10位二进制补码表示，“7”表示位定时误差为7/512＝1.36％)，可以看到，经过若干歩调
整后系统达到了同步，说明设计结果正确。

3 结语
U H F频段卫星通信极大地满足了移动
通信的要求，对移动用户具有较强的支持
力。

本文分析了U H F波段中位定时信号的
性能和检测技术，采用平方法检测位定时
误差，采用内插方法来实现位定时调整，定
时同步整体实现方案，并通过F P GA进行了
仿真和实现，从仿真结果来看可以达到对
UHF波段位信号的定时同步。

参考文献
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(上接66页）。