无线通信-数字通信系统中的符号时钟恢复技术

数字通信系统中的符号时钟恢复技术

宋雪桦1 潘波2

（1江苏大学计算机与通信工程学院；2江苏大学理学院，江苏 镇江212013）

摘要：在数字通信系统中，由于有高斯噪声和多径的影响，接收信号产生损失，从而导致时钟信号的提取更加困难，而时钟信号的不准确性会降低整个系统的性能。本文我们给出一种改进的时钟恢复算法原理，算法主要包含简单有效的插值滤波模块，改进的Gardener 算法和快速收敛的PLL。该算法可以适用于宽带无线通信系统中的数字接收机中，采用该算法的数字接收系统已经用FPGA验证通过。

关键词：时钟恢复，改进Gardener算法，环路滤波，插值滤波，正交幅度调制

中国分类号：TN914 文献标识码：A

Timing Recovery In Digital Communication Systems

Song xuehua1, Pan bo2

(1.College of Computer Science and Communication Engineering, Jiangsu University,

2. Faculty of Science, Jiangsu University, Zhenjiang 212013,CHINA)

Abstract: In digital communication systems, since the signal of the receiver is disturbed by the Gauss noise and multipath interference, it is difficult to detect the timing of the transmitted data symbol. The inaccurate timing will decrease the system performance. A new asynchronous symbol timing recovery scheme is proposed for a 64QAM receiver in this paper. The scheme includes a simplified and efficient interpolation filter, an improved Gardener method and a fast converging PLL. The scheme can be applied to wideband wireless communication and a system including timing recovery has been verified by an FPGA-based prototype with real data. Key words: Timing Recovery, Improver Gardener Interpolation Filter, PLL, QAM

1引言

在数字通信系统中，时钟同步技术非常重要。接收机中的符号速率必须和发射机中的符号速率一致，才能实现正确的解调。时钟恢复算法就是从接收到的数字信号中提取时钟信息来调整接收机的符号时钟频率，实现收、发符号时钟匹配。传统的模拟同步是通过调整A/D转换器的采样时钟来实现接收机和发射机时钟同步，这种方法也称同步时钟恢复算法。本文我们提出的方法属于异步时钟恢复算法。接收机的A/D采样时钟频率固定，当信号经过时钟恢复模块后，信号不仅被插值到理想的采样点，而且对应的时钟频率也调整到和发射端匹配。和传统的时钟恢复算法相比，这种异步时算法具有很多优越性。首先异步时钟恢复算法比同步的跟踪和同步时间短，因为传统同步算法从信号输入到反馈调整采样频率需要经过多个功能模块，如数字下变频器，匹配滤波器等，而异步时钟恢复算法只是在时钟恢复模块内调整时钟频率，反应快，跟踪和同步时间短。其次异步时钟恢复算法能够根据计算出来时钟频率和相位的偏差，自动调整时钟信号，调整范围大而且硬件实现简单。此外随着超大规模集成电路和高速信号处理技术的迅速发展，也使得这种全数字的异步时钟恢复算法实现的成本和硬件代价进一步降低。现在采用异步时钟恢复算法的解调器也越来越多。

本文提出了适用于QAM解调系统的改进异步时钟恢复算法包括改进的Gardener时钟误差检测算法[1]，环路滤波和插值滤波。时钟恢复算法处理速率是符号速率的偶数倍，本文采用符号速率的两倍，用synopsys公司CCSS仿真平台进行了仿真，同时通过了FPGA验证。

2、改进的异步时钟恢复算法

图2是数字接收系统的方框图。虚线部分为异步时钟恢复模块，它是一种反馈结构，接收机中的输入信号是中频模拟信号，用A/D转换器使之变成数字信号，经过下变频器后生成I、Q两路基带信号。然后通过匹配滤波器，输入到时钟恢复模块，其信号频率为符号频

率的两倍，经过时钟恢复后产生插值信号和变速率的时钟信号，然后经过两倍抽取模块，信号变为符号频率，实现了和发射端平均符号频率匹配。为了克服信道上的多径效应和频率的偏移，信号还需进行载波恢复和自适应均衡算法，最后通过判决器输出解调信号。

2.1改进的时钟误差检测

通常时钟误差检测都是采用Gardner 在文章[2]中提出的方法。

)}2/1()]()1({[−−−ℜ=∗k y k y k y e k （1）

其中k 是第k 个符号，2/1−k 是介于第k 个和第1−k

个符号之间的采样点。)(k y 是第k 个符号的采样信号。)(k y 是由I、Q 两路信号组成，为复信号。)(k y •

表示对它取共轭信号。}{⋅ℜ表示对复信号求实部。)(k y 称为主符号信号，将用它来进行下个模块的处理。)2/1(−k y 称为中间符号信号，通过两倍抽取模块，这个信号将不传递到下一个模块。

经过研究表明 [1]

：对频带有限信号，Gardner 算法将产生固有噪声，从而影响系统跟踪和同步的时间，因而本文我们采用改进的Gardner 算法。 ⎪⎩⎪⎨⎧−−−ℜ−−−−ℜ=∗∗)}2/1()]()1({[)}2/1()]()1({[k y k y k y k y k y k y e k )

/tan()]()1([)]()1([)/tan()]

()1([)]()1([M k y k y k y k y M k y k y k y k y ππ∗∗∗∗−ℑ>−ℜ−ℑ≤−ℜ当当 （2） 其中][⋅ℑ表示对复信号求虚部，}{⋅ℜ表示

对复信号求实部。

图二是测试采用Gardner 算法和改进的

Gardner 算法对时钟恢复的影响，细线代表

改进的Gardner 算法，粗线代表Gardner 算

法。从图中可以看出，改进的Gardner 算法

定时抖动性能要优于原有的Gardner 算法。

图一 基于异步时钟恢复算法的全数字接收系统

图二 基于Gardener 和改进Gardener 算法时钟同步系统