基于Gardner位定时同步算法

1.1位同步算法

在软件无线电接收机中，要正确的恢复出发送端所携带的信号，接收端必须知道每个码元的起止时刻，以便在每个码元的中间时刻进行周期性的采样判决恢复出二进制信号[43]。信号在传播过程中的延时一般是未知的，而且由于传输过程中噪声、多径效应等影响，造成接收到的信号与本地时钟信号不同步，这就需要位同步算法，恢复出与接收码元同频同相的时钟信号。正确的同步时钟是接收端正确判断的基础，也是影响系统误码率的重要因素；没有准确的位同步算法，就不可能进行可靠的数据传输，位同步性能的好坏直接影响整个通信系统的性能[44]。实现位同步算法的种类很多，按照处理方式的不同可分为模拟方式、半数字方式和全数字方式如图3-10所示。

a)

b)

c)

图3-10 位同步算法模型

Fig.3-10 Bit Synchronous Algorithm Model

图3-10(a)模型为全模拟位同步实现技术，通过在模拟域计算出输入信号的位同步定时控制信号去控制本地时钟，对信号进行同步采样。图3-10(b)模型为半模拟同步模型，该模型的主要思想是通过将采样后的信号经过一系列的数字化处理，提取出输入信号与本地时钟的偏差值，通过这个偏差来改变本地时钟的相位达到位同步。(a)(b)两种方式都需要适时改变本地时钟的相位，不利于高速数字信号的实现且集成化程度较低。图3-10(c)为全数字方式的位同步是目前比较常用方法，全数字方式的位同步算法十分适用于软件无线电的实现。该方法通过

一个固定的本地时钟对输入的模拟信号进行采样，将采样后的信号经过全数字化的处理实现同步；采用此种方法，实现简单，且便于数字化实现，对本地时钟的要求大大降低。本次设计主要分析了基于内插方式的Gardner 定时恢复算法。

1.1.1 Gardner 定时恢复算法原理

Gardner 定时恢复算法是基于内插的位同步方式，全数字方式的位同步算法模型中，固定的本地采样时钟不能保证能在信号的极值点处实现采样，所以需要通过改变重采样时钟或输入信号来实现极值处采样[45-46]

。Gardner 定时恢复算法就是通过改变输入信号的方式实现，利用内插滤波器恢复出信号的最大值再进行重采样，算法原理如图3-11所示。

采样时钟T i

图3-11 Gardner 定时恢复算法原理

Fig.3-11 Gardner Timing Recovery Theory

输入信号为离散信号x(mT s )，采样率为T s ，符号周期为T ，重采样时钟为T i ，这里的重采样时钟周期T i =n*T(n 为一小整数)。Gardner 定时恢复算法的基本思想就是，输入信号x(mT s )经过一个D/A 器件和一个模拟滤波器h(t)，将数字信号恢复为模拟信号y(t)进行重采样，得到同步的输出信号y(kT i )。插值滤波器模型中包含了虚拟的D/A 变换和模拟滤波器，但是只要具备下面三个条件，则内插完全可以通过数字方式实现。

① 输入采样序列x(mTs)

② 内插滤波器脉冲响应h(t)

③ 输入采样时间Ts 和输出采样时间Ti

也就是说，图中的D/A 以及模拟滤波器都可以通过设计数字内插滤波器的方式实现。这里T s 和T i 为固定的两个变量，T s /T i 不一定为整数，为表示出它们之间的变换过程，通过换算得到T i 和T s 的关系如公式(3-4)所示

s k k s

i s i T u m T T k T kT )()(+== (3-4) m k 为比值的整数部分，可看做一个基本指针，表示了本地重采样时钟T i 对采样率为T s 的输入信号的整数倍重采样时刻，而u k 为比值的分数部分，指示了滤波器对输入信号的插值时刻。一种典型的Gardner 定时恢复算法结构框图如图3-12所示。

图3-12 Gardner 定时恢复算法模型

Fig.3-12 Gardner Timing Recovery Model

符号速率为T 的模拟输入信号x(t)经过本地固定时钟周期T s 采样后变为离散信号x(mT s )（T s 与T 满足奈奎斯特基本采样定律）。经过插值滤波器得出的值送入定时误差检测器得出输入信号与本地时钟的相位误差τ(n)，再通过一个环路滤波器滤除其中的噪声及高频成分，将得到的值e(n)送入数控振荡器计算出整数采样时刻m k 和插值滤波器插值点位置u k 从而得到定时输出y(kT i )。

从图3-12中可以看出一个完整的定时恢复算法主要由定时误差检测器、环路滤波器、数控振荡器和插值滤波器组成。其中环路滤波器与前一章中载波同步算法的环路滤波器设计方法相同。这里主要介绍其他模块的设计方法。

1.1.2 定时误差检测器

定时误差检测器采用一种非数据辅助的误差检测算法(Gardner 定时误差检测算法)，内插后的信号每个符号内需要两个重采样点，一个点对应信号的最佳

采样点；另一个为最佳采样点中间时刻的内插值。定时误差计算公式为：

)]1()([)2/1()(--⋅-=n y n y

n y n τ (3-5)

式中，

τ(n)为定时误差检测值；y(n)为信号的采样值；n 为第n 个符号，输出信号的周期为T i 。由(3-5)式可以看出，Gardner 算法只需要每个符号周期内的两个采样值，因此取T i =T/2即可满足算法要求。定时误差检测算法示意图如图3-13所示。

采样点y(n)

y(n-1/2)

采样点中间采样点y(n-1/2)

y(n)

a)

b)c)图3-13 定时误差检测

Fig.3-13 Timing Error Detecter

该算法具有明显的物理含义。在没有定时误差时，如果有符号转换，则平均的中间采样点应该为零。反之，中间采样点的值不为零，其大小取决于定时误差的大小，或者说中间采样点的值表示了定时误差的大小，但它不能表示定时误差的方向（超前或滞后）。为了表示定时误差的方向，算法考虑中间采样点两边判决点的差值。如果有符号转换，则该差值的符号就表示了定时误差的方向。这样两者的乘积就完全确定了定时误差的大小和方向。如果没有符号转换，则两边采样点的差为零，此时不能获取定时信息。图3-13(a)中表示了当本地采样时钟与插值滤波器输出值同步时，定时误差检测器的采样值；同步时，两个极值采样点均为最大值，中间采样点的值为0，这时环路滤波器的输出值为0表示本地时钟已经与信号同步。(b)图中，表示本地时钟超前的情况，本地时钟超前，则在中间采样点的值为正，表示本地时钟比信号超前，需要内插滤波器向后插值。(c)图中，表示本地时钟比信号滞后，滞后的结果是中间时刻采样点的值为负，需要内插滤波器向前进行插值处理。

1.1.3 NCO 模块设计

对于数控振荡器NCO 的设计，由于NCO 只是用于计算插值点的有效位置，也就不需要采用在ROM 表中预存输出波形的采样值。可以根据输入信号来实时产生输出信号脉冲和差值点。NCO 计算原理如下图所示

t

N C O 寄存器深度

图3-14 NCO 原理图

Fig.3-14 NCO Schematic Diagram

NCO 用于对以T s 为采样时钟的输入信号进行抽样。因而NCO 的工作时钟与输入信号的工作时钟一致也为T s ，而生成的重采样周期应该与输入信号的符号率同步为T i 。每次NCO 寄存器溢出一次则表示要执行一次重采样操作。每次NCO 寄存器过零点的时刻(m k +1)T s 便是内插滤波器进行一次运算的时刻（总是位于内插估计点位置的后一个T s 整点采样时刻）。NCO 寄存器深度为1，假设当前样点m k T s 时刻NCO 寄存器的值为η(m k )，环路滤波器输出的控制字为W(m k )，表示每次递减的步进为W(m k )，用差分公式可表示为

]1mod[)]()([)1(k k k m W m m -=+ηη

当η(m k )