數(shù)字衛(wèi)星廣播系統(tǒng)采樣時鐘同步方法

劉斌彬， 葛啟宏， 王秋生， 曹曉衛(wèi)

（北京泰美世紀科技有限公司，北京 100097）

0 引言

數(shù)字衛(wèi)星廣播除了頻率和功率利用率高、抗噪聲和干擾能力強、支持數(shù)據(jù)和多媒體業(yè)務之外，最大的特點就是覆蓋面廣[1]。特別是對于幅員遼闊、地理環(huán)境多樣、人口分布不均的中國，數(shù)字衛(wèi)星廣播在國家信息基礎設施建設和國家信息安全戰(zhàn)略中具有重要地位。

在數(shù)字衛(wèi)星廣播系統(tǒng)中，接收機需要對接收到的連續(xù)信號進行采樣。然而，接收機的數(shù)模轉換器（ADC）的采樣時鐘與發(fā)射機不可能具有完全相同的頻率和相位。對于正交頻分復用（OFDM）系統(tǒng)，采樣偏差會導致頻域上子載波不再正交，造成子載波間串擾（ICI）[2-3]。而單載波系統(tǒng)對采樣同步的要求更為嚴格，即需要采樣位置位于眼圖最大處，以獲得盡可能好的信干噪比（SINR）[4-5]。

針對數(shù)字衛(wèi)星廣播系統(tǒng)的采樣時鐘偏差問題，提出了一種采樣頻率和相位同步方法，并對其中的Farrow濾波器、遲早門和采樣頻率控制等關鍵算法進行了詳細闡述，最后給出了實驗性能及分析。

1 系統(tǒng)概述

在數(shù)字衛(wèi)星廣播系統(tǒng)中，信號幀由幀頭和負載構成，長度為300 000點，如圖1所示。其中同步頭由幀標識、同步序列、控制字和循環(huán)冗余校驗（CRC）構成，負載由若干數(shù)據(jù)段構成。系統(tǒng)的時鐘頻率為30 MHz。

圖1 信號幀結構

同步序列由一個偽隨機序列經(jīng)過 BPSK星座映射后生成，長度為18 432點。偽隨機序列由圖2所示的m序列生成器產(chǎn)生，生成多項式為x15+x12+x11+x9+x7+x5+x3+1，移位寄存器初始值為101010100101010。m序列生成器的移位時鐘與系統(tǒng)時鐘同步，且頻率相同。在每個信號幀同步頭的開始，移位寄存器復位為初始值。

2 采樣時鐘同步

采樣時鐘同步結構如圖3所示。其中關鍵的模塊主要有Farrow濾波器、遲早門和采樣頻偏控制，下面對其算法進行詳細闡述。

圖3 采樣時鐘同步結構

2.1 Farrow濾波器

ADC對接收到的連續(xù)信號進行3倍過采樣，得到過采樣序列s(n)。Farrow濾波器根據(jù)采樣頻偏值，對s(n)進行插值處理，得到采樣頻率變換后的過采樣序列r(n)。

濾波器采用二階拋物線內插，如圖4所示。要得到內插值r(n)，首先需要找準插值點的位置

其中mn為整數(shù)，μn為小數(shù)。四個濾波器系數(shù)：C-1= 0.5μn2-0.5μn，C0= -0.5μn2- 0.5μn+ 1，C1= -0.5μn2+ 1.5μn，C2=0.5μn2- 0.5μn，輸出的內插值為[6-7]：

根據(jù)采樣頻偏值 ΔfS和當前插值點的位置，可以估算出下一插值點的位置：

圖4 二階拋物線內插

2.2 遲早門

根據(jù)信號幀結構和同步序列的位置，在過采樣序列r(n)中提取出同步序列，并分成6段。每一段的長度為9 228點，記為qi(n), i = 0,1,2,…,5, n = 0,1,2,…,9 227。分段的數(shù)目和長度可以根據(jù)所需對抗的噪聲干擾強度和載波頻偏值進行折衷選擇。

通過延遲和3倍下采樣，得到單倍采樣的早門信號pe(k)和遲門信號pl(k)：

將早門信號和遲門信號分別與對應的本地同步序列SYNi(k)進行互相關：

對互相關值Se和Sl分別求第一范數(shù)：

其中函數(shù)real ( )和imag ( )分別表示取實部和虛部。采樣誤差可以由ai和bi的對稱度得到[8]。通過對同一個信號幀中的6個采樣誤差取平均，對采樣誤差進行降噪，得到更準確的采樣誤差值：

2.3 采樣頻偏控制

若采樣誤差| e |小于閥值T = 0.1，則不對采樣頻偏ΔfS進行調整。

若采樣誤差| e |大于閥值T，則采樣頻偏ΔfS首先在原有值的基礎上進行一次臨時性的粗調整，控制Farrow濾波器實現(xiàn)采樣相位的同步。

其中上標j為調整次數(shù)，ΔfL(e)為粗調整值，是采樣誤差e的函數(shù)：

經(jīng)過一個信號幀的時間后，將采樣頻偏 ΔfS恢復為原有值，然后在原有值的基礎上進行一次永久性的微調整，控制Farrow濾波器實現(xiàn)采樣頻率的同步。

其中ΔfM為微調整值，取ΔfM= 0.05×106。

考慮到整個環(huán)路可能有一定的延時，在進行完采樣頻偏微調整后可以等待一定的時間。

3 實驗性能

當接收信號的信噪比為-20 dB，載波頻偏為3 kHz，A/D的頻率穩(wěn)定度為1×106時，進行200次采樣頻偏調整后的采樣誤差值如圖5所示?？梢钥闯?，環(huán)路可以在50次采樣頻偏調整（約1.5秒）之內達到穩(wěn)定，且采樣誤差可以控制在0.1（小于0.1個采樣點）之內。這說明該方法能夠在高強度噪聲干擾和較大載波頻偏環(huán)境下，快速準確的實現(xiàn)采樣時鐘同步。

圖5 200次采樣頻偏調整后的采樣誤差值

4 結語

針對數(shù)字衛(wèi)星廣播系統(tǒng)的采樣時鐘偏差問題，提出了一種采樣頻率和相位同步方法。該方法利用遲早門進行采樣誤差估計，并通過采樣頻偏調整環(huán)路控制Farrow濾波器進行插值處理，實現(xiàn)采樣頻率和相位同步。實驗結果表明，該方法能夠在高強度噪聲干擾和較大載波頻偏環(huán)境下，快速準確的實現(xiàn)采樣時鐘同步。該方法還可以廣泛應用于數(shù)字地面廣播、數(shù)字移動廣播等多個領域。

[1] 程曉軍, 湯恒勝, 陸建華, 等. DVB-S數(shù)據(jù)廣播系統(tǒng)的設計與性能分析[J]. 通信技術, 2008, 41(05)： 1-3.

[2] 王侃, 李存永. 時頻同步誤差對OFDM系統(tǒng)性能的影響[J]. 通信技術, 2009, 42(02)： 71-73.

[3] 劉元, 彭端, 陳楚. 基于導頻的OFDM時鐘采樣頻偏估計[J]. 通信技術, 2008, 41(02)： 20-21.

[4] 田文華, 李宏偉, 鄧冬虎. 同步偏差對MPAM和MQAM性能的影響[J].通信技術, 2009, 42(07)： 4-6.

[5] 石明軍, 鄧名桂, 肖立民,等. 一種新的數(shù)字調制信號符號率估計和同步算法[J]. 通信技術, 2009, 42(01)： 30-32.

[6] GARDNER F. Interpolation in Digital Modems-Part I：Fundamentals[J]. IEEE Transaction on Communications, 1993,41(03)： 501-507.

[7] ERUP L, GARDNER F, HARRIS R. Interpolation in Digital Modems-Part II： Implementation and Performance[J]. IEEE Transaction on Communications, 1993, 41(06)： 998-1008.

[8] SIMON M, OMURA J, SCHOLTZ R, et al. Spread Spectrum Communications Handbook[M]. New York： McGraw-Hill, 1994.