UHF波段定時同步分析及FPGA仿真與實現

張振權等

摘 要：在衛星通信的眾多可用頻段中，UHF頻段的信號具有頻率相對較低，可以使天線波束較寬，而傳播損耗和多譜勒頻移比較小，同時波長較長信號繞射能力因而也較強；具有設備結構比較簡單可靠、多譜勒頻移小和費用低等優點。正是因為這些特點，UHF頻段衛星通信極大地滿足了移動通信的要求，對移動用戶具有較強的支持力。該文分析了UHF波段中位定時信號的性能和檢測技術，采用平方法檢測位定時誤差，采用內插方法來實現位定時調整、定時同步整體實現方案，并通過FPGA進行了仿真和實現。

關鍵詞：UHF波段 定時同步 FPGA仿真

中圖分類號：TN919.2 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）03（a）-0066-02

衛星通信天生作為一種應急通信手段被廣泛使用在各個通信領域中并已經成為現代社會中一種重要的通信手段，在衛星通信的眾多可用頻段中，UHF頻段的信號具有一系列獨特的特點（1）UHF頻段信號能穿透惡劣的氣候、叢林遮蔽和城市環境，進行有效的通信。（2）UHF頻段頻率相對較低，因而可以使天線波束較寬，而傳播損耗和多譜勒頻移比較小，同時波長較長信號繞射能力因而也較強。（3）UHF頻段中較低頻率部分的電子設備有較高的效率，正是因為這些特點，UHF頻段衛星通信極大地滿足了移動通信的要求，對移動用戶具有較強的支持力。UHF波段中位同步技術是其調制解調中一個關鍵技術，位同步性能的好壞，直接影響到解調的性能。本文通過分析UHF波段中位定時信號的性能和檢測技術，采用平方法檢測位定時誤差，采用內插方法來實現位定時調整，定時同步整體實現方案，并通過FPGA進行了仿真和實現。

1 定時同步技術及實現方法

一般來講，位同步技術可以劃分為相互聯系的兩部分：位定時誤差檢測和位定時調整。位定時檢測指的是根據接收到的信號，提取出位定時誤差信息；位定時調整是指根據檢測到的位定時誤差，去調整判決時鐘或調整判決時刻的信號樣值，達到系統位定時的同步。在位同步技術的檢測中主要有以下兩種方法。

1.1 定時誤差檢測技術

目前常用的位定時誤差檢測方法有以下幾種：早遲門算法：利用匹配濾波器或相關器輸出信號的對稱特性，通過在早于和遲于理想抽樣位置抽樣來產生誤差信號，其特點是每個符號需要3個樣值。Gardner算法：是Gardner在1986年提出來的被廣泛的應用于許多實際的定時恢復環路中，它有一個顯著的特點是對載波相位偏移不敏感，這樣可以獨立地進行定時恢復的工作。Mueller & Muller算法：其特點是每符號只需要1個樣值，有利于簡化硬件設計，但其對載波相位偏移比較敏感，在實際應用中受到較大的限制。平方位定時誤差檢測算法（以后簡稱為平方法）：Martin Oerder和Heinrich Meyr在1988年對其進行了完整的論述，目前廣泛地應用在各種數字通信系統中。這種方法有以下顯著優點：適合各種線性調制，非常適合在軟件無線電系統中使用；對載波頻偏不敏感，可以獨立的進行位定時檢測；不需判決反饋環路，硬件實現簡單。基于平方法的這些優點，同步誤差檢測采用此算法。

1.2 定時調整技術

根據接收到的信號，實現系統的位定時同步。根據對本地時鐘處理機制的不同這些方法主要可以分為兩類，一類是通過直接改變本地時鐘的頻率和相位來實現位定時的調整，該方法的優點是技術簡單、成熟，但該類方法的缺點是很明顯的：首先由于直接控制VCO時鐘的頻率和相位，調整起來不方便，準確性不高；其次該方法實現困難，難以采用數字信號處理的辦法來實現。另一類是使用固定的本地時鐘而通過改變其它參數來實現位定時的調整。主要有兩種典型的方法：數字鎖相環調整方法和內插位定時調整方法。數字鎖相環方法發展時間長、理論成熟、實現簡單，在位定時系統中得到較普遍的應用。內插調整方法根據位定時誤差信息，通過控制內插濾波器的參數，采用數字信號處理的辦法，直接恢復出所需的信號樣值。

2 定時同步的FPGA仿真和實現

綜合前面的討論，采用平方法檢測位定時誤差，采用內插方法來實現位定時調整，定時同步整體實現方案如圖1所示。實現方案中去除了匹配濾波器，主要是由于圖中給出的濾波器為模擬濾波器，實現比較困難，且當系統存在頻偏時難以實現“完全匹配”。

2.1 定時同步實現方法

位同步系統整體實現方案如圖1所示。首先將I、Q兩路基帶數據（來源于數字下變頻模塊）經內插器后獲得每符號4個樣點的數據，然后采用平方法檢測出位定時誤差，根據計算出的值去控制內插器，通過對內插濾波器系數的不同選擇獲得同步后的信號樣值。同步檢測模塊主要包括平方運算，傅氏變換模塊，Kalman濾波和相位計算模塊。傅氏變換模塊的實現結構如下圖所示。由于，所以如何根據得到的值，計算出是本模塊要實現的功能。在范圍內。問題在于反正切函數難以通過硬件直接計算，通常求法有兩種：第一種方法是查找反正切函所示。這種實現方法首先通過一個除法器，求出Im（X）/Re（X）的值，然后根據得到的商查找反正切函數表。缺點在于：除法運算耗費資源較大，而且如需要得到精確的估計結果需要一個龐大的查找表，這也需消耗較多的硬件資源。第二種方法是采用CORDIC坐標旋轉算法，通過迭代的方式計算出相位。這種方法不需要查找表和除法器，且由于是針對低速的基帶數據運算，對運算速度要求不高，可以使用低速的串行結構，使用這種算法可以大大減小對硬件資源的消耗。

2.2 定時同步的FPGA的仿真及實現

FPGA選用Altera公司Cyclone II 器件系列的EP2C20F484芯片。該芯片資源豐富，共有邏輯單元（LE）18752個，RAM 總量239616比特，其中M4KRAM 有52塊，嵌入式18×18乘法器有26個，鎖相環（PLL）4個，可用I/O管腳315個，完全能夠滿足相應的需求。利用了QuartusII軟件對定時同步方案進行仿真，仿真結果如圖2所示，可以看出，經過若干歩調整后，系統的位定時誤差穩定在7（位定時誤差用10位二進制補碼表示，“7”表示位定時誤差為7/512=1.36%），可以看到，經過若干歩調整后系統達到了同步，說明設計結果正確。

3 結語

UHF頻段衛星通信極大地滿足了移動通信的要求，對移動用戶具有較強的支持力。本文分析了UHF波段中位定時信號的性能和檢測技術，采用平方法檢測位定時誤差，采用內插方法來實現位定時調整，定時同步整體實現方案，并通過FPGA進行了仿真和實現，從仿真結果來看可以達到對UHF波段位信號的定時同步。

參考文獻

[1] 張立新.衛星系統的定位定時系統.空間電子技術，2003（3）：39-42.

[2] 王利眾.UHF波段PLL頻率合成器的設計[J]..太原師范學院學報2011（12）：56-68.

[3] 王磊.Gardner算法在OFDM采樣頻率同步中的應用[J].電子與信息學報，2011（4）：865-868.

[4] 梁千帆，陳建華.UHF頻段衛星通信的現狀與未來發展[J].網絡與應用，2007（6）：27-28.

[5] 宋文政.OFDM定時同步設計與FPGA實現[J].信息工程大學學報[J] 2009（4）：476：479.

[6] 吳慧朋.一種MSK信號符號定時同步算法的FPGA實現[J].電信技術研究，2011（5）：18：22.endprint

摘 要：在衛星通信的眾多可用頻段中，UHF頻段的信號具有頻率相對較低，可以使天線波束較寬，而傳播損耗和多譜勒頻移比較小，同時波長較長信號繞射能力因而也較強；具有設備結構比較簡單可靠、多譜勒頻移小和費用低等優點。正是因為這些特點，UHF頻段衛星通信極大地滿足了移動通信的要求，對移動用戶具有較強的支持力。該文分析了UHF波段中位定時信號的性能和檢測技術，采用平方法檢測位定時誤差，采用內插方法來實現位定時調整、定時同步整體實現方案，并通過FPGA進行了仿真和實現。

關鍵詞：UHF波段 定時同步 FPGA仿真

中圖分類號：TN919.2 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）03（a）-0066-02

衛星通信天生作為一種應急通信手段被廣泛使用在各個通信領域中并已經成為現代社會中一種重要的通信手段，在衛星通信的眾多可用頻段中，UHF頻段的信號具有一系列獨特的特點（1）UHF頻段信號能穿透惡劣的氣候、叢林遮蔽和城市環境，進行有效的通信。（2）UHF頻段頻率相對較低，因而可以使天線波束較寬，而傳播損耗和多譜勒頻移比較小，同時波長較長信號繞射能力因而也較強。（3）UHF頻段中較低頻率部分的電子設備有較高的效率，正是因為這些特點，UHF頻段衛星通信極大地滿足了移動通信的要求，對移動用戶具有較強的支持力。UHF波段中位同步技術是其調制解調中一個關鍵技術，位同步性能的好壞，直接影響到解調的性能。本文通過分析UHF波段中位定時信號的性能和檢測技術，采用平方法檢測位定時誤差，采用內插方法來實現位定時調整，定時同步整體實現方案，并通過FPGA進行了仿真和實現。

1 定時同步技術及實現方法

一般來講，位同步技術可以劃分為相互聯系的兩部分：位定時誤差檢測和位定時調整。位定時檢測指的是根據接收到的信號，提取出位定時誤差信息；位定時調整是指根據檢測到的位定時誤差，去調整判決時鐘或調整判決時刻的信號樣值，達到系統位定時的同步。在位同步技術的檢測中主要有以下兩種方法。

1.1 定時誤差檢測技術

目前常用的位定時誤差檢測方法有以下幾種：早遲門算法：利用匹配濾波器或相關器輸出信號的對稱特性，通過在早于和遲于理想抽樣位置抽樣來產生誤差信號，其特點是每個符號需要3個樣值。Gardner算法：是Gardner在1986年提出來的被廣泛的應用于許多實際的定時恢復環路中，它有一個顯著的特點是對載波相位偏移不敏感，這樣可以獨立地進行定時恢復的工作。Mueller & Muller算法：其特點是每符號只需要1個樣值，有利于簡化硬件設計，但其對載波相位偏移比較敏感，在實際應用中受到較大的限制。平方位定時誤差檢測算法（以后簡稱為平方法）：Martin Oerder和Heinrich Meyr在1988年對其進行了完整的論述，目前廣泛地應用在各種數字通信系統中。這種方法有以下顯著優點：適合各種線性調制，非常適合在軟件無線電系統中使用；對載波頻偏不敏感，可以獨立的進行位定時檢測；不需判決反饋環路，硬件實現簡單。基于平方法的這些優點，同步誤差檢測采用此算法。

1.2 定時調整技術

根據接收到的信號，實現系統的位定時同步。根據對本地時鐘處理機制的不同這些方法主要可以分為兩類，一類是通過直接改變本地時鐘的頻率和相位來實現位定時的調整，該方法的優點是技術簡單、成熟，但該類方法的缺點是很明顯的：首先由于直接控制VCO時鐘的頻率和相位，調整起來不方便，準確性不高；其次該方法實現困難，難以采用數字信號處理的辦法來實現。另一類是使用固定的本地時鐘而通過改變其它參數來實現位定時的調整。主要有兩種典型的方法：數字鎖相環調整方法和內插位定時調整方法。數字鎖相環方法發展時間長、理論成熟、實現簡單，在位定時系統中得到較普遍的應用。內插調整方法根據位定時誤差信息，通過控制內插濾波器的參數，采用數字信號處理的辦法，直接恢復出所需的信號樣值。

2 定時同步的FPGA仿真和實現

綜合前面的討論，采用平方法檢測位定時誤差，采用內插方法來實現位定時調整，定時同步整體實現方案如圖1所示。實現方案中去除了匹配濾波器，主要是由于圖中給出的濾波器為模擬濾波器，實現比較困難，且當系統存在頻偏時難以實現“完全匹配”。

2.1 定時同步實現方法

位同步系統整體實現方案如圖1所示。首先將I、Q兩路基帶數據（來源于數字下變頻模塊）經內插器后獲得每符號4個樣點的數據，然后采用平方法檢測出位定時誤差，根據計算出的值去控制內插器，通過對內插濾波器系數的不同選擇獲得同步后的信號樣值。同步檢測模塊主要包括平方運算，傅氏變換模塊，Kalman濾波和相位計算模塊。傅氏變換模塊的實現結構如下圖所示。由于，所以如何根據得到的值，計算出是本模塊要實現的功能。在范圍內。問題在于反正切函數難以通過硬件直接計算，通常求法有兩種：第一種方法是查找反正切函所示。這種實現方法首先通過一個除法器，求出Im（X）/Re（X）的值，然后根據得到的商查找反正切函數表。缺點在于：除法運算耗費資源較大，而且如需要得到精確的估計結果需要一個龐大的查找表，這也需消耗較多的硬件資源。第二種方法是采用CORDIC坐標旋轉算法，通過迭代的方式計算出相位。這種方法不需要查找表和除法器，且由于是針對低速的基帶數據運算，對運算速度要求不高，可以使用低速的串行結構，使用這種算法可以大大減小對硬件資源的消耗。

2.2 定時同步的FPGA的仿真及實現

FPGA選用Altera公司Cyclone II 器件系列的EP2C20F484芯片。該芯片資源豐富，共有邏輯單元（LE）18752個，RAM 總量239616比特，其中M4KRAM 有52塊，嵌入式18×18乘法器有26個，鎖相環（PLL）4個，可用I/O管腳315個，完全能夠滿足相應的需求。利用了QuartusII軟件對定時同步方案進行仿真，仿真結果如圖2所示，可以看出，經過若干歩調整后，系統的位定時誤差穩定在7（位定時誤差用10位二進制補碼表示，“7”表示位定時誤差為7/512=1.36%），可以看到，經過若干歩調整后系統達到了同步，說明設計結果正確。

3 結語

UHF頻段衛星通信極大地滿足了移動通信的要求，對移動用戶具有較強的支持力。本文分析了UHF波段中位定時信號的性能和檢測技術，采用平方法檢測位定時誤差，采用內插方法來實現位定時調整，定時同步整體實現方案，并通過FPGA進行了仿真和實現，從仿真結果來看可以達到對UHF波段位信號的定時同步。

參考文獻

[1] 張立新.衛星系統的定位定時系統.空間電子技術，2003（3）：39-42.

[2] 王利眾.UHF波段PLL頻率合成器的設計[J]..太原師范學院學報2011（12）：56-68.

[3] 王磊.Gardner算法在OFDM采樣頻率同步中的應用[J].電子與信息學報，2011（4）：865-868.

[4] 梁千帆，陳建華.UHF頻段衛星通信的現狀與未來發展[J].網絡與應用，2007（6）：27-28.

[5] 宋文政.OFDM定時同步設計與FPGA實現[J].信息工程大學學報[J] 2009（4）：476：479.

[6] 吳慧朋.一種MSK信號符號定時同步算法的FPGA實現[J].電信技術研究，2011（5）：18：22.endprint

摘 要：在衛星通信的眾多可用頻段中，UHF頻段的信號具有頻率相對較低，可以使天線波束較寬，而傳播損耗和多譜勒頻移比較小，同時波長較長信號繞射能力因而也較強；具有設備結構比較簡單可靠、多譜勒頻移小和費用低等優點。正是因為這些特點，UHF頻段衛星通信極大地滿足了移動通信的要求，對移動用戶具有較強的支持力。該文分析了UHF波段中位定時信號的性能和檢測技術，采用平方法檢測位定時誤差，采用內插方法來實現位定時調整、定時同步整體實現方案，并通過FPGA進行了仿真和實現。

關鍵詞：UHF波段 定時同步 FPGA仿真

中圖分類號：TN919.2 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）03（a）-0066-02

衛星通信天生作為一種應急通信手段被廣泛使用在各個通信領域中并已經成為現代社會中一種重要的通信手段，在衛星通信的眾多可用頻段中，UHF頻段的信號具有一系列獨特的特點（1）UHF頻段信號能穿透惡劣的氣候、叢林遮蔽和城市環境，進行有效的通信。（2）UHF頻段頻率相對較低，因而可以使天線波束較寬，而傳播損耗和多譜勒頻移比較小，同時波長較長信號繞射能力因而也較強。（3）UHF頻段中較低頻率部分的電子設備有較高的效率，正是因為這些特點，UHF頻段衛星通信極大地滿足了移動通信的要求，對移動用戶具有較強的支持力。UHF波段中位同步技術是其調制解調中一個關鍵技術，位同步性能的好壞，直接影響到解調的性能。本文通過分析UHF波段中位定時信號的性能和檢測技術，采用平方法檢測位定時誤差，采用內插方法來實現位定時調整，定時同步整體實現方案，并通過FPGA進行了仿真和實現。

1 定時同步技術及實現方法

一般來講，位同步技術可以劃分為相互聯系的兩部分：位定時誤差檢測和位定時調整。位定時檢測指的是根據接收到的信號，提取出位定時誤差信息；位定時調整是指根據檢測到的位定時誤差，去調整判決時鐘或調整判決時刻的信號樣值，達到系統位定時的同步。在位同步技術的檢測中主要有以下兩種方法。

1.1 定時誤差檢測技術

目前常用的位定時誤差檢測方法有以下幾種：早遲門算法：利用匹配濾波器或相關器輸出信號的對稱特性，通過在早于和遲于理想抽樣位置抽樣來產生誤差信號，其特點是每個符號需要3個樣值。Gardner算法：是Gardner在1986年提出來的被廣泛的應用于許多實際的定時恢復環路中，它有一個顯著的特點是對載波相位偏移不敏感，這樣可以獨立地進行定時恢復的工作。Mueller & Muller算法：其特點是每符號只需要1個樣值，有利于簡化硬件設計，但其對載波相位偏移比較敏感，在實際應用中受到較大的限制。平方位定時誤差檢測算法（以后簡稱為平方法）：Martin Oerder和Heinrich Meyr在1988年對其進行了完整的論述，目前廣泛地應用在各種數字通信系統中。這種方法有以下顯著優點：適合各種線性調制，非常適合在軟件無線電系統中使用；對載波頻偏不敏感，可以獨立的進行位定時檢測；不需判決反饋環路，硬件實現簡單。基于平方法的這些優點，同步誤差檢測采用此算法。

1.2 定時調整技術

根據接收到的信號，實現系統的位定時同步。根據對本地時鐘處理機制的不同這些方法主要可以分為兩類，一類是通過直接改變本地時鐘的頻率和相位來實現位定時的調整，該方法的優點是技術簡單、成熟，但該類方法的缺點是很明顯的：首先由于直接控制VCO時鐘的頻率和相位，調整起來不方便，準確性不高；其次該方法實現困難，難以采用數字信號處理的辦法來實現。另一類是使用固定的本地時鐘而通過改變其它參數來實現位定時的調整。主要有兩種典型的方法：數字鎖相環調整方法和內插位定時調整方法。數字鎖相環方法發展時間長、理論成熟、實現簡單，在位定時系統中得到較普遍的應用。內插調整方法根據位定時誤差信息，通過控制內插濾波器的參數，采用數字信號處理的辦法，直接恢復出所需的信號樣值。

2 定時同步的FPGA仿真和實現

綜合前面的討論，采用平方法檢測位定時誤差，采用內插方法來實現位定時調整，定時同步整體實現方案如圖1所示。實現方案中去除了匹配濾波器，主要是由于圖中給出的濾波器為模擬濾波器，實現比較困難，且當系統存在頻偏時難以實現“完全匹配”。

2.1 定時同步實現方法

位同步系統整體實現方案如圖1所示。首先將I、Q兩路基帶數據（來源于數字下變頻模塊）經內插器后獲得每符號4個樣點的數據，然后采用平方法檢測出位定時誤差，根據計算出的值去控制內插器，通過對內插濾波器系數的不同選擇獲得同步后的信號樣值。同步檢測模塊主要包括平方運算，傅氏變換模塊，Kalman濾波和相位計算模塊。傅氏變換模塊的實現結構如下圖所示。由于，所以如何根據得到的值，計算出是本模塊要實現的功能。在范圍內。問題在于反正切函數難以通過硬件直接計算，通常求法有兩種：第一種方法是查找反正切函所示。這種實現方法首先通過一個除法器，求出Im（X）/Re（X）的值，然后根據得到的商查找反正切函數表。缺點在于：除法運算耗費資源較大，而且如需要得到精確的估計結果需要一個龐大的查找表，這也需消耗較多的硬件資源。第二種方法是采用CORDIC坐標旋轉算法，通過迭代的方式計算出相位。這種方法不需要查找表和除法器，且由于是針對低速的基帶數據運算，對運算速度要求不高，可以使用低速的串行結構，使用這種算法可以大大減小對硬件資源的消耗。

2.2 定時同步的FPGA的仿真及實現

FPGA選用Altera公司Cyclone II 器件系列的EP2C20F484芯片。該芯片資源豐富，共有邏輯單元（LE）18752個，RAM 總量239616比特，其中M4KRAM 有52塊，嵌入式18×18乘法器有26個，鎖相環（PLL）4個，可用I/O管腳315個，完全能夠滿足相應的需求。利用了QuartusII軟件對定時同步方案進行仿真，仿真結果如圖2所示，可以看出，經過若干歩調整后，系統的位定時誤差穩定在7（位定時誤差用10位二進制補碼表示，“7”表示位定時誤差為7/512=1.36%），可以看到，經過若干歩調整后系統達到了同步，說明設計結果正確。

3 結語

UHF頻段衛星通信極大地滿足了移動通信的要求，對移動用戶具有較強的支持力。本文分析了UHF波段中位定時信號的性能和檢測技術，采用平方法檢測位定時誤差，采用內插方法來實現位定時調整，定時同步整體實現方案，并通過FPGA進行了仿真和實現，從仿真結果來看可以達到對UHF波段位信號的定時同步。

參考文獻

[1] 張立新.衛星系統的定位定時系統.空間電子技術，2003（3）：39-42.

[2] 王利眾.UHF波段PLL頻率合成器的設計[J]..太原師范學院學報2011（12）：56-68.

[3] 王磊.Gardner算法在OFDM采樣頻率同步中的應用[J].電子與信息學報，2011（4）：865-868.

[4] 梁千帆，陳建華.UHF頻段衛星通信的現狀與未來發展[J].網絡與應用，2007（6）：27-28.

[5] 宋文政.OFDM定時同步設計與FPGA實現[J].信息工程大學學報[J] 2009（4）：476：479.

[6] 吳慧朋.一種MSK信號符號定時同步算法的FPGA實現[J].電信技術研究，2011（5）：18：22.endprint