CN101170398B - 一种基于压控晶体振荡器的大动态范围的快速时钟恢复*** - Google Patents
一种基于压控晶体振荡器的大动态范围的快速时钟恢复*** Download PDFInfo
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Abstract
一种基于压控晶体振荡器的大动态范围的快速时钟恢复***,所述的时钟恢复***置于载波同步环路之前,它包括:模数转换ADC、成型滤波器、定时误差检测器TED、环路滤波器LF、控制信号发生器CSG、压控晶体振荡器VCXO,其中TED根据成型滤波器的输出数据计算出鉴相误差信号P值,然后对连续的两个鉴相误差信号P值进行差分处理,将乘法因子与差分处理结果相乘,并将相乘结果送入环路滤波器LF,直到捕获采样频率偏移,最后将鉴相误差信号P值送入环路滤波器LF,实现采样频率偏移跟踪。经过环路不断的修正,VCXO的振荡频率最终与发送端采样时钟锁定,实现时钟恢复。本发明具有动态范围宽,时钟恢复快速的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种通信信号的时钟恢复***,特别是采用基于压控晶体振荡器(VCXO)的模数混合方式的时钟恢复***。
背景技术
在通信***中,发送端和接收端的时钟失配(mismatch)会导致接收机解调时出现符号间干扰(Inter-symbol Interference,ISI),并严重降低***性能,所以必须在接收端完成时钟恢复,以消除或缓解ISI。时钟恢复的原理是,首先从接收信号中提取定时信息,然后利用该定时信息再生出采样时钟或者采样数据,从而实现时钟恢复。时钟恢复主要有三种方式:模拟方式、模数混合方式(如图1所示)、数字方式(如图2所示)。模拟方式一般出现在早期的接收机应用中,它对环境因素敏感,实现复杂度相对较高。当前的接收机大多采用模数混合方式或数字方式实现时钟恢复。数字方式恢复出的是采样数据,并没有重建采样时钟,所以在需要采样时钟的场合下该方法的应用受到限制。
模数混合方式一般由成型滤波器、相位检测器、环路滤波器、DDS芯片(或VCO+DAC)等部分构成(见图1)。根据相位检测器中的鉴相算法的区别可将模数混合时钟恢复***分为两种:(1)鉴相算法依赖于载波同步的时钟恢复***;(2)鉴相算法独立于载波同步的时钟恢复***。在(1)和(2)中,鉴相过程一般在载波同步环路内部进行,这种结构增加了载波同步环路的时间延迟,降低了时钟恢复***抵抗大采样频率偏移的能力,并且使解调中的大部分运算都处在高速状态。
发明内容
本发明要解决的技术问题:提供一种基于压控晶体振荡器的大动态范围的快速时钟恢复***,该***的动态范围宽,时钟恢复快速。
本发明的技术解决方案:基于压控晶体振荡器的大动态范围的快速时钟恢复***,其特点在于:所述的时钟恢复***置于载波同步环路之前,它包括:
模数转换ADC,基带模拟信号x(t)经过ADC完成模数转换后被送入成型滤波器;
成型滤波器,对ADC来的采样数据进行抑制符号间干扰处理,恢复出最佳采样点;
定时误差检测器TED,用来对成型滤波器输出的信号进行鉴频和鉴相处理,产生定时误差信号,实现过程为:(1)根据成型滤波器的输出数据计算出鉴相误差信号P值;(2)对连续的两个鉴相误差信号P值进行差分处理,将乘法因子与差分处理结果相乘,并将相乘结果送入环路滤波器LF,直到捕获采样频率偏移;(3)将鉴相误差信号P值送入环路滤波器LF,实现采样频率偏移跟踪;
环路滤波器LF,用来对定时误差检测器TED输出的误差信号作低通滤波,以去除误差信号中的高频分量;
控制信号发生器CSG,根据环路滤波器LF输出的误差信号产生修正VCXO的控制信号;
压控晶体振荡器VXCO,根据控制信号产生修正的频率,该频率与发送端晶体振荡器的频率更加接近,并被用作ADC的采样频率;
经过环路不断的修正,VCXO的振荡频率最终与发送端采样时钟锁定,实现时钟恢复。
本发明与现有技术相比具有如下优点:
(1)本发明的TED在捕获采样频率偏移时,每L个符号产生一个定时误差信号,并引入加速收敛乘法因子,提高了采样频率偏移的捕获速度;将时钟恢复过程TED分为捕获和跟踪两个步骤实现,进一步增大了采样频率偏移的捕获范围;最终,使时钟恢复时间小于70ms,采样频率偏移的捕获范围超过200ppm。
(2)本发明采用控制信号发生器CSG的控制方法,简单易行;
(3)本发明将时钟恢复部分置于载波同步环路之前,使时钟恢复与载波同步之间相互独立,降低了载波同步环路内的环路延迟和工作频率;
(4)本发明避免了采用DDS芯片,降低了硬件复杂度和硬件成本;
(5)根据测试结果,本发明在S/N大于4dB、载波频率偏移小于1.1MHz和高动态的情况下能顺利实现时钟恢复。
附图说明
图1为现有的模数混合方式示意图;
图2为现有的数字方式示意图;
图3为本发明的组成框图;
图4为本发明的RRCF输出信号示意图;
图5为本发明的TED原理示意图;
图6为本发明的LF结构框图。
具体实施方式
如图3所示,本发明适合在FPGA或者DSP+FPGA平台实现。如果采用FPGA实现,则图3中除ADC和VCXO两个模块外,其余模块都在FPGA中实现;如果采用DSP+FPGA实现,则图3中的定时误差检测器TED可以在DSP中实现,其它除ADC和VCXO的模块在FPGA中实现。成型滤波器采用根升余弦滤波器(Root Raised Cosine Filter,RRCF);压控晶体振荡器VXCO采用通用的压控晶体振荡器,它包括四个引脚:即输入控制信号引脚、电源引脚、接地引脚和输出时钟信号引脚。
如图3所示,时钟恢复环路的工作过程为:(1)根升余弦滤波器(RootRaised Cosine Filter,RRCF)对ADC的采样信号进行成型滤波,恢复出最佳采样点;(2)定时误差检测器(Timing Error Detector,TED)根据RRCF的输出信号进行鉴频和鉴相处理,产生定时误差信号;(3)环路滤波器(LoopFilter,LF)滤除定时误差信号中的高频分量;(4)控制信号发生器(Control Signal Generator,CSG)根据LF输出信号产生VCXO的电压控制信号;(5)VCXO根据电压控制信号产生恢复出的采样时钟;(6)ADC根据恢复出的采样时钟进行模数转换。环路通过不断修正VCXO的振荡频率,使得VCXO的输出时钟与调制时钟锁定,实现时钟恢复。
在实现时,成型滤波器采用普通的RRCF,其时域冲激响应为:
其中α为滚降系数,T为符号周期,它输出类似于图4所示的钝化信号(假定输入为QPSK/BPSK信号),该信号被送入TED,用来恢复最佳采样点。
其中L为计算P所截取的数据符号长度,N为ADC过采样倍数,m为采样的序号,rm为输入的采样序列。采样频率偏移的估计可以表示为
其中L为截取的符号长度,Δf为采样频率偏移。在捕获阶段,直接对连续的P值作差分处理,并引入一个用于加速收敛的乘法因子,即乘法系数,一般取值范围为:2-15,将该乘法因子与差分结果相乘,然后送到LF,最终实现采样频率偏移的快速捕获;在跟踪阶段,直接将P值送到LF,最终实现采样频率偏移的跟踪。
如图6所示为环路滤波器LF,TED产生的误差信号被送入LF,以保留误差信号中的直流分量和一次谐波分量,去除高频分量。
本发明的CSG模块是一个脉冲占空比控制器,它首先根据环路滤波器的输出对占空比寄存器的值进行累加或递减,再根据该占空比寄存器的值产生针对VCXO的方波控制信号(即如果LF输出正值,则累加占空比寄存器的值,如果LF输出负值,则递减占空比寄存器的值),通过不断调整方波控制信号修正VCXO的振荡频率,最终实现定时恢复。
Claims (5)
1.一种基于压控晶体振荡器的大动态范围的快速时钟恢复***,其特征在于:所述的时钟恢复***置于载波同步环路之前,它包括:
模数转换ADC,基带模拟信号x(t)经过ADC完成模数转换后被送入成型滤波器;
成型滤波器,对ADC来的采样数据进行抑制符号间干扰处理,恢复出最佳采样点;
定时误差检测器TED,用来对成型滤波器输出的信号进行鉴频和鉴相处理,产生定时误差信号,实现过程为:(1)根据成型滤波器的输出数据计算出鉴相误差信号P值,鉴相误差信号P值计算公式为其中L为计算P所截取的数据符号长度,N为ADC过采样倍数,m为采样的序号,rm为成型滤波器的输出数据;(2)对连续的两个鉴相误差信号P值进行差分处理,将乘法因子与差分处理结果相乘,并将相乘结果送入环路滤波器LF,直到捕获采样频率偏移,采样频率偏移表示为其中L为计算P所截取的数据符号长度,Δf为采样频率偏移;(3)将鉴相误差信号P值送入环路滤波器LF,实现采样频率偏移跟踪;
环路滤波器LF,用来对定时误差检测器TED输出的误差信号作低通滤波,以去除误差信号中的高频分量;
控制信号发生器CSG,根据环路滤波器LF输出的误差信号产生修正压控晶体振荡器VCXO的控制信号;
压控晶体振荡器VCXO,根据控制信号产生修正的频率,该频率与发送端晶体振荡器的频率更加接近,并被用作ADC的采样频率;
经过环路不断的修正,VCXO的振荡频率最终与发送端采样时钟锁定,实现时钟恢复。
2.根据权利要求1所述的基于压控晶体振荡器的大动态范围的快速时钟恢复***,其特征在于:所述的成型滤波器采用根升余弦滤波器RRCF,其时域冲激响应为:
其中α为滚降系数,其中T为符号周期。
3.根据权利要求1所述的基于压控晶体振荡器的大动态范围的快速时钟恢复***,其特征在于:所述的乘法因子的取值范围为2-15。
4.根据权利要求1所述的基于压控晶体振荡器的大动态范围的快速时钟恢复***,其特征在于:所述的控制信号发生器CSG为脉冲占空比控制器,它根据环路滤波器LF的输出产生针对VCXO的负反馈控制信号,即如果LF输出正值,则增加VCXO的控制电压,如果LF输出负值,则降低VCXO的控制电压,再利用该电压控制VCXO的振荡频率,最终实现定时恢复。
5.根据权利要求1所述的基于压控晶体振荡器的大动态范围的快速时钟恢复***,其特征在于:所述的压控晶体振荡器VCXO采用通用的压控晶体振荡器,它包括四个引脚:即输入控制信号引脚、电源引脚、接地引脚和输出时钟信号引脚。
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