CN114448455B - 一种基于Gardner算法的高速零中频IQ延时补偿*** - Google Patents

一种基于Gardner算法的高速零中频IQ延时补偿*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于Gardner算法的高速零中频IQ延时补偿***，包括变速率插值滤波器、匹配滤波器、IQ延时误差提取模块、一阶环路滤波器、定时同步误差提取模块、二阶环路滤波器和数字振荡器；本发明可适用于窄带信号、宽带信号、超宽带信号的接收，符号速率范围宽，应用范围广；IQ延时校正精度可达到1/2048个符号延时，对于符号率为1Gsps的信号，IQ延时估计精度为0.5ps；IQ延时校正精度高，校正效率高。

Description

一种基于Gardner算法的高速零中频IQ延时补偿***
技术领域
本发明涉及接收机信号补偿术领域，特别涉及一种基于Gardner算法的高速零中频IQ延时补偿***。
背景技术
常用的通信接收机有数字中频接收机和零中频接收机两种。在数字中频接收机中，射频前端完成射频信号的滤波、放大的处理，再变频到中频信号，中频信号经过模拟带通滤波器后进入A/D转换器进行采样，送入FPGA进行数字正交下变频还原出正交I/Q基带信号，最后进行解调和译码的工作。在零中频接收机中，射频前端完成射频信号的滤波、放大的处理，然后进行模拟正交下变频得到正交I/Q基带信号，基带信号经过模拟低通滤波器后进入A/D转换器进行采样，送入FPGA进行解调和译码的工作。
零中频接收机相对于数字中频接收机有如下优点：
(1)零中频接收机中省去了模拟中频处理单元，有效降低收发器件的成本和面积；
(2)零中频接收机采用低通滤波器来完成滤波处理，相比较数字中频接收机的带通滤波器，低通滤波器更容易设计与实现，特别是对于500M符号率以上的超宽带接收；
(3)零中频接收机对于A/D采样率的要求可以大大降低，在大幅减少基带数字信号处理量的同时，可规避高性能高速A/D器件无法购买的问题。
对于激光通信，单波束传输速率达到10Gbps，符号率达到2Gsps,零中频接收机是相对较优的解决方案。但零中频接收机有自身特有的技术难题需要解决，如本振泄露、直流偏置、IQ不匹配等问题。其中I/Q不匹配包括相位不匹配、增益不匹配、延时不匹配。对于本振泄露、直流偏置、IQ相位不匹配、IQ增益不匹配的补偿算法已进行广泛的研究，但对于IQ延时不匹配的补偿算法研究较少。目前对于模拟器件，延时精度可保证在1ns，对于10M符号率的信号，符号间隔为100ns，IQ延时的影响可忽略；对于2G符号率的信号，符号间隔为0.5ns，IQ延时影响会导致接收机无法工作。
对于超高速零中频接收机，IQ正交信号经过不同的模拟器件会引入IQ延时不匹配，如何补偿IQ延时不匹配，这是急需解决的问题。
发明内容
本发明的目的旨在至少解决所述技术缺陷之一。
为此，本发明的一个目的在于提出一种基于Gardner算法的高速零中频IQ延时补偿***，包括变速率插值滤波器、匹配滤波器、IQ延时误差提取模块、一阶环路滤波器、定时同步误差提取模块、二阶环路滤波器和数字振荡器；变速率插值滤波器输出端与匹配滤波器输入端连接，匹配滤波器输出端分别与IQ延时误差提取模块输入端和定时同步误差提取模块输入端连接，IQ延时误差提取模块输出端与一阶环路滤波器输入端连接，一阶环路滤波器输出端与变速率插值滤波器输入端连接，定时同步误差提取模块输出端与二阶环路滤波器输入端连接，二阶环路滤波器输出端与数字振荡器输入端连接，数字振荡器输出端与变速率插值滤波器输入端连接；
变速率插值滤波器采用多相滤波结构，用于变速率抽取恢复符号和IQ延时校正。
匹配滤波器采用根升余弦滤波器，用于对插值后的信号进行低通滤波，并和发送端的成型滤波器合成升余弦滤波器。
IQ延时误差提取模块采用自适应更新算法提取IQ两路的延时差。
一阶环路滤波器用于对IQ延时误差提取模块提取的IQ两路的延时差信号进行平滑。
定时同步误差提取模块采用Gardner算法对信号采样误差提取。
二阶环路滤波器用于对定时同步误差提取模提取的采样误差信号进行平滑。
数字振荡器用于根据二阶环路滤波器平滑后的采样误差信号计算出插值滤波器的相位，并随路输出符号使能的指示。
优选的是，IQ延时误差提取模采用自适应更新算法提取IQ两路的延时差提取公式为：
e1(k)＝SI(k-1/2)·[SI(k)-SI(k-1)]-SQ(k-1/2)·[SQ(k)-SQ(k-1)]；
其中，e1(k)为k时刻延时差，SI(k-1/2)为k-1/2时刻的匹配滤波器输出的实部数据，SI(k)为k时刻匹配滤波器输出的实部数据；SI(k-1)为k-1时刻匹配滤波器输出的实部数据；SQ(k-1/2)为k-1/2时刻匹配滤波器输出的虚部数据；SQ(k)为k时刻匹配滤波器输出的虚部数据；SQ(k-1)为k-1时刻匹配滤波器输出的虚部数据。
在上述任一方案中优选的是，定时同步误差提取模块采用Gardner算法对信号采样误差提取公式为：
e2(k)＝SI(k-1/2)·[SI(k)-SI(k-1)]+SQ(k-1/2)·[SQ(k)-SQ(k-1)]；
其中，e2(k)为k时刻采样误差，SI(k-1/2)为k-1/2时刻的匹配滤波器输出的实部数据，SI(k)为k时刻匹配滤波器输出的实部数据；SI(k-1)为k-1时刻匹配滤波器输出的实部数据；SQ(k-1/2)为k-1/2时刻匹配滤波器输出的虚部数据；SQ(k)为k时刻匹配滤波器输出的虚部数据；SQ(k-1)为k-1时刻匹配滤波器输出的虚部数据。
与现有技术相比，本发明所具有的优点和有益效果为：
1、本发明可用于所有零中频接收的场景，包括激光通信、星地遥感信号的接收、卫星通信信号的收发、地面无线信号中继和大容量无线数据的回传等，适用面广。
2、本发明可适用于窄带信号、宽带信号、超宽带信号的接收，符号速率范围宽，应用范围广。
3、本发明IQ延时校正精度可达到1/2048个符号延时，对于符号率为1Gsps的信号，IQ延时估计精度为0.5ps；IQ延时校正精度高。
4、本发明主要通过锁相环算法实现，所需的逻辑实现资源只需部分乘法器资源，少量的LUT资源和RAM资源，工程实现性强。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明实施例的一种基于Gardner算法的高速零中频IQ延时补偿***结构框图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，本发明实施例的一种基于Gardner算法的高速零中频IQ延时补偿***，包括变速率插值滤波器1、匹配滤波器2、IQ延时误差提取模块4、一阶环路滤波器3、定时同步误差提取模块7、二阶环路滤波器6和数字振荡器5；变速率插值滤波器1输出端与匹配滤波器2输入端连接，匹配滤波器2输出端分别与IQ延时误差提取模块4输入端和定时同步误差提取模块7输入端连接，IQ延时误差提取模块4输出端与一阶环路滤波器3输入端连接，一阶环路滤波器输出3端与变速率插值滤波器1输入端连接，定时同步误差提取模块7输出端与二阶环路滤波器6输入端连接，二阶环路滤波器6输出端与数字振荡器5输入端连接，数字振荡器5输出端与变速率插值滤波器1输入端连接。
变速率插值滤波器采用多相滤波结构，用于变速率抽取恢复符号和IQ延时校正；
匹配滤波器采用根升余弦滤波器，用于对插值后的信号进行低通滤波，并和发送端的成型滤波器合成升余弦滤波器。
IQ延时误差提取模块采用自适应更新算法提取IQ两路的延时差。
一阶环路滤波器用于对IQ延时误差提取模块提取的IQ两路的延时差信号进行平滑。
定时同步误差提取模块采用Gardner算法对信号采样误差提取。
二阶环路滤波器用于对定时同步误差提取模提取的采样误差信号进行平滑。
数字振荡器用于根据二阶环路滤波器平滑后的误差信号计算出插值滤波器的相位，并随路输出符号使能的指示。
本发明实施例创造性的增加了延时校正环路，提出定时同步和延时校正联合工作的实现方案。变速率插值滤波器采用多相滤波器结构实现，主要用于IQ小数延时的校正，校正效率高，校正精度高，工程实现强，解决了零中频接收机的IQ延时不匹配的问题。
Gardner算法是一种经典的定时误差检测算法，其只需要以两倍的符号速率采样，即每个符号2个采样点提取定时误差信息，此方法易于实施且应用广泛，本发明中的算法公示是基于Gardner算法，但是并不属于现有的公式算法。
进一步的，IQ延时误差提取模采用自适应更新算法提取IQ两路的延时差提取公式为：
e1(k)＝SI(k-1/2)·[SI(k)-SI(k-1)]-SQ(k-1/2)·[SQ(k)-SQ(k-1)]；
其中，e1(k)为k时刻延时差，SI(k-1/2)为k-1/2时刻的匹配滤波器输出的实部数据，SI(k)为k时刻匹配滤波器输出的实部数据；SI(k-1)为k-1时刻匹配滤波器输出的实部数据；SQ(k-1/2)为k-1/2时刻匹配滤波器输出的虚部数据；SQ(k)为k时刻匹配滤波器输出的虚部数据；SQ(k-1)为k-1时刻匹配滤波器输出的虚部数据。
具体的，定时同步误差提取模块采用Gardner算法对信号采样误差提取公式为：
e2(k)＝SI(k-1/2)·[SI(k)-SI(k-1)]+SQ(k-1/2)·[SQ(k)-SQ(k-1)]；
其中，e2(k)为k时刻采样误差，SI(k-1/2)为k-1/2时刻的匹配滤波器输出的实部数据，SI(k)为k时刻匹配滤波器输出的实部数据；SI(k-1)为k-1时刻匹配滤波器输出的实部数据；SQ(k-1/2)为k-1/2时刻匹配滤波器输出的虚部数据；SQ(k)为k时刻匹配滤波器输出的虚部数据；SQ(k-1)为k-1时刻匹配滤波器输出的虚部数据。
本发明的工作原理为：IQ信号输入到变速率插值滤波器中，变速率插值滤波器采用多相滤波结构，进行变速率抽取恢复符号和IQ延时校正，变速率插值滤波器输出端与匹配滤波器输入端连接，匹配滤波器采用根升余弦滤波器，对插值后的信号进行低通滤波，并和发送端的成型滤波器合成升余弦滤波器；匹配滤波器输出端输出IQ信号分为三路，第一路IQ信号作为输出信号进行输出，第二路IQ信号输出到IQ延时误差提取模块中，IQ延时误差提取模块采用自适应更新算法提取IQ两路的延时差(e1)，并发送到一阶环路滤波器中，一阶环路滤波器对IQ延时误差提取模块提取的误差信号进行平滑，平滑后的延时差信号发送到变速率插值滤波器中，变速率插值滤波器对IQ信号进行延时校正；第三路IQ信号，发送到定时同步误差提取模块中，定时同步误差提取模块采用Gardner算法对信号采样误差进行提取(e2)，提取后的采样误差信号发送到二阶环路滤波器中，二阶环路滤波器中对提取的采样误差信号进行平滑，平滑后的采样误差信号发送到数字振荡器中，数字振荡器根据二阶环路滤波器平滑后的采样误差信号计算出插值滤波器的相位，并随路输出符号使能的指示，发送到变速率插值滤波器中进行调整。
本发明IQ延时校正精度可达到1/2048个符号延时，对于符号率为1Gsps的信号，IQ延时估计精度为0.5ps；IQ延时校正精度高，所需的逻辑实现资源只需部分乘法器资源，少量的LUT资源和RAM资源，工程实现性强。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
本领域技术人员不难理解，本发明包括上述说明书的发明内容和具体实施方式部分以及附图所示出的各部分的任意组合，限于篇幅并为使说明书简明而没有将这些组合构成的各方案一一描述。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。

Claims (3)

1.一种基于Gardner算法的高速零中频IQ延时补偿***，其特征在于：包括变速率插值滤波器、匹配滤波器、IQ延时误差提取模块、一阶环路滤波器、定时同步误差提取模块、二阶环路滤波器和数字振荡器；所述变速率插值滤波器输出端与所述匹配滤波器输入端连接，所述匹配滤波器输出端分别与所述IQ延时误差提取模块输入端和所述定时同步误差提取模块输入端连接，所述IQ延时误差提取模块输出端与所述一阶环路滤波器输入端连接，所述一阶环路滤波器输出端与所述变速率插值滤波器输入端连接，所述定时同步误差提取模块输出端与所述二阶环路滤波器输入端连接，所述二阶环路滤波器输出端与所述数字振荡器输入端连接，所述数字振荡器输出端与所述变速率插值滤波器输入端连接；
所述变速率插值滤波器采用多相滤波结构，用于变速率抽取恢复符号和IQ延时校正；
所述匹配滤波器采用根升余弦滤波器，用于对插值后的信号进行低通滤波，并和发送端的成型滤波器合成升余弦滤波器；
所述IQ延时误差提取模块采用自适应更新算法提取IQ两路的延时差；
所述一阶环路滤波器用于对所述IQ延时误差提取模块提取的IQ两路的延时差信号进行平滑；
所述定时同步误差提取模块采用Gardner算法对信号采样误差提取；
所述二阶环路滤波器用于对所述所述定时同步误差提取模提取的采样误差信号进行平滑；
所述数字振荡器用于根据所述二阶环路滤波器平滑后的采样误差信号计算出插值滤波器的相位，并随路输出符号使能的指示。
2.如权利要求1所述的一种基于Gardner算法的高速零中频IQ延时补偿***，其特征在于：所述IQ延时误差提取模采用自适应更新算法提取IQ两路的延时差提取公式为：
e1(k)＝SI(k-1/2)·[SI(k)-SI(k-1)]-SQ(k-1/2)·[SQ(k)-SQ(k-1)]；
其中，e1(k)为k时刻延时差，SI(k-1/2)为k-1/2时刻的匹配滤波器输出的实部数据，SI(k)为k时刻匹配滤波器输出的实部数据；SI(k-1)为k-1时刻匹配滤波器输出的实部数据；SQ(k-1/2)为k-1/2时刻匹配滤波器输出的虚部数据；SQ(k)为k时刻匹配滤波器输出的虚部数据；SQ(k-1)为k-1时刻匹配滤波器输出的虚部数据。
3.如权利要求1所述的一种基于Gardner算法的高速零中频IQ延时补偿***，其特征在于：所述定时同步误差提取模块采用Gardner算法对信号采样误差提取公式为：
e2(k)＝SI(k-1/2)·[SI(k)-SI(k-1)]+SQ(k-1/2)·[SQ(k)-SQ(k-1)]；
其中，e2(k)为k时刻采样误差，SI(k-1/2)为k-1/2时刻的匹配滤波器输出的实部数据，SI(k)为k时刻匹配滤波器输出的实部数据；SI(k-1)为k-1时刻匹配滤波器输出的实部数据；SQ(k-1/2)为k-1/2时刻匹配滤波器输出的虚部数据；SQ(k)为k时刻匹配滤波器输出的虚部数据；SQ(k-1)为k-1时刻匹配滤波器输出的虚部数据。
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