數字衛星廣播系統采樣時鐘同步方法

劉斌彬， 葛啟宏， 王秋生， 曹曉衛

（北京泰美世紀科技有限公司，北京 100097）

0 引言

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

在數字衛星廣播系統中，接收機需要對接收到的連續信號進行采樣。然而，接收機的數模轉換器（ADC）的采樣時鐘與發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，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]。

針對數字衛星廣播系統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 系統概述

在數字衛星廣播系統中，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、控制字和循環冗余校驗（CRC）構成，負載由若干數據段構成。系統的時鐘頻率為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對接收到的連續信號進行3倍過采樣，得到過采樣序列s(n)。Farrow濾波器根據采樣頻偏值，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，μn為小數。四個濾波器系數：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。分段的數目和長度可以根據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：

其中函數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濾波器實現采樣相位的同步。

其中上標j為調整次數，ΔfL(e)為粗調整值，是采樣誤差e的函數：

經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?，環路可以在50次采樣頻偏調整（約1.5秒）之內達到穩定，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境下，快速準確的實現采樣時鐘同步。

圖5 200次采樣頻偏調整后的采樣誤差值

4 結語

針對數字衛星廣播系統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路控制Farrow濾波器進行插值處理，實現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境下，快速準確的實現采樣時鐘同步。該方法還可以廣泛應用于數字地面廣播、數字移動廣播等多個領域。

[1] 程曉軍, 湯恒勝, 陸建華, 等. DVB-S數據廣播系統的設計與性能分析[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.