第39卷 第11期 Vb1-39 NO.11 计算机工程 2013年11月 November 2013 Computer Engineering ・开发研究与工程应用・ 一文章编号t l000—_3428(2013)l1—_0299—_04 文献标识码:A 中田分类号:TP301.6 种改进的Gardner定时同步算法 刘伟,姚远程,秦明伟 (西南科技大学信息工程学院,四川绵阳621010) 摘要:针对定时同步算法捕获时间长、稳定性差和误码率高等问题,提出一种改进的Gardner定时同步算法。分析不同插值滤波 器对定时同步的影响,并选用分段抛物线插值滤波器。对QPSK调制信号进行开环和闭环分析。仿真结果表明,与现有算法相比, 改进的定时同步算法捕获时间缩短0.005 S,进入同步后的均方误差减小,当信噪比大于8 dB时,误码率明显降低。 关健词:定时同步;插值滤波器;定时误差检测器;S-曲线;Gardner算法;QPSK调制 An Improved Gardner Timing Synchr0nizati0n Algorithm LIU Wei,YAO Yuan-cheng,QIN Ming—wei (School of Information Engineering,Southwest University of Science and Technology,Mianyang 621010,China) [Abstract]Aiming at the problem that hte existing timing synchronization algorithm needs a long time acquisition,poor stability and high error rate,an improved Gardner synchronization algorithm is proposed.On the analysis of different interpolation filter,piecewise parabolic interpolation filter is used in synchronization structure.For QPSK signal,open—loop and closed—loop analysis is carried out respectively. Simulation result shows that compared with previous algorithms,the proposed synchronization method has 0.005 S shorter acquisition and then the mean square error is reduced.Moreover,the bit error rate is significantly reduced while signal to noise ratio is greater than 8 dB. [Key words]timing synchronization;interpolation iflter;timing-error detector;S-curve;Garnedr algorithm;QPSK modulation DOh 1O.3969/j.issn.1000—3428.2013.11.067 1概述 定时恢复是数字解调中的关键步骤之一。同步算法大 致分为闭环和开环2类。开环结构一般采用最大似然估计 算法_1]对时钟相位误差进行估计,然后再补偿的方式进行定 本文提出一种类似锁频锁相的改进Gardner定时误差检测 算法,并和Gardner算法及其改进算法在同步进入跟踪所需 时间、稳定性及误比特率等进行对比分析。 2定时同步原理 Gardner定时同步算法原理如图1所示 J。设接收信号 的表达式为: r(t)=ZcfeSUg(t—iT一 )+ (f) (1) 时调整,但这类算法由于算法复杂、计算量大,硬件难于 实现。基于锁相环的定时同步算法被广泛用于各类数字通 信中。 早期比较著名的定时同步算法有Gardner算 、M&M 算法【3 等。M&M算法是基于判决辅助的误差提取方法,每 其中,Ci=a+bj为数字调制基带码元;n(t)为复加性高斯白 噪声; f)是滚降因子为 的平方根升余弦滚降函数;0为 下变频后的剩余相位偏差;T为码元周期; 为时延。接收 个符号周期只需要一个采样点,计算量小,但是需要判决 反馈的辅助,随着噪声的增加,同步性能会受到很大影响。 目前,应用最广泛的是Gardner算法,不需要判决反馈也不 需要数据辅助。但是Gardner算法对带宽限制的信号定时抖 动较大,一些改进算法如预滤波法【4 和补偿法_5 都较为复 杂。文献[6]分析了相邻码元的 曲线后,从算法复杂度和 硬件的可实现性进行Gardner算法的改进,但对多进制调制 方式(如MPSK、MQAM)实现的复杂度还是较高。文献[7] 信号经过本地固定时钟 的采样和匹配滤波器后的输出信 号表示为: x(kr ̄) ZcieJ ̄h(kTs—iT—r)+n(kTs) f (2) 其中,h(t)=g(t)0g (-t);0和 分别表示卷积和共轭。 信号经过插值滤波器的滤波和重采样,使每个码元采 2个点,进行定时误差的检测,其中一个为最佳采样点,用 于判决。经过插值滤波器的输出为[9】: 在此基础上,考虑硬件资源消耗情况,利用码元符号辅助 定时误差检测,降低算法的复杂度,但是同步性能下降。 基金项目:国家部委基金资助项目;西南科技大学研究生创新基金资助项目(12yoj29) 作者倚介:刘伟(1987一),男,硕士研究生,主研方向:软件无线电,数字信号处理;姚远程,教授;秦明伟,博士研究生 修回日期:2012—12—06 E—mail:1wtj09@126.com 收稿日期:2012—11-01 300 计算机工程 2013年11月15日 ( )= 【( k十“ ) 】=y [( 一f) ]h/[ +“ ) ](3) i_fl 其中,,l和,2为插值滤波器抽头系数; : 为重采样周 期;但是 / 不一定是有理数,整数部分m =int(k ̄ ), 小数部分 = / —m ;h/为插值滤波器的冲击响应 函数。 圈1反馈定时同步原理 常用的插值滤波器 有线性插值滤波器、拉格朗日插值 滤波器和分段抛物线插值滤波器。本文对线性内插器、 =0.5的分段抛物线插值滤波器和立方插值滤波器的脉 冲响应和幅频响应进行了分析,如图2和图3所示。 时间/s 图2 3种插值滤波器的脉冲响应 { 图3 3种插值滤波器的幅频响应 对比发现:3种插值滤波器第一旁瓣衰减都能达到 30 dB以上,分段抛物线插值滤波性能介于其他2种滤波器 之间。虽然带外抑制能力比立方插值滤波器稍差一点,但 是带内更加平滑,带内容差更小。因此,本文选用 =0.5 的分段抛物线插值滤波作为定时同步环路中的插值滤波 器。同时,利用Fa ̄ow结构 m 的滤波器设计,直接用移位 替代乘法运算,既节省硬件资源,又具有较小的时延。 =0.5的分段抛物线滤波器系数如表1所示。 表1分段抛物线差值滤波器系数 Gander定时误差检测器输出为【2J: ek 9 ̄e{[y(tk)一Y(tk一1) ’(tk11/2)} (4) 其中,吼P表示实部; 表示共轭;tk=后 + ;tk—l= (k一1) + 一1;tk_1/2=(t ̄+tk一1)/2。理想情况下,r=0, Y(tk)是最佳采样判决值。环路滤波器和数控振荡器的设计 原理见文献[8,11]。将复信号分为正交的^Q两路,上式 等价为: 1/2 一Ik一1)+ 一1 ̄2(Ok— 一1) (5) 3改进算法 首先定义归一化的定时误差为 :r-' ̄/T,假设ek_l= Ek= ,由式(2卜式(4)得到: ek=∑∑吼d c 】[ ( 一f 一 )一h(kT—T-iT-T ̄)lx i h(kT一 一 /2一 ) (6) 利用一阶泰勒级数展开得到: ek Nk+Ak专 其中, = l :。且应保持很小;斜率 = 。。这 u 2个参数至关重要,它决定了定时抖动的大小和同步性能的 好坏。Gardner误差检测器对相邻码元符号不同时能很好地 检测到定时偏差,但当连续2个或多个码元符号相同时, 无法准确估计定时偏差,使定时抖动较大,对同步产生很 大影响。因此,文献【6]提出一种改进的Gardner算法(记为 erGAl算法): 吼e{[ ( )一y(t )】y (tk-1/2)) if ̄Re[y(tk~1) ( )] IIm[y(tH) ( )】 > —————————————————————一 tan( ̄t/ 、 对于MPSK,假设Y =Pk exp(j(qok+oo)), 是调 制相位参数,Oo为固定相偏。那么Yk-IYk = 一lPk exp(j( ̄k一1~ok)),△ : 一 一1就是相邻码元的调制相 位差。从式(8)可以看出,改进的Gardner算法就是利用在 相邻码元符号相同时,对Gardner检测的误差进行取反,文 献[7]在mGA1算法的基础上提出改进(记为toGA2算法): 第39卷第1l期 刘伟,姚远程,秦明伟:一种改进的Gardner定时同步算法 301 ek=eik+ 均值曲线( 曲线)为近似的正弦波曲线,这与理论计算的 其中: 曲线 相吻合;不同信噪比下, 曲线在t=0附近的斜率 基本相同,说明噪声对 曲线斜率 的影响不大。 ={ s其ig他n( (1。) ={l-( —(Q,一- —. Q_,1-)1 _ )Q_,1l-/ ̄2/ 其2 其sig他n( _I = gn (11) ^Q分别为接收信号的同相路和正交路信号;sign为 符号函数。但是,通过仿真分析,已有算法仍然存在捕获 时间较长,同步的稳定性不太好、受噪声影响较大、不利 于用FPGA硬件实现等缺点。本文提出一种新的改进算法 (otGA3): =甜 +“ (12) 其中: U I=(1一 ) + 一1 (13) 砧 (卜 ) 十 I (14) 图5改进Gardner算法的 曲线 :{1 i 0 others gn(Ik一1)= jgn( (15) 4.2闭环仿真 在高斯信道下,对本文提出的改进算法(otGA3算法) 和Gardner算法(GA算法)及其2种改进算法(MGAI算法、 %:』 i0 gn(IQ一1) ign( ) (16) MGA2算法)进行性能的分析比较。 others 同步性能好坏的评定标准:(1)不同SNR下的误比特率; I、eF分别与式(10)和式(11)相同。该算法结合了锁 (2)进入同步的时间及同步后的稳定性。对比特率为5 Mb/s 频锁相的原理,通过仿真可以证明,能很好地克服已有算 的QPSK调制进行仿真,滚将因子为0.6的根升余弦滚降滤 法的不足。 波器和匹配滤波器。同步环路中的插值滤波器采用 =0.5 4仿真及性能分析 的分段抛物线插值滤波器,经过计算和调节,环路滤波器 系数为cl=2 ,c2=2 。在仿真时,小数部分 一开始是 4.1开环仿真 不稳定的,但随着整个锁相环路的不断调节, 会逐渐收 根据前文的分析,斜率4的大小是决定同步陛能好坏 敛,达到一个稳定值,并在附近进行微小的抖动。抖动越 的关键因素之一,同时也决定了闭环同步环路滤波器参数 小,说明同步的性能越好。 的值。在开环条件下,由仿真模型(hi图4所示),可以得出 表2和表3分别为定时偏差 =O.25、仿真时长0.2 s(仿 时钟误差检测器的 曲线,即当输入归一化时钟偏差 固 真点数超过1 00 ooo), 达到稳定的时间和稳定后的均方 定时,求出误差检测器的平均值,即E( ) 常,然后再 误差。表2为在无噪声情况下得出的数据,mGA1和toGA2 改变 ,得到 曲线。通过求 曲线在 =0附近的斜率就 算法的 达到稳定的时间近似为GA算法的1/2,而MGA3 可以近似得到以的值。 算法 达到稳定的时间低于GA算法的1/4,低于mGA1 算法和toGA2算法的一半。表3对比了4种算法在不同信 噪比下, 稳定后的均方误差。分析发现,虽然toGA3算 法在信噪比为15 dB和20 dB时,均方误差比其他几种算法 稍微大一点,但是在sNR≤10 dB时,均方误差远小于其他 图4开环仿真模型 几种算法。而且,toGA3在不同信噪比下,平方误差值比 本文采用QPSK调制进行仿真,选用Matlab/Simulink 其他几种算法稳定,充分体现了本文提出的改进算法的抗 搭建仿真模型。仿真中,比特率为5 Mb/s,序列设为 噪性和稳定性。 11001100…,选取滚降因子为 =0.6的根升余弦成型滤波 表2 器和匹配滤波器,并在调制端进行16倍插值。同步环路中 算法 的插值滤波器采用a=0.5的分段抛物线插值滤波器,仿真 GA 时间固定为0.O1 S。本文提出的改进算法(mGA3算法)在不 mGAl 同SNR时的 曲线如图5所示。横坐标表示归一化的定时 mGA2 偏差,纵坐标表示定时误差的均值。可以看出:定时误差 mGA3 302 计算机工程 2013年11月15日 表3 的均方误差 参考文献 [1】王育红,薛筱明,樊昌信.一种全数字接收机结构[J】.西安 电子科技大学学报,1 998,25(3):374—378. [2】Gardner F M.A BPSK/QPSK Timing—error Detector for Sampled Receivers[J].IEEE Trans.on Communications,1986, 34(3):423—429. 图6为QPSK信号在高斯信道下,mGA3算法和mGA1 [3]Mueller K H,Muller M.Timing Recovery in Digital Synch— 算法、mGA2算法在仿真数据10 个时的误比特曲线。从图 ronous Data Receivers[J].IEEE Trans.on Communications, 中可以看出,mGA3算法相比其他算法,虽然在0 dB ̄8 dB 1976,24(5):516-530. 之间,误比特率只稍微低一点,但是信噪比高于8 dB时, 【4]Andrea A N D,Luise M.Design and Analysis of a Jitter-free 误比特率明显降低,在SNR为12 dB时,误比特率降低了 Clock Recovery Scheme ofr QAM Systems[J].IEEE Trans.on 近2个数量级,在SNR大于等于14 dB时,误比特率降低 Communications,1993,41(9):1296—1299. 3个数量级以上。说明本文提出的改进算法相比原算法,同 [5】Ogmundson P G Driessen P F Zero-crossing DPLL Bit Syn— 步性能有了更进一步的提高。 chronizer with Pattern Jitter Compensation[J].IEEE Trans.on Communications,199l,39(4):603—612. [6]Lin Dongmin.A Modiifed Gardner Detector for Symbol Timing Recovery of M-PSK Signals[J].IEEE Trans.on Communications,2004,52(1 0):l643・1647. 【7】Yang Dewei,Yan Chaoxing,Wang Hua,et a1.Extension to 瓣 聋 Gardner Timing Error Detector ofr QPSK Signals[C]//Proc.of International Conference on Wireless Communications and Signal Processing-[S.1.]:IEEE Press,2010:1-5. [8】Gardner F M.Interpolation in Digital Modems-Part I:Fun- damentals[J].IEEE Trans.on Communications,1993,41(3): 5O1.507. 【9]Erup L,Garnder F M.Interpolation in Digital Modems・Part II: 圈6 QPSK信号在不同信噪比下的误比特率曲线 Implementation and Performance[J].IEEE Trans. on 5结束语 Communications,1993,4l(6):998-1008. [10】Farrow C W A Continuously Variable Digital Delay Ele— 本文在研究Gardner定时同步算法原理和 曲线的基 ment[C]//Proc.of IEEE International Symposium on Circuits 础上,为了解决相邻码元符号相同时不能有效估计定时偏 and Systems.[S.1.]:IEEE Press,1988:2641-2645. 差、定时抖动较大等问题,提出一种改进的定时误差检测 [11】Shayan Y R.All Digiatl Phase—locked Loop:Concepts,Design 算法。仿真结果表明,本文算法各项指标都优于传统算法, and Applications[J].IEE Proceedings of Radar and Signal 同时,更利于FPGA硬件实现,在全数字通信,尤其是高 Processing,1989,136(1):53-56. 速数字通信(如宽带卫星通信)中有很大的实用价值。 编辑顾逸斐 (上接第298页) 参考文献 【6】 Redise Source Code[Z].(2012—05・14).http://code.google.com- [1】Clause J,Orso A.LEAKPOINT:Pinpointing the Causes of /p/redis/downloads/list. Memory Leaks[C]//Proceedings of the 32nd ACM/IEEE [7】 Memleak Source Code[Z1.(2012・05—14).http://sourceforge.net- International Conference on Software Engineering.Cape Town, /projects/memleak/ifles/. South Africa:IEEE Press,2010. [8】 Memwatch Source Code:[Z].(2012—05—14).http://www.1inkdata. [2】 Apache Source Code[Z].(2012-05—14).http://www.apache org/. [9]高海昌.Linux下可执行文件的动态内存检测设计与实现[J]. [3】 Mysql Source Code[Z].f2012—05—14).http://www.mysq1.corn/. 计算机工程,2007,33(1):74-79. [4] Sqlite Source Code[Z].(2012-05—14).http://www.sqlite.ore,/. [10]Memcached Source Code[Z].(2012-05-14).http://memcached. [5】 Leveldb Source Code[Z].(2012—05-14).http:#code.google.com org/. /p/leveldb/downloads/list. 编辑索书志