一种无线通信数据接收位同步模块设计
一种无线通信数据接收位同步模块设计
摘要：本文叙述了一种应用于无线通信中的位同步方法。它直接采样输入信号的边沿跳变来产生和校准本地接收位时钟，可以不需要接收端有高稳定度晶体，具有占用资源少、算法简洁高效的特点。
关键词：无线通信位同步边沿检测时钟调整
中图分类号：TN919.72 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2014）11-0053-01
1 引言
无线通信技术因其具有成本低、携带方便、无需布线等优点，在工业数据采集、机器人控制、水文/气象数据采集等领域有着越来越多的应用。位同步就是在无线通信接收端的信号中提取码元定时的过程。同步性能的好坏直接影响着通信系统（存在起始相位偏差、Doppler频偏、采样偏差等）的性能。如果出现同步误差或失去同步，就会导致通信系统性能下降或通信中断。因此，同步系统应具有更高的可靠性和更好的质量指标，如相位抖动、同步建立的时间长短。常规的位同步方法[1]对时钟的要求很高，在低成本无线通信系统中，通常无法采用高稳定的时钟作为基准，本文就此提出一种位同步方法，采用接收数据上升沿和下降沿修正本地同步时钟的方案，可以有效的解决这个问题。
2 硬件平台
本文提出的位同步方法可以在DSP、单片机、FPGA等硬件平台[2-4]上实现。考虑到在低成本无线通信系统中大都使用单片机作为系统的控制芯片，我们就以单片机为硬件平台研究位同步方法的实现。位同步处理方法框图如图1所示。
位同步方法处理的输入信号应是已经完成模拟解调的
基带数字信号。位同步的任务就是为了分析并恢复出位同步时钟频率，并正确地对基带信号进行抽样判决，最后解调输出数字比特流。边沿检测器的作用是对信号的上升沿和下降沿进行检测，并转换为中断信号送给单片机，参加图2c。
3 软件方法
事实上，要恢复位同步的时钟频率，我们只要能够恢复出位同步的时钟即可。而在一个无线通信系统中，接收方是知道通信的时钟频率的，所不知道的是时钟的相位。理论上可以用输入信号的边沿跳变作为接收时钟的起始，可是实际上输入信号上难免有毛刺，而且由于解调门限的原因导致边沿出现的时刻并不确定，使得仅检测输入信号的边沿跳变无法确定接收时钟的起始。
我们把位同步软件处理的状态分为搜索态和跟踪态。设备加电开始工作时，软件处于搜索态。当边沿检测器发现输入信号有边沿跳变后，产生中断信号给单片机，单片机响应中断，并记下当期时刻，作为接收时钟的起始，启动接收时
钟。在随后的接收时钟信号出现跳变的时刻，单片机把这个时刻和输入信号的边沿时刻进行比对。如果在连续三次比对中，两者之间的误差小于一个门限，则认为接收时钟与输入信号同步，软件状态进入跟踪态；否则，软件将重复以上工作，直到满足要求为止。在跟踪态，如果边沿检测器没有发现有边沿跳变，单片机将依据内部计时器的数值，按事先约定的通信时钟频率产生时钟，并按时钟节拍输出数据；如果边沿检测器检测到边沿跳变，单片机将清零内部计时器，重新开始按照新的时刻产生接收时钟。如果边沿检测器长时间没有发现边沿跳变，则表明输入信号有误，需要重新进行位同步，软件将回到搜索态。这样，通过软件在搜索态和跟踪态之间转换，单片机可以很快对输入信号建立位同步。
图2则为所对应的关键信号波形示意图，a图为输入信号，b图为输入信号的上升沿和下降沿，c图为边沿检测器输出的中断信号。
4 性能分析
为了对上述的位同步方法建立一个较为全面的认识，下面对其同步性能[5]进行定量的数学分析。
4.1 位同步相位误差
位同步相位误差来源于接收时钟最小调整步长，即由实际的位同步时钟周期Tb与基带信号的采样时钟周期Ts 的比值r 决定。所以最大的相位误差θe可表示为：
θe=2π/r，其中的r=Tb/Ts （1）
由上式可见，在位同步时钟周期Tb一定的情况下，要使相位误差足够的小，就要求基带信号的采样时钟频率足够的高。
4.2 位同步捕获概率Pc和捕获时间tc
位同步捕获时间实际就是寻找输入信号边沿跳变的时间。显然，在数据序列足够长而且输入信号上升沿和下降沿等概率出现的条件下，位同步捕获的概率Pc 近似为1。位同步的捕获时间tc就是上述输入信号中位同步时钟周期的测算时间tl。考虑到无线通信信道中的干扰因素，在实际的软件处理中必须采取相应措施以避免因干扰而出现的假同步。这样，实际的Pc和tc将大打折扣，其真实值的估算取决于实际信道的干扰情况和所采取的抗干扰算法。
5 结语
本文所述的位同步方法应用于某遥测接收系统中，工作稳定可靠。经长时间验证，能达到10-5左右的误码率，具有一定的推广应用价值。
参考文献
[1]樊昌信.通信原理教程[M].北京：电子工业出版社，2005：168-171.
[2]聂伟，林竹.基于FPGA的通用位同步器设计[J].现代防御技术，2013年15期，第36卷第15期：45-49.
[3]赖文强，赵建业.一种面向DSP实现的GMSK位同步算法[J].无线电工程，2004年2期，第34卷第2期：12-14.
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[5]程水英，张剑云.软件无线电侦察中数字通信信号位同步的实现[J].舰船电子工程，2006年01期，第26卷第1期：141-144.