数字卫星广播系统采样时钟同步方法

刘斌彬， 葛启宏， 王秋生， 曹晓卫

（北京泰美世纪科技有限公司，北京 100097）

0 引言

数字卫星广播除了频率和功率利用率高、抗噪声和干扰能力强、支持数据和多媒体业务之外，最大的特点就是覆盖面广[1]。特别是对于幅员辽阔、地理环境多样、人口分布不均的中国，数字卫星广播在国家信息基础设施建设和国家信息安全战略中具有重要地位。

在数字卫星广播系统中，接收机需要对接收到的连续信号进行采样。然而，接收机的数模转换器（ADC）的采样时钟与发射机不可能具有完全相同的频率和相位。对于正交频分复用（OFDM）系统，采样偏差会导致频域上子载波不再正交，造成子载波间串扰（ICI）[2-3]。而单载波系统对采样同步的要求更为严格，即需要采样位置位于眼图最大处，以获得尽可能好的信干噪比（SINR）[4-5]。

针对数字卫星广播系统的采样时钟偏差问题，提出了一种采样频率和相位同步方法，并对其中的Farrow滤波器、迟早门和采样频率控制等关键算法进行了详细阐述，最后给出了实验性能及分析。

1 系统概述

在数字卫星广播系统中，信号帧由帧头和负载构成，长度为300 000点，如图1所示。其中同步头由帧标识、同步序列、控制字和循环冗余校验（CRC）构成，负载由若干数据段构成。系统的时钟频率为30 MHz。

图1 信号帧结构

同步序列由一个伪随机序列经过 BPSK星座映射后生成，长度为18 432点。伪随机序列由图2所示的m序列生成器产生，生成多项式为x15+x12+x11+x9+x7+x5+x3+1，移位寄存器初始值为101010100101010。m序列生成器的移位时钟与系统时钟同步，且频率相同。在每个信号帧同步头的开始，移位寄存器复位为初始值。

2 采样时钟同步

采样时钟同步结构如图3所示。其中关键的模块主要有Farrow滤波器、迟早门和采样频偏控制，下面对其算法进行详细阐述。

图3 采样时钟同步结构

2.1 Farrow滤波器

ADC对接收到的连续信号进行3倍过采样，得到过采样序列s(n)。Farrow滤波器根据采样频偏值，对s(n)进行插值处理，得到采样频率变换后的过采样序列r(n)。

滤波器采用二阶抛物线内插，如图4所示。要得到内插值r(n)，首先需要找准插值点的位置

其中mn为整数，µn为小数。四个滤波器系数：C-1= 0.5µn2-0.5µn，C0= -0.5µn2- 0.5µn+ 1，C1= -0.5µn2+ 1.5µn，C2=0.5µn2- 0.5µn，输出的内插值为[6-7]：

根据采样频偏值 ΔfS和当前插值点的位置，可以估算出下一插值点的位置：

图4 二阶抛物线内插

2.2 迟早门

根据信号帧结构和同步序列的位置，在过采样序列r(n)中提取出同步序列，并分成6段。每一段的长度为9 228点，记为qi(n), i = 0,1,2,…,5, n = 0,1,2,…,9 227。分段的数目和长度可以根据所需对抗的噪声干扰强度和载波频偏值进行折衷选择。

通过延迟和3倍下采样，得到单倍采样的早门信号pe(k)和迟门信号pl(k)：

将早门信号和迟门信号分别与对应的本地同步序列SYNi(k)进行互相关：

对互相关值Se和Sl分别求第一范数：

其中函数real ( )和imag ( )分别表示取实部和虚部。采样误差可以由ai和bi的对称度得到[8]。通过对同一个信号帧中的6个采样误差取平均，对采样误差进行降噪，得到更准确的采样误差值：

2.3 采样频偏控制

若采样误差| e |小于阀值T = 0.1，则不对采样频偏ΔfS进行调整。

若采样误差| e |大于阀值T，则采样频偏ΔfS首先在原有值的基础上进行一次临时性的粗调整，控制Farrow滤波器实现采样相位的同步。

其中上标j为调整次数，ΔfL(e)为粗调整值，是采样误差e的函数：

经过一个信号帧的时间后，将采样频偏 ΔfS恢复为原有值，然后在原有值的基础上进行一次永久性的微调整，控制Farrow滤波器实现采样频率的同步。

其中ΔfM为微调整值，取ΔfM= 0.05×106。

考虑到整个环路可能有一定的延时，在进行完采样频偏微调整后可以等待一定的时间。

3 实验性能

当接收信号的信噪比为-20 dB，载波频偏为3 kHz，A/D的频率稳定度为1×106时，进行200次采样频偏调整后的采样误差值如图5所示。可以看出，环路可以在50次采样频偏调整（约1.5秒）之内达到稳定，且采样误差可以控制在0.1（小于0.1个采样点）之内。这说明该方法能够在高强度噪声干扰和较大载波频偏环境下，快速准确的实现采样时钟同步。

图5 200次采样频偏调整后的采样误差值

4 结语

针对数字卫星广播系统的采样时钟偏差问题，提出了一种采样频率和相位同步方法。该方法利用迟早门进行采样误差估计，并通过采样频偏调整环路控制Farrow滤波器进行插值处理，实现采样频率和相位同步。实验结果表明，该方法能够在高强度噪声干扰和较大载波频偏环境下，快速准确的实现采样时钟同步。该方法还可以广泛应用于数字地面广播、数字移动广播等多个领域。

[1] 程晓军, 汤恒胜, 陆建华, 等. DVB-S数据广播系统的设计与性能分析[J]. 通信技术, 2008, 41(05)： 1-3.

[2] 王侃, 李存永. 时频同步误差对OFDM系统性能的影响[J]. 通信技术, 2009, 42(02)： 71-73.

[3] 刘元, 彭端, 陈楚. 基于导频的OFDM时钟采样频偏估计[J]. 通信技术, 2008, 41(02)： 20-21.

[4] 田文华, 李宏伟, 邓冬虎. 同步偏差对MPAM和MQAM性能的影响[J].通信技术, 2009, 42(07)： 4-6.

[5] 石明军, 邓名桂, 肖立民,等. 一种新的数字调制信号符号率估计和同步算法[J]. 通信技术, 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.