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摘 要：在卫星通信的众多可用频段中，UHF频段的信号具有频率相对较低，可以使天线波束较宽，而传播损耗和多谱勒频移比较小，同时波长较长信号绕射能力因而也较强；具有设备结构比较简单可靠、多谱勒频移小和费用低等优点。正是因为这些特点，UHF频段卫星通信极大地满足了移动通信的要求，对移动用户具有较强的支持力。该文分析了UHF波段中位定时信号的性能和检测技术，采用平方法检测位定时误差，采用内插方法来实现位定时调整、定时同步整体实现方案，并通过FPGA进行了仿真和实现。
关键词：UHF波段 定时同步 FPGA仿真
中图分类号：TN919.2 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）03（a）-0066-02
卫星通信天生作为一种应急通信手段被广泛使用在各个通信领域中并已经成为现代社会中一种重要的通信手段，在卫星通信的众多可用频段中，UHF频段的信号具有一系列独特的特点（1）UHF频段信号能穿透恶劣的气候、丛林遮蔽和城市环境，进行有效的通信。（2）UHF频段频率相对较低，因而可以使天线波束较宽，而传播损耗和多谱勒频移比较小，同时波长较长信号绕射能力因而也较强。（3）UHF频段中较低频率部分的电子设备有较高的效率，正是因为这些特点，UHF频段卫星通信极大地满足了移动通信的要求，对移动用户具有较强的支持力。UHF波段中位同步技术是其调制解调中一个关键技术，位同步性能的好坏，直接影响到解调的性能。本文通过分析UHF波段中位定时信号的性能和检测技术，采用平方法检测位定时误差，采用内插方法来实现位定时调整，定时同步整体实现方案，并通过FPGA进行了仿真和实现。
1 定时同步技术及实现方法
一般来讲，位同步技术可以划分为相互联系的两部分：位定时误差检测和位定时调整。位定时检测指的是根据接收到的信号，提取出位定时误差信息；位定时调整是指根据检测到的位定时误差，去调整判决时钟或调整判决时刻的信号样值，达到系统位定时的同步。在位同步技术的检测中主要有以下两种方法。
1.1 定时误差检测技术
目前常用的位定时误差检测方法有以下几种：早迟门算法：利用匹配滤波器或相关器输出信号的对称特性，通过在早于和迟于理想抽样位置抽样来产生误差信号，其特点是每个符号需要3个样值。Gardner算法：是Gardner在1986年提出来的被广泛的应用于许多实际的定时恢复环路中，它有一个显著的特点是对载波相位偏移不敏感，这样可以独立地进行定时恢复的工作。Mueller & Muller算法：其特点是每符号只需要1个样值，有利于简化硬件设计，但其对载波相位偏移比较敏感，在实际应用中受到较大的限制。平方位定时误差检测算法（以后简称为平方法）：Martin Oerder和Heinrich Meyr在1988年对其进行了完整的论述，目前广泛地应用在各种数字通信系统中。这种方法有以下显著优点：适合各种线性调制，非常适合在软件无线电系统中使用；对载波频偏不敏感，可以独立的进行位定时检测；不需判决反馈环路，硬件实现简单。基于平方法的这些优点，同步误差检测采用此算法。
1.2 定时调整技术
根据接收到的信号，实现系统的位定时同步。根据对本地时钟处理机制的不同这些方法主要可以分为两类，一类是通过直接改变本地时钟的频率和相位来实现位定时的调整，该方法的优点是技术简单、成熟，但该类方法的缺点是很明显的：首先由于直接控制VCO时钟的频率和相位，调整起来不方便，准确性不高；其次该方法实现困难，难以采用数字信号处理的办法来实现。另一类是使用固定的本地时钟而通过改变其它参数来实现位定时的调整。主要有两种典型的方法：数字锁相环调整方法和内插位定时调整方法。数字锁相环方法发展时间长、理论成熟、实现简单，在位定时系统中得到较普遍的应用。内插调整方法根据位定时误差信息，通过控制内插滤波器的参数，采用数字信号处理的办法，直接恢复出所需的信号样值。
2 定时同步的FPGA仿真和实现
综合前面的讨论，采用平方法检测位定时误差，采用内插方法来实现位定时调整，定时同步整体实现方案如图1所示。实现方案中去除了匹配滤波器，主要是由于图中给出的滤波器为模拟滤波器，实现比较困难，且当系统存在频偏时难以实现“完全匹配”。
2.1 定时同步实现方法
位同步系统整体实现方案如图1所示。首先将I、Q两路基带数据（来源于数字下变频模块）经内插器后获得每符号4个样点的数据，然后采用平方法检测出位定时误差，根据计算出的值去控制内插器，通过对内插滤波器系数的不同选择获得同步后的信号样值。同步检测模块主要包括平方运算，傅氏变换模块，Kalman滤波和相位计算模块。傅氏变换模块的实现结构如下图所示。由于，所以如何根据得到的值，计算出是本模块要实现的功能。在范围内。问题在于反正切函数难以通过硬件直接计算，通常求法有两种：第一种方法是查找反正切函所示。这种实现方法首先通过一个除法器，求出Im（X）/Re（X）的值，然后根据得到的商查找反正切函数表。缺点在于：除法运算耗费资源较大，而且如需要得到精确的估计结果需要一个庞大的查找表，这也需消耗较多的硬件资源。第二种方法是采用CORDIC坐标旋转算法，通过迭代的方式计算出相位。这种方法不需要查找表和除法器，且由于是针对低速的基带数据运算，对运算速度要求不高，可以使用低速的串行结构，使用这种算法可以大大减小对硬件资源的消耗。
2.2 定时同步的FPGA的仿真及实现
FPGA选用Altera公司Cyclone II 器件系列的EP2C20F484芯片。该芯片资源丰富，共有逻辑单元（LE）18752个，RAM 总量239616比特，其中M4KRAM 有52块，嵌入式18×18乘法器有26个，锁相环（PLL）4个，可用I/O管脚315个，完全能够满足相应的需求。利用了QuartusII软件对定时同步方案进行仿真，仿真结果如图2所示，可以看出，经过若干歩调整后，系统的位定时误差稳定在7（位定时误差用10位二进制补码表示，“7”表示位定时误差为7/512=1.36%），可以看到，经过若干歩调整后系统达到了同步，说明设计结果正确。
3 结语
UHF频段卫星通信极大地满足了移动通信的要求，对移动用户具有较强的支持力。本文分析了UHF波段中位定时信号的性能和检测技术，采用平方法检测位定时误差，采用内插方法来实现位定时调整，定时同步整体实现方案，并通过FPGA进行了仿真和实现，从仿真结果来看可以达到对UHF波段位信号的定时同步。
参考文献
[1] 张立新.卫星系统的定位定时系统.空间电子技术，2003（3）：39-42.
[2] 王利众.UHF波段PLL频率合成器的设计[J]..太原师范学院学报2011（12）：56-68.
[3] 王磊.Gardner算法在OFDM采样频率同步中的应用[J].电子与信息学报，2011（4）：865-868.
[4] 梁千帆，陈建华.UHF频段卫星通信的现状与未来发展[J].网络与应用，2007（6）：27-28.
[5] 宋文政.OFDM定时同步设计与FPGA实现[J].信息工程大学学报[J] 2009（4）：476：479.
[6] 吴慧朋.一种MSK信号符号定时同步算法的FPGA实现[J].电信技术研究，2011（5）：18：22.
关键词：UHF波段 定时同步 FPGA仿真
中图分类号：TN919.2 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）03（a）-0066-02
卫星通信天生作为一种应急通信手段被广泛使用在各个通信领域中并已经成为现代社会中一种重要的通信手段，在卫星通信的众多可用频段中，UHF频段的信号具有一系列独特的特点（1）UHF频段信号能穿透恶劣的气候、丛林遮蔽和城市环境，进行有效的通信。（2）UHF频段频率相对较低，因而可以使天线波束较宽，而传播损耗和多谱勒频移比较小，同时波长较长信号绕射能力因而也较强。（3）UHF频段中较低频率部分的电子设备有较高的效率，正是因为这些特点，UHF频段卫星通信极大地满足了移动通信的要求，对移动用户具有较强的支持力。UHF波段中位同步技术是其调制解调中一个关键技术，位同步性能的好坏，直接影响到解调的性能。本文通过分析UHF波段中位定时信号的性能和检测技术，采用平方法检测位定时误差，采用内插方法来实现位定时调整，定时同步整体实现方案，并通过FPGA进行了仿真和实现。
1 定时同步技术及实现方法
一般来讲，位同步技术可以划分为相互联系的两部分：位定时误差检测和位定时调整。位定时检测指的是根据接收到的信号，提取出位定时误差信息；位定时调整是指根据检测到的位定时误差，去调整判决时钟或调整判决时刻的信号样值，达到系统位定时的同步。在位同步技术的检测中主要有以下两种方法。
1.1 定时误差检测技术
目前常用的位定时误差检测方法有以下几种：早迟门算法：利用匹配滤波器或相关器输出信号的对称特性，通过在早于和迟于理想抽样位置抽样来产生误差信号，其特点是每个符号需要3个样值。Gardner算法：是Gardner在1986年提出来的被广泛的应用于许多实际的定时恢复环路中，它有一个显著的特点是对载波相位偏移不敏感，这样可以独立地进行定时恢复的工作。Mueller & Muller算法：其特点是每符号只需要1个样值，有利于简化硬件设计，但其对载波相位偏移比较敏感，在实际应用中受到较大的限制。平方位定时误差检测算法（以后简称为平方法）：Martin Oerder和Heinrich Meyr在1988年对其进行了完整的论述，目前广泛地应用在各种数字通信系统中。这种方法有以下显著优点：适合各种线性调制，非常适合在软件无线电系统中使用；对载波频偏不敏感，可以独立的进行位定时检测；不需判决反馈环路，硬件实现简单。基于平方法的这些优点，同步误差检测采用此算法。
1.2 定时调整技术
根据接收到的信号，实现系统的位定时同步。根据对本地时钟处理机制的不同这些方法主要可以分为两类，一类是通过直接改变本地时钟的频率和相位来实现位定时的调整，该方法的优点是技术简单、成熟，但该类方法的缺点是很明显的：首先由于直接控制VCO时钟的频率和相位，调整起来不方便，准确性不高；其次该方法实现困难，难以采用数字信号处理的办法来实现。另一类是使用固定的本地时钟而通过改变其它参数来实现位定时的调整。主要有两种典型的方法：数字锁相环调整方法和内插位定时调整方法。数字锁相环方法发展时间长、理论成熟、实现简单，在位定时系统中得到较普遍的应用。内插调整方法根据位定时误差信息，通过控制内插滤波器的参数，采用数字信号处理的办法，直接恢复出所需的信号样值。
2 定时同步的FPGA仿真和实现
综合前面的讨论，采用平方法检测位定时误差，采用内插方法来实现位定时调整，定时同步整体实现方案如图1所示。实现方案中去除了匹配滤波器，主要是由于图中给出的滤波器为模拟滤波器，实现比较困难，且当系统存在频偏时难以实现“完全匹配”。
2.1 定时同步实现方法
位同步系统整体实现方案如图1所示。首先将I、Q两路基带数据（来源于数字下变频模块）经内插器后获得每符号4个样点的数据，然后采用平方法检测出位定时误差，根据计算出的值去控制内插器，通过对内插滤波器系数的不同选择获得同步后的信号样值。同步检测模块主要包括平方运算，傅氏变换模块，Kalman滤波和相位计算模块。傅氏变换模块的实现结构如下图所示。由于，所以如何根据得到的值，计算出是本模块要实现的功能。在范围内。问题在于反正切函数难以通过硬件直接计算，通常求法有两种：第一种方法是查找反正切函所示。这种实现方法首先通过一个除法器，求出Im（X）/Re（X）的值，然后根据得到的商查找反正切函数表。缺点在于：除法运算耗费资源较大，而且如需要得到精确的估计结果需要一个庞大的查找表，这也需消耗较多的硬件资源。第二种方法是采用CORDIC坐标旋转算法，通过迭代的方式计算出相位。这种方法不需要查找表和除法器，且由于是针对低速的基带数据运算，对运算速度要求不高，可以使用低速的串行结构，使用这种算法可以大大减小对硬件资源的消耗。
2.2 定时同步的FPGA的仿真及实现
FPGA选用Altera公司Cyclone II 器件系列的EP2C20F484芯片。该芯片资源丰富，共有逻辑单元（LE）18752个，RAM 总量239616比特，其中M4KRAM 有52块，嵌入式18×18乘法器有26个，锁相环（PLL）4个，可用I/O管脚315个，完全能够满足相应的需求。利用了QuartusII软件对定时同步方案进行仿真，仿真结果如图2所示，可以看出，经过若干歩调整后，系统的位定时误差稳定在7（位定时误差用10位二进制补码表示，“7”表示位定时误差为7/512=1.36%），可以看到，经过若干歩调整后系统达到了同步，说明设计结果正确。
3 结语
UHF频段卫星通信极大地满足了移动通信的要求，对移动用户具有较强的支持力。本文分析了UHF波段中位定时信号的性能和检测技术，采用平方法检测位定时误差，采用内插方法来实现位定时调整，定时同步整体实现方案，并通过FPGA进行了仿真和实现，从仿真结果来看可以达到对UHF波段位信号的定时同步。
参考文献
[1] 张立新.卫星系统的定位定时系统.空间电子技术，2003（3）：39-42.
[2] 王利众.UHF波段PLL频率合成器的设计[J]..太原师范学院学报2011（12）：56-68.
[3] 王磊.Gardner算法在OFDM采样频率同步中的应用[J].电子与信息学报，2011（4）：865-868.
[4] 梁千帆，陈建华.UHF频段卫星通信的现状与未来发展[J].网络与应用，2007（6）：27-28.
[5] 宋文政.OFDM定时同步设计与FPGA实现[J].信息工程大学学报[J] 2009（4）：476：479.
[6] 吴慧朋.一种MSK信号符号定时同步算法的FPGA实现[J].电信技术研究，2011（5）：18：22.