一种用于实现FPGA的光脉冲位置调制信号同步方法技术

本发明专利技术涉及一种用于实现FPGA的光脉冲位置调制信号同步方法，属于光通信信号同步处理技术领域。该方法首先对采样的PPM调制信号进行预处理，将采样信号和旋转因子分别存储再根据DFT数学公式处理实现，并利用Quinn算法对信号频谱进行细化修正，最后由信号的频偏信息推算信号的相位误差，从而实现信号同步。本发明专利技术减小了噪声的影响，同时减少数据计算量并提高频率计算精度，并且计算得到的信号频率误差值和时延误差值较小，具备合理性。具备合理性。具备合理性。

A synchronization method of optical pulse position modulation signal for FPGA

【技术实现步骤摘要】
一种用于实现FPGA的光脉冲位置调制信号同步方法


[0001]本专利技术属于光通信信号同步处理
，涉及一种用于实现FPGA的光脉冲位置调制信号同步方法。

技术介绍

[0002]无线光通信又被称为自由空间光通信(Free
‑
Space Optical Communication,FSO)，是一种以激光为信息载波，大气空间为传输介质实现大容量信息传递的技术。无线激光通信在保密性和抗干扰能力方面都具有很好的性能特点，但在信号传递过程中，受大气空间因素的影响，信号在传输过程中信号能量衰减，接收端信号信噪比低，导致收发双方信号不同步，影响信号数据的恢复。
[0003]一般实现PPM时隙同步主要以锁相环、早迟门等技术为主。JPL实验室针对LLCD项目设计了一套地面后备接收系统，该系统通过周期性插入训练序列的方式估计定时误差从而实现时隙同步，但这种处理方式浪费了发射功率。吴涛等人针对光子探测阵列的光PPM信号，结合EM定时误差估计原理，提出了一种基于SCPPM码辅助的光PPM时隙同步技术，利用EM估计算法预测时钟偏差实现PPM信号的时隙同步，但这种方式存在同步估计误差范围较小的问题。另一种基于光子到达时间测量光子探测阵列信号的时隙同步方法，该方法利用二维搜索的方式寻找最佳定时误差估计值，这种同步方式存在计算速度慢的问题。上述所提的同步方法处理复杂不易在硬件上实现。
[0004]直接基于离散傅里叶变换(DFT)的谱分析法，处理过程中不可避免会因为能量泄露和栅栏效应从而导致信号真实频率不在主瓣的中心位置，而落于主瓣内两谱线之间，进而造成频率计算误差过大的现象。针对此现象，国内外许多专家学者提出采用比值法对离散频谱进行校正。Quinn算法正是其中的一种。在FPGA上实现信号的频域处理时，大多利用FPGA开发板自身配置的FFT IP核计算，但FPGA开发板所能处理的点数有限(范围8～66536)，对计算点数超过处理范围的情况需要重新考虑解决方法。
[0005]因此，设计一种基于DFT公式计算信号频谱处理从而实现同步的方法具有重要意义。

技术实现思路

[0006]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种用于实现FPGA的光脉冲位置调制信号同步方法，利用DFT公式实现信号的频谱处理，并采用Quinn算法对频谱处理结果进行修正从而实现信号同步。
[0007]为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0008]一种用于实现FPGA的光脉冲位置调制信号同步方法，包括以下步骤：
[0009]S1：对采样的PPM(脉冲位置调制)调制信号进行预处理；
[0010]S2：根据信号数据长度计算旋转因子的实部与虚部，并保存实虚部系数值；
[0011]S3：将步骤S1预处理后的采样数据与步骤S2中的旋转因子按照DFT公式进行计算，
并保存实虚部系数结果；
[0012]S4：搜寻经步骤S3数据处理后峰值谱线的位置，并保存最大谱线与相邻的次大谱线值，采用Quinn算法即利用主瓣内最大谱线与次大谱线的幅度比值求出信号频偏δ，继而求出信号校正后的频率，从而得到校正后的频谱；
[0013]S5：依据步骤S4求得的信号频偏δ估计出信号相偏τ，根据求得的频偏和相偏对信号进行修正从而实现同步。
[0014]进一步，步骤S1中，对PPM调制信号进行预处理，具体包括：首先将一帧数据归一化处理：td_deal＝(td
‑
td_min)/(td_max
‑
td_min)，其中，td表示输入的一帧采样数据，td_deal表示归一化后数据，td_min表示数据中的最小值，td_max表示数据中的最大值；然后求出归一化后数据的标准差td_deal_std和平均值td_deal_average；最后经过多次验证发现，将数据中小于td_deal_average+0.25*td_deal_std的数判零操作后，后续运算量将大大减少。
[0015]进一步，步骤S2中，旋转因子的计算公式为：
[0016][0017]进一步表示为：
[0018][0019]其中，N表示信号总的采样点数。由上述公式计算得到对应点数旋转因子的实部与虚部系数，即：和
[0020]进一步，步骤S3中，DFT公式为：
[0021][0022]其中，X(k)表示预处理后的采样信号x(n)的傅里叶变换值。
[0023]进一步，步骤S4中，Quinn算法的具体步骤为：
[0024]S41：对输入的采样信号做DFT运算，确定最大谱线值X(k0)以及相邻次大谱线值X(k0+1)、X(k0‑
1)，其中k0表示采样信号DFT处理后频谱最大谱线的位置；
[0025]S42：计算频偏其中Re(
·
)表示取信号的实部；
[0026]S43：判断频偏δ的取值情况：如果δ1与δ2均大于0，则δ＝δ1，否则δ＝δ2；
[0027]S44：计算信号校正后的频率，即信号频率估计值其中，Δf＝1/(NT
s
)，T
s
表示信号每时隙的时钟周期，N表示信号总的时隙个数。
[0028]进一步，步骤S5中，信号相偏τ的计算公式为：
[0029]τ＝{θ
i
/(2π)
‑
int[θ
i
/(2π)]}H
[0030]其中，H表示每个时隙的采样点数，int[
·
]表示取整运算；θ
i
表示第i个采样点处的相位，表达式为：
[0031][0032]其中，表示信号的频偏信息，θ0表示信号的初始相位。
[0033]本专利技术的有益效果在于：
[0034]1)在对信号进行DFT处理前，本专利技术先将信号进行一系列的预处理，减少计算量并提高了频率处理精度。
[0035]2)在对信号做DFT变换时，由于采样数据的数据量大，若直接在FPGA上使用FFT IP核计算时，IP核计算长度范围有限，为解决此问题，本专利技术设计了根据DFT公式将采样信号与旋转因子分别保存再对应处理的方式解决。该处理方式计算得到的信号频率误差值和时延误差值较小，具备合理性。
[0036]3)本专利技术实现了信号同步。
[0037]本专利技术的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本专利技术的实践中得到教导。本专利技术的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
[0038]为了使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本专利技术作优选的详细描述，其中：
[0039]图1为本专利技术实现FPGA的光脉冲位置调制信号同步方法流程图。
具体实施方式
[0040]以下通过特定的具体实例说明本专利技术的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于实现FPGA的光脉冲位置调制信号同步方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：S1：对采样的PPM调制信号进行预处理；S2：根据信号数据长度计算旋转因子的实部与虚部，并保存实虚部系数值；S3：将步骤S1预处理后的采样数据与步骤S2中的旋转因子按照DFT公式进行计算，并保存实虚部系数结果；S4：搜寻经步骤S3数据处理后峰值谱线的位置，并保存最大谱线与相邻的次大谱线值，采用Quinn算法即利用主瓣内最大谱线与次大谱线的幅度比值求出信号频偏δ，继而求出信号校正后的频率，从而得到校正后的频谱；S5：依据步骤S4求得的信号频偏δ估计出信号相偏τ，根据求得的频偏和相偏对信号进行修正从而实现同步。2.根据权利要求1所述的光脉冲位置调制信号同步方法，其特征在于，步骤S1中，对PPM调制信号进行预处理，具体包括：首先将一帧数据归一化处理：td_deal＝(td
‑
td_min)/(td_max
‑
td_min)，其中，td表示输入的一帧采样数据，td_deal表示归一化后数据，td_min表示数据中的最小值，td_max表示数据中的最大值；然后求出归一化后数据的标准差td_deal_std和平均值td_deal_average；最后将数据中小于td_deal_average+0.25*td_deal_std的数判零。3.根据权利要求1所述的光脉冲位置调制信号同步方法，其特征在于，步骤S2中，旋转因子的计算公式为：进一...

【专利技术属性】
技术研发人员：向劲松，徐宁杰，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：