一种用于实现FPGA的光脉冲位置调制信号同步方法

技术领域

本发明属于光通信信号同步处理技术领域，涉及一种用于实现FPGA的光脉冲位置调制信号同步方法。

背景技术

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。

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。

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。

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。

发明内容

有鉴于此，本发明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。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

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：

S1：对采样的PPM(脉冲位置调制)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。

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。

进一步，步骤S2中，旋转因子

进一步表示为：

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：

进一步，步骤S3中，DFT公式为：

其中，X(k)表示预处理后的采样信号x(n)的傅里叶变换值。

进一步，步骤S4中，Quinn算法的具体步骤为：

S41：对输入的采样信号做DFT运算，确定最大谱线值X(k

S42：计算频偏

S43：判断频偏δ的取值情况：如果δ

S44：计算信号校正后的频率，即信号频率估计值

进一步，步骤S5中，信号相偏τ的计算公式为：

τ＝{θ

其中，H表示每个时隙的采样点数，int[·]表示取整运算；θ

其中，

本发明的有益效果在于：

1)在对信号进行DFT处理前，本发明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。

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，本发明设计了根据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。

3)本发明实现了信号同步。

本发明的其他优点、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，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明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

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明实现FPGA的光脉冲位置调制信号同步方法流程图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，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明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

请参阅图1，图1为利用本发明光脉冲位置调制信号同步方法来实现FPGA的流程示意图，该方法本发明首先对采样数据进行一系列预处理，减少后续处理的计算量，接着将处理后数据直接按照DFT数学公式计算信号的频谱信息，成功解决了由于信号数据量大且硬件FPGA IP核处理点数受限无法直接应用带来的问题，并利用Quinn算法对信号进行频谱校正，减小频偏误差。最后根据频率信息求出信号的相位误差，信号根据频偏和相偏等信息进行调整从而实现同步。

该方法具体步骤如下：

步骤1：对采样的PPM调制信号进行预处理操作。

接收端采样到的数据是经脉冲位置调制(PPM)后的光信号。PPM调制信号的显著特点是，只在某一个时隙含有脉冲信号，其余时隙不包含脉冲信号。

PPM调制的工作原理是将一组二进制M位数据映射在2

L＝2

对于发射端数据进行64PPM调制时，接收端接收到的是经64PPM调制后的信号，接收端接收到的一帧数据包含2520个PPM符号，每个符号含有66个时隙(其中两个时隙为保护时隙)，对每个时隙进行4倍采样，则一帧数据的采样总个数为665280，直接利用FPGA携带的FFT IP核计算时，遇到的难题是IP核处理点数有限，只能处理点数范围在8～66536的数值。本发明中采集的一帧数据个数远远超出IP核的计算范围，考虑到硬件IP核的限制以及在对信号谱线进行处理时只需针对理论上最强谱线附近的几十个点处理，不需要对所有采样数据的谱线进行处理，故在数据DFT处理时直接基于DFT数学表达式进行。

首先将一帧数据做归一化处理公式如下：

td_deal＝(td-td_min)/(td_max-td_min) (2)

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。

步骤2：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。

按照DFT数学公式(公式3)中旋转因子的计算公式得到对应点数旋转因子的实部与虚部系数。旋转因子的计算公式如下：

公式(5)是公式(3)中旋转因子的展开式，公式(6)与公式(7)表示旋转因子实部与虚部的系数。该步计算的是理论谱线附近几十个点的旋转因子的数值，而非整帧采样数据的旋转因子。

除此之外，需要说明的是，FPGA硬件能够识别的语言类型包括二进制和十六进制类型，所以需要将采样处理数据和旋转因子转换成FPGA可识别读取的类型，本发明将数据同意转换成二进制的形式保存处理，并且处理过程中统一采用定点计算的方式。

步骤3：将步骤1中处理后的采样数据与步骤2中的旋转因子按照DFT公式进行计算，分别保存实虚部结果。

按照DFT数学公式求得采样处理信号的傅里叶变换值X(k)。信号DFT处理的实部与虚部系数为：

步骤4：搜寻步骤3中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，Quinn算法利用主瓣内最大谱线与次大谱线的复数值之比对信号进行频谱校正。

信号的DFT处理就是将信号从时域转换到频域上的基本运算。对信号进行频谱分析时，如果信号频率不是DFT频率分辨率的整数倍时，信号频谱的“栅栏效应”会造成频谱泄露，此时信号频率的真实位置与主瓣内中心位置不重合，信号的真实频率落于主瓣内两谱线之间。Quinn算法利用主瓣内最大谱线与次大谱线的幅度比值求出信号的频偏δ，继而对信号进行频率校正。Quinn算法具体的步骤如下：

1)对输入的采样信号做FFT运算，确定X(k

2)计算频偏估计值

3)判断频偏δ的取值情况。如果δ

4)计算信号频率估计值

其中，计算步骤1)中的k

最后可根据求出的频偏值δ算出信号的相位偏差。假设最大谱线处的复数表达式为X(k

对比实验

下面对本发明的实验结果和参数设置作进一步说明。为了进一步说明本发明的方法的有效性，下面进行了一个对比实验，实验参数如表1所示，MATLAB中处理的结果对比如表2所示。

表1实验参数设置

表2 MATLAB与FPGA结果对比

由表2可知，峰值谱线及其相邻谱线的DFT变换值误差不大，二者的相位偏差值有一定的误差，修正频率误差较小，造成误差的原因是在数据处理过程中全程采用定点方式，中间数据一直是截断保存处理从而导致计算精度下降。虽然结果存在一定的误差但结果显示出直接利用数学公式进行信号DFT处理方式具有正确性。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。