¿Cómo determinar dónde tomar muestras para la demodulación de señales BPSK?

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Tengo un simple demodulador BPSK. Muy simple, la señal entra y se divide en dos ramas, una para I y otra para Q.

  1. La rama I se mezcla con una onda sinusoidal del portador, y la rama Q se mezcla con la onda cosenoidal del portador.
  2. Luego, cada una de las salidas se convoluciona con un filtro adaptado (en este caso, un coseno raíz elevado, que inicialmente pulso formó mis bits transmitidos).
  3. Ahora, si combino ambas salidas y tomo la magnitud de ambas (I ^ 2 + Q ^ 2), obtengo el sobre.
  4. A partir de aquí, busco picos y elijo sus indicaciones.
  5. Luego uso esas mismas indicaciones que obtuve de (4), y muestro mis I y Q en esas mismas indicaciones. Ahora tengo valores complejos de softbit, y soy capaz de corregir cualquier desfase o desplazamiento de frecuencia, y puedo tomar decisiones difíciles a partir de ahí. (Tengo el lujo de post procesamiento por cierto).

Esta técnica funcionó bien con SNR de alto a medio. El problema es que con una SNR más baja (y tal vez con trayectos múltiples), no sé cómo realizar la viñeta (4). El problema es que, en lugar de un pico en los sobres correspondientes a un bit, ahora tengo varios picos, y la 'selección de picos' no funcionará porque hay tantos para elegir ... ¿cómo se mitiga este problema? Esto parece ser un cuello de botella porque si no puedo decir dónde está mi 'bit', no puedo avanzar. ¿Alguna idea?

Se agradece cualquier ayuda, las matemáticas son buenas, aunque pediría que las respuestas sean más pesudo-codificadas / orientadas al concepto de antemano. ¡Gracias!

Editar: Gracias a los comentarios de Dilip, también debo agregar que puedo ver claramente 'energía' en el sobre cuando hay una señal y no hay una señal. (es decir, antes de que llegara mi señal), así que esto me lleva a creer que debería poder sincronizar / demodir y que no es un problema de SNR únicamente ...

Spacey
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@DilipSarwate Sí, en este caso conozco exactamente mi Tbps. (Entonces, sí, el receptor sabrá el espacio exacto entre mis bits), pero ¿cómo lograr ese primer índice de bits? ... Por cierto, no estoy seguro de lo que vale, pero puedo ver claramente 'energía' en el sobre cuando hay una señal y no hay una señal, y esto me lleva a creer que mi SNR no es tan mala que no debería poder sincronizar / demod ... (Gracias por la información de la etiqueta, intentaré agregar algo más).
Spacey
@DilipSarwate Hmm ... Estoy de acuerdo con usted en esa técnica: lo que no tengo claro es dónde / cómo encajar mi ventana de un bit para que luego pueda realizar la técnica de la que está hablando. ¿Ves mi problema? Solo para asegurarme de que te entiendo correctamente: digamos que hay 10 muestras / bit en el sobre. Ok, entonces, ¿estás diciendo tomar todo el sobre, dividirlo en 10 trozos de muestra y promediar todos juntos para encontrar dónde debería estar el pico?
Spacey
La sincronización puede ser un tema muy complejo. ¿Podría poner un número en los valores de SNR con los que está probando? ¿Qué es "alto", "medio" y "bajo"?
Jason R
@DilipSarwate Ok, estamos diciendo lo mismo. Ahora, entiendo que sobre todo este promedio, estamos apostando a que podemos alcanzar el índice de muestra óptimo porque se está promediando a partir del ruido. Pero en presencia de trayectos múltiples, ¿podemos contar con ese promedio para trabajar? ¿No se "deslizaría" el pico óptimo con el tiempo? Supongo que es por eso que tendrías que volver a realizar esta técnica cada cierto tiempo ...
Spacey
@JasonR No puedo obtener cifras precisas de SNR en este momento, pero puedo tratar de obtenerlas pronto. (Incluso entonces, dado que no puedo bloquear bits, ¿le gustaría una medida basada en el sobre de alguna manera? ...) Por ahora, cualitativamente, puedo decir que en mi caso de alta SNR, puedo ver claramente un pico por intervalo de bits en mis sobres sin ambigüedad, pero en mis otros casos de SNR más bajos (y posiblemente con múltiples rutas) puedo ver que el sobre tiene muchos picos durante la duración de un bit. (Dicho esto, puedo discriminar claramente cuando mi señal comienza a mirar el sobre).
Spacey

Respuestas:

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He hecho algo similar a esto en MATLAB. En mi causa, utilicé un método de recuperación de reloj de puerta temprana / tardía para obtener una estimación del desplazamiento entre la transmisión y la sincronización del símbolo de recepción. Este método usa 3 muestras por símbolo: una en el tiempo de muestra óptimo, una con 1 muestra demorada y 1 con una muestra avanzada. Esto funciona bien para las señales de activación / desactivación, ya que no hay una porción negativa de la señal, pero creo que los métodos a continuación funcionarán mejor para las señales bipolares.

Otro método es el algoritmo de Muller y Mueller , que utiliza 1 muestra por símbolo. Utiliza la ecuación , donde es el error, e son las muestras de símbolos anteriores y actuales, y y son las salidas de decisión (-1 o +1 en su caso). M&M requiere que el transportista se recupere primero.e n y n - 1en=(yn^yn1)(yny^n1)enyn1^ y n y n - 1ynyn^y^n1

Un tercer algoritmo, que es muy similar al anterior, es el algoritmo de Gardner . En este algoritmo, la señal de error es , donde es la muestra de un símbolo en el pasado, y es la mitad de un símbolo en el pasado. Esto requiere 2 muestras por símbolo, pero no es sensible al operador. y n - T y n - T / 2en=(ynynT)ynT/2ynTynT/2

El detector M&M está mirando los picos , mientras que el método Gardner está mirando el pico y el cruce por cero para obtener estimaciones de tiempo.

En todos los casos, tomará la estimación de error, la introducirá en un filtro de bucle cuya salida se utilizará para avanzar o retrasar el reloj del símbolo para la próxima estimación de temporización. El filtro de bucle se puede considerar como un filtro de paso bajo, un filtro de suavizado o simplemente como una ponderación de las estimaciones anteriores menos que las nuevas. El filtro de bucle controla a) qué tan rápido converge el tiempo yb) cuánto ruido afecta las estimaciones.

Otra opción es usar un ecualizador que luego eliminará el retraso de la señal. Esto también puede ayudar para señales muy ruidosas, creo.

He utilizado estos recursos para formar esta respuesta: http://www.comlab.hut.fi/opetus/333/2004_2005_slides/CarrierTimingRecovery.pdf http://mobiledevdesign.com/tutorials/radio_matched_filtering_timing/

Este artículo es especialmente útil: http://rfdesign.com/images/archive/0901Litwin32.pdf Aquí hay un enlace al documento original de Gardner de 1986: http://ieeexplore.ieee.org/xpls/abs_all.jsp?arnumber= 1096561 & tag = 1

Nota En general, esta área se denomina "recuperación de reloj y datos" o "CDR". Específicamente estamos tratando con la "sincronización de símbolos". Estos términos deberían ayudarlo en su búsqueda.

gallamina
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¡Muchas gracias! Tengo algunas preguntas de seguimiento porque creo que esto se está convirtiendo en un escenario de huevo y gallina: para temprano-tarde, no entiendo cómo puedo usar 3 muestras si no puedo encontrar mi tiempo de muestreo óptimo para empezar ... Necesito óptimo, temprano y tarde, pero ¿cómo encontrar el óptimo para empezar? (Solo para asegurarnos de que estamos en la misma página, nos referimos aquí a muestrear el sobre ¿correcto?)
Spacey
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Mohammed, para mi implementación hicimos dos cosas: 1) comenzamos con una secuencia de entrenamiento de 1 y 0 para ayudar a que el rastreador se bloquee y 2) hicimos una suposición inicial. Su conjetura inicial puede ser completamente ingenua (muestra 0) o podría correlacionarse con la secuencia de entrenamiento inicial para obtener una estimación inicial.
gallamina
Además, continúa desde arriba, usted conoce aproximadamente el número de muestras / símbolos, por lo que cada estimación de sincronización del símbolo posterior será la muestra / símbolo +/- la señal de error del filtro de bucle.
gallamina
Gracias, lo intentaré y te diré cómo va. Para Early-Late, ¿estás hablando del sobre aunque correcto? ¿Las muestras tempranas y tardías son de la envolvente de la señal? (es decir, sobre = I ^ 2 + Q ^ 2). Estoy confundido sobre a qué se refieren exactamente esos y_n en esos ejemplos: ¿se refieren al sobre o se refieren simplemente al uso de la I? ¿O la muestra compleja (I + Q)?
Spacey
No estoy completamente seguro. Para los métodos M&M y Gardner, desea observar las señales bipolares. Entonces, para BPSK, no querrás cuadrar la señal. Para el detector de puerta temprana / tardía, la cuadratura de la señal no causaría un problema, no creo. Además, en la práctica, ¿no corregiría la fase primero y luego ignoraría el componente Q para BPSK?
gallamina