CN103227764A - 用于对突发传输信号进行相干解调的一种快速载波同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于FSK信号相干解调的一种快速载波同步方法，包含以下步骤：1)物理层传输过程中，接收机在检测到帧头到达时，使用和本地产生或预先存储的帧头波形对接收到的帧头波形进行去调制操作，得到一个相位连续的单频信号；2)通过对单频信号频率和相位估计的方法估计出该段单频信号的频率和相位；3)根据该估计值消除接收帧的频偏和相位，得到载波同步的接收信号。物理层传输过程中，在接收到一个帧头后，采用本发明的方法，充分提取接收到的帧头中包含的载波频偏和相位信息，并将该频偏及相位用于当前帧所有接收数据的载波频偏和相位的补偿，使得在该接收机中使用相干解调成为可能，进而提高接收机的整体接收性能。

Description

用于对突发传输信号进行相干解调的一种快速载波同步方法

技术领域

本发明涉及一种用于突发传输信号相干解调的一种快速载波同步方法，属于无线通信传输技术领域。

背景技术

在现有的近距离无线网络物理层传输技术中，信息的收发往往采用以物理层帧为单位，并使用突发传输的方式进行通信。在物理层的帧结构中，帧的开头都使用事先约定好的帧头(前导序列/起始序列)给接收机，表示一个帧中数据部分的开始。接收机使用特定的电路检测该帧头的出现，并完成和帧中的数据开端的同步。在无线FSK通信中平均的帧长度仅为约20字节，由于帧头仅仅用于帧同步和信号有无的检测，因此通常使用非相干的解调方式对数据进行解调，众所周知非相干解调的方法比相干解调的方法性能约有3dB的损失，但是由于其无需对载波相位进行恢复，使起来较为简单，因此在行业内得到了广泛的应用。尽管使用非相干的解调方式对载波相位失配不敏感，但是载波频偏依然会引起非相干解调的性能下降，这仍需要额外的电路进行补偿，以保证频偏在一定的范围内接收机性能保持基本恒定。以上可以总结为：帧头中含有载波频偏和相位的信息，但是现有技术没有很好地加以提取利用，造成了只能使用非相干解调这种性能较相干解调差的接收方法。如果使用相干解调的方法接收机将在抗噪声、抗多径、传输距离和接收灵敏度上都将有明显提高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供用于对突发传输信号进行相干解调的一种快速载波同步方法。

本发明提出在接收机检测到帧头到达时，使用本地预先存储的帧头波形对接收到的帧头波形进行去调制操作，使用滤波器滤除高频噪声，得到一个相位连续的单频信号，该单频信号的频率和相位即为当前的载波频偏和相位误差。通过使用各种可能的单频信号频率和相位估计的方法，估计出该段单频信号的频率和相位，得出当前帧的载波频偏和相位误差。同时，由于每一次突发传输的帧长度都非常短，同一帧中载波频偏和相位可以认为没有改变，因此使用以上估计出来的载波频偏和相位误差应用于当前接收帧，可以认为做到了载波同步，进而可以进行相干解调，以达到更好的接收性能。

为解决上述技术问题，本发明提供一种用于对有帧结构突发传输信号进行相干解调的一种快速载波同步方法，其特征是，包含以下步骤：

1)物理层传输过程中，接收机在检测到采样信号的帧头前导序列到达时，使用和本地产生或预先存储的帧头波形对接收到的帧头波形进行去调制操作，得到一个相位连续的单频信号；

2)通过对单频信号频率和相位估计的方法估计出该段单频信号的频率和相位；

3)根据该估计值消除接收帧的频偏和相位，得到载波同步的接收信号。

使用相干解调方法对载波同步的接收信号进行解调。

步骤1)中还包含对去调制后得到的单频信号进行滤波的步骤。

对单频信号频率和相位的估计和消除接收信号的载波频偏和相位偏差的过程为：

滤波后的单频信号被同时送入前导序列检测/同步模块、载波(频偏/相位)估计和纠正模块；

前导序列检测/同步模块在检测到采样数据符合前导序列的特性时及时给出前导符号的同步指示信号，载波(频偏/相位)估计和纠正模块受该同步指示信号的控制，从前导序列的剩余符号中提取频偏和相位信息，并对接收信号的数据部分进行频偏和相位的纠正。

接收到的采样信号在前导序列检测器检测到前导序列后，由demux模块将后续的前导序列分离出来，并记为z_n，在前导序列同步信号的控制下，本地前导序列发生器产生与z_n序列相对应的本地前导序列采样信号的共轭值p_n ^*，以上两个序列的乘积序列输入单频信号频率相位估计模块，得到频偏估计值和相位的估计值，这两个估计值通过累加相加，并和cos/sin查找表生成载波的纠正向量应用于接收到的采样信号的数据部分。

纠正后的接收信号送至码片同步模块进行码片同步后进行相干解调。

本发明所达到的有益效果：

物理层传输过程中，在接收到前导序列后，采用本发明的方法，充分提取接收到的前导序列中包含的载波频偏和相位信息，并将该频偏及相位用于当前帧所有接收数据的载波频偏和相位的补偿，使得在该接收机中使用相干解调成为可能，进而提高接收机的整体接收性能。

附图说明

图1表示一个符合IEEE 802.15.4-20062.4G物理层标准的接收器的框图；

图2表示载波恢复模块内部结构，用于估计和消除接收信号的载波频偏和相位偏差。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

用符合IEEE 802.15.4-20062.4G物理层标准的接收器的设计实例来说明该创新的实施方法。

图1表示一个符合IEEE 802.15.4-20062.4G物理层标准的接收器的框图。

在图1中，经过射频和模拟数字转换器ADC采样的接收信号在经过接收滤波器后被同时送入前导序列检测/同步模块、载波(频偏/相位)估计和纠正模块。前导序列检测/同步模块在检测到采样数据符合前导序列的特性时及时给出前导序列的符号同步指示信号，载波(频偏/相位)估计和纠正模块受该同步指示信号的控制，从前导序列的剩余符号中提取频偏和相位信息，并对接收信号的数据部分进行频偏和相位的纠正。

图2表示载波(频偏/相位)估计和纠正模块内部结构，用于估计和消除接收信号的载波频偏和相位偏差。

在图2中，接收到的采样信号在前导序列检测器检测到前导序列后，由demux模块将后续的前导序列分离出来，这里命名为z_n，在前导序列同步指示信号的控制下，本地前导序列发生器产生与z_n序列相对应的本地前导序列采样信号的共轭值p_n ^*，c_n为以上两个序列的乘积序列，该乘积序列输入单频信号频率相位估计模块，得到频偏估计值

和相位的估计值θ’，

通过累加器后和θ’相加，其和值通过cos/sin查找表生成载波的纠正向量应用于接收到的采样信号的数据部分。纠正后的接收信号送至码片同步模块进行码片同步后进行相干解调。

在本实施例中使用的单频信号频率相位估计模块得到频偏估计值

和相位的估计值θ’由以下公式表示：

c_n＝z_n·p_n ^*

$R_s\left(m\right)=\underset{k=0}{\overset{\mathrm{Ns}-1-m}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{k+m}\·{c_k}^{*}$ m＝0，2，...Ns-1

$R\left(m\right)=\underset{s}{\mathrm{\Σ}}{R}_s\left(m\right)$

$w_m=\frac{3({(2L_c+1)}^2-{(2m+1)}^2)}{({(2L_c+1)}^2-1)(2L_c+1)},$ m＝0，...L_c-1

$\mathrm{\Δ}\left(m\right)=\left\{\begin{array}{c}\arg \left[R\left(1\right)\right]................................................m=0\\ \mathrm{mod}[\arg \left(R(m+1)\right)-\arg \left(R\left(m\right)\right),2\mathrm{\π}]......m=1,...L_c-1\end{array}\right.$

$\mathrm{\Δ}\hat{f}=\frac{1}{2\mathrm{\π}{T}_s}\underset{m=0}{\overset{L_c-1}{\mathrm{\Σ}}}{w}_m\mathrm{\Δ}\left(m\right)$

${\mathrm{\θ}}^{\′}=\arg \left[\frac{1}{N1}\underset{n=\mathrm{lastN}1\mathrm{samples}}{\mathrm{\Σ}}{c}_n\right]$

其中，θ′的估计值公式表示θ′由Cn的最后N1个采样点的平均相位得出。Ns、S和Lc为设计参数。

其中R_s(m)为第S段数据的自相关序列，Ns为最大自相关距离；

R(m)为S个独立的R_s(m)结果的加和；

W_m为权重序列，Δ(m)为R(m)的非线性变换。

在实现中，采样时钟频率为码片速率的4倍，因此参数选择为Ns＝32，Lc＝32，S＝4。前导序列共有256个码片，采样后共有1024个前导序列采样点，当前的参数选择仅仅使用了其中的128个采样点，剩余的896个采样点可用于自动增益控制AGC的调整和前导序列的检测。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种用于FSK信号相干解调的一种快速载波同步方法，其特征是，包含以下步骤：

1)物理层传输过程中，接收机在检测到采样信号的帧头前导序列到达时，使用和本地产生或预先存储的帧头波形对接收到的帧头波形进行去调制操作，得到一个相位连续的单频信号；

2)通过对单频信号频率和相位估计的方法估计出该段单频信号的频率和相位；

3)根据该估计值消除接收帧的频偏和相位，得到载波同步的接收信号。

2.根据权利要求1所述的用于FSK信号相干解调的一种快速载波同步方法，其特征是，步骤1)中还包含对去调制后得到的单频信号进行滤波的步骤。

3.根据权利要求2所述的用于FSK信号相干解调的一种快速载波同步方法，其特征是，对单频信号频率和相位的估计和消除接收信号的载波频偏和相位偏差的过程为：

滤波后的单频信号被同时送入前导序列检测/同步模块、载波(频偏/相位)估计和纠正模块；

前导序列检测/同步模块在检测到采样数据符合前导序列的特性时及时给出前导符号的同步指示信号，载波(频偏/相位)估计和纠正模块受该同步指示信号的控制，从前导序列的剩余符号中提取频偏和相位信息，并对接收信号的数据部分进行频偏和相位的纠正。

4.根据权利要求3所述的用于FSK信号相干解调的一种快速载波同步方法，其特征是，

接收到的采样信号在前导序列检测器检测到前导序列后，由demux模块将后续的前导序列分离出来，并记为z_n，在前导序列同步信号的控制下，本地前导序列发生器产生与z_n序列相对应的本地前导序列采样信号的共轭值p_n ^*，以上两个序列的乘积序列输入单频信号频率相位估计模块，得到频偏估计值和相位的估计值，这两个估计值通过累加相加，并和cos/sin查找表生成载波的纠正向量应用于接收到的采样信号的数据部分。

5.根据权利要求1所述的用于FSK信号相干解调的一种快速载波同步方法，其特征是，纠正后的接收信号送至码片同步模块进行码片同步后进行相干解调。

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