CN108234376B - 无线数据通信方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明适用于通信技术领域，提供了一种无线数据通信方法及装置，所述方法包括：生成前导符号的序列集合，其中，前导符号序列集合包括粗同步信号和精同步信号；对需要发送的数字信号进行调制以产生调制信号，并在调制信号之前***前导符号序列集合以形成发射信号；对接收信号进行粗同步和精同步处理，获取接收信号的定时偏差、载波频率偏差和载波相位，根据接收信号的定时偏差和载波频率偏差对接收信号进行定时恢复补偿处理，并根据载波频率偏差和载波相位对经过所述定时恢复补偿处理后的接收信号进行载波恢复。本发明基于Chirp对接收的信号先进行粗同步检测，再进一步的进行精同步检测，从而使得该方法在低SNR的工作条件下能有效的捕获信号。

Description

无线数据通信方法及装置
技术领域
本发明属于通信技术领域，尤其涉及一种无线数据通信方法及装置。
背景技术
无线低功耗广域网络是一种为了满足物联网需求应运而生的远距离无线通信技术，这一通信技术要求设备具备低的接收灵敏度，以及设备能够在低功耗、低成本的状态下工作。
根据香农定理，降低通信业务速率是改善接收灵敏度最直接有效的手段，当不考虑扩频和FEC等其它开销时，通过降低物理层符号速率可同时有效降低业务速率，但过度降低物理层符号速率会带来信号有效带宽Bw的下降，这可能会受到应用环境电磁频谱监管以及收发设备间载波频率偏差的限制。此外，通过扩频可以在不降低***物理层符号速率的条件下，继续降低有效业务速率；但扩频会导致接收机***带宽内解调门限SNR的降低，而现有的通信***对于低SNR的工作条件下不能快速有效的捕获信号。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了无线数据通信方法及装置，以解决现有技术中在低SNR的工作条件下不能快速有效的捕获信号的问题。
本发明实施例的第一方面提供了一种无线数据通信方法，包括：包括信号发送和信号接收；
生成前导符号的序列集合，其中，前导符号序列集合包括粗同步信号和精同步信号；
对需要发送的数字信号进行调制以产生调制信号，并在调制信号之前***前导符号的序列集合以形成发射信号；
对发射信号进行接收，并对所述接收信号进行粗同步和精同步处理，获取所述接收信号的定时偏差、载波频率偏差和载波相位；
根据所述接收信号的定时偏差和载波频率偏差对所述接收信号进行定时恢复补偿处理，并根据载波频率偏差和载波相位对经过所述定时恢复补偿处理后的接收信号进行载波恢复。
可选的，所述粗同步信号包括一至多个连续的正向线性调频脉冲信号和反向线性调频脉冲信号；所述精同步信号包括具有自相关特性的同步信号；
所述对接收信号进行粗同步处理包括：将接收到的线性调频脉冲信号与本地参考信号的共轭信号相乘，计算相乘后的乘积信号的功率谱，根据功率谱的最大峰值位置对载波频率偏差和前导符号起始边界的定时进行粗估计；
所述对接收信号进行精同步处理包括：将待检测信号进行粗同步信息补偿后与精同步信号做相关运算，在检测到有效能量时，根据搜索到的时域和频域的偏差确定接收信号的载波频率的偏差和符号的定时，根据有效能量输出所对应的累计复数结果的相位信息确定接收信号的载波相位。
可选的，所述根据载波频率偏差和载波相位对经过所述定时恢复补偿处理后的接收信号进行载波恢复包括，
根据接收到的载波频率偏差和载波相位对环路滤波输出信号进行积分处理得到输出相位；
根据输出相位对接收信号进行相位补偿，将得到的相位补偿信号进行输出，同时对相位补偿后信号的相位偏差进行鉴相处理，得到相位差的估计；
对相位差的估计值进行滤波处理得到环路滤波输出信号。
可选的，在所述对需要发送的数字信号进行调制之前，还包括：通过比特数据冗余的方式对需要发送的数字信号进行扩频处理；
在所述接收信号进行定时恢复补偿处理之后，还包括：对定时恢复补偿后的信号进行解扩处理。
可选的，在所述对需要发送的数字信号进行调制之前，还包括：对需要发送的数字信号进行FEC编码处理；
在所述对接收信号进行载波恢复补偿处理之后，还包括：对载波恢复补偿处理后的信号进行FEC译码处理。
本发明实施例的第二方面提供了一种无线数据通信装置，包括：
前导符号生成模块，用于生成前导符号的序列集合，其中，前导符号序列集合包括粗同步信号和精同步信号；
调制模块，用于对需要发送的数字信号进行调制以产生调制信号，并在调制信号之前***前导符号序列集合以形成发射信号；
同步模块，用于对发射信号进行接收，并对接收信号进行粗同步和精同步处理，获取所述接收信号的定时偏差、载波频率偏差和载波相位；
载波调整模块，用于根据接收信号的定时偏差和载波频率偏差对所述接收信号进行定时恢复补偿处理，并根据载波频率偏差和载波相位对经过所述定时恢复补偿处理后的接收信号进行载波恢复。
本发明实施例的第三方面提供了一种无线数据通信装置，包括：
数字调制器，用于生成前导符号的序列集合，并对需要发送的数字信号进行调制以产生调制信号，并在调制信号之前***前导符号的序列集合以形成发射信号；其中，前导符号序列集合包括粗同步信号和精同步信号；
数字解调器，对发射信号进行接收，并对接收信号进行粗同步和精同步处理，获取所述接收信号的定时偏差、载波频率偏差和载波相位，并根据所述接收信号的定时偏差和载波频率偏差对所述接收信号进行定时恢复补偿处理，以及根据载波频率偏差和载波相位对经过所述定时恢复补偿处理后的接收信号进行载波恢复。
可选的，所述数字调制器包括：
前导符号发生器，用于生成前导符号的序列集合，其中，前导符号序列集合包括粗同步信号和精同步信号；
调制器，用于对需要发送的数字信号进行调制以产生调制信号；
组帧器，用于在调制信号之前***前导符号的序列集合以形成发射信号；
数字发射器，用于对所述发射信号进行发射处理。
可选的，所述数字解调器包括：
数字接收器，用于接收所述数字发射器发射的发射信号；
同步器，用于对所述数字接收器接收的接收信号进行粗同步和精同步处理，获取所述接收信号的定时偏差、载波频率偏差和载波相位；
定时恢复器，用于根据所述接收信号的定时偏差和载波频率偏差对所述接收信号进行定时恢复补偿处理；
载波恢复器，用于根据载波频率偏差和载波相位对经过所述定时恢复补偿处理后的接收信号进行载波恢复。
可选的，所述同步器包括：
粗同步单元，用于将接收到的线性调频脉冲信号与本地参考信号的共轭信号相乘，计算相乘后的乘积信号的功率谱，根据功率谱的最大峰值位置对载波频率偏差和前导符号起始边界的定时进行粗估计；
精同步单元，用于将待检测信号进行粗同步信息补偿后与精同步信号做相关运算，在检测到有效能量时，根据搜索到的时域和频域的偏差确定接收信号的载波频率的偏差和符号的定时，根据有效能量输出所对应的累计复数结果的相位信息确定接收信号的载波相位。
可选的，所述载波恢复器包括：
相位补偿器，用于根据输出相位对接收信号进行相位补偿，将得到的相位补偿信号进行输出；
鉴相器，用于对相位补偿后信号的相位偏差进行鉴相处理，得到相位差的估计值；
环路滤波器，用于对相位差的估计值进行滤波处理得到环路滤波输出信号；
数字振荡器，用于根据所述载波频率偏差和载波相位，对环路滤波输出信号进行积分处理得到输出相位。
可选的，所述无线数据通信装置还包括扩频器和解扩器，所述扩频器与调制器相连，所述解扩器与定时恢复器相连；
所述扩频器，用于通过比特数据冗余的方式对需要发送的数字信号进行扩频处理，并发送给所述调制器；
所述调制器，用于对经过所述扩频处理后的发射信号进行调制；
所述解扩器，用于对经过所述定时恢复补偿处理后的接收信号进行解扩处理。
可选的，所述无线数据通信装置还包括编码器和译码器，所述编码器与调制器相连，所述译码器与载波恢复器相连；
所述编码器，用于对需要发送的数字信号进行FEC编码处理，并发送给所述调制器；
所述调制器，用于对经过所述编码处理后的发射信号进行调制；
所述译码器，用于对经过所述载波恢复处理后的接收信号进行FEC译码处理，得到解调信号。
本发明实施例与现有技术相比存在的有益效果是：本发明实施例通过信号发送和信号接收两个步骤来完成无线数据的通信过程，先生成前导符号的序列集合，其中，前导符号序列集合包括粗同步信号和精同步信号；对需要发送的数字信号进行调制以产生调制信号，并在调制信号之前***前导符号序列集合以形成发射信号；对接收信号进行粗同步和精同步处理，获取接收信号的定时偏差、载波频率偏差和载波相位，根据接收信号的定时偏差和载波频率偏差对接收信号进行定时恢复补偿处理，并根据载波频率偏差和载波相位对接收信号进行载波恢复。通过采用粗同步信号和精同步信号来组成前导符号，同时在接收信号的过程中分别进行粗同步处理和精同步处理以正确检测接收信号的定时、载波频率偏差和载波相位，从而能够在低SNR的工作条件下快速有效的捕获信号。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的无线数据通信方法的流程图；
图2是本发明实施例提供的前导符号序列的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的粗同步信号的波形示意图；
图4是本发明实施例提供的发射信号的结构组成示意图；
图5是本发明实施例提供的Supbasechirp(t)和Sdownbasechirp(t)信号的结构示意图；
图6是本发明实施例提供的载波恢复过程的流程示意图；
图7是本发明实施例提供的无线数据通信装置的结构示意图；
图8是本发明实施例提供的载波恢复器的结构示意图；
图9是本发明实施例提供的另一种无线数据通信装置的结构示意图；
图10是本发明实施例提供的又一种无线数据通信装置的结构示意图；
图11是本发明实施例提供的一种具体的无线数据通信装置的结构示意图。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定***结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的***、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
实施例一
参见图1，示出了本发明无线数据通信方法的流程示意图，详述如下：
步骤S101，生成前导符号的序列集合，其中，前导符号序列集合包括粗同步信号和精同步信号。
参见图2，示出了前导符号序列的组成。由图可知，前导符号包括粗同步信号201和精同步信号202两个部分，分别用于后续接收信号的粗同步过程和精同步过程。
可选的，粗同步信号201包括一至多个连续的正向线性调频脉冲信号和反向线性调频脉冲信号，精同步信号包括具有自相关特性的同步信号。
参见图3，示出了一个粗同步信号，其中，一个粗同步信号包括多个正向线性调频脉冲和多个反向线性调频脉冲，正向线性调频脉冲和反向调频脉冲的个数可以分别独立灵活的配置。正向线性调频脉冲信号可以表示为Up Chirp信号，Up Chirp信号频率随时间线性递增；反向线性调频脉冲信号可以表示为Down Chirp信号，Down Chirp信号的频率随时间线性递减。其中，由Up Chirp信号构成的部分称为UpChirpPeriod，由Down Chirp信号构成的部分称为DownChirpPeriod。最后一个Up Chirp信号和最后一个Down Chirp信号的长度均可以为分数，例如1/4长度就表示为一个完整Up Chirp信号或Down Chirp信号长度的前1/4截断产生。
对于精同步信号，这里选取的为具有自相关特性的信号。自相关是对信号相关程度的一种度量，自相关同时可以看做是信号与自身的延迟信号相乘后的乘积进行的积分运算，自相关信号在信号检测中具有重要的作用。这里可以采用标准m序列经过星座映射来产生，m序列是一种线性伪随机序列，具有良好的自相关特性。此外，m序列的长度可以根据***的需求灵活的配置。
步骤S102，对需要发送的数字信号进行调制以产生调制信号，并在调制信号之前***前导符号的序列集合以形成发射信号。
在一般情况下，所要发送的数字信号不适合在传输信道上进行长距离的传输，因此，必须要对数字信号进行调制，将信号从低频处搬移到高频处，才可以在信道中传输。这里的数字调制方式可以选择BPSK、QPSK、QAM、(G)FSK等各种调制方式。参见图4，对于调制信号，需要与前导符号401相组合以产生发射信号，这里在调制信号403之前***前导符号401序列集合，根据***的需求，在特定的工作模式中还可以在前导符号401序列集合和调制信号403之间***一个包头402，包头部分用于携带一些物理层的控制信息。
对于组合后的发射信号再经过发射成型和上采样处理后才能将信号发射出去。例如，当采用BPSK数字调制时发射成型滤波通常采用根升余旋滤波器，其脉冲响应函数RC0(t)如下：
Figure GDA0003082832160000081
其中，滚降因子α可根据***应用要求灵活可配；Ts为符号持续周期。采用根升余弦滤波器可以实现升余弦滤波器的效果，同时消除码间串扰，保证采样点不失真。
由于在信号调制过程处理的数据速率与D/A转换和射频发射所需要的数据速率存在一定的差异，因此需要对发送的数据进行上采样处理，以使得数据能够适合在D/A转换模块中传输。
将经过发射成型处理和上采样处理后的信号经过D/A转换，实现数据由数字信号到模拟信号的转变，将经过D/A转换后的模拟信号再经过上变频、射频I/Q正交调制、功率放大等处理后通过天线发射出去。
步骤S103，对发射信号进行接收，并对接收信号进行粗同步和精同步处理，获取接收信号的定时偏差、载波频率偏差和载波相位。
同样的，与信号发送过程相对应的，在信号接收过程需要先将天线输入信号进行模拟滤波、I/Q正交下变频等处理，从而输出低中频或基带模拟信号。再获得低中频或基带模拟信号之后，需要对接收信号进行采样，从而实现从模拟信号到数字信号的转变。
与发射信号中的发射成型处理和上采样处理相对应的，在接收信号的一端需要对接收信号进行降采样处理和接收成型滤波等处理。其中，降采样处理完成输入数字信号A/D采样率到数字基带采样率(如8倍***符号速率)的转换。当采用BPSK数字调制时，接收成型滤波器采用与发射成型一致的根升余旋滤波器。
当接收端完成接收信号的降采样处理和接收成型滤波处理之后，需要采用前导符号对接收信号进行捕获检测、定时偏差，载波频率偏差和相位的估计，从而完成接收信号的正确解调。同步的过程分为粗同步处理和精同步处理两个步骤。
可选的，对接收信号进行粗同步处理包括：将接收到的线性调频脉冲信号与本地参考信号的共轭信号相乘，计算相乘后的乘积信号的功率谱，根据功率谱的最大峰值位置对载波频率偏差和前导符号起始边界的定时进行粗估计。
示例性的，假设接收信号的载波频率偏差为Δf，Chirp符号定时偏差为Δτ，Chirp信号频率随时间线性变化的斜率为μ。依次对接收信号以Chirp符号为单位分别进行UpChirp检测和Down Chirp检测。
首先，对于Up Chirp的检测过程为：将待检测信号r(t)与本地产生的基本DownChirp信号Sdownbasechirp(t)相乘，对相乘后输出信号进行FFT运算并得到频域功率输出pow_up＝(abs(fft(r(t)*Sdownbasechirp)))2，当根据pow_up最大峰值判决当前信号为一个有效UpChirp信号时，通过pow_up最大峰值位置索引可得对Δf+uΔτ的估计，其中abs(·)为求幅度函数。
与Up Chirp的检测类似的，Down Chirp信号的检测过程为：将待检测信号r(t)与本地产生的基本Up Chirp信号Supbasechirp(t)相乘，对相乘后输出信号进行FFT运算并得到频域功率输出pow_down＝(abs(fft(r(t)*Supbasechirp)))2，当根据pow_down最大峰值判决当前信号为一个有效Down Chirp信号时，通过pow_down最大峰值位置索引可得对Δf-uΔτ的估计。
参见图5，示出了基本Up Chirp信号Supbasechirp(t)和基本Down Chirp信号Sdownba sechirp(t)。通过联合对Up Chirp和Down Chirp的检测结果，可以得到对Δf和Δτ的估计，从而完成对接收信号中的前导信号Up Chirp和Down Chirp符号的起始边界的定时以及载波频率偏差的粗估计。
此外，在发射端可发射多个连续Up Chirp信号，从而在上述Up Chirp检测过程中，可对多个连续符号的频域功率输出pow_up进行符号间滤波以改善检测性能，符号间滤波可采用平滑或IIR迭代滤波处理。同样的，在发射端可发射多个连续的Down Chirp信号，从而在上述Down Chirp检测过程中，可对多个连续符号的频域功率输出pow_down进行符号间滤波以改善检测性能。
在完成信号的粗同步处理后，需要在粗同步处理的基础上，对信号进行精同步处理。
可选的，对接收信号进行精同步处理包括：将待检测信号进行粗同步信息补偿后与精同步信号做相关运算，在检测到有效能量时，根据搜索到的时域和频域的偏差确定接收信号的载波频率的偏差和符号的定时，根据有效能量输出所对应的累计复数结果的相位信息确定接收信号的载波相位。
在进行精同步处理之前，需要先将经过粗同步检测得到的载波频率偏差对接收信号进行载波频偏纠正，进而对纠正后的信号进行精同步检测。
示例性的，以Down Chirp信号为例，说明信号的精同步处理的过程。
假设前导符号的DownChirpPeriod部分长度为Tdownchirp，一个标准Up Chirp或DownChirp长度为Tchirp，粗同步检测成功时所对应第一个DownChirp起始符号边界粗定时为ts，粗同步成功后最大可能残留定时偏差和载波频偏分别为STOErr和CFOErr。
在粗同步检测成功时所确定的始符号边界粗定时为ts的基础上，以
Figure GDA0003082832160000101
为起始参考点，在后续
Figure GDA0003082832160000102
个整数Tchirp周期候选定时点(t0，t0+Tchirp，t0+2*Tchirp，...，t0+(Nc-1)*Tchirp)依次进行时频域的二维搜索，其中floor表示为向下取整函数。
其中，在进行精同步检测过程中可以对时域搜索和频域搜索同时并发进行，时域搜索参考基准为粗同步的定时偏差估计结果，范围为-STOErr至STOErr，定时搜索步长精度取决于***性能要求，可为四倍过采样率(时间步长为1/4*ts)；频域搜索参考基准为粗同步的载波频率偏差估计结果，范围为-CFOErr至CFOErr，频率搜索精度步长与精同步信号长度和***性能要求相关。
在确定好搜索的定时点以及搜索范围之后，开始对接收信号进行精同步处理，在处理的过程中需要将接收的信号与本地已知精同步信号做相关运算，将相关结果累积并输出其能量，一旦检测到有效能量输出，则精同步检测成功，根据当前搜索的时域和频域偏差更新精同步信号定时和载波频率偏差的估计结果，同时利用有效能量输出所对应相关累积复数结果的相位信息得到当前载波相位的估计结果。
步骤S104，根据所述接收信号的定时偏差和载波频率偏差对所述接收信号进行定时恢复补偿处理，并根据载波频率偏差和载波相位对经过所述定时恢复补偿处理后的接收信号进行载波恢复。
其中，定时恢复补偿处理用于跟踪和补偿接收信号在解调过程中由于时钟偏差所导致数据采样定时的漂移，以保证数据的正确解调。这里在对信号进行定时恢复补偿处理时所需要的数据包括同步处理所得到的接收信号的载波频率偏差，通过对接收信号的载波频率偏差可以对收发采样时钟误差进行估计，进而对待解调数据进行定时预补偿处理。假设，载波频偏为Δf，射频载波频率为fc，则收发采样时钟偏差估计为：Δf/fc。在获得时钟偏差估计后对检测的定时偏差进行补偿。或者，定时恢复补偿处理也可以通过延迟锁相环来实现。
可选的，参见图6，根据载波频率偏差和载波相位对经过所述定时恢复补偿处理后的接收信号进行载波恢复包括步骤S601至步骤S603。
步骤S601，根据接收到的载波频率偏差和载波相位对环路滤波输出信号进行积分处理得到输出相位。
其中，载波频率偏差和载波相位为同步处理后所确定的载波频率偏差f0和载波相位θ0，如下式所示，对环路滤波器的输出fi(t)进行频率积分处理，得到输出相位并传输至相位补偿模块进行相位补偿。
Figure GDA0003082832160000121
步骤S602，根据输出相位对接收信号进行相位补偿，将得到的相位补偿信号进行输出，同时对所述相位补偿后信号的相位偏差进行鉴相处理，得到相位差的估计。
其中，根据得到的相位补偿对接收的信号进行补偿，补偿后的信号就是载波恢复的输出。同时，补偿后的信号也作为鉴相处理的输入信号，通过鉴相处理完成对接收信号的相位差的估计。
步骤S603，对相位差的估计值进行滤波处理得到环路滤波输出信号。
将鉴相后得到的接收信号的相位差进行滤波处理，得到频率输出。其中，环路滤波器可以选择一阶或多阶结构。
通过上述步骤，能够实现对载波频偏的跟踪，以及消除载波频偏和相位偏差对接收信号的影响，以保证能够得到正确和稳定的解调信号。
可选的，在所述对需要发送的数字信号进行调制之前，还包括：通过比特数据冗余的方式对需要发送的数字信号进行扩频处理；
在所述接收信号进行定时恢复补偿处理之后，还包括：对定时恢复补偿后的信号进行解扩处理。
通过在背景技术中的分析，可以知道，在***符号速率一定的情况下通过扩频可以有效的降低业务速率，同时，通过扩频也可以获得较高的抗干扰能力，且提高频带利用率。因此，在对需要发送的数字信号进行调制之前先对数字信号进行扩频处理。
当扩频因子为SF时，则扩频后有效比特业务速率降低为扩频前的1/SF。扩频可以通过数据比特冗余的方法来实现，也就是以每个比特为单位，将输入数据重复SF次，并依次输出。当输入比特流为L时，则扩频后的输出比特流则为L*SF个。对于扩频，还可以通过伪随机序列或正交扩频码来实现，在此不再赘述。
同样的，与数据发送端相对应，在数据的接收端需要对接收的数据进行解扩处理，以恢复所传输的数据。
这里通过对发送信号先进行扩频处理能够在不降低物理符号速率的条件下来降低业务速率，进而降低接收灵敏度性能极限。
可选的，对需要发送的数字信号进行调制处理之前，还包括：对需要发送的数字信号进行FEC编码处理。
在所述对接收信号进行载波恢复补偿处理之后，还包括：对载波恢复补偿处理后的信号进行FEC译码处理。
FEC编码为前向纠错编码，通过在传输码列中加入冗余纠错码来确保信号在长距离通信中的可靠传输。具体的，将所要传输的信号进行FEC编码，可以提高数据在传中过程中受到噪声和环境干扰后的纠错能力，从而保证数据的正确传输。FEC编码可以分为卷积码和分组码，其中，卷积码不但具有较优异的纠错能力，而且相对普通的线性分组码具有译码延迟较小和实现复杂度适中的优点，故这里采用卷积码。
示例性的，采用卷积码对数据进行编码的过程为：当卷积码为(2，1，K)时(其中，K表示约束长度)，从上层业务数据包第一个输入比特开始，串行逐比特编码，每个输入比特对应2个编码比特输出；为了保证最后几个数据比特译码的可靠性，通常在输入数据比特尾部填充K-1个尾比特0，接收端译码结束后，需删除相应尾比特。
同样的，与数据发送端相对应，在数据的接收端需要对接收的数据进行FEC译码处理，以恢复所传输的数据。
应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
与现有技术相比，本发明实施例通过信号发送和信号接收两个步骤来完成无线数据的通信过程，先生成前导符号的序列集合，其中，前导符号序列集合包括粗同步信号和精同步信号；对需要发送的数字信号进行调制以产生调制信号，并在调制信号之前***前导符号的序列集合以形成发射信号；对接收信号进行粗同步和精同步处理，获取接收信号的定时偏差、载波频率偏差和载波相位，根据接收信号的定时偏差和载波频率偏差对接收信号进行定时恢复补偿处理，并根据载波频率偏差和载波相位对经过定时恢复补偿处理后的接收信号进行载波恢复。通过采用粗同步信号和精同步信号来组成前导符号，同时对接收信号进行粗同步处理和精同步处理以正确检测接收信号的定时、载波频率偏差和载波相位的准确估计，从而能够在低SNR的工作条件下快速有效的捕获信号。
实施例二
对应于上文实施例一所述的无线数据通信方法，本发明实施例提供的一种无线数据通信装置的结构框图。
前导符号生成模块，用于生成前导符号的序列集合，其中，前导符号序列集合包括粗同步信号和精同步信号。
调制模块，用于对需要发送的数字信号进行调制以产生调制信号，并在调制信号之前***前导符号序列集合以形成发射信号。
同步模块，用于对发射信号进行接收，并对接收信号进行粗同步和精同步处理，获取所述接收信号的定时偏差、载波频率偏差和载波相位。
载波调整模块，根据接收信号的定时偏差和载波频率偏差对所述接收信号进行定时恢复补偿处理，并根据载波频率偏差和载波相位对经过所述定时恢复补偿处理后的接收信号进行载波恢复。
上述无线数据通信装置通过设置前导符号生成模块来产生粗同步信号和精同步信号，在接收端，通过同步模块来对接收信号先后进行粗同步处理和精同步处理，通过对接收信号的粗同步处理和精同步处理相结合，来获取接收信号的定时偏差、载波频率偏差和载波相位，最后通过载波调整模块根据定时偏差、载波频率偏差和载波相位对接收信号进行载波恢复。通过基于Chirp信号的粗同步检测与精同步检测相结合来实现对低SNR下突发信号的同步捕获。
实施例三
对应于上文实施例一所述的无线数据通信方法，图7示出了本发明实施例提供的无线数据通信装置的结构框图。为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分。
参见图7，该无线数据通信装置包括数字调制器70和数字解调器71。
数字调制器70，用于生成前导符号的序列集合，并对需要发送的数字信号进行调制以产生调制信号，并在调制信号之前***前导符号的序列集合以形成发射信号；其中，前导符号序列集合包括粗同步信号和精同步信号；
数字解调器71，对发射信号进行接收，并对接收信号进行粗同步和精同步处理，获取所述接收信号的定时偏差、载波频率偏差和载波相位，并根据所述接收信号的定时偏差和载波频率偏差对所述接收信号进行定时恢复补偿处理，以及根据载波频率偏差和载波相位对经过所述定时恢复补偿处理后的接收信号进行载波恢复。
可选的，数字调制器70包括：前导符号发生器7001，用于生成前导符号的序列集合，其中，前导符号序列集合包括粗同步信号和精同步信号；调制器7002，用于对需要发送的数字信号进行调制以产生调制信号；组帧器7003，用于在调制信号之前***前导符号的序列集合以形成发射信号；数字发射器7004，用于对所述发射信号进行发射处理。
可选的，数字解调器71包括：数字接收器7101，用于接收所述数字发射器发射的发射信号；同步器7102，用于对所述数字接收器7101接收的接收信号进行粗同步和精同步处理，获取所述接收信号的定时偏差、载波频率偏差和载波相位；定时恢复器7103，用于根据所述接收信号的定时偏差和载波频率偏差对所述接收信号进行定时恢复补偿处理；载波恢复器7104，用于根据载波频率偏差和载波相位对经过所述定时恢复补偿处理后的接收信号进行载波恢复。
可选的，同步器7102包括粗同步单元和精同步单元。
粗同步单元，用于将接收到的线性调频脉冲信号与本地参考信号的共轭信号相乘，计算相乘后的乘积信号的功率谱，根据功率谱的最大峰值位置对载波频率偏差和前导符号起始边界的定时进行粗估计。
精同步单元，用于将待检测信号进行粗同步信息补偿后与精同步信号做相关运算，在检测到有效能量时，根据搜索到的时域和频域的偏差确定接收信号的载波频率的偏差和符号的定时，根据有效能量输出所对应的累计复数结果的相位信息确定接收信号的载波相位。
可选的，参见图8，载波恢复器7104包括：相位补偿器801、鉴相器802、环路滤波器803和数字振荡器804。相位补偿器801，用于根据输出相位对所述接收信号进行相位补偿，将得到的相位补偿信号进行输出；鉴相器802，用于对相位补偿后信号的相位偏差进行鉴相处理，得到相位差的估计值；环路滤波器803，用于对相位差的估计值进行滤波处理得到环路滤波输出信号；数字振荡器804，用于根据所述载波频率偏差和载波相位，对环路滤波输出信号进行积分处理得到输出相位。
可选的，参见图9，无线数据通信装置还包括扩频器7005和解扩器7105，所述扩频器7005与调制器7002相连，所述解扩器7105与定时恢复器7103相连；所述扩频器7005，用于通过比特数据冗余的方式对需要发送的数字信号进行扩频处理，并发送给所述调制器7002；所述调制器7002，用于对经过所述扩频处理后的发射信号进行调制；所述解扩器7105，用于对经过所述定时恢复补偿处理后的接收信号进行解扩处理。
可选的，参见图10，无线数据通信装置还包括编码器7006和译码器7106，所述编码器7006与调制器7002相连，所述译码器7106与载波恢复器7104相连；所述编码器7006，用于对需要发送的数字信号进行FEC编码处理，并发送给所述调制器7002；所述调制器7002，用于对经过所述编码处理后的发射信号进行调制；所述译码器7106，用于对经过所述载波恢复处理后的接收信号进行FEC译码处理，得到解调信号。
与现有技术相比，本发明实施例通过设置数字调制器和数字解调器来实现无线数据的通信，通过前导符号发生器生成前导符号的序列集合，其中，前导符号序列集合包括粗同步信号和精同步信号；通过调制器对需要发送的数字信号进行调制以产生调制信号，通过组帧器在调制信号之前***前导符号序列集合以形成发射信号；通过数字发射器对信号进行发射处理；在通过数字接收器对发射的数据进行接收，通过同步器对接收信号进行粗同步和精同步处理，获取接收信号的定时偏差、载波频率偏差和载波相位，通过定时恢复器根据接收信号的定时偏差和载波频率偏差对接收信号进行定时恢复补偿处理，通过载波恢复器根据载波频率偏差和载波相位对接收信号进行载波恢复以得到准确的解调数据。通过粗同步单元和精同步单元对接收信号分别进行粗同步处理和精同步处理以正确检测接收信号的定时、载波频率偏差和载波相位的准确估计，从而能够在低SNR的工作条件下快速有效的捕获信号。
实施例四
为了便于理解，本发明实施例提供了另一种无线数据通信装置的结构框图。为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分。
通常，对于一个数字通信***主要包括数字调制器、D/A转换器、射频发射器、射频接收器、A/D转换器、数字解调器等部分。对于不同的数字调制技术，***中的发射机和接收机的调制和解调具体实现结构会发生变化。参见图10，这里以BPSK调制技术为参考，示出了数字通信***的组成结构，当采用其他调制技术时，数字通信***的结构与图11会有局部差别。
其中，数字调制器110用于完成上层业务数据到物理帧的转换，输入为上层有效业务数据比特，输出物理帧数字信号。数字调制器110主要包括前导符号发生器116、FEC编码器111、交织器112、扩频器113、加扰器114、调制器115、组帧器117、数字发射前端118等子模块，分别描述如下：
前导符号发生器116用于生成前导符号序列，前导符号序列包括粗同步信号和精同步信号两个部分，粗同步信号包括Up Chirp信号和Down Chirp信号，信号可以分为UpChirpPeriod、DownChirpPeriod两部分。精同步信号采用具有良好的相关特性的同步信号。对于具体的Up Chirp信号、Down Chirp信号以及精同步信号在实施例一中已进行详细介绍，这里不再赘述。
对于需要发送的数据信号，首先通过FEC编码器111对数据信号进行编码，从而增强数据在信道中传输的抗干扰能力。将经过FEC编码器111的数据经过交织器112以进一步提高传输数据的抗干扰性能。通过交织器112可以将原始数据序列打乱，使得交织前后数据序列的相关性减弱，对于交织的方式可以灵活选择，这里可以采用固定的行、列置换的方式来对信号进行交织处理。
将交织后的信号经过扩频器113处理后来降低有效的业务速率，扩频处理同时可以增强信号的抗干扰能力。在信号经过扩频后再经过加扰器114，从而减小由于上述扩频操作所带来的比特重复以及数据中出现的较长连续的0或1比特。具体的，m序列具有较好的伪随机序列特性，可作为加扰的扰码序列。将扩频模块输出比特数据流与相同长度扰码序列逐比特进行二元逻辑异或操作后比特流作为加扰输出。将加扰后的信号经过调制器115，完成对数据二进制比特流的数字调制。
将经过调制器115输出的调制信号和前导符号发生器116产生的前导符号输入至组帧器117，组帧器117将输出的调制信号和前导符号进行组合得到一个物理帧信号。将得到的物理帧信号经过数字发射前端118，将信号进行发射成型处理和上采样处理，输出信号到D/A转换器130，通过D/A转换器完成数字信号到模拟信号的转换。再将经过D/A转换后的信号输出至射频发射器140，将经过射频发射器140的信号进一步经过天线发射出来。
在信号接收端，通过射频接收器160、A/D转换器150和数字解调器120来完成对信号的解调。
在信号接收端通过天线将发送端发送的信号进行接收，再将发射的信号经过射频接收器160来得到低中频或基带信号，将得到的低中频信号经过A/D转换器150完成对信号的采样，得到采样后的数字信号。
数字解调器120主要用于完成A/D转换后数字信号的解调、接收处理，包括接收数字前端121、同步器122、定时恢复器123、解扰器124、解扩器125、载波恢复器126、解映射器127、解交织器128、FEC译码器129等子模块，分别描述如下：
将经过A/D转换器150得到的采样后的数字信号经过接收数字前端121，对信号进行降采样和接收成型滤波处理。将经过接收数字前端121处理后的信号传输至同步器122和定时恢复器123，通过同步器122中的粗同步单元对接收信号进行捕获检测以及物理帧定时偏差、载波频率偏差和载波相位的粗估计；随后经过同步器122中的精同步单元通过精同步信号的自相关特性完成对精同步信号定时以及载波频率偏差的精确估计。在将接收数字前端121产生的数据发送至同步器122的同时，将接收数字前端121产生的数据以及同步器输出的数据传输至定时恢复器123，定时恢复器123可根据同步器122所提供收发载波频率偏差来得到对收发采样时钟误差的估计，进而对待解调数据进行定时预补偿处理。
将经过定时恢复器123处理后的信号依次经过解扰器124和解扩器125。通过解扰器124将发送数据部分信号与本地产生的已知解扰信号的共轭进行逐符号相乘，以消除加扰对信号的影响，其中，解扰信号为发射端扰码序列做数字调制后的信号。通过解扩器125来去除发射端中扩频对接收数据的影响，当扩频因子为SF时，解扩后信号速率为扩频前的1/SF。
将解扩后的数据发送至载波恢复器126，同时将同步器输出的数据发送至载波恢复器126，将解扩器125发出的数据作为输入信号，在同步器122提供的载波频率偏差和相位信息的基础上，通过载波恢复器126来去除残留载波频偏以及解调过程中载波频率和相位漂移的影响，以保证得到正确和稳定的解调信号。载波恢复器126可以通过数字锁相环来完成载波频偏和相位偏移对信号的影响。
经过载波恢复器126处理后的信号还需要依次经过解映射器127、解交织器128和FEC译码器129。容易理解的，与通信***发送端的交织器112和FEC编码器111相对应的，在接收端需要设置解交织器128和FEC译码器129。同时，在发送端精同步信号的产生过程是将m序列信号进行星座映射来产生的，在输出端需要消除星座映射对接收信号的影响。
具体的，解映射器127在FEC的模式下，输出软判决的结果；在非FEC的模式下，输出应判决的结果。将经过解映射器127的信号输出至解交织器128，解交织器128的具体操作与交织器112的处理过程有关。将解交织后的信号经过FEC译码器129完成相应的译码处理，输出译码后比特数据信息。例如，当FEC编码采用卷积编码时，采用Viterbi最大似然算法完成整个译码处理。
上述无线数据通信***，通过将前导符号序列集合分为粗同步信号和精同步信号，进而在信号接收端对接收信号进行粗同步处理和精同步处理，从而获取接收信号的定时偏差、载波频率偏差和载波相位，进而通过定时恢复器对接收信号进行定时恢复补偿处理，通过载波恢复器根据载波频率偏差和载波相位对接收的信号进行载波恢复以得到准确的解调数据。此外，通过对发射信号进行扩频处理来降低业务速率，从而有效降低了接收机接收灵敏度性能极限。同时，通过同步器的同步捕获、载波恢复器的载波恢复解调、卷积译码等过程有效降低了整个接收端的同步和解调处理延迟所引入的时间开销，保证了***有效数据吞吐量，可以适用于各种组网环境应用。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本申请的保护范围。上述***中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
在本发明所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置/终端设备和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置/终端设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个***，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通讯连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通讯连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种无线数据通信方法，包括信号发送和信号接收，其特征在于，
生成前导符号的序列集合，其中，前导符号序列集合包括粗同步信号和精同步信号；其中，所述精同步信号，为具有自相关特性的信号，采用标准m序列经过星座映射来产生；
对需要发送的数字信号进行调制以产生调制信号，并在调制信号之前***前导符号的序列集合以形成发射信号；
对发射信号进行接收，并对接收信号进行粗同步和精同步处理，获取所述接收信号的定时偏差、载波频率偏差和载波相位；其中，所述对接收信号进行精同步处理包括：将待检测信号进行粗同步信息补偿后与精同步信号做相关运算，在检测到有效能量时，根据搜索到的时域和频域的偏差确定接收信号的载波频率的偏差和符号的定时，根据有效能量输出所对应的累计复数结果的相位信息确定接收信号的载波相位；
根据所述接收信号的定时偏差和载波频率偏差对所述接收信号进行定时恢复补偿处理，并根据载波频率偏差和载波相位对经过所述定时恢复补偿处理后的接收信号进行载波恢复。
2.如权利要求1所述的无线数据通信方法，其特征在于，所述粗同步信号包括一至多个连续的正向线性调频脉冲信号和反向线性调频脉冲信号；
所述对接收信号进行粗同步处理包括：将接收到的线性调频脉冲信号与本地参考信号的共轭信号相乘，计算相乘后的乘积信号的功率谱，根据功率谱的最大峰值位置对载波频率偏差和前导符号起始边界的定时进行粗估计。
3.如权利要求1所述的无线数据通信方法，其特征在于，所述根据载波频率偏差和载波相位对经过所述定时恢复补偿处理后的接收信号进行载波恢复包括，
根据接收到的载波频率偏差和载波相位对环路滤波输出信号进行积分处理得到输出相位；
根据输出相位对接收信号进行相位补偿，将得到的相位补偿信号进行输出，同时对相位补偿后信号的相位偏差进行鉴相处理，得到相位差的估计；
对相位差的估计值进行滤波处理得到环路滤波输出信号。
4.如权利要求1所述的无线数据通信方法，其特征在于，在所述对需要发送的数字信号进行调制之前，还包括：通过比特数据冗余的方式对需要发送的数字信号进行扩频处理；
在所述接收信号进行定时恢复补偿处理之后，还包括：对定时恢复补偿后的信号进行解扩处理。
5.如权利要求1所述的无线数据通信方法，其特征在于，
在所述对需要发送的数字信号进行调制之前，还包括：对需要发送的数字信号进行FEC编码处理；
在所述对接收信号进行载波恢复补偿处理之后，还包括：对载波恢复补偿处理后的信号进行FEC译码处理。
6.一种无线数据通信装置，其特征在于，包括：
前导符号生成模块，用于生成前导符号的序列集合，其中，前导符号序列集合包括粗同步信号和精同步信号；其中，所述精同步信号，为具有自相关特性的信号，采用标准m序列经过星座映射来产生；
调制模块，用于对需要发送的数字信号进行调制以产生调制信号，并在调制信号之前***前导符号序列集合以形成发射信号；
同步模块，用于对发射信号进行接收，并对接收信号进行粗同步和精同步处理，获取所述接收信号的定时偏差、载波频率偏差和载波相位；其中，所述对接收信号进行精同步处理包括：将待检测信号进行粗同步信息补偿后与精同步信号做相关运算，在检测到有效能量时，根据搜索到的时域和频域的偏差确定接收信号的载波频率的偏差和符号的定时，根据有效能量输出所对应的累计复数结果的相位信息确定接收信号的载波相位；
载波调整模块，用于根据接收信号的定时偏差和载波频率偏差对所述接收信号进行定时恢复补偿处理，并根据载波频率偏差和载波相位对经过所述定时恢复补偿处理后的接收信号进行载波恢复。
7.一种无线数据通信装置，其特征在于，包括：
数字调制器，用于生成前导符号的序列集合，并对需要发送的数字信号进行调制以产生调制信号，并在调制信号之前***前导符号的序列集合以形成发射信号；其中，前导符号序列集合包括粗同步信号和精同步信号；其中，所述精同步信号，为具有自相关特性的信号，采用标准m序列经过星座映射来产生；
数字解调器，对发射信号进行接收，并对接收信号进行粗同步和精同步处理，获取所述接收信号的定时偏差、载波频率偏差和载波相位，并根据所述接收信号的定时偏差和载波频率偏差对所述接收信号进行定时恢复补偿处理，以及根据载波频率偏差和载波相位对经过所述定时恢复补偿处理后的接收信号进行载波恢复；其中，所述对接收信号进行精同步处理包括：将待检测信号进行粗同步信息补偿后与精同步信号做相关运算，在检测到有效能量时，根据搜索到的时域和频域的偏差确定接收信号的载波频率的偏差和符号的定时，根据有效能量输出所对应的累计复数结果的相位信息确定接收信号的载波相位。
8.如权利要求7所述的无线数据通信装置，其特征在于，所述数字调制器包括：
前导符号发生器，用于生成前导符号的序列集合，其中，前导符号序列集合包括粗同步符号和精同步符号；
调制器，用于对需要发送的数字信号进行调制以产生调制信号；
组帧器，用于在调制信号之前***前导符号的序列集合以形成发射信号；
数字发射器，用于对所述发射信号进行发射处理。
9.如权利要求8所述的无线数据通信装置，其特征在于，所述数字解调器包括：
数字接收器，用于接收所述数字发射器发射的发射信号；
同步器，用于对所述数字接收器接收的接收信号进行粗同步和精同步处理，获取所述接收信号的定时偏差、载波频率偏差和载波相位；
定时恢复器，用于根据所述接收信号的定时偏差和载波频率偏差对所述接收信号进行定时恢复补偿处理；
载波恢复器，用于根据载波频率偏差和载波相位对经过所述定时恢复补偿处理后的接收信号进行载波恢复。
10.如权利要求9所述的无线数据通信装置，其特征在于，所述同步器包括：
粗同步单元，用于将接收到的线性调频脉冲信号与本地参考信号的共轭信号相乘，计算相乘后的乘积信号的功率谱，根据功率谱的最大峰值位置对载波频率偏差和前导符号起始边界的定时进行粗估计。
11.如权利要求9所述的无线数据通信装置，其特征在于，所述载波恢复器包括：
相位补偿器，用于根据输出相位对接收信号进行相位补偿，将得到的相位补偿信号进行输出；
鉴相器，用于对相位补偿后信号的相位偏差进行鉴相处理，得到相位差的估计值；
环路滤波器，用于对相位差的估计值进行滤波处理得到环路滤波输出信号；
数字振荡器，用于根据所述载波频率偏差和载波相位，对环路滤波输出信号进行积分处理得到输出相位。
12.如权利要求9所述的无线数据通信装置，其特征在于，所述无线数据通信装置还包括扩频器和解扩器，所述扩频器与调制器相连，所述解扩器与定时恢复器相连；
所述扩频器，用于通过比特数据冗余的方式对需要发送的数字信号进行扩频处理，并发送给所述调制器；
所述调制器，用于对经过所述扩频处理后的发射信号进行调制；
所述解扩器，用于对经过所述定时恢复补偿处理后的接收信号进行解扩处理。
13.如权利要求9所述的无线数据通信装置，其特征在于，所述无线数据通信装置还包括编码器和译码器，所述编码器与调制器相连，所述译码器与载波恢复器相连；
所述编码器，用于对需要发送的数字信号进行FEC编码处理，并发送给所述调制器；
所述调制器，用于对经过所述编码处理后的发射信号进行调制；
所述译码器，用于对经过所述载波恢复处理后的接收信号进行FEC译码处理，得到解调信号。
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