CN112399551B - 一种面向短时突发信号的高精度同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种面向短时突发信号的高精度同步方法。该方法包括：帧同步捕获阶段：利用独特码差分匹配的方式完成信号检测和帧同步捕获；频差估计阶段：根据通信双方约定的物理层帧结构，从捕获的突发信号中获取前导序列，利用所述前导序列进行频差估计，利用估计出的频差信息驱动NCO，对信号进行频差校正；符号与相位同步阶段：根据通信双方约定的物理层帧结构，从捕获的突发信号中获取独特码，利用所述独特码采取滑动相关的方式找到最大相关点，以获取信号的初始符号同步信息与初始相位同步信息；符号与相位同步跟踪阶段：利用锁相环进行符号同步跟踪与相位同步跟踪，以获取最佳采样与判决信息。

Description

一种面向短时突发信号的高精度同步方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种面向短时突发信号的高精度同步方法。

背景技术

突发信号广泛应用在无线通信***中。由于收发终端相对运动和***时钟不一致等因素，接收端信号会存在频率偏差和定时偏差，相应地需要进行载波同步和定时同步才能恢复出原始信息。

面向突发信号的同步算法主要解决的问题是：接收机接收到信号后，如何快速准确地实现信号检测、载波同步、定时同步和帧同步。

信号检测的一般方法有能量检测法、基于高阶累积量检测法和基于独特码自相关方法。载波同步、定时同步和相位同步的实现方法根据有无反馈回路可分为闭环和开环算法。闭环算法一般计算复杂度较低，在环路成功入锁之后，可以达到非常高的精度，但是动态捕获范围较窄，且需要较长的收敛时间适合应用于连续信号。开环算法精度相比闭环较低，且一般计算复杂度较高，但不需要收敛时间，适合应用于突发信号。帧同步一般有两种方法：一种是利用数据本身特性的信号自同步法，另一种是基于前导序列与接收信号的互相关检测法。

图1为现有的同步方案，如图1所示，各个模块通常会根据不同应用场景调整不同的实现顺序。从图1可以看出，信号检测、频差估计、符号同步、相位估计实现顺序相对固定，帧同步可以在信号检测之后实现也可以在完成符号同步之后实现。

在合作通信中，经常使用基于独特码自相关的信号检测方法。它的原理是将采样抽取后的数据与己知的独特码作相关运算，然后再经过模平方，将得出的结果与固定门限做比较，从而判决出是否有突发信号的到来。其基本原理如图2所示。但该方法有一定的局限性。首先，当接收信号存在较大频偏时，自相关峰值将会降低甚至消失；其次判决门限设定的大小直接影响***的虚警和漏警率，若固定的判决门限会使***适应性降低，若自适应动态门限会使***复杂度提高。

发明内容

针对现有的同步方法存在的不适用于较大频偏场景、判决门限所带来的精度和复杂度不能兼容的问题，本发明提供一种面向短时突发信号的高精度同步方法。

本发明提供一种面向短时突发信号的高精度同步方法，包括：

帧同步捕获阶段：利用独特码差分匹配的方式完成信号检测和帧同步捕获；

频差估计阶段：根据通信双方约定的物理层帧结构，从捕获的突发信号中获取前导序列，利用所述前导序列进行频差估计，利用估计出的频差信息驱动NCO，对信号进行频差校正；

符号与相位同步阶段：根据通信双方约定的物理层帧结构，从捕获的突发信号中获取独特码，利用所述独特码采取滑动相关的方式找到最大相关点，以获取信号的初始符号同步信息与初始相位同步信息；

符号与相位同步跟踪阶段：利用锁相环进行符号同步跟踪与相位同步跟踪，以获取最佳采样与判决信息。

进一步地，所述物理层帧结构包括由前向后依次顺序排列的保护间隔字段、前导序列字段、独特码字段和信息承载字段。

进一步地，所述帧同步捕获阶段包括：首先对接收信号进行符号间差分；然后获取符号间差分信号的实部，将所述实部与门限值0进行比较判决；最后将判决结果与独特码的差分序列进行匹配得到帧同步捕获信息。

进一步地，频差估计阶段中，利用所述前导序列进行频差估计包括：首先对前导序列进行积分周期为N的积分，然后对积分后的序列做符号间差分以获取相位差；最后对所述相位差在前导序列长度上做统计平均，得到频差信息。

进一步地，所述积分周期N的取值应满足：在一个积分周期N内，对积分后的序列做符号间差分所获取的相位差小于π/4。

进一步地，所述符号与相位同步阶段包括：

以独特码的第一个码元的不同时刻采样点为起点，以码元周期为采样间隔对所述独特码进行采样得到不同时刻采样点所对应的序列；

将不同时刻采样点所对应的序列分别与所述独特码进行共轭相乘再累积得到不同时刻采样点所对应的累积结果；

比较不同时刻采样点的累积结果的数值，将数值最大的累积结果所对应的时刻采样点作为最佳采样时刻；

计算数值最大的累积结果的幅角，根据所述幅角和所述独特码的长度计算得到初始相差。

进一步地，所述符号与相位同步跟踪阶段中，利用锁相环进行符号同步跟踪，具体为利用二阶锁相环进行符号同步跟踪，包括：

采用迟早门获取定时误差信息，将所述定时误差信息作为二阶锁相环的输入，根据二阶锁相环的输出，调整得到最佳采样点。

进一步地，所述符号与相位同步跟踪阶段中，利用锁相环进行相位同步跟踪，包括：首先对采样符号进行判决，得到标准星座点；然后计算实际采样输出与标准星座点之间的相差；最后将所述相差作为锁相环的输入，驱动锁相环对所述相差进行校正。

本发明的有益效果：

现有技术中，在合作通信中独特码仅用于突发信号的信号检测阶段。而发明人注意到独特码还可以用于帧同步和符号同步，基于此，本发明提供的面向短时突发信号的高精度同步方法，通过合理利用传输帧中的前导序列和独特码，综合考量了算法性能和复杂度，能够在高动态范围下实现精确的载波同步和符号同步。

本发明提供的帧同步捕获技术，通过采用独特码差分匹配方式，可以在较大频差情况下，实现帧同步捕获。

本发明提供的频差估计技术，基于前导序列的积分差分累积量，可以提高频差估计的精度。

附图说明

图1为现有技术提供的同步方案示意图；

图2为现有技术提供的基于独特码自相关的信号检测示意图；

图3为本发明实施例提供的发送方信息处理流程示意图；

图4为本发明实施例提供的接收方信息处理流程示意图；

图5为本发明实施例提供的一种面向短时突发信号的高精度同步方法的流程示意图；

图6为本发明实施例提供的物理层帧结构示意图；

图7为本发明实施例提供的帧同步捕获阶段示意图；

图8为本发明实施例提供的频差估计阶段示意图；

图9为本发明实施例提供的给定信噪比条件下不同前导符号对应的估计门限示意图；

图10为本发明实施例提供的符号与相位同步阶段(初始捕获阶段)示意图；

图11为本发明实施例提供的符号同步跟踪所采用的二阶锁相环结构示意图；

图12为本发明实施例提供的相位同步跟踪示意图；

图13为本发明实施例提供的***接收端整体流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明中，约定收发双方的信息处理流程如图3和图4所示。其中，DUC表示数字上变频阶段；DDC表示数字下变频阶段；SRRC表示根升余弦滤波器，用以降低码间串扰。

如图5所示，本发明实施例提供一种面向短时突发信号的高精度同步方法，包括：

帧同步捕获阶段：利用独特码差分匹配的方式完成信号检测和帧同步捕获；

频差估计阶段：根据通信双方约定的物理层帧结构，从捕获的突发信号中获取前导序列，利用所述前导序列进行频差估计，利用估计出的频差信息驱动NCO，对信号进行频差校正；

具体地，如图6所示，本发明实施例中的物理层帧结构包括由前向后依次顺序排列的保护间隔字段、前导序列字段、独特码字段和信息承载字段；其中：所述保护间隔字段不传输信号；所述前导序列字段上的前导序列为单音序列，所述前导序列对应于BPSK信号的‘0’符号，前导序列的长度可以根据频差估计所要达到的精度进行确定，此处不再赘述；所述独特码字段上的独特码为固定序列，所述独特码采用BPSK调制，长度为32个符号，码型为伪随机序列；所述信息承载字段，用于承载各种调制方式数据。

符号与相位同步阶段：根据通信双方约定的物理层帧结构，从捕获的突发信号中获取独特码，利用所述独特码采取滑动相关的方式找到最大相关点，以获取信号的初始符号同步信息与初始相位同步信息；

符号与相位同步跟踪阶段：利用锁相环进行符号同步跟踪与相位同步跟踪，以获取最佳采样与判决信息。

具体地，图5中，NCO表示数字振荡器；SRRC表示根升余弦滤波器，用以降低码间串扰；捕获指示信号用于确定下一阶段的输入信号(也即上一阶段的输出信号)的帧头位置。

现有技术中，在合作通信中独特码仅用于突发信号的信号检测阶段。而发明人注意到独特码还可以用于帧同步和符号同步，基于此，本发明实施例提供的面向短时突发信号的高精度同步方法，通过合理利用传输帧中的前导序列和独特码，实现了精确的载波同步和符号同步。

在上述实施例的基础上，本发明实施例提供一种帧同步捕获方式，如图7所示，所述帧同步捕获阶段包括：

首先对接收信号进行符号间差分；然后获取符号间差分信号的实部，将所述实部与门限值0进行比较判决；最后将判决结果与独特码的差分序列进行匹配得到帧同步捕获信息。

具体地，符号间差分的计算公式为：d(t)＝r(t)*r^*(t-T_s)；其中，d(t)表示符号间差分信号；r(t)表示接收信号，r^*(t-T_s)表示信号r(t-T_s)的共轭信号，r(t-T_s)表示r(t)经过T_s延时后的信号。符号间差分的本质是提取相邻码元的相位变化。理想条件下，只要归一化频差介于-0.5～0.5之间，均能正确恢复出差分信号。实际应用中，由于***存在噪声，性能有所损失。仿真结果表明，对于1M Hz的BPSK信号，信噪比>15dB(E_s/N₀)，频差<100KHz的条件下帧捕获概率>99％。

现有技术中，采用独特码自相关算法作为突发信号的信号检测方法，该方法在频差过大时，会导致在独特码的持续时间内，因频差引起的相差大于2π，自相关峰值将会降低甚至消失，从而使匹配滤波性能急剧下降甚至失效。相比于现有技术，本发明实施例提供的帧同步捕获技术，从仿真结果可以看出，通过采用独特码差分匹配方式，可以实现在较大频差情况下，实现帧同步捕获。

在上述各实施例的基础上，本发明实施例提供一种频差估计方式，如图8所示，频差估计阶段中，利用所述前导序列进行频差估计包括：首先对前导序列进行积分周期为N的积分，然后对积分后的序列做符号间差分以获取相位差；最后对所述相位差在前导序列长度上做统计平均，得到频差信息。

具体地，所述积分周期N的取值应满足：在一个积分周期N内，对积分后的序列做符号间差分所获取的相位差小于π/4。

在加性高斯白噪声的无线信道模型下，频差估计服从高斯分布，估计的精度同时与前导序列长度和信噪比相关，理论上，频估计的克拉美罗门限为：

其中，N为用于估计的前导序列长度(也即积分周期)，F_sym为符号速率，

为信号与噪声的能量比，即信噪比。依据此公式，根据实际符号速率，设定信噪比下限，就可以得到频率估计误差与前导序列长度的关系，进而可以根据所要达到的估计精度确定前导序列长度。例如：在假定信噪比为15dB时，对于20M符号速率的传输模式，频率估计误差与前导符号长度的关系如图9所示。由仿真结果可得，在15dB信噪比的条件下，对于20M波特符号速率的传输模式，要达成±2KHZ的估计精度，前导符号的个数需要大于256个。

本发明实施例还对频差估计的性能进行了仿真。仿真参数为：信噪比20dB,频差为±45KHz，前导序列的长度为384个符号，采用双精度浮点运算。对1000次频差估计的结果分别取频差估计的最大误差，频差估计的平均误差，以及频差估计的均方误差，仿真结果分别如表1、表2、表3所示：

表1频差估计性能-最大误差

表2频差估计性能-平均误差

表3频差估计性能-均方误差

仿真结果表明，针对1M、5M、10M、20M四种典型传输速率，在频差为±45KHz情况下，频差估计精度均能高于符号速率的万分之一。

经过频差校正后的信号，由于其采样时钟与发送端不同源，因此采样时刻并不一定是最佳采样时刻，而可能存在一定的相差与频差，所以需要进一步符号与相位同步以获取最佳采样时刻。在上述各实施例的基础上，本发明实施例提供一种符号与相位同步方式，分为初始捕获和同步跟踪两个阶段。如图10所示，所述初始捕获阶段包括：

以独特码的第一个码元的不同时刻采样点为起点，以码元周期为采样间隔对所述独特码进行采样得到不同时刻采样点所对应的序列；将不同时刻采样点所对应的序列分别与所述独特码进行共轭相乘再累积得到不同时刻采样点所对应的累积结果；比较不同时刻采样点的累积结果的数值，由于最佳采样时刻所对应的符号与独特码匹配程度最高，因此将数值最大的累积结果所对应的时刻采样点作为最佳采样时刻；计算数值最大的累积结果的幅角，根据所述幅角和所述独特码的长度计算得到初始相差。

需要说明的是，图10中，虽然仅示意了4个不同时刻采样点，但可以理解的是，本领域技术人员可以根据实际需要设置若干个时刻采样点，并不仅限于4个。

为增加***鲁棒性，减少残留的频差和无线信道的扰动产生的频差对***带来的影响，需要进一步进行符号与相位的跟踪与锁定。在上述各实施例的基础上，本发明实施例提供一种符号与相位同步跟踪方式。其中：

利用二阶锁相环进行符号同步跟踪，包括：采用迟早门获取定时误差信息，将所述定时误差信息作为二阶锁相环的输入，根据二阶锁相环的输出，调整得到最佳采样点。

具体地，迟早门即在采样时刻的左右各取两个采样点，比较其幅度的大小，如果采样时刻为最佳采样点，则两边是等幅的，如果不是最佳采样点，则会有一边的幅度大于另一边，这个幅度的差异即可指示采样相位的偏差，可以将其作为锁相环的输入，通过锁相环的输出调整最佳采样点，以达成最佳采样。二阶锁相环的环路结构如图11所示。

利用锁相环进行相位同步跟踪，如图12所示，包括：首先对采样符号进行判决，得到标准星座点；然后计算实际采样输出与标准星座点之间的相差；最后将所述相差作为锁相环的输入，驱动锁相环对所述相差进行校正。

在上述各实施例的基础行，本发明实施例还提供一个***接收端整体流程，如图13所示。

最后应说明的是：以上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。

Claims (7)

1.一种面向短时突发信号的高精度同步方法，其特征在于，包括：

帧同步捕获阶段：利用独特码差分匹配的方式完成信号检测和帧同步捕获；具体包括：首先对接收信号进行符号间差分；然后获取符号间差分信号的实部，将所述实部与门限值0进行比较判决；最后将判决结果与独特码的差分序列进行匹配得到帧同步捕获信息；其中，符号间差分信号的计算公式为：

；其中，

表示符号间差分信号；

表示接收信号，

表示信号

的共轭信号，

表示

经过T _s 延时后的信号；

频差估计阶段：根据通信双方约定的物理层帧结构，从捕获的突发信号中获取前导序列，利用所述前导序列进行频差估计，利用估计出的频差信息驱动NCO，对信号进行频差校正；

符号与相位同步阶段：根据通信双方约定的物理层帧结构，从捕获的突发信号中获取独特码，利用所述独特码采取滑动相关的方式找到最大相关点，以获取信号的初始符号同步信息与初始相位同步信息；

符号与相位同步跟踪阶段：利用锁相环进行符号同步跟踪与相位同步跟踪，以获取最佳采样与判决信息。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述物理层帧结构包括由前向后依次顺序排列的保护间隔字段、前导序列字段、独特码字段和信息承载字段。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，频差估计阶段中，利用所述前导序列进行频差估计包括：

首先对前导序列进行积分周期为N的积分，然后对积分后的序列做符号间差分以获取相位差；最后对所述相位差在前导序列长度上做统计平均，得到频差信息。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述积分周期N的取值应满足：在一个积分周期N内，对积分后的序列做符号间差分所获取的相位差小于

。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述符号与相位同步阶段包括：

以独特码的第一个码元的不同时刻采样点为起点，以码元周期为采样间隔对所述独特码进行采样得到不同时刻采样点所对应的序列；

将不同时刻采样点所对应的序列分别与所述独特码进行共轭相乘再累积得到不同时刻采样点所对应的累积结果；

比较不同时刻采样点的累积结果的数值，将数值最大的累积结果所对应的时刻采样点作为最佳采样时刻；

计算数值最大的累积结果的幅角，根据所述幅角和所述独特码的长度计算得到初始相差。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述符号与相位同步跟踪阶段中，利用锁相环进行符号同步跟踪，具体为利用二阶锁相环进行符号同步跟踪，包括：

采用迟早门获取定时误差信息，将所述定时误差信息作为二阶锁相环的输入，根据二阶锁相环的输出，调整得到最佳采样点。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述符号与相位同步跟踪阶段中，利用锁相环进行相位同步跟踪，包括：

首先对采样符号进行判决，得到标准星座点；然后计算实际采样输出与标准星座点之间的相差；最后将所述相差作为锁相环的输入，驱动锁相环对所述相差进行校正。

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