CN113692045B - 一种大频偏下的帧同步方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大频偏下的帧同步方法及***，先生成本地导频信号并接收外部中频信号；对接收的中频信号进行预处理后截取形成一段含有导频符号流的完整突发信号；基于本地导频信号与完整突发信号先经过共轭相乘模型计算后，再对共轭相乘模型计算结果进行延迟相关模型计算；根据延迟相关模型的计算结果在完整突发信号中确定帧头位置以进行帧同步。克服了前述的现有技术中存在的频率偏移容量小或者相关峰不够尖锐的缺陷，提供一种新的帧同步方法，该方法在大频偏的情况下，仍具有较好的检测性能，即使是在大频偏情况下，本发明所提帧同步算法仍能正确检测出帧头位置。

Description

一种大频偏下的帧同步方法及***

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种大频偏下的帧同步方法及***。

背景技术

在无线通信***中，信号传输存在时延，需要正确捕获帧头位置以恢复出帧的完整信息，从而得以解析帧结构获取所需信息，帧同步技术主要就是完成对帧的到达检测与帧头位置的确定。在实际的通信环境中，收发双方通常都是处于运动状态的，如行走、乘车等，但收发端的相对运动的会导致传输信号产生多普勒频移现象，而且相对速度越大，频偏越大。频偏会引起信号的星座图旋转，可能会导致帧头位置的漏检或误检。在大频偏的情况下，如何进行帧同步是一个值得研究的问题。

现有技术的帧同步方法主要是相关法，相关曲线中的相关峰的位置是帧头位置，可以分为两类：(1)自相关方法：属于非数据辅助的帧同步方法，将接收信号进行自相关运算，实际上是一种能量检测算法；(2)互相关方法：属于数据辅助方法，将接收信号与本地序列进行互相关运算。

这两种算法都是利用了信号的相关性，自相关帧同步方法的优点是不占用额外资源，而且具有较大的频率偏移容限，缺点是其自相关曲线在峰值附近变化平缓，检测性能较差。互相关算法的优点是在判断帧到来后能同时粗略锁定帧所处的位置，缺点是受频偏影响较大，频偏越大，性能越差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有技术的帧同步方法的自相关曲线在峰值附近变化平缓，在帧到来后能粗略锁定帧所处的位置，但是其检测性能受频偏影响较大，且频率偏移容量小，相关峰不够尖锐，在大频偏的情况下，较难锁定帧所处的位置；频偏越大，性能越差；本发明目的在于提供一种大频偏下的帧同步方法及***，以解决上述技术问题。

本发明通过下述技术方案实现：

本方案提供一种大频偏下的帧同步方法，包括步骤：

S1、生成本地导频信号并接收外部中频信号；

S2、对接收的中频信号进行预处理后截取形成一段含有导频符号流的完整突发信号；

S3、基于本地导频信号与完整突发信号先经过共轭相乘模型计算后，再对共轭相乘模型计算结果进行延迟相关模型计算；

S4、根据延迟相关模型的计算结果在完整突发信号中确定帧头位置以进行帧同步。

进一步优化方案为，步骤S2中预处理过程包括：对接收的中频信号进行混频、抽取、滤波处理后形成的基带IQ数据，将基带IQ数据截取后形成的一段含有导频符号流的完整突发信号。

进一步优化方案为，所述滤波处理包括低通滤波及匹配滤波，所述匹配滤波采用根升余弦滤波器，滚降因子取值在0.2～0.5之间。

进一步优化方案为，所述基带IQ数据包括导频部分和数据部分，所述导频部分取自PN或gold序列。

进一步优化方案为，基于本地导频信号与完整突发信号先进行共轭相乘模型计算方法为：

从本地导频信号中获取长度为N的导频符号，作为用于帧同步的本地导频符号流；令滑动窗口沿着完整突发信号滑动，从当前位置开始向后共取N个信号点，将滑动窗口内的N个信号点与N个本地导频符号一一对应地进行共轭相乘。

进一步优化方案为，本地导频信号表示为：local＝{l₁，l₂，…，l_n}；其中特征码l_p＝e^iπk，p＝1,2,…,n，k＝0或1；

外部中频信号表示为：rx＝{r₁,r₂，…，r_m}，满足m>M·n+L,M表示采样率与符号速率的比值，L为滑窗长度；

完整突发信号表示为：{r_k，r_k+M·1，…,r_k+M·(n-1)}，k＝1,2,…,L；步骤S3将完整突发信号与本地导频信号进行共轭相乘运算得到：

进一步优化方案为，对共轭相乘模型计算结果进行延迟相关模型计算过程为：

将共轭相乘运算的结果进行延迟自相关运算，延迟窗口长度为1，当前位置为k时的相关值的计算式表示为：

上式中，.*表示点乘，conj表示取共轭，sum表示求和。

进一步优化方案为，根据延迟相关模型的计算结果确定帧头位置的方法为：构建相关曲线图，相关曲线图中相关值的峰值所在位置即为帧头位置。

基于上述大频偏下的帧同步方法，本方案还提供一种大频偏下的帧同步***，包括：信号采集模块、预处理模块、计算模块和帧头确定模块；

所述信号采集模块用于生成本地导频信号并接收外部中频信号；

所述预处理模块用于对接收的中频信号进行预处理后截取形成一段含有导频符号流的完整突发信号；

所述计算模块基于本地导频信号与完整突发信号先经过共轭相乘模型计算后，再对共轭相乘模型计算结果进行延迟相关模型计算；

所述帧头确定模块根据延迟相关模型的计算结果在完整突发信号中确定帧头位置以进行帧同步。

在实际的通信环境中，收发双方通常都是处于运动状态的，如行走、乘车等，但收发端的相对运动的会导致传输信号产生多普勒频移现象，而且相对速度越大，频偏越大。频偏会引起信号的星座图旋转，可能会导致帧头位置的漏检或误检；现有的帧同步方法主要是利用信号的相关性，但是现有的帧同步方法要么检测效果不明显，要么受频偏影响较大：自相关帧同步方法不占用额外资源，具有较大的频率偏移容限，但其自相关曲线在峰值附近变化平缓，检测性能较差；互相关算在判断帧到来后能同时粗略锁定帧所处的位置，但受频偏影响较大，频偏越大，性能越差。本方案提供的帧同步方法及***，对含有导频符号流的完整突发信号和本地导频符号流进行共轭相乘运算和延迟相关运算，相关值的峰值所在位置即认为是帧头位置，能够精确的确定帧头位置，在大频偏的情况下，仍具有较好的检测性能即使是在大频偏情况下，本发明所提帧同步算法仍能正确检测出帧头位置。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本发明提供的大频偏下的帧同步方法及***，克服了前述的现有技术中存在的频率偏移容量小或者相关峰不够尖锐的缺陷，提供一种新的帧同步方法，该方法在大频偏的情况下，仍具有较好的检测性能，即使是在大频偏情况下，本发明所提帧同步算法仍能正确检测出帧头位置。

附图说明

为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。在附图中：

图1为大频偏下的帧同步方法流程示意图；

图2为突发信号格式结构示意图；

图3为归一化频偏为0、信噪比为0dB时的相关曲线图；

图4为归一化频偏为0、信噪比为30dB时的相关曲线图；

图5为归一化频偏为0.001、信噪比为30dB时的相关曲线图；

图6为归一化频偏为0.01、信噪比为30dB时的相关曲线图；

图7为归一化频偏为0.1、信噪比为30dB时的相关曲线图。

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明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

现有的帧同步方法主要是利用信号的相关性，但是现有的帧同步方法要么检测效果不明显，要么受频偏影响较大：自相关帧同步方法不占用额外资源，具有较大的频率偏移容限，但其自相关曲线在峰值附近变化平缓，检测性能较差；互相关算在判断帧到来后能同时粗略锁定帧所处的位置，但受频偏影响较大，频偏越大，性能越差；鉴于此，本发明提出以下实施例：

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种大频偏下的帧同步方法，包括步骤：

S1、生成本地导频信号并接收外部中频信号；

S2、对接收的中频信号进行预处理后截取形成一段含有导频符号流的完整突发信号；

S3、基于本地导频信号与完整突发信号先经过共轭相乘模型计算后，再对共轭相乘模型计算结果进行延迟相关模型计算；

S4、根据延迟相关模型的计算结果在完整突发信号中确定帧头位置以进行帧同步。

步骤S2中预处理过程包括：对接收的中频信号进行混频、抽取、滤波处理后形成的基带IQ数据，将基带IQ数据截取后形成的一段含有导频符号流的完整突发信号。

所述滤波处理包括低通滤波及匹配滤波，所述匹配滤波采用根升余弦滤波器，滚降因子取值在0.2～0.5之间。

所述基带IQ数据包括导频部分和数据部分，所述导频部分取自PN或gold序列。

基于本地导频信号与完整突发信号先进行共轭相乘模型计算方法为：

从本地导频信号中获取长度为N的导频符号，作为用于帧同步的本地导频符号流；令滑动窗口沿着完整突发信号滑动，从当前位置开始向后共取N个信号点，将滑动窗口内的N个信号点与N个本地导频符号一一对应地进行共轭相乘。

本地导频信号表示为：local＝{l₁，l₂，…，l_n}；其中特征码l_p＝e^iπk,p＝1,2,…,n，k＝0或1；

外部中频信号表示为：rx＝{r₁,r₂,…,r_m}，满足m>M·n+L,M表示采样率与符号速率的比值，L为滑窗长度；

完整突发信号表示为：{r_k,r_k+M·1,…,r_k+M·(n-1)}，k＝1,2,…,L；步骤S3将完整突发信号与本地导频信号进行共轭相乘运算得到：

对共轭相乘模型计算结果进行延迟相关模型计算过程为：

将共轭相乘运算的结果进行延迟自相关运算，延迟窗口长度为1，当前位置为k时的相关值的计算式表示为：

上式中，.*表示点乘，conj表示取共轭，sum表示求和。

根据延迟相关模型的计算结果确定帧头位置的方法为：构建相关曲线图，相关曲线图中相关值的峰值所在位置即为帧头位置。

本实施例还提供一种大频偏下的帧同步***，应用于上述大频偏下的帧同步方法，包括：信号采集模块、预处理模块、计算模块和帧头确定模块；

所述信号采集模块用于生成本地导频信号并接收外部中频信号；

所述预处理模块用于对接收的中频信号进行预处理后截取形成一段含有导频符号流的完整突发信号；

所述计算模块基于本地导频信号与完整突发信号先经过共轭相乘模型计算后，再对共轭相乘模型计算结果进行延迟相关模型计算；

所述帧头确定模块根据延迟相关模型的计算结果在完整突发信号中确定帧头位置以进行帧同步。

实施例2

随机生成长度为5000bit的信号比特数据，采用π/4-CQPSK调制，导频采用BPSK调制，将导频符号***到信号符号的前端作为帧头，得到突发信号的结构如图1所示。

调制信号经过信道后，信号引入了噪声、时偏和频偏，对其进行混频、采样率变换、低通滤波及匹配滤波得到需要进行帧同步的符号流，所述匹配滤波采用根升余弦滤波器，滚降因子取值在0.2～0.5之间。

应用本发明所提帧同步算法：获取长度为64的导频符号，作为用于帧同步的本地导频符号流。滑动窗口沿着信号滑动，从当前位置开始向后共取64个信号点，将滑动窗口内的64个点与64个本地导频符号一一对应地进行共轭相乘，再将所得乘积的前63个点与后63个点一一对应地进行共轭相乘并求和，并求取模值，所得结果即为当前位置的相关值。相关值的峰值所在位置即认为是帧头位置。

为了说明本发明所提帧同步算法的性能，本实施例将典型的互相关帧同步算法作为对比算法。

在频偏为0的情况下，图2、图3分别是在信噪比为0dB、30dB时仿真所得到的相关曲线，可见信噪比对帧同步算法的影响较小，所以讨论频偏对帧同步算法的影响时不妨取信噪比为30dB。

图4、图5和图6分别是在归一化频偏为0.001、0.01和0.1时仿真所得到的相关曲线，在小频偏情况下，本发明所提帧同步算法和互相关算法都有明显的相关峰，但图5、图6中的互相关帧同步算法得到的相关曲线没有明显的相关峰，也就是说在大频偏情况下互相关帧同步算法已失效，而本发明所提帧同步算法在大频偏的情况下仍可用。

图2至图6是进行1次仿真得到的图，为了更具有说服力，本实施例中在100次仿真中得到的帧头位置如表1和表2所示，其中表1和表2分别为归一化频偏为0.001和0.1时的情况。由于接收变频处理时采用4倍符号速率采样，所以133和134均为正确的帧头位置。

表1归一化频偏为0.001时的帧头位置

表2归一化频偏为0.1时的帧头位置

由表1和表2可以看出，在归一化频偏为0.001时，本发明所提帧同步算法和互相关帧同步算法均能正确检测出帧头位置，而在归一化频偏为0.1时，互相关帧同步算法失效，仅有本发明所提帧同步算法能正确检测出帧头位置。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种大频偏下的帧同步方法，其特征在于，包括步骤：

S1、生成本地导频信号并接收外部中频信号；

S2、对接收的中频信号进行预处理后截取形成一段含有导频符号流的完整突发信号；

步骤S2中预处理过程包括：对接收的中频信号进行混频、抽取、滤波处理后形成的基带IQ数据，将基带IQ数据截取后形成的一段含有导频符号流的完整突发信号；

S3、基于本地导频信号与完整突发信号先经过共轭相乘模型计算后，再对共轭相乘模型计算结果进行延迟相关模型计算；

基于本地导频信号与完整突发信号先进行共轭相乘模型计算方法为：

从本地导频信号中获取长度为N的导频符号，作为用于帧同步的本地导频符号流；令滑动窗口沿着完整突发信号滑动，从当前位置开始向后共取N个信号点，将滑动窗口内的N个信号点与N个本地导频符号一一对应地进行共轭相乘；

S4、根据延迟相关模型的计算结果在完整突发信号中确定帧头位置进行帧同步；

本地导频信号表示为：local＝{l₁,l₂,…,l_n}；其中特征码l_p＝e^iπk,p＝1,2,…,n，k＝0或1；

外部中频信号表示为：rx＝{r₁,r₂,…,r_m}，满足m>M·n+L,M表示采样率与符号速率的比值，L为滑窗长度；

完整突发信号表示为：{r_k,r_k+M.1,…,r_k+M·(n-1)}，k＝1,2,…,L；步骤S3将完整突发信号与本地导频信号进行共轭相乘运算得到：

2.根据权利要求1所述的一种大频偏下的帧同步方法，其特征在于，所述滤波处理包括低通滤波及匹配滤波，所述匹配滤波采用根升余弦滤波器，滚降因子取值在0.2～0.5之间。

3.根据权利要求1所述的一种大频偏下的帧同步方法，其特征在于，所述基带IQ数据包括导频部分和数据部分，所述导频部分取自PN码或gold序列。

4.根据权利要求1所述的一种大频偏下的帧同步方法，其特征在于，对共轭相乘模型计算结果进行延迟相关模型计算过程为：

将共轭相乘运算的结果进行延迟自相关运算，延迟窗口长度为1，当前位置为k时的相关值的计算式表示为：

上式中，.*表示点乘，conj表示取共轭，sum表示求和。

5.根据权利要求4所述的一种大频偏下的帧同步方法，其特征在于，根据延迟相关模型的计算结果确定帧头位置的方法为：构建相关曲线图，相关曲线图中相关值的峰值所在位置即为帧头位置。

6.一种大频偏下的帧同步***，应用于权利要求1-5任意一种大频偏下的帧同步方法，其特征在于，包括：信号采集模块、预处理模块、计算模块和帧头确定模块；

所述信号采集模块用于生成本地导频信号并接收外部中频信号；

所述预处理模块用于对接收的中频信号进行预处理后截取形成一段含有导频符号流的完整突发信号；

所述计算模块基于本地导频信号与完整突发信号先经过共轭相乘模型计算后，再对共轭相乘模型计算结果进行延迟相关模型计算；

所述帧头确定模块根据延迟相关模型的计算结果在完整突发信号中确定帧头位置以进行帧同步。