CN1889417A - 一种数字通信中的帧同步方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种数字通信中的帧同步方法，该方法在数据帧中增加同步调整缓冲区，接收端存储数据帧帧头数据及同步调整缓冲区数据；同步过程包括：A、发送端向接收端发送包含同步调整缓冲区的数据帧信号；B、接收端接收数据帧信号，对数据帧信号进行采样并解调为数字数据；C、接收端根据存储的数据帧帧头数据和记录的数据帧的第一位的位置，判断接收到的数据帧是否发生数据错位，如果是，则在同步调整缓冲区位数范围内移动数据位，确定接收数据帧的第一位的位置并记录，执行步骤D；否则，直接执行步骤D；D、接收端从记录的数据帧第一位的位置开始获取该数据帧的数据。应用本发明能提高同步精度，而且实现简单，成本低。
Description
技术领域
本发明涉及数字通信中数据帧的传输技术，特别涉及一种数字通信中的帧同步方法。
背景技术
在数字通信***中，无论是有线数字通信还是无线数字通信，数据帧从发送端传输到接收端后，接收端必须能够正确无误地判断出数据帧的帧头和帧尾，否则，将导致数据接收的失败。确保接收端对所接收到的数据帧正确判定数据帧头和帧尾，并在帧同步出现偏差时能够及时纠正的技术，就是帧同步技术。
在数据帧通信传输过程中，导致数据帧同步出现偏差的因素很多，主要有：发送端和接收端的时钟出现一定的抖动或不稳定，导致时钟相位偏差；信道由于频率的选择性或信道的存在的一些不确定性干扰和一些外界信号的干扰；都可能使数据帧在通信传输过程中产生相位滞后或时延，这样也就会导致数据帧在接收同步时产生偏差。
可以说，数字通信***中的数据帧同步偏差的产生是数字通信***中存在的一个不可避免的问题。这个问题的存在，轻则导致数据传输速率不能提高，重则导致***数据通信的失败。这个问题的妥善解决则会大幅提升数据通信***的数据传输速率和***稳定性等多项性能指标，确保通信***有效可靠地完成通信功能。
目前，在数字通信***中，对于数据帧同步问题，常用的方法是，采用一个特殊的同步帧，在发送一个数据帧之前，都要发送这一同步帧。接收端预先存储了该同步帧的数据。这样，接收端可以根据事先存储的同步帧和通信时接收到的同步帧进行相关计算，以判断同步偏差，再根据偏差进行移位后再进行相关计算，当移位移到计算的相关函数值最大时，则意味着同步了。这个同步过程是在同步帧中进行的。
对同步帧进行同步后，再根据采样的结果进行解调，解调出数字数据。这样，当在一同步帧进行了同步偏差纠正后，也纠正了后续的数据帧存在的偏差。然而，由于时钟偏差，***干扰等时刻都存在的原因，后面的数据帧还可能存在偏差，因此这种同步方法精度并不是非常高。而且，在每个数据帧前增发同步帧，***花费了很多的通信资源进行同步帧的收发，浪费了***资源。
目前还有的方法是：还可以尽可能地调整数据的发送速率，使帧同步偏差控制在***能够忍受的范围内；或一旦某数据帧出现同步偏差，便将该数据帧扔掉，让***重发，这样的***同步方法使***在低水平工作，而且非常不稳定。也有采用一些特别技术进行帧同步的，如锁相环技术等，这种技术主要是着眼于在电路上对时钟本身进行调整，在成本上和效果上都有不尽人意的地方。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种数字通信中的帧同步方法，应用该方法进行帧同步，能够提高同步的精度。
为达到上述目的，本发明的技术方案具体是这样实现的：
一种数字通信中的帧同步方法，该方法在数据帧中增加同步调整缓冲区，接收端存储数据帧帧头数据及同步调整缓冲区数据；同步过程包括以下步骤：
A、发送端向接收端发送包含同步调整缓冲区的数据帧信号；
B、接收端接收数据帧信号，对数据帧信号进行采样并解调为数字数据；
C、接收端根据存储的数据帧帧头数据和记录的数据帧的第一位的位置，判断接收到的数据帧是否发生数据错位，如果是，则在同步调整缓冲区位数范围内移动数据位，确定接收数据帧的第一位的位置并记录，执行步骤D；否则，直接执行步骤D；
D、接收端从记录的数据帧第一位的位置开始获取该数据帧的数据。
其中，可以在数据帧的帧头和数据之间增加同步调整缓冲区。
所述同步调整缓冲区的数据可以为：与帧头最后一位二进制数字相反的整数个二进制数字。
所述步骤C可以包括：
C1、将记录的数据帧的第一位的位置作为当前位置，从当前位置起，从接收的数据帧取帧头数据位数的数据，与存储的数据帧帧头数据进行相关运算，获得相关度，判断相关度是否达到预定的阈值，如果是，则接收到的数据帧没有发生数据错位，执行步骤D；否则执行步骤C2；
C2、从当前位置起，在同步调整缓冲区位数范围内向前或向后移预定位；
C3，从移位后的位置起，从接收的数据帧取帧头数据位数的数据，与存储的数据帧帧头数据进行相关运算，判断相关度是否达到预定的阈值，如果是，则将该位置记录为数据帧的第一位，执行步骤D；否则返回步骤C2。
所述进行相关运算的方法可以为：取接收的数据帧帧头数据位数的数据，与存储的数据帧帧头数据对应位进行同或运算，并对运算结果求和得到相关值；
所述获得相关度的方法为：求出计算出的相关值与预先记录的完全同步应该的相关值的百分比。
预先记录的完全同步应该的相关值可以为：将存储的数据帧帧头数据与自身对应位进行同或运算，并对运算结果求和得到相关值；
或预先记录的完全同步应该的相关值为：数据帧帧头数据位数。
所述阈值根据***所受干扰的实际情况设置，可以设置为100％或95或90％等百分比。
步骤C2所述在同步调整缓冲区位数范围内向前或向后移预定位的方法可以为：向前或向后移动一位。
移位的顺序可以为：从记录的数据帧的第一位的位置开始，每执行一次步骤C2向前移动一位；如果已移到同步调整缓冲区位数，则从记录的数据帧的第一位的位置起，每执行一次步骤C2向后移动一位，直到同步调整缓冲区位数；
或从记录的数据帧的第一位的位置开始，每执行一次步骤C2向后移动一位；如果已移到同步调整缓冲区位数，则从记录的数据帧的第一位的位置起，每执行一次步骤C2向前移动一位，直到同步调整缓冲区位数。
该方法可以进一步包括，若向前和向后都移动过同步调整缓冲区数据位数，仍没有找到达到预定阈值的数据位位置，则将相关度最大的数据位的位置，确定为接收的数据帧第一位的位置。
由上述的技术方案可见，本发明的这种数字通信中的帧同步方法，在数据帧中增加帧调整缓冲区；接收端接收并解调出数据后，判断该帧是否发生错位，如果是则在调整缓冲区范围内移位，并找到接收数据帧第一位位置，从该位置获取数据帧数据，这样保证获取的数据帧数据能够与发送的数据帧相同，即接收数据帧与发送数据帧同步。
与现有技术相比，本发明不需要***先发送同步帧，对同步帧进行同步，而是对数据帧本身进行同步，减少了在发送两帧过程中，由于时钟偏差，***干扰等造成的同步偏差，提高了同步精度。而且，本发明是在解调出数据后，对数字信号进行错位判断，降低了技术难度。同时，本发明无需在硬件上对时钟电路本身进行调整，因此实现简单，成本低。
附图说明
图1为无线数据收发***示意图；
图2为本发明一较佳实施例的接收端帧同步处理流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。
本发明的这种数字通信中的帧同步方法，在数据帧中增加帧调整缓冲区；接收端接收并解调出数据后，判断该帧是否发生错位，如果是则在调整缓冲区范围内移位，并找到接收数据帧第一位位置，从该位置获取数据帧数据，这样保证获取的数据帧数据能够与发送的数据帧相同，即接收数据帧与发送数据帧同步。
以下举实施例进行详细说明。
参见图1，图1为无线数据收发***示意图。该***包含了发送端设备100和接收端设备110，发送端设备100包含：发送端单片机101和发送端无线收发模块102；接收端110设备包含：发送端单片机111和发送端无线收发模块112。实际上数据通信的设备通常即是发送设备也是接收设备，这里为了描述清楚，只简单的划分为了发送端设备和接收端设备。
以下以本发明在图1所示的无线数据收发***中的应用为较佳实施例进行详细说明。
本实施例中数据帧的帧头为：
| Bm | … | B2 | B1 | B0 |
其中，Bi为0或1，0≤i≤m。实际应用时，可以按需要将数据帧头设计成连续的m个1或者m个0，或者m个10，或者01等。
同步调整缓冲区的数据为：
| Cn | … | C2 | C1 | C0 |
Ci为0或 1，0≤i≤n。
本实施例中，Ci为连续n个0或者1，其设置在帧头与数据之间。Ci数字与帧头最后一个二进制数字相反。即，当B0为0时，Ci为1；当B0为1时，Ci为0。其中，m是***设定的，n是根据外界可能的干扰设置的，如果***所处的环境干扰较大，则n可以设置的较大，反之可以较小。
本实施例中，接收端预先存储了帧头和该缓冲区的数据，利用该缓冲区进行偏差自动校正。
具体的数据发送过程为：
首先，发送端单片机101将要发送的数据按数据帧格式打包，在要发送的数据帧的帧头和数据之间加上同步调整缓冲区的数据。
然后，发送端单片机101控制发送端无线收发模块102，将打包好的数据转换为数据帧信号发送出去。假设要发送的数据为：
| Dp | … | C2 | C1 | C0 |
则发送端无线收发模块102发送的完整数据为：
| Bm | … | B2 | B1 | B0 | Cn | … | C2 | C1 | C0 | Dp | … | D2 | D1 | D0 |
然后，接收端无线收发模块111接收到数据帧信号，进行采样和解调，将解调后的数据发送给接收端单片机112进行同步处理。接收端具体的同步过程参见图2，图2为本发明一较佳实施例的接收端帧同步处理流程图。该流程包括以下步骤：
步骤201，接收端无线收发模块111对接收的数据帧信号进行采样和解调，将解调后的数据发送给接收端单片机112。
步骤202，接收端单片机112从记录的数据帧第1位的位置起，从接收的数据中取m位数据。这里的m就是数据帧帧头的位数。
对于第一次运行的接收端单片机112，数据帧第1位的位置是预先配置并存储下来的，以后数据帧第1位的位置是在同步过程中记录的。
步骤203，将取的m位数据与记录的帧头数据进行相关运算，获得相关度并记录当前位置。
本步骤中，相关运算是将对应位进行同或运算后求和获得相关值。具体来说，是将取的m位数据，与存储的数据帧帧头数据对应位进行同或运算，用数学公式可以表示为：
其中，在对数据帧进行同步时，s是整个可以变化的范围，其为：-n≤s≤n。当Bi与Ai+s相同时，即两者都为0或都为1时，其值取1；当两者异时，即其中一个为1，而另一个为0时，其取值为0。再对各对应位同或运算后的值求和得到相关值；然后，求出计算出的相关值与预先记录的完全同步应该的相关值的百分比，作为相关度记录。显然，这种将对应位进行同或运算后求和获得相关值的相关运算方法，实现相当简单，而且获得的相关值准确可靠。
这里，预先记录的完全同步应该的相关值可以为：将数据帧帧头数据与自身对应位进行同或运算，并对运算结果求和得到相关值；也就是对预先存储的：
| Bm | … | B2 | B1 | B0 |
进行自相关运算，即将对应位进行同或运算，并对运算结果求和得到相关值。
预先记录的完全同步应该的相关值还可以为：数据帧帧头数据位数，这是因为进行运算的都是二进制数，自相关运算时，各位都相同，各位同或运算结果就都是1，这样求和也就是帧头数据位数。
步骤204，判断计算的相关度是否达到预先设定的阈值；如果是则执行步骤205；否则执行步骤206。
本实施例中阈值是预先根据***所受干扰的实际情况设置好的，可以是100％，也可以是95％或90％或其他百分比。
步骤205，将当前位置记录为数据帧第1位位置，执行步骤209。
如果执行过程中，还没有进行移位，则说明接收的数据帧没有错位，保留原记录的数据帧第1位位置。
步骤206，向前或向后移1位，作为当前位置。
s是整个可以变化的范围为：-n≤s≤n，因此，移位的顺序可以为：从记录的数据帧的第一位的位置开始，每执行一次本步骤向前移动一位；如果已移到同步调整缓冲区位数，则从记录的数据帧的第一位的位置起，每执行一次本步骤向后移动一位，直到同步调整缓冲区位数。
当然也可以先向后移，即从记录的数据帧的第一位的位置开始，每执行一次步骤C2向后移动一位；如果已移到同步调整缓冲区位数，则从记录的数据帧的第一位的位置起，每执行一次步骤C2向前移动一位，直到同步调整缓冲区位数。
步骤207，判断是否已经超出向前向后移动的-n≤s≤n范围，也就是已前移过n位且已后移过n位，如果是则执行步骤208；否则执行步骤210。
步骤208，将相关度最大的位置记录为数据帧第1位的位置。
步骤209，从数据帧第1位位置起，从解调的数据中获取数据帧数据，返回步骤201。
步骤210，从当前位置起，从接收的数据中取m位数据，返回步骤203。
由上述的实施例可见，本发明的这种数字通信中的帧同步方法，不需要***先发送同步帧对同步帧进行同步，而是对数据帧本身进行同步，减少了在发送两帧过程中，由于时钟偏差，***干扰等造成的同步偏差，提高了同步精度。而且，本发明是在解调出数据后，对数字信号进行错位判断，降低了技术难度。同时，本发明无需在硬件上对时钟电路本身进行调整，因此实现简单，成本低。
Claims (11)
1、一种数字通信中的帧同步方法，其特征在于，该方法在数据帧中增加同步调整缓冲区，接收端存储数据帧帧头数据及同步调整缓冲区数据；同步过程包括以下步骤：
A、发送端向接收端发送包含同步调整缓冲区的数据帧信号；
B、接收端接收数据帧信号，对数据帧信号进行采样并解调为数字数据；
C、接收端根据存储的数据帧帧头数据和记录的数据帧的第一位的位置，判断接收到的数据帧是否发生数据错位，如果是，则在同步调整缓冲区位数范围内移动数据位，确定接收数据帧的第一位的位置并记录，执行步骤D；否则，直接执行步骤D；
D、接收端从记录的数据帧第一位的位置开始获取该数据帧的数据。
2、如权利要求1所述的帧同步方法，其特征在于：在数据帧的帧头和数据之间增加同步调整缓冲区。
3、如权利要求2所述的同步方法，其特征在于：所述同步调整缓冲区的数据为：与帧头最后一位二进制数字相反的整数个二进制数字。
4、如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤C包括：
C1、将记录的数据帧的第一位的位置作为当前位置，从当前位置起，从接收的数据帧取帧头数据位数的数据，与存储的数据帧帧头数据进行相关运算，获得相关度，判断相关度是否达到预定的阈值，如果是，则接收到的数据帧没有发生数据错位，执行步骤D；否则执行步骤C2；
C2、从当前位置起，在同步调整缓冲区位数范围内向前或向后移预定位；
C3，从移位后的位置起，从接收的数据帧取帧头数据位数的数据，与存储的数据帧帧头数据进行相关运算，判断相关度是否达到预定的阈值，如果是，则将该位置记录为数据帧的第一位，执行步骤D；否则返回步骤C2。
5、如权利要求4所述的同步方法，其特征在于，所述进行相关运算的方法为：取接收的数据帧帧头数据位数的数据，与存储的数据帧帧头数据对应位进行同或运算，并对运算结果求和得到相关值；
所述获得相关度的方法为：求出计算出的相关值与预先记录的完全同步应该的相关值的百分比。
6、如权利要求5所述的同步方法，其特征在于，预先记录的完全同步应该的相关值为：将存储的数据帧帧头数据与自身对应位进行同或运算，并对运算结果求和得到相关值；
或预先记录的完全同步应该的相关值为：数据帧帧头数据位数。
7、如权利要求5所述的同步方法，其特征在于：所述阈值根据***所受干扰的实际情况设置。
8、如权利要求7所述的同步方法，其特征在于：所述阈值根据***所受干扰的实际情况设置为100％或95％或90％。
9、如权利要求4所述的同步方法，其特征在于：步骤C2所述在同步调整缓冲区位数范围内向前或向后移预定位的方法为：向前或向后移动一位。
10、如权利要求9所述的同步方法，其特征在于，移位的顺序为：从记录的数据帧的第一位的位置开始，每执行一次步骤C2向前移动一位；如果已移到同步调整缓冲区位数，则从记录的数据帧的第一位的位置起，每执行一次步骤C2向后移动一位，直到同步调整缓冲区位数；
或从记录的数据帧的第一位的位置开始，每执行一次步骤C2向后移动一位；如果已移到同步调整缓冲区位数，则从记录的数据帧的第一位的位置起，每执行一次步骤C2向前移动一位，直到同步调整缓冲区位数。
11、如权利要求4所述的同步方法，其特征在于：该方法进一步包括，若向前和向后都移动过同步调整缓冲区数据位数，仍没有找到达到预定阈值的数据位位置，则将相关度最大的数据位的位置，确定为接收的数据帧第一位的位置。
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