CN101207614A - 模式检测与信号帧识别方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种模式检测与信号帧识别方法，包括步骤：接收信号帧序列，分别产生针对不同帧头模式的本地伪随机码序列；分别将输入信号帧序列的采样与所产生的本地伪随机码序列进行滑动相关；根据相邻观察窗中相关峰值之间的距离(dist)来确定当前信号帧序号；重复步骤a－c，计算下一信号帧序号，当当前信号帧序号与下一信号帧序号相匹配时，输出相应的信号帧模式及序号。与现有技术相比较，本发明的方法采用的相关函数避免了进行平方根运算，实现复杂度低。此外，本发明方法采用总结出的简便计算公式确定信号帧序号，与已有的基于查找表运算的方法相比，耗费资源大大降低。

Description

模式检测与信号帧识别方法和装置

技术领域

本发明涉及数字电视地面广播传输通信，更具体地，涉及一种模式检测与信号帧识别方法及其装置。

背景技术

数字电视地面广播传输系统规定了在UHF和VHF频段内，数字电视地面广播传输系统信号的帧结构、信道编码和调制方式。图1示出了现有数字电视地面广播传输系统的帧结构。从图1可以看出，该系统的数据帧结构包括4层。其中，数据帧结构的基本单元为信号帧，由帧头和帧体两部分组成。超帧定义为一组信号帧。分帧定义为一组超帧。帧结构的顶层称为日帧。信号结构是周期的，并与自然时间保持同步。

为适应不同应用，DMB-T定义了三种可选的帧头长度，对应于三种不同的帧头模式，如图2所示。DMB-T帧头信号由一个前同步、一个PN(伪随机码)序列和一个后同步构成，采用I路和Q路相同的4QAM调制。对于帧头模式2而言，前同步和后同步的长度为0。PN序列经0到+1值及1到-1值的映射变换为非归零的二进制符号。

帧头模式1

帧头模式1中的PN序列定义为循环扩展的8阶m序列，可由一个Fibonacci型线性反馈移位寄存器实现。长度为420个符号的帧头信号(PN420)，由一个前同步、一个PN255序列和一个后同步构成。前同步和后同步定义为PN255序列的循环扩展。PN420序列在PN255序列前填充82个符号作为前同步，后面填充83个符号作为后同步。一个超帧中共有225个信号帧，各信号帧的帧头采用不同相位的PN信号作为信号帧识别符。序列PN255的生成多项式定义为G₂₅₅(x)＝1+x+x⁵+x⁶+x⁸。帧头信号的平均功率是帧体信号平均功率的2倍。PN420的结构示于图3中。

帧头模式2

帧头模式2采用的PN序列定义为10阶m序列。帧头信号的长度为595个符号，是长度为1023的m序列的前595个码片。该m序列由10比特的移位寄存器组产生，其生成多项式为G₁₀₂₃(x)＝1+x³+x¹⁰。该10比特的移位寄存器组的初始相位为0000000001。在一个超帧中共有216个信号帧，各信号帧的帧头采用相同的PN序列。帧头信号的平均功率与帧体信号的平均功率相同。

帧头模式3

帧头模式3中的PN序列定义为循环扩展的9阶m序列，可由一个Fibonacci型线性反馈移位寄存器实现。长度为945个符号的帧头信号(PN945)由一个前同步、一个PN511序列和一个后同步构成。前同步和后同步定义为PN511序列的循环扩展。PN945序列在PN511序列前填充217个符号作为前同步，后面填充217个符号作为后同步。在一个超帧中共有200个信号帧，各信号帧的帧头采用不同相位的PN信号作为信号帧识别符，PN序列的生成多项式定义为G₅₁₁(x)＝1+x²+x⁷+x⁸+x⁹。帧头信号的平均功率是帧体信号平均功率的2倍。PN945的结构示于图4中。

同步是DMB-T接收机中的关键技术。同步主要包括模式检测、信号帧识别、符号定时、载波频偏估计和消除、采样钟同步。对于帧头模式1和3，每一个信号帧与绝对时间相对应，需要在同步阶段识别出来。

已有的模式检测与信号帧识别方法通常基于PN序列相关的思想，即，将接收到的信号帧与本地产生的初始相位为0的信号帧中的PN序列进行相关，则对于每个接收到的信号帧都会出现一个相关峰，两个相邻信号帧相关峰之间的距离与信号帧序号相对应。由此可预先定义一个查找表，将相邻信号帧相关峰之间的距离与对应的信号帧序号存入查找表中。现有技术的信号帧识别方法就是建立在这个查找表的基础上。详细方法总结如下：

1)对接收到的信号进行四倍过采样(1/T_s＝4/T)。把四倍过采样信号帧数据按采样点依次输入相关器中，与本地产生的初始相位为0的信号帧帧头中的PN序列进行滑动相关运算。令m为接收到的信号帧帧头中的PN序列与本地产生的PN序列之间的滑动距离，r(i)为四倍过采样接收信号，则相关器的输出R(k，m)为：

$R(k,m)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}r\left(i\right)\×{\mathrm{PN}}^{*}(k-i-m)---\left(1\right)$

2)设置峰值检测器检测相关器的输出，直到相关器的输出|R(k，m)|达到最大值。采用数字微分器进行相关器输出峰值检测。

d_c(k)＝|R(k-1，m)|-|R(k+1，m)|+2(|R(k-2，m)|-|R(k+2，m)|)

                                                         (2)

当在时间点k′得到|R(k′，m)|≥T_h，且d_c(k′-1)＞0，d_c(k′)≤0时，认为在时间点k″处已经获得第一个满足条件的相关器输出峰值点。k″由下式给出：

$k^{\′\′}=\left\{\begin{array}{cc}{k}^{\′}& \mathrm{if}\left|R(k^{\′},m)\right|>\left|R(k^{\′}-1,m)\right|\\ k^{\′}-1& \mathrm{else}\end{array}\right.---\left(3\right)$

3)重复1)，2)两步。当接收到下一个信号帧的帧头时，可以得到第二个满足条件的相关器输出峰值点。因为信号帧的长度固定，因此由满足条件的第一个与第二个峰值点的位置可以获得两个峰值点间的相对距离。将该相对距离作为前文所述的预先定义的查找表的输入，即可获得当前接收到的信号帧的帧号。

现有模式检测与信号帧识别方法存在以下缺陷：

1.该方法基于查找表运算。相邻两个信号帧的相关器输出峰值点之间的距离作为查找表的输入，查找表运算后的输出结果是当前接收到的信号帧的帧号。对于帧头模式1而言，一个超帧中有255个信号帧。由于每个信号帧的帧号需要用8比特表示，即使不考虑查找表的输入控制逻辑所占资源，该查找表也需要占用225×8＝1800比特的ROM资源。对于帧头模式3而言，一个超帧中有200个信号帧。同样的，每一个信号帧的帧号需要用8比特表示，即使不考虑输入控制逻辑所占资源，也需要占用200×8＝1600比特的ROM资源。以上两项总共需要占用3400比特的ROM资源，相应的ASIC面积和功耗增加。对于移动接收终端而言，应尽量降低ASIC面积和功耗。

2.上述2)中需要使用数字微分器d_c(k)。当计算|R(k，m)|时，需要进行平方根运算，这在FPGA中实现很复杂。由于输入的是4倍过采样信号，输入信号速率达到30.24Mbps，这就需要平方根运算具有高的吞吐率，从而占用大量加法器和减法器资源。以在FPGA中实现单精度浮点平方根运算为例，如果采用Xilinx xc4000器件，以流水线的方式实现平方根运算需要占用408个CLB运算资源和675个CLB寄存器，且要引入15个时钟周期的延时。为了消除延时还要引入额外控制逻辑。

考虑到以上两个缺陷，需要采用更有效的方法进行模式检测与信号帧识别方法。

发明内容

为了克服现有方法的这些缺点，根据本发明的一个方面，提出了一种模式检测与信号帧识别方法，所述方法包括步骤：

a.接收信号帧序列，分别产生针对不同帧头模式的本地伪随机码序列；

b.分别将输入信号帧序列的采样与所产生的本地伪随机码序列进行滑动相关；

c.根据相邻观察窗中相关峰值之间的距离(dist)来确定当前信号帧序号；

d.重复步骤a-c，计算下一信号帧序号，当当前信号帧序号与下一信号帧序号相匹配时，输出相应的信号帧模式及序号。

根据本发明的另一方面，提出了一种模式检测与信号帧识别装置，包括：

信号帧序列发生器，用于接收信号帧序列，分别产生针对不同帧头模式的本地伪随机码序列；

峰值检测器，用于搜索相关峰值；

相关器，用于分别将输入信号帧序列的采样与所产生的本地伪随机码序列进行滑动相关；

确定器，根据相邻观察窗中相关峰值之间的距离来确定当前信号帧序号，当当前信号帧序号与下一信号帧序号相匹配时，输出相应的信号帧模式及序号。

与现有技术相比较，尽管本发明的模式检测与信号帧识别方法同样基于PN序列相关的思想，但其相关函数不同，本发明的方法采用的相关函数避免了进行平方根运算，实现复杂度低。此外，本发明方法采用总结出的简便计算公式确定信号帧序号，与已有的基于查找表运算的方法相比，耗费资源大大降低。

附图说明

图1：DMB-T系统帧结构

图2：信号帧结构

图3：PN420的结构

图4：PN945的结构

图5：相关峰值位置及相邻相关峰值间距离的计算示意图

图6：根据本发明的模式检测与信号帧识别装置的结构框图

图7：根据本发明的模式检测与信号帧识别方法流程图

图8：模式检测与信号帧识别方法效果比较

具体实施方式

本发明提出一种模式检测与信号帧识别方法。图6示出了根据本发明的模式检测与信号帧识别装置的结构框图，其中，根据本发明的模式检测与信号帧识别装置包括：序列发生器(未示出)、相关器、计数器以及峰值检测器。图7示出了根据本发明的模式检测与信号帧识别方法的流程图，下面将结合图6和图7来描述本发明的优选实施例。

1)首先，针对帧头模式1和3，序列发生器分别选择帧序号为0的信号帧帧头中的PN序列作为本地生成的PN序列(即PN255和PN511)。对于帧头模式2，由于一个超帧中的所有216个信号帧使用同一个PN序列(即PN595)，因此选择PN595作为本地生成的PN序列。PN255，PN595，PN511按“0-＞+1”和“1-＞-1”的方式转化为非归零二进制信号序列。

2)在相关器中，为计算本地生成的PN序列与接收到的4倍过采样信号之间的相关值，引入相关函数计算公式。令r(i)为4倍过采样接收信号，相关函数λ(θ)按如下方式定义

λ(θ)＝(λ_{_real}(θ)}²+{λ_{_imag}(θ)}²    (4)

其中

${\mathrm{\λ}}_{\_\mathrm{real}}\left(\mathrm{\θ}\right)=\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\{r\_\mathrm{real}(4\×i+\mathrm{\θ})+r\_\mathrm{imag}(4\×i+\mathrm{\θ})\}\×\mathrm{PN}(i+1)---\left(5\right)$

${\mathrm{\λ}}_{\_\mathrm{imag}}\left(\mathrm{\θ}\right)=\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\{r\_\mathrm{imag}(4\×i+\mathrm{\θ})+r\_\mathrm{real}(4\×i+\mathrm{\θ})\}\×\mathrm{PN}(i+1)---\left(6\right)$

θ：0，1，2，3，...；

r_real(i)：r(i)信号的实部；

r_imag(i)：r(i)信号的虚部；

N与PN(i)的取值如下所示：

帧头模式1：N＝255；PN(i)＝PN255(i)；

帧头模式2：N＝595；PN(i)＝PN595(i)；

帧头模式3：N＝511；PN(i)＝PN511(i)；

3)对于每一个输入相关器的4倍过采样信号r(i)，相关器都会有一个输出结果λ(θ)。为了记录相关器最大输出值的位置，引入计数范围为从1到4×signal_frame_Len的循环计数器。每输出一个相关值，计数器加1。计数器周期(1到4×signal_frame_Len)作为观察窗口。signal_frame_Len按如下定义：

帧头模式1：signal_frame_Len＝4200；

帧头模式2：signal_frame_Len＝4375；

帧头模式3：signal_frame_Len＝4725；

4)峰值检测器在当前观察窗内(第一个接收到的信号帧内)会搜索到第一个相关峰值(相关器最大输出值)，并记录该值在观察窗中的位置。

5)重复2)，3)和4)，在下一个观察窗内(第二个接收到的信号帧内)可以搜索到第二个相关峰值及其位置。根据第一个和第二个相关峰值的位置可以计算出二者间的距离，记为“dist”。图5示出了相关峰值在观察窗中的位置及相邻两个观察窗中相关峰值间距离的计算方法。

6)dist值用于确定第二个接收到的信号帧的帧号。令dl＝dist/4(4倍过采样)，可得：

◆对于帧头模式1，dl值随不同的输入信号帧而变。dl的取值范围为-112≤dl≤112。通过以下公式可以计算出信号帧的帧号：

$\mathrm{sn}=\left\{\begin{array}{cc}0,& \mathrm{dl}=0\\ \mathrm{dl},& \mathrm{dl}\&Element;\{\mathrm{dl}>0,\mathrm{dl}\mathrm{mod}2=0\}\\ 225-\mathrm{dl},& \mathrm{dl}\&Element;\{\mathrm{dl}>0,\mathrm{dl}\mathrm{mod}2=1\}\\ 225-\left|\mathrm{dl}\right|,& \mathrm{dl}\&Element;\{\mathrm{dl}<0,\mathrm{dl}\mathrm{mod}2=0\}\\ \left|\mathrm{dl}\right|,& \mathrm{dl}\&Element;\{\mathrm{dl}<0,\mathrm{dl}\mathrm{mod}2=1\}\end{array}\right.---\left(7\right)$

◆对于帧头模式2，dl应始终为0。

◆对于帧头模式3，dl值随不同的输入信号帧而变。dl的取值范围为-100≤dl≤100且dl≠0。信号帧帧号可由下式得出：

$\mathrm{sn}=\left\{\begin{array}{cc}0,& \mathrm{dl}=1\\ \mathrm{dl},& \mathrm{dl}\&Element;\{\mathrm{dl}>1,\mathrm{dl}\mathrm{mod}2=0\}\\ 201-\mathrm{dl},& \mathrm{dl}\&Element;\{\mathrm{dl}>1,\mathrm{dl}\mathrm{mod}2=1\}\\ 201-\left|\mathrm{dl}\right|,& \mathrm{dl}\&Element;\{\mathrm{dl}<0,\mathrm{dl}\mathrm{mod}2=0\}\\ \left|\mathrm{dl}\right|,& \mathrm{dl}\&Element;\{\mathrm{dl}<0,\mathrm{dl}\mathrm{mod}2=1\}\end{array}\right.---\left(8\right)$

7)在上述方法中，为避免错误检测，应进行验证。要计算第二个相关峰值和第三个相关峰值之间的距离(dl)。若dl在取值范围内且计算出的第三个接收到的信号帧的帧号sn与第二个接收到的信号帧帧号连续，则模式检测和信号帧识别完成，输出所检测出的帧头模式和信号帧序号，而后开始其他同步过程。否则，本次模式检测不成功，需要重新从第二步2)开始进行检测。

当存在多径时，会存在多个相关峰值。此时，需在每个观察窗中跟踪第一个相关峰值。

通过计算机仿真来验证所提出的模式检测与信号帧识别方法的有益效果。选择性能指标为差错概率(error probability)。差错概率指的是在连续收到的前3个信号帧内无法成功检测出帧头模式和信号帧序号的概率。仿真在AWGN信道下独立运行10000次，载波频偏设为6KHz。

仿真结果示于图8中。仿真结果表明，对于帧头模式1和3，当信噪比(SNR)为-11dB时，模式检测与信号帧识别差错概率不大于10^-4；对于帧头模式2，当信噪比(SNR)为-9dB时，模式检测与信号帧识别差错概率不大于10^-4。

因此，与现有方法相比，本发明提出的方法有以下优点：

a.性能相同但计算复杂度降低。仿真结果表明，本发明提出的方法与现有方法检测性能相同。但从计算复杂度的角度看，现有方法采用的数字微分器d_c(k)需要计算|R(k，m)|。在计算|R(k，m)|过程中引入平方根运算，这就带来了高的计算复杂度，不易用硬件实现。本发明的方法避免了采用平方根运算。

b.占用资源更少。现有方法基于查找表运算，共需要至少3400比特的ROM资源，相应的ASIC面积和功耗大。本发明提出的方法只需计算公式7)和8)，总共需要16个LE(Altera FPGA基本单元)。这非常适合用于对尺寸和功耗都有很高要求的移动接收终端。

Claims (7)

1.一种模式检测与信号帧识别方法，包括步骤：

a.接收信号帧序列，分别产生针对不同帧头模式的本地伪随机码序列；

b.分别将输入信号帧序列的采样与所产生的本地伪随机码序列进行滑动相关；

c.根据相邻观察窗中相关峰值之间的距离(dist)来确定当前信号帧序号；

d.重复步骤a-c，计算下一信号帧序号，当当前信号帧序号与下一信号帧序号相匹配时，输出相应的信号帧模式及序号。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于在采用m倍过采样的情况下，按照下式对过采样信号和本地生成的PN序列进行相关运算：

λ(θ)＝{λ_{_real}(θ)}²+{λ_{_imag}(θ)}²

其中

${\mathrm{\&lambda;}}_{\_\mathrm{real}}\left(\mathrm{\&theta;}\right)=\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}\{r\_\mathrm{real}(m\&times;i+\mathrm{\&theta;})+r\_\mathrm{imag}(m\&times;i+\mathrm{\&theta;})\}\mathrm{PN}(i+1)$

${\mathrm{\&lambda;}}_{\_\mathrm{imag}}\left(\mathrm{\&theta;}\right)=\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}\{r\_\mathrm{imag}(m\&times;i+\mathrm{\&theta;})-r\_\mathrm{real}(m\&times;i+\mathrm{\&theta;})\}\&times;\mathrm{PN}(i+1)$

θ：0，1，2，3，…；

r_real(i)：r(i)信号的实部；

r_imag(i)：r(i)信号的虚部。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于将观察窗设为1到m×signal_frame_Len，对于帧头模式1、2和3，signal_frame_Len的取值分别为4200、4375和4725。

4.如权利要求2或3所述的方法，其特征在于在相关步骤中，确定两个最大相关峰值之间的距离(dist)，在采用m倍过采样的情况下，设dl＝dist/m，则分别按照下式对帧头模式1、帧头模式2和帧头模式3计算信号帧序号(sn)：

对于帧头模式1，

$\mathrm{sn}=\left\{\begin{array}{cc}0,& \mathrm{dl}=0\\ \mathrm{dl},& \mathrm{dl}\&Element;\{\mathrm{dl}>0,\mathrm{dl}\mathrm{mod}2=0\}\\ 225-\mathrm{dl},& \mathrm{dl}\&Element;\{\mathrm{dl}>0,\mathrm{dl}\mathrm{mod}2=1\};\\ 225-\left|\mathrm{dl}\right|,& \mathrm{dl}\&Element;\{\mathrm{dl}<0,\mathrm{dl}\mathrm{mod}2=0\}\\ \left|\mathrm{dl}\right|,& \mathrm{dl}\&Element;\{\mathrm{dl}<0,\mathrm{dl}\mathrm{mod}2=1\}\end{array}\right.$

对于帧头模式2，dl为0；

对于帧头模式3，

$\mathrm{sn}=\left\{\begin{array}{cc}0,& \mathrm{dl}=0\\ \mathrm{dl},& \mathrm{dl}\&Element;\{\mathrm{dl}>0,\mathrm{dl}\mathrm{mod}2=0\}\\ 201-\mathrm{dl},& \mathrm{dl}\&Element;\{\mathrm{dl}>0,\mathrm{dl}\mathrm{mod}2=1\}\\ 201-\left|\mathrm{dl}\right|,& \mathrm{dl}\&Element;\{\mathrm{dl}<0,\mathrm{dl}\mathrm{mod}2=0\}\\ \left|\mathrm{dl}\right|,& \mathrm{dl}\&Element;\{\mathrm{dl}<0,\mathrm{dl}\mathrm{mod}2=1\}\end{array}\right..$

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于对于帧头模式1，当dl的绝对值大于112时，对于帧头模式2，当dl的值不等于0时，以及对于帧头模式3，当dl的绝对值大于100或等于0时，确定本次模式检测不成功，并重复步骤a-c。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于当存在多径时，在每个观察窗中跟踪第一相关峰值。

7.一种模式检测与信号帧识别装置，包括：

信号帧序列发生器，用于接收信号帧序列，分别产生针对不同帧头模式的本地伪随机码序列；

峰值检测器，用于搜索相关峰值；

相关器，用于分别将输入信号帧序列的采样与所产生的本地伪随机码序列进行滑动相关；

确定器，根据相邻观察窗中相关峰值之间的距离来确定当前信号帧序号，当当前信号帧序号与下一信号帧序号相匹配时，输出相应的信号帧模式及序号。

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