CN101304260B - 一种用于chirp扩频通信系统的同步方法及元件 - Google Patents

一种用于chirp扩频通信系统的同步方法及元件 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种复杂度低，且能在接收机本地参考信号与接收信号存在时间差时，避免对最大强度的频率分量的判断产生错误的一种用于CHIRP扩频通信系统的新的同步方法与元件，本发明的方法是：接收端在同步信号的触发下产生一个本地参考信号，将接收到的CHIRP信号与所述的本地参考信号相乘，然后计算出乘积中强度最强的两个频率分量的强度差值，再在所述的强度差值的控制下产生同步信号，同步信号再去触发本地参考信号的产生，从而逐步减小接收信号与本地参考信号的时间差，直至时间差为零，从而完成对接收信号的同步。该方法较与现有方法相比既提高了同步准确度又降低了计算复杂度。

Description

一种用于CHIRP扩频通信系统的同步方法及元件
技术领域
本发明涉及一种应用于无线通信中Chirp扩频通信系统的同步方法，属于通信系统的同步领域。
背景技术
近几年，使用连续载波的啁啾(Chirp)扩频通信技术逐渐引起人们的关注。IEEE802.15.4a于2007年3月采纳Chirp啁啾扩频(chirp spread spectrum，简称CSS)作为其标准的物理层技术之一。在Chirp扩频通信系统中同步技术是一个关键技术，同步的精确度会严重影响整个系统的通信性能。目前提出的同步技术有两大类，一类是利用匹配滤波的方法，既在收发两端用一对匹配滤波器，使收端对接收到的发射信号直接通过匹配滤波获得同步，另一类是在接收端产生参考信号来跟踪发射信号。由于第一类方法中，当采用数字技术实现匹配滤波器时，复杂度很高。因此接收端产生参考信号来跟踪发射信号的同步技术更值得期待。
在接收端产生参考信号来跟踪发射信号进行同步的方法有可以归纳如下：在接收机本地产生一个与发射信号具有相同的扫频模式的本地参考信号，该信号的起始频率、终止频率和扫频时间都与发射信号相同。该接收机中的本地参考信号与接收信号相乘后，将会产生2个具有单一频率的信号分量，通过对具有最大强度的单一频率信号分量的频率进行估计，由于频率分量是由时间差引起的，因此精确地估计出频率分量，就可以估算出本地参考的产生时间与接收信号的时间差，然后利用估计出的时间差去调整本地参考信号的发生时间，逐步缩短这个时间差。从而锁定接收机的采样时间，完成同步过程。
上述方法存在两个问题。第一个问题是当接收机本地参考信号与接收信号存在时间差时，二者相乘的乘积信号中的2个频率分量分别与信道的不同频段对应，因此二者的强度会受信道衰落的影响，这就会导致在判断最大强度的频率分量时产生错误，从而影响同步的效果。第二个问题是在估计最强频率分量的频率时，为了获得足够的估计精度，需要有足够多的采样值，这会导致很大的频率估计计算量。这两个问题限制了此方法的应用。
发明内容
本发明针对背景技术中所描述的同步方法中存在的两个问题，提出一种复杂度低，且能在接收机本地参考信号与接收信号存在时间差时，避免对最大强度的频率分量的判断产生错误的一种用于CHIRP扩频通信系统的新的同步方法。
本发明的方法是：接收端在同步信号的触发下产生一个本地参考信号，(所述的本地参考信号是一个中心频率与发射端发出的CHIRP信号的相同，而扫频范围和扫频时间比发射端产生的CHIRP信号的扫频范围和扫频时间都要大一倍的CHIRP信号，并且这两个信号均为复信号)，将接收到的CHIRP信号与所述的本地参考信号的共轭信号相乘，并对乘积进行功率谱估计；再分别找出正频率部分和负频率部分的强度最大值，并计算出正频率部分的最大强度与负频率部分最大强度之差；再在该强度差的控制下产生同步时钟信号(也就是根据强度差值的大小来调整同步时钟信号的产生的时间)，同步时钟信号再去触发本地参考信号的产生，从而逐步减小接收信号与本地参考信号的时间差，直至时间差为零，从而完成对接收信号的同步。
利用本同步方法的同步元件的内部逻辑结构由乘法计算单元(201)、本地参考信号发生单元(202)、功率谱估计算法单元(203)、负频率域最大值寻找单元(204)、正频率域最大值寻找单元(205)、减法计算单元(206)和同步时钟信号产生单元(207)组成。各部分的连接关系为：本地参考信号发生单元(202)的输出端连接到乘法计算单元(201)的一个输入端，乘法计算单元(201)的另一个输入端是本元件的输入信号；乘法计算单元(201)的输出端与功率谱估计算法单元(203)的输入端相连，功率谱估计算法单元(203)的输出同时与正频率域最大值寻找单元(205)和负频率域最大值寻找算法单元(204)的输入端连接，正频率域最大值寻找单元(205)和负频率域最大值寻找算法单元(204)的输出端分别与减法计算单元(206)的两个输入端连接，减法计算单元(206)的输出连接到同步时钟信号产生单元(207)的输入端，同步时间信号单元(207)的输出引出两个头，其中一个头连接到本地参考信号发生单元(202)的输入端，另一个头作为本发明元件的输出端。
所述的元件的输出端的输出信号就是同步时钟信号，同步时钟信号用于使接收机中的信号采样时间和CHIRP信号发生时间与发射端之间同步。
所述的输入信号是本发明元件以外产生的并输入到该元件输入端的信号。
所述的功率谱估计器是完成对信号功率的频谱的计算，该信号功率谱估计的计算方法是成熟技术。
本发明的实质与实际效果
一方面由于用于与接收信号相乘的本地信号在扫频范围和扫频时间上扩展为发射的Chirp信号的两倍，这样经过乘法器后产生的频率分量信号就覆盖了整个工作频段，避免了频率分量信号与信道特性有关的问题，因此部分地弥补了信道衰落对接收信号的影响，这为更准确同步提供了前提条件；二是求最强的两个频率分量的强度差取代了现有方法中估计最强频率分量信号的频率作为参数来计算同步时间，这样既避免了估计最强频率分量信号的频率时由于接收机本地参考信号与接收信号存在时间差存在的错误而造成同步不准确的问题，同时又不需要背景技术部分所介绍的方法那样为了对信号的频率进行精确估计而对单个的最大信号进行大量的采样。因此本方法的实际效果是既提高了同步准确度又降低了计算复杂度。
附图说明
图1是本发明方法的具体实施方式的流程图。
图2是一个由可编程器件实现的该发明方法的元件的内部逻辑结构图。
201是乘法计算单元、202是本地参考信号发生单元、203是功率谱估计器、204是负频率域最大值寻找单元、205是正频率域最大值寻找单元、206是减法计算单元、207是同步时钟信号产生单元。
具体实施方式
本发明方法的具体实施方式如图1所示，具体步骤描述如下：
步骤1：初设一个同步时钟信号。
步骤2：在初设时钟信号或步骤7产生的同步时钟信号的控制下产生本地参考信号，该本地参考信号的中心频率与发射端产生的CHIRP信号的中心频率相同，但本地参考信号的扫频范围和扫频时间比发射端产生的CHIRP信号的扫频范围和扫频时间都要大一倍；(通过该步的处理，去掉了信道的影响)
步骤3：将步骤2产生本地参考信号，取共轭后与接收到的信号相乘；
步骤4：对步骤3的乘积进行功率谱估计；
步骤5：分别找出步骤4获得的功率谱估计中的正频率部分和负频率部分的强度最大值；
步骤6：求正频率部分的频谱的最大值与负频率部分的频谱最大值之间的差值；
步骤7：用步骤6所获得的差值控制同步时钟信号产生的时间，控制同步时钟信号产生的时间的方法是：当差值为正时，将同步时钟信号延迟产生；反之，则同步时钟信号提前产生；同步时钟信号延迟或提前的大小与差值成正比；
步骤8：由用步骤7中时钟信号触发产生本地参考信号，并输出接收机的所需要用到同步信号的其它模块；
重复步骤2至步骤8。
利用本发明方法的同步元件的一个实施例是：
用一个FPGA器件，通过对该FPGA器件编程，将其内部划分为乘法计算单元(201)、本地参考信号发生单元(202)、功率谱估计单元(203)、负频率域最大值寻找单元(204)、正频率域最大值寻找单元(205)、减法计算单元(206)和同步时钟信号产生单元(207)；其各部分的输入输出关系为：本地参考信号发生单元(202)的输出端连接到乘法计算单元(201)的一个输入端，乘法计算单元(201)的另一个输入端是本元件的输入信号；乘法计算单元(201)的输出端与功率谱估计单元(203)的输入端相连，功率谱估计算法单元(203)的输出同时与正频率域最大值寻找单元(205)和负频率域最大值寻找单元(204)的输入端连接，正频率域最大值寻找单元(205)和负频率域最大值寻找单元(204)的输出端分别与减法计算单元(206)的两个输入端连接，减法计算单元(206)的输出连接到同步时间信号产生单元(207)的输入端，同步时钟信号产生单元(207)的输出引出两个头，其中一个头连接到本地参考信号发生单元(202)的输入端，另一个头作为本发明元件的输出端。

Claims (2)

1.一种用于CHIRP扩频通信系统的同步方法，包括产生一个本地参考信号，并将接收到的CHIRP信号与本地参考信号相乘，然后根据乘积信号中的频率分量的处理来提取同步信号，其特征在于：本地参考信号是在同步信号的触发下产生一个中心频率与发射端发出的CHIRP信号的中心频率的相同，而扫频范围和扫频时间比发射端产生的CHIRP信号的扫频范围和扫频时间都要大一倍的信号，对接收到的CHIRP信号与本地参考信号的共轭信号相乘后的乘积信号的处理以及同步时钟信号的获取过程是：
步骤1：将所述的乘积信号进行功率谱估计，
步骤2：分别找出功率谱估计中正频率部分和负频率部分的最大强度，
步骤3：计算正频率部分的最大强度与负频率部分的最大强度的强度差值，
步骤4：利用步骤3得到的强度差值的大小来调整同步时钟信号的产生时间，并在该同步时钟信号产生时间上产生同步时钟信号；调整同步时钟信号产生的时间的方法是：当差值为正时，将同步时钟信号延迟产生；反之，则同步时钟信号提前产生；同步时钟信号延迟或提前的大小与差值成正比，
步骤5：同步时钟信号再去触发本地参考信号的发生，从而逐步减小接收信号与本地参考信号的时间差，直至时间差为零。
2.利用权利要求1所述的方法的一种用于CHIRP扩频通信系统的同步元件，其特征是：用一个FPGA器件，通过对器件编程，将其内部划分为乘法计算单元(201)、本地参考信号发生单元(202)、功率谱估计单元(203)、负频率域最大值寻找单元(204)、正频率域最大值寻找单元(205)、减法计算单元(206)和时间信号产生单元(207)，其各部分的输入输出关系为：本地参考信号发生单元(202)的输出端连接到乘法计算单元(201)的一个输入端，乘法计算单元(201)的另一个输入端是同步元件的输入信号；乘法计算单元(201)的输出端与功率谱估计单元(203)的输入端相连，功率谱估计单元(203)的输出同时与正频率域最大值寻找单元(205)和负频率域最大值寻找单元(204)的输入端连接，正频率域最大值寻找单元(205)和负频率域最大值寻找算法单元(204)的输出端分别与减法计算单元(206)的两个输入端连接，减法计算单元(206)的输出连接到同步时间信号产生单元(207)的输入端，同步时间信号单元(207)的输出引出两个头，其中一个头连接到本地参考信号发生单元(202)的输入端，另一个头作为同步元件的输出端。
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