CN101304401B - 一种数字通信中同步的相关峰值处理方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明披露了一种数字通信中同步的相关峰值处理方法和系统。所述的系统包括：相关单元，把接收数据和本地PN序列进行相关；相关值处理单元，依据相关值计算当前帧的预选峰值和预选峰值位置；采样时钟同步峰值处理单元，包括比较选择器，比较器和选择器；比较选择器基于前帧的采样时钟同步方案参考峰值位置估计当前帧的估计峰值和估计峰值位置；比较器将估计峰值与当前帧的预选峰值进行阈值判断；选择器基于阈值判断结果，选择估计峰值位置和当前帧的预选峰值位置之一作为当前帧的采样时钟同步参考峰值位置。该方法和系统具有良好的稳定性，更好的解决了数字通信中同步中信号帧的相关峰值处理问题。

Description

一种数字通信中同步的相关峰值处理方法及其系统

技术领域

本发明涉及一种数字通信中同步的方法及其系统，尤其是一种数字通信中同步的相关峰值处理方法及其系统。

背景技术

在数字通信系统中，同步非常重要。数据经过长时间传输之后，在接收端需要重新确定数据起始点位置；由于接收端采样时钟和载波频率与发射端的不匹配，在接收端需要对数据进行载波和采样时钟补偿。没有精确的同步不可能对接收数据进行精确的恢复。

同步估计有很多种算法。对于利用本地PN序列进行同步的系统，包括中国数字电视地面标准(GB 20600-2006)接收机同步系统在内，帧同步一般通过接收数据与本地序列相关寻找峰值完成；采样时钟同步通过峰值左右的1/2采样时刻(符号速率)的差值完成。相关峰值在该同步系统中起到非常重要的作用，其稳定性和可靠性都将决定同步结果性能的优劣。

在名称为《时域同步正交频分复用接收机的帧同步方法及其系统》的中国专利申请200410003482.2和《时域同步正交频分复用接收机的定时恢复方法及其系统》的中国专利申请200410003485.6中，其相关值的处理为：通过四倍过采样数据与本地序列相关确定最大峰值位置完成帧同步，根据此峰值位置前后1/2采样时刻差值完成采样时钟同步。但是存在几个问题：1.对于0dB_echo信道，残留载波频偏和采样时钟频偏较大情况下，最大峰值位置是不可靠的。2.在通信过程中，强径的判断依靠阈值识别，则很有可能出现强径突然湮灭的情况，这种情况下该方案并不能很好的应对。3.定时恢复的峰值不一定需要最强径的相关值，否则在信道变化太快的条件下，不利于定时算法的稳定。

电子科技大学赵文亮先生的学位论文《地面数字电视融合方案接收机的同步系统的设计与实现》中，相关值的处理方案如下：根据最大相关峰值前后1/2采样时刻差值完成采样时钟同步，在采样校正模块将采样偏差模块校正到一个采样符号之内再利用最大相关峰值位置完成帧同步。同样，该方案除了存在以上两个公开文件存在的问题，另外还会增大同步时间。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新的数字通信中同步的相关峰值处理方法及其系统，能更好的解决信号帧相关峰值的处理。

根据本发明的第一方面，提供了一种数字通信中同步的相关峰值处理方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

将接收数据与本地PN序列相关；

对相关值进行处理，得到各峰值和峰值位置并找到当前帧的预选峰值和预选峰值位置；

基于前帧的采样时钟同步参考峰值位置估计当前帧的估计峰值和估计峰值位置；

将估计峰值与当前帧的预选峰值进行阈值判断；

根据阈值判断结果，选择估计的峰值位置和当前帧预选峰值位置之一作为当前帧的采样时钟同步参考峰值位置。

优选地，当阈值判断结果为估计峰值与当前帧的预选峰值之比超过第一阈值时，则在所述选择步骤中将估计峰值位置作为当前帧的采样时钟同步参考峰值位置；当阈值判断结果为估计峰值与当前帧的预选峰值之比未超过第一阈值时，则在所述选择步骤中将当前帧的预选峰值位置作为当前帧的采样时钟同步参考峰值位置。

优选地，所述基于前帧的采样时钟同步参考峰值位置估计当前帧的估计峰值的步骤包括，将在前一帧的采样时钟同步参考峰值位置附近的峰值作为估计峰值。

优选地，还包括帧同步峰值处理步骤：

基于前一帧的帧同步参考峰值位置和当前帧的预选峰值位置的比较结果，设置确定可信度；

基于可信度，选择前一帧输出的帧同步参考峰值位置和当前帧的预选峰值位置之一作为当前帧的帧同步参考峰值位置。

根据本发明的第二方面，提供了一种数字通信中同步的相关峰值处理系统，其特征在于，所述的系统包括：

相关单元，把接收数据和本地PN序列进行相关；

相关值处理单元，依据相关值计算当前帧的预选峰值和预选峰值位置；

采样时钟同步峰值处理单元，包括比较选择器，比较器和选择器；比较选择器基于前帧的采样时钟同步方案参考峰值位置估计当前帧的估计峰值和估计峰值位置；比较器将估计峰值与当前帧的预选峰值进行阈值判断；选择器基于阈值判断结果，选择估计的峰值位置和当前帧的预选峰值位置之一作为当前帧的采样时钟同步参考峰值位置。

优选地，当比较器判断估计的峰值和当前帧的预选峰值之比超过第一阈值时，选择器将估计的峰值位置作为当前帧的采样时钟同步参考峰值位置；当比较器判断估计峰值和当前帧的预选峰值之比估计的峰值未超过第一阈值时，选择器将当前帧的预选峰值位置作为当前帧的采样时钟同步参考峰值位置。

优选地，还包括峰值位置匹配单元，所述峰值位置匹配单元进一步包括：

峰值位移预估模块，基于前帧预选峰值位置计算当前帧的峰值位移，和/或预估当前帧的预估峰值位置；

匹配模块，把峰值位移和/或预估峰值位置与当前帧的各峰值位置加以匹配；

匹配检测器模块，对匹配结果进行匹配检测，以输出锁定信号。

优选地，还包括帧同步峰值处理单元。该帧同步峰值处理单元基于前一帧的帧同步参考峰值位置和当前帧的预选峰值位置的比较结果，设置确定可信度。并且基于该可信度选择前一帧输出的帧同步参考峰值位置和当前帧的预选峰值位置之一，作为当前帧的帧同步参考峰值位置。

根据本发明，提供了一种新的数字通信中同步的相关峰值处理方法及其系统具有更好地稳定性和可靠性；同步时间性效率高。

附图说明

下面将参照附图对本发明的具体实施方案进行更详细的说明，其中：

图1是本发明的系统结构图；

图2是本发明的峰值匹配单元结构图；

图3是本发明的采样时钟同步峰值处理单元结构图；以及

图4是本发明的一种信道冲激响应函数图。

具体实施方式

在具体说明本发明的数字通信中同步的相关峰值处理方法及系统之前，首先对其中的相关参数进行说明。

设每帧帧长为N，对应的第i个信号帧相关值为

p_i，0，p_i，1，p_i，2，...p_i，N-1。

预选峰值p_i，peak及其在预选峰值位置I_i，peak定义如下：

p_i，peak＝p_i，0；

I_i，peak＝0；

for(j＝1；j＜＝N；j++)

{

    if(p_i，j＞＝A·p_i，j-1)

      {

           p_i，peak＝p_i，j；

             I_i，peak＝j；

       }

}

其中A为设定的阈值系数，其所采用的值范围为(1，3)。

I_i，max1，I_i，max2，I_i，max3，...分别为第i个信号帧最大峰值位置，第二大峰值位置，第三大峰值位置，….。

I_i，sfo是采样时钟同步方案参考峰值位置。

idx为相关值p_i，idx对应的位置。

I_i，fsyn是帧同步方案参考峰值位置。

图1示出本发明同步的相关峰值处理系统的结构图。如图1所示，该系统包括相关单元、相关值处理单元、峰值位置匹配单元、采样时钟同步峰值处理单元和帧同步峰值处理单元。

相关单元把接收数据和本地PN序列进行相关，得到信号帧相关值p_i，idx及其位置idx。

相关值处理单元对相关值进行处理，得出预选峰值p_i，peak及其位置，和I_i，max1，I_i，max2，I_i，max3，...。其中预选峰值p_i，peak是各个峰值I_i，max1，I_i，max2，I_i，max3，...中的一个。

然后，相关值处理单元输出p_i，peak，I_i，peak给采样时钟同步峰值处理单元；输出I_i，peak，I_i，max1，I_i，max2，I_i，max3，...给峰值位置匹配单元；输出I_i，peak给帧同步峰值处理单元。

峰值位置匹配单元根据前帧的预选峰值位置计算当前帧的峰值位移，和/或预估当前帧的预估峰值位置，并且将结合当前帧中各峰值位置进行匹配判断，然后根据匹配情况输出锁定信号给采样时钟同步峰值处理单元和帧同步峰值处理单元。

采样时钟同步峰值处理单元根据输入的p_i，peak，I_i，peak，p_i，idx，idx及lock信号输出峰值位置I_i，sfo，I_i，sfo是采样时钟同步方案参考峰值位置。

帧同步峰值处理单元根据输入的I_i，peak及lock信号输出峰值位置I_i，fsyn，I_i，fsyn是帧同步方案参考峰值位置。

图2示出图1的峰值位置匹配单元的结构图。如图2所示，峰值位置匹配单元包括峰值位移预估模块，若干匹配模块，匹配检测器。其中，峰值位移预估模块，基于前帧的I_i，peak值输出

匹配模块对

和I_i，peak，I_i，max1，I_i，max2，I_i，max3，...进行匹配判断；匹配检测器模块检测所有匹配模块是否有真的情况；输出锁定信号。在一个实施例中，在输出锁定信号之前添加一置信检测模块，对每一帧匹配检测器模块的输出值进行统计，当统计满足一定置信条件时才输出锁定信号，以增强系统的稳定性。

峰值位移预估模块的具体工作及实现过程如下：

A.首先结合信道冲击响应函数加以说明

图4示出本发明的一种信道冲激响应函数图。如图4所示，h(n)为信道冲激响应函数。

在理想信道下，

由于信道幅度函数只有一个峰值，其对应的相关峰值也是唯一的，基于前帧的相关峰值位置就可以准确预估当前峰值位置。用预估值与电路中的实际值比较可以判定该峰值位置是否是可信的。

在多径情况下，尤其是条件苛刻的0db_echo情况，由于信道中往往存在两条能量相近的径，这种径对应的相关峰值相近，这意味着I_i，peak对应的径并不是唯一的。

假设信道中有两条能量相近的强径h(0)，h(1)(其余径都为0)，在一段时间内，|h(0)|＞|h(1)|，I_i，peak对应的强径为h(0)，由于信道是时变的，在某个时刻|h(0)|＜|h(1)|，此时I_i，peak对应的强径为h(1)。显然基于h(0)得出的I_i，peak值不能判定该峰值位置是否是可信的。

I_i，max1，I_i，max2，I_i，max3，...信号就可以有效地解决该问题，同样对于如上情况，当|h(0)|＜|h(1)|时，h(0)和h(1)对应的峰值位置为I_i，max2，I_i，max1，基于前几帧I_i，peak的值可与I_i，max2匹配，可证明该峰值位置是可信的。

B.整体工作过程及实现

根据相关标准，基于前帧的相关峰值位置可以准确预估出当前峰值位置(这里说的前帧可以指前几帧中的满足相应的对应关系的某些帧)。基于前帧的预选峰值位置I_i，peak，可以得到对应的前帧的预选峰值位移；由该峰值位移量，可以得到当前帧的峰值位移量；当前帧的峰值位移量结合前帧的预选峰值，得到当前帧的预估峰值位置；并由这个预估值和实际值进行匹配判断。

在另外一个实施例中，匹配判断不直接计算预估峰值位置，而以当前帧峰值位移量为核心，辅以前帧的预选峰值位置和当前帧的各峰值位置进行匹配判断。在其他实施例中，位移量也可在系统满足置信条件后进行锁定，由系统自动生成。

以连续的前两帧为例，根据前一帧的峰值位置位移S_i-1＝I_i-1，peak-I_i-2，peak可以得出本帧对应的峰值位移S_i，同时保存上一帧预选峰值位置I_i-1，peak，再根据

的值可以得到峰值位移预估模块输出的

理想条件下，有如下关系式：

${\tilde{I}}_{i,\mathrm{peak}}=I_{i,\mathrm{peak}}.$

在实际信道中，总有一个I(I的值取I_i，peak，I_i，max1，I_i，max2，I_i，max3，...)能满足如下关系式：

$I={\tilde{I}}_{i,\mathrm{peak}}.$

在理想信道下，以中国数字电视地面标准(GB 20600-2006)正结构为例，当前帧峰值位移S_i和上一帧峰值位移S_i-1关系如下表所示：

C.以连续的前两帧为例具体说明其几种实施例实现的函数关系

以连续的前两帧为例，进一步说明在不同的实施例中峰值位移预估模块输入与输出关系及中间处理的实现包括如下情况：

1.输入是当前帧预选峰值位置I_i，peak，输出是当前帧峰值位移S_i和上一帧预选峰值位置I_i-1，peak。

根据保存下来的前两帧的预选峰值位置I_i-1，peak和I_i-2，peak可知：

S_i-1＝I_i-1，peak-I_i-2，peak；

对于固定的帧结构而言，根据前一帧峰值位移S_i-1可以得到本帧峰值位移S_i。

2.输入是当前帧预选峰值位置I_i，peak，输出是预估的当前帧的预估峰值位置

根据保存下来的前两帧的预选峰值位置I_i-1，peak和I_i-2，peak可知：

S_i-1＝I_i-1，peak-I_i-2，peak。

对于固定的帧结构而言，根据前一帧峰值位移S_i-1可以得到本帧峰值位移S_i。

由

可以预估出当前帧的峰值位置

3.输入是当前帧预选峰值位置I_i，peak，输出是自动生成的当前帧的预估峰值位置

lock＝0时，峰值位移预估模块输出实现可根据1或2得出。

lock＝1时，此时S_i的值可直接由S_i-1产生。对1和2方法的Si进行替代。

以上三种实现方式的输出量基于如下几个关系：

1)S_i与S_i-1关系，主要是由信号帧结构决定的。

2)S_i＝I_i，peak-I_i-1，peak

$3){\tilde{I}}_{i,\mathrm{peak}}=S_i+I_{i-1,\mathrm{peak}}$

匹配检测器模块检测所有匹配模块是否有真的情况。

置信检测模块对每一帧匹配检测器模块的输出值进行统计，当匹配检测器模块检测到匹配模块有匹配时，置信检测模块内置信计数器则加1，否则减1，当置信计数器大于阈值时给出锁定信号。即lock＝1。

图3示出图1的采样时钟同步峰值处理单元结构图。

采样时钟同步峰值处理单元根据输入的p_i，peak，I_i，peak，p_i，idx，idx及lock信号输出峰值位置I_i，sfo，I_i，sfo是采样时钟同步方案参考峰值位置；

在恒定信道下，当输入的lock＝1时，I_i，sfo＝I_i，peak。

采样时钟同步算法理论基础是强径超前和滞后相关输出分布应该近似。I_i，peak的选择是通过阈值法，随着信道不断变化，I_i，peak对应的相关值衰减到很小时就会导致采样时钟同步算法失效。另外I_i，peak的频繁变化会导致系统的不稳定。

基于分析，采样时钟同步的峰值并不需要代表最强径，如果其强度在一定容忍范围之内，该峰值位置依旧可以作为采样时钟同步的峰值参考位置。当强度超出容忍范围，用替代峰值位置替代当前峰值位置。

如图3所示，采样时钟同步峰值处理单元包括比较选择器1、选择器2、峰值位置输出模块3和比较器4。

比较选择器1根据I_i-1，sfo和idx以及p_i，idx，加以比较选择，输出I′_i，peak给选择器2并输出p′_i，peak给比较器4。

比较器4依据p′_i，peak和p_i，peak，进行阈值的判断，并把判断的结果送给选择器2。具体地说，比较器4判断相关值p′_i，peak对应的位置I′_i，peak是否可信，即p′_i，peak/p_i，peak值是否大于阈值来完成。当p′_i，peak/p_i，peak大于阈值说明I′_i，peak值可信，选择器2输出I′_i，peak，反之则输出I_i，peak。

选择器2依据选择器1输出的I′_i，peak和比较器4阈值判断的结果以及I_i，peak进行选择。如果阈值判断可信，输出I′_i，peak；否则，输出I_i，peak。

峰值位置输出模块3再根据选择器2的输出和lock信号，输出I_i，sfo。在一个例子中，峰值位置输出模块3为一个寄存器，只不过该寄存器每帧周期只更新一次，该寄存器输出值为I_i，sfo。

接下来，对帧同步峰值处理单元进行描述。

帧同步峰值处理单元根据输入的I_i，peak及lock信号输出峰值位置I_i，fsyn，I_i，fsyn是帧同步方案参考峰值位置。

帧同步峰值处理单元主要是输出稳定的峰值位置I_i，fsyn，以免I_i，fsyn频繁的变化造成系统的不稳定。

当lock＝＝1时，如果I_i-1，fsyn＝＝I_i，peak，则置信计数器加1，否则减1，当置信计数器大于一定值时，I_i，fsyn＝I_i-1，fsyn，否则I_i，fsyn＝I_i，peak。

PN595模式下实施例

以PN595模式下中国数字电视地面标准(GB 20600-2006)接收机系统为例，接收数据采用PN595，加以说明该方法及系统。

1.设定本地序列，将接收数据与本地序列相关，输入到相关处理单元；

2.相关处理单元对当前帧相关值进行处理，

输出p_i，peak，I_i，peak给采样时钟同步峰值处理单元；

输出I_i，peak给帧同步峰值处理单元；

输出I_i，peak，I_i，max1，I_i，max2给峰值匹配单元；

3.检验(I_i，peak＝＝I_i，max1)||(I_i，peak＝＝I_i，max2)，如果值为1则置信计数器加1，否则减1，当置信计数器大于3时，lock＝＝1；

4.在当前帧中寻找满足|idx-I_i-1，sfo|≤1的idx对应的最大相关值p′_i，peak，判断p′_i，peak/p_i，peak是否大于1/2，如果是采样时钟同步参考峰值I_i，sfo＝I′_i，peak，否则输出I_i，sfo＝I_i，peak；当lock＝＝1时，输出I_i，sfo。

5.如果I_i-1，fsyn＝＝I_i，peak，则置信计数器加1，否则减1，当置信计数器大于3时，I_i，fsyn＝I_i-1，fsyn，否则I_i，fsyn＝I_i，peak。当lock＝＝1时，输出I_i，fsyn。

以上对本发明的具体描述旨在说明具体实施方案的实现方式，不能理解为是对本发明的限制。本领域普通技术人员在本发明的教导下，可以在详述的实施方案的基础上做出各种变体，这些变体均应包含在本发明的构思之内。本发明所要求保护的范围仅由所述的权利要求书进行限制。

Claims (13)

1.一种数字通信中同步的相关峰值处理方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

将接收数据与本地PN序列相关；

对相关值进行处理，得到各峰值和峰值位置并计算当前帧的预选峰值和预选峰值位置；

基于前帧的采样时钟同步参考峰值位置估计当前帧的估计峰值和估计峰值位置；

将估计峰值与当前帧的预选峰值进行阈值判断；

根据阈值判断结果，选择估计的峰值位置和当前帧的预选峰值位置之一作为当前帧的采样时钟同步参考峰值位置。

2.根据权利要求1所述的相关峰值处理方法，其特征在于，当阈值判断结果为估计峰值与当前帧的预选峰值之比超过第一阈值时，则在所述选择步骤中将估计峰值位置作为当前帧的采样时钟同步参考峰值位置；当阈值判断结果为估计峰值与当前帧的预选峰值之比未超过第一阈值时，则在所述选择步骤中将当前帧的预选峰值位置作为当前帧的采样时钟同步参考峰值位置。

3.根据权利要求1所述的相关峰值处理方法，其特征在于，所述基于前帧的采样时钟同步参考峰值位置估计当前帧的估计峰值的步骤包括，将在前一帧的采样时钟同步参考峰值位置附近的峰值作为估计峰值。

4.根据权利要求1所述的相关峰值处理方法，其特征在于，所述当前帧的预选峰值及预选峰值位置的选择采用下列方式计算：

比较同一帧的各峰值相关值与前一相关值峰值之比是否超过第二阈值，若超过，则把该相关值峰值暂时赋值为预选峰值；

如没有超过，继续下一峰值的比较；

对该帧的所有峰值都进行比较，直到最终确定预选峰值及预选峰值位置。

5.根据权利要求1至4任一项所述的相关峰值处理方法，其特征在于，所述当前帧的采样时钟同步参考峰值位置的选择还可结合一个锁定信号，其产生包括以下步骤：

依据预选峰值位置的可信性，设置置信检测；

当置信检测满足置信条件时，输出锁定信号。

6.根据权利要求5所述的相关峰值处理方法，其特征在于，所述预选峰值位置的可信性的判断通过峰值位置的匹配进行，其中包括以下步骤：

基于前帧的预选峰值位置计算当前帧的峰值位移，和/或预估当前帧的预估峰值位置；

把峰值位移和/或预估峰值位置与当前帧的各峰值位置加以匹配；

对匹配的结果进行匹配检测，以产生锁定信号。

7.根据权利要求1所述的相关峰值处理方法，其特征在于还包括帧同步峰值处理步骤：

基于前一帧的帧同步参考峰值位置和当前帧的预选峰值位置的比较结果，设置确定可信度；

基于可信度，选择前一帧输出的帧同步参考峰值位置和当前帧的预选峰值位置之一作为当前帧的帧同步参考峰值位置。

8.根据权利要求7所述的相关峰值处理方法，其特征在于包括可信度超过可信度阈值时前一帧输出的帧同步参考峰值位置作为当前帧的帧同步参考峰值位置；否则选择输出当前帧的预选峰值位置为当前帧的帧同步参考峰值位置。

9.一种数字通信中同步的相关峰值处理系统，其特征在于，所述的系统包括：

相关单元，把接收数据和本地PN序列进行相关；

相关值处理单元，依据相关值计算当前帧的预选峰值和预选峰值位置；

采样时钟同步峰值处理单元，包括比较选择器，比较器和选择器；比较选择器基于前帧的采样时钟同步方案参考峰值位置估计当前帧的估计峰值和估计峰值位置；比较器将估计的峰值与当前帧的预选峰值进行阈值判断；选择器基于阈值判断结果，选择估计的峰值位置和当前帧的预选峰值位置之一作为当前帧的采样时钟同步参考峰值位置。

10.根据权利要求9所述的相关峰值处理系统，其特征在于，当比较器判断估计的峰值和当前帧的预选峰值之比超过第一阈值时，选择器将估计的峰值位置作为当前帧的采样时钟同步参考峰值位置；当比较器判断估计峰值和当前帧的预选峰值之比估计的峰值未超过第一阈值时，选择器将当前帧的预选峰值位置作为当前帧的采样时钟同步参考峰值位置。

11.根据权利要求9所述的相关峰值处理系统，其特征在于包括峰值位置匹配单元，所述峰值位置匹配单元进一步包括：

峰值位移预估模块，基于前帧的预选峰值位置计算当前帧的峰值位移，和/或预估当前帧的预估峰值位置；

匹配模块，把峰值位移和/或预估峰值位置与当前帧的各峰值位置加以匹配；

匹配检测器模块，对匹配结果进行匹配检测，以输出锁定信号。

12.根据权利要求11所述的相关峰值处理系统，其特征在于峰值位置匹配单元还包括置信检测模块；

该置信检测模块依据匹配检测到的匹配结果，设置置信检测；且当该置信检测满足置信条件时，输出锁定信号。

13.根据权利要求9所述的相关峰值处理系统，其特征在于还包括帧同步峰值处理单元；

该帧同步峰值处理单元基于前一帧的帧同步参考峰值位置和当前帧的预选峰值位置的比较结果，设置确定可信度；并且基于该可信度选择前一帧输出的帧同步参考峰值位置和当前帧的预选峰值位置之一，作为当前帧的帧同步参考峰值位置。

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