CN101437003B - 低复杂度帧头模式识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低复杂度的帧头模式识别方法。针对中国数字地面电视标准中多种PN模式可选的特点，接收机通过帧头模式识别判断当前的发送模式。具体实现步骤为：(1)输入基带复数数据符号位存入511长的寄存器单元；(2)选择其中的PN420和PN945两种模式，计算间隔长度分别为255和511的前后缀相关，相关长度选择为165；(3)比较一帧内得到的两个相关结果的绝对值峰值，如果其中一个相关峰值为另一峰值的三倍以上，则判断为较大峰值对应的帧头模式，否则判断为PN595；(4)连续三帧如果判定为同一结果则可以终止运行。本发明具有复杂度低，易于硬件实现的优点，用于国标接收机中的发送模式识别。

Description

低复杂度帧头模式识别方法

技术领域

本发明属于数字信息传输技术领域，涉及一种多PN帧头模式的无线通信接收机中的模式识别方法，可用于中国数字地面电视接收机中的发送模式识别。

背景技术

无线通信系统中，为了便于接收机实现同步、信道估计及均衡等，多采用帧结构的方式辅助实现，而为了适合不同的应用，往往是多种帧结构共存于同一标准。例如，中国数字地面电视标准GB 20600-2006中规定了单载波和多载波两种体制兼容，其中多载波系统采用时域同步正交频分复用TDS-OFDM核心技术。国标的主要特点是同步头采用了伪随机序列填充，在每个OFDM保护间隔周期性地插入时域正交编码的帧同步序列，为适应不同应用，国标中定义了三种可选帧头长度，帧头模式PN420为420个符号，帧头模式PN595为595个符号，帧头模式PN945为945个符号。由于接收机的频率同步、采样钟同步、信道估计与均衡等模块实现算法多基于帧头PN序列特性，因此，接收机首先就要对三种帧头模式进行区分，即帧头模式识别，确定当前接收信息的帧头模式。

对于通常的中频采样数字接收机实现，首先对接收的中频信号以固定的频率f_s进行采样，之后经基带下变换单元转换为基带复数数据，实部为I、虚部为Q，接收机的频率同步、采样钟同步等单元基于该复数数据进行相应的处理，帧头模式识别单元在同步单元工作前完成模式判定，如图3所示。

帧头模式识别必须基于标准中定义的帧结构，设r(k)表示接收单倍符号率数据，L_pre，L_pos分别表示PN420模式和PN945模式的PN头前后缀长度，L_pn为帧头模式PN420、PN595、PN945含有的PN序列的长度，L_frm表示采样后的帧体长度，为一固定值3780。国标中规定了三种不同的帧结构，如图4所示，其中，PN420模式的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，由一个前同步、一个PN255序列和一个后同步构成，如图4(a)所示。前同步和后同步定义为PN255序列的循环扩展，即L_pre＝82，L_pos＝83，且L_pn＝255。PN595模式采用10阶最大长度的伪随机二进制序列，即m序列的截短生成，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，如图4(b)所示。该最大长度的伪随机二进制序列由10比特的移位寄存器组产生。PN945模式定义方法同PN420模式，长度为945个符号的帧头信号定义为循环扩展的9阶m序列，但L_pre＝217，L_pos＝217，且L_pn＝511，如图4(c)所示。

不同于基于信号统计特性的模式识别，国标中不同模式仅帧头处特性不同，因此最直接的帧模式识别方法就是利用帧头的前后相关特性或者相邻两帧帧头的相关性。通过分别对三种模式进行前后相关，判定为相关最大值对应的模式。具体实现步骤为：

1).对于接收的数据单倍符号率信号r(k)，首先按照式(1)进行相关运算，对PN420和PN945模式而言，该相关运算为前后缀相关计算，相关长度L_corr＝L_pre+L_pos，相关间隔L_d＝L_pn；对PN595模式而言，该相关运算为前后帧头相关计算，相关长度L_corr＝L_pn，相关间隔L_d＝L_pn+L_frm；

$\mathrm{\Λ}\left(k\right)=\left|R\left(k\right)\right|=|\underset{n=0}{\overset{L_{\mathrm{corr}}-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left(r(k+n)\right)}^{*}\·r(k+n+L_d)|---\left(1\right)$

2).设三种模式的相关绝对值Λ₁、Λ₂、Λ₃分别在k₁、k₂、k₃时取得最大值。通过对Λ₁(k₁)、Λ₂(k₂)、Λ₃(k₃)进行比较判断当前的帧头模式。

但是，上述基于直接相关的方法所需要的硬件资源较大，对接收机系统而言会造成不必要的复杂度增加。硬件实现时，需要在寄存器中存储输入数据，然后对寄存器中的输入数据进行前后缀相关或者前后PN的相关。为了处理连续输入数据，每个符号率时钟需要计算一个相关值，很明显，这种方法实现复杂度过高，仅自相关部分，就需要L_corr个复数乘法器，L_corr个取共轭运算以及L_corr-1个加法，而且移位寄存器需要L_d+2L_corr-1个。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，针对GB 20600-2006国标中的三种不同的帧结构，基于中频下变换后的基带复数数据，提出一种低复杂度帧头模式识别方法，以减少系统的实现硬件资源。

为实现上述目的，本发明的模式识别方法包括如下步骤：

(1).输入数据r(k)在单倍符号率使能信号的控制下存入511长的移位寄存器，k表示时刻；

(2).将移位寄存器的第255个单元输出以及第511单元输出分别取共轭后与输入数据相乘得到第一乘积数c₁和第二乘积数c₃；

(3).通过构建的累加相关公式R(k+1)＝R(k)+c(k+L_corr)-c(k)，计算第一乘积数c₁和第二乘积数c₃分别作为输入c(k)时，其累加长度均为L_corr时的第一相关值R₁(k)和第二相关值R₃(k)；

(4).分别计算第一相关值R₁(k)和第二相关值R₃(k)的绝对值后取连续N个数的最大值，得到第一相关峰值|R₁(k₁)|和第二相关峰值|R₃(k₃)|，N为选择的帧长；

(5).比较第一相关峰值|R₁(k₁)|和第二相关峰值|R₃(k₃)|的大小，如果|R₁(k)|≥Th×|R₃(k)|时，判断为帧头模式PN420，如果|R₃(k)|≥Th×|R₁(k)|时，判断为帧头模式PN945，Th取大于2的整数，如果所述这两种情况都不满足，则判断为PN595模式；

(6)重复步骤(4)～(5)，如果连续L帧的判定结果相同，则可以终止运行，L为一个整数。

所述的相关累加长度L_corr选择为PN420模式和PN945模式中较小的165相关长度。

所述的输入数据，其位宽选择为它的符号位。

本发明由于省略PN595模式的相关，通过只对输入数据进行PN420模式、PN945模式的前后缀相关比较得到估计的帧头模式，从而克服了PN595模式的相关运算至少需要存储4375个数据，消耗资源过大的缺点；同时由于采用累加相关公式计算相关值，且将PN420模式和PN945模式的相关累加长度统一采用为165，使硬件实现的复杂度大幅降低；此外由于仅利用输入数据的符号位，进一步降低了硬件实现复杂度。

附图说明

图1是本发明的实现框图；

图2.是本发明的一种固定参数的NCO实现框图。

图3.是本发明的帧头模式识别单元在接收机中的位置说明；

图4.是本发明采用的国标中不同帧头模式的帧结构；其中图4(a)为帧头模式PN420；图4(b)为帧头模式PN595；图4(c)为帧头模式PN945；

具体实施方式

参照图1，本发明的实现过程如下：

(1).在数控振荡器NCO产生的符号使能信号的作用下，将输入单倍符号率复数数据r(k)存入L_d＝511长的移位寄存器，其中，利用固定系数W输入的数控振荡器产生单倍符号率使能信号，保证该信号有效时数据参与相关运算，该固定值表示为：

W＝f_s/f_sym-1

其中，f_s表示接收信号采样率，f_sym表示符号率，如国标系统中，典型的f_s＝30.4MHz，f_sym＝7.56MHz，于是W近似等于3.02116。

图2是一种固定参数的NCO实现单倍符号率数据抽取方法。选择器在单倍符号使能信号e的控制下选择W或者-1。当使能信号e为真时，选择W作为输出，否则，输出-1。选择器的输出经寄存累加后得到累加值u，累加值u取整数部分输出，通过判断该整数是否为零给出单倍符号使能信号e，若为零，设置使能信号e为1，否则为0。该使能信号e进一步控制帧头模式识别单元中的数据存储，保证参与相关运算的数据为单倍符号数据。

由于帧头模式估计对计算精度要求不高，同时频偏对相关的影响较小，实际实现过程中数据位宽可以非常小，实际电路测试表明即使仅采用符号位也可以取得满意的帧头模式估计结果。

(2).将移位寄存器的第255个单元输出以及第511单元输出取共轭后分别通过乘法器M1、M3与输入数据r(k)相乘得到第一乘积数c₁和第二乘积数c₃；

(3).为了简化计算以及便于比较门限的确定，PN945模式的相关长度采用同PN420模式的165长，而不是原来的434长。由于k+1时刻的相关值R(k+1)和前一时刻的相关值R(k)满足：

$R(k+1)=\underset{n=1}{\overset{L_{\mathrm{corr}}}{\mathrm{\Σ}}}c(k+n)$

$=\underset{n=0}{\overset{L_{\mathrm{corr}}-1}{\mathrm{\Σ}}}c(k+n)+c(k+L_{\mathrm{corr}})-c\left(k\right),---\left(2\right)$

$=R\left(k\right)+c(k+L_{\mathrm{corr}})-c\left(k\right)$

其中c(k+n)＝(r(k+n))^*·r(k+n+L_d)。

利用式(2)表示的累加相关结构实现相关计算，得到第一相关值R₁(k)和第二相关值R₃(k)。累加相关结构由L_corr＝165长的移位寄存器、累加器D、加法器G11、加法器G12组成。这样，接收数据送入L_d＝511长的移位寄存器，同时处理PN420模式和PN945模式时，需要相同的两个累加相关结构，整个的估计单元所需要的硬件资源仅为：L_d+2L_corr+2个寄存器单元，2个复数乘法器，2个取共轭，4个加法器。

(4).分别计算第一相关值R₁(k)和第二相关值R₃(k)的绝对值后取连续N个数的最大值得到第一相关峰值|R₁(k₁)|和第二相关峰值|R₃(k₃)|，N为选择的帧长，k₁和k₃分别表示相关绝对值|R₁(k)|与|R₃(k)|对应的峰值时刻；

(5).比较第(2)步骤得到的两个相关结果峰值|R₁(k₁)|和|R₃(k₃)|，如果|R₁(k₁)|≥Th×|R₃(k₃)|，Th为门限值，或者|R₃(k₃)|≥Th×|R₁(k₁)|，则判定为帧头模式PN420或者帧头模式PN945，Th的典型值为3。否则，如果相关结果比较接近，估计为帧头模式PN595。

(6)重复步骤(4)～(5)，如果连续L帧的判定结果相同，则可以终止运行，L为一个整数，L的典型值为3。

上述步骤描述了本发明的优选实例，显然本领域技术人员通过参考本发明的优选实例和附图可以对本发明做出各种修改和替换，这些修改和替换都应落入本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种低复杂度帧头模式识别方法，包括如下步骤：

(1)输入数据r(k)在单倍符号率使能信号的控制下存入511长的移位寄存器，k表示时刻；

(2)将移位寄存器的第255个单元输出以及第511单元输出分别取共轭后与输入数据相乘得到第一乘积数c₁和第二乘积数c₃；

(3)通过构建的累加相关公式R(k+1)＝R(k)+c(k+L_corr)-c(k)，计算第一乘积数c₁和第二乘积数c₃分别作为输入c(k)时，其累加长度均为L_corr时的第一相关值R₁(k)和第二相关值R₃(k)，累加相关公式的构建通过长度为L_corr的移位寄存器、累加器D和加法器G实现，式中R(k)表示当前时刻的相关值，R(k+1)表示下一个时刻的相关值，c(k)表示移位寄存器的输入，c(k+L_corr)表示移位寄存器的输出，L_corr选择为PN420模式和PN945模式中较小的165相关长度；

(4)分别计算第一相关值R₁(k)和第二相关值R₃(k)的绝对值后取连续N个数的最大值，得到第一相关峰值|R₁(k₁)|和第二相关峰值|R₃(k₃)|，N为选择的帧长，k₁和k₃分别表示相关绝对值|R₁(k)|与|R₃(k)|对应的峰值时刻；

(5)比较第一相关峰值|R₁(k₁)|和第二相关峰值|R₃(k₃)|的大小，如果|R₁(k₁)|≥Th×|R₃(k₃)|时，判断为帧头模式PN420，如果|R₃(k₃)|≥Th×|R₁(k₁)|时，判断为帧头模式PN945，Th取大于2的整数，如果所述这两种情况都不满足，则判断为PN595模式；

(6)重复步骤(4)～(5)，如果连续L帧的判定结果相同，则终止运行，L为一个整数。

2.根据权利要求1所述的帧头模式识别方法，单倍符号率使能信号通过固定常数W输入下的数控振荡器产生，W表示为：

W＝f_s/f_sym-1

其中，f_s表示接收信号采样率，f_sym表示符号率。

3.根据权利要求1所述的帧头模式识别方法，其中输入数据的位宽选择为其符号位。

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