CN101494635A - 一种短程无线网络中的时频同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种短程无线网络中两次相关的时频同步方法，属于无线通信技术领域。首先利用训练序列的周期重复特性和良好的相关特性，将接收数字信号进行间前后相关，得到一组新的接收相关值序列；对本地扩频调制序列进行相同的前后相关操作，得到一组新的本地相关值序列；将接收相关值序列与本地相关值序列进行滑动相关，得到一组滑动相关值序列；根据所有相关值的最大值来确定频偏的估计值以及时间的同步位置，从而实现时频联合同步。本发明时频同步方法，降低了时间和频率同步估计时的计算量，提高了频率偏移影响下时间同步和频率偏移估计的性能，使接收机具有更低的功耗以及在更大频率偏移情况下的接收性能。

Description

一种短程无线网络中的时频同步方法

技术领域

本发明涉及一种短程无线网络中的时频同步方法，，尤其涉及短程无线网络中的时间同步和频率同步方法，属于无线通信的技术领域。

背景技术

现代的无线网络通信采用包传输机制，收发信机之间通过传送数据包的形式进行通信。在每一次数据传输开始之前收发信机之间都要进行时间和频率同步，以保证接收机能准确地恢复发送信息。

在基于扩频的系统里，时间同步应找到扩频序列的边界，以及序列中每个元素对应脉冲的最佳采样时刻。而频率同步是使接收端和发射端的载波频率保持一致，以消除频率偏移对数据解调的影响。因此，时频同步是现代无线网络通信系统中非常关键的两个问题。

扩频系统中，扩频序列一般都具有良好的自相关特性，通过使用已知的扩频序列作为接收机本地的参考信号，常规的时间同步可以靠接收信号和接收机本地的参考信号之间做滑动相关来完成。当接收信号中的扩频序列和本地参考信号中的扩频序列对齐时，相关值会表现出一个峰值，而在其它情况下，相关值接近于零。但是，当接收信号中存在频率偏移时，接收信号和接收机本地参考信号的滑动相关值会受到很大影响，特别是在大频偏条件下，即使接收信号中的扩频序列和参考信号中的扩频序列对齐时，相关值也不再是最大相关值。接收信号中出现这么大的频偏主要是因为短程无线网络的发射机和接收机上都使用低造价的晶体振荡器，这种振荡器的偏差可以达到±40ppm以上，对于工作在900MHz频段的系统来讲，这么大的偏差可以造成72KHz的频率偏移，如果一个扩频序列的周期是16μs，则意味着在这一个周期里频偏造成的相位偏差达到了±2.304π。

为了能够使用滑动相关的方法完成时间同步，需要先估计出频偏的大小并根据估计值对接收信号予以校正。前后差分是频偏估计中常用的一种方法，它利用接收信号中前同步头处扩频序列的周期性，相隔一个扩频序列周期对前后两个采样点进行差分，即后一个点乘以前一个点的共轭，以去掉接收信号中扩频序列本身的相位，只留下频偏造成的相位差，从而估计出频偏的值。但是，因为相位估计的区间是-π～π，所以这种方法只能估计出-1/2T_s～1/2T_s之间的频偏，这里T_s是扩频序列的周期。对于超出这一范围的频偏，传统的全球定位系统使用时频二维搜索的方法，在时域和频域分别进行滑动相关，根据所有相关值中的峰值估计时间和频率的同步点，这种方法实现时频同步相对较为准确，但是计算量太大。

发明内容

本发明的目的是提出一种短程无线网络中两次相关的时频同步方法，利用训练序列的周期重复特性和良好的相关特性，首先将接收数字信号进行间前后相关，得到一组新的接收相关值序列；对本地扩频调制序列进行相同的前后相关操作，亦可得到一组新的本地相关值序列；将接收相关值序列与本地相关值序列进行滑动相关，得到一组滑动相关值序列，寻找最大相关值的时刻作为时间同步位置，该最大相关值的相位进一步用来估计频率偏移，提高对大频率偏移影响下时频同步性能。

本发明提出的短程无线网络中的时频同步方法，包括以下各步骤：

(1)接收短程无线网络中发送端发出的射频信号，进行下变频得到基带接收信号，对该基带接收信号进行2倍采样得到采样接收信号，采样间隔时间记为T_C；

(2)短程无线网络中的接收端从上述接收信号中的任意采样点开始，读取三个码元周期长度的接收信号，该接收信号序列记为r＝[r₁，r₂，...，r_N，r_N+1，r_N+2，…，r_2N，r_2N+1r_2N+2，…，r_3N]，其中N表示一个码元周期长度内的采样信号个数；

(3)对上述接收信号中的前2N个采样信号依次进行共轭操作，得到共轭采样信号序列 $r^{\′}=[r_1^{*},r_2^{*},...,r_N^{*},r_{N+1}^{*},...,r_{2N}^{*}],$ 使共轭采样信号序列中的每个信号与该信号M个采样间隔后的采样信号相乘，得到一个前后相关后的接收相关值序列，记为C＝[c₁，c₂，...，c_N，c_N+1，c_N+2，...，c_2N]，其中 $c_i=r_i^{*}\·r_{i+M},$ (·)^*表示共轭操作，M表示前后相关间隔的采样信号个数，且M≤N；

(4)短程无线网络中的接收端对本地扩频调制复序列的第一个本地序列进行周期重复，得到两个码元周期长度的本地复序列，记为s＝[s₁，s₂，...，s_N，s_N+1，s_N+2，...，s_2N]，其中本地序列的长度为上述一个码元周期的长度N；

(5)对上述本地复序列中的前N个本地信号依次进行共轭操作，得到共轭本地信号序列 $s^{\′}=[s_1^{*},s_2^{*},...,s_N^{*}],$ 使共轭本地信号序列中的每个信号与该信号M个信号间隔后的本地信号相乘，得到一个前后相关后的本地相关值序列，记为L＝[l₁，l₂，...，l_N]，其中 $l_i=s_i^{*}\·s_{i+M},$ M表示前后相关间隔的信号个数，与上述前后相关间隔的采样信号个数M相等；

(6)从上述前后相关后的接收相关值序列C中，依次选取连续N个接收相关值，得到N个接收相关值短序列C_k＝[c_k，c_k+1，...，c_k+N-1]，其中k＝1，2，...，N；

(7)分别对上述N个接收相关值短序列C_k进行共轭后，与上述前后相关后的本地相关值序列L进行相关，得到第二次相关值序列R＝{R₁，R₂，...，R_N}，其中 $R_k=C_k^{*}L=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{k+i}^{*}\·l_i,$ (·)^*表示共轭操作；

(8)分别对上述N个接收相关值短序列C_k中的所有相关值的幅度的平方值相加，得到每个接收相关值短序列的序列能量平均值，记为 $P_k=\frac{{\left|\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{k+i}\right|}^2}{N};$

(9)从上述第二次相关值序列R中找到幅度最大值 $R_{\hat{k}}=\underset{k}{\arg \max }\left\{\right|R\left|\right\},$ 以及与该最大值相对应的序列C中的能量平均值

其中

为最大值

在序列R中的位置；

(10)计算上述第二次相关值序列R中的幅度最大值

与上述能量平均值

的比值，若该比值大于设定域值Y，则将与上述最大值

在序列R中的位置

作为时间同步的估计值，并根据上述最大值得到载波频率偏移的估计值

作为频率同步的估计值；若小于设定域值Y，则不接收该信号，其中0.5≤Y≤0.7。

上述时频同步方法中，根据最大值得到载波频率偏移的估计值

作为频率同步的估计值的方法，包括以下步骤：

(1)对第二次相关值序列R中的幅度最大值

进行幅度归一化操作，得到的值记为 $R^{\′}=R_{\hat{k}}/\left|R_{\hat{k}}\right|;$

(2)分别取R′的实部R′和虚部R′，并将虚部除以实部得到相位，记为相位＝虚部R′/实部R′；

(3)对上述相位值进行反正切运算，得到该值对应的相位估计值，记为

(4)利用上述相位估计值计算与该相位对应的频率值，得到频率估计值，记为 $\mathrm{\Δ}\hat{f}=\widehat{\mathrm{\θ}}/2\mathrm{\πM}{T}_C.$

本发明提出的短程无线网络中两次相关的时频同步方法，具有以下优点：

(1)本发明方法使用前后相关的差分算法，降低了载波频率偏移对算法性能的影响，有效提高时间同步的准确度；

(2)本发明方法的时间同步是通过接收序列与本地序列进行相关实现的，因此不存在噪声放大的问题，提高了同步的准确性；

(3)本发明方法的频偏估计是通过解扩过程实现的，最大程度地合并了接收信号的能量，有效地提高了信噪比，提高了频偏估计的准确性；

(4)本发明方法的频偏估计是通过获取时间同步时刻接收信号前后相关序列与本地前后相关序列进行相关累加后相关值的相位得到的，在利用相关值进行相位估计时，受到较大载波频率偏移的影响较小，可以提高系统在大频率偏移的恶劣环境下的估计性能。

附图说明

图1是本发明提出的时频同步方法的流程框图。

图2是本发明方法中两次相关后的相关值图。

具体实施方式

本发明提出的短程无线网络中两次相关的时频同步方法，其流程框图如图1所示，首先接收短程无线网络中发送端发出的射频信号，进行下变频得到基带接收信号，对该基带接收信号以T_C为时间间隔进行采样，得到基带2倍采样接收信号；然后从上述接收信号的任意采样点开始，读取三个码片周期长度的接收信号，该接收信号序列记为r＝[r₁，r₂，...，r_N，r_N+1，r_N+2，...，r_2N，，r_2N+1r_2N+2，...，r_3N]，其中N表示一个码元周期时间的采样信号个数；将上述接收信号中的前2N个采样信号依次进行共轭操作，得到共轭采样信号序列 $r^{\′}=[r_1^{*},r_2^{*},...,r_N^{*},r_{N+1}^{*},...,r_{2N}^{*}],$ 使共轭采样信号序列中的每个信号与该信号M个采样间隔后的采样信号相乘，得到一个前后相关后的接收相关值序列，记为C＝[c₁，c₂，...，c_N，c_N+1，c_N+2，...，c_2N]，其中 $c_i=r_i^{*}\·r_{i+M},$ (·)^*表示共轭操作，M表示前后相关间隔的采样信号个数，且M≤N；对短程无线网络中的接收端对本地扩频调制复序列的第一个本地序列进行周期重复，得到两个码元周期长度的本地复序列，记为s＝[s₁，s₂，...，s_N，s_N+1，s_N+2，...，s_2N]；同样对上述本地复序列中的前N个本地信号依次进行共轭操作，得到共轭本地信号序列 $s^{\′}=[s_1^{*},s_2^{*},...,s_N^{*}],$ 使共轭本地信号序列中的每个信号与该信号M个信号间隔后的本地信号相乘，得到一个前后相关后的本地相关值序列，记为L＝[l₁，l₂，...，l_N]，其中 $l_i=s_i^{*}\·s_{i+M};$ 从上述前后相关后的接收相关值序列C中，依次选取连续N个接收相关值，得到N个接收相关值短序列C_k＝[c_k，c_k+1，...，c_k+N-1]，其中k＝1，2，...，N；对上述N个接收相关值短序列分别将接收相关值进行共轭后，与前后相关后的本地相关值序列进行相关，得到第二次相关值序列R＝{R₁，R₂，...，R_N}，其中 $R_k=C_k^{*}L=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{k+i}^{*}\·l_i,$ (·)^*表示共轭操作；对上述N个接收相关值短序列分别将所有相关值的幅度的平方值累加，得到每个接收相关值短序列的序列能量平均值，记 $P_k=\frac{{\left|\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{k+i}\right|}^2}{N};$ 从第二次相关值序列中找到最大值 $R_{\hat{k}}=\underset{k}{\arg \max }\left\{\right|R\left|\right\},$ 与该最大值

相对应的序列C中的能量平均值

其中

为最大值

在序列R中的位置；计算上述第二次相关值最大值

与上述序列能量平均值

的比值，若小于设定域值Y，则表明当前接收信号不是期望的接收信号，不接收该信号，其中0.5≤Y≤0.7；若该比值大于域值Y，则将与第二次相关值最大值相对应的同步位置

作为时间同步的结果，对相关值最大值

进行幅度归一化操作，得到的值记为 $R^{\′}=R_{\hat{k}}/\left|R_{\hat{k}}\right|;$ 分别取R′的实部R′和虚步R′，并将虚部除以实部，其结果记为相位＝虚部R′/实部R′；对相位值进行反正切运算，得到该值对应的相位估计值，记为

利用上述相位估计值计算与该相位对应的频率值，得到频率估计值，记为 $\mathrm{\Δ}\hat{f}=\widehat{\mathrm{\θ}}/2\mathrm{\πM}{T}_C,$ 该值即为频率估计值。

下面结合附图和实施例详细介绍本发明的方法。

本发明提出的短程无线网络中两次相关的时频同步方法如图1所示，首先对接收信号进行下变频处理和采样，采样周期T取码片周期T_c的一半。在IEEE802.15.4b标准中规定了码元周期T_s是码片周期T_c的16倍，因此每个周期的码元信号采样得到N＝T_s/T＝32个采样点。在IEEE802.15.4b标准中规定了训练序列由八个周期重复的码元序列组成，重复周期为一个码元周期时间。考虑到接收机在完成数字信号处理前需要进行自动增益控制和信号检测，这些操作需要占用3至4个周期的训练序列。进行时间同步估计时，为了保证能搜索到准确的时间同步位置，需选取足够多的采样信号进行时间同步估计。在该实施例中，以任意点为起始，选取基带数字接收信号中连续三段长度为N的接收序列，记为r＝[r₁，r₂，...，r_N，r_N+1，r_N+2，...，r_2N，r_2N+1r_2N+2，...，r_3N]。

通常的时间同步都是将接收信号与本地扩频序列滑动相关，得到一组滑动相关值序列，再通过寻找最大相关值所对应接收序列起始采样点时刻，估计出同步时间的位置。但是对于存在频率偏移的无线通信系统来说，接收信号与本地序列的相关值会受到频偏的严重影响，最大相关值已不再对应接收信号与本地序列同步的时刻，因此在频偏情况下直接进行滑动相关来完成时间同步估计是不可行的。

考虑到频率偏移对接收信号主要造成相位偏移的影响，并且对于相同时间间隔的采样点来说，接收信号的相位叠加了线性变化的相位。考虑到频率偏移对接收信号相位的影响是线性变化的，既相同时间间隔内频偏引起的相位偏移是相同的，首先通过一定间隔的前后相关克服频率偏移对接收信号的影响。对r中的接收信号以M个采样点为间隔进行前后共轭相关，得到第一次相关值：

$c_i=r_i^{*}\·r_{i+M},$ i＝1，2，...，2N，

其中(·)^*表示共轭操作，M表示前后相关间隔的采样信号个数，其取值M≤N，一般采用一个码片时间间隔内的采样信号个数，即M＝4。

在对接收信号进行前后相关后，接收序列已经发生了变化，为了保证与本地序列进行滑动相关时，最大相关值对应的采样点时刻准确反应同步时间，需要对本地序列进行相同的前后相关操作。对短程无线网络中本地扩频调制复序列的第一个本地序列进行周期重复，得到两个码片周期长度的本地复序列，记为s＝[s₁，s₂，...，s_N，s_N+1，s_N+2，...，s_2N]。将本地复序列中的前N个本地信号逐点进行共轭操作后与其M个信号间隔后的本地信号相乘，

$l_i=s_i^{*}\·s_{i+M},$ i＝1，2，...，N，

得到前后相关后的本地相关值序列，记为L＝[l₁，l₂，...，l_N]。

将前后相关的接收相关值序列与本地相关值序列进行滑动相关，其操作可如下实现：首先对上述前后相关后的接收相关值序列以采样间隔T_C为步长的采样点作为起始点，依次选取连续N个接收相关值，得到N个接收相关值短序列C_k＝[c_k，c_k+1，...，c_k+N-1]，其中k＝1，2，...，N，然后对上述N个接收相关值短序列分别将接收相关值进行共轭后，与前后相关后的本地相关值序列进行相关，

$R_k=C_k^{*}L=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{k+1}^{*}\·l_i,$

得到第二次相关值序列R＝{R₁，R₂，...，R_N}。

对上述N个接收相关值短序列分别将所有相关值的幅度的平方值累加，

$P_k=\frac{{\left|\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{k+i}\right|}^2}{N},$

得到每个接收相关值短序列的序列能量平均值。

从第二次相关值序列中找到最大值，

$R_{\hat{k}}=\underset{k}{\arg \max }\left\{\right|R\left|\right\},$

以及与该最大值

相对应的同步位置

和对应的序列能量平均值

在寻找到最大相关值后，还不能直接判定该最大相关值对应的同步位置作为时间同步的估计结果，因为首先还需要确定当前的接收信号是期望接收的复合标准的信号。通过利用找到的第二次相关值最大值

与对应的序列能量平均值

的进行比较，若小于域值Y，则表明当前接收信号不是期望的接收信号，与本地复序列在任何采样时刻都不同步，说明当前的接收信号不是期望接收的信号，不接收该信号；若该比值大于域值Y，则将与第二次相关值最大值

相对应的同步位置

作为时间同步估计的结果，其中0.5≤Y≤0.7。

对相关值最大值

进行幅度归一化操作，

$R^{\′}=R_{\hat{k}}/\left|R_{\hat{k}}\right|.$

分别取R′的实部R′和虚步R′，并将虚部除以实部，

相位＝虚部R′/实部R′。

对Pha值进行反正切运算，得到该值对应的相位估计值，

利用上述相位估计值计算与该相位对应的频率值，

$\mathrm{\Δ}\hat{f}=\widehat{\mathrm{\θ}}/2\mathrm{\πM}{T}_C,$

该值即为频率偏移的估计值。这样，就同时完成了时间同步和频率同步的估计。

Claims (2)

1、一种短程无线网络中的时频同步方法，其特征在于该方法包括以下各步骤：

(1)接收短程无线网络中发送端发出的射频信号，进行下变频得到基带接收信号，对该基带接收信号进行2倍采样得到采样接收信号，采样间隔时间记为T_C；

(2)短程无线网络中的接收端从上述接收信号中的任意采样点开始，读取三个码元周期长度的接收信号，该接收信号序列记为r＝[r₁，r₂，...，r_N，r_N+1，r_N+2，...，r_2N，r_2N+1r_2N+2，...，r_3N]，其中N表示一个码元周期长度内的采样信号个数；

(3)对上述接收信号中的前2N个采样信号依次进行共轭操作，得到共轭采样信号序列 $r^{\′}=[r_1^{*},r_2^{*},...r_N^{*},r_{N+1}^{*},...,r_{2N}^{*}],$ 使共轭采样信号序列中的每个信号与该信号M个采样间隔后的采样信号相乘，得到一个前后相关后的接收相关值序列，记为C＝[c₁，c₂，...，c_N，c_N+1，c_N+2，...，c_2N]，其中 $c_i=r_i^{*}\·r_{i+M},$ 其中(·)^*表示共轭操作，M表示前后相关间隔的采样信号个数，且M≤N；

(4)短程无线网络中的接收端对本地扩频调制复序列的第一个本地序列进行周期重复，得到两个码元周期长度的本地复序列，记为s＝[s₁，s₂，...，s_N，s_N+1，s_N+2，...，s_2N]，其中本地序列的长度为上述一个码元周期的长度N；

(5)对上述本地复序列中的前N个本地信号依次进行共轭操作，得到共轭本地信号序列 $s^{\′}=[s_1^{*},s_2^{*},...,s_N^{*}],$ 使共轭本地信号序列中的每个信号与该信号M个信号间隔后的本地信号相乘，得到一个前后相关后的本地相关值序列，记为L＝[l₁，l₂，...，l_N]，其中 $l_i=s_i^{*}\·s_{i+M},$ M表示前后相关间隔的信号个数，与上述前后相关间隔的采样信号个数M相等；

(6)从上述前后相关后的接收相关值序列C中，依次选取连续N个接收相关值，得到N个接收相关值短序列C_k＝[c_k，c_k+1，...，c_k+N-1]，其中k＝1，2，...，N；

(7)分别对上述N个接收相关值短序列C_k进行共轭后，与上述前后相关后的本地相关值序列L进行相关，得到第二次相关值序列R＝{R₁，R₂，...，R_N}，其中 $R_k=C_k^{*}L=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{k+i}^{*}\·l_i,$ (·)^*表示共轭操作；

(8)分别对上述N个接收相关值短序列C_k中的所有相关值的幅度的平方值相加，得到每个接收相关值短序列的序列能量平均值，记为 $P_k=\frac{{\left|\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{k+i}\right|}^2}{N};$

(9)从上述第二次相关值序列R中找到幅度最大值 $R_{\hat{k}}=\underset{k}{\arg \max }\left\{\right|R\left|\right\},$ 以及与该最大值

相对应的序列C中的能量平均值其中

为最大值在序列R中的位置；

(10)计算上述第二次相关值序列R中的幅度最大值

与上述能量平均值的比值，若该比值大于设定域值Y，则将与上述最大值

在序列R中的位置

作为时间同步的估计值，并根据上述最大值得到载波频率偏移的估计值作为频率同步的估计值；若小于设定域值Y，则不接收该信号，其中0.5≤Y≤0.7。

2、如权利要求1所述的方法，其特征在于其中所述的根据最大值

得到载波频率偏移的估计值

作为频率同步的估计值的方法，包括以下步骤：

(1)对第二次相关值序列R中的幅度最大值进行幅度归一化操作，得到的值记为 $R^{\′}=R_{\hat{k}}/\left|R_{\hat{k}}\right|;$

(2)分别取R′的实部R′和虚部R′，并将虚部除以实部得到相位，记为相位＝虚部R′/实部R′；

(3)对上述相位值进行反正切运算，得到该值对应的相位估计值，记为 $\widehat{\mathrm{\θ}}=\mathrm{arctg}$ (相位)；

(4)利用上述相位估计值计算与该相位对应的频率值，得到频率估计值，记为 $\mathrm{\Δ}\hat{f}=\widehat{\mathrm{\θ}}/2\mathrm{\πM}{T}_C.$

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