CN102271005B - 无线通信系统中载波频率的捕获方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种无线通信系统中载波频率的捕获方法和装置，该方法主要包括：对当前帧的帧头数据进行存储，从预先设定的一序列的载波频率中选取初始载波频率，利用所述初始载波频率对所述存储的帧头数据进行下变频处理；将所述下变频处理的输出信号和所述无线通信系统的伪噪声序列信号进行相关处理，得到所述初始载波频率对应的累加数据；计算出所述一序列的载波频率中每个载波频率对应的累加数据，将最大的累加数据对应的载波频率确定为所述无线通信系统的载波频率。利用本发明，可以有效地获取无线通信系统的载波频率，进而有助于接收端准确地恢复出发送端的数字信息符号，提高无线通信系统的性能。

Description

无线通信系统中载波频率的捕获方法和装置

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种无线通信系统中载波频率的捕获方法和装置。

背景技术

在扩频无线通信系统中，在发送端，每个数字信息符号都用收发双方已知的伪随机序列扩展为多元码片，然后用PSK(phase-shift keying，相移键控)或QAM(Quadrature Amplitude Modulation，数字调制器)等数字调制方式将上述多元码片调制到模拟载波上，最后通过上变频器转换为射频调制信号进行发射。在接收端，接收到的射频调制信号通过下变频器转换为中频调制信号，再对中频调制信号进行解调和解扩，以恢复出扩频无线通信系统的载波频率，进而恢复出发送端的数字信息符号。

上述现有技术中存在如下的问题：在实际应用中，由于发送端与接收端使用完全独立的主时钟，发送端与接收端的主时钟之间必然存在一个频率差，导致上述对中频调制信号进行解扩的过程不可能实现准确的扩频无线通信系统的载波频率恢复。

发明内容

本发明的实施例提供了一种无线通信系统中载波频率的捕获方法和装置，以实现有效地获取无线通信系统的载波频率。

一种无线通信系统中载波频率的捕获方法，包括：

对当前帧的帧头数据进行存储，从预先设定的一序列的载波频率中选取初始载波频率，利用所述初始载波频率对所述存储的帧头数据进行下变频处理；

将所述下变频处理的输出信号和所述无线通信系统的伪噪声序列信号进行相关处理，得到所述初始载波频率对应的累加数据；

计算出所述一序列的载波频率中每个载波频率对应的累加数据，将最大的累加数据对应的载波频率确定为所述无线通信系统的载波频率。

一种无线通信系统中载波频率的捕获装置，包括：

数据存储模块，用于对当前帧的帧头数据进行存储；

下变频处理模块，用于从预先设定的一序列的载波频率中选取初始载波频率，利用所述初始载波频率对所述存储的帧头数据进行下变频处理；

相关累加理模块，用于将所述下变频处理的输出信号和所述无线通信系统的伪噪声序列信号进行相关处理，得到所述初始载波频率对应的累加数据；

载波频率获取模块，用于计算出所述一序列的载波频率中每个载波频率对应的累加数据，将最大的累加数据对应的载波频率确定为所述无线通信系统的载波频率。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例利用存储的帧头数据和预先设定的载波频率序列采用下变频和相关等处理过程，可以有效地获取无线通信系统的载波频率，进而有助于接收端准确地恢复出发送端的数字信息符号，提高无线通信系统的性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一提供的一种扩频通信系统中载波频率的捕获方法的处理流程图；

图2为本发明实施例一提供的一种下变频处理的实现原理示意图；

图3为本发明实施例一提供的一种数据相位旋转处理过程的实现原理示意图；

图4为本发明实施例二提供的一种扩频通信系统中载波频率的捕获装置的结构图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

实施例一

本发明实施例可以适用于在建立通信时有较大的频偏且需要准确快速捕获载波的无线通信系统中，下面以扩频通信系统为例来说明本发明实施例。

该实施例提供了一种扩频通信系统中载波频率的捕获方法的处理流程如图1所示，包括如下的处理步骤：

步骤11、在接收端和发送端实现了帧同步之后，在接收端对当前帧的帧头数据进行存储。

在扩频通信系统的接收端和发送端实现了帧同步之后，在接收端已经知道了每帧的起始位置，从当前帧的起始位置开始，对当前帧的帧头数据进行存储，用来进行载波频率捕获。

在实际应用中，上述扩频通信系统的PN(Pseudo-noise，伪噪声)序列的长度是预先设定的，因为大于PN序列的长度的数据，已经无法和PN序列信号相关，所以可以存储和上述扩频通信系统的PN序列的长度相同长度的当前帧的帧头数据。

步骤12、从设定一序列的载波频率中选取初始载波频率，利用上述初始载波频率对上述帧头数据进行下变频处理。

根据实际需要设置合适的载波频率的间隔，比如，该间隔为10khz。载波频率的间隔大，载波频率的捕获能力差，捕获时间短；载波频率的间隔小，载波频率的捕获能力强，捕获时间长。接收端根据上述载波频率的间隔和设定的载波捕获范围，产生一序列的载波频率。

在上述一序列的载波频率中选取一个初始载波频率，根据上述初始载波频率对上述存储的帧头数据进行下变频处理。上述下变频处理的实现原理示意图如图2所示，具体处理过程如下：

下变频处理主要包括：相位累加处理过程和数据相位旋转处理过程。首先进行相位累加处理过程，根据上述初始载波频率计算出初始相位，设载波频率为λ_i，则初始相位θ_i＝2π＊λ_i，在当前帧对应的循环内通过角度加法器对初始相位进行累加，累加后得到的累加相位大于2π或者小于-2π时，对累加相位进行限幅处理，使累加相位始终保持在(-2π，2π]的范围内。设上述λ_i、θ_i对应第i循环，则第i循环的累加相位β_i＝(θ_i-1+θ_i)mod2π，将得到的累加相位β_i送入数据相位解旋处理过程。然后，将上述θ_i进行存储，用于计算下一个载波频率λ_i+1对应的第i+1循环的累加相位β_i+1，β_i+1＝(θ_i+θ_i+1)mod2π。

比如，初始载波频率为λ₁，则初始相位θ₁＝2π＊λ₁，初始载波频率λ₁对应的第一循环的累加相位β₁＝(θ₁+θ₀)mod2π，θ₀＝0。然后，将上述θ₁进行存储，用于计算下一个载波频率λ₂对应的第二循环的累加相位β₂，β₂＝(θ₁+θ₂)mod2π。

数据相位旋转处理过程的实现原理示意图如图3所示，在数据相位旋转处理过程中，利用所述累加相位通过相位旋转器对所述帧头数据中的各个部分的数据分别进行至少一次相位旋转处理，得到所述帧头数据中的各个部分的数据分别对应的下变频处理后的数据。具体处理过程包括：从上述存储的当前帧的帧头数据中取出第一部分数据，根据上述累加相位对该第一部分数据对应的I、Q两路数据进行移位处理，然后对移位处理后的I、Q两路数据进行加减运算后送入MUX(MULTIPLEXER，复用器)，MUX根据上述累加相位的正负对输入的I、Q两路数据进行选择。

得到新的I、Q两路数据。将上述新的I、Q两路数据作为输入的I、Q两路数据，再次进行上述数据相位旋转处理过程，进行下一次旋转，直到旋转的次数足够多，得到下变频处理的输出信号。理论上，旋转的次数越多，数据精度越高，一般使用15级的流水结构的相位旋转器，使运行速度更快。上述相位旋转器由多级角度旋转电路连接而成，每级旋转的角度可以为φ＝tan^-1(2^-i)，

上述下变频处理的输入信号为：X(n)＝X_I+j·X_Q(n)，初始相位(即频偏)为Δf，则上述下变频处理的输出信号Y(n)＝Y_I+j·Y_Q(n)为：

$\left\{\begin{array}{c}Y\left(n\right)=X\left(n\right)\·e^{-j2\mathrm{\π\Δfn}{T}_i}\\ Y_I\left(n\right)=X_I\·\cos \left(2\mathrm{\π\ΔfnT}\right)+X_Q\left(n\right)\·\sin \left(2\mathrm{\π\ΔfnT}\right)\\ Y_Q\left(n\right)=-X_I\·\sin \left(2\mathrm{\π\ΔfnT}\right)+X_Q\left(n\right)\·\cos \left(2\mathrm{\π\ΔfnT}\right)\end{array}\right.$

其中，X(n)和Y(n)分别为I/Q两路数据构成的复数。

如果上述选取的初始载波频率正好是发送端和接收端之间的通信信道的载波频率，则上述下变频处理的输出信号为基带信号。

步骤13、将上述下变频处理的输出信号和PN序列信号进行相关得到相关数据，将上述存储的帧头数据中的各个部分的数据分别对应的相关数据进行累加得到上述初始频率对应的累加数据。

将上述下变频处理的输出信号送入到相关器中，相关器将上述下变频处理的输出信号和扩频通信系统的PN序列信号进行相关得到相关数据，R(n)＝Y(n)＊PN(n)。将上述相关数据送入到累加器中。设上述下变频处理的输出信号为Y(n)，则上述相关数据为：R(n)＝Y(n)＊PN(n)。

然后，从上述存储的当前帧的帧头数据中取出第二部分数据，根据上述初始载波频率对上述第二部分数据进行下变频处理，将上述下变频处理的输出信号和上述PN序列信号进行相关得到相关数据，将上述相关数据送入到累加器中。之后，从上述存储的当前帧的帧头数据中取出第三部分数据，同样进行上述下变频处理和相关处理，将得到的相关数据送入到累加器中，一直到将上述存储的当前帧的帧头数据全部取出。累加器将接收到的所有相关数据进行累加得到上述初始频率对应的累加数据。

步骤14、对上述一序列的载波频率中的所有载波频率进行遍历，计算出每个载波频率对应的累加数据，将上述最大的累加数据对应的载波频率确定为捕获到的上述扩频通信系统的载波频率。

在上述一序列的载波频率中选取第二个载波频率，按照上述初始频率对应的累加数据的计算过程，计算出上述第二个载波频率对应的累加数据。然后，在上述一序列的载波频率中选取第三个载波频率，按照上述初始频率对应的累加数据的计算过程，计算出上述第三个载波频率对应的累加数据。重复进行上述处理过程，一直到计算出上述一序列的载波频率中的所有载波频率遍历完毕，计算出每个载波频率对应的累加数据。

然后，通过比较器将所有载波频率对应的累加数据进行比较，得到最大的累加数据，将上述最大的累加数据对应的载波频率确定为捕获到的上述扩频通信系统的载波频率。

实施例二

该实施例提供的一种扩频通信系统中载波频率的捕获装置的具体结构如图4所示，包括如下的处理模块：

数据存储模块41，用于对当前帧的帧头数据进行存储；

下变频处理模块42，用于从预先设定的一序列的载波频率中选取初始载波频率，利用所述初始载波频率对所述存储的帧头数据进行下变频处理；

相关累加理模块43，用于将所述下变频处理的输出信号和所述扩频通信系统的伪噪声序列信号进行相关处理，得到所述初始载波频率对应的累加数据；

载波频率获取模块44，用于计算出所述一序列的载波频率中每个载波频率对应的累加数据，将最大的累加数据对应的载波频率确定为所述扩频通信系统的载波频率。

具体而言，所述的数据存储模块41，还用于在扩频通信系统的接收端和发送端实现了帧同步之后，在接收端从当前帧的起始位置开始，对当前帧的帧头数据进行存储，并且所述存储的当前帧的帧头数据的长度和所述扩频通信系统的伪噪声序列的长度相同。

具体而言，所述的下变频处理模块42可以包括：

相位累加处理模块421，用于根据所述初始载波频率计算出初始相位，在所述当前帧对应的循环内对所述初始相位进行累加得到累加相位，并将所述累加相位限制在(-2π，2π]范围内。

设载波频率为λ_i，则初始相位θ_i＝2π＊λ_i，在当前帧对应的循环内过角度加法器对初始相位进行累加，累加后得到的累加相位大于2π或者小于-2π时，对累加相位进行限幅处理，使累加相位始终保持在(-2π，2π]的范围内。设上述λ_i、θ_i对应第i循环，则第i循环的累加相位β_i＝(θ_i-1+θ_i)mod2π，将得到的累加相位β_i送入数据相位解旋处理过程。然后，将上述θ_i进行存储，用于计算下一个载波频率λ_i+1对应的第i+1循环的累加相位β_i+1，β_i+1＝(θ_i+θ_i+1)mod2π。

比如，初始载波频率为λ₁，则初始相位θ₁＝2π＊λ₁，初始载波频率λ₁对应的第一循环的累加相位β₁＝(θ₁+θ₀)mod2π，θ₀＝0。然后，将上述θ₁进行存储，用于计算下一个载波频率λ₂对应的第二循环的累加相位β₂，β₂＝(θ₁+θ₂)mod2π。

数据相位旋转处理模块422，用于利用所述累加相位通过相位旋转器对所述帧头数据中的各个部分的数据分别进行至少一次相位旋转处理，得到所述帧头数据中的各个部分的数据分别对应的下变频处理后的数据。上述相位旋转器由多级角度旋转电路连接而成，每级旋转的角度可以为φ＝tan^-1(2^-i)。一般使用15级的流水结构的相位旋转器。

具体而言，所述的相关累加理模块43，还用于将所述帧头数据中的各个部分的数据对应的下变频处理后的数据分别和所述扩频通信系统的伪噪声序列信号进行相关处理，得到所述帧头数据中的各个部分的数据分别对应的相关数据；

将所述帧头数据中的各个部分的数据分别对应的相关数据进行累加，得到所述初始载波频率对应的累加数据。

具体而言，所述的载波频率获取模块44，还用于对所述一序列的载波频率中的所有载波频率进行遍历，按照所述初始载波频率对应的累加数据的计算过程，计算出所述一序列的载波频率中每个载波频率对应的累加数据；

将所述每个载波频率对应的累加数据进行比较确定最大的累加数据，将所述最大的累加数据对应的载波频率确定为所述扩频通信系统的载波频率。

应用本发明实施例的装置对扩频通信系统的载波频率进行捕获的具体过程与前述方法实施例类似，此处不再赘述。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random Access Memory，RAM)等。

综上所述，本发明实施例利用存储的帧头数据和预先设定的载波频率序列采用下变频和相关等处理过程，可以有效地获取扩频通信系统等无线通信系统的载波频率，进而有助于接收端准确地恢复出发送端的数字信息符号，提高扩频通信系统等无线通信系统的性能。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种无线通信系统中载波频率的捕获方法，其特征在于，包括：

对当前帧的帧头数据进行存储，从预先设定的一序列的载波频率中选取初始载波频率，利用所述初始载波频率对所述存储的帧头数据进行下变频处理；

将所述下变频处理的输出信号和所述无线通信系统的伪噪声序列信号进行相关处理，得到所述初始载波频率对应的累加数据；具体的：将所述帧头数据中的各个部分的数据对应的下变频处理后的数据分别和所述无线通信系统的伪噪声序列信号进行相关处理，得到所述帧头数据中的各个部分的数据分别对应的相关数据；将所述帧头数据中的各个部分的数据分别对应的相关数据进行累加，得到所述初始载波频率对应的累加数据；

计算出所述一序列的载波频率中每个载波频率对应的累加数据，将最大的累加数据对应的载波频率确定为所述无线通信系统的载波频率。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，接收端对当前帧的帧头数据进行存储，包括：

在无线通信系统的接收端和发送端实现了帧同步之后，在接收端从当前帧的起始位置开始，对当前帧的帧头数据进行存储，并且所述存储的当前帧的帧头数据的长度和所述无线通信系统的伪噪声序列的长度相同。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述的利用所述初始载波频率对所述存储的帧头数据进行下变频处理，包括：

根据所述初始载波频率计算出初始相位，在所述当前帧对应的循环内对所述初始相位进行累加得到累加相位，并将所述累加相位限制在(-2π,2π]范围内；

利用所述累加相位通过相位旋转器对所述帧头数据中的各个部分的数据分别进行至少一次相位旋转处理，得到所述帧头数据中的各个部分的数据分别对应的下变频处理后的数据。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的计算出所述一序列的载波频率中每个载波频率对应的累加数据，将最大的累加数据对应的载波频率确定为所述无线通信系统的载波频率，包括：

对所述一序列的载波频率中的所有载波频率进行遍历，按照所述初始载波频率对应的累加数据的计算过程，计算出所述一序列的载波频率中每个载波频率对应的累加数据；

将所述每个载波频率对应的累加数据进行比较确定最大的累加数据，将所述最大的累加数据对应的载波频率确定为所述无线通信系统的载波频率。

5.一种无线通信系统中载波频率的捕获装置，其特征在于，包括：

数据存储模块，用于对当前帧的帧头数据进行存储；

下变频处理模块，用于从预先设定的一序列的载波频率中选取初始载波频率，利用所述初始载波频率对所述存储的帧头数据进行下变频处理；

相关累加理模块，用于将所述下变频处理的输出信号和所述无线通信系统的伪噪声序列信号进行相关处理，得到所述初始载波频率对应的累加数据；

所述的相关累加理模块，还用于将所述帧头数据中的各个部分的数据对应的下变频处理后的数据分别和所述无线通信系统的伪噪声序列信号进行相关处理，得到所述帧头数据中的各个部分的数据分别对应的相关数据；将所述帧头数据中的各个部分的数据分别对应的相关数据进行累加，得到所述初始载波频率对应的累加数据；

载波频率获取模块，用于计算出所述一序列的载波频率中每个载波频率对应的累加数据，将最大的累加数据对应的载波频率确定为所述无线通信系统的载波频率。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：

所述的数据存储模块，还用于在无线通信系统的接收端和发送端实现了帧同步之后，在接收端从当前帧的起始位置开始，对当前帧的帧头数据进行存储，并且所述存储的当前帧的帧头数据的长度和所述无线通信系统的伪噪声序列的长度相同。

7.根据权利要求5或6所述的装置，其特征在于，所述的下变频处理模块包括：

相位累加处理模块，用于根据所述初始载波频率计算出初始相位，在所述当前帧对应的循环内对所述初始相位进行累加得到累加相位，并将所述累加相位限制在(-2π,2π]范围内；

数据相位旋转处理模块，用于利用所述累加相位通过相位旋转器对所述帧头数据中的各个部分的数据分别进行至少一次相位旋转处理，得到所述帧头数据中的各个部分的数据分别对应的下变频处理后的数据。

8.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：

所述的载波频率获取模块，还用于对所述一序列的载波频率中的所有载波频率进行遍历，按照所述初始载波频率对应的累加数据的计算过程，计算出所述一序列的载波频率中每个载波频率对应的累加数据；

将所述每个载波频率对应的累加数据进行比较确定最大的累加数据，将所述最大的累加数据对应的载波频率确定为所述无线通信系统的载波频率。

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