CN102404044A

CN102404044A - 基于tdma技术的数字无线集群通信系统中对上行信号的一种帧同步检测方法及帧同步检测装置

Info

Publication number: CN102404044A
Application number: CN2011103313682A
Authority: CN
Inventors: 廖科峰; 全大英; 张苗苗; 孙嘉; 朱振
Original assignee: Eastern Communication Co Ltd
Current assignee: Eastern Communication Co Ltd
Priority date: 2011-10-27
Filing date: 2011-10-27
Publication date: 2012-04-04
Anticipated expiration: 2031-10-27
Also published as: CN102404044B

Abstract

本发明提供了一种基于TDMA技术的数字无线集群通信系统中对上行信号的帧同步检测方法，能够克服汉明距离判别法和前述代价函数判决法的不足，在上行信号存在码间干扰时，更为精确地实行帧同步的检测。本发明包括以下步骤：预先将训练序列调制为理想的差分调制信号；在帧同步窗口周期内，依照接收信号的符号位置，逐个位置滑动式进行操作；在帧同步窗口周期内获得的一系列所述均方误差值中选取最小值，以此最小值所处的符号位置作为帧同步的标志。本发明还提供了一种应用上述帧同步检测方法的帧同步检测装置。

Description

基于TDMA技术的数字无线集群通信系统中对上行信号的一种帧同步检测方法及帧同步检测装置

技术领域

本发明涉及数字无线通信技术领域，特别是数字移动通信系统中基站的基带接收机对信号进行帧同步检测的一种处理方法及帧同步检测装置。

背景技术

数字通信的基带接收机，其目的是完成所接收的基带信号的处理，从中获取解调后的数据信号。无论射频前端采用何种方案，通常来说，基带部分的信号处理包括四个基本步骤：成形滤波、位同步、解调、帧同步。其中帧同步的主要功能，是从前端解调得到的码序列中，识别出上行链路的训练序列，并根据此训练序列来确定对应帧的数据格式。

典型的基于TDMA技术和相移键控调制技术的数字移动通信系统是TETRA数字无线集群系统。TETRA系统采用pi/4 DQPSK的调制方式，采用TDMA/FDMA的多址方式。其上行信号，是指终端发送并由基站接收的信号。

现有技术下，在TDMA系统中，帧同步检测一般采用根据接收解调码序列和训练序列之间的汉明距离来进行判决的方法。上行信号在空中传播时存在路径损耗和多径效应，路径损耗大时，上行信号在接收机的信噪比变差，会导致误码出现，另外，多径效应引起的码间干扰会导致信号在解调过程发生对信息的损伤，也会产生误码现象。因此在根据汉明距离进行判决时，若判决门限过低时会出现虚假同步，若在判决门限过高时则出现丢帧率过高的问题。

中国专利申请CN201010146774.7提出了一种新的帧同步检测方法，在帧同步窗口定时器的约束下，以接收信号流的解调前数据向量与训练序列向量之间的距离作为代价函数，将代价函数最小的解调前符号判决为帧同步标志。采用此方法，在解调误码主要由路径损耗带来的信噪比变差引起时，相比于传统的汉明距离判决法在帧同步检测精度上有明显的提高，但在解调误码主要由码间干扰引起时，并不是最佳的检测方式。

发明内容

本发明首先所要解决的技术问题是提供基于TDMA技术的数字无线集群通信系统中对上行信号的帧同步检测方法，能够克服汉明距离判别法和前述代价函数判决法的不足，在上行信号存在码间干扰时，更为精确地实行帧同步的检测。为此，本发明采用以下技术方案，它包括以下步骤：

1-1）、预先将训练序列调制为理想的差分调制信号；

1-2）、在帧同步窗口周期内，依照接收信号的符号位置，逐个位置滑动式进行下列操作：

1-2-1）、将接收信号和预先准备的理想的差分调制信号用最小二乘法进行计算，获得信道冲激响应模型；

1-2-2）、将理想的差分调制信号在所述信道冲激响应模型中模拟出一个估计信号；

1-2-3）、将接收信号与此估计信号进行均方差计算，获得均方误差值；

1-3）、在帧同步窗口周期内获得的一系列所述均方误差值中选取最小值，以此最小值所处的符号位置作为帧同步的标志。

所述“逐个位置滑动式”，是指如下描述的操作步骤：当帧同步窗口周期开始后，按照帧长度来截取接收信号，执行1-2-1）、1-2-2）、1-2-3）这三个步骤，获得一个均方误差值；此时，若帧同步窗口周期未结束，则将接收信号往后移动一个符号位置，获得同样帧长度的一个新的接收信号来重复上述三个步骤来获得一个新的均方误差值；依次类推，可以在帧同步窗口周期内获得一系列的均方误差值。

上述帧同步窗口，其起始时刻，指的是距离基站最近的移动台，在信号处理时延最小的情况下，所发送的突发序列中包含的训练序列完整到达基站的时刻；其结束时刻，指的是距离基站最远的移动台，在信号处理时延最大的情况下，所发送的突发序列中包含的训练序列完整到达基站的时刻。

在上述可称之为信道补偿方法的技术方案的基础上，还可进一步采取以下差分解调计算汉明距离的方法来构成更综合的帧同步检测方案：

2-1）、在帧同步窗口周期内，还依照接收信号的符号位置，逐个位置滑动式进行下列操作：

2-1-1）、对接收信号进行差分解调，获得解调码序列；

2-1-2）、将此解调码序列与训练序列进行比较，得到汉明距离；

所述方法在执行步骤1-3）时，还对在帧同步窗口周期内获得的一系列汉明距离的值中的最小值与事先设定的阈值相比较，若此最小值不大于事先设定的阈值，则以此最小值所处的符号位置作为帧同步的标志；若此最小值大于事先设定的阈值，则以步骤1-3）所述最小均方误差值所处的符号位置作为帧同步的标志。

所述“逐个位置滑动式”，是指如下描述的操作步骤：当帧同步窗口周期开始后，按照帧长度来截取接收信号，执行2-1-1）、2-1-2）这两个个步骤，获得一个汉明距离；此时，若帧同步窗口周期未结束，则将接收信号往后移动一个符号位置，获得同样帧长度的一个新的接收信号来重复上述两个步骤来获得一个新的汉明距离；依次类推，可以在帧同步窗口周期内获得一系列的汉明距离。

上述事先设定的阈值，是一个经验值，可以经由反复实验来获得。

进一步地，所述步骤2-1）与步骤1-2）同时进行。

进一步地，在上述技术方案中，帧同步窗口周期由帧同步窗口定时器提供；帧同步窗口定时器在一个时隙时钟信号的控制下，用计数定时的方法来获得帧同步时间窗口的起始时刻和结束时刻，并将此帧同步时间窗口用信号的方式输出。

本发明另一个所要解决的技术问题是提供一种应用上述帧同步检测方法的帧同步检测装置，为此本发明采用以下技术方案：它包括下列组件：

5-1）、差分调制模块，用于预先将训练序列调制成理想的差分调制信号；

5-2）、最小二乘法计算模块，用于在帧同步窗口信号的控制下将理想的差分调制信号和接收信号进行最小二乘法计算，获得信道冲激响应模型；

5-3）、信道模拟模块，用于将理想的差分调制信号在信道冲激响应模型中模拟出对可能接收到信号的一个估计信号；

5-4）、均方差计算模块，用于将估计信号和实际接收信号进行均方差计算，获得均方误差值；

5-5）、均方差判决模块，用于在帧同步窗口信号的控制下，在帧同步窗口周期内获得的一系列均方误差值中选取最小值，以此最小值所处的符号位置作为帧同步的标志。

进一步地，采用上述技术方案的同时，所述帧同步检测装置还可以包括下列组件：6-1）、差分解调模块，用于将接收信号进行差分解调，获得解调码序列；

6-2）、汉明距离计算模块，用于将解调码序列和训练序列进行比较，获得汉明距离；

6-3）、汉明距离判决模块，用于在帧同步窗口信号的控制下，在帧同步窗口周期内获得的一系列汉明距离的值中选取最小值，以此最小值所处的符号位置作为帧同步的标志；

6-4）、帧同步最终判决模块，用于在均方差判决模块获得的帧同步检测结果和汉明距离判决模块获得的帧同步检测结果之间，最终选择一个作为整个帧同步检测装置的输出结果。

进一步地，采用上述技术方案的帧同步检测装置，还包括帧同步窗口定时器，所述帧同步窗口定时器用来根据TDMA突发结构，估算出上行TDMA突发到达的时间窗口，并据此提供帧同步窗口信号给所述最小二乘法计算模块、差分解调模块、均方差判决模块、汉明距离判决模块。

在上述帧同步检测装置的构成基础上，本发明能够利用上述技术方案进行上述帧同步检测方法。

采用本发明中的对信道特性进行补偿的方法，即采用信道估计来获得信道的冲激响应模型，并将理想信号通过这个信道模型得到估计的接收信号，根据估计的接收信号与实际接收信号的均方差来判断是否找到正确的帧同步位置的方法，由于其补偿了信道的特性，即使码间干扰导致的误码很多，也可以找到正确的帧同步位置，因此可以获得比传统的汉明距离检测方法或者前述代价函数检测方法更优异的性能。而在码间干扰不大的情况下，相对来说选择传统的汉明距离检测方法更具可靠性。

在本发明中，由于帧同步窗口定时器的采用，不仅降低了帧同步的虚假同步概率，同时信道补偿方法的计算被限制在帧同步时间窗口内进行，这也很大程度上减少了信道补偿计算、判决的运算量。

本发明所述帧同步检测装置，包括构成装置的帧同步窗口定时器、差分调制模块、最小二乘法计算模块、信道模拟模块、均方差计算模块、均方差判决模块、差分解调模块、汉明距离计算模块、汉明距离判决模块和帧同步最终判决模块，其硬件都可以使用FPGA、DSP等不同数字信号处理器件实现。

附图说明

图1为本发明所述帧同步判决装置的结构框图。

图2为本发明对信号进行帧同步判决的概要流程图。

图3为信道补偿方法的具体处理步骤流程图。

图4为差分解调计算汉明距离方法的具体处理步骤流程图。

图5为本发明所述帧同步判决装置的另一个实施例的结构框图。

具体实施方式

为了充分理解本发明的技术内容，下面给出具体实施例，结合附图对本发明的技术方案进行较为详细的介绍和说明。

本发明所述的帧同步检测装置的一个实施例，其结构如图1所示，由帧同步窗口定时器101、差分调制模块102、最小二乘法计算模块103、信道模拟模块104、均方差计算模块105、均方差判决模块106、差分解调模块107、汉明距离计算模块108、汉明距离判决模块109和帧同步最终判决模块110构成。

差分调制模块102、最小二乘法计算模块103、信道模拟模块104、均方差计算模块105、均方差判决模块106顺序相连，构成信道补偿方法的装置。其实现方式为，训练序列由差分调制模块调制成理想的差分调制信号，和接收信号一起送进最小二乘法计算模块，计算出信道冲激响应的模型数据，依据此模型数据，在信道模拟模块里将理想的差分调制信号模拟成估计信号，然后将此估计信号和接收信号一起在均方差计算模块里计算出均方误差值。以上过程依照信号的符号位置逐个滑动进行，在帧同步窗口周期内获得一连串的均方误差值，最终这一系列均方误差值在均方差判决模块中选取最小值所处位置作为帧同步标志。

差分解调模块107、汉明距离计算模块108、汉明距离判决模块109顺序相连，构成差分解调计算汉明距离方法的装置。其实现方式为，接收信号通过差分解调模块获得实际的差分解调码序列，和训练序列一起送进汉明距离计算模块，比较出汉明距离。以上过程依照信号的符号逐个滑动进行，在帧同步窗口周期内获得一连串的汉明距离，最终这一系列汉明距离在汉明距离判决模块中选取最小值所处位置作为帧同步标志。

帧同步窗口定时器101在一个时隙时钟信号的控制下，用计数定时的方法来获得帧同步时间窗口的起始时刻和结束时刻，并将此帧同步时间窗口用信号的方式输出到信道补偿方法和差分解调计算汉明距离方法的两个装置中。

帧同步最终判决模块110的作用是最终在信道补偿和差分解调计算汉明距离这两种方法分别获取的帧同步结果中选取一种。其选择方法是由最小汉明距离值是否大于一个阈值来决定。若大于阈值，则选信道补偿方法；若不大于阈值，则选差分解调计算汉明距离方法。该阈值是一个经验值，可通过反复实验获得。

本实施例中，获得阈值的实验方法如下：首先任意选取一个阈值，采用上述差分解调计算汉明距离的方法来获得实验信号的帧同步，依据这个帧同步结果，检查实际的信号接收的出错情况。当丢帧率高于1%时，则认为这个阈值的选取过于宽松，相应减小阈值后重新试验；当丢帧率远低于1%时，则认为这个阈值的选取过于严格，可相应放大阈值后重新试验；直至丢帧率基本为1%时，则认为选到了合适的阈值。

本实施例所采用的帧同步检测方法的总体流程如图2所示，流程开始201后，首先是等待帧同步窗口开启202，若帧同步窗口定时器送来帧同步窗口开启信号，则同时进行信道补偿方法和差分解调计算汉明距离方法，分别获取两种方法下的帧同步检测结果203。然后判断差分解调计算汉明距离方法所获得的最小汉明距离值是否大于实现设定的阈值204。若其值大于阈值，则选取信道补偿方法的最小均方误差值所处位置作为帧同步标志205；若其值不大于阈值，则选取差分解调计算汉明距离方法的最小汉明距离所处位置作为帧同步标志206。选取完成后流程结束207。

信道补偿的原理是通过一定长度的已知序列估计出实际信道的冲激响应，并由理想信号通过此冲激响应的模型获得的估计信号来衡量与实际接收信号是否吻合。本实施例采用此方法的具体流程如图3所示，作为帧同步检测基准的训练序列预先进行调制，得到理想差分调制信号301，作为整个信道补偿流程的准备。流程开始302后，首先等待帧同步窗口的开启303，在收到帧同步窗口计时器发来的信号后，用最小二乘法对当时实际接收信号和理想差分调制信号进行运算得到信道冲激响应模型304。接下来依据此信道冲激响应模型对理想信号进行模拟，获得一个估计信号305，然后用均方差算法对估计信号和接收信号进行运算得到均方误差值306。若此时帧同步窗口尚未关闭307，则返回最小二乘法运算步骤304，去获得对应于接收信号下一个符号位置的信道冲激响应模型，进而获得下一个估计信号和下一个均方误差值。如此循环，在帧同步窗口关闭前可以获得一系列的均方误差值，最后在所有均方误差值中选取最小值所处符号位置作为帧同步标志308。

本实施例所采用差分解调计算汉明距离方法的具体流程如图4所示，流程开始401后，首先等待帧同步窗口的开启402，在收到帧同步窗口计时器发来的信号后，对当前实际接收信号进行差分解调，获得解调码序列403。接下来将此解调码序列与训练序列比较得到汉明距离404。若此时帧同步窗口尚未关闭405，则返回差分解调步骤403，去获得对应于接收信号下一个符号位置的解调码序列，进而获得下一个汉明距离。如此循环，在帧同步窗口关闭前可以获得一系列的汉明距离值，最后在所有汉明距离值中选取最小值所处符号位置作为帧同步标志406。

以下介绍为另一个实施例：

图5给出了帧同步检测装置的另一个实施例。在本实施例中，差分解调计算汉明距离的方法被省略。这是因为，当码间干扰很大的应用环境里，差分解调计算汉明距离的方法不可能得到理想的帧同步检测效果，因此就单纯采用信道补偿的方法。本实施例的构成为：由帧同步窗口定时器101、差分调制模块102、最小二乘法计算模块103、信道模拟模块104、均方差计算模块105以及均方差判决模块106。

帧同步窗口定时器101在一个时隙时钟信号的控制下，用计数定时的方法来获得帧同步时间窗口的起始时刻和结束时刻，并将此帧同步时间窗口用信号的方式输出到最小二乘法计算模块103和均方差判决模块106中。差分调制模块102、最小二乘法计算模块103、信道模拟模块104、均方差计算模块105、均方差判决模块106顺序相连，构成信道补偿方法的装置。其实现方式为，训练序列由差分调制模块调制成理想的差分调制信号，和接收信号一起送进最小二乘法计算模块，计算出信道冲激响应的模型数据，依据此模型数据，在信道模拟模块里将理想的差分调制信号模拟成估计信号，然后将此估计信号和接收信号一起在均方差计算模块里计算出均方误差值。以上过程依照信号的符号位置逐个滑动进行，在帧同步窗口周期内获得一连串的均方误差值，最终这一系列均方误差值在均方差判决模块中选取最小值所处位置作为帧同步标志。

本实施例所采用信道补偿的方法，其流程如图3所示，作为帧同步检测基准的训练序列预先进行调制，得到理想差分调制信号301，作为整个信道补偿流程的准备。流程开始302后，首先等待帧同步窗口的开启303，在收到帧同步窗口计时器发来的信号后，用最小二乘法对当时实际接收信号和理想差分调制信号进行运算得到信道冲激响应模型304。接下来依据此信道冲激响应模型对理想信号进行模拟，获得一个估计信号305，然后用均方差算法对估计信号和接收信号进行运算得到均方误差值306。若此时帧同步窗口尚未关闭307，则返回最小二乘法运算步骤304，去获得对应于接收信号下一个符号位置的信道冲激响应模型，进而获得下一个估计信号和下一个均方误差值。如此循环，在帧同步窗口关闭前可以获得一系列的均方误差值，最后在所有均方误差值中选取最小值所处符号位置作为帧同步标志308。

应当理解的是，以上所述从具体实施例的角度对本发明的技术内容进一步地披露，其目的在于让大家更容易了解本发明的内容，但不代表本发明的实施方式和权利保护局限于此。本发明保护范围阐明于所附权利要求书中，凡是在本发明的宗旨之内的显而易见的修改，亦应归于本发明的保护之内。

Claims

1.一种基于TDMA技术的数字无线集群通信系统中对上行信号的帧同步检测方法，其特征在于它包括以下步骤：

1-1）、预先将训练序列调制为理想的差分调制信号；

2.如权利要求1所述的一种基于TDMA技术的数字无线集群通信系统中对上行信号的帧同步检测方法，其特征在于它在执行步骤1-3）之前还进行以下步骤：

2-1-1）、对接收信号进行差分解调，获得解调码序列；

3.如权利要求2所述的一种基于TDMA技术的数字无线集群通信系统中对上行信号的帧同步检测方法，其特征在于所述步骤2-1）与步骤1-2）同时进行。

4.如权利要求1、2或3所述的基于TDMA技术的数字无线集群通信系统中对上行信号的帧同步检测方法，其特征在于帧同步窗口周期由帧同步窗口定时器提供；帧同步窗口定时器在一个时隙时钟信号的控制下，用计数定时的方法来获得帧同步时间窗口的起始时刻和结束时刻，并将此帧同步时间窗口用信号的方式输出。

5.应用权利要求1所述帧同步检测方法的帧同步检测装置，其特征在于包括下列组件：

6.如权利要求5所述的帧同步检测装置，其特征在于它还包括下列组件：

6-1）、差分解调模块，用于将接收信号进行差分解调，获得解调码序列；

7.如权利要求5所述的帧同步检测装置，其特征在于它包括帧同步窗口定时器，所述帧同步窗口定时器用来根据TDMA突发结构，估算出上行TDMA突发到达的时间窗口，并据此提供帧同步窗口信号给所述最小二乘法计算模块、均方差判决模块。

8.如权利要求6所述的帧同步检测装置，其特征在于它包括帧同步窗口定时器，所述帧同步窗口定时器用来根据TDMA突发结构，估算出上行TDMA突发到达的时间窗口，并据此提供帧同步窗口信号给所述最小二乘法计算模块、均方差判决模块；

所述帧同步窗口定时器还提供帧同步窗口信号给差分解调模块和汉明距离判决模块。