CN102638335A - 一种基于互相关和自相关级联的帧同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于互相关和自相关级联的帧同步方法，1)在发送端将长度为N的同步序列进行两次重复调制，作为物理层帧的帧头，通过信号发生器发送无线信号到接收端，所述接收端接收到无线信号并采样为离散序列；2)在接收端通过本地存储的同步序列对接收到的离散序列进行滑动互相关操作，得到第一次相关输出序列；3)接收端通过对步骤2)中所述第一次相关输出序列进行滑动自相关操作，得到第二次相关输出序列；4)若任意时刻第一次相关输出序列中的样点值大于所设定的第一次相关输出的门限值，且第二次相关输出序列中的样点值大于所设定的第二次相关输出的门限值，则该时刻为物理层帧的起始时刻，完成帧同步。

Description

一种基于互相关和自相关级联的帧同步方法

技术领域

本发明属于数字通信技术领域，具体涉及一种采用互相关和自相关级联的帧同步技术，该技术在接收信号中存在多径影响的情况下，仍然能够准确地估计出帧的起始位置。

背景技术

在突发通信系统中，帧同步是接收端设计的关键技术。由于接收端无法准确得知物理层帧的起始位置，因而需要使用帧同步模块根据接收信号中的特定信息估计物理层帧的起始时刻。良好的帧同步算法能够抵抗噪声、载波频偏、多径等干扰因素的影响，达到较低的虚警概率和漏警概率，并实现精确同步。大多数通信系统中的帧同步采用相关的方法，利用接收信号中的特定信息进行相关运算，根据相关峰估计物理层帧的起始时刻。相关运算有互相关和自相关两种方法。

互相关方法是指接收序列与本地存储的序列进行相关运算。这种方法能够得到脉冲状相关峰，有利于提高帧同步的精确度，但是其相关峰值受载波频偏的影响大。而且在复杂多径信道下，由于信号能量分散，使得同步峰不再为理想的脉冲状，而是分散到多个峰，从而导致峰值降低，漏警概率增大。

自相关方法是指接收序列与其自身的延迟序列进行相关运算。这种方法能够克服载波频偏对相关结果的影响，并合并多径能量，但其相关结果往往呈平台状，检测受高斯噪声的干扰较大，不够精确。

发明内容

本发明为了克服了现有技术的不足，提供了一种联合互相关和自相关的帧同步方法，将互相关和自相关级联实现同步，该方法在接收信号中存在多径影响的情况下，仍然能够准确地估计出帧起始位置。本发明中的同步方法是针对多径信道而提出的，所以无论是有线网络或者无线网络中的各种多径信道都具有普适性。

本发明的技术方案是，一种基于互相关和自相关级联的帧同步方法，其步骤为：

1)在发送端将长度为N的同步序列进行两次重复调制，作为物理层帧的帧头，通过信号发生器发送无线信号到接收端，所述接收端接收到无线信号并采样为离散序列；

2)在接收端通过本地存储的同步序列对接收到的的离散序列进行滑动互相关操作，得到第一次相关输出序列；

3)接收端通过对步骤2)中所述第一次相关输出序列进行滑动自相关操作，得到第二次相关输出序列；

4)若任意时刻第一次相关输出序列中的样点值大于所设定的第一次相关输出的门限值，且第二次相关输出序列中的样点值大于所设定的第二次相关输出的门限值，则该时刻为物理层帧的起始时刻，完成帧同步。

所述步骤4)若不满足某时刻满足第一次相关输出样点值大于门限1，且不满足第二次相关输出样点值大于门限2，则进行下一时刻序列样点的第一次相关和第二次相关的计算和门限判决，直至找到所述数字传输物理层帧的起始时刻。

设门限1和门限2分别为Thres1、Thres2，若对于某时刻n，满足序列中的样点C₁(n)＞Thres1且序列中的样点C₂(n)＞Thres2，则认为采样时刻n为物理层帧的起始时刻；否则，继续计算C₁(n+1)和C₂(n+1)并进行门限判决，直到找到物理层帧的起始时刻。

更进一步，所述步骤1)中，设长度为N的同步序列表示为{s₀(1)，s₀(2)，…，s₀(N)}，重复两次后形成序列为：

{s(1)，s(2)…，s(2N)}＝{s₀(1)，s₀(2)，…，s₀(N)，s₀(1)，s₀(2)，…，s₀(N)}，作为物理层帧的帧头。

更进一步，所述步骤2)中，设接收端接收到的的离散序列为r(n)，本地存储的同步序列即为1)中序列{s(1)，s(2)…，s(2N)}。滑动互相关操作方法为：

$C_1\left(n\right)=\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_r^2\left(n\right)}\left|\underset{i=0}{\overset{2N-1}{\mathrm{\Σ}}}r(n+i)s^{*}\left(i\right)\right|$

其中，C₁(n)为一次相关输出序列；s^*(i)为s(i)的共轭；

为归一化能量值，定义为：

${\mathrm{\σ}}_r^2\left(n\right)\underset{i=0}{\overset{2N-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left|r(n+i)\right|}^2.$

更进一步，所述步骤3)的滑动自相关操作方法为：

$C_2\left(n\right)=\underset{i=0}{\overset{W-1}{\mathrm{\Σ}}}{C}_1(n+i)C_1(n+i+N)$

其中，C₂(n)为二次相关输出序列；W为自相关窗宽度。

更进一步，自相关操作中相关窗宽度W的选取与要合并的多径数目有关，即由多径信道特征决定。

更进一步，所述同步序列采用但不限于m序列，该序列具备良好的互相关和自相关特性均可。

与现有技术相比，本发明的技术效果在于：

本发明提出了一种联合互相关和自相关的帧同步方法。该方法利用互相关得到的一次相关序列和自相关得到的二次相关序列做联合判决，实现了可靠的帧同步。其中，第一次相关序列利用了互相关操作的优点，使得第一次相关序列具有脉冲状的相关峰，从而保证了帧同步的精确度。同时，第二次相关序列利用了自相关操作的优点，合并了多径能量，从而解决了多径信道条件下相关峰下降的问题，有效地降低了漏警概率。

附图说明

图1本发明互相关和自相关级联的帧同步方法的结构图；

图2采用本发明的互相关和自相关级联的帧同步方法帧同步互相关模块输出的第一次相关序列；

图3采用本发明的互相关和自相关级联的帧同步方法帧同步互相关模块输出的第二次相关序列。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

图1为本发明提出的帧同步方法的一种实现装置，共包括5个模块，分别为：1-互相关模块，2-本地序列模块，3-自相关模块，4-延时模块，5-门限判决模块。延时模块用于对一次相关输出序列C₁(n)进行延时，自相关模块的输出C₂(n)滞后于互相关模块的输出C₁(n)，因此为了对C₁(n)和C₂(n)做联合判决，需要对C₁(n)进行延时。门限判决模块对C₁(n)和C₂(n)做联合判决，从而检测帧起始时刻。

图3为同上仿真条件下C₂(n)的波形图，其中选取W＝8，经过合并分散的多个峰，C₂(n)的峰值有了很大的提高。

结合图1，本发明的帧同步方法的实现流程为：

互相关模块利用本地序列模块提供的本地序列s(n)对接收信号r(n)进行滑动互相关操作，得到一次相关序列C₁(n)。在仿真环境MATLAB中，长度为N的同步序列采用生成多项式为p(x)＝x⁵+x²+1长度为31的小m序列。对发送序列进行4倍过采样后，通过噪声和多径信道。该仿真条件下，采用本发明的第一次相关序列C₁(n)的波形图如图2中互相关峰值曲线所示。从图中可以看到，由于帧头中含有两段重复的同步序列，所以帧头区域内的C₁(n)也含有两段重复序列。同时得知，采用互相关运算后，C₁(n)的相关峰较为陡峭。但由于多径信道影响，C₁(n)并不是理想的脉冲状，而是分散为多个峰，峰值的下降导致漏检概率增大。可以理论推导，C₁(n)近似等于多径信道的冲激响应(图2中虚线)，因此可以对C₁(n)做自相关，合并多径能量，即合并分散的多个峰。

自相关模块对第一次相关序列C₁(n)进行滑动自相关操作，得到第二次相关序列C₂(n)。自相关操作中相关窗宽度W的选取与要合并的多径数目有关，即由多径信道特征决定。图3为同上仿真条件下C₂(n)的波形图，其中选取W＝8。从图中可以看出，经过合并分散的多个峰，C₂(n)的峰值有了很大的提高，从而降低了漏警概率。

Claims (8)

1.一种基于互相关和自相关级联的帧同步方法，其步骤为：

1)在发送端将长度为N的同步序列进行两次重复调制，作为物理层帧的帧头，通过信号发生器发送无线信号到接收端，所述接收端接收到无线信号并采样为离散序列；

2)在接收端通过本地存储的同步序列对接收到的的离散序列进行滑动互相关操作，得到第一次相关输出序列；

3)接收端通过对步骤2)中所述第一次相关输出序列进行滑动自相关操作，得到第二次相关输出序列；

4)若任意时刻第一次相关输出序列中的样点值大于所设定的第一次相关输出的门限值，且第二次相关输出序列中的样点值大于所设定的第二次相关输出的门限值，则该时刻为物理层帧的起始时刻，完成帧同步。

2.如权利要求1所述的基于互相关和自相关级联的帧同步方法，其特征在于，所述步骤4)若不满足某时刻第一次相关输出样点值大于门限1，且不满足第二次相关输出样点值大于门限2，则进行下一时刻序列样点的第一次相关和第二次相关的计算和门限判决，直至找到所述数字传输物理层帧的起始时刻。

3.如权利要求1或2所述的基于互相关和自相关级联的帧同步方法，其特征在于，设门限1和门限2分别为Thres1、Thres2，若对于某时刻n，满足序列中的样点C₁(n)＞门限Thres1且序列中的样点C₂(n)＞门限Thres2，则认为采样时刻n为物理层帧的起始时刻；否则，继续计算C₁(n+1)和C₂(n+1)并进行门限判决，直到找到物理层帧的起始时刻。

4.如权利要求1所述的基于互相关和自相关级联的帧同步方法，其特征在于，所述步骤1)中，设长度为N的同步序列表示为{s₀(1)，s₀(2)，…，s₀(N)}，重复两次后形成序列为：

{s(1)，s(2)…，s(2N)}＝{s₀(1)，s₀(2)，…，s₀(N)，s₀(1)，s₀(2)，…，s₀(N)}，作为物理层帧的帧头。

5.如权利要求1所述的基于互相关和自相关级联的帧同步方法，其特征在于，所述步骤2)中，设接收端接收到的的离散序列为r(n)，本地存储的同步序列即为步骤1)中序列{s(1)，s(2)…，s(2N)}，滑动互相关操作方法为：

其中，C₁(n)为一次相关输出序列；s^*(i)为s(i)的共轭；为归一化能量值，定义为：

${\mathrm{\σ}}_r^2\left(n\right)=\underset{i=0}{\overset{2N-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left|r(n+i)\right|}^2.$

6.如权利要求1所述的基于互相关和自相关级联的帧同步方法，其特征在于，所述步骤3)的滑动自相关操作方法为：

$C_2\left(n\right)=\underset{i=0}{\overset{W-1}{\mathrm{\Σ}}}{C}_1(n+i)C_1(n+i+N)$

其中，C₂(n)为二次相关输出序列；W为自相关窗宽度。

7.如权利要求1所述的基于互相关和自相关级联的帧同步方法，其特征在于，自相关操作中相关窗宽度W的选取与要合并的多径数目有关，即由多径信道特征决定。

8.如权利要求1所述的基于互相关和自相关级联的帧同步方法，其特征在于，所述同步序列采用m序列。

Images