CN102946371B - 一种新型gfsk前导字检测和快速定时同步方法 - Google Patents

一种新型gfsk前导字检测和快速定时同步方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种新型GFSK前导字检测和快速定时同步方法。本发明对连续输入的采样信号按窗口进行划分，在当前窗口计算得到直流分量功率和信号分量功率相对于噪声功率的比值。通过这两个比值与特定阈值的比较来判断当前窗口是否出现前导字。在符号同步校正中，本发明提出一种利用符号速率和符号偏移估算符号同步位置的快速补偿方法，略去了内插滤波器的使用。本发明在保证前导字检测性能的前提下，简化了硬件实现的复杂性，达到了硬件开销小，同时系统性能也较好的效果。

Description

一种新型GFSK前导字检测和快速定时同步方法
技术领域
本发明属于数字技术领域，涉及一种新型GFSK前导字检测和快速定时同步方法。
背景技术
高斯频移键控(GFSK)是一种基于频率的调制方式。信号在调制之前通过一个高斯低通滤波器来限制其频谱宽度，从而得到更为紧凑的频谱，提高了频段的利用率。
前导字检测最简单的方法就是监测环境中的无线信号能量，如果能量增加并且超过门限值，则表明此时信号开始传送。然而我们所处的环境均是充满噪声，可能频繁出现由于噪声引起的检测到无线信号能量超过门限值，所以该方法不实用。
一般来说，无线通信开始前会传送特定字长的前导字。前导字本身的周期性可以比较好地抗噪声干扰。通过把无线接收到的信号和本地的前导字副本做相关检测运算(通常是匹配滤波)。如果前导字出现，可以得到一个尖锐的波峰，并且将相关结果与门限值做比较，可以比较准确地判定无线信号的开始。然而该检测方法的性能受到载波频偏和信噪比很大的影响。还有基于该原理的一系列改进的检测方法，大多需要复杂的控制和计算。
符号偏移校正是数字接收机的重要组成部分。它决定了数字接收机的解调性能。传统的符号偏移校正利用Gardner算法，通过定时误差校正环路实现。这种方法效率比较低，不适合突发式的数据传输。还有一种方法是利用前导字的频域特性先估算出符号偏移值，然后分别对符号偏移的整数和小数部分各自校正来实现。这种方法好处是无反馈回路，校正速度快，适合突发式数据传输。缺点是利用内插滤波器来实现小数符号偏差的校正，硬件资源消耗大。
发明内容
实现GFSK前导字检测和定时同步校正的方法很多，各有各的实现复杂度和检测性能。
本发明的目的是针对GFSK接收的过采样信号，快速准确地定位前导字的起始位置，简单高效地实现符号偏移校正，且不影响到接收机性能，使性能与硬件开销取得很好平衡。
本发明的技术方案：接收端对连续输入的I、Q两路基带复信号进行前导字检测。对这两路信号按窗口划分，进行窗口内点数N的傅立叶变换计算(N＝2×L0×Tb/Ts，其中Tb为符号周期，Ts为采样周期。L0是一个特定值，它的选取需要权衡考虑，如果选的偏大，则窗口长度变长，虽然前导字检测的性能得以提高但是需要消耗更多的硬件资源；如果选的偏小，则前导字检测的性能有所降低，有可能出现误判，但是硬件资源消耗少)。
通过计算得到当前窗口的符号定时误差ξ的估计值分别为：其中Φ[L0]为当前窗口内N点的傅立叶变换结果Φ[k]在k＝L0的值。另外计算出当前窗口内采样信号的直流分量功率，信号分量功率，噪声功率以及前两者功率相对与噪声功率的比值。通过比较它们之间的关系以及和阈值的关系来判断前导字是否出现在当前窗口内。如果出现前导字，那么就采用当前窗口得到的符号定时误差进行符号误差校正。
对采样信号进行符号定时误差校正，这里采用一种新型快速高效的方法。即通过对符号偏移舍入取整，另外再加上一个特定的补偿值(该特定的补偿值的选取因符号速率的不同而异)来快速完成符号偏移的校正。
本发明的有益效果是：利用前导字序列频域信息的特点，改进了检测方法，从而缩小了检测窗口又不影响前导字检测的性能。另外，在定时误差校正传统方法的原理基础上提出了快速定时误差校正的方法。在保证检测性能的前提下，简化了硬件实现的复杂性，达到了硬件开销小，同时系统性能也较好的效果。
附图说明
图1是本方案采用的GFSK前导字检测及定时快速同步结构图。
具体实施方式
如图1所示，我们的前导字检测和定时快速同步由9个子模块组成，分别是滑动窗口模块，定时误差估计模块，信号分量功率计算模块，直流分量功率计算模块，噪声功率计算模块，阈值判断模块，窗口选择模块，符号偏移调整模块和数据缓存模块。
该方案涉及的前导字检测及快速定时同步过程可以分为以下5步骤：
步骤(1).设前导字搜索总长度为W，当前起始搜索位置A＝0，每一次搜索的窗口长度为N，搜索间隔设为B。对第A～A+N个连续采样点的当前窗口进行傅立叶变换(N＝2×L0×Tb/Ts，L0取3，Tb为码元周期，Ts为采样周期)。
步骤(2).通过公式求得当前窗口的符号定时误差ξ的估计值。其中Φ[L0]为N点傅立叶变换Φ[k]在k＝L0的值。
步骤(3).通过公式和PΦ[L0]＝2×(Φ[L0]|)2，求得当前窗口采样信号的直流分量功率P直流和Φ[L0]处信号分量功率PΦ[L0]。通过公式求得当前窗口采样信号的噪声功率Pnosie。其中Xin为当前窗口内的一系列采样点。
步骤(4).当满足条件并且时，计数器count加1。若连续两次出现条件不满足，则count清0。当count的值大于2或者最近两次搜索都满足(这里的阈值A，B和C因符号率的不同而变化)。我们认为已经搜索到前导字，进入步骤(5)，同时计数器count清零。否则，搜索窗口向前移动。下一个窗口的起始位置为(A+B)，重复步骤(3)，直至超出前导字搜索总长度W，则认为没有GFSK信号。
步骤(5).如果在当前窗口搜索到前导字，则利用步骤(2)中提出的公式计算得到符号定时误差ξ的估计值进行符号同步。利用符号定时误差ξ的估计值进行符号快速同步的方法为：根据过采样率的不同，将ξ或ξ+0.5进行小数部分四舍五入处理得一个整数值Nξ，将从A+NS+Nξ+Tn/2×Ts开始的经过频率补偿的I、Q两路信号作为符号同步处理后的结果(NS为根据符号率不同而设置的特定补偿值，Tb为码元周期，Ts为采样周期)。

Claims (1)

1.一种新型GFSK前导字检测及快速定时同步方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
步骤(1).设前导字搜索总长度为W，当前起始搜索位置A＝0，每一次搜索的窗口长度为N，搜索间隔设为B，对第A～A+N个连续采样点的当前窗口进行傅立叶变换；N＝2×L0×Tb/Ts；
步骤(2).通过公式求得当前窗口的符号定时误差ξ的估计值，其中Φ[L0]为N点傅立叶变换Φ[k]在k＝L0的值；
步骤(3).通过公式和PΦ[Lo]＝2×(|Φ[Lo]|)2，求得当前窗口采样信号的直流分量功率P直流和Φ[L0]处信号分量功率PΦ[Lo]，通过公式求得当前窗口采样信号的噪声功率Pnosie，其中X[i]为当前窗口内的一系列采样点；
步骤(4).当满足条件并且时，计数器count加1，若连续两次出现条件不满足，则count清0，当count的值大于2或者最近两次搜索都满足这里的阈值T1，T2和T3为常数，我们认为已经搜索到前导字，进入步骤(5)，同时计数器count清零，否则，搜索窗口向前移动，下一个窗口的起始位置为(T1+T2)，重复步骤(3)，直至超出前导字搜索总长度W，这时认为没有GFSK信号；
步骤(5).如果在当前窗口搜索到前导字，则利用步骤(2)中提出的公式计算得到的符号定时误差ξ的估计值进行符号同步；利用符号定时误差ξ的估计值进行符号快速同步的方法为：根据过采样率的不同，将ξ或ξ+0.5进行小数部分四舍五入处理得一个整数值Nξ，将从A+NS+Nξ+Tb/2×Ts开始的经过频率补偿的I、Q两路信号作为符号同步处理后的结果，其中NS为根据符号率不同而设置的特定补偿值，Tb为码元周期，Ts为采样周期。
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