CN103329476B - 在低信噪比水平下的前同步码检测器及检测方法 - Google Patents

Abstract

一种前同步码检测器具有：相关器，其针对传入经取样信号串流的前同步码部分的每个样本位置输出得分及相关联类别值；及多丛集单元，其接收来自所述相关器的类别及得分输出值，其中第一丛集接收来自所述相关器的输出值，且后续丛集经串联耦合使得每一丛集接收来自所述相关器及先前丛集的输出值，且其中所述相关器及丛集的所述输出值经处理以使得所述多丛集单元的第n丛集积累具有匹配类别值的n个得分值的最高得分值，其中n＞1。

Description

在低信噪比水平下的前同步码检测器及检测方法

相关申请案的交叉参考

本申请案主张2010年12月27日申请的名为“在低信噪比水平下的前同步码检测(PREAMBLE DETECTION AT LOW SIGNAL-TO-NOISE LEVELS)”的第61/427,253号美国临时申请案的权益，所述申请案的全文以引用的方式并入本文中。

技术领域

本发明涉及数字通信，更具体来说，涉及可在低SNR水平下可靠地工作的高级前同步码检测策略，其中复杂的解调变/解码技术仍能够恢复消息数据，尽管所述技术中无一者可用于前同步码处理。

背景技术

在传送符号串流内建立所接收的消息的开始边界为每个无线通信系统100中的常见任务。为此，如图1所示，发射器110在消息120的头部适当发送特殊符号序列(前同步码)；及在接收器130中，将经恢复的前同步码从所述符号串流剥离且转发剩余符号串流以用于消息处理。

然而，完整前同步码从不可用于信号处理，因为完整前同步码的初始部分由信号存在检测及AGC(自动/自适应增益控制)稳定所消耗。此与其它考虑因素一起导致普遍采用的前同步码结构：多符号前同步码样式(PP)重复许多(M)次后直接跟着是帧开头定界符(SFD)序列。如图2所示，在接收器130内，搜索PP建立定时光栅，且寻找在光栅点处开始的SFD为消息开头定界。

从无线电可得的信号(在某种初步处理之后)为由于信道噪声及载波偏移(发射装置与接收装置之间的载波频率差异)而失真的原始前同步码。因此直接匹配为不可能的；相反，计算输入的区段与预期PP之间的相关。对于所述计算，使用两个信号的经取样版本，其中PP表示为N个样本。

复合结果的量值提供PP与当前处理的输入区段之间的类似性的测量值。(前同步码样式经设计以具有良好自相关性质)。

原则上，为了寻找PP开始的样本位置，如图3所指示，应在每个前同步码样本位置处开始搜索。每一搜索的长度取决于我们想要使用多少(即)K(＜M)连续PP进行决策。开始分开的N个样本(PP的长度)的搜索建立相同定时光栅，即寻找相同SFD，前提是所述样本中的至少一者成功。我们认为这些搜索属于相同搜索类别310₀、310₁、310₂等。如图3中可见，存在从搜索过程的开始计数的任意编号为0至N-1的N个搜索类别310₀、310₁、310₂、...。在一类别中，可存在至多K个有效搜索：一个搜索其前N个样本区段，一个搜索其前2N个样本序列等。

在搜索过程期间，接收到的前同步码样本经移位到单一N样本相关器320中。在前同步码的前N个样本已移入之后其开始操作。从此在每一移位步骤时，其输出当前正查看的样本序列的匹配得分及其所属搜索类别的编号。

隐含地假定，得分越高则匹配越佳且一类别中较长序列的得分为其构成子序列的得分的总和。所述搜索策略与可用数据用以达成决策的方式不同。

实施常用无线标准的装置不变地使用简单规则：如果当前匹配得分超过预设阈值，则找到PP且建立定时光栅。作为标准的规则运作经设计以使得此未能在噪声水平下定位PP，消息处理的失败概率也较高。

然而，所述假定不可普遍应用。通过高级符号译码及数据错误控制技术，可进行消息解码以在低得多的S/N(符号噪声比)水平下运作。这些技术不可用于前同步码检测，因此完全利用接收到的有噪声前同步码中可用的所有信息以便匹配在接收的消息处理部分中的改良极其重要。换句话说，SNR越差及/或所需检测可靠性越高，则搜索中所使用的前同步码区段必须越长。此技术需要数目高到不可接受的逻辑门。举例来说，当使用125kb/s数据速率、低于噪声底限3～4dB及在存在大载波偏移时，实现大于99.8％检测比率要求5前同步码周期搜索长度。考虑到每一前同步码要求8个符号及每一符号要求8位，产生8*8*5＝320位的搜索长度。在此实例中，估计实施典型解决方法需消耗约50k逻辑门，在许多应用中当与可用于整个数字组件的硅面积相比时这是不可接受的大小。

发明内容

因此，需要一种有效前同步码检测方法，所述方法在将处理复杂性及存储要求保持于可接受水平的同时利用前同步码中的所有可用信息。所述方法搜索传入帧的帧前同步码以寻找前同步码样式的连续重复，且包含以下步骤。

根据一实施例，一种前同步码检测器可包含：相关器，其针对传入经取样信号串流 的前同步码部分的每个样本位置输出得分及相关联类别值；及多丛集单元，其接收来自所述相关器的所述类别及得分输出值，其中第一丛集接收来自所述相关器的输出值，且后续丛集经串联耦合使得每一丛集接收来自所述相关器及先前丛集的输出值，且其中所述相关器及丛集的所述输出值经处理以使得所述多丛集单元的第n丛集积累具有匹配类别值的n个得分值的最高得分值，其中n＞1。

根据另一实施例，得分值可根据N样本前同步码样式与在所述位置处开始的N个信号样本的序列的相关的值而确定，且其中类别编号在开始样本位置处为0，在每一随后位置处递增1且在到达值N-1之后返回到0。根据另一实施例，第一丛集可包含M个单元，每一单元可操作以存储得分及相关联单元值，且其中串联耦合的每一后续丛集具有比任何先前丛集少的单元。根据另一实施例，每一丛集具有用于启用、类别及得分的三个输入连接，用于有效及得分的两个输出连接，且包含用于更新、丢弃及推进存储于丛集内的值的控制单元。根据另一实施例，前同步码检测器可进一步包含用于耦合两个丛集的多个加法单元，其中所述加法单元接收先前丛集的输出得分值及所述相关器的所述输出得分值，且可操作以在所述相关联类别值匹配时使所述得分值相加。根据另一实施例，每一丛集从最高值到最低值将所述单元中的得分值排序，且对应于顺序的传入新得分值来更新及/或重新排列所述单元。根据另一实施例，丛集可由形成循环移位寄存器的多个单元形成。根据另一实施例，所述移位寄存器使低于新值的先前存储的值移位以便为所述新值提供存储。根据另一实施例，如果新得分值的类别与单元的类别匹配，则可将所述相应得分值朝向下一丛集移出且将所述新值存储于所述单元中。根据另一实施例，所述相应得分值可移出到加法器，所述加法器可操作以将所述得分值与来自所述相关器的新得分值相加且将结果馈入到下一丛集。根据另一实施例，所述相关器使多个顺序符号与预定无噪声样式相关以产生得分值。根据另一实施例，存储类别值及相关联得分值的单元可包含用于比较所述类别值的第一比较器及用于比较所述得分值的第二比较器。根据另一实施例，单元进一步可包含用于指示丛集内的最高值的旗标及用于指示所述单元为空的旗标。根据另一实施例，单元进一步可包含多路复用器单元，所述多路复用器单元接收来自丛集输入及所述丛集的另一单元的类别及得分值。根据另一实施例，丛集的所述单元可形成循环移位寄存器。根据另一实施例，所述前同步码检测器可包含五个丛集，其中所述第一丛集包含12个单元，所述第二丛集包含6个单元，所述第三丛集包含4个单元，所述第四丛集包含2个单元，且所述第五丛集包含单一单元。

根据另一实施例，一种用于检测顺序样本串流中的前同步码的方法可包含：将传入样本串流顺序馈入相关器中，其中所述相关器使所述样本串流的每一样本相关；通过所 述相关器计算相关得分值及确定每一样本的相关联类别值，及输出所述得分及类别值作为输出值；将每一输出值馈入到多丛集结构，其中第一丛集直接接收来自所述相关器的输出值，及将后续丛集串联耦合以使得每一丛集接收来自所述相关器及先前丛集的输出值，及处理所述相关器及丛集的所述输出值，使得第n丛集积累具有匹配类别值的n个输出值的最高得分值，其中n＞1。

根据所述方法的另一实施例，所述多丛集结构的第一丛集可存储M个得分值，且其中每一后续丛集存储比先前丛集少的得分值。根据所述方法的另一实施例，根据所述方法的另一实施例，所述方法可包含使多个顺序符号与预定无噪声样式相关以产生所述得分值的步骤。根据所述方法的另一实施例，可从最高得分值到最低得分值将每一丛集内的所存储得分值排序。根据所述方法的另一实施例，具有比丛集中的先前存储的得分值高的得分值的新输出值可迫使所述丛集中的所述最低得分值被丢弃。根据所述方法的另一实施例，所述积累步骤可包含使先前丛集所转发的所述得分值与所述相关器所转发的具有匹配类别值的新得分值相加。根据所述方法的另一实施例，每一丛集可包含形成循环移位寄存器的多个单元，且所述方法包含将所述循环移位寄存器移位的步骤以执行在丛集内的所述存储的得分值的排序。根据所述方法的另一实施例，所述方法可包含将新输出值馈入到丛集，及比较所述类别值与所存储的类别值，及比较所述新输出值的所述得分值与所存储的得分值。根据所述方法的另一实施例，类别值的匹配可将所存储的得分及类别值朝向下一丛集移位，及用所述得分值更新相应单元。

附图说明

图1展示无线数据通信系统，其中前同步码附加在消息主体前面，所述前同步码用于消息检测及有效负载开始确定。

图2展示接收器内的前同步码检测作为数字基带处理的第一步骤且直接与所接收的有噪声输入样本一起运作。

图3呈现前同步码搜索的概念排列，尤其展示单一相关器用以输出每一样本位置处的匹配及识别信息。

图4展示适合于持续追踪相同搜索类别中的搜索的单元的概念性类似移位寄存器存储结构。

图5呈现一般化类似移位寄存器存储结构，其每一丛集由许多单元构成，每一单元追踪已存活直到所述丛集的搜索。

图6展示根据一实施例的丛集的框图。

图7展示单一单元的结构，在一般解决方法的特定实施例中许多单元用于构造存储结构的每一丛集。

图8展示具有来自相关器的24个样本的示范性传入信号串流；

图9A-C展示根据各种实施例的在已经处理8、16及24个样本之后的示范性丛集系统的群体。

具体实施方式

概念基础

首先，将考虑在前同步码搜索期间用于持续追踪得分的概念排列。如图4所示，对于每一搜索类别，存储单元400的类似移位寄存器结构用于保持所积累得分。最初，单元400为空的，稍后在启用输入的上升沿上在内部存储得分输入。其在得分输出上持续地输出内容。有效输出在启用输入在活动且所述单元具有有效输出(非空)的同时变为活动的。具有活动启用输入的单元用得分输入上的值(即，来自紧接的先前单元的输出与来自相关器的当前得分的总和)更新其内容。存在用于每一搜索类别的单独“移位寄存器”，且使最后丛集的输出得分可用于决策。

自然，此概念排列至少在两个方面中非常低效。首先，多数搜索可能在其明显不可成为赢者时即刻在其处理的不同丛集处过早地中断。又，可由一搜索在其遍历其最大长度之前发信号通知命中(例如，在标准实现中，通常在第一丛集之后)。

存储结构

图5展示根据各种实施例的用于最佳化解决方法的概念排列。轮廓结构与之前相同，但寄存器由丛集500而非单一存储单元构成。第一丛集510直接接收相关器的输出，而后续丛集540经由相关联加法器530接收相关器的当前输出及先前丛集520的输出。丛集500保持许多存储单元550，丛集500的每一单元现在保持着搜索类别编号及相关联得分。(特殊得分值(例如0)或单独旗标可指示空单元)。还使得当前类别编号可用于所有丛集。丛集内的单元数目一般但非必定减少，即可在丛集之间保持相同。然而，因为越来越少的搜索在其前进时存活下来，所以在丛集之间减少单元数目可为有益的，如下文所解释。因此，如由丛集1至K-1内的点线所示，每一丛集可包含多个单元，其中通常第一丛集包含最高数目的单元，且每一丛集中的单元数目可减少。图5中的实例展示最后一级K仅具有两个单元。然而，其它减少单元数目结构可适用，其中最后一级具有两个以上单元或仅单一单元。举例来说，当N＝64时，五级结构可在第一级中具有十二个单元，在第二级中具有6个单元，在第三级中具有4个单元，在第四级中具有2个单元 及在最后一级中具有1个单元。可在不偏离本描述中所论述的原理的情况下使用其它配置。

图6展示丛集500的框图，丛集500包含多个单元610及相关联控制单元620以支持记录/丢弃在所述丛集处存活/死亡的搜索。得分及类别输入连接到丛集中的所有单元，单元的得分内容可选择性地呈现于丛集的得分输出上。控制单元620将内容保持于经组织的每一相关联丛集中，对启用输入起作用，适当时选择一单元，将其得分内容连接到丛集的得分输出，且决定是否将指示有效输出。控制单元620还包括用以仅保持丛集的单元内的具有最高得分值的类别/得分对的逻辑。

追踪算法

根据一实施例，在每一样本移位时，在每一丛集中同时执行以下步骤

如果在属于当前类别的丛集中存在一单元，则将得分部分传送到丛集输出，指示有效输出及将单元标记为空的。

如果存在空的单元，则将输入得分及类别存储到其中(在于先前步骤中找到单元的情况下，情况总是如此！)；

否则，则定位所述丛集内含有最小得分的单元

如果输入处的得分大于单元中的得分，则用输入得分及类别编号盖写单元内容；

否则仅仅将输入丢弃。

由于丛集的得分输入为当前得分与来自先前丛集(如果存在)的得分的总和，所以第二步骤与第一步骤之间应适当地延迟，以便考虑逻辑延迟。

根据各种实施例，认为此一般算法的任何实现均由本发明涵盖。实际实施例的概述可为如下。

实例实施例

图7展示单元600的各种可能实施例中的一者，单元600可用于丛集500的丛集结构中。丛集内的单元600经由多路复用器依序连接到循环移位寄存器中。当单元的多路复用器710、720经设定于移位方向时，所述单元接收先前单元的内容，否则其接收存在于丛集的共同得分及类别输入上的值。仅在存储输入经触发时且仅在存储输入经触发的情况下将单元的输入处可用的值存储到单元中。开始，所有单元为空的，如由其空旗标所指示。稍后，在每一步骤处，所述单元存储具有最高得分值的类别/得分对，最高得分值已出现于对应丛集输入处直到搜索中的所述步骤为止。类别/得分对的列表在移位方向上按最高至最低来定序，且在所述步骤中发生更新之后维持所述次序。通过设定头部旗标来标记含有所述列表的第一元素(含有最高的所存储得分值)的单元。每一单元还具 有相等比较器730及小于比较器740，相等比较器730比较其存储的类别与经由丛集的多路复用器710呈现于类别输入处的类别，小于比较器740比较其存储的得分与经由丛集的多路复用器720呈现于得分输入处的得分(空单元总是作为较小者而比较)。

根据图7中所示的实施例，在每一样本移位时，使用上述特征来实施丛集内的以下算法。

步骤1

如果在丛集中不存在属于当前类别的单元，则前进到步骤2。

否则将经定位单元的得分部分传送到丛集输出，指示有效输出且将所述单元标记为空的。此外：

如果经定位单元经标记为头部，则将头部标记移位到下一单元。

否则将头部单元与所包括的空单元之间的移位寄存器的部分移位。(因此闭合由于腾空经定位单元而打开的间隙)。头部标记随着头部单元而移位，且将先前头部单元标记为空的。

步骤2

使具有小于指示的单元移位，且将输入类别及得分值存储到新近放空的单元中。

决策程序

将得分输出呈现给决策单元。决策单元设定每一丛集的接受及拒绝阈值。如果在搜索期间，得分中的一者超过其对应接受阈值，则搜索终止且相关器的内容建立定时光栅。如果搜索由于整个前同步码已经使用而终止，则：(i)如果所有得分低于拒绝阈值，则放弃消息接收，(ii)否则宣告具有最后一个丛集中的最大得分的搜索类别为赢者。阈值比较器可并入于每一单元所关联的控制单元内或可属于单独决策单元。

通过选择搜索长度(K)、个别丛集中的单元数目，各种决策阈值涉及理论近似值但通常也需要广泛模拟。

图8展示相关量值的示范性传入样本串流。传入样本串流由垂直线展示，且分为8样本区，如由细长垂直线所展示。此处，每一类别与8样本区的相应样本位置相关联。此外，假定此实例中的正确重复前同步码在每一8样本内的位置5处开始。将示范性输出值展示为整数以用于更佳理解根据各种实施例的原理。

图9A-C展示当将上文所论述的排序算法应用于此样本串流时三丛集系统内的结果的实例。为此，图9A展示简化的三丛集系统，其中第一丛集具有三个单元，第二丛集具有两个单元，且第三丛集具有单一单元。空白单元指示空的单元。假定整个三丛集系统已在接收样本串流之前经重设，且因此所有单元为空的。图9A展示在8个样本已经 被接收且由相关器处理之后所述系统内的值的填入。单元内的值经展示为“类别/得分”。如可见，所述算法对所有传入值排序及相应地重新排列，且从顶部到底部展示最高值。第二及第三丛集归因于先前丛集的无效或非匹配输出而在8个传入值之后展示为空。丛集2及3中的单元将在有效输出值移出先前丛集且相应类别与当前传入类别一致时经填入。举例来说，当处理第二群组中位置13处的第五样本时，相关器输出类别＝3且得分＝20。因此，根据上述原理，丛集1中的顶部单元的值与此相关器输出的类别匹配，且因此其内容移位到输出，且后续加法器将当前得分值加到丛集1值，得出新的得分值6+20＝26，由于其为丛集2中的最高值而将其存储于丛集2的最高单元中。图9B展示在16个样本已接收之后得分值的填入及传播。丛集3的单元以类似方式填入。因此，图9C展示在24样本已接收之后的群体。如所预期，类别5将最高单元填入于丛集3中，且因此每一区段中的第五位置将前同步码的开头标记于传入样本串流中。

如上文所提及，根据各种实施例的原理可容易应用于硬件及/或软件中。

虽然已描绘、描述且通过参考本发明的实例实施例来界定本发明的实施例，但此类参考并不暗示对本发明的限制，且将不推断出此限制。所揭示的主题能够在形式及功能上具有相当大的修改、更改及等效物，如受益于本发明的所属领域的技术人员所将理解的。本发明的所描绘及描述实施例仅为实例，且并非本发明的范围的详尽表示。

Claims (23)

1.一种前同步码检测器，其包含：

相关器，其针对传入经取样信号串流的前同步码部分的每个样本位置输出得分及相关联类别值，其中所述相关器使在每个样本位置开始的K个顺序符号相关；

多丛集单元，其接收来自所述相关器的所述类别及得分输出值，其中第一丛集接收来自所述相关器的输出值，且后续丛集经串联耦合使得每一丛集接收来自所述相关器及先前丛集的输出值，其中所述第一丛集包含M个单元，每一单元可操作以存储得分及相关联单元值，且其中串联耦合的每一后续丛集具有比任何先前丛集少的单元，且其中所述相关器及丛集的所述输出值经处理以使得所述丛集被顺序更新，其中所述多丛集单元的第n丛集在其单元中积累具有匹配类别值的得分值的最高得分值，其中n>1。

2.根据权利要求1所述的前同步码检测器，其中得分值是根据N样本前同步码样式与在所述位置处开始的N个信号样本的序列的相关的值而确定，且其中类别编号在开始样本位置处为0，在每一随后位置处递增1且在到达值N-1之后返回到0。

3.根据权利要求1所述的前同步码检测器，其中每一丛集具有用于启用、类别及得分的三个输入连接，用于有效及得分的两个输出连接，且包含用于更新、丢弃及推进存储于丛集内的值的控制单元。

4.根据权利要求1所述的前同步码检测器，其进一步包含用于耦合两个丛集的多个加法单元，其中所述加法单元接收先前丛集的输出得分值及所述相关器的所述输出得分值，且可操作以在所述相关联类别值匹配时使所述得分值相加。

5.根据权利要求1所述的前同步码检测器，其中每一丛集可操作以从最高值到最低值将所述单元中的得分值排序，且对应于顺序的传入新得分值来更新及/或重新排列所述单元。

6.根据权利要求1所述的前同步码检测器，其中丛集由形成循环移位寄存器的多个单元形成。

7.根据权利要求6所述的前同步码检测器，其中所述循环移位寄存器将低于新得分值的先前存储的值移位以便为所述新得分值提供存储。

8.根据权利要求4所述的前同步码检测器，其中如果新得分值的类别与单元的类别匹配，则将相应得分值朝向下一丛集移出且将所述新得分值存储于所述单元中。

9.根据权利要求8所述的前同步码检测器，其中所述相应得分值被移出到加法器，所述加法器可操作以将所述得分值与来自所述相关器的新得分值相加且将结果馈入到下一丛集。

10.根据权利要求1所述的前同步码检测器，其中所述相关器使所述K个顺序符号与预定无噪声样式相关以产生得分值。

11.根据权利要求1所述的前同步码检测器，其中存储类别值及相关联得分值的单元包含用于比较所述类别值的第一比较器及用于比较所述得分值的第二比较器。

12.根据权利要求11所述的前同步码检测器，其中单元进一步包含用于指示丛集内的最高值的旗标及用于指示所述单元为空的旗标。

13.根据权利要求11所述的前同步码检测器，其中单元进一步包含多路复用器单元，所述多路复用器单元接收来自丛集输入及所述丛集的另一单元的类别及得分值。

14.根据权利要求13所述的前同步码检测器，其中丛集的所述单元形成循环移位寄存器。

15.根据权利要求1所述的前同步码检测器，其包含五个丛集，其中第一丛集包含12个单元，第二丛集包含6个单元，第三丛集包含4个单元，第四丛集包含2个单元，且第五丛集包含单一单元。

16.一种用于检测顺序样本串流中的前同步码的方法，其包含：

将传入样本串流顺序馈入到相关器，其中所述相关器使所述样本串流在每一样本位置处开始的K个顺序符号相关；

通过所述相关器计算相关得分值及确定每K个符号的相关联类别值，及输出所述得分及类别值作为输出值；

将每一输出值馈入到多丛集结构，其中第一丛集直接接收来自所述相关器的输出值，且将随后丛集串联耦合以使得每一丛集接收来自所述相关器及先前丛集的输出值，其中所述第一丛集包含M个单元，每一单元可操作以存储得分及相关联单元值，且其中串联耦合的每一后续丛集具有比任何先前丛集少的单元；及

处理所述相关器及丛集的所述输出值，使得第n丛集在其单元内积累具有匹配类别值的输出值的最高得分值，其中n>1。

17.根据权利要求16所述的方法，其包含使所述K个顺序符号与预定无噪声样式相关以产生所述得分值的步骤。

18.根据权利要求16所述的方法，其中从最高得分值到最低得分值将每一丛集内的所存储得分值排序。

19.根据权利要求16所述的方法，其中具有比丛集中的先前存储的得分值高的得分值的新输出值迫使所述丛集中的最低得分值被丢弃。

20.根据权利要求16所述的方法，其中所述积累步骤包含使先前丛集所转发的所述得分值与所述相关器所转发的具有匹配类别值的新得分值相加。

21.根据权利要求16所述的方法，其中每一丛集包含形成循环移位寄存器的多个单元，且所述方法包含将所述循环移位寄存器移位的步骤以执行丛集内的所存储的得分值的排序。

22.根据权利要求20所述的方法，其包含将新输出值馈入到丛集，及比较所述类别值与所存储的类别值，及比较所述新输出值的所述得分值与所存储的得分值。

23.根据权利要求21所述的方法，其中类别值的匹配将所存储的得分及类别值朝向下一丛集移位，且用所述得分值更新相应单元。