CN107612860A - 适用于802.11ac接收机的同步与下采样估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于802.11ac协议中的同步与下采样估计方法，主要消除了发送端与接收端不同步造成的采样偏移。本发明的方法包含最佳采样点同步方法和下采样估计方法。通过最佳采样点同步方法确定在数据域开始处的一个最佳采样点；然后在第一个正交频分复用符号起始位置处开始进行下采样估计，最终通过误差检测方法、插值滤波方法、环路滤波方法估计出下采样值。与传统方法相比，最佳采样点同步运算速度提升与存储量下降，提高运算性能的同时，降低了资源消耗。下采样估计方法，能在估计出正确数据的同时，纠正系统的采样偏移，一定程度上克服信道、噪声与信号产生的影响，得到更为准确的下采样信号。

Description

适用于802.11ac接收机的同步与下采样估计方法

技术领域

本发明涉及正交频分复用系统的同步与最佳下采样方法，该方法基于802.11ac系统，属于无线通信WLANs技术领域。

背景技术

IEEE802.11ac系统采用的是正交频分复用多载波调制技术，与传统的单载波系统相比，正交频分复用系统对采样误差非常敏感，要实现发送端与接收端正常的接收数据，必须要最初的最佳采样点同步，并且估计出准确无采样偏移的后续下采样点，才能继续正确的解调出数据。

对正交频分复用的下采样流程作一个简单介绍，这里以IEEE802.11ac为例。

正交频分复用系统的流程主要是调制解调与编码解码，如图4所示，具体可以为：发送端上采样经过信道的数据进行帧检测、载波频率同步、符号同步、采样偏移估计、下采样、去循环前缀、FFT变换、信道估计、解映射、解交织、解码以及解扰码，最终恢复出发射端的发射数据。

符号同步是为了同步帧的位置，需要精确到数据的bit位。

上采样与下采样方法分别处于正交频分复用技术的发送端与接收端。

上采样在数据发送端完成，主要表现为插值与滤波两个部分，插值是为了提升数据采样倍率，滤波则是为了使数据平滑，便于传送与下采样。

下采样方法主要则是完成数据从高采样率到低采样率的转化，恢复基带信号，以便于之后的解调。

在传统同步方法中，所用本地序列和窗口过长，占用资源较多，运算速度慢。

在传统下采样方法中，采用直接下采样，这样的点容易受到信道、噪声的影响，并需要后续的采样偏移纠正。

发明内容

本发明针对现有技术存在的问题，提出了一种适用于802.11ac接收机的同步与下采样估计方法，在同步过程中有效缩短了本地序列长度、占用资源少、运算速度快；所采用的下采样估计方法估计准确，能在下采样的同时纠正采样偏移带来的影响。

为实现上述目的，本发明包含以下步骤：

(1)最佳采样点同步方法，通过最佳采样点同步方法确定在数据域开始处的一个最佳采样点；即找到本地基带长训练序列的循环前缀序列与接收到的多倍采样长训练序列的循环前缀序列互相关的最大值位置；

(2)下采样估计方法，通过最佳采样点同步方法找到最佳采样点位置，在第一个正交频分复用符号起始位置处开始进行下采样估计，通过误差检测方法、插值滤波方法、环路滤波方法可以在估计出下采样值的同时纠正采样偏移对系统的影响。

上述的适用于802.11ac接收机的同步与下采样估计方法，其特征在于，所述最佳采样点同步方法包括四个步骤：

(1a)帧检测后的数据在5个点的窗口中与本地归一化的短训练序列共16个点进行互相关累加运算，将5个点的值进行存储；

(1b)在所述5个点的值中找到最大值点并与门限值进行比较，判定是否在范围内，此时有两种情况：

i.当最大值高于上门限或低于下门限时，将窗口移动一个短训练序列的长度，

并重新执行步骤(1a)；

ii.当最大值高于下门限并低于上门限时，判定此短训练序列是否为最后一个，

如果是则移至步骤(1c)，否则丢弃帧；

(1c)从最后一个短训练序列结束前移3个点的位置开始，在10个点窗口中将数据与本地归一化长训练序列的循环前缀序列进行互相关累加运算；

(1d)在所述10个点窗口中找到最大值点并与门限值进行比较判定是否在范围内，此时有两种情况：

i.当最大值高于上门限或低于下门限时，未找到同步的最佳采样点位置；

ii.当最大值高于下门限并低于上门限时，找到的最大值即是长训练序列的循

环前缀序列互相关的最大值位置。

上述的适用于802.11ac接收机的同步与下采样估计方法，其特征在于，下采样估计模块包括七个步骤：

(2a)根据最佳采样点同步方法得到的最佳采样点位置找到第一个正交频分复用符号起始位置；

(2b)参数配置，主要是环路系数与误差值的初始化配置；

(2c)计算插值系数，并带入采样倍数个数据，估计出下采样的值；

(2d)误差检测方法计算出由于采样偏移造成的误差值，并通过环路滤波方法，对误差值进行整形；

(2e)将误差值分为整数误差与小数误差；

(2f)用整数误差补偿数控振荡器，将小数误差累加存储；

(2g)判定帧是否结束，此时有两种情况：

i.帧未结束，重新执行步骤(2c～2g)；

ii.帧结束，完成下采样估计。

上述互相关累加运算公式如下：

其中Ls为短训练序列或长训练序列的循环前缀序列，R为接收到的帧序列，N为互相关点数。

与现有技术相比，本发明方法具有以下有益效果：

1.本发明将符号同步替换为最佳采样点同步方法，可以在进行符号同步的同时，找到第一个最佳采样点的位置，便于后续的下采样估计。

2.本发明采用相关运算先找到一个最佳采样点的位置，然后采用环路滤波方法来估计下采样点，能够灵活的采用帧中的序列进行最佳采样点选择。

3.本发明采用的下采样估计，能在估计出正确数据的同时，纠正系统的采样偏移。

附图说明

图1是最佳采样点同步方法和下采样估计方法总体流程图；

图2是最佳采样点同步方法具体流程图；

图3是下采样估计方法具体流程图；

图4是802.11ac协议背景整体框图；

具体实施方式

为了能够使本发明的上述目的和优点能够阐释清楚，下面将结合附图对本发明的具体实施过程做一个详细描述。

参照图1，帧检测后的数据，经过本发明的同步与下采样估计方法，得到待解调的数据进行后续的解调。本发明的方法代替了传统方法中的符号同步方法、下采样方法、采样偏移纠正方法三个部分。

参照图2，3，本发明的适用于802.11ac接收机的同步与下采样估计方法包含以下步骤：

(1)最佳采样点同步方法。采用本地存储的传统长训练序列的循环前缀与接收到的序列进行互相关累加。所述本地存储的传统长训练序列的循环前缀可替换为传统短训练序列、传统长训练序列等。优先选用本地存储的传统长训练序列的循环前缀是为了节省后面的长训练序列资源，适应后续接收机功能的实施。

最佳采样点同步具体方法如下：

(1a)帧检测后的数据在5个点的窗口中与本地归一化的短训练序列共16个点进行互相关累加运算，将5个点的值进行存储；

以基带数据为20M带宽为例，本地短训练序列S＝[S(1)S(2)S(3)…S(16)]是由802.11ac协议中规定的基带频域短训练序列进行傅里叶反变换得到的。同理可得到本地长训练序列L＝[L(1)L(2)L(3)…L(63)L(64)]，取其后1/4数据序列作为本地长训练序列的循环前缀序列PL＝[L(49)L(50)L(51)…L(63)L(64)]。

将接收到的多倍上采样帧R与本地短训练序列进行互相关，直到找到同步最佳采样点。假设接收到的帧R为M(M>1)倍上采样信号长度为N(N>1)，则接收到的帧为：

R＝[r₁(1)r₂(2)r₃(3)…r_M(M)r₁(M+1)r₂(M+2)r₃(M3)…r_M(2M)…r_M(N)]。

帧检测后的数据在5个点的窗口中与本地PL序列进行互相关累加运算，其中窗口中单个点与本地PL序列进行互相关累加运算的公式如下：

i为目前窗口的位置，j＝1、2、3…M；

该点的能量为

i为目前窗口的位置，j＝1、2、3…M；

该点的归一化相关值为

找出W(k)中的最大值点。

(1b)在所述5个点的值W(k)中找到最大值点并与门限值进行比较，判定是否在范围内，此时有两种情况：

i.当最大值高于上门限或低于下门限时，将窗口移动一个短训练序列的长度，并重新执行步骤(1a)；

ii.当最大值高于下门限并低于上门限时，判定此短训练序列是否为最后一个，如果是则移至步骤(1c)，否则丢弃帧。

(1c)从最后一个短训练序列结束前移3个点的位置开始，在10个点窗口中将数据与本地归一化长训练序列的循环前缀序列PL＝[L(49)L(50)L(51)…L(63)L(64)]进行互相关累加运算，其中窗口中单个点与本地PL序列进行互相关累加运算的公式如下：

该点的能量为

该点的归一化相关值为

(1d)在所述10个点的值W(k)中找到最大值点并与门限值进行比较判定是否在范围内，此时有两种情况：

i.当最大值高于上门限或低于下门限时，未找到同步的最佳采样点位置x(m_k)；

ii.当最大值高于下门限并低于上门限时，找到的最大值即是长训练序列的循环前缀序列互相关的最大值位置。

(2)下采样估计方法。根据前述的最佳采样点和后续的正交频分复用上采样信号，估计出接近发送端基带信号的采样信号。具体方法如下：

(2a)根据最佳采样点同步方法得到的最佳采样点位置找到第一个正交频分复用符号起始位置；

(2b)参数配置，主要是环路系数与误差值的初始化配置；

(2c)计算插值系数，并带入采样倍数M个数据，估计出下采样的值；

这里采用立方插值方法，插值公式如下，

y(k)＝C₁(u)x(m_k-1)+C₀(u)x(m_k)+C_-1(u)x(m_k+1)+C_-2(u)x(m_k+2)

假设最佳采样点为x(m_k)，带入最佳采样点前后的M个数据，y(k)为下采样估计出的点。

(2d)误差检测方法计算出由于采样偏移造成的误差值，并通过环路滤波方法，对误差值进行整形；

误差检测方法的公式如下：

error＝y(k)*(y(k-1)-y(k+1))

通过环路滤波方法对误差值error进行整形，这里选用一阶滤波，则两条支路为

path1＝k1*error

path2＝path2+k2*error

k1、k2为环路滤波方法的系数，通常

其中，G₀、G_d分别是数字控制振荡方法与误差检测方法的增益；B_L是滤波方法噪声带宽；阻尼因子为C。给定B_L就可以针对不同码速率1/T_b设计环路参数。

(2e)将误差值分为整数误差与小数误差；

(2f)用整数误差补偿数控振荡器，将小数误差累加存储；根据环路输出的误差值向下取整，将原始值和向下取整值两者相减得到的误差u。重复2c～2f就可以不断准确的估计出下采样序列，直到帧结束。

(2g)判定帧是否结束，此时有两种情况：

i.帧未结束，重新执行步骤(2c～2g)；

ii.帧结束，完成下采样估计。

综上所述，本发明缩短了相关窗口的长度，以20M带宽为例，可以从16个点的相关窗口缩短为5个，并将窗口跳跃式移动一个短训练序列的长度继续进行相关，从而减少相关窗口的长度，加快系统的运算速度。

以上详细的描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方法进行多种同等变换，例如同步序列的选择、插值滤波方法的选择、环路滤波方法的选择等。这些同等变换均属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种适用于802.11ac接收机的同步与下采样估计方法，其特征在于，包含以下步骤：

(1)最佳采样点同步方法，通过最佳采样点同步方法确定在数据域开始处的一个最佳采样点；即找到本地基带长训练序列的循环前缀序列与接收到的多倍采样长训练序列的循环前缀序列互相关的最大值位置；

(2)下采样估计方法，通过最佳采样点同步方法找到最佳采样点位置，在第一个正交频分复用符号起始位置处开始进行下采样估计，通过误差检测方法、插值滤波方法、环路滤波方法可以在估计出下采样值的同时纠正采样偏移对系统的影响。

2.根据权利要求1所述的适用于802.11ac接收机的同步与下采样估计方法，其特征在于，所述最佳采样点同步方法包括四个步骤：

(1a)帧检测后的数据在5个点的窗口中与本地归一化的短训练序列共16个点进行互相关累加运算，将5个点的值进行存储；

(1b)在所述5个点的值中找到最大值点并与门限值进行比较，判定是否在范围内，此时有两种情况：

i.当最大值高于上门限或低于下门限时，将窗口移动一个短训练序列的长度，并重新执行步骤(1a)；

ii.当最大值高于下门限并低于上门限时，判定此短训练序列是否为最后一个，如果是则移至步骤(1c),否则丢弃帧；

(1c)从最后一个短训练序列结束前移3个点的位置开始，在10个点窗口中将数据与本地归一化长训练序列的循环前缀序列进行互相关累加运算；

(1d)在所述10个点窗口中找到最大值点并与门限值进行比较判定是否在范围内，此时有两种情况：

i.当最大值高于上门限或低于下门限时，未找到同步的最佳采样点位置；

ii.当最大值高于下门限并低于上门限时，找到的最大值即是长训练序列的循环前缀序列互相关的最大值位置。

3.根据权利要求1所述的适用于802.11ac接收机的同步与下采样估计方法，其特征在于，下采样估计模块包括七个步骤：

(2a)根据最佳采样点同步方法得到的最佳采样点位置找到第一个正交频分复用符号起始位置；

(2b)参数配置，主要是环路系数与误差值的初始化配置；

(2c)计算插值系数，并带入采样倍数个数据，估计出下采样的值；

(2d)误差检测方法计算出由于采样偏移造成的误差值，并通过环路滤波方法，对误差值进行整形；

(2e)将误差值分为整数误差与小数误差；

(2f)用整数误差补偿数控振荡器，将小数误差累加存储；

(2g)判定帧是否结束，此时有两种情况：

i.帧未结束，重新执行步骤(2c～2g)；

ii.帧结束，完成下采样估计。

4.根据权利要求2所述的适用于802.11ac接收机的同步与下采样估计方法，其特征在于，所述互相关累加运算公式如下：

<mrow> <mi>R</mi> <mo>=</mo> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>N</mi> </munderover> <mi>L</mi> <mi>s</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>*</mo> <mi>c</mi> <mi>o</mi> <mi>n</mi> <mi>j</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>R</mi> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>)</mo> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

其中Ls为短训练序列或长训练序列的循环前缀序列，R为接收到的帧序列，N为互相关点数。