CN107846376B - 一种基于伪随机序列的无线通信帧同步方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于伪随机序列的无线通信帧同步方法和系统，所述方法包括：步骤A，同步帧形成，发射时，基于伪随机序列产生同步帧脉冲序列；步骤B，帧同步控制，接收时，周期性地进行天线切换，使机载上天线、下天线射频信号交替进入接收处理通道；步骤C，帧同步判决，对接收处理通道产生的相关峰序列进行处理，得出捕获的脉冲序列，并进行同步帧判决；步骤D，根据捕获到的脉冲序列还原出完整同步帧脉冲序列，完成帧同步。本发明通过采用同步帧设计算法，结合上、下天线合理切换机制，可有效降低对无线通信网络中跳频帧同步捕获的接收处理信道资源开销，设计灵活且容易实现，特别适合小型化、低功耗产品设计应用。

Description

一种基于伪随机序列的无线通信帧同步方法和系统

技术领域

本发明涉及无线通信领域，尤其涉及一种基于伪随机序列的无线通信帧同步方法系统。

背景技术

同步是数字通信系统的信号处理的关键一环。在现有无线通信网络设计中，一组链路层通信帧格式通常包含同步帧和信息帧。同步帧一般不携带信息，采用双脉冲发射，通过采用扩频、跳频等手段而具有很强的抗干扰能力。同步帧主要起到对通信信号帧的同步捕获，并为信息帧正确解码起到精确定时同步指示作用。

现有大部分无线通信帧的同步设计大都借鉴Link16的波形设计思想，帧同步采用的典型接收处理流程如图1所示。由于同步帧采用跳频、扩频方式，天线RF接收通道数直接由同步帧设计的跳频个数决定，即每个通道调谐在相应的频率上。但是由于机载平台采用上、下天线，则需要两套完整的RF接收通道硬件电路，以至于若跳频个数为fn，接收通道数量增加至2fn，带来对接收处理资源、功耗等较大需求，并且不利于产品小型化设计。

发明内容

本发明的主要目的在于提出一种基于伪随机序列的无线通信帧同步方法，在保证一定的系统抗干扰能力情况下，解决机载上、下天线系统帧同步接收处理通道较多的技术问题。

本发明提供的一种基于伪随机序列的无线通信帧同步方法，包括：

步骤A，同步帧形成，发射时，基于伪随机序列产生同步帧脉冲序列；

步骤B，帧同步控制，接收时，周期性地进行天线切换，使机载上天线、下天线射频信号交替进入接收处理通道；

步骤C，帧同步判决，对接收处理通道产生的相关峰序列进行处理，得出捕获的脉冲序列，并进行同步帧判决；

步骤D，根据捕获到的脉冲还原出完整同步帧脉冲序列，完成帧同步。

进一步，所述同步帧脉冲序列由多组脉冲符号组成，每个符号对应频率参数f和伪码参数d，即二维参数(f，d)，所述步骤A包括：

步骤A1，根据跳频个数fn＝2n设置2n个符号参数，其中，n为大于0的整数；

步骤A2，将所述2n个符号参数分为n组，每组两个；

步骤A3，根据所述伪随机序列的值依次在每组中进行符号参数选取，当最后一组选择完后从第一组重新开始选择。

进一步，所述步骤A2包括：

将2n个符号参数(f1，d1)、(f2，d2)……(f2n，d2n)分为(f₁0，d₁0)、(f₁1，d₁1)；(f₂0，d₂0)、(f₂1，d₂1)；(f₃0，d₃0)、(f₃1，d₃1)……(f_t0，d_t0)和(f_t1，d_t1)，其中，t为组的编号，且t＝n；

所述步骤A3包括：

当所述伪随机序列的值为0时，符号参数选为(f_i0，d_i0)，当所述伪随机序列的值为1时，符号参数选为(f_i1，d_i1)，其中，i为大于0的整数，且i≤t。

进一步，在接收处理通道未检测到信号之前，所述周期Tp≤△tn/2；

其中，△tn为同步帧序列中的脉冲间隔。

进一步，在接收处理通道检测到信号之后，连续捕获长度为Ln的脉冲之后再切换天线，所述长度Ln≥dmin，且前一帧接收完成后，重新以Tp为周期进行上下天线切换，进入下一帧的处理；

其中，dmin为具有唯一性的最小化长度，伪随机序列中不小于该长度的片段在原伪随机序列中有且仅有一段。

进一步，在进行天线切换时，对上、下天线的信息进行本地化存储。

进一步，在帧同步控制电路周期性地进行天线切换后，帧同步判决电路根据天线切换的效果选择工作天线，所述天线切换的效果主要取决于天线切换后相关峰的质量。

进一步，所述天线切换后相关峰的质量为信号幅度或者捕获概率。

进一步，所述伪随机序列为M序列。

本发明还提供了一种基于伪随机序列的无线通信帧同步系统，包括：

同步帧形成装置，用于发射时，基于伪随机序列产生同步帧脉冲序列；

帧同步控制装置，用于接收时，周期性地进行天线切换，使机载上天线、下天线射频信号交替进入接收处理通道；

帧同步判决装置，用于对接收处理通道产生的相关峰进行处理，得出捕获的脉冲序列，并进行同步帧判决；

帧同步装置，用于根据捕获到的脉冲还原出完整同步帧脉冲序列，完成帧同步。

进一步，所述同步帧脉冲序列由多组脉冲符号组成，每个符号对应频率参数f和伪码参数d，即二维参数(f，d)，所述基于伪随机序列产生同步帧脉冲序列包括：

步骤A1，根据跳频个数fn＝2n设置2n个符号参数，其中，n为大于0的整数；

步骤A2，将所述2n个符号参数分为n组，每组两个；

步骤A3，根据所述伪随机序列的值依次在每组中进行符号参数选取，当最后一组选择完后从第一组重新开始选择。

进一步，所述步骤A2包括：

将2n个符号参数(f1，d1)、(f2，d2)……(f2n，d2n)分为(f₁0，d₁0)、(f₁1，d₁1)；(f₂0，d₂0)、(f₂1，d₂1)；(f₃0，d₃0)、(f₃1，d₃1)……(f_t0，d_t0)和(f_t1，d_t1)，其中，t为组的编号，且t＝n；

所述步骤A3包括：

当所述伪随机序列的值为0时，符号参数选为(f_i0，d_i0)，当所述伪随机序列的值为1时，符号参数选为(f_i1，d_i1)，其中，i为大于0的整数，且i≤t。

进一步，在接收处理通道未检测到信号之前，所述周期Tp≤△tn/2；

其中，△tn为同步帧序列中的脉冲间隔。

进一步，在接收处理通道检测到信号之后，连续捕获长度为Ln的脉冲之后再切换天线，所述长度Ln≥dmin，且前一帧接收完成后，重新以Tp为周期进行上下天线切换，进入下一帧的处理；

其中，dmin为具有唯一性的最小化长度，伪随机序列中不小于该长度的片段在原伪随机序列中有且仅有一段。

进一步，在进行天线切换时，帧同步判决装置对上、下天线的信息进行本地化存储。

进一步，在帧同步控制装置周期性地进行天线切换后，帧同步判决装置根据天线切换的效果选择工作天线，所述天线切换的效果主要取决于天线切换后相关峰的质量。

进一步，所述天线切换后相关峰的质量为信号幅度或者捕获概率。

进一步，所述伪随机序列为M序列。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：通过采用同步帧设计算法，结合上、下天线合理切换机制，可有效降低对无线通信网络中跳频帧同步捕获的接收处理信道资源开销，设计灵活且容易实现，特别适合小型化、低功耗产品设计应用。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是现有无线通信系统典型的帧同步接收处理示意图；

图2是本发明的帧同步整体示意图；

图3是同步帧脉冲序列符号形成示意图；

图4是另一同步帧脉冲序列符号形成示意图；

图5是接收端同步处理流程示意图；

图6是完整相关峰序列处理示意图；

图7是残缺相关峰序列处理示意图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

如图2所示，基于伪随机序列的无线通信帧同步方法包括同步帧形成、帧同步判决和帧同步控制。同步帧形成是指同步帧脉冲序列发射过程的控制管理，是信号级描述行为，属于帧设计范畴；帧同步判决是在中频数字处理后所形成的相关峰信息(含幅度、相位等)基础上开展的工作，属于帧格式逻辑判定范畴；帧同步控制是面向上、下天线接收时必须的一种天线控制行为，辅助帧同步判决电路实现最终帧同步结果判定。

发射时，同步帧脉冲序列由多组脉冲符号组成，符号个数可以为N＝2^k(k为大于0的整数，比如N＝8、16、32……)；考虑到系统抗干扰能力，同步帧序列采用跳频、扩频体制，每个符号对应频率参数f和伪码参数d(即二维参数(f，d))，每个时隙对应的符号参数(f，d)均随加密参数约定而变化，并且根据伪随机序列进行符号参数选取。在一个实施例中，根据k阶，长度为L＝N＝2^k的M序列进行符号参数选取。

在一个实施例中，跳频个数采用fn＝2n(n＝1)个频点，则发射脉冲的符号参数(f，d)均从(f0，d0)和(f1，d1)中按照排列序列p选取。在一个实施例中，考虑到伪随机序列长度的偶数特性、优良的互相关特性以及可观的序列数量，每个时隙符号的排列序列p可由级数为k、长度为N(2^k)的M序列决定。在一个实施例中，时隙号s时对应的伪随机序列为p(s)＝(0,1，1，……)，同步帧脉冲序列则按照(f0，d0)→(f1，d1)→(f1，d1)→……的顺序依次编码发射。

在一个实施例中，跳频个数采用fn＝2n(n为大于1的整数)个频点，则将2n个符号参数(f，d)参数根据一定规则分为n组，每组两个。即将符号参数(f1，d1)、(f2，d2)……(f2n，d2n)分为(f₁0，d₁0)、(f₁1，d₁1)；(f₂0，d₂0)、(f₂1，d₂1)；(f₃0，d₃0)、(f₃1，d₃1)……(f_t0，d_t0)和(f_t1，d_t1)，其中每个符号参数对应一个频点，t为组的编号，且t＝n。在一个实施例中，每个时隙符号的排列序列p由级数为k、长度为N(2^k)的M序列决定，根据M序列的值依次在每组中进行选择，当第t组选择完后从第1组重新开始。在一个实施例中，时隙号s时对应的伪随机序列为p(s)＝0110……，同步帧脉冲序列则按照(f₁0，d₁0)→(f₂1，d₂1)→(f₃1，d₃1)→(f₄0，d₄0)→……的顺序依次编码发射。

图3描述了同步帧序列生成过程，描述了伪随机序列产生后对发射序列的行为约束，其中同步帧跳频个数fn＝32、符号个数为16、p(s)＝(0000110010111101)，将32个符号参数分为16组，与符号个数一致，符号参数与符号可一一对应(如，0表征(f_i0，d_i0)，1表征(f_i1，d_i1))(i取值1-16)，并生成符合本发明要求的同步帧脉冲序列符号。

图4描述了同步帧序列生成的另一情况，此时跳频个数fn＝8、符号个数为16、p(s)＝(0000110010111101)，将8个符号参数分为4组，生成序列时根据p(s)依次在4组里循环挑选，直到形成16个脉冲符号，从而生成同步帧脉冲序列符号。

在一个实施例中，跳频个数采用fn＝2，接收端采用2路独立、并行的RF接收处理通道RF1(对应频点f1)和RF2(对应频点f2)。如图5所示，接收时，接收端在加电后进入正常待机状态。在接收处理通道未检测到信号之前，帧同步控制电路以Tp≤△tn/2为周期进行天线切换，使上天线、下天线射频信号交替进入RF1、RF2接收处理通道，其中Tp为控制电路上、下天线切换的周期，△tn为同步帧序列中的脉冲间隔。在一个实施例中，Tp＝△tn/2。一旦某一天线检测到信号后，RF接收处理通道将根据符号参数(f，d)的匹配情况产生对应相关峰。在帧同步判决电路对相关峰序列进行预处理时，特别是未检测到信号之前切换时机的非同步性(相对于发射帧起始时刻为Tc)，导致脉冲信号捕获对应脉冲序列的位置具有随机性，因此需要连续捕获一定长度的脉冲才能确定对应脉冲序列的位置，捕获脉冲判别长度Ln应不小于具有唯一性的最小化距离dmin，才能为后续信息帧脉冲起到精确同步指示作用。dmin根据伪随机序列自身决定，伪随机序列中不小于该长度的片段在原伪随机序列中有且仅有一段，若片段长度小于该长度则无法保证唯一性。在一个实施例中，dmin根据M序列自身决定，该M序列中不小于该长度的片段在原M序列中有且仅有一段。在不小于dmin的条件下，Ln可根据对接收系统的设计需求进行确定，Ln越长，确定的对应脉冲位置准确度越高，但需捕获的脉冲越长，对其中一路天线的捕获时间要求越长，反之亦然。若相关峰序列长度满足捕获长度Ln，则可切换至另一天线。进一步地，在帧同步控制电路周期性地进行天线切换后，帧同步判决电路根据天线切换的效果选择是工作在上天线还是下天线，主要取决于天线切换后相关峰的质量(比如信号幅度、捕获概率等)。在天线切换的一系列过程中，帧同步判决电路需要对上、下天线相关峰信息进行本地化存储管理，用于数据分析。最后，帧同步判决电路对周期切换而形成的相关峰序列进行组合化处理，根据相关峰的漏检概率和错捕概率并进行折衷，选择检测门限，给出同步帧的判决结果。

根据与发送端相同的分组规则决定各通道输出的相关峰参数为0或者1，即脉冲参数属于(f0，d0)的为0，反之(f1，d1)为1，连续捕获达到脉冲判别长度Ln以后，由于连续捕获的脉冲满足最小化距离，因此能够确定该段序列在对应的脉冲序列位置，根据该段序列能够还原出完整脉冲同步帧脉冲序列，从而能够为后续信息帧脉冲完成精确同步，并且切换到另一天线进行处理。

在一个实施例中，前一帧接收完成后，重新以Tp为周期进行上下天线切换，等待下一帧的到来，在检测到下一帧的信号后，如前所述，捕获脉冲判别长度Ln应不小于具有唯一性的最小化距离dmin，才可进行天线切换。

在一个实施例中，发射信号都能进入上、下天线，跳频个数采用fn＝2，接收端采用2路独立、并行的RF接收处理通道RF1(对应频点f1)和RF2(对应频点f2)，符号个数为16，p(s)＝(0000110010111101)，如图6所示。检测到信号后，根据信号的接收通道的输出确定脉冲，发射信号全部进入上、下天线，捕获到完整的脉冲序列，并以此来完成为后续信息帧脉冲的精同步处理。

在一个实施例中，跳频个数大于2，即fn＝2n(n为大于1的整数)，则接收端需要2n个接收处理通道，在检测到信号之前，帧同步控制电路以Tp＝△tn/2为周期进行天线切换，在检测到信号后，RF接收处理通道根据符号参数的匹配情况产生相关峰。接收端采用与发送端的相同的分组规则决定各通道输出的相关峰参数为0或者1，即脉冲参数属于(f_t0，d_t0)的为0，(f_t1，d_t1)为1。由此来得出捕获的脉冲序列，并以此来完成为后续信息帧脉冲的精同步处理。

在一个实施例中，发射信号只进入上、下天线某一个天线，跳频个数fn＝2n＝32(n＝16)，符号个数为16、p(s)＝(0000110010111101)，捕获长度Ln＝6，如图7所示。根据信号的接收通道的输出确定脉冲，当捕获脉冲的长度为6时，捕获到的脉冲为110010，在此p(s)序列中，110010该段脉冲的位置具有唯一性，以此确定捕获的脉冲序列的首位为整个同步帧序列的第5位，从而确定整个脉冲的位置，完成同步。

在一个实施例中，一种基于伪随机序列的无线通信帧同步系统，包括：同步帧形成装置，用于发射时，基于伪随机序列产生同步帧脉冲序列；帧同步控制装置，用于接收时，周期性地进行天线切换，使机载上天线、下天线射频信号交替进入接收处理通道；帧同步判决装置，用于对接收处理通道产生的相关峰进行处理，得出捕获的脉冲序列，并进行同步帧判决；帧同步装置，用于根据捕获到的脉冲还原出完整同步头脉冲，完成帧同步。

与现有技术相比，在接收端不需要对上、下天线分别独立处理，两天线通道可交替工作，可通过部分同步帧脉冲序列的检测来完成帧同步并通过上下天线接收的切换机制同时完成对两天线信号的接收。在跳频个数为fn的情况下，只需要fn个RF通道，即可节省一半资源。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (20)

1.一种基于伪随机序列的无线通信帧同步方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤A，同步帧形成，即发射时，基于伪随机序列产生同步帧脉冲序列；

步骤B，帧同步控制，即接收时，周期性地进行天线切换，使机载上天线、下天线射频信号交替进入接收处理通道；

步骤C，帧同步判决，即对接收处理通道产生的相关峰序列进行处理，得出捕获的脉冲序列，并进行同步帧判决；

步骤D，根据捕获到的脉冲序列还原出完整同步帧脉冲序列，完成帧同步。

2.根据权利要求1所述的一种基于伪随机序列的无线通信帧同步方法，其特征在于，所述同步帧脉冲序列由多组脉冲符号组成，每个符号对应频率参数f和伪码参数d，即二维参数(f，d)，所述步骤A包括：

步骤A1，根据跳频个数fn＝2n设置2n个符号参数，其中，n为大于0的整数；

步骤A2，将所述2n个符号参数分为n组，每组两个；

步骤A3，根据所述伪随机序列的值依次在每组中进行符号参数选取，当最后一组选择完后从第一组重新开始选择。

3.根据权利要求2所述的一种基于伪随机序列的无线通信帧同步方法，其特征在于，所述步骤A2包括：

将2n个符号参数(f1，d1)、(f2，d2)……(f2n，d2n)分为(f₁0，d₁0)、(f₁1，d₁1)；(f₂0，d₂0)、(f₂1，d₂1)；(f₃0，d₃0)、(f₃1，d₃1)……(f_t0，d_t0)和(f_t1，d_t1)，其中，t为组的编号，且t＝n；

所述步骤A3包括：

当所述伪随机序列的值为0时，符号参数选为(f_i0，d_i0)，当所述伪随机序列的值为1时，符号参数选为(f_i1，d_i1)，其中，i为大于0的整数，且i≤t。

4.根据权利要求1所述的一种基于伪随机序列的无线通信帧同步方法，其特征在于，在接收处理通道未检测到信号之前，所述周期Tp≤△tn/2，其中，△tn为同步帧序列中的脉冲间隔。

5.根据权利要求4所述的一种基于伪随机序列的无线通信帧同步方法，其特征在于，在接收处理通道检测到信号之后，连续捕获长度为Ln的脉冲之后再切换天线，所述长度Ln≥dmin，其中，dmin为具有唯一性的最小化长度，伪随机序列中不小于该长度的片段在原伪随机序列中有且仅有一段。

6.根据权利要求5所述的一种基于伪随机序列的无线通信帧同步方法，其特征在于，前一帧接收完成后，重新以Tp为周期进行上下天线切换，进入下一帧的处理。

7.根据权利要求1所述的一种基于伪随机序列的无线通信帧同步方法，其特征在于，在进行天线切换时，对上、下天线的信息进行本地化存储。

8.根据权利要求1所述的一种基于伪随机序列的无线通信帧同步方法，其特征在于，在帧同步控制电路周期性地进行天线切换后，帧同步判决电路根据天线切换的效果选择工作天线，所述天线切换的效果主要取决于天线切换后相关峰的质量。

9.根据权利要求8所述的一种基于伪随机序列的无线通信帧同步方法，其特征在于，所述天线切换后相关峰的质量为信号幅度或者捕获概率。

10.根据权利要求1-9任一项所述的一种基于伪随机序列的无线通信帧同步方法，其特征在于，所述伪随机序列为M序列。

11.一种基于伪随机序列的无线通信帧同步系统，其特征在于，包括：

同步帧形成装置，用于发射时，基于伪随机序列产生同步帧脉冲序列；

帧同步控制装置，用于接收时，周期性地进行天线切换，使机载上天线、下天线射频信号交替进入接收处理通道；

帧同步判决装置，用于对接收处理通道产生的相关峰进行处理，得出捕获的脉冲序列，并进行同步帧判决；

帧同步装置，用于根据捕获到的脉冲还原出完整同步帧脉冲序列，完成帧同步。

12.根据权利要求11所述的一种基于伪随机序列的无线通信帧同步系统，其特征在于，所述同步帧脉冲序列由多组脉冲符号组成，每个符号对应频率参数f和伪码参数d，即二维参数(f，d)，所述基于伪随机序列产生同步帧脉冲序列包括：

步骤A1，根据跳频个数fn＝2n设置2n个符号参数，其中，n为大于0的整数；

步骤A2，将所述2n个符号参数分为n组，每组两个；

步骤A3，根据所述伪随机序列的值依次在每组中进行符号参数选取，当最后一组选择完后从第一组重新开始选择。

13.根据权利要求12所述的一种基于伪随机序列的无线通信帧同步系统，其特征在于，所述步骤A2包括：

将2n个符号参数(f1，d1)、(f2，d2)……(f2n，d2n)分为(f₁0，d₁0)、(f₁1，d₁1)；(f₂0，d₂0)、(f₂1，d₂1)；(f₃0，d₃0)、(f₃1，d₃1)……(f_t0，d_t0)和(f_t1，d_t1)，其中，t为组的编号，且t＝n；

所述步骤A3包括：

当所述伪随机序列的值为0时，符号参数选为(f_i0，d_i0)，当所述伪随机序列的值为1时，符号参数选为(f_i1，d_i1)，其中，i为大于0的整数，且i≤t。

14.根据权利要求11所述的一种基于伪随机序列的无线通信帧同步系统，其特征在于，在接收处理通道未检测到信号之前，所述周期Tp≤△tn/2；

其中，△tn为同步帧序列中的脉冲间隔。

15.根据权利要求14所述的一种基于伪随机序列的无线通信帧同步系统，其特征在于，在接收处理通道检测到信号之后，连续捕获长度为Ln的脉冲之后再切换天线，所述长度Ln≥dmin，其中，dmin为具有唯一性的最小化长度，伪随机序列中不小于该长度的片段在原伪随机序列中有且仅有一段。

16.根据权利要求15所述的一种基于伪随机序列的无线通信帧同步系统，其特征在于，前一帧接收完成后，重新以Tp为周期进行上下天线切换，进入下一帧的处理。

17.根据权利要求11所述的一种基于伪随机序列的无线通信帧同步系统，其特征在于，在进行天线切换时，帧同步判决装置对上、下天线的信息进行本地化存储。

18.根据权利要求11所述的一种基于伪随机序列的无线通信帧同步系统，其特征在于，在帧同步控制装置周期性地进行天线切换后，帧同步判决装置根据天线切换的效果选择工作天线，所述天线切换的效果主要取决于天线切换后相关峰的质量。

19.根据权利要求18所述的一种基于伪随机序列的无线通信帧同步系统，其特征在于，所述天线切换后相关峰的质量为信号幅度或者捕获概率。

20.根据权利要求11-19任一项所述的一种基于伪随机序列的无线通信帧同步系统，其特征在于，所述伪随机序列为M序列。

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