CN107959650A - 一种面向低码率bch码的盲帧同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向低码率BCH码的盲帧同步方法，属于数字通信传输同步技术领域，该方法发送端将编码码字叠加上伪随机序列进行传输，接收端将接收数据解映射后，根据低码率BCH码编码比特两两异或运算均相同的多组编码比特序号对序列，分别计算与序列对应的部分相关值，将多个编码比特序号对序列对应的部分相关值取绝对值然后相加得到最终的相关值，该值送入峰值检测模块进行判决。本发明提出的帧同步方法不需要额外增加同步序列，节省了系统开销，加快帧同步捕获帧头的速度，提高系统工作在低信噪比下的帧同步性能。

Description

一种面向低码率BCH码的盲帧同步方法

技术领域

本发明涉及数字通信传输同步技术领域，尤其涉及一种面向低码率BCH (Bose-Chaudhuri-Hocquenghem)码的盲帧同步方法。

背景技术

在数字通信系统中，数据按照一定的帧格式进行传输。为了实现数据帧的正确接收，必须建立帧同步，使接收端正确地找到帧起始位置。

帧同步按是否需要同步码可划分为数据辅助(DA)方式和非数据辅助(NDA)的方式。DA方式是在数据帧中插入特殊的同步码，接收端通过检测同步码的位置实现帧同步。同步码的检测判决通常有两种判决准则：最大相关检测准则和最大似然检测准则：

1、最大相关检测准则最早由Barker提出，通过将同步码与接收数据进行相关运算，若输出的相关值大于阈值时，则判决帧头捕获。

2、Massey最先提出了最大似然检测准则，并指出在加性高斯白噪声情况下简单的相关准则并不能达到最优效果；Kopansky等人将此算法扩展瑞利衰落信道并得出了相似的结果；之后Chiani等人提出了似然比检测算法，该算法同最大似然算法相比，运算量降低。

此外，DA方式的编码辅助帧同步方法，首先利用同步码找出候选的同步位置，进一步利用编码的数据特点判决最佳同步位置。

NDA方式的同步算法称为盲同步，与DA方式相比不需要同步码，同步仅依赖编码数据，节省了系统开销，在数据帧长度较短的情况下尤为明显。Imad提出了基于校验子对数似然比软信息的盲同步算法，并给出了尽可能满足校验方程的最大后验概率准则下的最优和次优检测算法。此外，有些研究者给出了一种适合准循环低密度奇偶校验码的盲帧同步算法，通过译码辅助的方式改善帧同步的性能，虽然基于译码辅助的帧同步方式性能较好，但是估计时间较长，复杂度较高。

发明内容

本发明提供了一种面向低码率BCH码的盲帧同步方法，本发明利用低码率BCH码编码比特两两异或均相同的编码比特序号对序列，将解映射后的数据进行相关运算在低信噪比条件下快速、准确地完成帧同步，详见下文描述：

一种面向低码率BCH码的盲帧同步方法，所述盲帧同步方法包括以下步骤：

1)根据低码率BCH码的生成多项式得到生成矩阵，对生成矩阵进行处理获取多组编码比特序号对序列组成的集合

2)发送端将BCH码编码码字叠加上伪随机序列后进行传输；

3)接收端将接收数据解映射得到的比特序列依次移入长度为N的移位寄存器；利用N 个寄存器中的数据根据编码比特序号对序列计算与该序列对应的部分相关值；将若干组编码比特序号对序列对应的部分相关值先取绝对值然后求和，得到相关值；

4)对相关值进行判决，若判决后给出帧头捕获信号，则给出帧头起始位置参考信号并停止帧捕获，流程结束；否则，返回步骤3)。

所述编码比特序号对序列的集合具体为：

构造编码比特长度为N，信息比特长度为K，且满足N＝2^K-1-1的BCH码的编码比特序号对序列的集合

中的第n个序列记为T_n，n＝0,1,…,N-1，T_n＝{(i₀,j₀),(i₁,j₁),…,(i_(N-3)/2,j_(N-3)/2)}， T_n中编码比特序号对(i_p,j_p)满足任何一组编码比特均相同，其中 i_p,j_p∈{0,1,…,N-1}，且i_p＜j_p，i_p,j_p为编码比特的序号。

所述方法还包括：

将生成矩阵G中每两个列矢量进行异或运算，并将异或运算得到的列矢量存储在大小的矩阵G′中；

生成矩阵G中两个列矢量的序号组成的序号对(i_m,j_m)存储在长度为的序列 T′中，G′中的列矢量与T′中的序号对一一对应，其中

将矩阵G′中相同列矢量对应的T′中的序号对(i_m,j_m)组成编码比特序号对序列，并将得到的N个编码比特序号对序列组成集合

所述利用N个寄存器中的数据根据编码比特序号对序列计算与该序列对应的部分相关值具体为：

根据编码比特序号对序列中的编码比特序号对(i_p,j_p)分别抽取寄存器中的比特和以及伪随机序列S中的扰码比特和进行异或运算，得到比特d_p，具体为：

将d_p按照比特‘0’映射为‘-1’，比特‘1’映射为‘+1’的方式进行映射；

根据某一编码比特序号对序列，将上述映射后的结果求和得到与该编码比特序号对列对应的部分相关值。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

1、发送端数据经低码率BCH码编码后叠加伪随机序列传输，接收端根据编码比特序号对序列提取的数据满足编码比特两两异或后值相同的特点，使得抽取的数据进行异或运算后消除了编码比特的不确定性，从而实现帧同步；

2、对(N,K)BCH码的生成矩阵进行处理，能够搜索到N组长度为(N-1)/2的编码比特序号对序列，充分使用BCH码的编码比特之间特性，使得用于帧同步的数据增多，改善帧同步的性能；

3、对接收数据进行解映射后，再进行帧同步，适合所有的调制模式，并且帧同步使用硬判决信息使得帧同步的实现复杂度降低。

附图说明

图1为本发明提供的面向低码率BCH码的盲帧同步方法的流程图；

图2为将生成矩阵G中每两个列向量进行异或运算得到G′和T′的流程图；

图3为根据G′和T′得到编码比特序号对序列的流程图；

图4为本发明提供的面向低码率BCH码的盲帧同步方法的系统框图；

图5为表征帧同步性能的帧同步错误概率随信噪比变化的曲线示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

针对低信噪比下的帧同步问题，本发明实施例提出了一种面向低码率BCH码的盲帧同步方法，该方法基于编码比特的两两异或均相同的编码比特对，能消除相关值中编码比特的不确定性，从而实现帧同步。

实施例1

本发明实施例用于数字通信系统接收机的物理层帧同步部分的实现中，发送端采用低码率BCH码进行编码，根据低码率BCH码的编码比特之间的依赖关系，得到满足编码比特两两异或运算相同的编码比特序号对序列；接收端使用编码比特序号对序列提取叠加的伪随机序列计算部分相关值，部分相关值叠加以后借助峰值检测实现帧同步，参见图1、图2、图3、图4和图5。下面结合附图对本方法做出详细说明：

101：根据低码率(N,K)BCH码的生成多项式得到生成矩阵，对生成矩阵进行处理获取多组编码比特序号对序列组成的集合；

102：发送端将BCH码编码码字叠加上伪随机序列后进行传输；

103：接收端将接收数据解映射得到的比特序列依次移入长度为N的移位寄存器；利用 N个寄存器中的数据根据编码比特序号对序列计算与该序列对应的部分相关值；将若干组编码比特序号对序列对应的部分相关值先取绝对值然后求和，得到相关值；

104：对相关值进行判决，若判决后给出帧头捕获信号，则给出帧头起始位置参考信号并停止帧捕获，流程结束；否则，返回步骤103。

综上所述，本发明实施例通过上述步骤101-步骤104实现了发送端数据经低码率BCH 码编码后叠加伪随机序列传输，接收端根据编码比特序号对序列提取的数据满足编码比特两两异或后值相同的特点，使得抽取的数据进行异或运算后消除了编码比特的不确定性，从而实现帧同步。

实施例2

下面结合具体的计算公式、实例对实施例1中的方案进行进一步地介绍，详见下文描述：

201：对低码率(N,K)BCH码的生成矩阵G进行处理，得到多组编码比特序号对序列组成的集合

其中，生成矩阵G根据循环多项式得到，对于低码率(N,K)BCH码，若满足N＝2^K-1-1，总共可以得到N个编码比特序号对序列的集合集合中的第n个序列记为T_n， n＝0,1,…,N-1，T_n＝{(i₀,j₀),(i₁,j₁),…,(i_(N-3)/2,j_(N-3)/2)}，T_n中编码比特序号对(i_p,j_p)满足任何一组编码比特均相同，其中i_p,j_p∈{0,1,…,N-1}，且i_p＜j_p，i_p,j_p为编码比特的序号。

2011：将生成矩阵G中每两个列矢量进行异或运算，并将异或运算得到的列矢量存储在大小的矩阵G′中，G中两个列矢量的序号组成的序号对(i_m,j_m)存储在长度为的序列T′中，G′中的列矢量与T′中的序号对一一对应，其中

2012：将矩阵G′中相同列矢量对应的T′中的序号对(i_m,j_m)组成编码比特序号对序列，并将得到的N个编码比特序号对序列组成集合

参见图2，上述步骤2011具体为：

1)初始化m＝0，i_m＝0；

2)令j_m＝i_m+1；

3)计算G′中第m个列矢量且T′中的第m个序号对 T′(m)＝(i_m,j_m)，m＝m+1，其中G(i_m)和G(j_m)分别表示G中第i_m个和第j_m个列矢量；

4)若j_m-1＜N-1，则j_m＝j_m-1+1，执行步骤3)，否则执行步骤5)；

5)若则i_m＝i_m-1+1，执行步骤2)，否则输出G′和T′

参见图3，上述步骤2012具体为：

1)初始化n＝0；

2)初始化m＝n，p＝0，T_n中第0个序号对T_n(0)＝T′(n)，T′(n)＝(-1,-1)；

3)令m＝m+1；

4)若G′(m)≠G′(n)，则执行步骤3)，否则p＝p+1，T_n(p)＝T′(m)，T′(m)＝(-1,-1)，并执行步骤5)；

5)若则执行步骤3)，否则执行步骤6)；

6)若n＜N-1，则n＝n+1，执行步骤2)，否则执行步骤7)；

7)将T′中不等于(-1,-1)的编码比特序号对组成T_N-1，并将序列T₀,T₁,…,T_N-1组成集合

202：发送端数据采用低码率BCH码编码，编码码字叠加一个伪随机序列 S＝{s₀,s₁,…,s_N-1}后，进行传输，具体步骤为：

参见图4，该步骤202具体为：

2021：将低码率BCH码编码输出的第k个编码比特c_k与伪随机序列中的第k个比特s_k进行异或运算得到y_k，k＝0,1,…,N-1；

2022：将y_k映射为发送符号z_k。

203：接收端将接收数据解映射得到的比特序列依次移入长度为N的移位寄存器；利用N个寄存器中的数据根据编码比特序号对序列计算与该序列对应的部分相关值；将若干组编码比特序号对序列对应的部分相关值先取绝对值然后求和，得到相关值；

参见图4，该步骤203具体为：

2031：对接收数据进行解映射，并依次移入长度为N的移位寄存器；

2032：根据编码比特序号对序列中的编码比特序号对(i_p,j_p)分别抽取寄存器中的比特和以及伪随机序列S中的扰码比特和进行异或运算，得到比特d_p，具体为：

2033：将比特d_p按照比特‘0’映射为‘-1’，比特‘1’映射为‘+1’的方式进行映射；然后根据某一编码比特序号对序列，将上述映射后的结果w_p求和得到与该编码比特序号对序列对应的部分相关值Λ_l；

2034：将与L组编码比特序号对序列对应的部分相关值Λ_l，先取绝对值然后求和，作为最终的相关值Λ。

综上所述，本发明实施例通过上述步骤实现了对接收数据进行解映射后，再进行帧同步，适合所有的调制模式，并且帧同步使用硬判决信息使得帧同步的实现复杂度降低。

实施例3

下面给出具体的实施例，验证实施例1和2中方案的可行性，详见下文描述：

步骤(1)中，对(63,7)BCH码的生成矩阵G进行处理得到63个编码比特序号对序列组成的集合(63,7)BCH的生成矩阵为：

步骤(1)中，(63,7)BCH码对应的编码比特序号对序列的集合中包含63组编码比特序号对序列，这里给出10组编码比特序号对序列，如表1所示。

表1(63,7)BCH码对应的编码比特序号对序列的集合中10组编码比特序号对序列

步骤(2)发送端数据采用低码率BCH码编码，编码码字叠加一个伪随机序列后，采用BPSK调制方式传输，其中伪随机序列S可以选择：

0111000110011101100000111100100101010011010000100010110111111010。

步骤(3)中，在接收端对接收数据进行硬判决得到比特序列，然后将该比特序列依次移入长度为N的移位寄存器，从中选择L个编码比特序号对序列，其中 L＝1,2,4,10,20,30,40；利用N个寄存器中的数据先根据编码比特序号对序列计算与该序列对应的部分相关值，然后将所有L个编码比特序号对序列对应的部分相关值先取绝对值然后相加得到最终的相关值。

步骤(4)中，峰值检测模块采用单峰值检测，即在每一帧数据中找到峰值位置作为帧起始位置。

在AWGN信道下，对面向低码率BCH的盲帧同步方法进行性能仿真，仿真不同编码比特序号对序列数目L下的帧同步错误率(Frame Synchronization Error Rate，FSER)随信噪比变化的曲线，如附图5所示，由图可知提出的盲帧同步方法，随着编码比特序号对序列数目的增多，性能得到改善。

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种面向低码率BCH码的盲帧同步方法，其特征在于，所述盲帧同步方法包括以下步骤：

1)根据低码率BCH码的生成多项式得到生成矩阵，对生成矩阵进行处理获取多组编码比特序号对序列组成的集合

2)发送端将BCH码编码码字叠加上伪随机序列后进行传输；

3)接收端将接收数据解映射得到的比特序列依次移入长度为N的移位寄存器；利用N个寄存器中的数据根据编码比特序号对序列计算与该序列对应的部分相关值；将若干组编码比特序号对序列对应的部分相关值先取绝对值然后求和，得到相关值；

4)对相关值进行判决，若判决后给出帧头捕获信号，则给出帧头起始位置参考信号并停止帧捕获，流程结束；否则，返回步骤3)。

2.根据权利要求1所述的一种面向低码率BCH码的盲帧同步方法，其特征在于，所述编码比特序号对序列的集合具体为：

构造编码比特长度为N，信息比特长度为K，且满足N＝2^K-1-1的BCH码的编码比特序号对序列的集合

中的第n个序列记为T_n，n＝0,1,…,N-1，T_n＝{(i₀,j₀),(i₁,j₁),…,(i_(N-3)/2,j_(N-3)/2)}，T_n中编码比特序号对(i_p,j_p)满足任何一组编码比特均相同，其中i_p,j_p∈{0,1,…,N-1}，且i_p＜j_p，i_p,j_p为编码比特的序号。

3.根据权利要求1所述的一种面向低码率BCH码的盲帧同步方法，其特征在于，所述方法还包括：

将生成矩阵G中每两个列矢量进行异或运算，并将异或运算得到的列矢量存储在大小的矩阵G′中；

生成矩阵G中两个列矢量的序号组成的序号对(i_m,j_m)存储在长度为的序列T′中，G′中的列矢量与T′中的序号对一一对应，其中

将矩阵G′中相同列矢量对应的T′中的序号对(i_m,j_m)组成编码比特序号对序列，并将得到的N个编码比特序号对序列组成集合

4.根据权利要求1所述的一种面向低码率BCH码的盲帧同步方法，其特征在于，所述利用N个寄存器中的数据根据编码比特序号对序列计算与该序列对应的部分相关值具体为：

根据编码比特序号对序列中的编码比特序号对(i_p,j_p)分别抽取寄存器中的比特和以及伪随机序列S中的扰码比特和进行异或运算，得到比特d_p，具体为：

<mrow> <msub> <mi>d</mi> <mi>p</mi> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mover> <mi>y</mi> <mo>^</mo> </mover> <msub> <mi>i</mi> <mi>p</mi> </msub> </msub> <mo>&amp;CirclePlus;</mo> <msub> <mover> <mi>y</mi> <mo>^</mo> </mover> <msub> <mi>j</mi> <mi>p</mi> </msub> </msub> <mo>&amp;CirclePlus;</mo> <msub> <mi>s</mi> <msub> <mi>i</mi> <mi>p</mi> </msub> </msub> <mo>&amp;CirclePlus;</mo> <msub> <mi>s</mi> <msub> <mi>j</mi> <mi>p</mi> </msub> </msub> <mo>;</mo> </mrow>

将d_p按照比特‘0’映射为‘-1’，比特‘1’映射为‘+1’的方式进行映射；

根据某一编码比特序号对序列，将上述映射后的结果求和得到与该编码比特序号对序列对应的部分相关值。