CN108449298A - 一种适应于高速宽带通信的定时同步与频偏估计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种适应于高速宽带通信的定时同步与频偏估计方法，包括以下步骤：1)帧同步：包括信号捕获度量计算和捕获结果判断；2)定时同步：包括符号同步和样值同步；3)频偏估计：包括粗频偏估计、细频偏估计和频偏补偿。本发明在信号捕获阶段采用门限判定和分段求和、平滑检测相结合的判定方式，解决了捕获时间长和高虚检概率的问题；在定时同步阶段不仅给出了符号同步位置，同时给出了样值同步，通过样值点搜索，将同步误差控制到一个抽样间隔以下；运用相同的符号块进行大频偏的估计与补偿，解决了常规方法不能估计大频偏的难题。

Description

一种适应于高速宽带通信的定时同步与频偏估计方法
技术领域
本发明涉及高速宽带通信领域，尤其涉及一种适应于高速宽带通信的定时同步与频偏估计方法。
背景技术
同步技术是任何一个通信系统都需要解决的实际问题，其性能直接关系到整个通信系统的性能。可以说，没有准确的同步算法，就不能进行可靠的数据传输，它是信息可靠传输的前提。通信系统的同步主要包括定时同步和频偏估计与补偿。定时同步又包括粗定时同步和细定时同步。粗定时同步主要是信号捕获，捕获信号的到来以及信号帧的起始位置；细定时同步是在粗定时同步的基础上进一步提高定时精度。频偏同步部分可分为频偏估计和频偏补偿两个部分。
精确的定时同步算法和频偏估计和补偿对通信系统来说是至关重要的，它可以提供符号的正确起始位置以便传输数据能够被正确解调。通信系统的接收机的定时同步误差和载波偏差不但会引起符号间的干扰(ISI)，而且还会引起接收机FFT输出端的信号星座图的发散与旋转，造成系统性能的恶化。现有的定时同步和频偏估计方法捕获时间长，虚检概率高且频偏估计范围有限。
申请号2017103321648公开了一种高速数传系统中同步均衡方法，包括步骤1，首先对数字基带信号进行大频偏的估计和补偿；步骤2、对大频偏补偿过后的信号进行定时同步，定位最佳的采样时刻；步骤3、使用判决引导算法进行载波同步，以实现剩余载波频偏估计，同时把载波频偏信息反馈至定时同步模块之前，实现剩余频偏补偿纠正；步骤4、利用CMA算法对同步后的信号进行自适应盲宽带均衡。该专利的缺点是不能解决突发环境下估计频偏范围有限、捕获信号时间较长和捕获精度不够的难题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适应于高速宽带通信的定时同步与频偏估计方法。本发明在信号捕获阶段采用门限判定和分段求和、平滑检测相结合的判定方式，解决了捕获时间长和高虚检概率的问题；在定时同步阶段不仅给出了符号同步位置，同时给出了样值同步，通过样值点搜索，将同步误差控制到一个抽样间隔以下；运用相同的符号块进行大频偏的估计与补偿，解决了常规方法不能估计大频偏的难题。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种适应于高速宽带通信的定时同步与频偏估计方法，包括以下步骤：
1)帧同步：包括信号捕获度量计算和捕获结果判断，从同步检测初始时刻开始，计算接收信号的延迟相关值以及对应时刻的功率值，延迟的长度为一个时隙的长度，计算所述延迟相关值和功率值的比值，采用门限判断和平滑检测的双重方法判定信号捕获结果，给出粗定时同步结果，即符号的粗略起始位置d1；
2)定时同步：包括符号同步和样值同步，搜索d1前后一定范围符号，计算与本地导频序列的互相关值，搜索最大相关值以及最大相关值位置d2；搜索d2前一定范围内符号数，根据设定门限搜索首径位置用于后续均衡；搜索d2前后一定范围样值点，计算与本地导频序列的互相关值，搜索最大相关值以及最大相关值位置d3；其中，样点数的多少由系统过采样倍数决定；
3)频偏估计：包括粗频偏估计、细频偏估计和频偏补偿，将接收信号中的导频信号依次设置为关键字UW1,UW2,UW3，根据定时同步中的样值同步位置，利用所述三段关键字UW1,UW2,UW3，分别计算UW1和UW2，UW2和UW3的相关值，求出粗频偏估计fcoarse；用fcoarse补偿前后两个时隙头部的导频信号UW1和UW3，计算粗频偏补偿后的UW1和UW3的相关值，进而求得细频偏估计ffine，计算最终频偏估计f＝fcoarse+ffine。
具体地，d1是一个粗略的位置，相比实际位置可能提前也可能滞后，其取决于帧同步方法。“搜索d1前后一定范围符号”中的一定范围可通过位置误差的概率密度函数(PDF)获得。
具体地，d2是最大相关值位置，即最大径位置，这个位置的确定由所述设定门限相对确定。“搜索d2前一定范围内符号数”中的一定范围可设置为信道估计长度的一半，所述最大径位置处于正中间位置，所述首径位置在所述最大径位置前面。
具体地，“搜索d2前后一定范围样值点”中的一定范围是由过采样倍数决定的。4倍过采样就是一个符号包含4个采样值，则搜索范围应该是前3个样值和后3个样值。
优选地，所述信号到达检测进一步包括：对接收到的数据帧进行帧到达检测，当检测到有效数据帧时，确定出数据帧的帧头位置，将所述确定出的帧头位置对应的时刻作为同步检测初始时刻。
优选地，所述定时同步进一步包括：基于本地信号互相关方法搜索最大相关值。
优选地，所述频偏估计中，将UW1和UW3设置为相同。
优选地，所述频偏估计中，将UW1和UW3设置为不同。
优选地，所述帧同步中接收信号与其延迟信号先分别与本地导频序列进行互相关运算，再利用运算结果计算接收信号的延迟相关值。
优选地，所述频偏估计中接收信号的UW1和UW3需先与对应的本地导频序列进行互相关运算，再利用运算结果进行差分运算计算最终频偏估计。
优选地，所述频偏估计中，UW2的序列长度与UW1的序列长度设置为相同。
优选地，所述频偏估计中，UW2的序列长度与UW1的序列长度设置为不同。
优选地，所述频偏估计中，UW2截取自UW1，依据UW2分段来计算频偏。
具体地，假定UW1序列长度为128，则UW2序列长度可定为64，信号UW2＝UW1(65：128)。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于，1)在信号捕获阶段采用门限判定和分段求和、平滑检测相结合的判定方式，解决了捕获时间长和高虚检概率的问题；2)在定时同步阶段不仅给出了符号同步位置，同时给出了样值同步，通过样值点搜索，将同步误差控制到一个抽样间隔以下；3)运用相同的符号块进行大频偏的估计与补偿，解决了突发环境下常规方法估计频偏范围有限的难题；4)本发明同时适应高斯信道和多径信道，其频偏估计的范围和精度不受多径的影响。
附图说明
图1为根据实施例的一种适应于高速宽带通信的定时同步与频偏估计方法的流程图；
图2为根据实施例的捕获门限VT的仿真示意图；
图3为根据实施例的同步捕获算法的流程图；
图4为根据实施例的定时同步判决门限的仿真示意图；
图5为根据实施例的用于频偏估计的帧结构的示意图。
图中：SNR：信噪比；PDF：概率密度函数；slot：时隙；UW1：关键字；UW2：关键字；UW3：关键字；Data1：数据1；Data2：数据3；Data3：数据3；Nf：延迟相关的延迟长度。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述发实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。
提供一种适应于高速宽带通信的定时同步与频偏估计方法，如图1所示，包括信号捕获、符号定时同步、样值定时同步、粗频偏估计、粗频偏补偿和细频偏估计。
本实施例所涉及的主要设计参数取值如下表所示：
1.1信号捕获度量计算
捕获一开始，首先利用接收信号中重复出现的导频信号进行自相关检测，计算n时刻相关累加值：
R(n)即为接收信号r(n)延迟自相关的表达式，N为导频数据的长度，D为一个时隙的长度。
定义判决度量M(n)为：其中，
P(n)为前后两段长度为N的相关数据的信号功率的平均值，用来对相关值进行功率归一化。判决度量M(n)的实际意义就是功率归一化的相关值。
1.2捕获结果判断
本发明捕获结果的判断主要分以下步骤进行，详细流程图如图3所示：
1)捕获同步度量M(n)>VT的时刻n1。其中，静态相关门限VT＝0.1，通过仿真判决度量M(n)的概率分布(PDF)曲线获得，如图2所示；
2)在n1时刻起，计算i＝1；
3)计算i＝2。若sum(i)<sum(i-1)，则跳到步骤4)；否则，计算sum(i)，i＝i+1；
4)判断M(n1+L*(i-1))是否大于VT。若满足M(n1+L*(i-1))>VT，则捕获成功；否则返回帧同步，继续捕获。
同步捕获成功后同时给出粗定时同步位置
2.1定时同步
定时同步主要分符号定时同步和样值定时同步两个部分。符号定时同步利用长度为N的本地训练信号c(n)与接收符号r(n)进行符号互相关检测。具体步骤如下：
1)根据已获得的粗定时同步位置d1，对接收信号选取一个宽度为P的观察窗口S(这个观察窗口就是捕获阶段给出的范围S1)，窗口内的数据表示为：
S1＝{r(d1-dleft),…,r(d1-1),r(d1),r(d1+1)…,r(d1+dright-1)}；
2)c(n)与S做长度为N的互相关：其中，d1≤n≤d1+N-1；
3)定义定时同步判决度量为：M(n)＝|R(n)|2/(P(n))2，其中，
4)搜索M(n)中的最大值，确定符号定时同步位置d2；
5)在搜索窗中，找到第一个满足M(n)>Vfine的n，即为过门限后的首径位置。Vfine通过仿真判决度量M(n)的概率密度函数(PDF)曲线图获得，如图4所示，本发明不仅给出了最大径的位置，同时也给出了过门限首径的位置，为后续信号跟踪以及均衡计算提供参考；
6)样值点同步：假定系统为4倍过采样，则选取观察窗口S1，窗口内的数据表示为：
S1＝{r′(d2-3),r′(d2-2),r′(d2-1),r′(d2),r′(d2+1),r′(d2+2),r′(d2+3)},
其中，r′(n)为接收样点值。搜索S1与c(n)的最大相关值，确定样值定时同步位置d2。
3.1频偏估计
本发明频偏估计方法能够估计较大频偏，包括粗频偏估计和细频偏估计。粗频偏估计选取帧结构中重复出项的UW导频信号进行差分相关，帧结构如图5所示。选取数据UW1和UW2进行差分相关求出相关值R1；类似的利用信号UW2和UW3，再次求出相关值R2；最后进行平均
细频偏估计是在粗频偏补偿数据后进一步求残余频偏。根据第一步求出的fcoarse补偿导频信号UW1和UW3，分别求得补偿后的导频数据Sig1,Sig2；最后计算
最后的频偏估计f＝fcoarse+ffine。
具体地，这里的UW1，UW2和UW3设置为长度相同，内容也相同，其中，UW2截取自UW1，并依据UW2分段来计算频偏。这样设置的好处是：频偏估计的范围是与UW1和UW2之间的距离成反比的，也就是说两者距离越远，估计的频偏范围就越小，一般的频偏估计就是利用UW1和UW3进行求频偏，但是两者距离较远，估计的频偏范围较小；本发明在两者之间添加UW2进行分段求频偏，增大了估计频偏的范围。
在实际应用中，UW1和UW2可设置为长度相同，内容不同，这时，接收信号的UW1和UW3需先与对应的本地导频序列进行互相关运算，再利用运算结果进行差分运算计算最终频偏估计。
具体地，UW2的长度可设置为小于或者等于UW1或UW3；若UW2与UW1或UW3的长度相同，则UW2内容与UW1内容相同或者与UW3内容相同；若UW2与UW1或UW3的长度不同，则UW2内容是UW1内容相同或者与UW3内容的一部分。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案。

Claims (10)

1.一种适应于高速宽带通信的定时同步与频偏估计方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)帧同步：包括信号捕获度量计算和捕获结果判断，从同步检测初始时刻开始，计算接收信号的延迟相关值以及对应时刻的功率值，延迟的长度为一个时隙的长度，计算所述延迟相关值和功率值的比值，采用门限判断和平滑检测的双重方法判定信号捕获结果，给出粗定时同步结果，即符号的粗略起始位置d1；
2)定时同步：包括符号同步和样值同步，搜索d1前后一定范围符号，计算与本地导频序列的互相关值，搜索最大相关值以及最大相关值位置d2；搜索d2前一定范围内符号数，根据设定门限搜索首径位置用于后续均衡；搜索d2前后一定范围样值点，计算与本地导频序列的互相关值，搜索最大相关值以及最大相关值位置d3；其中，样点数的多少由系统过采样倍数决定；
3)频偏估计：包括粗频偏估计、细频偏估计和频偏补偿，将接收信号中的导频信号依次设置为关键字UW1,UW2,UW3，根据定时同步中的样值同步位置，利用三段关键字UW1,UW2,UW3，分别计算UW1和UW2，UW2和UW3的相关值，求出粗频偏估计fcoarse；用fcoarse补偿前后两个时隙头部的导频信号UW1和UW3，计算粗频偏补偿后的UW1和UW3的相关值，进而求得细频偏估计ffine，计算最终频偏估计f＝fcoarse+ffine。
2.如权利要求1所述的一种适应于高速宽带通信的定时同步与频偏估计方法，其特征在于，所述同步检测初始时刻的确定进一步包括：对接收到的数据帧进行帧到达检测，当检测到有效数据帧时，确定出数据帧的帧头位置，将所述确定出的帧头位置对应的时刻作为同步检测初始时刻。
3.如权利要求1所述的一种适应于高速宽带通信的定时同步与频偏估计方法，其特征在于，所述定时同步进一步包括：基于本地信号互相关方法搜索最大相关值。
4.如权利要求1所述的一种适应于高速宽带通信的定时同步与频偏估计方法，其特征在于，所述频偏估计中，将UW1和UW3设置为相同。
5.如权利要求1所述的一种适应于高速宽带通信的定时同步与频偏估计方法，其特征在于，所述频偏估计中，将UW1和UW3设置为不同。
6.如权利要求5所述的一种适应于高速宽带通信的定时同步与频偏估计方法，其特征在于，所述帧同步中接收信号与其延迟信号先分别与本地导频序列进行互相关运算，再利用运算结果计算接收信号的延迟相关值。
7.如权利要求5所述的一种适应于高速宽带通信的定时同步与频偏估计方法，其特征在于，所述频偏估计中接收信号的UW1和UW3需先与对应的本地导频序列进行互相关运算，再利用运算结果进行差分运算计算最终频偏估计。
8.如权利要求1所述的一种适应于高速宽带通信的定时同步与频偏估计方法，其特征在于，所述频偏估计中，UW2的序列长度与UW1的序列长度设置为相同。
9.如权利要求1所述的一种适应于高速宽带通信的定时同步与频偏估计方法，其特征在于，所述频偏估计中，UW2的序列长度与UW1的序列长度设置为不同。
10.如权利要求1所述的一种适应于高速宽带通信的定时同步与频偏估计方法，其特征在于，所述频偏估计中，UW2截取自UW1，依据UW2分段来计算频偏。
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