CN108718461B - 一种抗频偏的突发cpm信号帧同步方法 - Google Patents

一种抗频偏的突发cpm信号帧同步方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种抗频偏的突发CPM信号帧同步方法，属于无线与移动通信技术领域。本发明首先计算接收基带I、Q信号的一比特、三比特以及五比特差分；再计算接收基带I、Q信号一比特、三比特以及五比特差分和本地基带I、Q信号的一比特、三比特以及五比特差分的互相关，然后对同一时刻的互相关值求模累加；最后，基于互相关值确定前导序列是否存在，并且确定前导序列的大概起始位置。本发明既能在低信噪比下达到不错的同步效果，也具有实现结果简单、运算量小，便于工程实现的技术效果。

Description

一种抗频偏的突发CPM信号帧同步方法
技术领域
本发明属于无线与移动通信技术领域，具体涉及一种抗频偏的突发CPM(Continuous Phase Modulation)信号帧同步方法
背景技术
对于正在通信的两个设备，如果在两者连线方向上存在较大的相对运动速度，那么则会在接收信号中产生较大的多普勒频移。多普勒频移会对通信接收机的后端处理部分造成极大的影响。
为解决该影响，1972年，James L.Massey在论文“Optimum FrameSynchronization”中提出了加性高斯白噪声信道下PSK信号帧同步的最佳判决准则，该算法在低信噪比条件下能够取得不错的效果，但是在该算法中，假设了接收信号是连续且不存在定时偏差的，并且没有考虑接收信号中存在多普勒频移,这种假设在实际应用中是不成立的。2002年，Zae Yong Choi和Yong H.Lee在论文“Frame Synchronization in thePresence of Frequency Offset”中提出了一种适用于MPSK信号的帧同步算法，该算法具有极强的抗频偏能力，并且在低信噪比下也能取得不错的同步效果，但是在该算法中假设了接收信号中不存在定时偏差。2013年，Ehsan Hosseini和Erik Perrins在论文“Timing,Carrier,and Frame Synchronization of Burst-Mode CPM”中提出了一种适用于突发CPM信号的帧同步算法，该算法具有较强的抗频偏能力，并且可以在存在定时偏差的情况下实现帧同步，且在低信噪比条件下同步效果较好。但是该算法实现结构复杂、运算量巨大，难以用于工程实现。
传统的CPM帧同步方法是先通过差分解调将信号中携带的比特信息解调出来，然后再利用简单互相关方法进行帧同步，这种方式具有简单易实现的优点。但是仅适用于信噪比较高情况下的帧同步，当接收信号中的信噪比较低时，采用传统帧同步方法的同步效果会骤降。
发明内容
本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，本发明提出了一种新的CPM信号帧同步方法，该方法具有实现结构简单、运算量小的优点，并且能够在极低信噪比下取得不错的同步效果。
本发明的一种抗频偏的突发CPM信号帧同步方法包括下列步骤：
根据采用的CPM调制方式，对接收报文的同步头进行信号调制，得到本地基带I、Q信号，再对本地基带I、Q信号分别进行一比特、三比特和五比特差分运算，得到本地基带I、Q信号的一比特、三比特以及五比特差分信号L1(t)、L3(t)和L5(t)，其中t表示采样时间；
对接收基带I、Q信号的一比特、三比特以及五比特差分运算，得到接收基带I、Q信号的一比特、三比特以及五比特差分信号Δ1(t)、Δ3(t)和Δ5(t)；
对本地与接收的差分信号进行互相关计算，得到一比特、三比特以及五比特的互相关结果值cor1(nT)、cor3(nT)和cor5(nT)：
cor1(nT)＝|∫0 (N-1)TL1(t)*Δ1(t)dt|
cor3(nT)＝|∫0 (N-3)TL3(t)*Δ3(t)dt|
cor5(nT)＝|∫0 (N-5)TL5(t)*Δ5(t)dt|
其中N表示前导序列的长度，T为码元周期，n为大于等于1的整数，即nT表示采样时间；
将同一时刻的三组互相关结果值累加得到nT时刻输出的双相关结果值cor(nT)：cor(nT)＝cor1(nT)+cor3(nT)+cor5(nT)；
基于各时刻的双相关结果值cor(nT)，进行帧同步检测：
按照采样时序排列局部脉冲峰值点，得到局部脉冲峰值序列，采用滑窗的方式对局部脉冲峰值序列进行帧同步检测：
设置滑窗的大小为2k+1，步长为1，其中k为大于等于1的自然数；
按照滑窗方向，依次将滑窗内的2k+1个局部脉冲峰值点位置的位置编号设置为0,1,2，…，2k，各位置的局部脉冲峰值定义为S0，S1，…，Sk，Sk+1，…，S2k；
将位置编号为k的局部脉冲峰值Sk分别与其他2k个局部脉冲峰值进行比较判决，若
Figure BDA0001669122250000021
则当前比较结果δi＝1，否则当前比较结果δi＝0，其中Thi表示位置编号为i的比较门限值，且Thi≥1，位置标识符i＝0,2,…,2k+1且i≠k；
若满足判决结果
Figure BDA0001669122250000022
则将当前滑窗所在的位置置为帧同步标识，得到帧同步检测结果。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：本发明既能在低信噪比下达到不错的同步效果，也具有实现结果简单、运算量小，便于工程实现的技术效果。
附图说明
图1是本发明的总体框图。
图2是差分运算的处理框图。
图3是互相关的处理框图。
图4是帧同步检测的处理框图。
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，下面结合实施方式和附图，对本发明作进一步地详细描述。
参见图1，本发明的帧同步方法主要包括三个部分：对接收基带I、Q两路信号的差分运算处理、对差分运算的处理结果进行互相关处理，以及对互相关处理结果进行帧同步检测。其中，差分运算处理用于计算接收基带I、Q信号的一比特、三比特以及五比特差分；互相关处理用于计算接收基带I、Q信号一比特、三比特以及五比特差分和本地基带I、Q信号的一比特、三比特以及五比特差分的互相关，然后对同一时刻的互相关值求模累加；帧同步检测用于从互相关处理结构中确定前导序列是否存在，并且确定前导序列的大概起始位置。
本发明的差分运算处理是为了同时获得接收基带I、Q信号的一比特、三比特以及五比特差分运算结果，如图2所示。
对于CPM信号，接收基带I、Q信号(包含未知多普勒频移以及未知载波初相)的表达式为：
Figure BDA0001669122250000031
Figure BDA0001669122250000032
其中，fd表示载波频率，
Figure BDA0001669122250000033
表示载波相位，θ表示初始相位，t表示采样时刻。
根据以上表达式，则求解nT时刻与(n+1)T时刻的一比特差分、nT时刻与(n+3)T时刻的三比特差分以及nT时刻与(n+5)T时刻的五比特差分运算表达式为：
Figure BDA0001669122250000034
Figure BDA0001669122250000035
Figure BDA0001669122250000036
其中，T为码元周期，n为大于等于1的整数，Δ1(nT)、Δ3(nT)与Δ5(nT)分别为nT时刻的一比特、三比特以及五比特差分运算结果，
Figure BDA0001669122250000037
为(n+1)T时刻与nT时刻的信息相位差，
Figure BDA0001669122250000038
为(n+3)T时刻与nT时刻的信息相位差，
Figure BDA0001669122250000039
为(n+5)T时刻与nT时刻的信息相位差。
参见图3，本发明的互相关处理是为了完成接收基带I、Q信号的一比特、三比特和五比特差分信号与本地基带I、Q信号的一比特、三比特和五比特差分信号之间的互相关运算，分别将接收基带I、Q信号的一比特、三比特和五比特差分信号与本地基带I、Q信号的一比特、三比特、五比特差分信号进行互相关运算，计算公式分别如下所示：
cor1(nT)＝|∫0 (N-1)TL1(t)*Δ1(t)dt|
cor3(nT)＝|∫0 (N-3)TL3(t)*Δ3(t)dt|
cor5(nT)＝|∫0 (N-5)TL5(t)*Δ5(t)dt|
其中cor1(nT)为nT时刻接收基带I、Q信号的一比特差分与本地基带I、Q信号的一比特差分的互相关结果值，cor3(nT)为nT时刻接收基带I、Q信号的三比特差分与本地基带I、Q信号的三比特差分的互相关结果值，cor5(nT)为nT时刻接收基带I、Q信号的五比特差分与本地基带I、Q信号的五比特差分的互相关结果值，L1(t)、L3(t)和L5(t)分别为本地基带I、Q信号的一比特、三比特以及五比特差分信号，其中L1(t)、L3(t)和L5(t)的获取方式为：首先对接收报文的同步头进行信号调制得到本地I、Q信号，再对本地I、Q信号分别进行一比特、三比特和五比特差分运算，得到L1(t)、L3(t)和L5(t)。Δ1(t)、Δ3(t)和Δ5(t)分别为接收基带I、Q信号的一比特、三比特以及五比特差分信号。N表示前导序列的长度，即所采用的具体通信协议中所规定的前导序列的长度。
最后将同一时刻的三组互相关结果值累加作为双相关结果输出，得到nT时刻输出的双相关结果值cor(nT)，即cor(nT)＝cor1(nT)+cor3(nT)+cor5(nT)。
本发明的帧同步检测具体为：
基于各采样点的双相关结果值cor(nT)，得到按照采样点时序排列的局部脉冲峰值点序列，采用滑窗的方式对窗口内局部脉冲峰值点进行帧同步检测，其中滑窗的步长为1，窗口大小为2k+1，k为大于等于1的自然数，具体取值基于使用场景根据经验值进行设置。
滑窗内的帧同步检测具体为：
按照滑窗方向(从左到右或从右到左)，依次设置将滑窗内的2k+1个局部脉冲峰值点位置的位置编号为0,1,2，…，2k，则各位置的局部脉冲峰值定义为S0，S1，…，Sk，Sk+1，…，S2k；同时为2k个位置分别设置一个比较门限值Thi(i＝0,2,…,2k+1且i≠k)，比较门限值Thi可综合实际接收信号以及设计要求进行设定即可，取值为Thi≥1，优选的取值范围为[1,2]；
然后如下比较判决：
Figure BDA0001669122250000051
若满足判决结果
Figure BDA0001669122250000052
则认为检测到前导序列，同时将当前滑窗所在的位置置为帧同步标识，得到帧同步检测结果。
例如，设置k＝3，则每次帧同步检测判断的长度为7，除同步检测判断序列的第4个外，设置6个比较门限值Thi，对已得到的互相关值进行局部脉冲峰值检测后，对得到的局部脉冲峰值序列按步长为1、窗口为7的滑窗进行比较门限判决，将满足
Figure BDA0001669122250000053
的当前滑窗所在的位置置为帧同步标识，如图4所示。
此外，还可以设置一个长度为2k+1的先进先出队列，基于各采样点的双相关结果值cor(nT)，将检测出的双相关结果值的局部脉冲峰值按采样点时序压入队列，实时对队列的2k+1个局部脉冲峰值进行帧同步判断，判断方式与滑窗内的帧同步检测方式类似。即为每个非队列中间位置设置一个比较门限，得到2k个比较门限值，其中比较门限为大于或等于1的数值；并实时对队列的2k+1个局部脉冲峰值进行帧同步判断：将位于队列的中间位置的的局部脉冲峰值与非队列中间位置的局部脉冲峰值的比值与对应的比较门限进行比较，若比值大于或等于比较门限值，则将当前非队列中间位置的判决结果置为1；否则置为0；判断所有判决结果的累加和是否为2k，若是，则将先进先出队列的当前2k+1个局部脉冲峰值所对应的序列段置为帧同步标识，得到帧同步检测结果。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (3)

1.一种抗频偏的突发CPM信号帧同步方法，其特征在于，包括下列步骤：
根据采用的CPM调制方式，对接收报文的同步头进行信号调制，得到本地基带I、Q信号，再对本地基带I、Q信号分别进行一比特、三比特和五比特差分运算，得到本地基带I、Q信号的一比特、三比特以及五比特差分信号L1(t)、L3(t)和L5(t)，其中t表示采样时间；
对接收基带I、Q信号的一比特、三比特以及五比特差分运算，得到接收基带I、Q信号的一比特、三比特以及五比特差分信号Δ1(t)、Δ3(t)和Δ5(t)；
对本地与接收的差分信号进行互相关计算，得到一比特、三比特以及五比特的互相关结果值cor1(nT)、cor3(nT)和cor5(nT)：
Figure FDA0001669122240000011
Figure FDA0001669122240000012
Figure FDA0001669122240000013
其中N表示前导序列的长度，T为码元周期，n为大于等于1的整数；
将同一时刻的三组互相关结果值累加得到nT时刻输出的双相关结果值cor(nT)：cor(nT)＝cor1(nT)+cor3(nT)+cor5(nT)；
基于各时刻的双相关结果值cor(nT)，进行帧同步检测：
按照采样时序排列局部脉冲峰值点，得到局部脉冲峰值序列，采用滑窗的方式对局部脉冲峰值序列进行帧同步检测：
设置滑窗的大小为2k+1，步长为1，其中k为大于等于1的自然数；
按照滑窗方向，依次将滑窗内的2k+1个局部脉冲峰值点位置的位置编号设置为0，1，2，…，2k，各位置的局部脉冲峰值定义为S0，S1，…，Sk，Sk+1，…，S2k；
将位置编号为k的局部脉冲峰值Sk分别与其他2k个局部脉冲峰值进行比较判决，若
Figure FDA0001669122240000014
则当前比较结果δi＝1，否则当前比较结果δi＝0，其中Thi表示位置编号为i的比较门限，且Thi≥1，位置标识符i＝0，2，…，2k+1且i≠k；
若满足判决结果
Figure FDA0001669122240000015
则将当前滑窗所在的位置置为帧同步标识，得到帧同步检测结果。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，将帧同步检测替换为：
在本地设置长度为2k+1个的先进先出队列；基于各时刻的双相关结果值cor(nT)，将检测出的双相关结果值的局部脉冲峰值按时序依次压入队列，k为大于或等于1的自然数；
为每个非队列中间位置设置一个比较门限，得到2k个比较门限值，其中比较门限为大于或等于1的数值；
并实时对队列的2k+1个局部脉冲峰值进行帧同步判断：将位于队列的中间位置的的局部脉冲峰值与非队列中间位置的局部脉冲峰值的比值与对应的比较门限进行比较，若比值大于或等于比较门限值，则将当前非队列中间位置的判决结果置为1；否则置为0；
判断所有判决结果的累加和是否为2k，若是，则将先进先出队列的当前2k+1个局部脉冲峰值所对应的序列段置为帧同步标识，得到帧同步检测结果。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，比较门限的优选取值范围为[1，2]。
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