CN108880661A - 一种非相干门限判决帧同步方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种非相干门限判决帧同步方法，包含以下步骤：S1，累积满足帧头判断要求的数据；S2，将上述数据划分为N个窗口，找出非相干能量值最大的窗WINMAX；S3，在WINMAX内前后各滑M个符号，找到其中最大的非相干能量值PMAX，及其对应的符号位置；S4，判断S3中的最大的非相干能量值PMAX与S2中的非相干能量值最大的窗WINMAX的能量平均值PAVG，是否满足第一门限条件；S5，对WINMAX内数据再进行处理，并进行第二门限判断；S6，结合S4和S5的判断结果，取S3中的符号位置为逻辑帧头位置，帧定时同步成功。本发明能够快速准确地得到帧的起始位置。

Description

一种非相干门限判决帧同步方法
技术领域
本发明涉及信号处理领域，尤其涉及一种非相干门限判决帧同步方法。
背景技术
卫星移动通信系统的海洋应用系统中，卫星终端主要安装在气象浮标上。海域波束模式下，前向信道包括广播信道和前向业务信道，分别采用TDM多址方式和FDM方式，都为连续帧结构，主要由独特码、数据块组成。由于多普勒频偏及海上工作条件的影响，系统必须进行业务管理站和卫星通信终端之间的载波同步。首先，卫星通信终端需对广播信道载波进行初始捕获，补偿掉大部分频偏，其他业务与广播处于同一环境下，可以直接利用该频偏进行补偿。然后，找到帧头位置，实现帧同步。帧同步分为帧头捕获和帧定时跟踪，为了后续载波跟踪、解调等工作的有效进行，准确地进行帧头捕获就显得尤为重要。
鉴于本系统中海上工作条件为：六级海况(天线摇摆幅度±15°，周期6S)下正常通信要求。因此本系统中帧定时同步主要面临两大困难：(1)需要能够工作在低信噪比(通常在0dB左右)下；(2)需要能够抵抗六级海况所引入的载波频率的动态变化(最大频偏变化为36.635Hz/s)。
为了克服低信噪比和高动态频偏变化的影响，本发明提供一种UW非相干+自适应门限判决的方法来实现帧定时同步，该方法能够快速准确地得到帧的起始位置，误差最大为一个采样点，由后续的定时跟踪处理。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种非相干门限判决帧同步方法。
本发明的思路如下：
如图2所示，根据卫星终端各信道的帧结构不同，帧头搜索时的滑动窗长度为一帧或两帧数据长，每次处理需要在第一个物理帧里面搜索逻辑帧头，搜索示意图如图所示，阴影部分表示从连续数据流中截取的一段数据，虚线框表示滑动窗，大小为一帧或两帧长，窗头位置idx位于1到N(M)之间，当idx与time_offset重合时，会得到非相干能量峰值，即可判定为帧同步成功。
具体的，一种非相干门限判决帧同步方法，包含以下步骤：
S1，累积满足帧头判断要求的数据；
S2，将上述数据划分为N个窗口，每窗M个符号；对每窗进行UW非相干能量计算，找出非相干能量值最大的窗WINMAX；
S3，在非相干能量值最大的窗WINMAX内前后各滑M个符号，分别进行UW非相干能量计算，得到2M+1个非相干能量值，得到其中最大的非相干能量值PMAX，及其对应的符号位置；
S4，判断S3中的最大的非相干能量值PMAX与S2中的非相干能量值最大的窗WINMAX的能量平均值PAVG，是否满足第一门限条件；如果不满足，转至S1；如果满足，判断当前帧为广播帧还是业务帧，如果是广播帧，转S6；如果是业务帧，则转S5；
S5，对非相干能量值最大的窗WINMAX内数据再进行处理，并进行第二门限判断；如果满足，转S6；如果不满足，转至S1；
S6，取S3中的符号位置为逻辑帧头位置，帧定时同步成功。
优选的，S1包括以下子步骤：
S11，累积一帧数据长度的数据，计算数据的平均能量；
S12，判断平均能量是否大于阈值E1，若不大于，转S11重新积累；若大于，转S13；
S13，继续累积到2帧或3帧长数据；其中搜索广播帧头需累积到2帧数据，搜索业务帧头需累积到3帧数据。
优选的，S2和S3中的UW非相干能量计算包括以下步骤：从窗里的两帧数据内抽取UW符号，与已知的UW符号求相关，即共轭相乘，将相关结果分为J组，每组K个符号，求出每组相关值的平均值，等到J组平均值，再对这J组平均值分别求能量，即可得到J个能量值，最后求出J个能量值的平均值。
优选的，S4中第一门限条件为：计算第一门限bound1＝PAVG*ratio1，其中ratio1为自定义取值；判断条件为：PMAX大于bound1。
优选的，S5中对非相干能量值最大的窗WINMAX内数据再进行处理，并进行第二门限判断的具体方法如下：将WINMAX内的数据均分为前后两部分，分别做所述UW非相干能量计算，得到非相干能量值ENG_avg1和ENG_avg2；计算窗里前半部分信号平均功率POWER_avg1，再计算第二门限bound2＝POWER_avg1*ratio2；判断条件为：同时满足ENG_avg1大于bound2，和ENG_avg2大于ENG_avg1*ratio3；其中ratio2和ratio3为自定义取值。
同时，还公开了一种非相干门限判决帧同步装置，其采用了如权利要求1-5之任一项所述的一种非相干门限判决帧同步方法，并包括信号接收装置、信号处理装置和整形输出装置；所述信号处理装置包括信号划窗装置、能量计算装置和门限判断装置；信号经信号接收装置接收后，经过多次划窗和UW非相干能量计算处理，并达到门限判断条件后，经整形输出装置输出已经整形同步的信号。
优选的，所述信号处理装置为单片机或PC或服务器；所述信号处理装置和整形输出装置为同一硬件上的不同功能模块。
同时还公开了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，该指令被处理器执行时实现权利要求1所述方法的步骤。
本发明的有益效果在于：可实现海域波束卫星终端不同信道的帧同步，获得准确的帧头位置。传统帧同步通常利用UW符号相关等方法，其性能非常容易受动态频偏和信噪比的影响，即其性能会随着归一化动态频偏的增大(或信噪比的降低)而急剧恶化。本方案采用UW非相干能量结合半自适应门限判决方法，其性能在动态频偏下依然很好，大大提高了对高动态和低信噪比的耐受性及同步的准确度，完全满足系统要求的各种速率信道下的帧同步问题。
附图说明
图1是本发明系统图；
图2是本发明帧头搜索示意图；
图3是UW非相干能量计算步骤；
图4是实施例的整体流程图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。
具体的，一种非相干门限判决帧同步方法，包含以下步骤：
S1，累积满足帧头判断要求的数据；
S2，将上述数据划分为N个窗口，每窗M个符号；对每窗进行UW非相干能量计算，找出非相干能量值最大的窗WINMAX；
S3，在非相干能量值最大的窗WINMAX内前后各滑M个符号，分别进行UW非相干能量计算，得到2M+1个非相干能量值，得到其中最大的非相干能量值PMAX，及其对应的符号位置；
S4，判断S3中的最大的非相干能量值PMAX与S2中的非相干能量值最大的窗WINMAX的能量平均值PAVG，是否满足第一门限条件；如果不满足，转至S1；如果满足，判断当前帧为广播帧还是业务帧，如果是广播帧，转S6；如果是业务帧，则转S5；
S5，对非相干能量值最大的窗WINMAX内数据再进行处理，并进行第二门限判断；如果满足，转S6；如果不满足，转至S1；
S6，取S3中的符号位置为逻辑帧头位置，帧定时同步成功。
优选的，S1包括以下子步骤：
S11，累积一帧数据长度的数据，计算数据的平均能量；
S12，判断平均能量是否大于阈值E1，若不大于，转S11重新积累；若大于，转S13；
S13，继续累积到2帧或3帧长数据；其中搜索广播帧头需累积到2帧数据，搜索业务帧头需累积到3帧数据。
优选的，S2和S3中的UW非相干能量计算包括以下步骤：从窗里的两帧数据内抽取UW符号，与已知的UW符号求相关，即共轭相乘，将相关结果分为J组，每组K个符号，求出每组相关值的平均值，等到J组平均值，再对这J组平均值分别求能量，即可得到J个能量值，最后求出J个能量值的平均值。
优选的，S4中第一门限条件为：计算第一门限bound1＝PAVG*ratio1，其中ratio1为自定义取值；判断条件为：PMAX大于bound1。
优选的，S5中对非相干能量值最大的窗WINMAX内数据再进行处理，并进行第二门限判断的具体方法如下：将WINMAX内的数据均分为前后两部分，分别做所述UW非相干能量计算，得到非相干能量值ENG_avg1和ENG_avg2；计算窗里前半部分信号平均功率POWER_avg1，再计算第二门限bound2＝POWER_avg1*ratio2；判断条件为：同时满足ENG_avg1大于bound2，和ENG_avg2大于ENG_avg1*ratio3；其中ratio2和ratio3为自定义取值。
同时，还公开了一种非相干门限判决帧同步装置，其采用了如权利要求1-5之任一项所述的一种非相干门限判决帧同步方法，并包括信号接收装置、信号处理装置和整形输出装置；所述信号处理装置包括信号划窗装置、能量计算装置和门限判断装置；信号经信号接收装置接收后，经过多次划窗和UW非相干能量计算处理，并达到门限判断条件后，经整形输出装置输出已经整形同步的信号。
优选的，所述信号处理装置为单片机或PC或服务器；所述信号处理装置和整形输出装置为同一硬件上的不同功能模块。
同时还公开了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，该指令被处理器执行时实现权利要求1所述方法的步骤。
以下结合附图4进行一个实施例的描述，此时取M＝4；实施例中的参数写法并不和权利要求严格一致。
图4中，S为接收机接收到的一帧数据帧的符号数(8倍采样)，本系统中为20480、19456、4224、4760。(n，m)针对每个信道的取值不一样，有以下组合(64，4)、(32，8)、(16，16)、(11，16)、(10，17)，具体可由仿真得出，找到动态情况下该信道达到最佳帧同步性能时的值。图中的E、ratio1、ratio2、ratio3的具体取值也根据多次仿真得出。
广播帧头捕获只需要累积两帧数据，而且不需要运行图4中虚线框的步骤。当最大值小于门限时，需丢弃开始的一帧数据，累积到两帧长数据后，重新搜索。业务帧头捕获开始时需累积三帧数据，走完图4的所有流程。其中UW非相干处理的具体过程如图3所示。
以第k窗为例，假定为第k窗数据中抽取出的一倍UW符号向量(j表示窗的起始采样点的位置，j＝1,5,9,K,N-3)，而标准的UW符号的QPSK映射值记为uw_mod，UW非相干处理的步骤如下：
其中，k＝(j-1)/4+1，j∈{1,5,9,13,L,N-3}。划窗结束后得到S/4个能量值求出最大值其对应的窗起始位置为jmax，在此位置前后各滑动四个点，形成九窗数据，继续UW非相干能量的计算，得到九个能量值l＝1,2,3,L,9，j'＝jmax-4,jmax-3,L,jmax+3，jmax+4，求出其中的最大值假定lmax窗的数据(8倍采样)信号的平均功率为power_avg，门限bound1为power_avg*ratio1(ratio1由仿真得到)，如果大于bound1，对于广播帧，则判定帧定时同步成功，定时位置为j'，对于业务帧，则继续图4虚线框的步骤；反之，帧定时同步失败，丢弃第一帧数据，继续累积到2帧或3帧数据后，进行下一次搜索。
需要说明的是，对于前述的各个方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本申请并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本申请，某一些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和单元并不一定是本申请所必须的。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、ROM、RAM等。
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (8)

1.一种非相干门限判决帧同步方法，其特征在于：包含以下步骤：
S1，累积满足帧头判断要求的数据；
S2，将上述数据划分为N个窗口，每窗M个符号；对每窗进行UW非相干能量计算，找出非相干能量值最大的窗WINMAX；
S3，在非相干能量值最大的窗WINMAX内前后各滑M个符号，分别进行UW非相干能量计算，得到2M+1个非相干能量值，得到其中最大的非相干能量值PMAX，及其对应的符号位置；
S4，判断S3中的最大的非相干能量值PMAX与S2中的非相干能量值最大的窗WINMAX的能量平均值PAVG，是否满足第一门限条件；如果不满足，转至S1；如果满足，判断当前帧为广播帧还是业务帧，如果是广播帧，转S6；如果是业务帧，则转S5；
S5，对非相干能量值最大的窗WINMAX内数据再进行处理，并进行第二门限判断；如果满足，转S6；如果不满足，转至S1；
S6，取S3中的符号位置为逻辑帧头位置，帧定时同步成功。
2.如权利要求1所述的一种非相干门限判决帧同步方法，特征在于，S1包括以下子步骤：
S11，累积一帧数据长度的数据，计算数据的平均能量；
S12，判断平均能量是否大于阈值E1，若不大于，转S11重新积累；若大于，转S13；
S13，继续累积到2帧或3帧长数据；其中搜索广播帧头需累积到2帧数据，搜索业务帧头需累积到3帧数据。
3.如权利要求2所述的一种非相干门限判决帧同步方法，特征在于，S2和S3中的UW非相干能量计算包括以下步骤：从窗里的两帧数据内抽取UW符号，与已知的UW符号求相关，即共轭相乘，将相关结果分为J组，每组K个符号，求出每组相关值的平均值，等到J组平均值，再对这J组平均值分别求能量，即可得到J个能量值，最后求出J个能量值的平均值。
4.如权利要求3所述的一种非相干门限判决帧同步方法，特征在于，S4中第一门限条件为：计算第一门限bound1=PAVG*ratio1，其中ratio1为自定义取值；判断条件为：PMAX大于bound1。
5.如权利要求4所述的一种非相干门限判决帧同步方法，特征在于，S5中对非相干能量值最大的窗WINMAX内数据再进行处理，并进行第二门限判断的具体方法如下：将WINMAX内的数据均分为前后两部分，分别做所述UW非相干能量计算，得到非相干能量值ENG_avg1和ENG_avg2；计算窗里前半部分信号平均功率POWER_avg1，再计算第二门限bound2= POWER_avg1*ratio2；判断条件为：同时满足 ENG_avg1大于bound2，和ENG_avg2大于ENG_avg1*ratio3；其中ratio2和ratio3为自定义取值。
6.一种非相干门限判决帧同步装置，特征在于，采用了如权利要求1-5之任一项所述的一种非相干门限判决帧同步方法，并包括信号接收装置、信号处理装置和整形输出装置；所述信号处理装置包括信号划窗装置、能量计算装置和门限判断装置；信号经信号接收装置接收后，经过多次划窗和UW非相干能量计算处理，并达到门限判断条件后，经整形输出装置输出已经整形同步的信号。
7.如权利要求6所述的一种非相干门限判决帧同步装置，特征在于，所述信号处理装置为单片机或PC或服务器；所述信号处理装置和整形输出装置为同一硬件上的不同功能模块。
8.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，其特征在于，该指令被处理器执行时实现权利要求1所述方法的步骤。
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