CN108900452A - 减少频率窗的同步检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的一种减少频率窗的同步检测方法，旨在提供一种能够降低通信系统的成本，减少硬件系统的资源消耗，并能降低运算量的同步检测方法，本发明通过下述技术方案予以实现：数据采集存储模块将接收到的基带信号送入多路频率窗模块，根据通信系统最大多普勒频移、通信基带传输信号的符号率和同步相关序列长度设置频率窗的数量；多路并行相关计算模块在所有频率窗中进行同步相关运算；多普勒频率估计模块选取多路并行相关计算模块各个频率窗相关运算的最大值及相邻的两个值，进行多普勒频率估计运算；对数据采集存储模块中采集存储的基带信号序列进行多普勒频率补偿；再相关计算模块对补偿后的信号序列进行同步相关运算，输出同步检测结果。

Description

减少频率窗的同步检测方法
技术领域
本发明涉及一种卫星、移动通信领域中，应用于窄带空天、空空无线通信的同步检测方法，
背景技术
同步始终是通信领域一个基本的技术问题。在数字移动通信中，多普勒频偏是影响信道传输质量的主要因素之一。通信系统对同步检测的要求表现为需要容忍通信平台的高速相对运动导致的大多普勒频移影响。随着通信需求的不断扩展，移动通信平台工作频段在不断提高，会使传输信号包含更大的动态，尤其是空中平台之间、空中平台与卫星之间的窄带通信系统，飞行速度的提高使传输信号的动态进一步扩大。这种传输信号的大动态变化表现为通信载波中存在较大的多普勒频移范围，而载波多普勒的存在将改变同步符号间的相位关系，降低同步序列的相关性，从而影响了同步检测的性能。
在数字通信系统中，频率与发射频率之间的差别称为多普勒频移或多普勒效应。如果接收机利用了载波相位来检测信号，则称为相干检测，反之，如果没有利用载波相位来检测信号，则称为非相干检测。由于多普勒频移和本地载波误差的影响，接收数据信号会产生缓慢的频率漂移，它对信号的影响是附加一相位，这将导致发送信息符号的相位发生相对变化，影响信号同步时的相干积累增益。在移动通信领域中对于窄带大动态通信环境下，非相干检测可以避免多普勒频移的影响，但比相关同步检测损失了几乎一倍的检测性能，需要发送更长的同步序列，浪费了通信系统的传输效率。为了提高通信系统的有效传输带宽，一般采用相干同步检测。目前的相干同步检测普遍采用前后两级相关算法,具体实现上有匹配相关法、基于快速傅里叶变换FFT的频域处理方法等。自同步法可分为串行搜索法和并行搜索法。各频率窗的搜索可以串行进行,也可以并行进行,串行处理存在较大的处理时延，而并行搜索时占用的硬件资源成倍增加，因此减小频率窗的数量才是解决问题的关键，而这个问题目前还没有有效的解决方法。从处理过程来看,同步检测过程是在同步码相位和多普勒频偏上同时进行的,因此称之为二维搜索方法。二维搜索方法需要进行大量的运算，一般很难满足信号实时性处理需求。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的不足之处，提供一种能够降低通信系统的成本，减少硬件系统的资源消耗，并能降低运算量，减少频率窗的同步检测方法，以解决窄带大动态通信环境下实时同步检测中的运算资源需求过大问题。
本发明的上述目的可以通过以下措施来达到。一种减少频率窗的同步检测方法，具有如下技术特征：采用顺次串联的数据采集存储模块1、多路频率窗模块2、多路并行相关计算模块3、多普勒频率估计模块4、多普勒频率补偿模块5和再相关计算模块6组成同步检测处理系统；其中，数据采集存储模块1将接收到的基带信号送入多路频率窗模块2，多路频率窗模块2根据通信系统最大多普勒频移、通信基带传输信号的符号率和同步相关序列长度设置频率窗的数量；多路并行相关计算模块3在所有频率窗中进行同步相关运算；多普勒频率估计模块4选取多路并行相关计算模块3各个频率窗相关运算的最大值及相邻的两个值，进行多普勒频率估计运算；多普勒频率补偿模块5根据多普勒频率估计模块4多普勒频率估计值对数据采集存储模块1中采集存储的基带信号序列进行多普勒频率补偿；再相关计算模块6对多普勒频率补偿模块5多普勒频率补偿后的信号序列进行同步相关运算，根据运算结果的相关值进行同步检测，输出同步检测结果。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果。
本发明采用数据采集存储模块1将接收到的基带信号送入多路频率窗模块2，多路频率窗模块2根据通信系统最大多普勒频移、通信基带传输信号的符号率和同步相关序列长度设置频率窗的数量；多路并行相关计算模块3在所有频率窗中进行同步相关运算；在覆盖相同多普勒频移范围的条件下，与现有的频率窗并行同步检测技术相比，这种设计的优点在于：一是多路频率窗模块2根据通信系统最大多普勒频移、通信基带传输信号的符号率和同步相关序列长度设置频率窗的数量，将频率窗的数量降低到原有数量的一半，从而可以扩展频率窗的间隔，减少了频率窗的数量，可以进一步降低通信系统的成本；本发明中的频率窗数量的减少是因为可以通过频率窗的相关值进行多普勒频率的再估计。
二是多路并行相关计算模块3在所有频率窗中进行同步相关运算，多普勒频率估计模块4利用频率窗间同步相关值与多普勒频移的对应关系，通过在频率窗的同步相关值中进行多普勒频移估计，实现对接收信号的多普勒频率值的估计，提高了整个多普勒中心频率估计运算部件的运行效率,降低了多普勒中心频率估计复杂度。与已有的符号多普勒中心频率估计算法相比,多普勒频率估计模块频率估计不但大大降低了运算量和相应硬件的实现面积,而且具有与其相当的估计性能。
三是多普勒频率补偿模块5根据多普勒频率估计模块4多普勒频率估计值对数据采集存储模块1中采集存储的基带信号序列进行多普勒频率补偿；降低了整个系统的运算量，减少了硬件系统的资源消耗。
四是再相关计算模块6对多普勒频率补偿模块5多普勒频率补偿后的信号序列进行同步相关运算，根据运算结果的相关值进行同步检测，同步快，同步概率高，这种实现对窄带大动态通信环境下的同步检测降低了运算量，解决了窄带大动态通信环境下，实时同步检测中的运算资源需求过大问题。
本发明特别适合被应用于窄带大动态通信环境下的同步检测，尤其是解决并行实时同步检测中面临的频率窗太多导致运算资源消耗太大问题。
附图说明
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。本发明实施例以及实施例中的各个特征在不相冲突前提下的相互结合，均在本发明的保护范围之内。
图1是本发明同步检测处理系统示意图。
图2是本发明多普勒频移估计中的参数值相对于不同多普勒频移的对应关系示意图。
图中：1数据采集存储模块，2多路频率窗模块，3多路并行相关计算模块，4多普勒频率估计模块，5多普勒频率补偿模块，6再相关计算模块。
具体实施方式
参阅图1。根据本发明，采用顺次串联的数据采集存储模块1、多路频率窗模块2、多路并行相关计算模块3、多普勒频率估计模块4、多普勒频率补偿模块5和再相关计算模块6组成同步检测处理系统；其中，数据采集存储模块1将接收到的基带信号送入多路频率窗模块2，多路频率窗模块2根据通信系统最大多普勒频移、通信基带传输信号的符号率和同步相关序列长度设置频率窗的数量；多路并行相关计算模块3在所有频率窗中进行同步相关运算；多普勒频率估计模块4选取多路并行相关计算模块3各个频率窗相关运算的最大值及相邻的两个值，进行多普勒频率估计运算；多普勒频率补偿模块5根据多普勒频率估计模块4多普勒频率估计值对数据采集存储模块1中采集存储的基带信号序列进行多普勒频率补偿；再相关计算模块6对多普勒频率补偿模块5多普勒频率补偿后的信号序列进行同步相关运算，根据运算结果的相关值进行同步检测，输出同步检测结果。实际应用中,对于输入信号的多普勒频偏范围，将其划分若干个频率窗,在各个频率窗中分别进行搜索,最后把各个频率窗的相关结果进行比较,从中选择最大相关值对应的频率和伪码相位作为最终的检测结果。
在同步检测处理系统中，同步检测主要包括如下步骤：
1)数据采集存储模块1对每个基带接收符号，对基带信号进行采样存储，存储数据长度为同步符号序列；
2)多路频率窗模块2在在通信系统中基带同步符号持续时间T，频率窗预设偏置频率fG，且在满足TfG≤0.5条件下，设置多路频率窗数量为K，对应多普勒频移f预设偏置频率值为f1～fK。
多路频率窗模块2在每个频率窗中分别对在数据采集存储模块1中采集存储的基带采集信号进行多普勒频率补偿预置，在多路频率窗中完成基带采样信号的多普勒频率补偿；
3)多路并行相关计算模块3对多路频率窗模块2中完成多普勒频率补偿的基带采样信号进行多路并行相关计算，获取预置多普勒频移为fi的通道中的同步序列相干积累值通道编号i＝1～K。
4)多普勒频率估计模块4针对多路并行相关计算模块3输出的同步序列相干积累值寻找其最大值所对应的通道编号k，按下式对k值进行修正，
按下式估计多普勒频率估计值其中，fk为编号为k的通道对应的预置多普勒频移值，为编号为k的频率窗中同步序列相干积累值，为编号为k-1的频率窗中同步序列相干积累值，为编号为k+1的频率窗中同步序列相干积累值，uf为多普勒频移估计常数值。
5)多普勒频率补偿模块5用多普勒频率估计模块4中多普勒频率估计值fe，对在数据采集存储模块1中采集存储的基带采集信号进行多普勒频率补偿；
6)再相关计算模块6对多普勒频率补偿模块5中完成多普勒频率补偿后的基带采样信号进行同步相关计算，并以该计算值进行同步检测，将检测结果输出。
图2中，横坐标为通信中的多普勒频移值f，箭头标示为各个频率窗的预设偏置频率值，纵坐标为多普勒频移估计参数值u(f)，u(f)可以通过下式计算。
其中，
式中，为预设偏置频率值为fi的频率窗中的单频相干积累值，为预设偏置频率值为fi-1的频率窗中的单频相干积累值，为预设偏置频率值为fi+1的频率窗中的单频相干积累值。
相邻频率窗预设偏置频率差2fG＝|fi-fi+1|。
在通信系统中基带同步符号持续时间T中，当TfG≤0.5时，多普勒频移估计参数值u(f)与多普勒频移值f为线性一一对应关系，并且从图中可以看出，为进一步降低运算复杂度，多普勒频移估计参数值u(f)可以近似为一条直线，其斜率为多普勒频移估计常数值。

Claims (10)

1.一种减少频率窗的同步检测方法，具有如下技术特征：采用顺次串联的数据采集存储模块(1)、多路频率窗模块(2)、多路并行相关计算模块(3)、多普勒频率估计模块(4)、多普勒频率补偿模块(5)和再相关计算模块(6)组成同步检测处理系统；其中，数据采集存储模块(1)将接收到的基带信号送入多路频率窗模块(2)，多路频率窗模块(2)根据通信系统最大多普勒频移、通信基带传输信号的符号率和同步相关序列长度设置频率窗的数量；多路并行相关计算模块(3)在所有频率窗中进行同步相关运算；多普勒频率估计模块(4)选取多路并行相关计算模块(3)各个频率窗相关运算的最大值及相邻的两个值，进行多普勒频率估计运算；多普勒频率补偿模块(5)根据多普勒频率估计模块(4)多普勒频率估计值对数据采集存储模块(1)中采集存储的基带信号序列进行多普勒频率补偿；再相关计算模块(6)对多普勒频率补偿模块(5)多普勒频率补偿后的信号序列进行同步相关运算，根据运算结果的相关值进行同步检测，输出同步检测结果。
2.如权利要求1所述的减少频率窗的同步检测方法，其特征在于：在同步检测处理系统中，数据采集存储模块(1)对每个基带接收符号，对基带信号进行采样存储，存储数据长度为同步符号序列。
3.如权利要求2所述的减少频率窗的同步检测方法，其特征在于：多路频率窗模块(2)在通信系统的中基带同步符号持续时间T，对频率窗预设偏置频率fG，且在满足TfG≤0.5条件下，设置多路频率窗数量为K，对应多普勒频移f预设偏置频率值为f1～fK。
4.如权利要求3所述的减少频率窗的同步检测方法，其特征在于：多路频率窗模块(2)在每个频率窗中分别对在数据采集存储模块(1)中采集存储的基带采集信号进行多普勒频率补偿预置，在多路频率窗中完成基带采样信号的多普勒频率补偿。
5.如权利要求4所述的减少频率窗的同步检测方法，其特征在于：多路并行相关计算模块(3)对多路频率窗模块(2)中完成多普勒频率补偿的基带采样信号进行多路并行相关计算，获取预置多普勒频移为fi的通道中的同步序列相干积累值通道编号i＝1～k。
6.如权利要求5所述的减少频率窗的同步检测方法，其特征在于：多普勒频率估计模块(4)针对多路并行相关计算模块(3)输出的同步序列相干积累值寻找其同步序列相干积累值最大值所对应的通道编号k，按下式对k值进行修正，
按下式估计多普勒频率估计值其中，fk为编号k的通道对应的预置多普勒频移值，为编号k的频率窗中同步序列相干积累值，为编号k-1的频率窗中同步序列相干积累值，为编号k+1的频率窗中同步序列相干积累值，uf为多普勒频移估计常数值。
7.如权利要求6所述的减少频率窗的同步检测方法，其特征在于：多普勒频移估计参数值计算公式是
其中，
预设偏置频率值为fi的频率窗中的单频相干积累值
预设偏置频率值为fi-1的频率窗中的单频相干积累值
预设偏置频率值为fi+1的频率窗中的单频相干积累值
式中，f为通信中的多普勒频移值，箭头标示为各个频率窗的预设偏置频率值。
8.如权利要求7所述的减少频率窗的同步检测方法，其特征在于：相邻频率窗预设偏置频率差2fG＝|fi-fi+1|。
9.如权利要求8所述的减少频率窗的同步检测方法，其特征在于：在通信系统中基带同步符号持续时间T中，当TfG≤0.5时，多普勒频移估计参数值u(f)与多普勒频移值f为线性一一对应关系。
10.如权利要求9所述的减少频率窗的同步检测方法，其特征在于：多普勒频移估计参数值u(f)近似为一条直线，其斜率为多普勒频移估计常数值。
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