CN109067693B - 一种粗时间同步方法及粗时间同步装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种粗时间同步方法及粗时间同步装置，所述方法包括以下步骤：在未检测到基带信号达到之前，估计当前噪声功率。接收所述基带信号，并对接收到的所述基带信号进行自相关处理，产生自相关项。对接收到的基带信号进行差分处理，并消除差分累加项中的噪声功率分量，产生噪声消除的差分累加项。利用自相关项和噪声消除的差分累加项产生定时度量函数，并检测定时度量函数的峰值。本发明可以在低信噪比的情形下实现OFDM系统的快速粗时间同步，进而降低了整个系统的功耗，延长的电池使用时间。

Description

一种粗时间同步方法及粗时间同步装置
技术领域
本发明涉及应用于物联网的无线通信领域，尤其涉及一种粗时间同步方法及粗时间同步装置。
背景技术
正交频分复用(OFDM)作为一种高效的无线通讯方式，可以被广泛地应用在低功耗广域网的场景当中，在一部分这类应用场景中，接收信号的信噪比可以小于-10dB，因此实现在低信噪比的情形下高效地完成OFDM的粗时间同步对于降低整个系统的功耗，延长设备工作时间具有重要意义。
目前在应对低信噪比下的粗时间同步问题，通常仅利用接收信号的自相关处理以及相对较长的时间进行累积来获得可靠的粗时间同步性能，舍弃了传统的自相关与归一化因子相结合构建定时度量函数的方法，而只采用自相关函数，并且以延长估计时间为代价来获得可靠的粗时间同步结果。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可以为基于OFDM的低功耗广域网的终端设备实现高效的粗时间同步方案，主要特点是可以适应低信噪比的工作环境。
本发明采用以下技术方案实现：一种粗时间同步方法，所述方法包括以下步骤：
在未检测到基带信号达到之前，估计当前信号的噪声功率；
接收所述基带信号，并对接收到的所述基带信号进行自相关处理，产生自相关项；
对接收到的基带信号进行差分处理，产生差分累加项，并消除差分累加项中的噪声功率分量，产生噪声消除的差分累加项；
利用自相关项和噪声消除的差分累加项产生定时度量函数，并检测定时度量函数的峰值。
作为上述方案的进一步改进，所述方法还包括：
未检测到基带信号到达前，将接收到的射频信号变频为模拟基带信号；
利用数模转换器ADC对模拟基带信号进行采样，输出数字基带信号，且所述数字基带信号为作为所述基带信号输出，此时，检测到所述基带信号到达。
作为上述方案的进一步改进，所述将接收到的射频信号变频为模拟基带信号具体为：
利用低噪声放大器将小信号放大，并利用混频器将射频信号下变频为模拟基带信号。
作为上述方案的进一步改进，所述数模转换器ADC的采样频率为1.92MHz。
作为上述方案的进一步改进，所述基带信号到达时，增益调节所述基带信号。
作为上述方案的进一步改进，利用ADC输出的数字基带信号来估算当前信号的幅值，并与ADC的预设输入幅值做比对，计算出幅值需要放大或缩小的倍数，同时将所述倍数转化为相应的增益控制系数，并将所述增益控制系数作为所述增益调节基带信号的增益系数。
作为上述方案的进一步改进，所述对接收到的所述基带信号进行差分处理，产生差分累加项，并消除差分累加项中的噪声功率分量，具体包括：
接收到的基带信号中包含具有重复结构的同步信号，当对同步信号的重复部分进行差分时，由于经过信道传输，重复部分仍具有相对较高的重复性，差分项会产生凹陷；
利用估计的噪声功率进行噪声消除来提高相对凹陷程度。
作为上述方案的进一步改进，所述利用自相关项和噪声消除的差分累加项产生定时度量函数，具体包括：
利用自相关项除以噪声消除后的差分累加项获得定时度量函数。
作为上述方案的进一步改进，所述检测定时度量函数的峰值具体为：
检索出检测窗口内所述定时度量函数的最大值，并定位当前时刻以及在所述基带信号中的相对位置。
本申请还提供了一种粗时间同步装置，所述装置包括：
可编程增益放大器，其用于增益调节接收到的基带信号；
数模转换器，其连接可编程增益放大器的信号输出端；数模转换器用于将可编程增益放大器输出的模拟基带信号转换为数字基带信号；
自动增益控制器，其连接可编程增益放大器的信号输入端、数模转换器的信号输出端；当检测到信号到达时，通过自动增益控制器调节可编程增益放大器的增益系数；
自相关器，其连接自动增益控制器的信号输出端；自相关器用于对接收到的自动增益控制器输出的基带信号进行自相关处理，并输出自相关项；
噪声估计器，其连接可编程增益放大器的信号输出端、自动增益控制器的信号输出端，噪声估计器用于估计当前信号的噪声功率；自动增益控制器将增益系数实时传输到噪声估计器，噪声估计器根据所述增益系数对所述噪声功率进行缩放；
差分归一化因子产生器，其连接自动增益控制器的信号输出端；差分归一化因子产生器用于对自动增益控制器输出的信号进行差分处理，并输出差分累加项；
噪声消除器，其连接差分归一化因子产生器的信号输出端、噪声估计器的信号输出端；噪声消除器用于消除差分归一化因子产生器输出的信号中的噪声功率分量，从而产生噪声消除的差分累加项；
定时度量器，其分别连接噪声消除器和自相关器的信号输出端；定时度量器利用自相关项和噪声消除的差分累加项产生定时度量函数；
峰值检测器，其连接定时度量器的信号输出端；峰值检测器对定时度量函数进行峰值检测。
本发明的粗时间同步方法及粗时间同步装置，均可以在低信噪比的情形下实现OFDM系统的快速粗时间同步，进而降低了整个系统的功耗，延长的电池使用时间。
附图说明
图1为本发明实施例的粗时间同步方法的流程图。
图2为应用于图1中的基带信号的结构图。
图3本发明实施例提供的不同时间度量函数的对比图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
通过分析发现，在低信噪比下影响归一化因子使用的关键因素是噪声项会严重影响归一化因子的凹陷程度，也即其分辨率，因此提出一种可以消除噪声对归一化因子的分辨率影响的方法可以有效提高粗时间同步的效率。
本发明的所提供了一种粗时间同步方法，所述方法适用于低信噪比OFDM系统，所述方法采用一种粗时间同步装置，如图1所示，所述粗时间同步装置包括：天线、射频前端、可编程增益放大器、噪声估计器、数模转换器ADC、自动增益控制器、差分归一化因子产生器、噪声消除器、自相关器、定时度量器、峰值检测器。
天线用于接收OFDM无线帧信号，即射频信号。
射频前端连接天线的信号输出端，射频前端将射频信号下变频为基带信号。
可编程增益放大器连接射频前端的信号输出端，可编程增益放大器用于增益调节接收到的基带信号。
噪声估计器连接可编程增益放大器的信号输出端，噪声估计器用于估计当前信道噪声的噪声功率。所述基带信号到达之前，接收到的信号仅包含噪声，同时在噪声估计过程中，以及信号接收过程中，信道噪声的改变可以忽略不计。
数模转换器ADC连接可编程增益放大器的信号输出端。数模转换器用于将可编程增益放大器输出的模拟信号转换为数字信号，即利用数模转换器对模拟基带信号进行采样，输出数字基带信号，即OFDM帧采样信号。其中，ADC的采样频率为1.92MHz。
自动增益控制器连接噪声估计器的信号输入端、可编程增益放大器的信号输入端、数模转换器的信号输出端。当检测到信号到达时，通过自动增益控制器调节放大系数，并将增益系数实时传输到噪声估计器。自动增益控制器利用数模转换器输出的采样信号来估算当前信号的幅值，并与ADC理想输入幅值做比对，计算出幅值需要放大或缩小的倍数，同时将其转化为相应的增益控制系数并传输到可编程增益放大器，可编程增益放大器根据所述增益控制系数对基带信号进行增益调节，使得可编程增益放大器将当前信号的幅值放大到ADC理想输入的幅值。为了维持信号到达前所估算出的噪声功率的有效性，增益控制系数需要被实时传输到噪声估计器中，噪声估计器根据所述增益系数对所述噪声功率进行相应的缩放。
自相关器连接自动增益控制器的信号输出端。自相关器用于对接收到的自动增益控制器输出的基带信号进行自相关处理，并输出自相关项。
差分归一化因子产生器，其连接自动增益控制器的信号输出端。差分归一化因子产生器用于对自动增益控制器输出的信号进行差分处理，并输出差分累加项。由于接收到的所述OFDM无线帧中包含具有重复结构的同步信号，当同步信号的充分部分进行差分时，由于经过信道传输后，重复部分仍具有相对较高的重复性，差分项会产生凹陷。另外，由于在低信噪比环境下，噪声会影响差分项的凹陷程度，利用估计的噪声功率进行噪声消除，来提供相对凹陷程度。
噪声消除器连接差分归一化因子产生器的信号输出端、噪声估计器的信号输出端。噪声消除器用于消除差分归一化因子产生器输出的信号中的噪声功率分量，从而产生噪声消除的差分累加项。
定时度量器分别连接噪声消除器和自相关器的信号输出端。定时度量器利用自相关项和噪声消除的差分累加项产生定时度量函数。
峰值检测器连接定时度量器的信号输出端峰值检测器对定时度量函数进行峰值检测处理，并定位当前时刻以及在OFDM无线帧中的相对位置，进而实现粗时间同步。
本实施例的粗时间同步装置，通过射频前端将接收到的射频信号转换为基带信号，利用可编程增益放大器对基带信号进行放大，将放大后的基带信号通过数模转换器转化为数字基带信号，同时利用噪声估计器估计当前噪声功率，通过自动增益控制器根据所述数字基带信号估计当前信号的幅值，然后计算出幅值需要放大和缩小的倍数，再利用自相关器对接收到的自动增益控制器输出的基带信号进行自相关处理，并输出自相关项，差分归一化因子产生器用于对自动增益控制器输出的信号进行差分处理，并输出差分累加项，最后定时度量器利用自相关项和噪声消除的差分累加项产生定时度量函数，峰值检测器连接定时度量器的信号输出端峰值检测器对定时度量函数进行峰值检测处理，并定位当前时刻以及在OFDM无线帧中的相对位置，进而实现粗时间同步。
如图1所示，所述粗时间同步方法包括以下步骤：
步骤S101：利用天线接收OFDM系统的无线帧，即无线射频信号。
步骤S102：利用射频前端对接收到的无线射频信号进行放大，然后下变频为基带信号。
步骤S103：在OFDM无线帧达到后调整输入到模数转换器ADC的信号的电压幅度。
步骤S104：通过数模转换器ADC将形式为模拟信号的基带信号转换成数字信号。
步骤S105：检测所述基带信号是否到达，并且在所述基带信号到达后检测当前信号幅值并产生幅值控制信号。
步骤S106：在所述基带信号到达前通过噪声估计器估计当前噪声功率。
步骤S107：通过差分归一化因子产生器和OFDM帧采样信号产生差分累加项。
步骤S108：利用自相关器和OFDM帧采样信号产生自相关项，并将自相关项输送到定时度量器。
步骤S109：利用噪声消除器消除差分累加项中的噪声项，然后将去除噪声项后的差分累加项输送到定时度量器。
步骤S110：定时度量器利用自相关项和去除噪声项后的差分累加项生成定时度量函数。
步骤S111：通过峰值检测器定位检测窗口内定时度量函数的峰值，并定位当前时刻以及在OFDM无线帧中的相对位置，进而实现粗时间同步。
上述方案中，步骤S101接收并传输的被传输的OFDM无线帧内包含用来实现粗时间同步的同步信号，如图2所示，同步信号位于帧内的特定位置，并且有P个时域上重复的部分构成，传输的基带时域信号s(t)表达如下：
Figure BDA0001830030000000071
在经历信道传输后，通过步骤S101和S102处理后的基带信号r(t)可以表达为：
Figure BDA0001830030000000072
其中，y(t)为发送信号的经过多径信道传输所得：
Figure BDA0001830030000000073
其中，ε代表归一化频率偏移量，h(v)是多径信道V的信道冲激响应。
OFDM信号被检测到之前，步骤S106在预设滑动窗口T内持续估计当前噪声功率
Figure BDA0001830030000000074
n0为窗口的起始时刻。
其中
Figure BDA0001830030000000075
当OFDM信号第一次被检测到时，保留当前的噪声估计值。步骤S105和步骤S103共同完成对基带信号的增益调节，将基带信号放大或缩小的倍数转化为增益控制系数，在反馈调节过程完成后，步骤S106利用增益控制系数对估计的噪声功率进行相应的缩放。
步骤S108利用接收的信号r(t)自相关，并输出自相关项α(τ)，具体过程如下：
Figure BDA0001830030000000081
其中m表示两个自相关项间隔的重复部分数目，L是表示每个同步信号的重复部分的长度内包含的采样点个数。当同步信号内的重复部分进行自相关时，α(τ)会产生相关峰值。
步骤S107的对基带信号进行累积差分处理并输出差分累加项β(τ)，具体过程如下：
Figure BDA0001830030000000082
差分累加项β(τ)在所述同步信号出现时，会产生凹陷，然而在低信噪比的情形下，r(τ+l+p·L)和r(τ+l+(p+m)·L)的相关性会被弱化，凹陷也会随之减弱甚至消失，为了保证差分累加项的有效性，步骤S109对β(τ)进行改进，即用β'(τ)表示改进后的β(τ)：
Figure BDA0001830030000000083
其中
Figure BDA0001830030000000084
μ(τ)为步骤S106利用步骤S103提供的增益调整系数产生的对噪声功率的缩放因子。
步骤S110利用α(τ)和β'(τ)的比值产生定时度量函数γ(τ)：
γ(τ)＝α(τ)/β'(τ)
其中，不同时间度量函数的对比如图3所示。
步骤S111通过如下操作定位检测窗口内的峰值时刻τcorr，从而定位同步信号，进而实现粗时间同步。
其中
τcorr＝argmax|γ(τ)|
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种粗时间同步方法，其特征在于：包括以下步骤：
在未检测到基带信号达到之前，估计当前信号的噪声功率；
接收所述基带信号，并对接收到的所述基带信号进行自相关处理，产生自相关项；
对接收到的基带信号进行差分处理，产生差分累加项，并消除差分累加项中的噪声功率分量，产生噪声消除的差分累加项；
利用自相关项和噪声消除的差分累加项产生定时度量函数，并检测定时度量函数的峰值；
通过定位峰值时刻以及在所述基带信号中的相对位置，进而实现粗时间同步。
2.如权利要求1所述的粗时间同步方法，其特征在于：所述方法还包括：
未检测到基带信号到达前，将接收到的射频信号变频为模拟基带信号；
利用数模转换器ADC对模拟基带信号进行采样，输出数字基带信号，且所述数字基带信号为所述基带信号输出，此时，检测到所述基带信号到达。
3.如权利要求2所述的粗时间同步方法，其特征在于：所述将接收到的射频信号变频为模拟基带信号具体为：
利用低噪声放大器将小信号放大，并利用混频器将射频信号下变频为模拟基带信号。
4.如权利要求2所述的粗时间同步方法，其特征在于：所述数模转换器ADC的采样频率为1.92MHz。
5.如权利要求2所述的粗时间同步方法，其特征在于：所述基带信号到达时，增益调节所述基带信号。
6.如权利要求5所述的粗时间同步方法，其特征在于：利用ADC输出的数字基带信号来估算当前信号的幅值，并与ADC的预设输入幅值做比对，计算出幅值需要放大或缩小的倍数，同时将所述倍数转化为相应的增益控制系数，并将所述增益控制系数作为所述增益调节基带信号的增益系数。
7.如权利要求1所述的粗时间同步方法，其特征在于：所述对接收到的所述基带信号进行差分处理，产生差分累加项，并消除差分累加项中的噪声功率分量，具体包括：
接收到的基带信号中包含具有重复结构的同步信号，当对同步信号的重复部分进行差分时，由于经过信道传输，重复部分仍具有相对较高的重复性，差分项会产生凹陷；
利用估计的噪声功率进行噪声消除来提高相对凹陷程度。
8.如权利要求1所述的粗时间同步方法，其特征在于：所述利用自相关项和噪声消除的差分累加项产生定时度量函数，具体包括：
利用自相关项除以噪声消除后的差分累加项获得定时度量函数。
9.如权利要求1所述的粗时间同步方法，其特征在于：所述检测定时度量函数的峰值具体为：
检索出检测窗口内所述定时度量函数的最大值，并定位当前时刻以及在所述基带信号中的相对位置。
10.一种粗时间同步装置，其特征在于：所述装置包括：
可编程增益放大器，其用于增益调节接收到的基带信号；
数模转换器，其连接可编程增益放大器的信号输出端；数模转换器用于将可编程增益放大器输出的模拟基带信号转换为数字基带信号；
自动增益控制器，其连接可编程增益放大器的信号输入端、数模转换器的信号输出端；当检测到信号到达时，通过自动增益控制器调节可编程增益放大器的增益系数；
自相关器，其连接自动增益控制器的信号输出端；自相关器用于对接收到的自动增益控制器输出的基带信号进行自相关处理，并输出自相关项；
噪声估计器，其连接可编程增益放大器的信号输出端、自动增益控制器的信号输出端，噪声估计器用于估计当前信号的噪声功率；自动增益控制器将增益系数实时传输到噪声估计器，噪声估计器根据所述增益系数对所述噪声功率进行缩放；
差分归一化因子产生器，其连接自动增益控制器的信号输出端；差分归一化因子产生器用于对自动增益控制器输出的信号进行差分处理，并输出差分累加项；
噪声消除器，其连接差分归一化因子产生器的信号输出端、噪声估计器的信号输出端；噪声消除器用于消除差分归一化因子产生器输出的信号中的噪声功率分量，从而产生噪声消除的差分累加项；
定时度量器，其分别连接噪声消除器和自相关器的信号输出端；定时度量器利用自相关项和噪声消除的差分累加项产生定时度量函数；
峰值检测器，其连接定时度量器的信号输出端；峰值检测器对定时度量函数进行峰值检测，通过定位峰值时刻以及在所述基带信号中的相对位置，进而实现粗时间同步。
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