CN109714146B

CN109714146B - 一种基于滑窗的二次相关帧同步方法

Info

Publication number: CN109714146B
Application number: CN201811651860.6A
Authority: CN
Inventors: 周亮; 周林; 李胜强; 韩承昊; 张哲�
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2018-01-16
Filing date: 2018-12-31
Publication date: 2020-05-12
Anticipated expiration: 2038-12-31
Also published as: CN109714146A

Abstract

本发明公开了一种基于滑窗的二次相关帧同步方法，包括：发送端经编码、组帧、脉冲成型以及BPSK调制后连续发出多帧数据；对接收的数据经下变频后对信号进行高倍采样与数字匹配滤波，然后按采样倍数对信号进行串并转换，得到多路并行信号；通过滑动窗，将多路并行信号的每一路与本地巴克码做非周期相关运算，得到多个非周期相关值，形成一系列非周期相关值矩阵；通过滑动窗，将多路并行信号的每一路的每一个非周期相关值与本地优选码做相关运算，形成一系列周期相关值矩阵；通过对一系列周期相关值矩阵的值进行比较与判决，实现帧同步检测。本发明采样“先帧同步后位同步”的同步工作机制，提高了同步性能。

Description

一种基于滑窗的二次相关帧同步方法

技术领域

本发明属于无线通信技术，特别涉及极低信噪比下的帧同步检测方法。

背景技术

可靠数字通信的一个重要前提是实现各种层次的同步，例如帧同步、位同步、载波同步和网同步，传统的帧同步方法大都是在成功建立位同步的前提下，即得到与码元同步的时钟信号，基于各种硬判决或软判决采用标识码检测或滑动窗相关判决检测。

位同步的实现主要分为传统模拟方式和数字方式两种。传统的接收机中，位同步的实现通常采用全波整流、环路滤波和压控振荡器构成数据样值流的反馈控制环，从而本地产生一个与数据样值流同频同相的脉冲序列。而全开环数字接收机，通过独立于发送符号时钟的采样时钟获得样值数据流，再由定时误差估计值来控制内插滤波器，获取最佳判决采样时刻的近似值，最终实现位同步。

但是，在极低信噪比的条件下(例如-10dB以下)，依赖锁相环技术的位同步结果偏差很大，严重地制约了帧同步相关判决结果。此时，“先位同步后帧同步”的工作模式，已无法满足极低信噪比条件下通信系统同步的需求。

另外，帧同步检测一般是通过帧标识码的滑动相关判决来实现，标识码的长度很大程度上决定帧同步检测的性能。帧标识码过短则无法在极低的信噪比条件下实现帧同步，标识码过长则占用过多的信道资源。如何在系统允许的长度范围内，设计优良的标识码来实现帧同步，是一个困难而又重要问题。

同时，常见的最大相关值判决准则在极低信噪比条件下，会出现很多错误检测和漏检测的情况，因而有必要对该判决准则进一步改进，设计出与帧标识码配对的同步检测算法。

发明内容

本发明的发明目的在于，基于“先位同步后帧同步”的工作模式所存在的技术问题，在深空通信、扩频通信等极弱信号或强干扰场景下，在高稳定的晶振分频和高倍率采样等技术的支持下，通过获得样本点意义上的“同步相位”，不断校准位同步，从而建立“先帧同步后位同步”的同步工作机制。从而在极低信噪比条件下，提供了一种实现帧同步检测的方法。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是，一种新型具有滑动窗结构的二次相关帧同步方发，包括下列步骤：

发送数据步骤：发送端经编码、组帧、脉冲成型以及BPSK(Binary Phase ShiftKeying)调制后连续发出多帧数据，供接收端进行接收；

接收数据步骤：接收端接收数据，经下变频后对信号进行高倍采样与数字匹配滤波，然后按采样倍数对信号进行串并转换，得到多路并行信号；

首次相关计算步骤：通过滑动窗，将多路并行信号的每一路与本地巴克码做非周期相关运算，得到多个非周期相关值，形成一系列非周期相关值矩阵；

二次相关计算步骤：通过滑动窗，将多路并行信号的每一路的每一个非周期相关值与本地优选码做相关运算，形成一系列周期相关值矩阵；

帧同步判决步骤：通过对一系列周期相关值矩阵的值进行比较与判决，实现帧同步检测。

本发明的有益效果为：在极低信噪比的条件下(例如-10dB以下)，依赖锁相环技术的位同步结果偏差很大，严重地制约了帧同步相关判决结果。此时，“先位同步后帧同步”的工作模式，已无法满足极低信噪比条件下通信系统同步的需求。本发明采样“先帧同步后位同步”的同步工作机制，从而提高了同步性能。进而实现了极低信噪比条件下的同步检测，为低信噪比条件下的通信提供了同步保障。

附图说明

图1为帧结构示意图；

图2为计算非周期相关值示意图；

图3为计算二次相关值示意图。

具体实施方式

(1)发送数据步骤：

发送端经编码、组帧、脉冲成型以及BPSK调制后连续发出多帧数据，供接收端进行接收；

具体的，帧同步序列(χ_n),0≤n≤623由48比特长优选码(α_n),0≤n≤47与13比特长巴克码(β_n),0≤n≤12按照克罗内克积χ＝kron(α,β)构成，总长度为L_χ＝624比特；

48比特长优选码(α_n),0≤n≤47的具体结构如表1所示；13比特长巴克码(β_n),0≤n≤12的具体结构如表2所示；克罗内克积kron(α,β)的具体计算方法为kron(α,β)＝(α₀β₀,α₀β₁,…,α₀β₁₂,α₁β,…,α₄₇β)；

表1

	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
													0	+1	+1	+1	+1	+1	+1	+1	+1	-1	+1	+1	+1
1	+1	-1	+1	-1	-1	+1	-1	+1	+1	+1	-1	-1
													2	+1	+1	-1	-1	+1	-1	+1	-1	-1	-1	+1	-1
3	+1	+1	-1	-1	-1	-1	-1	-1	-1	-1	-1	-1

表2

0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
													+1	+1	+1	+1	+	-1	-1	+1	+1	-1	+1	-1	+1

然后，按照连贯式插入法插入帧同步序列，并以“帧同步头+消息数据”形式进行组帧，帧同步头的长度为L_χ比特，消息数据的长度由实际情况决定，为L_d比特，具体的帧结构如图1所示，帧长度为L_f＝L_χ+L_d，帧与帧连续发送；

脉冲成型滤波器的时域响应设置为截断后的根升余弦脉冲波形g(t),0≤t≤T，其中T＝1/R_s为波形持续时间，与具体截断方式有关，同时其3dB截止频率为R_s/2；

(2)接收数据步骤：

接收端接收数据，经下变频后对信号进行高倍采样与数字匹配滤波，然后按采样倍数对信号进行串并转换，得到多路并行信号；

具体的，高倍采样的采样率F_s＝N·R_s，其中N为一正整数，表示高倍采样相对于符号速率R_s的倍数；数字匹配滤波器的时域响应由脉冲成型滤波器的时域响应决定，在完成数字匹配滤波后，将信号进行串并转换以得到N路并行信号，表示为(y_n,t),0≤n≤N-1,t≥0；

(3)首次相关计算步骤：

通过滑动窗，将多路并行信号的每一路与本地巴克码做非周期相关运算，得到多个非周期相关值，形成一系列非周期相关值矩阵；

具体的，将N路并行信号中的每一路与本地巴克码(β_n),0≤n≤12做非周期相关运算，具体方法是：

将第i路信号再分为13路(其中0≤i≤N-1)，得到

再通过设置滑动窗口，将第j路信号

与13比特长序列(β_i,β_i+1,…,β₁₂,0,…,0)做相关运算(其中0≤j≤12)，得到相关值ω_j，如图2所示；每滑动一次窗口，便计算出13个相关值，组成此路信号的一组(13个)非周期相关值(ω_m),0≤m≤12；

每滑动一次窗口，N路并行信号中的每一路均会得到一组非周期相关值，所有相关值可以用一个N·13的矩阵表示，即(ω_n,m),0≤n≤N-1,0≤m≤12，连续滑动窗口，便得到一系列矩阵，表示为(ω_n,m,t),0≤n≤N-1,0≤m≤12,t≥0。

(4)二次相关计算步骤：

通过滑动窗，将N路并行信号中的每一路的所有13个非周期相关值分别与本地优选码(α_n),0≤n≤47做周期相关运算，具体方法是：

将第i路信号的第j个非周期相关运算值组成的数据流(ω_i,j,t),t≥0(其中0≤i≤N-1,0≤j≤12)，通过设置滑动窗口，分别与本地优选码(α_n),0≤n≤47做相关运算，得到相关值ξ_i,j，如图3所示；

每滑动一次窗口，N路并行信号中的每一路的每一个非周期相关值均会得到一个相关值，所有相关值可以用一个N·13的矩阵表示，即(ξ_n,m),0≤n≤N-1,0≤m≤12，连续滑动窗口，便得到一系列矩阵，表示为(ξ_n,m,t),0≤n≤N-1,0≤m≤12,t≥0。

(5)帧同步判决步骤：

通过对一系列周期相关值矩阵的值进行比较与判决，实现帧同步检测，具体实现方法如下：

初始化步骤A1：设置权重因子τ＝0.5(可以在0.5左右调整)，检测同步计数值υ＝-1，帧偏移值

连续漏同步计数值σ＝0，同时将相关值暂存矩阵序列(ψ_n,m,t)全置为零；

捕捉循环步骤A2：若σ达到预设上限(例如5)，则进入退出系统步骤A5；

否则，从周期相关值矩阵序列(ξ_n,m,t),0≤n≤N-1,0≤m≤12,t≥0中取出后续L_f个矩阵(周期相关值矩阵序列的末端的连续L_f个)，记为(Δψ_n,m,t),0≤n≤N-1,0≤m≤12,0≤t≤L_f-1，令υ＝υ₊1，

及ψ_n,m,t＝τ·ψ_n,m,t+(1-τ)·Δψ_n,m,t,0≤n≤N-1,0≤m≤12,0≤t≤L_f-1，同时找出矩阵序列(ψ_n,m,t)的最大值点ψ_i,j,k(其中0≤i≤N-1,0≤j≤12,0≤k≤L_f-1)；

捕捉判断步骤A3：若j≠0，则令υ＝-1及σ＝σ+1，并回到捕捉循环步骤A2；

j＝0，则继续判断检测同步计数值υ是否满足υ≤4，若是，则令σ＝0、G_υ＝i及T_υ＝k，并回到捕捉循环步骤A2；

若υ≥5，则依次执行G₀＝G₁、T₀＝T₁，G₁＝G₂、T₁＝T₂，G₂＝G₃、T₂＝T₃及G₃＝G₄、T₃＝T₄；最后令G₄＝i及T₄＝k，再进入步骤A4；即基于步骤A3得到的5对帧同步起点序列对(G_p,T_p),0≤p≤4，将其顺次向后移动一位后，再将最新的帧同步起点序列对更新为：G₄＝i及T₄＝k；

检测同步步骤A4：判断命题存在0≤p,q≤4，使得G_p≠G_q或T_p≠T_q，若此命题为真，则令υ＝-1及σ＝σ+1，并回到捕捉循环步骤A2；否则捕捉循环成功，输出帧同步起点序列对(G₄,T₄)及帧偏移值

帧同步检测结束；

退出系统步骤A5：帧同步判决失败，结束。

进而，基于本发明的帧同步检测所得到的帧同步起点序列对(G₄,T₄)及帧偏移值

根据公式

计算出此帧的帧起点T_sta，其此帧对应的待判决数据为

T_sta≤t≤T_sta+L_f-1。

实施例

一种基于滑窗的二次相关帧同步方法。在一个基本通信传输系统中，发送端经编码及组帧后连续发送M帧有效数据，帧同步头L_χ＝624比特，帧数据L_d＝2967比特，帧长L_d＝3591比特，设置数据符号速率R_s＝307.2kHz，采用根升余弦脉冲成型，其中根升余弦脉冲的3dB截止频率为R_s/2，衰减因子0.5，采用BPSK调制，载波频率为499MHz；

数据经高斯加性信道传入接收端，接收端不经相位估计直接将接收数据进行下变频，并将基带信号进行N＝8倍数据符号速率R_s采样，经匹配滤波后，直接将数据进行串并转换为8路并行信号(y_n,t),0≤n≤7,t≥0；

通过滑动窗，将8路并行信号中的每一路与本地巴克码(β_n),0≤n≤12做非周期相关运算，具体方法是：

将第i路信号再分为13路(其中0≤i≤N-1)，得到

再通过设置滑动窗口，将第j路信号

每滑动一次窗口，8路并行信号中的每一路均会得到一组非周期相关值，所有相关值可以用一个8·13的矩阵表示，即(ω_n,m),0≤n≤7,0≤m≤12，连续滑动窗口，便得到一系列矩阵，表示为(ω_n,m,t),0≤n≤7,0≤m≤12,t≥0；

通过滑动窗，将8路并行信号中的每一路的所有13个非周期相关值分别与本地优选码(α_n),0≤n≤47做周期相关运算，具体方法是：

将第i路信号的第j个非周期相关运算值组成的数据流(ω_i,j,t),t≥0(其中0≤i≤7,0≤j≤12)，通过设置滑动窗口，分别与本地优选码(α_n),0≤n≤47做相关运算，得到相关值ξ_i,j，如图3所示；

每滑动一次窗口，8路并行信号中的每一路的每一个非周期相关值均会得到一个相关值，所有相关值可以用一个8·13的矩阵表示，即(ξ_n,m),0≤n≤7,0≤m≤12，连续滑动窗口，便得到一系列矩阵，表示为(ξ_n,m,t),0≤n≤7,0≤m≤12,t≥0；

最后对一系列周期相关值矩阵的值进行比较与判决，实现帧同步检测，具体实现方法如下：

初始化步骤A1：设置权重因子τ＝0.5，检测同步计数值υ＝-1，帧偏移值

捕捉循环步骤A2：若σ＝5，则进入退出系统步骤A5；否则，从相关值矩阵序列(ξ_n,m,t),0≤n≤7,0≤m≤12,t≥0中取出后续L_f个矩阵，设为(Δψ_n,m,t),0≤n≤7,0≤m≤12,0≤t≤L_f-1，令υ＝υ+1，

及ψ_n，m，t＝τ·ψ_n，m，t+(1-τ)·Δψ_n,m,t,0≤n≤7,0≤m≤12,0≤t≤L_f-1，同时找出矩阵序列(ψ_n,m,t)的最大值点ψ_i,j,k(其中0≤i≤7,0≤j≤12,0≤k≤L_f-1)；

捕捉判断步骤A3：若j≠0，令υ＝-1及σ＝σ+1，并回到捕捉循环步骤A2；否则继续判断，若υ≤4，令σ＝0、G_υ＝i及T_υ＝k，并回到捕捉循环步骤A2；若υ≥5，则依次执行G₀＝G₁、T₀＝T₁，G₁＝G₂、T₁＝T₂，G₂＝G₃、T₂＝T₃及G₃＝G₄、T₃＝T₄；最后令G₄＝i及T₄＝k；

并回到捕捉循环步骤A2；

退出系统步骤A5：帧同步判决失败，结束；

进而通过公式

计算出此帧的帧起点T_sta，此帧对应的待判决数据为

T_sta≤t≤T_sta+L_f-1。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims

1.一种基于滑窗的二次相关帧同步方法，其特征在于，包括以下步骤：

发送数据步骤：发送端经编码、组帧、脉冲成型以及BPSK调制后连续发出多帧数据，供接收端进行接收；

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，发送数据步骤中，按照连贯式插入法插入帧同步序列，并以帧同步头+消息数据形式进行组帧；其中，帧同步序列由48比特长的优选码与13比特长的巴克码按照克罗内克积。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述优选码和巴克码分别为；

优选码为：

+1,+1,+1,+1,+1,+1,+1,-1,+1,+1,+1,+1,+1,-1,+1,-1,-1,+1,-1,+1,+1,+1,-1,-1,

+1,+1,-1,-1,+1,-1,+1,-1,-1,-1,+1,-1,+1,+1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1；

巴克码：+1,+1,+1,+1,+,-1,-1,+1,+1,-1,+1,-1,+1。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述发送数据步骤中，脉冲成型采用的脉冲成型滤波器的时域响应为截断后的根升余弦脉冲波形g(t),0≤t≤T，其中，波形持续时间T＞＞1/R_s，滤波器的3dB截止频率为R_s/2，其中R_s表示数据符号速率；

所述接收数据步骤中，高倍采样的采样率F_s＝N·R_s，其中N为正整数，表示高倍采样相对于符号速率R_s的倍数；数字匹配滤波器的时域响应由脉冲成型滤波器的时域响应决定，在完成数字匹配滤波后，将信号进行串并转换以得到N路并行信号。

5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述首次相关计算步骤中，将多路路并行信号中的每一路与本地13比特长的巴克码做非周期相关运算的具体处理为：

将多路并行信号中的每一路信号再分为13路，得到13路第二信号；

通过滑窗的方式，将每路第二信号与13比特长的巴克码做非周期相关运算，每滑动一次窗口，N路并行信号中的每一路均会得到一组非周期相关值的；其中，N表示多路并行信号的并行数；

将每次滑窗后的所有非周期相关值用一个N×13的矩阵表示为非周期相关值矩阵，通过连续滑窗，得到非周期相关值矩阵序列。

6.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述二次相关计算步骤中，周期相关运算的具体处理为：

对非周期相关值矩阵序列进行滑窗，将N路并行信号中的每一路的每个非周期相关值分别与本地48比特长的优选码做相关运算，得到每一路的13个周期相关值；即每滑动一次窗口，N路并行信号中的每一路的每一个非周期相关值均会得到一个周期相关值；

将每次滑窗后的所有周期相关值用一个N×13的矩阵表示为周期相关值矩阵，通过连续滑窗，得到周期相关值矩阵序列。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述帧同步检测具体为：

初始化步骤A1：设置权重因子τ，检测同步计数值υ＝-1，帧偏移值

连续漏同步计数值σ＝0，缓存矩阵序列(ψ_n,m,t)全置为零，其中ψ_n,m表示周期相关值矩阵的元素，且0≤n≤N-1,0≤m≤12；t表示不同的周期相关值矩阵，且0≤t≤L_f-1，其中L_f表示帧长；

捕捉循环步骤A2：判断连续漏同步计数值σ是否达到预设上限，若是，则帧同步检测失败，结束；否则，从周期相关值矩阵序列中取出后续L_f个周期相关值矩阵，记为(Δψ_n,m,t)，其中0≤n≤N-1,0≤m≤12,0≤t≤L_f-1；

更新检测同步计数值υ＝υ+1，帧偏移值

以及更新缓存矩阵序列中各周期相关矩阵的元素为：ψ_n,m,t＝τ·ψ_n,m,t+(1-τ)·Δψ_n,m,t；

同时查找缓存矩阵序列(ψ_n,m,t)中的最大周期相关值，记为ψ_i,j,k，其中0≤i≤N-1,0≤j≤12,0≤k≤L_f-1；

捕捉判断步骤A3：判断最大周期相关值ψ_i,j,k的下标j是否为0，若否，则令υ＝-1及σ＝σ+1，并回到捕捉循环步骤A2；

若是，则继续判断检测同步计数值υ是否大于4，若否，则令σ＝0、G_υ＝i及T_υ＝k，并返回捕捉循环步骤A2；

若检测同步计数值υ大于4，则依次执行G₀＝G₁、T₀＝T₁，G₁＝G₂、T₁＝T₂，G₂＝G₃、T₂＝T₃及G₃＝G₄、T₃＝T₄后，再令G₄＝i及T₄＝k后，进入检测同步步骤A4；其中(G_p,T_p)表示帧起点序列对，0≤p≤4；

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，权重因子τ的取值为0.5。

9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，连续漏同步计数值σ的上限为5。