CN110691056A - 一种无线通信系统的同步方法、装置、设备及存储介质 - Google Patents

一种无线通信系统的同步方法、装置、设备及存储介质 Download PDF

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CN110691056A CN201911184376.1A CN201911184376A CN110691056A CN 110691056 A CN110691056 A CN 110691056A CN 201911184376 A CN201911184376 A CN 201911184376A CN 110691056 A CN110691056 A CN 110691056A
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Abstract

本发明公开了一种无线通信系统的同步方法、装置、设备及计算机可读存储存储介质；在本发明中，对于接收的信号及本地存储的同步序列，均需要通过与其延时T个采样周期的信号进行共轭相乘处理，以通过处理后的目标序列与本地序列计算互相关值，从而执行同步操作；由于本发明提出的这种计算互相关值的方式，不会因为高速运动导致峰值出现弥散现象，因此，如果目标序列出现与本地序列相同的信号时，其互相关值的峰值会出现尖锐的峰值，从而提高了高动态环境下的工作性能。

Description

一种无线通信系统的同步方法、装置、设备及存储介质
技术领域
本发明涉及移动通信系统技术领域，更具体地说，涉及一种无线通信系统的同步方法、装置、设备及计算机可读存储存储介质。
背景技术
近年来，随着高铁、无人机等技术的飞速发展，对高动态环境下的高速通信需求越来越大，然而通信装备的高速运动会引入较大的多普勒频移和多普勒扩展，因此，将无线宽带通信系统应用于高动态环境下其性能会严重下降，突破高动态环境下的无线宽带通信关键技术显得尤为重要，时频同步是接收机首要的模块，是影响无线宽带通信系统性能的关键技术之一。OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用技术）、SCFDE（SingleCarrier－Frequency Domain Equalization，单载波频域均衡）等传输体制已经成为当前宽带无线通信的两种典型传输方案，OFDM和SCFDE系统具有很多相似性，其处理过程基本一致，在此以SCFDE系统为例说明。
SCFDE系统的同步主要包含符号定时同步和载波同步。符号定时同步的目的是使接收端获得相同的发端符号周期序列，以便能够确定FFT（fast Fourier transform，快速傅里叶变换）窗函数正确起始位置。在基于循环前缀的SCFDE系统中，每个SCFDE符号之前为了抵抗多径、容忍定时误差的影响而引入了循环前缀，因此，只要它的长度大于最大时延拓展，就可以尽可能的消除由于多径造成的符号间干扰。载波同步的目的是克服发射机与接收机的晶体振荡器不匹配、多普勒频移等因素导致的收发端频率偏移，使接收端与发射端在相同的载波频率下工作。
针对SCFDE系统的同步问题，目前为止已经有许多这方面的研究。在实际系统中，一般采用基于训练序列的同步方法，训练序列虽然会降低系统的传输效率，但以牺牲一定的传输效率为代价来提高同步的速度、精度和稳定度是十分值得的。基于训练序列的SCFDE系统同步方法中比较有名的是Schmidl算法、Minn算法和Park算法，这些方法的基本思想都是发送端发送具有特定重复结构的训练序列，接收端计算接收信号的延时自相关，在此基础上，利用自相关峰值及其相位信息分别实现符号定时同步和载波频偏估计。但是，当SCFDE系统在高动态环境下工作时，这些同步方法基本不再适用，这是因为高速运动会使传输信道快速变化，信道传输特性的快速变化使信道响应之间不相关，破坏重复结构的相关特性，导致自相关函数峰值不明显，从而使基于接收信号延时相关的峰值检测同步方法失效。
发明内容
本发明的目的在于提供一种无线通信系统的同步方法、装置、设备及计算机可读存储存储介质，以实现对接收信号执行同步操作，避免在高动态复杂环境下的同步失效问题。
为实现上述目的，本发明提供一种无线通信系统的同步方法，包括：
接收发送端发送的原始接收信号；
将所述原始接收信号与延时T个采样周期的接收信号进行共轭相乘，得到目标序列；
计算所述目标序列与本地序列的互相关函数；所述本地序列为将同步序列与延时T个采样周期的同步序列进行共轭相乘得到；
利用所述互相关函数的互相关值执行同步操作。
其中，所述利用所述互相关函数的互相关值执行同步操作，包括：
利用所述互相关函数的互相关峰值实现符号定时同步。
其中，所述利用所述互相关函数的互相关值执行同步操作，包括：
利用所述互相关函数确定定时函数；
通过检测所述定时函数的峰值实现符号定时同步；
其中，所述定时函数
Figure 894514DEST_PATH_IMAGE001
为：；其中，
Figure 898821DEST_PATH_IMAGE003
为所述互相关函数的变换函数，
Figure 80404DEST_PATH_IMAGE004
，
Figure 535656DEST_PATH_IMAGE005
为所述互相关函数，
Figure 232216DEST_PATH_IMAGE006
表示共轭运算；
Figure 798327DEST_PATH_IMAGE007
为所述变换函数的平均值函数，
Figure 896733DEST_PATH_IMAGE008
，
Figure 522886DEST_PATH_IMAGE009
为用于计算平均值函数
Figure 910005DEST_PATH_IMAGE003
的样点数目，
Figure 342124DEST_PATH_IMAGE010
表示第
Figure 796501DEST_PATH_IMAGE010
个采样时刻的索引值，
Figure 593556DEST_PATH_IMAGE011
表示第
Figure 264709DEST_PATH_IMAGE011
个采样时刻的索引值。
其中，所述计算所述目标序列与本地序列的互相关函数，包括：
对所述目标序列的每帧数据进行分段；
对于每帧数据中的每段数据，将每段数据数据尾部的预定数量个数据，添加至相邻的后一段数据的数据头部，将每帧数据最后一段数据的数据尾部的预定数量个数据添加至相邻的后一帧数据的第一段数据的数据头部，从而得到每帧数据的目标分段数据；
利用预定计算规则、每帧数据的每个目标分段数据及所述本地序列，得到每个目标分段数据的互相关结果；
删除每个目标分段数据的互相关结果中的前预定数量个数据，并按照各目标分段数据的排序进行拼接，得到所述目标序列与本地序列的互相关函数的互相关结果；
其中，所述预定计算规则为：
Figure 438201DEST_PATH_IMAGE012
Figure 511199DEST_PATH_IMAGE013
为每帧数据中的第
Figure 479155DEST_PATH_IMAGE014
个目标分段数据与所述本地序列的互相关结果；
Figure 466965DEST_PATH_IMAGE015
为每帧数据中的第
Figure 912990DEST_PATH_IMAGE014
个目标分段数据，表示点乘，
Figure 979352DEST_PATH_IMAGE017
为所述本地序列，
Figure 625097DEST_PATH_IMAGE018
为快速傅里叶变换，
Figure 874813DEST_PATH_IMAGE019
为快速傅里叶逆变换。
其中，利用所述互相关函数的互相关值执行同步操作，包括：
利用所述互相关函数的互相关值计算频偏估计值，并通过所述频偏估计值对接收信号进行频偏补偿，实现载波同步。
为实现上述目的，本发明进一步提供一种无线通信系统的同步装置，包括：
信号接收模块，用于接收发送端发送的原始接收信号；
目标序列确定模块，用于将所述原始接收信号与延时T个采样周期的接收信号进行共轭相乘，得到目标序列；
计算模块，用于计算所述目标序列与本地序列的互相关函数；所述本地序列为将同步序列与延时T个采样周期的同步序列进行共轭相乘得到；
同步模块，用于利用所述互相关函数的互相关值执行同步操作。
其中，所述同步模块包括：
第一定时同步单元，用于利用所述互相关函数的互相关峰值实现符号定时同步。
其中，所述同步模块包括：
载波同步单元，用于利用所述互相关函数的互相关值计算频偏估计值，并通过所述频偏估计值对接收信号进行频偏补偿，实现载波同步。
为实现上述目的，本发明进一步提供一种无线通信系统的同步设备，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行所述计算机程序时实现上述的同步方法的步骤。
为实现上述目的，本发明进一步提供一种计算机可读存储介质，其特征在于所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的同步方法的步骤。
通过以上方案可知，本发明实施例提供的一种无线通信系统的同步方法，包括：接收发送端发送的原始接收信号；将所述原始接收信号与延时T个采样周期的接收信号进行共轭相乘，得到目标序列；计算所述目标序列与本地序列的互相关函数；所述本地序列为将同步序列与延时T个采样周期的同步序列进行共轭相乘得到；利用所述互相关函数的互相关值执行同步操作。
可以看出，本发明对于接收的信号及本地存储的同步序列，均需要通过与其延时T个采样周期的信号进行共轭相乘处理，以通过处理后的目标序列与本地序列计算互相关值对接收信号执行同步操作；并且，由于本发明提出的这种计算互相关值的方式，不会因为高速运动导致峰值出现弥散现象，因此，如果目标序列出现与本地序列相同的信号时，其互相关值的峰值会出现尖锐的峰值，而其余位置则趋近于零，从而提高了高动态环境下的工作性能。
本发明还公开了一种无线通信系统的同步装置、设备及计算机可读存储存储介质，同样能实现上述技术效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例公开的一种SCFDE系统框图；
图2为本发明实施例公开的基于本地序列互相关的同步方法示意图；
图3为本发明实施例公开的互相关函数曲线示意图；
图4为本发明实施例公开的一种无线通信系统的同步方法流程示意图；
图5为本发明实施例公开的基于本地序列互相关的同步方法示意图；
图6为本发明实施例公开的多径对接收信号与本地序列互相关函数峰值的影响示意图；
图7a为本发明实施例公开的变换函数示意图；
图7b为本发明实施例公开的平均值函数示意图；
图7c为本发明实施例公开的定时函数示意图；
图8a为本发明实施例公开的互相关值示意图；
图8b为本发明实施例公开的定时函数示意图；
图9为本发明实施例公开的重叠保留法实现线性卷积示意图；
图10为本发明实施例公开的同步方法整体流程图；
图11为本发明实施例公开的一种无线通信系统的同步装置结构示意图；
图12为本发明实施例公开的一种无线通信系统的同步设备结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
近年来，无论是民用通信还是军用通信都对系统的传输容量提出了越来越大的需求，宽带无线通信的理论和技术都取得了长足的进展。OFDM、SCFDE等传输体制已经成为当前无线宽带通信的两种典型传输方案，它们已经广泛应用于各种传输协议和标准，例如：IEEE 802.11、IEEE 802.16以及LTE等。OFDM与SCFDE两种传输体制有许多相似之处，例如它们都是基于FFT/IFFT技术以低计算复杂度实现信道均衡，另一方面，它们之间也存在一些差异，主要体现为：
OFDM相较于SCFDE传输体制由于可以采用较低的采样速率，因而在相同硬件平台上，可以支持更大带宽，实现更高数据传输速率；OFDM相较于SCFDE传输体制对频偏更敏感，它需要严格载波同步保证子载波之间的正交性。因此，综合SCFDE和OFDM传输体制的特点，SCFDE传输体制更适合于要求传输距离远、运动速度快、传输速率相对较低的应用场景。在本发明中，仅以SCFDE系统为例进行说明。
参见图1，为本发明提供的一种SCFDE系统框图；由图1可以看出，发送端系统发送的数据经过信道编码，星座映射，加CP（Cyclic Prefix，循环前缀）和成型滤波等处理后得到SCFDE信号，再经过无线信道传输。接收端先要对接收信号进行同步处理，估计并补偿符号定时和载波频率偏差，才能保证后续QAM（Quadrature Amplitude Modulation，正交振幅调制）解映射，信道解码等处理正确进行。
目前针对SCFDE系统的同步问题，都是发送端发送具有特定重复结构的训练序列，接收端计算接收信号的延时自相关，在此基础上，利用自相关峰值及其相位信息分别实现符号定时同步和载波频偏估计。但是，当SCFDE系统在高动态环境下工作时，高速运动会使传输信道快速变化，信道传输特性的快速变化使信道响应之间不相关，破坏重复结构的相关特性，导致自相关函数峰值不明显，从而使基于接收信号延时相关的峰值检测同步方法失效。
具体来说，当不存在定时和频率偏差时，SCFDE系统中接收信号可以表示为
Figure 922403DEST_PATH_IMAGE020
，*表示卷积运算，表示时域发送信号，
Figure 302886DEST_PATH_IMAGE022
为多径衰落信道，具体为：
Figure 920074DEST_PATH_IMAGE023
(1)
其中，
Figure 759854DEST_PATH_IMAGE024
为路径数，
Figure 302831DEST_PATH_IMAGE025
为第
Figure 595272DEST_PATH_IMAGE026
条路径对应的复增益，
Figure 514687DEST_PATH_IMAGE027
为第
Figure 208973DEST_PATH_IMAGE026
条路径对应的时延，
Figure 860534DEST_PATH_IMAGE028
为单位冲激响应函数。若发射信号经过多径衰落信道后，存在定时偏差和频率偏差，则接收时域采样信号
Figure 968168DEST_PATH_IMAGE029
为
Figure 363377DEST_PATH_IMAGE030
(2)
其中，
Figure 464233DEST_PATH_IMAGE031
为以采样周期归一化的符号定时偏差，为以子载波间隔归一化的载波频偏。
Figure 819308DEST_PATH_IMAGE033
表示均值为0，方差为
Figure 814946DEST_PATH_IMAGE034
的加性高斯白噪声信号，
Figure 483824DEST_PATH_IMAGE035
为SCFDE系统的IFFT（FFT）点数。
参见图2，为本发明实施例公开的基于本地序列互相关的同步方法示意图；也就是说，为了同时满足频偏估计范围和估计精度的要求，设计了如图2所示同步序列结构。同步序列均为具有良好延时自相关特性的伪随机序列，所谓良好延时自相关性是指：
(3)
其中，
Figure 293835DEST_PATH_IMAGE037
表示同步序列，
Figure 358742DEST_PATH_IMAGE038
表示同步序列的长度，
Figure 882128DEST_PATH_IMAGE039
表示共轭运算，式（3）表示序列的延时自相关近似为0。
若考虑本地存储的序列为同步序列的情形，接收信号与本地存储的序列进行互相关运算，当接收端不存在频偏的条件下，接收信号与本地存储序列互相关函数的幅值会产生尖锐的峰值。然而，若接收信号存在频偏时，频偏会对接收信号与本地存储序列的互相关函数峰值产生很大影响，参见图3，为本发明实施例公开的互相关函数曲线示意图；通过图3可以看出，在不同频偏下，接收信号与本地存储的同步序列互相关函数曲线中，频偏会导致互相关函数的峰值减弱，这对峰值检测的性能会带来影响，同时，它还会导致互相关函数的峰值位置发生变化，这会对符号定时同步造成很大误差。并且，当通信设备处于高速运动状态时，收、发端之间会存在比较大的频偏。
因此在本发明中，为了解决基于延时相关峰值检测的SCFDE同步方法在干扰、高动态等复杂环境下同步失效的问题，本发明公开了一种无线通信系统的同步方法、装置、设备及计算机可读存储存储介质，以解决上述问题；需要说明的是，本发明公开的这种同步方案，可应用在SCFDE系统或者OFDM系统中，但是在本实施例中，仅以应用在SCFDE系统为例进行说明。
参见图4，本发明实施例提供的一种无线通信系统的同步方法，包括：
S101、接收发送端发送的原始接收信号；
需要说明的是，在发送端发送信号时，通过将同步序列添加至待发送的数据帧前，接收端接收到信号后，通过对接收信号中存在同步序列进行检测实现对数据帧的定位。为了分析的方便，本实施例暂时不考虑多径影响，当系统存在频偏的情况下接收信号可以表示为：
Figure 46393DEST_PATH_IMAGE040
(4)
其中，表示
Figure 392503DEST_PATH_IMAGE010
时刻的信道响应值。
S102、将原始接收信号与延时T个采样周期的接收信号进行共轭相乘，得到目标序列；
S103、计算目标序列与本地序列的互相关函数；本地序列为将同步序列与延时T个采样周期的同步序列进行共轭相乘得到；
在本实施例中，为了克服频偏带来的影响，本地存储的序列并非是同步序列，而是同步序列的一种变换序列，并且，对于接收信号，也同样需要进行相应的处理；参见图5，本发明实施例提供的改进的基于本地序列互相关的同步方法示意图；通过图5可以看出，本发明提供的这种基于接收信号与本地序列互相关峰值检测的SCFDE系统同步方法，主要通过将同步序列与同步序列延时T个采样周期共轭相乘作为本地存储序列，将接收信号与接收信号延时T个采样周期共轭相乘再与本地存储序列进行互相关运算，通过检测互相关函数的峰值实现符号定时和频偏估计来完成SCFDE系统同步。
具体来说，将接收信号与延时个采样周期的接收信号进行共轭相乘，得到新的序列
Figure 433457DEST_PATH_IMAGE043
为：
Figure 896799DEST_PATH_IMAGE044
(5)
其中，
Figure 303510DEST_PATH_IMAGE045
表示等效噪声。事实上，当取值较小时，可以合理假设
Figure 369872DEST_PATH_IMAGE041
和
Figure 586090DEST_PATH_IMAGE046
相同。结合式（4）和（5），频偏对接收信号的影响表现为接收信号的样值存在一个随时间累积变化的相偏，而构建的新序列
Figure 32377DEST_PATH_IMAGE047
每一个样值只存在一个固定的相差
Figure 384861DEST_PATH_IMAGE048
。因此，本发明提出本地存储的序列为：
Figure 61830DEST_PATH_IMAGE049
(6)
根据互相关函数的定义，接收信号的变换形式与本地序列之间的互相关值可以根据式（7）进行计算：
Figure 562081DEST_PATH_IMAGE050
(7)
其中，
Figure 248277DEST_PATH_IMAGE051
表示本地存储序列的长度。需要说明的是，接收信号通过式（5）所示变换获得的新序列
Figure 517585DEST_PATH_IMAGE047
与本地序列之间只存在尺度变化和固定的相差，在实现式（7）所示互相关计算过程中，固定相差是一个公因式，因此它不会对互相关幅值峰值的大小和位置产生任何影响。另一方面，当接收信号通过式（5）变换获取的新序列
Figure 556265DEST_PATH_IMAGE047
出现与本地序列相同（或者存在一定相差）的信号时，其互相关值的幅值会出现尖锐的峰值，同步序列具有良好的延时自相关性，互相关值在其余位置则趋近于0。
S104、利用互相关函数的互相关值执行同步操作。
其中，本发明利用所述互相关函数的互相关值执行同步操作，包括：
利用所述互相关函数的互相关峰值实现符号定时同步；
利用所述互相关函数的互相关值计算频偏估计值，并通过所述频偏估计值对接收信号进行频偏补偿，实现载波同步。
通过上述步骤可以得出，接收信号
Figure 842890DEST_PATH_IMAGE047
与本地存储序列的互相关值的绝对值会出现峰值，因此基于该峰值，便可对接收信号实现符号定时同步及载波同步。具体来说，在不考虑噪声影响的条件下，信道传输模型的相干时间大于
Figure 18098DEST_PATH_IMAGE042
个采样周期，即
Figure 165046DEST_PATH_IMAGE053
，则互相关函数的峰值可以表示为：
Figure 255362DEST_PATH_IMAGE054
(8)
根据式（8），可以得到归一化频偏
Figure 436944DEST_PATH_IMAGE032
的估计值为
Figure 954513DEST_PATH_IMAGE055
(9)
其中，表示取值位于之间的相位运算。可以看到，归一化频偏
Figure 518853DEST_PATH_IMAGE032
的估计范围与同步序列的延时采样周期
Figure 145006DEST_PATH_IMAGE058
有关，对于某一特定
Figure 830328DEST_PATH_IMAGE058
值，当归一化频偏
Figure 200129DEST_PATH_IMAGE032
超过某一范围时，其相关值的相位会出现模糊的现象。因此，可以得到以下结论：
Figure 418621DEST_PATH_IMAGE058
越大，归一化频偏
Figure 215676DEST_PATH_IMAGE032
的估计范围越小，反之，
Figure 824512DEST_PATH_IMAGE058
越小，归一化频偏
Figure 794742DEST_PATH_IMAGE032
的估计范围越大。
也就是说，参数
Figure 805423DEST_PATH_IMAGE058
的选取会对算法的同步性能产生一定的影响，它与同步序列的具体结构有关，也与频偏估计的精度要求有关。这里假设SCFDE系统中采用一段成形调制的QPSK序列作为同步序列，该情况下参数
Figure 835696DEST_PATH_IMAGE058
一般取值为每个符号的采样点数。因此，参数的取值一般较小，对应地，本发明能够实现较大的频偏估计范围，适用于收发端频偏较大的高动态传输环境。另一方面，参数的取值不建议设置为1，因为此时频偏估计精度易受到信号采样误差的影响，导致频偏估计精度较低。
可以看出，高速运动不但会导致收、发端存在比较大的频偏，同时高速运动也会导致收、发端之间的信道传输模型呈现时变的特点。因此，为了降低高速运动导致的信道时变对SCFDE系统同步的影响，考虑采用接收信号与本地序列互相关的方式来解决SCFDE系统的同步问题，提高其在高动态环境下的工作性能。为了分析的方便，暂时不考虑多径影响，此时，接收信号的变换形式
Figure 337981DEST_PATH_IMAGE047
可以表示为
Figure 476838DEST_PATH_IMAGE059
(10)
其中，
Figure 857004DEST_PATH_IMAGE041
表示
Figure 372299DEST_PATH_IMAGE010
时刻的信道响应值。此时，接收信号的变换形式与本地序列的互相关函数可以表示为
(11)
也就是说，虽然信道响应值随时间变化，但是只要信道传输模型的相干时间大于
Figure 729648DEST_PATH_IMAGE042
个采样周期，接收信号的变换形式与本地序列之间的相关性受信道时变特性的影响就较小，互相关函数还是会出现峰值，且不会因为高速运动导致峰值出现弥散现象，因此，本发明提出的这种基于接收信号与本地序列互相关的同步适用于高动态环境，可避免出现同步失效问题。
基于上述实施例，在本实施例中，所述利用所述互相关函数的互相关值执行同步操作，包括：
利用所述互相关函数确定定时函数；
通过检测所述定时函数的峰值实现符号定时同步；
其中，所述定时函数
Figure 597110DEST_PATH_IMAGE001
为：
Figure 650516DEST_PATH_IMAGE002
；其中，
Figure 54078DEST_PATH_IMAGE003
为所述互相关函数的变换函数，
Figure 534738DEST_PATH_IMAGE004
，为所述互相关函数，
Figure 888256DEST_PATH_IMAGE006
表示共轭运算；
Figure 910439DEST_PATH_IMAGE007
为所述变换函数的平均值函数，
Figure 562000DEST_PATH_IMAGE008
，
Figure 30153DEST_PATH_IMAGE009
为用于计算平均值函数
Figure 425362DEST_PATH_IMAGE003
的样点数目，表示第
Figure 124514DEST_PATH_IMAGE010
个采样时刻的索引值，
Figure 955329DEST_PATH_IMAGE011
表示第
Figure 154229DEST_PATH_IMAGE011
个采样时刻的索引值。
需要说明的是，高动态环境下信道传输模型不但呈现出时变特性，它同时也会表现出多径特性。参见图6，本发明实施例提供的多径对接收信号与本地序列互相关函数峰值的影响示意图，当SCFDE系统的信道传输模型存在多径特征时，接收信号与本地序列的互相关函数会出现多个次峰的现象；而同步的核心目标是通过峰值检测确定信号的起始位置，在多径环境下，同步的核心目标是要检测第一个峰值确定信号的起始位置，该第一个峰值可能不是最大峰值，因为第一径可能不是最强劲。因此，基于接收信号与本地序列互相关的同步方法要能适用于高动态环境，还需要解决由于多径导致出现多个次峰给峰值检测带来的干扰。
因此在本实施例中，为了克服多径造成互相关函数出现多个次峰，从而影响峰值检测的问题，通过对互相关函数进行适当变换，提出了一种新的定时同步函数，新的定时同步函数对于多径具有强鲁棒性。
具体来说，本发明提出对采用接收信号的变换形式与本地序列的互相关函数作进行变化，以便得到定时函数；对互相关函数进行变换过程如下，得到的互相关函数的变换函数
Figure 878788DEST_PATH_IMAGE003
为：
(12)
同时，计算
Figure 698025DEST_PATH_IMAGE061
在一段时间区间内的平均值，如公式（13）所示：
Figure 283728DEST_PATH_IMAGE008
(13)
其中，
Figure 447993DEST_PATH_IMAGE062
表示用于计算
Figure 689618DEST_PATH_IMAGE061
平均值的样点数目。最后，提出新的定时函数
Figure 782384DEST_PATH_IMAGE001
为：
(14)
参见图7a-c，本发明实施例提供的多径效应对新的定时函数的影响示意图，其中，图7a为变换函数示意图，图7b为平均值函数示意图，图7c为定时函数示意图。可以看出，新的定时函数通过式（13）所示的计算均值过程将多个相邻峰值的变化过程转化为一个阶跃变化过程，而后利用式（14）完成阶跃过程检测，因此，它对多径效应具有鲁棒性，即它会抑制接收信号与本地序列互相关函数的次峰，只会保留第一个峰值，这样对于准确实现峰值检测完成定时同步具有重要意义，因此，本发明通过检测定时函数的峰值，实现符号定时同步。
需要说明的是，当信道中出现窄带干扰时，接收到的同步符号可表示为公式15所示，但是为了分析的方便，已忽略信道影响和噪声。
(15)
其中，
Figure 693391DEST_PATH_IMAGE066
和
Figure 925789DEST_PATH_IMAGE067
代表引入的第v个窄带干扰信号的幅度、频率和相位，V为干扰的数目。为了分析方便，这里以V=1的情况来说明，此时接收信号与本地序列互相关运算在理想定时点的值
Figure 697436DEST_PATH_IMAGE068
可表示为：
Figure 710392DEST_PATH_IMAGE069
(16)
假设同步序列
Figure 592897DEST_PATH_IMAGE070
与窄带干扰
Figure 509163DEST_PATH_IMAGE071
相互独立。根据式（15）可以看出，干扰与本地存储序列的互相关值可以近似为0。此时互相关函数可以近似表示为
Figure 451711DEST_PATH_IMAGE072
(17)
参见图8a-b，本发明实施例提供的干扰条件下同步算法中定时函数的峰值情况示意图；图8a给出了干信比
Figure 14279DEST_PATH_IMAGE073
的条件下的互相关值示意图，图8b给出了干信比
Figure 762792DEST_PATH_IMAGE073
的条件下的定时函数示意图，可以看出，该情况下互相关函数在理想定时点处一样呈现出峰值，因此，本发明所提出的同步算法对干扰具有较强的鲁棒性。
基于上述实施例，在本实施例中，所述计算所述目标序列与本地序列的互相关函数，包括：
对所述目标序列的每帧数据进行分段；
对于每帧数据中的每段数据，将每段数据数据尾部的预定数量个数据，添加至相邻的后一段数据的数据头部，将每帧数据最后一段数据的数据尾部的预定数量个数据添加至相邻的后一帧数据的第一段数据的数据头部，从而得到每帧数据的目标分段数据；
利用预定计算规则、每帧数据的每个目标分段数据及所述本地序列，得到每个目标分段数据的互相关结果；
删除每个目标分段数据的互相关结果中的前预定数量个数据，并按照各目标分段数据的排序进行拼接，得到所述目标序列与本地序列的互相关函数的互相关结果；
其中，所述预定计算规则为：
Figure 969783DEST_PATH_IMAGE012
；
Figure 647014DEST_PATH_IMAGE013
为每帧数据中的第
Figure 572245DEST_PATH_IMAGE014
个目标分段数据与所述本地序列的互相关结果；为每帧数据中的第
Figure 185946DEST_PATH_IMAGE014
个目标分段数据，
Figure 267034DEST_PATH_IMAGE016
表示点乘，
Figure 679561DEST_PATH_IMAGE017
为所述本地序列，
Figure 769877DEST_PATH_IMAGE018
为快速傅里叶变换，
Figure 951459DEST_PATH_IMAGE019
为快速傅里叶逆变换。
可以理解的是，便于工程应用于实现，需要减少计算互相关函数的复杂度；以OFDM系统为例来说，该系统需要对每一帧信号进行捕获和同步处理，因此，需要一直计算接收信号与本地序列的互相关值，并检测互相关值的某些特征实现信号的捕获。
接收信号与本地序列互相关值根据式（16）进行计算：
Figure 970493DEST_PATH_IMAGE074
(18)
其中，
Figure 604737DEST_PATH_IMAGE075
表示本地存储序列的共轭。可以发现，严格计算无限长接收信号与本地序列之间的互相关是一个滑动互相关，滑动互相关的计算需要很大的实现复杂度。通过分析，接收信号与本地序列的互相关可以等效为卷积过程。
为了解决式（18）实现占用乘法器等资源多的问题，本发明采用快速傅立叶变换来实现式（18）的计算，基本原理为快速傅立叶变换可以实现循环卷积过程，因此，线性卷积利用重叠保留法可以低复杂度实现。参见图9，为本发明实施例提供的重叠保留法实现线性卷积示意图；通过图9可以看出，在接收信号的数据头部添加前一帧尾部的预定数量个数据（第一帧添加的是
Figure 233164DEST_PATH_IMAGE076
个0），该预定数量为
Figure 534833DEST_PATH_IMAGE076
，然后将每帧的数据进行分段，每段数据长度为
Figure 223303DEST_PATH_IMAGE077
，且连续的两段数据有
Figure 344843DEST_PATH_IMAGE076
个数据是重叠的。其中
Figure 776961DEST_PATH_IMAGE078
的选取原则是，尽量使
Figure 933136DEST_PATH_IMAGE077
为2的整数次幂以方便进行IFFT变换。以第一帧数据为例，具体实现过程如图9所示。
对上述分段后的数据进行
Figure 293972DEST_PATH_IMAGE079
点的FFT变换，并与本地序列的频域响应相乘，并再通过IFFT变回时域即可得到接收信号与本地序列相关的信号：
Figure 902808DEST_PATH_IMAGE080
(18)
其中，表示分段后的第
Figure 883720DEST_PATH_IMAGE014
段数据，
Figure 851676DEST_PATH_IMAGE016
表示点乘。滤波器的频域响应
Figure 10125DEST_PATH_IMAGE081
在一次滤波操作中是不变的，只需计算一次，或者离线计算并存储下来即可。由于频域乘法等效于时域循环卷积，因此根据式（18）计算得到的
Figure 721729DEST_PATH_IMAGE013
相当于
Figure 649233DEST_PATH_IMAGE082
和
Figure 788091DEST_PATH_IMAGE083
的时域循环卷积结果。
Figure 935300DEST_PATH_IMAGE013
的前个数据中包含了
Figure 170290DEST_PATH_IMAGE085
的后
Figure 542365DEST_PATH_IMAGE084
个数据成分，其余部分则是线性卷积的结果。因此，丢掉每段
Figure 613089DEST_PATH_IMAGE013
的前
Figure 728813DEST_PATH_IMAGE084
个数据，并按照先后顺序将数据进行拼接，可得到等效的线性卷积的结果。
参见图10，为本发明实施例提供的同步方法整体流程图；该流程从功能实现上可包括：接收信号与延时接收信号的共轭相乘计算单元、与本地存储序列的互相关计算单元、新的定时函数计算单元、符号定时同步单元、频偏估计单元和频偏补偿单元。具体来说：共轭相乘计算单元执行S1，用来将接收信号与延时接收信号进行共轭相乘计算，得到目标序列；互相关计算单元执行S2，用于将目标序列与本地存储序列进行互相关计算；定时函数计算单元执行S3，用来根据互相关函数得到新的定时函数；符号定时同步单元执行S4，用于通过检测定时函数的峰值，实现定时同步；频偏估计单元执行S5，用于利用定时函数峰值位置处接收信号的变换形式，与本地存储序列计算得到互相关函数值，根据式（9）计算得到频偏估计值；频偏补偿单元执行S6，用于利用估计得到的频偏估计值根据式（4）对接收信号进行频偏补偿。
综上可以看出，本发明提供的这种基于接收信号与本地序列互相关峰值检测的SCFDE系统同步方法，相较于经典的同步方法，具有以下显著效果：
该方法具有大的频偏估计范围，且同时具有高的估计精度，能够适应于存在大频偏的应用场景；该方法对信道传输过程中时变、多径等因素具有强鲁棒性，能够适应于高动态传输环境；该方法实现的计算复杂度低，便于工程应用于实现。
下面对本发明实施例提供的同步装置进行介绍，下文描述的同步装置与上文描述的同步方法可以相互参照。
参见图11，本发明实施例提供的一种无线通信系统的同步装置，包括：
信号接收模块100，用于接收发送端发送的原始接收信号；
目标序列确定模块200，用于将所述原始接收信号与延时T个采样周期的接收信号进行共轭相乘，得到目标序列；
计算模块300，用于计算所述目标序列与本地序列的互相关函数；所述本地序列为将同步序列与延时T个采样周期的同步序列进行共轭相乘得到；
同步模块400，用于利用所述互相关函数的互相关值执行同步操作。
其中，所述同步模块包括：
第一定时同步单元，用于利用所述互相关函数的互相关峰值实现符号定时同步。
其中，所述同步模块包括：
定时函数确定单元，用于利用所述互相关函数确定定时函数；
第二定时同步单元，用于通过检测所述定时函数的峰值实现符号定时同步；
其中，所述定时函数
Figure 568593DEST_PATH_IMAGE001
为：
Figure 111570DEST_PATH_IMAGE002
；其中，
Figure 669590DEST_PATH_IMAGE003
为所述互相关函数的变换函数，，
Figure 519177DEST_PATH_IMAGE005
为所述互相关函数，
Figure 436317DEST_PATH_IMAGE006
表示共轭运算；
Figure 278371DEST_PATH_IMAGE007
为所述变换函数的平均值函数，
Figure 673580DEST_PATH_IMAGE008
，
Figure 550270DEST_PATH_IMAGE009
为用于计算平均值函数
Figure 372732DEST_PATH_IMAGE003
的样点数目，
Figure 702082DEST_PATH_IMAGE010
表示第
Figure 900982DEST_PATH_IMAGE010
个采样时刻的索引值，
Figure 569861DEST_PATH_IMAGE011
表示第
Figure 127007DEST_PATH_IMAGE011
个采样时刻的索引值。
其中，所述计算模块包括：
分段单元，用于对所述目标序列的每帧数据进行分段；
分段数据处理单元，用于对于每帧数据中的每段数据，将每段数据数据尾部的预定数量个数据，添加至相邻的后一段数据的数据头部，将每帧数据最后一段数据的数据尾部的预定数量个数据添加至相邻的后一帧数据的第一段数据的数据头部，从而得到每帧数据的目标分段数据；
结果计算单元，用于利用预定计算规则、每帧数据的每个目标分段数据及所述本地序列，得到每个目标分段数据的互相关结果；
数据拼接单元，用于删除每个目标分段数据的互相关结果中的前预定数量个数据，并按照各目标分段数据的排序进行拼接，得到所述目标序列与本地序列的互相关函数的互相关结果；
其中，所述预定计算规则为：
Figure 881336DEST_PATH_IMAGE012
；
Figure 680665DEST_PATH_IMAGE013
为每帧数据中的第
Figure 204050DEST_PATH_IMAGE014
个目标分段数据与所述本地序列的互相关结果；
Figure 696211DEST_PATH_IMAGE015
为每帧数据中的第
Figure 937837DEST_PATH_IMAGE014
个目标分段数据，
Figure 212960DEST_PATH_IMAGE016
表示点乘，
Figure 918748DEST_PATH_IMAGE017
为所述本地序列，
Figure 253914DEST_PATH_IMAGE018
为快速傅里叶变换，
Figure 558337DEST_PATH_IMAGE019
为快速傅里叶逆变换。
其中，所述同步模块包括：
载波同步单元，用于利用所述互相关函数的互相关值计算频偏估计值，并通过所述频偏估计值对接收信号进行频偏补偿，实现载波同步。
参见图12，本发明实施例提供的一种无线通信系统的同步设备，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行所述计算机程序时实现如上述任意方法实施例所述的同步方法的步骤。
在本实施例中，设备可以是PC（Personal Computer，个人电脑），也可以是智能手机、平板电脑、掌上电脑、便携计算机等终端设备。
该设备可以包括存储器11、处理器12和总线13。
其中，存储器11至少包括一种类型的可读存储介质，所述可读存储介质包括闪存、硬盘、多媒体卡、卡型存储器（例如，SD或DX存储器等）、磁性存储器、磁盘、光盘等。存储器11在一些实施例中可以是设备的内部存储单元，例如该设备的硬盘。存储器11在另一些实施例中也可以是设备的外部存储设备，例如设备上配备的插接式硬盘，智能存储卡（SmartMedia Card, SMC），安全数字（Secure Digital, SD）卡，闪存卡（Flash Card）等。进一步地，存储器11还可以既包括设备的内部存储单元也包括外部存储设备。存储器11不仅可以用于存储安装于设备的应用软件及各类数据，例如执行同步方法的程序代码等，还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。
处理器12在一些实施例中可以是一中央处理器（Central Processing Unit,CPU）、控制器、微控制器、微处理器或其他数据处理芯片，用于运行存储器11中存储的程序代码或处理数据，例如执行同步方法的程序代码等。
该总线13可以是外设部件互连标准(peripheral component interconnect，简称PCI)总线或扩展工业标准结构(extended industry standard architecture，简称EISA)总线等。该总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图12中仅用一条粗线表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。
进一步地，设备还可以包括网络接口14，网络接口14可选的可以包括有线接口和/或无线接口（如WI-FI接口、蓝牙接口等），通常用于在该设备与其他电子设备之间建立通信连接。
可选地，该设备还可以包括用户接口，用户接口可以包括显示器（Display）、输入单元比如键盘（Keyboard），可选的用户接口还可以包括标准的有线接口、无线接口。可选地，在一些实施例中，显示器可以是LED显示器、液晶显示器、触控式液晶显示器以及OLED（Organic Light-Emitting Diode，有机发光二极管）触摸器等。其中，显示器也可以适当的称为显示屏或显示单元，用于显示在设备中处理的信息以及用于显示可视化的用户界面。
图12仅示出了具有组件11-14的设备，本领域技术人员可以理解的是，图12示出的结构并不构成对设备的限定，可以包括比图示更少或者更多的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。
本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述任意方法实施例所述的同步方法的步骤。
其中，该存储介质可以包括：U盘、移动硬盘、只读存储器（Read-Only Memory ，ROM）、随机存取存储器（Random Access Memory ，RAM）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种无线通信系统的同步方法，其特征在于，包括：
接收发送端发送的原始接收信号；
将所述原始接收信号与延时T个采样周期的接收信号进行共轭相乘，得到目标序列；
计算所述目标序列与本地序列的互相关函数；所述本地序列为将同步序列与延时T个采样周期的同步序列进行共轭相乘得到；
利用所述互相关函数的互相关值执行同步操作。
2.根据权利要求1所述的同步方法，其特征在于，所述利用所述互相关函数的互相关值执行同步操作，包括：
利用所述互相关函数的互相关峰值实现符号定时同步。
3.根据权利要求1所述的同步方法，其特征在于，所述利用所述互相关函数的互相关值执行同步操作，包括：
利用所述互相关函数确定定时函数；
通过检测所述定时函数的峰值实现符号定时同步；
其中，所述定时函数为：；其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
为所述互相关函数的变换函数，，
Figure DEST_PATH_IMAGE005
为所述互相关函数，
Figure DEST_PATH_IMAGE006
表示共轭运算；
Figure DEST_PATH_IMAGE007
为所述变换函数的平均值函数，
Figure DEST_PATH_IMAGE008
，为用于计算平均值函数
Figure 491245DEST_PATH_IMAGE003
的样点数目，表示第
Figure 416475DEST_PATH_IMAGE010
个采样时刻的索引值，表示第
Figure 703100DEST_PATH_IMAGE011
个采样时刻的索引值。
4.根据权利要求3所述的同步方法，其特征在于，所述计算所述目标序列与本地序列的互相关函数，包括：
对所述目标序列的每帧数据进行分段；
对于每帧数据中的每段数据，将每段数据数据尾部的预定数量个数据，添加至相邻的后一段数据的数据头部，将每帧数据最后一段数据的数据尾部的预定数量个数据添加至相邻的后一帧数据的第一段数据的数据头部，从而得到每帧数据的目标分段数据；
利用预定计算规则、每帧数据的每个目标分段数据及所述本地序列，得到每个目标分段数据的互相关结果；
删除每个目标分段数据的互相关结果中的前预定数量个数据，并按照各目标分段数据的排序进行拼接，得到所述目标序列与本地序列的互相关函数的互相关结果；
其中，所述预定计算规则为：
Figure DEST_PATH_IMAGE013
为每帧数据中的第
Figure DEST_PATH_IMAGE014
个目标分段数据与所述本地序列的互相关结果；为每帧数据中的第个目标分段数据，
Figure DEST_PATH_IMAGE016
表示点乘，
Figure DEST_PATH_IMAGE017
为所述本地序列，
Figure DEST_PATH_IMAGE018
为快速傅里叶变换，
Figure DEST_PATH_IMAGE019
为快速傅里叶逆变换。
5.根据权利要求1所述的同步方法，其特征在于，利用所述互相关函数的互相关值执行同步操作，包括：
利用所述互相关函数的互相关值计算频偏估计值，并通过所述频偏估计值对接收信号进行频偏补偿，实现载波同步。
6.一种无线通信系统的同步装置，其特征在于，包括：
信号接收模块，用于接收发送端发送的原始接收信号；
目标序列确定模块，用于将所述原始接收信号与延时T个采样周期的接收信号进行共轭相乘，得到目标序列；
计算模块，用于计算所述目标序列与本地序列的互相关函数；所述本地序列为将同步序列与延时T个采样周期的同步序列进行共轭相乘得到；
同步模块，用于利用所述互相关函数的互相关值执行同步操作。
7.根据权利要求6所述的同步装置，其特征在于，所述同步模块包括：
第一定时同步单元，用于利用所述互相关函数的互相关峰值实现符号定时同步。
8.根据权利要求6所述的同步装置，其特征在于，所述同步模块包括：
载波同步单元，用于利用所述互相关函数的互相关值计算频偏估计值，并通过所述频偏估计值对接收信号进行频偏补偿，实现载波同步。
9.一种无线通信系统的同步设备，其特征在于，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行所述计算机程序时实现如权利要求1至5任一项所述的同步方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至5任一项所述的同步方法的步骤。
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