CN111585740A - 发送信号同步处理方法、系统、存储介质、程序、终端 - Google Patents

Abstract

本发明属于信号处理技术领域，公开了一种发送信号同步处理方法、系统、存储介质、程序、终端，利用生成的ZC序列得到由三部分组成的共轭对称性质的训练序列；将训练序列加载到发射端的FBMC/OQAM系统符号之前进行传输，利用改进本地序列与接收端部分序列的强自相关性进行定时同步处理，通过峰值搜索检测找准同步帧头位置；再利用训练序列的进行频偏估计运算，通过求出两段序列间的平均频率偏移差值，通过利用估计出的角度值补偿数据发生的频率偏移。本发明提高了同步操作的精度，在通信信道环境恶劣情况下，接收机能够准确的从接收信号中提取出有效信号，并且成功补偿发射信号经过无线传输到达接收机的数据符号产生相位和频率偏转。

Description

发送信号同步处理方法、系统、存储介质、程序、终端

技术领域

本发明属于信号处理技术领域，尤其涉及一种发送信号同步处理方法、系统、存储介质、程序、终端。

背景技术

目前，信号在信道中传输，受到环境影响造成的衰落问题和带内干扰，最直接影响的就是接收端的同步问题，在错误的位置进行FFT操作只会拉低信号整体质量，只有准确无误的同步出发送信号，接下来一系列的解调解码操作才有意义，所以说同步技术是接收端处理流程的前提，同步技术不仅在FBMC系统中占据重要位置，在任何无线通信领域中都必不可少，同步技术的出现保证了信号传输的有效性，基于OFDM技术的通信系统的同步处理在FBMC系统中同样受用。根据同步技术的性能功效同步技术可以分为：定时同步、频率同步、采样同步。关于FBMC系统的定时同步与载波同步问题，一些期刊文献也出做了理论研究为以后FBMC系统的同步设计提供参考。比如结合子载波之间发生的频率偏移现象，提出了计算平均误差率的一种同步补偿算法；或者设计出了一种新的分散式导频结构，将双导频结构应用于多径信道下的FBMC/OQAM系统的同步处理中；又有学者对导频结构进行分析研究，提出一种高精度的同步方式，增加导频训练结构的自由度，避免导频序列在通信传输中受到限制；或者在MIMO/FBMC系统中将最大似然法与导频设计联合起来进行同步与信道估计算法的研究，提高通信系统的传输性能；同时有一些学者采用训练序列进行同步处理的方式，对定时同步进行峰值检测后，在最高峰与相邻峰之间进行高斯插值，结果表明这种基于软判决的同步方法能够减小同步误差对系统的影响。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：传统的训练序列进行定时同步与频偏估计补偿技术的同步精度低。

解决以上问题及缺陷的难度为：

需要在不增加计算复杂度的情况下提高定时同步和频偏估计补偿的精度，一般在接收端先进行定时同步找准有效信号的位置后再采用频率同步算法，两者联合进行同步技术处理。但是由于信道衰落的影响，数据在经过无线信道传输时，幅度、相位会发生相应变化，并且接收到的数据没有任何先验字段，我们需要把所需的正确信息从接收到混有噪声干扰和受多径效应影响的未知信号中提取出来。低信噪比环境下，接收信号功率较低，一些定时同步方法无法准确的根据接收信号的包络进行信号的能量判决处理，也就无法检测出信号的数据帧的起始位置。

解决以上问题及缺陷的意义为：

如果定时同步位置判断出错，无论是过早判断数据帧到来还是延后判断数据帧到来，都会导致整个数据帧的提取出现偏差，使得接收端丢失掉整个数据信息，从而使得接收端的后续处理没有任何意义，并且定时同步出现误差使得数据符号进行FFT时起始位置发生错误，导致子载波间出现码间干扰。所以数据从发射机经过无线信道到达接收机时，接收端从接收到的混叠信号中正确的找准数据帧的位置至关重要，定时同步技术的成功起决定性作用。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种发送信号同步处理方法、系统、存储介质、程序、终端。

本发明是这样实现的，一种发送信号同步处理方法，所述发送信号同步处理方法包括：

第一步，利用生成的ZC序列得到由三部分组成的共轭对称性质的训练序列；

第二步，将训练序列加载到发射端的FBMC/OQAM系统符号之前进行传输，利用改进本地序列与接收端部分序列的强自相关性进行定时同步处理，通过峰值搜索检测找准同步帧头位置；

第三步，再利用训练序列的进行频偏估计运算，通过求出两段序列间的平均频率偏移差值，通过利用估计出的角度值补偿数据发生的频率偏移。

进一步，所述发送信号同步处理方法根据ZC序列数学表达式：

其中N为ZC序列的序列长度，r是N的质数。

进一步，所述发送信号同步处理方法基于ZC序列改进的训练序列结构由三部分组成每个部分不全相同，第一部分A是ZC训练序列1，第二部分A*是ZC练序列1的共轭，第三部分B是ZC练序列2，详细的时域结构即序列A为[ab]是长度为N的ZC序列，序列A*为[a*b*]是A序列在时域上的共轭运算，序列B为[cd]，其中c是A序列前半部分a序列的对称序列，d是A后半部分b序列的对称序列，N是训练序列的子载波数。

进一步，所述发送信号同步处理方法，r(n)为接收到的数据，为a(i)本地训练序列，L为训练序列的长度，利用本地训练序列与接收信号进行滑动互相关求得两部分相关值：

其中接收信号的滑动窗口内的功率值R(n)为：

最后将滑动互相关值P(n)和窗口内的功率值R(n)进行数值运算操作求得定时估计的时间度量值，该定时估计时间度量值又称之为判决函数M(n)，表示为:M(n)＝|P(n)|²/(R(n))²；

通过对度量值M(n)进行峰值搜索检测出最大峰值处进行判决，找到定时同步位置：

M＝max(|P(n)|²/(R(n))²)。

进一步，所述发送信号同步处理方法针对数据符号在信道中产生的频率偏移，发送信号为x_n，则第n点处的通带信号y_n的复基带模型为：

其中，f_tx为发送载波频率，T_s为采样周期，发送信号x_n到达接收端后，接收到的实际信号r_n为：

f_Δ＝f_rx-f_tx为发送端载波和接收端载波之间的频率差值。

进一步，所述发送信号同步处理方法定义两个连续重复符号之间的延时为D个采样点，FBMC符号长度为L，T_s为采样周期，f_Δ为收发两端频率差值，发送数据中的第一个重复序列为x_n，，发送数据中的第二个重复序列为x_n+D，则将接收到的第一个序列r_n和接收到的第二个重复序列r_n+D进行延时相关和为：

不存在频率偏移时，延迟相关和的值R应为整数，而出现的

则是频偏给信号带来的影响，根据对应的算法合理估计出此项的值，得出频偏估计角度公式，再做相应的频偏估计补偿纠正频偏后的数据完成频率同步：

其中，D为两个连续重复符号之间的延时采样点数，T_s为采样周期，

为对延迟相关和的复数值R取角度运算。

本发明的另一目的在于提供一种接收用户输入程序存储介质，所存储的计算机程序使电子设备执行权利要求任意一项所述包括下列步骤：

第一步，利用生成的ZC序列得到由三部分组成的共轭对称性质的训练序列；

第二步，将训练序列加载到发射端的FBMC/OQAM系统符号之前进行传输，利用改进本地序列与接收端部分序列的强自相关性进行定时同步处理，通过峰值搜索检测找准同步帧头位置；

第三步，再利用训练序列的进行频偏估计运算，通过求出两段序列间的平均频率偏移差值，通过利用估计出的角度值补偿数据发生的频率偏移。

本发明的另一目的在于提供一种存储在计算机可读介质上的计算机程序产品，包括计算机可读程序，供于电子装置上执行时，提供用户输入接口以实施所述的发送信号同步处理方法。

本发明的另一目的在于提供一种实施所述发送信号同步处理方法的发送信号同步处理系统，所述发送信号同步处理系统包括：

训练序列生成模块，用于根据ZC序列数学表达式，求出96点的ZC序列表达式，在中间插入32个空数据符号，再进行128点IFFT运算求得时域128长度的ZC训练序列；

共轭对称性质训练序列生成模块，用于利用生成的ZC序列进行改进，得到由三部分组成的共轭对称性质的训练序列；

同步帧头位置检测模块，将训练序列加载到发射端的FBMC/OQAM系统符号之前进行传输，利用改进本地序列与接收端部分序列的强自相关性进行定时同步处理，通过峰值搜索检测找准同步帧头位置；

频率偏移估计模块，用于利用训练序列的进行频偏估计运算，通过求出两段序列间的平均频率偏移差值，通过利用估计出的角度值补偿数据发生的频率偏移。

本发明的另一目的在于提供一种终端，所述终端搭载所述的发送信号同步处理系统。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明提高了同步操作的精度，在通信信道环境恶劣的情况下，接收机能够准确的从接收信号中提取出有效信号，并且成功补偿发射信号经过无线传输到达接收机的数据符号产生的相位和频率偏转。

针对无线传输中的衰减会造成数据发生时延扩展，对传输信号产生很大的影响的问题，本发明就FBMC/OQAM系统接收端的同步技术展开研究，提高系统同步精度，增大接收端灵敏度。本发明在原有训练序列的基础上进行改进，设计了一种新的具有共轭对称性质的训练序列，通过仿真验证其算法具有更高同步精度。并利用滑动相关求解定时同步峰值，通过仿真结果表明该设计使得系统获得了良好的定时估计性能。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，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是本发明实施例提供的发送信号同步处理方法流程图。

图2是本发明实施例提供的发送信号同步处理系统的结构示意图；

图中：1、训练序列生成模块；2、共轭对称性质训练序列生成模块；3、同步帧头位置检测模块；4、频率偏移估计模块。

图3是本发明实施例提供的ZC序列自相关性仿真图。

图4是本发明实施例提供的定时同步算法实现框图。

图5是本发明实施例提供的基于改进的训练序列的FBMC同步结构。

图6是本发明实施例提供的设计的训练序列结构。

图7是本发明实施例提供的利用改进的训练序列进行定时同步的定时度量仿真图。

图8是本发明实施例提供的利用原有的重复ZC训练序列进行定时同步的定时度量仿真图。

图9是本发明实施例提供的与现有技术中利用两个重复ZC序列进行定时同步时产生的误差仿真对比图。

图10是本发明实施例提供的与现有技术中利用两个重复ZC序列进行频偏估计时产生的归一化误差仿真对比图。

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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种发送信号同步处理方法、系统、存储介质、程序、终端，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明提供的发送信号同步处理方法包括以下步骤：

S101：根据ZC序列数学表达式，本发明采用96点的ZC序列结构，然后在序列中间位置处插入32个空数据符号，形成128点的训练序列结构，最后再进行128点傅里叶逆变换运算求得128长度的时域ZC训练序列；

S102：利用生成的ZC序列进行改进，根据序列的定时同步度量值进行分析，设计出由三部分组成的共轭对称性质的训练序列；

S103：将训练序列加载到发射端的FBMC/OQAM系统符号之前进行传输，利用改进本地序列与接收端部分序列的强自相关性进行定时同步处理，通过峰值搜索检测找准同步帧头位置；

S104：再利用训练序列的进行频偏估计运算，通过求出两段序列间的平均频率偏移差值，通过利用估计出的角度值补偿数据发生的频率偏移。

如图2所示，本发明提供的发送信号同步处理系统包括：

训练序列生成模块1，用于根据ZC序列数学表达式，求出96点的ZC序列表达式，在中间插入32个空数据符号，再进行128点IFFT运算求得时域128长度的ZC训练序列；

共轭对称性质训练序列生成模块2，用于利用生成的ZC序列进行改进，得到由三部分组成的共轭对称性质的训练序列；

同步帧头位置检测模块3，将训练序列加载到发射端的FBMC/OQAM系统符号之前进行传输，利用改进本地序列与接收端部分序列的强自相关性进行定时同步处理，通过峰值搜索检测找准同步帧头位置；

频率偏移估计模块4，用于利用训练序列的进行频偏估计运算，通过求出两段序列间的平均频率偏移差值，通过利用估计出的角度值补偿数据发生的频率偏移。

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述。

本发明提供的发送信号同步处理方法对两种同步算法进行介绍。对于定时同步技术来说，根据图4设计流程有：

若L为训练序列长度，利用本地训练序列与接收信号进行滑动互相关求得两部分相关值：

判决函数M(n)可以表示为:M(n)＝|P(n)|²/(R(n))²；

其中接收信号的滑动窗口内的功率值R(n)为：

最后两者进行除法运算求得定时估计的时间度量值。通过对度量值进行峰值搜索检测出最大峰值处进行判决，找到定时同步位置：

M＝max(|P(n)|²/(R(n))²)；

针对数据符号在信道中产生的频率偏移，本发明设发送信号为x_n，则通带信号y_n的复基带模型为：

其中，f_tx为发送载波频率，T_s为采样周期。由于无线通信中的多径效应导致子载波频率发生偏移，在接收端，忽略瞬时噪声影响，接收到的实际信号r_n为：

f_Δ＝f_rx-f_tx为发送端载波和接收端载波之间的频率差值。

根据上式知道经过频率偏移实际接收信号表达式，定义两个连续重复符号之间的延时为D个采样点，FBMC符号长度为L，则将第一个序列和第二个重复序列进行延时相关和为：

理想情况下，不存在频率偏移时，延迟相关和的值R应为整数，而上式中的出现的

则是频偏给信号带来的影响，所以频偏估计就是要根据对应的算法合理估计出此项的值，得出频偏估计角度公式，再做相应的频偏估计补偿纠正频偏后的数据完成频率同步：

其中，

为对复数R取角度运算。

本发明提出一种新的训练序列结构，ZC(Zadoff-chu)是通讯信号发出的一种序列。由图5可知，基于ZC序列改进的训练序列结构由三部分组成每个部分不全相同，第一部分A是ZC训练序列1，第二部分A*是ZC练序列1的共轭，第三部分B是ZC练序列2，详细的时域结构如图4所示，即序列A为[ab]是长度为N的ZC序列，序列A*为[a*b*]是A序列在时域上的共轭运算，序列B为[cd]，其中c是A序列前半部分a序列的对称序列，d是A后半部分b序列的对称序列，N是训练序列的子载波数。改进的训练序列利用三个部分的相关性进行同步设计，整体训练序列与本地序列进行滑动互相关后，再利用共轭相乘估算出频偏差值，以此达到同步优化处理的目的。

本专利使用一个PHYDYAS项目的带外衰减小的原型滤波器，减小了多载波符号传输受到的干扰同时提升频谱利用效率。为了得到这个原型滤波器采用多相结构PPN实现时域加窗操作。每一路滤波器在原来的基础上进行相位偏移，最后滤波器频域响应的多个相位偏移组合多相结构，在时间域进行加窗处理。所以在IFFT模块之后进行PPN操作，即可设计出计算量小并且方便实现的原型滤波器。通过采用多相结构实现原型滤波器，滤波器组只需要少量的乘法运算，计算量较少，并且容易实现，设计出来的原型滤波器满足奈奎斯特理论，带外衰减迅速，FBMC系统中各个子载波可以独立灵活的运用频域资源。同时针对FBMC中原型滤波器相邻子载波之间存在干扰的问题，在FBMC系统中采用一种基于QAM调制的改进技术—OQAM调制，OQAM是将经过QAM映射产生的复数信号再分成实虚两路，使符号率加倍以解决实、虚部两路信号交叠产生的数据量下降的问题，充分利用子载波的同时也能产生实虚交替的滤波器组干扰系数。数据符号经过QAM映射后的变为复数信号，偶数点处的数据符号的实部转化到奇数子信道，延时半个符号周期后的虚部转化到偶数子信道，两路子载波相互正交，所以此时复数信号转换为抽样速率提高一倍的实虚相邻交替的信号；同理，奇数点处的数据符号的实部转化到偶数子信道，虚部则转化到奇数子信道，共同转换为虚实交替的子载波。

将本发明设计新型训练序列结构加载到上面阐述的OQAM/FBMC符号前，结合仿真对本发明的技术效果作详细的描述。

本发明利用新的训练序列进行定时同步时，得到的定时同步仿真图如图7所示，从图中可以明显观察到主峰值，并且没有其他旁瓣的影响，虽然周围还存在部分次峰，但在正确位置时刻瞬时功率能量最强峰值达到最大，次峰几乎可以忽略不记，并不会对尖锐的主峰造成干扰，对比图8中次峰与主峰差距不明显导致在多径、噪声干扰的环境中无法确定最优峰值的情况，在硬件实现过程中接收端使用改进的训练序列进行同步处理后更容易设定门限阈值，实现准确无误的数据帧定位功能。

通过图9给出了不同信噪比下的定时同步误差曲线图。从图中可以看出采用本发明改进的序列结构进行定时同步整体性能优于基于传统重复训练结构。特别是在信噪比低的情况下，其定时同步误差明显小于传统序列结构，验证了上述采用两个重复ZC序列进行同步的度量值主峰与副峰值差距不明显在低质量的环境中容易造成定时模糊的现象；随着信噪比的增加两种序列都能正确的检测出有效符号的位置，表明高质量的环境下副峰对主峰的影响可以忽略不计，接收端可以同步出正确的数据帧。总的来说，本发明改进的训练序列结构性能较原序列更好、更加适合实际通信传输。

图10给出了在SNR为15db时不同频偏值下重复ZC序列与本发明改进序列进行频率估计的归一化估计误差值。从图中可以看出当添加的频率偏移较小时，本发明改进序列的估计误差值为0，而重复ZC序列的估计误差短范围内保持不变，随着频偏值的加大，两种序列的估计误差都急剧上升，最后趋于稳定，但是改进序列的频偏估计总体性能好于另一比较的序列。这是因为两种训练序列都是基于重复序列共轭相乘求解偏差角度，而改进序列的数据符号经过“翻转”操作，扩散信息比特的同时减少了数据受噪声干扰的影响，所以改进序列的频偏估计性能精度范围更大一些。

应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，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，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种发送信号同步处理方法，其特征在于，所述发送信号同步处理方法包括：

第一步，利用生成的ZC序列得到由三部分组成的共轭对称性质的训练序列；

第二步，将训练序列加载到发射端的FBMC/OQAM系统符号之前进行传输，利用改进本地序列与接收端部分序列的强自相关性进行定时同步处理，通过峰值搜索检测找准同步帧头位置；

第三步，再利用训练序列的进行频偏估计运算，通过求出两段序列间的平均频率偏移差值，通过利用估计出的角度值补偿数据发生的频率偏移。

2.如权利要求1所述的发送信号同步处理方法，其特征在于，所述发送信号同步处理方法根据ZC序列数学表达式：

求出96点的ZC序列表达式，在中间插入32个空数据符号，再进行128点IFFT运算求得时域128长度的ZC训练序列。

3.如权利要求1所述的发送信号同步处理方法，其特征在于，所述发送信号同步处理方法基于ZC序列改进的训练序列结构由三部分组成每个部分不全相同，第一部分A是ZC训练序列1，第二部分A*是ZC练序列1的共轭，第三部分B是ZC练序列2，详细的时域结构即序列A为[ab]是长度为N的ZC序列，序列A*为[a*b*]是A序列在时域上的共轭运算，序列B为[cd]，其中c是A序列前半部分a序列的对称序列，d是A后半部分b序列的对称序列，N是训练序列的子载波数。

4.如权利要求1所述的发送信号同步处理方法，其特征在于，所述发送信号同步处理方法L为训练序列长度，利用本地训练序列与接收信号进行滑动互相关求得两部分相关值：

判决函数M(n)可以表示为:M(n)＝|P(n)|²/(R(n))²；

其中接收信号的滑动窗口内的功率值R(n)为：

最后进行除法运算求得定时估计的时间度量值，通过对度量值进行峰值搜索检测出最大峰值处进行判决，找到定时同步位置：

M＝max(|P(n)|²/(R(n))²)。

5.如权利要求1所述的发送信号同步处理方法，其特征在于，所述发送信号同步处理方法针对数据符号在信道中产生的频率偏移，发送信号为x_n，则通带信号y_n的复基带模型为：

其中，f_tx为发送载波频率，T_s为采样周期，在接收端，接收到的实际信号r_n为：

f_Δ＝f_rx-f_tx为发送端载波和接收端载波之间的频率差值。

6.如权利要求5所述的发送信号同步处理方法，其特征在于，所述发送信号同步处理方法定义两个连续重复符号之间的延时为D个采样点，FBMC符号长度为L，则将第一个序列和第二个重复序列进行延时相关和为：

不存在频率偏移时，延迟相关和的值R应为整数，而出现的

则是频偏给信号带来的影响，根据对应的算法合理估计出此项的值，得出频偏估计角度公式，再做相应的频偏估计补偿纠正频偏后的数据完成频率同步：

其中，

为对复数R取角度运算。

7.一种接收用户输入程序存储介质，所存储的计算机程序使电子设备执行权利要求任意一项所述包括下列步骤：

第一步，利用生成的ZC序列得到由三部分组成的共轭对称性质的训练序列；

第二步，将训练序列加载到发射端的FBMC/OQAM系统符号之前进行传输，利用改进本地序列与接收端部分序列的强自相关性进行定时同步处理，通过峰值搜索检测找准同步帧头位置；

第三步，再利用训练序列的进行频偏估计运算，通过求出两段序列间的平均频率偏移差值，通过利用估计出的角度值补偿数据发生的频率偏移。

8.一种存储在计算机可读介质上的计算机程序产品，包括计算机可读程序，供于电子装置上执行时，提供用户输入接口以实施如权利要求1～6任意一项所述的发送信号同步处理方法。

9.一种实施权利要求1～6任意一项所述发送信号同步处理方法的发送信号同步处理系统，其特征在于，所述发送信号同步处理系统包括：

训练序列生成模块，用于根据ZC序列数学表达式，求出96点的ZC序列表达式，在中间插入32个空数据符号，再进行128点IFFT运算求得时域128长度的ZC训练序列；

共轭对称性质训练序列生成模块，用于利用生成的ZC序列进行改进，得到由三部分组成的共轭对称性质的训练序列；

同步帧头位置检测模块，将训练序列加载到发射端的FBMC/OQAM系统符号之前进行传输，利用改进本地序列与接收端部分序列的强自相关性进行定时同步处理，通过峰值搜索检测找准同步帧头位置；

频率偏移估计模块，用于利用训练序列的进行频偏估计运算，通过求出两段序列间的平均频率偏移差值，通过利用估计出的角度值补偿数据发生的频率偏移。

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