CN111585933A - 单载波频域均衡系统的接收机突发信号同步方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单载波频域均衡系统的接收机突发信号同步方法及装置，其方法包括以下步骤：构建前导段、循环前缀和循环后缀段及数据段；对过采样突发传输数据通过定时偏差估计与插值获得最佳采样点信号；通过基于前导的帧同步获得准确的帧头位置，同时获得频率偏差估计值；通过循环前缀和循环后缀的相位估计进行插值，完成数据段的相位同步；其装置包括突发信号定时同步模块、基于前导段的帧同步与频率同步模块、基于循环前缀和循环后缀的相位同步模块；本发明利用最佳采样点通过差分运算获得数据帧起始位置，并通过获得的准确帧头位置以实现定时同步，同时将差分相关函数用于频率同步模块，降低了系统实现复杂度。

Description

单载波频域均衡系统的接收机突发信号同步方法及装置

技术领域

本发明涉及数字无线通信传输技术领域，尤其涉及一种单载波频域均衡系统的接收机突发信号同步方法及装置。

背景技术

在无线通信系统中，宽带数据传输常面临多径环境，一般采用正交频分复用OFDM技术或单载波频域均衡SC-FDE技术；SC-FDE技术相对于OFDM技术有峰均比较低的优势，适用于微小型化终端；但是在多用户接入场景下，SC-FDE技术同时需要解决突发数据接收同步问题。

现代电子技术第41卷第2期刊登的《基于训练序列的SC-FDE系统定时同步改进算法》的论文中研究的定时同步采用的是多段前导结构且定时度量较差；电讯技术第57期第12卷刊登的《SC-FDE宽带航空数传接收机的设计与实现》的论文中通过相邻传输帧UW序列的相位相关性实现载波同步，通过相邻传输帧UW序列的时间相关性实现定时同步；专利申请号为CN201410360807.6的中国专利提出了一种适用于卫星通信突发传输系统的前馈定时恢复方法，其设计了卫星通信突发传输系统的定时同步方法，但是没有考虑单载波频域均衡系统的特点，对系统整体接收机同步设计不充分。

上述文献中设计了各种帧结构，定时同步的度量仍大多没有脉冲特性，采用ZC序列基于传统S&C算法也难以获取准确帧头位置，而准确的帧头位置以及频率与相位同步对于随后的频率同步与均衡非常重要。

因此，亟需一种单载波频域均衡系统的接收机突发信号同步方法及装置来解决现有的技术问题。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种单载波频域均衡系统的接收机突发信号同步方法及装置，构建基于前导段、循环前缀和循环后缀段，对过采样突发传输数据通过定时偏差估计与插值获得最佳采样点信号，再通过基于前导的帧同步获得准确的帧头位置，同时获得频率偏差估计值；最后通过循环前缀与后缀的相位估计进行插值，以解决难以获得准确帧头位置的技术问题，并实现定时同步、帧同步、频率同步与相位同步。

本发明是通过以下技术方案予以实现的。

一种单载波频域均衡系统的接收机突发信号同步方法，包括以下步骤：

步骤S1：构建前导段、循环前缀和循环后缀段及数据段；

步骤S2：对过采样突发传输数据通过定时偏差估计与插值获得最佳采样点信号；

步骤S3：通过基于前导的帧同步获得准确的帧头位置，同时获得频率偏差估计值；

步骤S4：通过循环前缀和循环后缀的相位估计进行插值，完成数据段的相位同步。

进一步的，步骤S1中，在发送端，单载波频域均衡信号的数据帧为：s＝{p,q,d,q}，包含前导段{p(1),p(2)...,p(M)}、循环前缀和循环后缀段{q(1),q(2)...,q(M)}与数据段{d(1),d(2)...,d(N_S)}；

其中，前导段与数据段为多进制相移键控MPSK信号或多进制正交幅度调制MQAM信号；

前导段、循环前缀和循环后缀段的长度均为M，数据段长度为N_S，循环前缀与后缀段为ZC序列：

进一步的，步骤S2中，在接收端，通过突发过采样信号定时同步获得最佳采样点；接收端的接收数字信号为：

其中，s(n)为发送端长度为N的数据符号；T_S＝T/L为采样时钟，L为采样倍数；g(t)为滤波器；τT为时延，T为符号周期；f₀为频率偏差，θ₀为相偏，w(kT_S)为高斯白噪声。

更进一步的，计算采样信号x(kT_S)的定时偏差：

其中，N_T为用于定时的信号数目，arg{}为求复数信号的相位信息，

F(|x(kT_S)|)为接收信号的模值非线性函数，设为F(|x(kT_S)|)＝|x(kT_S)|²。

更进一步的，根据定时偏差估计值

计算插值基点m、相对定时偏差μ，并进行插值获得接收信号的最佳采样点y(n)；并通过帧同步获得的数据帧位置信息n_F，控制突发信号的插值使能。

进一步的，步骤S3中，将步骤S2得到的最佳采样点y(n)用于帧同步，通过差分相关获得数据帧起始位置，然后差分相关结果用于频率同步纠正传输信道引入的频率偏差。

更进一步的，基于前导段进行帧同步获得帧同步度量为：

其中，m₀＝1,2,…M₀，M₀<M/2，差分相关函数C(m₀)为

对获得的帧同步度量判断：R(n)≥λ₀→argR(n)，其中λ₀为门限，需要根据系统性能要求设定，然后通过求得R(n)≥λ₀时对应的帧头起始位置

其中，

表示求满足条件的n值。

更进一步的，将该帧头起始位置提供给步骤S2中定时同步的插值控制；

基于该帧头起始位置n_F对应的差分相关函数C(n,m₀)，计算频率偏差：

然后使用此频率偏差对接收信号进行频率偏差纠正，得到接收信号z(n)

该频率偏差估计性能可达到克拉美罗限：

经过M+N_S个数据累加的相偏需满足：

其中，σ_SNR为信噪比对应的噪声标准差。

进一步的，步骤4中，将步骤S3得到的接收信号z(n)中循环前缀和循环后缀信号用于相位同步，通过相位插值纠正频率同步的残留频率偏差以及系统相偏θ₀。

更进一步的，步骤S4包括以下子步骤：

步骤S41：基于循环前缀信号z_q(n_F+m)，m＝1,...,M，估计出循环前缀的相位偏差：

步骤S42：基于循环前缀的

纠正循环后缀信号z_q(n_F+m+M+N_S)的相偏，再估计出循环后缀残留的相位偏差：

步骤S43：基于上述估计值，通过插值获取数据段相位：

步骤S44：基于上述估计对接收信号z(n)纠正相偏

循环前缀和循环后缀信号再经过FFT变换，进行频域信道估计与均衡。

单载波频域均衡系统的接收机突发信号同步装置，包括突发信号定时同步模块、基于前导段的帧同步与频率同步模块、基于循环前缀和循环后缀的相位同步模块；

所述突发信号定时同步模块通过定时偏差估计及插值计算得到最佳采样点信号；所述基于前导段的帧同步与频率同步模块利用最佳采样点信号并通过基于前导的帧同步获得准确的帧头位置，同时获得频率偏差估计值，使用频率偏差对接收信号进行频率偏差纠正，得到纠正后的接收信号；

所述基于循环前缀和循环后缀的相位同步模块通过循环前缀和循环后缀的相位估计进行插值，完成数据段的相位同步。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1)本发明构建基于前导段、循环前缀和循环后缀段，对过采样突发传输数据通过定时偏差估计与插值获得最佳采样点信号，再利用最佳采样点通过差分运算获得数据帧起始位置，并通过获得的准确帧头位置以实现定时同步，同时将差分相关函数用于频率同步模块，降低了系统实现复杂度；

2)本发明基于循环前缀和循环后缀信号相位估计与插值，其工作范围可纠正频率同步后残留的频率偏差与系统相偏，便于随后进行基于ZC序列的频域信道估计与均衡。

附图说明

图1为本发明的信号处理框图；

图2为本发明的帧结构图；

图3为本发明的帧同步度量脉冲特性。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。

下面通过具体的实施例并结合附图对本发明做进一步的详细描述。

如图1所示，单载波频域均衡系统的接收机突发信号同步方法，主要包括以下步骤：

步骤S1：构建前导段、循环前缀和循环后缀段及数据段；

在发送端，单载波频域均衡信号的数据帧如图2所示，表示为：s＝{p,q,d,q}，包含前导段{p(1),p(2)...,p(M)}、循环前缀和循环后缀段{q(1),q(2)...,q(M)}与数据段{d(1),d(2)...,d(N_S)}；

其中，前导段与数据段为多进制相移键控MPSK信号或多进制正交幅度调制MQAM信号；

前导段、循环前缀和循环后缀段的长度均为M，数据段长度为N_S，循环前缀与后缀段为ZC序列：

步骤S2：对过采样突发传输数据通过定时偏差估计与插值获得最佳采样点信号；

在接收端，通过突发过采样信号定时同步获得最佳采样点；接收端的接收数字信号为：

其中，s(n)为发送端长度为N的数据符号；T_S＝T/L为采样时钟，L为采样倍数；g(t)为滤波器；τT为时延，T为符号周期；f₀为频率偏差，θ₀为相偏，w(kT_S)为高斯白噪声；

计算采样信号x(kT_S)的定时偏差：

其中，N_T为用于定时的信号数目，arg{}为求复数信号的相位信息，F(|x(kT_S)|)为接收信号的模值非线性函数，设为F(|x(kT_S)|)＝|x(kT_S)|²；

根据定时偏差估计值

计算插值基点m、相对定时偏差μ，并进行插值获得接收信号的最佳采样点y(n)；并通过帧同步获得的数据帧位置信息n_F，控制突发信号的插值使能；

步骤S3：通过基于前导的帧同步获得准确的帧头位置，同时获得频率偏差估计值；

将步骤S2得到的最佳采样点y(n)用于帧同步，通过差分相关获得数据帧起始位置，然后差分相关结果用于频率同步纠正传输信道引入的频率偏差；

基于前导段进行帧同步获得帧同步度量为：

其中，m₀＝1,2,…M₀，M₀<M/2，差分相关函数C(m₀)为

对获得的帧同步度量判断：R(n)≥λ₀→argR(n)，其中λ₀为门限，需要根据系统性能要求设定，然后通过求得R(n)≥λ₀时对应的帧头起始位置

其中，

表示求满足条件的n值；

同时，将该帧头起始位置提供给步骤S2中定时同步的插值控制；

基于该帧头起始位置n_F对应的差分相关函数C(n,m₀)，计算频率偏差：

然后使用此频率偏差对接收信号进行频率偏差纠正，得到接收信号z(n)；

该频率偏差估计性能可达到克拉美罗限：

经过M+N_S个数据累加的相偏需满足

其中，σ_SNR为信噪比对应的噪声标准差；

步骤S4：通过循环前缀和循环后缀的相位估计进行插值，完成数据段的相位同步；

在步骤4中，将步骤S3得到的接收信号z(n)中循环前缀和循环后缀信号用于相位同步，通过相位插值纠正频率同步的残留频率偏差以及系统相偏θ₀；

步骤S4包括以下子步骤：

步骤S41：基于循环前缀信号z_q(n_F+m)，m＝1,...,M，估计出循环前缀的相位偏差：

步骤S42：基于循环前缀的

纠正循环后缀信号z_q(n_F+m+M+N_S)的相偏，再估计出循环后缀残留的相位偏差：

步骤S43：基于上述估计值，通过插值获取数据段相位：

步骤S44：基于上述估计对接收信号z(n)纠正相偏

循环前缀和循环后缀信号再经过FFT变换，进行频域信道估计与均衡。

单载波频域均衡系统的接收机突发信号同步装置，包括突发信号定时同步模块、基于前导段的帧同步与频率同步模块、基于循环前缀和循环后缀的相位同步模块；

所述突发信号定时同步模块通过定时偏差估计及插值计算得到最佳采样点信号；

过采样信号x(kT_S)输入至突发信号定时同步模块：通过定时偏差估计获得定时偏差估计

然后计算得到插值基点m、相对定时偏差μ，最后通过插值获得最佳采样点信号y(n)；

所述基于前导段的帧同步与频率同步模块利用最佳采样点信号并通过基于前导的帧同步获得准确的帧头位置，同时获得频率偏差估计值，使用频率偏差对接收信号进行频率偏差纠正，得到纠正后的接收信号；

最佳采样点信号y(n)进入基于前导段的帧同步与频率同步模块：利用y(n)计算获得帧同步的度量为R(n)，同时C(n,m₀)变量输出给频率同步，帧同步获得的前导序列{p(1),..,p(M)}和y(n)也输出给频率同步，频率同步利用差分相关函数C(n,m₀)与{p(1),..,p(M)}对y(n)进行频率恢复得到接收信号z(n)；

所述基于循环前缀和循环后缀的相位同步模块通过循环前缀和循环后缀的相位估计进行插值，完成数据段的相位同步；

基于前导段的帧同步与频率同步模块将经过频率恢复后的接收信号z(n)输出给基于循环前缀和循环后缀的相位同步模块：通过计算循环前缀的相位估计

循环后缀的相位估计

最后通过插值获取数据段相位

将z(n)进行纠相位后输出z'(n)。

将本发明的同步方法性能仿真结果与测距的理论性能限进行比较。

本发明中，当采用M＝64长度的前导段与循环前缀段和循环后缀段，长度为N_S＝1024的数据段，循环前缀与循环后缀为ZC序列：

前导段与数据段采用MPSK调制,其帧同步度量的脉冲特性如图2所示。

本发明设计的定时同步与帧同步之后得到的度量R(n)出现了脉冲特性，相比传统通过循环前缀相互差分的定时同步算法，可更加准确定位帧头起始位置。

例如图3中M₀＝10，得到其中某帧数据帧头位置为n_F＝1216，这里的门限λ₀可根据系统性能指标要求，例如设为0.5，得到n_F对应的相关函数C(n,m₀)后，进行频率估计，分析在SNR＝6dB时，

经过M+N_S＝1088个数据累加的相偏θ_ACC，满足如下关系：

因此本发明中频率同步后的残留频率偏差可以通过相位同步完成纠正；然后，循环前缀和循环后缀信号再经过FFT变换，进行频域信道估计与均衡。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案。

Claims (10)

1.一种单载波频域均衡系统的接收机突发信号同步方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：构建前导段、循环前缀和循环后缀段及数据段；

步骤S2：对过采样突发传输数据通过定时偏差估计与插值获得最佳采样点信号；

步骤S3：通过基于前导的帧同步获得准确的帧头位置，同时获得频率偏差估计值；

步骤S4：通过循环前缀和循环后缀的相位估计进行插值，完成数据段的相位同步。

2.根据权利要求1所述的单载波频域均衡系统的接收机突发信号同步方法，其特征在于，步骤S1中，在发送端，单载波频域均衡信号的数据帧为：s＝{p,q,d,q}，包含前导段{p(1),p(2)...,p(M)}、循环前缀和循环后缀段{q(1),q(2)...,q(M)}与数据段{d(1),d(2)...,d(N_S)}；

其中，前导段与数据段为多进制相移键控MPSK信号或多进制正交幅度调制MQAM信号；

前导段、循环前缀和循环后缀段的长度均为M，数据段长度为N_S，循环前缀与后缀段为ZC序列：

3.根据权利要求1所述的单载波频域均衡系统的接收机突发信号同步方法，其特征在于，步骤S2中，在接收端，通过突发过采样信号定时同步获得最佳采样点；接收端的接收数字信号为：

其中，s(n)为发送端长度为N的数据符号；T_S＝T/L为采样时钟，L为采样倍数；g(t)为滤波器；τT为时延，T为符号周期；f₀为频率偏差，θ₀为相偏，w(kT_S)为高斯白噪声。

4.根据权利要求3所述的单载波频域均衡系统的接收机突发信号同步方法，其特征在于，计算采样信号x(kT_S)的定时偏差：

其中，N_T为用于定时的信号数目，arg{}为求复数信号的相位信息，

F(|x(kT_S)|)为接收信号的模值非线性函数，设为F(|x(kT_S)|)＝|x(kT_S)|²。

5.根据权利要求4所述的单载波频域均衡系统的接收机突发信号同步方法，其特征在于，根据定时偏差估计值

计算插值基点m、相对定时偏差μ，并进行插值获得接收信号的最佳采样点y(n)；并通过帧同步获得的数据帧位置信息n_F，控制突发信号的插值使能。

6.根据权利要求1所述的单载波频域均衡系统的接收机突发信号同步方法，其特征在于，步骤S3中，将步骤S2得到的最佳采样点y(n)用于帧同步，通过差分相关获得数据帧起始位置，然后差分相关结果用于频率同步纠正传输信道引入的频率偏差；

基于前导段进行帧同步获得帧同步度量为：

其中，m₀＝1,2,…M₀，M₀<M/2，差分相关函数C(m₀)为

对获得的帧同步度量判断：R(n)≥λ₀→argR(n)，其中λ₀为门限，需要根据系统性能要求设定，然后通过求得R(n)≥λ₀时对应的帧头起始位置

其中，

表示求满足条件的n值。

7.根据权利要求6所述的单载波频域均衡系统的接收机突发信号同步方法，其特征在于，将该帧头起始位置提供给步骤S2中定时同步的插值控制；

基于该帧头起始位置n_F对应的差分相关函数C(n,m₀)，计算频率偏差：

然后使用此频率偏差对接收信号进行频率偏差纠正，得到接收信号z(n)

该频率偏差估计性能可达到克拉美罗限：

经过M+N_S个数据累加的相偏需满足：

其中，σ_SNR为信噪比对应的噪声标准差。

8.根据权利要求1所述的单载波频域均衡系统的接收机突发信号同步方法，其特征在于，步骤4中，将步骤S3得到的接收信号z(n)中循环前缀和循环后缀信号用于相位同步，通过相位插值纠正频率同步的残留频率偏差以及系统相偏θ₀。

9.根据权利要求8所述的单载波频域均衡系统的接收机突发信号同步方法，其特征在于，步骤S4包括以下子步骤：

步骤S41：基于循环前缀信号z_q(n_F+m)，m＝1,...,M，估计出循环前缀的相位偏差：

步骤S42：基于循环前缀的

纠正循环后缀信号z_q(n_F+m+M+N_S)的相偏，再估计出循环后缀残留的相位偏差：

步骤S43：基于上述估计值，通过插值获取数据段相位：

步骤S44：基于上述估计对接收信号z(n)纠正相偏

循环前缀和循环后缀信号再经过FFT变换，进行频域信道估计与均衡。

10.根据权利要求1所述的单载波频域均衡系统的接收机突发信号同步方法的同步装置，其特征在于，包括突发信号定时同步模块、基于前导段的帧同步与频率同步模块、基于循环前缀和循环后缀的相位同步模块；

所述突发信号定时同步模块通过定时偏差估计及插值计算得到最佳采样点信号；所述基于前导段的帧同步与频率同步模块利用最佳采样点信号并通过基于前导的帧同步获得准确的帧头位置，同时获得频率偏差估计值，使用频率偏差对接收信号进行频率偏差纠正，得到纠正后的接收信号；

所述基于循环前缀和循环后缀的相位同步模块通过循环前缀和循环后缀的相位估计进行插值，完成数据段的相位同步。

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