CN112235074B - 一种高容错性的帧同步信息提取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高容错性的帧同步信息提取方法，根据帧同步码在数据帧中位置固定以及内容未知但固定的特点，按照预设的帧长范围将接收序列分别构造出不同列数的矩阵，统计矩阵的行累加结果获得每个矩阵的帧长存在概率，根据存在概率结果获得帧长的估计值；根据帧长的估计值构造矩阵，对矩阵的行累加结果进行搜索，根据搜索结果获得帧起始点的估计值和帧同步码的粗略估计值；根据帧同步码的相关特性得到帧同步码的精确估计值。本发明将误码对识别的干扰考虑在内，通过多阈值确定误码容限、保留高峰值和纠正误码等方法降低误码带来的影响，提高了帧同步盲识别对误码的容错性。

Description

一种高容错性的帧同步信息提取方法

技术领域

本发明涉及非协作通信技术领域，尤其涉及一种高容错性的帧同步信息提取方法。

背景技术

在电子对抗、军事通信、无线电资源管理等非协作通信领域中，非协作方需要在帧同步码和帧结构都未知的情况下，从接收序列中提取帧同步信息。

帧同步一般通过在数据信息码流中插入特殊码组，接收端根据特殊码组的位置就能获取帧长、帧起始点、帧同步码等信息。特殊码组的插入方法一般有两种，一种是集中式插入法，该方法把帧同步码集中插入在每帧的开头，即帧头；一种是分散插入法，该方法将帧同步码分散插入到每帧信息码流中。目前应用较为广泛的方法是集中式插入法。然而，现有的帧同步技术始终存在同步时间较长、容错性能较低等问题，在误码率较大时可能造成识别精度降低或功能失效。

发明内容

为解决现有技术存在的局限和缺陷，本发明提供一种高容错性的帧同步信息提取方法，包括：

根据帧同步码在数据帧中位置固定以及内容未知但固定的特点，按照预设的帧长范围将接收序列分别构造出不同列数的矩阵，矩阵的列数对应一个预设的帧长；

统计矩阵的行累加结果获得每个矩阵的帧长存在概率，对存在概率结果进行分析获得帧长的估计值；

将接收序列构造出以帧长估计值为列数的矩阵，对矩阵的行累加结果进行搜索，根据搜索结果获得帧起始点的估计值和帧同步码的粗略估计值；

将上述获得的帧同步码的粗略估计值转换为“±1”序列；

从起始点开始提取不同长度的序列d，所述序列d的长度为h，其中5≤h≤l，l为帧同步码粗略估计值的长度；

根据序列的自相关特性，对不同序列d的自相关函数R进行分析，所述自相关函数R的计算公式如下：

计算上述自相关函数值R相对于全0序列的离散度，可以参考均方误差的计算公式，将0作为均值代入公式进行计算，所述计算公式MSE如下：

将不同长度序列的MSE进行对比，获得所述MSE的最小值，所述MSE的最小值对应的长度h即为所述帧同步码的码长，根据所述帧同步码的码长从帧同步码粗估计值中截取相应长度获得所述帧同步码的精确估计值。

可选的，按照预设的帧长范围将接收序列分别构造出不同列数的矩阵的步骤包括：

将接收的“01”序列分别构造出k行n_i列的矩阵M，其中a≤n_i≤b，[a，b]是帧长范围；

当n_i等于实际帧长L或帧长的整数倍时，所述帧同步码分布在矩阵M每一行的相同位置，矩阵M的k行的累加结果是一个行向量s_i，所述行向量s_i中帧同步码对应的位置是0或者k，信息位对应的位置是介于0和k之间的整数。

可选的，所述统计矩阵的行累加结果获得每个矩阵的帧长存在概率，对存在概率结果进行分析获得帧长的估计值的步骤包括：

根据上述行向量s_i之中帧同步码对应位置和信息位对应位置的特点，考虑到误码的影响，按照阈值t₁统计行向量s_i之中大于等于k-t₁或者小于等于t₁的元素数量q_i，所述元素数量q_i为帧同步码的长度；

获得矩阵M的帧长存在概率p_i，计算公式如下：

p_i＝q_i/n_i (1)

对所有矩阵的帧长存在概率p_i进行归一化处理，计算公式如下：

pm_i＝p_i/max(p_i) (2)

考虑到误码的影响，根据阈值t₂将归一化的帧长存在概率pm_i之中小于阈值t₂的值设置为0，大于阈值t₂的值保持不变，获得新的向量pp_i；

将所述向量pp_i最后两个峰值的间隔作为帧长的估计值n。

可选的，所述将接收序列构造出以帧长估计值为列数的矩阵，对矩阵的行累加结果进行搜索，根据搜索结果获得帧起始点的估计值和帧同步码的粗略估计值的步骤包括：

根据上述帧长的估计值n，构造k₁行n列的矩阵M，对矩阵M进行行累加获得向量s；

考虑到误码的影响，根据阈值t₃确认向量s之中大于等于k₁-t₃或者小于等于t₃的位置为帧同步码，设置为0，确认其余的位置为信息位，设置为1，向量s经过重新设置后，标记为帧结构向量r；

根据阈值t₃纠正误码，将向量s之中大于等于k₁-t₃的位置设置为1，将向量s之中小于等于t₃的位置设置为0，其余保持不变，标记为数据帧向量t；

从起始点开始搜索所述帧结构向量r之中“100”序列，将第一次出现的所述“100”序列作为帧同步码起始标志，从该点开始继续搜索所述帧结构向量r之中“001”序列，将第一次出现的所述“001”序列作为帧同步码结束标志；

根据所述帧同步码起始标志在序列中的位置获得帧起始点的估计值，根据所述帧同步码起始标志和结束标志在序列中的位置获得数据帧向量t之中对应的序列，所述对应的序列即为帧同步码的粗略估计值。

本发明具有下述有益效果：

本发明提供一种高容错性的帧同步信息提取方法，根据帧同步码在数据帧之中位置固定以及内容未知但固定的特点，按照预设的帧长范围将接收到序列分别构造出不同列数的矩阵，统计矩阵的行累加结果获得每个矩阵的帧长存在概率，根据存在概率结果获得帧长的估计值；根据上述帧长的估计值构造矩阵，对矩阵的行累加结果进行搜索，根据搜索结果获得帧起始点的估计值和帧同步码的粗略估计值；根据帧同步码的相关特性得到帧同步码的精确估计值。本发明将误码对识别的干扰考虑在内，通过多阈值确定误码容限、保留高峰值和纠正误码等方法降低误码带来的影响，提高了帧同步盲识别对误码的容错性。

附图说明

图1为本发明实施例一提供的高容错性的帧同步信息提取方法的集中式插入式帧结构示意图。

图2为本发明实施例一提供的高容错性的帧同步信息提取方法的k行L列矩阵M之中帧同步码的分布示意图。

图3为本发明实施例一提供的高容错性的帧同步信息提取方法流程图。

图4为本发明实施例一提供的高容错性的帧同步信息提取方法的帧长识别流程图。

图5为本发明实施例一提供的高容错性的帧同步信息提取方法的帧起始点和帧同步码的粗略识别流程图。

图6为本发明实施例一提供的高容错性的帧同步信息提取方法的帧同步码的精确识别流程图。

图7为本发明实施例一提供的高容错性的帧同步信息提取方法在不同误码率下的识别准确率示意图。

图8为本发明实施例一提供的高容错性的帧同步信息提取方法与基于小区域检测方法在不同误码率下的帧长识别准确率示意图。

具体实施方式

为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明提供的高容错性的帧同步信息提取方法进行详细描述。

实施例一

本实施例提供的一种高容错性的帧同步信息提取方法，在没有任何帧同步的先验信息的情况下，基于集中插入式数据帧的结构特点，对接收序列进行分析处理，依次识别出帧长、帧起始点和帧同步码。本实施例的流程如下：第一步，依据每个矩阵的帧长存在概率结果识别出帧长的估计值；第二步，根据帧长的估计值进一步识别出帧起始点的估计值和帧同步码的粗略估计值；第三步，对帧同步码的粗略估计值进行分析得到帧同步码的精确估计值。

为了提高对误码的容错性，本实施例通过多阈值确定误码容限、保留高峰值和纠正误码等方法降低误码带来的影响，提高了帧同步盲识别的准确率，使其在误码率较高时仍保持良好的识别率。为了提高帧同步盲识别的普适性，本实施例将信息位中的固定字段考虑在内，增加帧同步码精确识别这一步骤，提高了帧同步码的识别准确率。

图1为本发明实施例一提供的高容错性的帧同步信息提取方法的集中式插入式帧结构示意图。图2为本发明实施例一提供的高容错性的帧同步信息提取方法的k行L列矩阵M之中帧同步码的分布示意图。图3为本发明实施例一提供的高容错性的帧同步信息提取方法流程图。图4为本发明实施例一提供的高容错性的帧同步信息提取方法的帧长识别流程图。如图1-4所示，帧同步码在数据帧中的位置固定，而且内容未知但固定，将接收到的“01”序列分别构造出k行n_i列的矩阵M，其中a≤n_i≤b，[a，b]是帧长范围。当n_i等于实际帧长L或帧长的整数倍时，帧同步码分布在矩阵每一行的相同位置，对矩阵的k行进行累加得到一个行向量s_i。在不考虑误码的情况下，行向量s_i中帧同步码对应的位置是0或者k，信息位对应位置是介于0和k之间的整数。经过交织、扩频、加扰处理之后，信息位可以认为是随机分布的“01”序列，若k足够大，行向量s_i中信息位对应位置是k/2附近的整数。考虑到误码的影响，矩阵每一列的k个数据中可能存在误码从而导致行向量s_i之中帧同步码对应的位置不是0或者k，根据帧同步码和信息位对应位置的特点，将阈值t₁作为k个数据的误码容限，认为行向量s_i中与0或者k相差t₁以内的元素是帧同步码对应的位置，按照阈值t₁统计行向量s_i中大于等于k-t₁或者小于等于t₁的元素数量，记为元素数量q_i。认为元素数量q_i是帧同步码的长度，阈值t₁将帧同步码对应的误码考虑在内，从而提高算法对误码的容错性，减小漏同步概率。本实施例计算该矩阵的帧长存在概率p_i，计算公式如下：

p_i＝q_i/n_i (1)

对所有矩阵的帧长存在概率p_i进行归一化处理，计算公式如下：

pm_i＝p_i/max(p_i) (2)

考虑到误码的影响，矩阵列数不等于帧长或帧长整数倍时p_i可能不等于0从而出现较小的峰值，根据阈值t₂将归一化的帧长存在概率pm_i之中小于阈值t₂的值设置为0，大于阈值t₂的值保持不变，获得新的向量pp_i。通过阈值t₂可以保留高峰值，消除较小的干扰峰值，减小误码对峰值分布的影响，从而提高算法对误码的容错性。

当n_i等于帧长或者帧长的整数倍时，q_i较大，则对应向量pp_i中一个较大的值，当n_i不等于帧长或者帧长的整数倍时对应较小的值，因此可以通过向量pp_i峰值间隔判断帧长。另外由于n_i越大，数据量越大，则随机误码和随机信息位累加后对向量pp_i的峰值分布干扰越小，因此将向量pp_i最后两个峰值的间隔作为帧长的估计值。

图5为本发明实施例一提供的高容错性的帧同步信息提取方法的帧起始点和帧同步码的粗略识别流程图。如图5所示，根据上述帧长的估计值，构造k₁行n列的矩阵M，行累加得到向量s，考虑到误码的影响，矩阵每一列的k₁个数据中可能存在误码从而导致行向量s之中帧同步码对应的位置不是0或者k₁，根据帧同步码和信息位对应位置的特点，将阈值t₃作为k₁个数据的误码容限，认为行向量s中与0或者k₁相差t₃以内的元素是帧同步码对应的位置，通过阈值t₃认为向量s中大于等于k₁-t₃或者小于等于阈值t₃的位置是帧同步码，设置为0，其余的位置是信息位，设置为1，标记为帧结构向量r。同时根据阈值t₃纠正误码，将向量s中大于等于k₁-t₃的位置设置为1，小于等于阈值t₃的位置设置为0，其余保持不变，标记为数据帧向量t。搜索帧结构向量r中“100”序列，将其作为帧同步码起始标志，继续搜索将“001”序列作为帧同步码结束标志。那么数据帧向量t中对应帧同步码起始点和结束点之间的序列就是帧同步码，对于集中插入式数据帧，帧同步码的起始点就是帧起始点，从而得到帧起始点和帧同步码的识别。根据所述帧同步码起始标志在序列中的位置获得帧起始点的估计值，根据所述帧同步码起始标志和结束标志在序列中的位置获得数据帧向量t之中对应的序列，即为帧同步码的粗略估计值。

考虑到在传输过程中存在时隙类型、密钥号、脉冲形式等内容未知但固定的标识信息，这些信息经过编码、交织、扩频、加扰处理后可能与帧同步码相连，称之为“固定字段”，从上述帧同步码的识别过程可以看出，固定字段将会对帧同步码的识别造成恶劣影响。针对这一问题，本实施例对上述帧同步码粗略识别结果进一步分析处理，分离帧同步码和固定字段，从而得到帧同步码的精确识别。

图6为本发明实施例一提供的高容错性的帧同步信息提取方法的帧同步码的精确识别流程图。如图6所示，根据帧同步码具有较强的自相关特性，本实施例将序列的值转换成“±1”，其自相关函数在零点的取值是帧同步码的长度，在非零点的取值在0附近小范围内上下波动，其他序列的自相关函数在非零点的取值在0附近大范围内上下波动。对于上述得到的帧同步码，假设长度为l，从起始点开始提取不同长度的序列d，序列d的长度是h，其中5≤h≤l，一般认为帧同步码的码长至少为5。本实施例利用序列的自相关特性，对不同序列d的自相关函数R进行分析，自相关函数R的计算公式如下：

本实施例计算上述自相关函数值R相对于全0序列的离散度，可以参考均方误差的计算公式，将0作为均值代入公式进行计算，所述相对均方误差MSE计算公式如下：

本实施例对比不同长度序列的相对均方误差MSE，根据帧同步码的自相关函数在非零点的取值在0附近小范围内上下波动而其他序列的自相关函数在非零点的取值在0附近大范围内上下波动，均方误差MSE最小值对应的长度h即为帧同步码的码长，从而得到帧同步码的精确识别。

图7为本发明实施例一提供的高容错性的帧同步信息提取方法在不同误码率下的识别准确率示意图。图8为本发明实施例一提供的高容错性的帧同步信息提取方法与基于小区域检测方法在不同误码率下的帧长识别准确率示意图。如图7所示，本实施例提供的技术方案中误码率在0.2以内时，帧长、帧起始点、帧同步码的识别率均保持在95％以上。如图8所示，对于集中式插入的数据帧，帧同步盲识别技术利用帧同步码的相关性和内容未知但固定等特点对接收序列进行小区域检测，从而估计出帧长、帧起始点、帧同步码等信息，基于小区域检测的帧长识别方法在误码率为0.1以下具有良好的识别率。通过比较可以看出，本实施例提供的技术方案可以应用于具有足够数据量、误码率较高的场景。

本实施例提供一种高容错性的帧同步信息提取方法，根据帧同步码在数据帧之中位置固定以及内容未知但固定的特点，按照预设的帧长范围将接收到序列分别构造出不同列数的矩阵，统计矩阵的行累加结果获得每个矩阵的帧长存在概率，根据存在概率结果获得帧长的估计值；根据上述帧长的估计值构造矩阵，对矩阵的行累加结果进行搜索，根据搜索结果获得帧起始点的估计值和帧同步码的粗略估计值；根据帧同步码的相关特性得到帧同步码的精确估计值。本实施例将误码对识别的干扰考虑在内，通过多阈值确定误码容限、保留高峰值和纠正误码等方法降低误码带来的影响，提高了帧同步盲识别对误码的容错性。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种高容错性的帧同步信息提取方法，其特征在于，包括：

根据帧同步码在数据帧中位置固定以及内容未知但固定的特点，按照预设的帧长范围将接收序列分别构造出不同列数的矩阵，矩阵的列数对应一个预设的帧长；

统计矩阵的行累加结果获得每个矩阵的帧长存在概率，对存在概率结果进行分析获得帧长的估计值；

将接收序列构造出以帧长估计值为列数的矩阵，对矩阵的行累加结果进行搜索，根据搜索结果获得帧起始点的估计值和帧同步码的粗略估计值；

将上述获得的帧同步码的粗略估计值转换为“±1”序列；

从起始点开始提取不同长度的序列d，所述序列d的长度为h，其中5≤h≤l，l为帧同步码粗略估计值的长度；

根据序列的自相关特性，对不同序列d的自相关函数R进行分析，所述自相关函数R的计算公式如下：

计算上述自相关函数值R相对于全0序列的离散度，参考均方误差的计算公式，将0作为均值代入公式进行计算，所述计算公式MSE如下：

将不同长度序列的MSE进行对比，获得所述MSE的最小值，所述MSE的最小值对应的长度h即为所述帧同步码的码长，根据所述帧同步码的码长从帧同步码粗估计值中截取相应长度获得所述帧同步码的精确估计值；

上述对存在概率结果进行分析获得帧长的估计值的步骤包括：

根据上述行向量s_i之中帧同步码对应位置和信息位对应位置的特点，考虑到误码的影响，按照阈值t₁统计行向量s_i之中大于等于k-t₁或者小于等于t₁的元素数量q_i，所述元素数量q_i为帧同步码的长度；

获得矩阵M的帧长存在概率p_i，计算公式如下：

p_i＝q_i/n_i (1)

对所有矩阵的帧长存在概率p_i进行归一化处理，计算公式如下：

pm_i＝p_i/max(p_i) (2)

考虑到误码的影响，根据阈值t₂将归一化的帧长存在概率pm_i之中小于阈值t₂的值设置为0，大于阈值t₂的值保持不变，获得新的向量pp_i；

将所述向量pp_i最后两个峰值的间隔作为帧长的估计值n；

上述根据搜索结果获得帧起始点的估计值和帧同步码的粗略估计值的步骤包括：

根据上述帧长的估计值n，构造k₁行n列的矩阵M，对矩阵M进行行累加获得向量s；

考虑到误码的影响，根据阈值t₃确认向量s之中大于等于k₁-t₃或者小于等于t₃的位置为帧同步码，设置为0，确认其余的位置为信息位，设置为1，向量s经过重新设置后，标记为帧结构向量r；

根据阈值t₃纠正误码，将向量s之中大于等于k₁-t₃的位置设置为1，将向量s之中小于等于t₃的位置设置为0，其余保持不变，标记为数据帧向量t；

从起始点开始搜索所述帧结构向量r之中“100”序列，将第一次出现的所述“100”序列作为帧同步码起始标志，从该点开始继续搜索所述帧结构向量r之中“001”序列，将第一次出现的所述“001”序列作为帧同步码结束标志；

根据所述帧同步码起始标志在序列中的位置获得帧起始点的估计值，根据所述帧同步码起始标志和结束标志在序列中的位置获得数据帧向量t之中对应的序列，所述对应的序列即为帧同步码的粗略估计值。

2.根据权利要求1所述的高容错性的帧同步信息提取方法，其特征在于，所述根据帧同步码在数据帧中位置固定以及内容未知但固定的特点，按照预设的帧长范围将接收序列分别构造出不同列数的矩阵的步骤包括：

将接收的“01”序列分别构造出k行n_i列的矩阵M，其中a≤n_i≤b，[a，b]是帧长范围；

当n_i等于实际帧长L或帧长的整数倍时，所述帧同步码分布在矩阵M每一行的相同位置，矩阵M的k行的累加结果是一个行向量s_i，所述行向量s_i中帧同步码对应的位置是0或者k，信息位对应的位置是介于0和k之间的整数。

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