CN112600784A - 一种基于二次差分相关的大频偏位同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于二次差分相关的大频偏位同步方法，外导频码做预编码处理，生成长导频码，进行滑动相关运算并完成差分运算，再次进行二次滑动相关运算后，进行门限判决从而完成位同步。本发明避免了差分运算对导频自相关性的影响，降低位同步时延，同时无需额外导频开销进行位同步，降低系统开销，避免时域干扰信号导致的相关峰值过高，大于门限的情况，解决了时域峰值搜索同步虚警的问题。

Description

一种基于二次差分相关的大频偏位同步方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，更进一步涉及突发通信中的一种大频偏位同步技术，可用于平台高机动条件下信号的捕获与位同步。

背景技术

针对高机动平台无线通信而言，在恶劣电磁环境条件下，通常存在背景噪声强、强电磁干扰、极低接收信噪比、多普勒频偏大等特点，为实现极端恶劣条件下的通信保障，首先需要解决的是大频偏和极低信噪比条件下的信号捕获与位同步问题。平台的高机动性会带来强多普勒效应，要求帧结构的同步导频段持续时间尽可能短，以防止相位周期翻转。同时，为提高系统抗干扰性，需要考虑极低信噪比条件，要求帧结构的同步导频段持续时间尽可能长，以获得相应的扩频增益，大频偏和极低信噪比对波形导频段的要求相互矛盾。

目前，提出了许多关于在大频偏和极低信噪比条件下的信号捕获与位同步方法，主要分为以下两类。

第一类是以全球定位系统(GPS)为代表，将多普勒频偏范围分为多个区段，接收信号通过在时域对每个多普勒频偏区段顺序串行搜索或并行处理搜索，也可通过扩展复制重叠捕获算法(XFAST)在频域进行多普勒搜索，找到最大值完成捕获后再进行多普勒精确搜索及位同步。

第二类是将一个长的导频段分为重复的多个短的导频段，接收信号与本地短导频段进行滑动相关后通过DFT转换到频域，通过对相关结果的频域谱分析，当接收信号与本地信号对齐时，在对应的多普勒频偏值处会出现峰值，从而同时完成了粗同步捕获及多普勒频偏值估计，该方法将时/频域的二维搜索转换为一维搜索，实现快速捕获功能。

但是，上述常规方法有其自身的缺点，第一类方法若串行搜索，捕获时间过长，不适用于突发信号接收，若过多路并行搜索，会占用FPGA大量的LUT资源及功耗，现有硬件工艺下可能无法实现；第二类方法无法在频域干扰的条件下工作，此时，干扰信号在频域的幅值响应必然远高于接收信号及其设定门限，无法完成频域峰值搜索。同时，第一/二类方法均仅能实现信号捕获功能，无法同时完成位同步，仍需额外的导频段开销进行位同步，增加了系统开销，增大了位同步时延。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于二次差分相关的大频偏位同步方法，既降低系统导频段开销，又实现了快速捕获及位同步，降低位同步时延，同时可以在时/频域等强电磁干扰的条件下正常工作。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案的实现步骤如下：

步骤1：外导频码做预编码处理；

假设m比特的伪随机序列为{a_i}，1≤i≤m，n比特的伪随机序列为{c_j}，1≤j≤n，选取伪随机序列{c_j}为外导频码，对{c_j}做异或预编码处理后变为{b_j}，预编码表达式如下所示：

步骤2：生成长导频码{d_k}，1≤k≤m*n；

选取伪随机序列{a_i}为内导频码，将内导频码与预编码后的外导频码进行乘积运算，生成新的长导频码，依次经过BPSK调制、DA发射到射频，码的乘积运算表达式如下：

其中，mod(·)为取模运算，

为向上取整函数；

步骤3：进行滑动相关运算；

接收信号通过下变频、AD、滤波处理变为基带信号{r_l}，-∞≤l≤+∞后，与本地的内导频码

进行滑动相关，并进行功率归一化，得到归一化后的滑动相关值为xcorr1_l，-∞≤l≤+∞，且满足：

步骤4：完成差分运算；

对归一化后的滑动相关值每间隔m个点做差分运算，得到差分结果为diff_l，-∞≤l≤+∞，满足

diff_l＝xcorr1_l*conj(xcorr1_l+m)，-∞≤l≤+∞

步骤5：进行二次滑动相关运算；

将差分结果与本地的外导频码

进行滑动相关及功率归一化，得到二次滑动相关值为xcorr2_l，-∞≤l≤+∞，且满足：

步骤6：门限判决；

设定判决门限为η₀，如果满足关系式|xcorr2_l|≥η₀，则捕获成功；否则，继续执行步骤3)～5)，直至关系式|xcorr2_l|≥η₀成立；

步骤7：完成位同步；

当二次滑动相关值大于判决门限时，接收信号捕获成功，此时，以该二次滑动相关值为基准，在二次滑动相关值的前后各取3个二次相关值，从7个二次滑动相关值中选取模值最大的相关值，模值最大的相关值所对应的导频段起始点即为位同步起始点，完成位同步。

所述n为m的8倍以上。

所述判决门限设置为无噪声条件下相关峰值的0.4倍。

本发明的有益效果在于本发明所提出导频预编码技术，通过采用两个导频码(内导频码和预编码后的外导频码)的乘积码替代一个长导频码，发射端对外导频码做预编码异或处理，接收端对内导频码滑动相关后，对滑动相关的结果进行差分运算，还原为原始相关性能优异的外导频码，避免了差分运算对导频自相关性的影响。

本发明提出二次差分相关技术，内导频码采用短PN码，保证大频偏条件下的自相关性，接收端对内导频码滑动相关结果进行差分运算(即共轭相乘)，再与外导频码进行二次滑动相关，保证了大频偏和极低信噪比条件下的捕获与位同步，降低位同步时延，同时无需额外导频开销进行位同步，降低系统开销。

本发明提出的捕获与位同步技术均在时域运算，不在频域上进行门限判决，解决了频域干扰条件下频域峰值搜索同步虚警的问题；同时，针对时域干扰，本发明对第一次相关结果进行功率归一化，避免时域干扰信号导致的相关峰值过高，大于门限的情况，解决了时域峰值搜索同步虚警的问题。因此，本发明依旧适用于时域和频域干扰的情况。

附图说明

图1是位同步工作原理图。

图2是系统在不同信道条件下的误比特率曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本发明的具体实现步骤如下文描述，工作原理图见附图1。假设32比特的伪随机序列为{a_i}，1≤i≤32，256比特的伪随机序列为{c_j}，1≤j≤256，则：

1)外导频码做预编码处理。选取伪随机序列{c_j}为外导频码，其中外导频码如下所示。

对{c_j}做异或预编码处理后变为{b_j}，预编码表达式如下所示

发射端通过对外导频码做预编码处理，保证接收端差分运算结果可以还原为原始的外导频信息，以充分利用外导频码优异的自相关特性。

2)生成长导频码{d_k}，1≤k≤8192。选取伪随机序列{a_i}为内导频码，其中内导频码如下所示：

1000 0100 1011 0011 1110 0011 0111 0101

将内导频码与预编码后的外导频码进行乘积运算，生成新的长导频码，经过BPSK调制、DA发射到射频，码的乘积运算表达式如下所示

其中，mod(·)为取模运算，

为向上取整函数，

为异或运算。

3)进行第一次滑动相关运算。接收信号通过下变频、AD等处理变为基带信号{r_l}，-∞≤i≤+∞后，与本地的内导频码

进行滑动相关，并进行功率归一化，得到归一化后的滑动相关值为xcorr1_l，-∞≤l≤+∞，满足：

为防止时域干扰信号的存在导致相关峰值过大，出现同步虚警的情况，此处进行功率归一化处理。

4)完成差分运算。对归一化后的滑动相关值每间隔32个点做差分运算，得到差分结果为diff_l，-∞≤l≤+∞，满足

diff_l＝xcorr1_l*conj(xcorr1_l+32)，-∞≤l≤+∞

由于第一次相关结果为复数，此处的差分运算无法通过异或运算实现，可通过共轭复相乘运算等效处理。

5)进行二次滑动相关运算。将差分结果与本地的外导频码

进行滑动相关及功率归一化，得到二次滑动相关值为xcorr2_l，-∞≤l≤+∞，满足：

由于进行了差分运算，外导频码有用信息仅有255比特，故此处相关累加符号个数为255个。

6)门限判决。设定判决门限为η₀(门限一般设置为无噪声条件下相关峰值的0.8倍)，如果满足关系式(1)：|xcorr2_l|≥η₀，则捕获成功；否则，继续执行步骤3)～5)，直至关系式(1)成立。

7)完成位同步。当二次相关运算结果大于判决门限时，接收信号捕获成功，此时，以该二次相关运算结果为基准，前后各取3个二次相关值，从这7个相关值中选取模值最大的相关值，其所对应的导频段起始点即为位同步起始点，完成位同步。

本发明的有益效果可通过以下仿真进一步说明。

1.仿真条件

在matlab平台针对本发明技术，在AWGN、50％频域干扰、50％时域干扰的条件下，对系统的解调能力进行建模仿真，仿真参数设置如下：接收信号数据段调制方式QPSK，成型滤波器因子0.2，导频段调制方式BPSK，导频长度为32*256＝8192，频域干扰和时域干扰条件下的干信比均为25dB，分别占用信号频带和时域脉冲的50％。

2.仿真内容和结果

分别在不同的信道条件下，对系统的误比特率性能进行仿真比较，仿真结果如附图2所示。

系统在AWGN信道下，解调信噪比SNR为-16.3dB时，误比特率为1e-5；当系统工作在50％频域干扰、50％时域干扰的条件下，在误比特率为1e-5时，系统解调信噪比分别为-12.75dB、-12.6dB，相比于AWGN信道，回退了3.55dB和3.7dB。因此，系统在AWGN、50％频域干扰、50％时域干扰的条件下均可正常工作。

Claims (3)

1.一种基于二次差分相关的大频偏位同步方法，其特征在于包括下述步骤：

步骤1：外导频码做预编码处理；

假设m比特的伪随机序列为{a_i},1≤i≤m，n比特的伪随机序列为{c_j},1≤j≤n，选取伪随机序列{c_j}为外导频码，对{c_j}做异或预编码处理后变为{b_j}，预编码表达式如下所示：

步骤2：生成长导频码{d_k},1≤k≤m*n；

选取伪随机序列{a_i}为内导频码，将内导频码与预编码后的外导频码进行乘积运算，生成新的长导频码，依次经过BPSK调制、DA发射到射频，码的乘积运算表达式如下：

其中，mod(·)为取模运算，

为向上取整函数；

步骤3：进行滑动相关运算；

接收信号通过下变频、AD、滤波处理变为基带信号{r_l},-∞≤l≤+∞后，与本地的内导频码

进行滑动相关，并进行功率归一化，得到归一化后的滑动相关值为xcorr1_l,-∞≤l≤+∞，且满足：

步骤4：完成差分运算；

对归一化后的滑动相关值每间隔m个点做差分运算，得到差分结果为diff_l,-∞≤l≤+∞，满足

diff_l＝xcorr1_l*conj(xcorr1_l+m),-∞≤l≤+∞

步骤5：进行二次滑动相关运算；

将差分结果与本地的外导频码

进行滑动相关及功率归一化，得到二次滑动相关值为xcorr2_l,-∞≤l≤+∞，且满足：

步骤6：门限判决；

设定判决门限为η₀，如果满足关系式|xcorr2_l|≥η₀，则捕获成功；否则，继续执行步骤3)～5)，直至关系式|xcorr2_l|≥η₀成立；

步骤7：完成位同步；

当二次滑动相关值大于判决门限时，接收信号捕获成功，此时，以该二次滑动相关值为基准，在二次滑动相关值的前后各取3个二次相关值，从7个二次滑动相关值中选取模值最大的相关值，模值最大的相关值所对应的导频段起始点即为位同步起始点，完成位同步。

2.根据权利要求1所述的一种基于二次差分相关的大频偏位同步方法，其特征在于：所述n为m的8倍以上。

3.根据权利要求1所述的一种基于二次差分相关的大频偏位同步方法，其特征在于：所述判决门限设置为无噪声条件下相关峰值的0.4倍。

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