CN113452643B

CN113452643B - 频域帧同步的方法、装置、电子设备及存储介质

Info

Publication number: CN113452643B
Application number: CN202111000511.XA
Authority: CN
Inventors: 杜昌澔; 闫伟豪; 罗士荀; 安建平; 王帅; 柯晟
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2021-08-30
Filing date: 2021-08-30
Publication date: 2021-11-26
Anticipated expiration: 2041-08-30
Also published as: CN113452643A

Abstract

本发明公开了频域帧同步的方法、装置、电子设备及存储介质，方法包括：获取本地序列、接收序列以及门限系数，对本地序列与接收序列进行滑动相关得到N个第一序列，对N个第一序列依次进行快速傅立叶变换得到N个变换结果，根据门限系数依次对N个变换结果进行判决直到判决通过，则帧同步完成。本发明通过门限系数的设置，实现在接收信号信噪比较低、频偏较大的时候可以进行自适应帧同步，同时提高搜索出的频偏的精确度。

Description

频域帧同步的方法、装置、电子设备及存储介质

技术领域

本发明涉及通信技术领域，具体涉及频域帧同步的方法、装置、电子设备及存储介质。

背景技术

低轨卫星通信系统中，帧同步是一种关键技术：即获取一帧数据的帧头，进而对整帧数据进行解调、译码。对于普通无线通信系统，只要通过时域相关的运算，就可以对收到的数据进行帧头搜索的操作。但是由于低轨卫星通信过程中，卫星与地面相对距离较远，因此往往会产生问题：首先，低轨卫星覆盖全球面积较大，且传输距离较短，延迟较低具有很好的实时通信的效果，是卫星通信的重要组成部分。但受距离、地形、天气等因素的影响，以及终端发射功率受限，通信时信噪比较低，必须使用较低的信噪比下具有较低误码率的通信系统。同时，低轨卫星的移动速度很快，它们在与地面进行通信时，会受到较强的多普勒现象的影响，对信号产生较大的频偏和相位变化。此时就需要对收到的信号进行频偏和相偏的补偿。

对于一般的通信系统，帧同步往往是通过时域运算完成的。即发端发送一段约定好的同步头，然后在收端对接收到的信息与本地同步头进行滑动相关，当检测出相关峰的时候，则认为完成了帧同步。但这样的帧同步方法存在几个问题。对于较低的信息噪比，直接进行相关累加的方法很难获得较好的性能，累积出的结果受噪声影响较大，峰值不确定性较高，其次对于带有一定频偏的信号，直接在时域进行累加无法出峰，根本无从判别其是否同步。此外，由于低轨卫星与地球终端相对运动较为剧烈，通过捕获、跟踪不足以完全消除频偏带来的影响，若想完全消除频偏、相位带来的干扰，需要通过更精准的载波同步、解调模块对频偏和相位进行纠正。因此，当传输的数据存在一些频偏调制时，是无法直接进行帧同步的。此时的若想使用时域帧同步，则需要将帧同步模块放在解调之后。这就意味着解调后的数据不仅包含帧有用的信息，还会包含导频段及一些无用信息由于星上资源受限，即使通过时分复用的方法也无法同时解出如此多的信息。

综上，目前亟需一种频域帧同步的方法，用于解决上述现有技术存在的问题。

发明内容

由于现有方法存在上述问题，本发明提出频域帧同步的方法、装置、电子设备及存储介质。

第一方面，本发明提供了一种频域帧同步的方法，包括：

获取本地序列、接收序列以及门限系数；

对所述本地序列与所述接收序列进行滑动相关，得到N个第一序列；N为正整数；

对所述N个第一序列依次进行快速傅立叶变换，得到N个变换结果；

根据所述门限系数依次对所述N个变换结果进行判决，直到判决通过，则帧同步完成。

进一步地，所述获取门限系数，包括：

对所述本地序列加入频偏和噪声得到第一频偏序列；所述频偏由所述接收序列的传输速率确定；

对所述本地序列与所述第一频偏序列进行滑动相关得到第二频偏序列；

对所述第二频偏序列进行快速傅立叶变换得到多个复数；

对所述多个复数分别取模得到峰均比；

根据所述峰均比确定所述门限系数。

进一步地，所述对所述本地序列与所述接收序列进行滑动相关，得到N个第一序列，包括：

根据所述本地序列的长度对所述接收序列进行截取得到N个第二序列；

将所述N个第二序列分别与所述本地序列进行内积得到所述N个第一序列。

进一步地，所述变换结果包含复数集合以及频率集合；所述复数集合中的复数与所述频率集合中的频率一一对应；所述根据所述门限系数依次对所述N个变换结果进行判决，包括：

对所述N个变换结果中每个变换结果对应的复数集合中的复数分别取模得到幅值集合；所述幅值集合中的幅值与所述频率集合中的频率一一对应；

根据所述幅值集合确定均值；

根据所述频率集合中绝对值小于预设阈值的频率对应的多个幅值与所述均值确定多个幅均比；

若所述多个幅均比中最大的幅均比不小于所述门限系数，则判决通过。

进一步地，在所述对所述N个第一序列依次进行快速傅立叶变换，得到N个变换结果之前，还包括：

对所述N个第一序列进行补零。

第二方面，本发明提供了一种频域帧同步的装置，包括：

获取模块，用于获取本地序列、接收序列以及门限系数；

滑动相关模块，用于对所述本地序列与所述接收序列进行滑动相关，得到N个第一序列；N为正整数；

变换模块，用于对所述N个第一序列依次进行快速傅立叶变换，得到N个变换结果；

判决模块，用于根据所述门限系数依次对所述N个变换结果进行判决，直到判决通过，则帧同步完成。

进一步地，所述获取模块具体用于：

对所述第二频偏序列进行快速傅立叶变换得到多个复数；

对所述多个复数分别取模得到峰均比；

根据所述峰均比确定所述门限系数。

进一步地，所述滑动相关模块具体用于：

进一步地，所述变换结果包含复数集合以及频率集合；所述复数集合中的复数与所述频率集合中的频率一一对应；所述判决模块具体用于：

根据所述幅值集合确定均值；

进一步地，所述变换模块还用于：在所述对所述N个第一序列依次进行快速傅立叶变换得到N个变换结果之前，对所述N个第一序列进行补零。

第三方面，本发明还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如第一方面所述的频域帧同步的方法。

第四方面，本发明还提供了一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如第一方面所述的频域帧同步的方法。

由上述技术方案可知，本发明实施例提供的频域帧同步的方法、装置、电子设备及存储介质，通过门限系数的设置，实现在接收信号信噪比较低、频偏较大的时候可以进行自适应帧同步，同时提高搜索出的频偏的精确度。

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，还可以根据这些图获得其他的附图。

图1为本发明提供的频域帧同步的方法的系统框架；

图2为本发明提供的频域帧同步的方法的流程示意图；

图3为本发明提供的滑动相关的示意图；

图4为本发明提供的频域帧同步的方法的流程示意图；

图5为本发明提供的频域帧同步频谱的示意图；

图6为本发明提供的频域帧同步的装置的结构示意图；

图7为本发明提供的电子设备的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明实施例提供的频域帧同步的方法，可以适用于如图1所示的系统架构中，该系统架构包括接收器100、服务器200。

具体的，接收器100用于获取接收序列。

服务器200用于获取本地序列、门限系数以及来自接收器100的接收序列。

服务器200还用于对本地序列与接收序列进行滑动相关得到N个第一序列，对N个第一序列依次进行快速傅立叶变换得到N个变换结果，根据门限系数依次对N个变换结果进行判决直到判决通过，则帧同步完成。

需要说明的是，图1仅是本发明实施例系统架构的一种示例，本发明对此不做具体限定。

基于上述所示意的系统架构，图2为本发明实施例提供的一种频域帧同步的方法所对应的流程示意图，如图2所示，该方法包括：

步骤201，获取本地序列、接收序列以及门限系数。

在一种可能的实施方式中，接收序列包含导频段、帧头以及业务数据。

需要说明的是，其中，帧头由发送端和接收端共同约定。

本发明实施例中，本地序列与帧头相同。

举例来说，信噪比较低比如3dB左右时，可以使用长度为32比特的帧头。

本发明实施例中，帧头具有较低的自相关性，同时与导频段的相关性也较差。

以32位帧头为例，使用自相关性较低的码字“巴赫码”作为帧头：1101 0001 00101100 0101 1110 0011 1100。

步骤202，对本地序列与接收序列进行滑动相关得到N个第一序列。

具体的，根据本地序列的长度对接收序列进行截取得到N个第二序列；

将N个第二序列分别与本地序列进行内积得到N个第一序列。

具体的，如图3所示，对接收序列从第一位开始进行截取，截取长度与本地序列长度相同，之后分别从第二位开始截取，第三位开始截取，直到序列的最后一位。

举例来说，假设接收序列为 X，从第一位开始截取记为X1，从第二位开始截取记为X2，以此类推，每一段第二序列的长度与本地序列的长度相同，均为32比特。

进一步地，若接收序列长度总长度为L，则共有L-32个第二序列。

本发明实施例中，将截取的第二序列与本地序列进行内积。

需要说明的是，此时若截取的第二序列与本地序列完全相同，由于接收序列通过了二进制相移键控（Binary Phase Shift Keying，BPSK）调制，那么会得到一段与本地序列长度相同，且携带的信息全部为1的第一序列，此时第一序列中只含噪声信息。

上述方案，通过滑动相关搜索帧头，从而对带有频偏的接收序列实现帧同步。

步骤203，对N个第一序列依次进行快速傅立叶变换得到N个变换结果。

具体的，本发明实施例在步骤203之前，对N个第一序列进行补零。

需要说明的是，补零越多，精度越高。补零后的第一序列的位数为2的整数次幂。

举例来说，滑动相关后的第一序列为32比特，在其后补上32个零得到64比特补零后的第一序列，则此时频偏搜索精度为1/64Rs，Rs为符号速率。

上述方案，通过补零操作增加了快速傅立叶变换结果的可视精度，提高了灵敏度以及对频偏的估计的准确性，实现动态调整帧同步频偏搜索精度。

进一步地，快速傅立叶变换点数与补零后的第一序列的位数相同。

举例来说，补零后的第一序列为64比特，则采用64点快速傅立叶变换。

步骤204，根据门限系数依次对N个变换结果进行判决直到判决通过，则帧同步完成。

本发明实施例，对带有频偏的数据进行帧同步，从而将帧同步模块放在解调模块之前，使其不受解调模块性能影响，同时可以保证解调模块解调出的数据均为有用数据，从而减少了解调资源损耗。

上述方案，通过门限系数的设置，实现在接收信号信噪比较低、频偏较大的时候可以进行自适应帧同步，同时提高搜索出的频偏的精确度。

本发明实施例在步骤201中，对本地序列加入频偏和噪声得到第一频偏序列；

需要说明的是，频偏由接收序列的传输速率确定。

对本地序列与第一频偏序列进行滑动相关得到第二频偏序列；

对第二频偏序列进行快速傅立叶变换得到多个复数；

对多个复数分别取模得到峰均比；

根据峰均比确定门限系数。

举例来说，接收序列的传输速率为64sps，采用64点快速傅立叶变换，频偏处于精度对应最差位置，为0.5HZ。

在一种可能的实施方式中，基于上述实施例得到一万个峰均比，对这些峰均比从大到小排列。然后取第9997个作为门限系数。此时漏警率约为99.97%。

上述方案，通过门限系数的设置，对不同信噪比的信号进行自适应门限调整，实现自适应信噪比，在信噪比动态较大时仍可以完成帧同步。

进一步地，本发明实施例在步骤204中，变换结果包含复数集合以及频率集合；复数集合中的复数与频率集合中的频率一一对应。具体的步骤流程如图4所示，如下：

步骤401，对N个变换结果中每个变换结果对应的复数集合中的复数分别取模得到幅值集合。

需要说明的是，幅值集合中的幅值与频率集合中的频率一一对应。

举例来说，100HZ对应的复数为2+2i、200HZ对应的复数为4+2i、300HZ对应的复数为4+2i。则100HZ对应的幅值为2^（3/2），以此类推。

步骤402，根据幅值集合确定均值。

步骤403，根据频率集合中绝对值小于预设阈值的频率对应的多个幅值与均值确定多个幅均比。

需要说明的是，本发明实施例对零频附近的值进行判决。

步骤404，若多个幅均比中最大的幅均比不小于门限系数，则判决通过。

本发明实施例中，若当前第一序列为帧头，则此时频谱只包含一个较高峰值，在只有噪声影响时，此峰值会出现在零频，因为对于滑动相关后的数据为全1，在频谱上反应为一个零频附近的直流冲击。

进一步地，如图5所示，若当前第一序列包含频偏，则会在频偏对应位置出现一个峰值。

上述方案，实现对带有频偏的数据进行帧同步，通过快速傅立叶变换搜索帧头及频偏，完成帧同步的同时可以动态调整频偏搜索精度。

基于同一发明构思，图6示例性的示出了本发明实施例提供的一种频域帧同步的装置，该装置可以为一种频域帧同步的方法的流程。

所述装置，包括：

获取模块601，用于获取本地序列、接收序列以及门限系数；

滑动相关模块602，用于对所述本地序列与所述接收序列进行滑动相关，得到N个第一序列；N为正整数；

变换模块603，用于对所述N个第一序列依次进行快速傅立叶变换，得到N个变换结果；

判决模块604，用于根据所述门限系数依次对所述N个变换结果进行判决，直到判决通过，则帧同步完成。

进一步地，所述获取模块601具体用于：

对所述第二频偏序列进行快速傅立叶变换得到多个复数；

对所述多个复数分别取模得到峰均比；

根据所述峰均比确定所述门限系数。

进一步地，所述滑动相关模块602具体用于：

进一步地，所述变换结果包含复数集合以及频率集合；所述复数集合中的复数与所述频率集合中的频率一一对应；所述判决模块604具体用于：

根据所述幅值集合确定均值；

进一步地，所述变换模块603还用于：在所述对所述N个第一序列依次进行快速傅立叶变换得到N个变换结果之前，对所述N个第一序列进行补零。

基于相同的发明构思，本发明又一实施例提供了一种电子设备，参见图7，所述电子设备具体包括如下内容：处理器701、存储器702、通信接口703和通信总线704；

其中，所述处理器701、存储器702、通信接口703通过所述通信总线704完成相互间的通信；所述通信接口703用于实现各设备之间的信息传输；

所述处理器701用于调用所述存储器702中的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述频域帧同步的方法的全部步骤，例如，所述处理器执行所述计算机程序时实现下述步骤：获取本地序列、接收序列以及门限系数；对所述本地序列与所述接收序列进行滑动相关得到N个第一序列；N为正整数；对所述N个第一序列依次进行快速傅立叶变换得到N个变换结果；根据所述门限系数依次对所述N个变换结果进行判决直到判决通过，则帧同步完成。

基于相同的发明构思，本发明又一实施例提供了一种非暂态计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述频域帧同步的方法的全部步骤，例如，所述处理器执行所述计算机程序时实现下述步骤：获取本地序列、接收序列以及门限系数；对所述本地序列与所述接收序列进行滑动相关得到N个第一序列；N为正整数；对所述N个第一序列依次进行快速傅立叶变换得到N个变换结果；根据所述门限系数依次对所述N个变换结果进行判决直到判决通过，则帧同步完成。

此外，上述的存储器中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，频域帧同步的装置，或者网络设备等）执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器（ROM，Read-Only Memory）、随机存取存储器（RAM，Random Access Memory）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本发明实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，频域帧同步的装置，或者网络设备等）执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的频域帧同步的方法。

此外，在本发明中，诸如“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

此外，在本发明中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

此外，在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

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：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分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各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种频域帧同步的方法，其特征在于，包括：

获取本地序列、接收序列以及门限系数；

根据所述门限系数依次对所述N个变换结果进行判决，直到判决通过，则帧同步完成；

所述获取门限系数，包括：

对所述第二频偏序列进行快速傅立叶变换得到多个复数；

对所述多个复数分别取模得到峰均比；

根据所述峰均比确定所述门限系数。

2.根据权利要求1所述的频域帧同步的方法，其特征在于，所述对所述本地序列与所述接收序列进行滑动相关，得到N个第一序列，包括：

3.根据权利要求1所述的频域帧同步的方法，其特征在于，所述变换结果包含复数集合以及频率集合；所述复数集合中的复数与所述频率集合中的频率一一对应；所述根据所述门限系数依次对所述N个变换结果进行判决，包括：

根据所述幅值集合确定均值；

4.根据权利要求1所述的频域帧同步的方法，其特征在于，在所述对所述N个第一序列依次进行快速傅立叶变换，得到N个变换结果之前，还包括：

对所述N个第一序列进行补零。

5.一种频域帧同步的装置，其特征在于，包括：

获取模块，用于获取本地序列、接收序列以及门限系数；

判决模块，用于根据所述门限系数依次对所述N个变换结果进行判决，直到判决通过，则帧同步完成；

所述获取模块具体用于：

对所述第二频偏序列进行快速傅立叶变换得到多个复数；

对所述多个复数分别取模得到峰均比；

根据所述峰均比确定所述门限系数。

6.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至4任一项所述方法的步骤。

7.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至4任一项所述方法的步骤。