CN113783585B - 一种基于Chirp相关峰值位置偏差趋势估计采样偏差的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于Chirp相关峰值位置偏差趋势估计采样偏差的方法，包括：采用接收数据与本地基础图样的时域圆周相关来对接收的Chirp信号进行解扩，以查找解扩的相关峰值位置；利用解扩的相关峰值位置，通过迭代方式对峰值位置的移动趋势进行分析以实现对采样偏差的估计。本发明提出的基于Chirp相关峰值位置偏差趋势估计采样偏差的方法，充分利用Chirp信号解扩信息，利用较少的资源开销，联合实现了ppm的估计。

Description

一种基于Chirp相关峰值位置偏差趋势估计采样偏差的方法

技术领域

本发明涉及无线扩频通信系统的同步技术领域，尤其设计一种基于Chirp相关峰值位置偏差趋势估计采样偏差的方法。

背景技术

扩频码的同步是指到达接收机的扩频编码信号与本地参考扩频信号在码的图案位置和码时钟速率在时间上都是准确一致的，如果不一致就有了码元同步的偏移。扩频码未完全同步时，扩频信号无法解扩，将导致信息传输的失败。

在目前的无线通信接收机中，中频数字化的软件无线电系统结构如图1所示，结构中的本地振荡器提供的频率源，使AD采样器对接收到的模拟中频信号进行固定频率的采样将其转换成数字信号。但由于发射机和接收机的采样时钟是不同晶振产生的，因此，接收机对接收到的信号进行采样时，会产生采样偏差(也称定时偏差)，使得接收机采样得到的信号不是采样在最佳采样点上，如图2所示，从而产生扩频码的解扩失败。

以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出一种基于Chirp相关峰值位置偏差趋势估计采样偏差的方法，充分利用Chirp信号解扩信息，利用较少的资源开销，联合实现了ppm的估计。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明公开了一种基于Chirp相关峰值位置偏差趋势估计采样偏差的方法，包括：采用接收数据与本地基础图样的时域圆周相关来对接收的Chirp信号进行解扩，以查找解扩的相关峰值位置；利用解扩的相关峰值位置，通过迭代方式对峰值位置的移动趋势进行分析以实现对采样偏差的估计。

优选地，其中的Chirp信号是通过对基础图样的循环移位来表示不同的扩频符号。

优选地，其中解扩的相关峰值位置与扩频符号存在映射关系。

优选地，在通过迭代方式对峰值位置的移动趋势进行分析以实现对采样偏差的估计之前还包括：对连续接收的多个相关峰值位置求平均，以估计得到有效参考峰值位置，并根据有效参考峰值位置，来分析峰值位置的移动趋势。

优选地，通过迭代方式对相关峰值位置的移动趋势进行分析以实现对采样偏差的估计具体包括：设定偏差阈值，对相关峰值位置的移动趋势的合理性进行筛选，通过迭代方式进行趋势累加得到累计偏移取值，再将累计偏移取值转化为采样偏差。

优选地，将累计偏移取值转化为采样偏差具体包括：将累计偏移取值转换为ppm，并结合Chirp信号的扩频因子SF和采样率，转换成采样点补偿值。

优选地，采用接收数据与本地基础图样的时域圆周相关来对接收的Chirp信号进行解扩，以查找解扩的相关峰值位置具体包括：将接收的Chirp信号Rx与本地的基础图样Local利用FFT和IFFT实现时域的圆周相关值Pv，查找主峰值PvMax及对应的相关峰值位置PdMax，具体实现公式为：Pv＝ifft(fft(Rx).*conj(Local))，PvMax＝max(abs(Pv).^2)＝abs(Pv[PdMax].^2)。

优选地，其中相关峰值位置的计算包含整数部分和小数部分，整数部分为直接的峰值索引PdInt，小数部分PdFrac为基于主峰值和左右次峰值的二分插值所得：

其中，PvMaxEdge0、PvMaxEdge1分别为左右次峰值；

并更新相关峰值位置：PdMax＝PdInt+PdFrac。

优选地，利用解扩的相关峰值位置，通过迭代方式对峰值位置的移动趋势进行分析以实现对采样偏差的估计具体包括：

先对连续接收的m个峰值满足-PdWin<PdMax[k]<PdWin，k＝1,…m的相关峰值位置进行存储，对存储的m个峰值求平均得到初始的有效峰值位置Real_Calc，首次成功符号数值下标：Real_start＝m/2+1；

将当前峰值设置为当前的有效峰值Calc＝PdMax，符号索引计数Idx＝CntNum，计算位置累计偏移sum_trendValue＝Calc-Real_Calc，符号索引sum_trendIdx＝Idx-Real_Start；

在确定有效起始位置后，通过迭代方式对后续的连续峰值位置信息PdMax，进行偏差合理性判定：abs(PdMax-Calc)<(CntNum-Idx)*DeltaSThr，其中DeltaSThr为连续符号的偏移判决门限，对于满足偏差策略的峰值，累计入位置偏移sum_trendValue及符号索引sum_trendIdx，并更新当前峰值为Calc，其对应的符号索引为Idx，作为下次迭代偏差合理性判决的参考信息；

将累计位置偏移sum_trendValue转换为ppm，并结合Chirp的扩频因子SF和采样率，转换为采样点补偿值。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明提出的基于Chirp相关峰值位置偏差趋势估计采样偏差的方法，对所有接收到的Chirp信号的解扩，都与本地基础图样的时域圆周相关实现，从而简化了本地的序列存储，有效的降低了解扩的运算量和时间；进一步充分利用了Chirp信号的解扩峰值位置信息，使系统将解扩和ppm的估计有效结合，从而减少了计算资源。

附图说明

图1是软件无线电的接收机硬件框图；

图2是采样时钟偏差示意图；

图3是本发明优选实施例的基于特殊Chirp相关峰值位置偏差趋势估计采样偏差的方法流程图；

图4是4进制各符号时频图；

图5是本发明具体实施例的采样偏差工作流程图。

具体实施方式

下面对照附图并结合优选的实施方式对本发明作进一步说明。

本发明优选实施例公开了一种基于特殊Chirp相关峰值位置偏差趋势估计采样偏差的方法，该方法包括以下步骤：(1)该特殊Chirp信号是通过对基础图样的循环移位来表示不同的扩频符号；(2)对Chirp信号的解扩采用接收数据与本地基础图样的时域圆周相关实现，其解扩的相关峰值位置与扩频符号存在映射关系；(3)该采样偏差的估计方案充分利用解扩信息-相关峰值位置，通过迭代的对峰值位置的移动趋势进行分析实现采样偏差的估计；(4)该采样偏差估计对峰值位置的趋势判定分三步走：有效参考峰值位置的估计->迭代的进行峰值位置的合理性判定并进行趋势的累加存储->将累加趋势转换为ppm，并结合Chirp的扩频因子SF和采样率，转换为采样点补偿值。本发明充分利用Chirp信号的解扩峰值位置信息，使系统将解扩和ppm的估计有效结合，从而减少了计算资源。

在本发明优选实施例的无线扩频通信系统中，构造了一种特殊的Chirp信号，以某一个符号的Chirp信号作为基础图样，通过对基础图样的循环移位实现对不同符号的扩频映射。在Rx端，对所有接收到的Chirp信号的解扩，都与本地基础图样的时域圆周相关实现，因此简化了本地的序列存储，有效的降低了解扩的运算量和时间，且其解扩的相关峰值位置与扩频符号存在映射关系。具体地，本发明优选实施例公开的基于特殊Chirp相关峰值位置偏差趋势估计采样偏差的方法具有以下特征：

1)构造了一种特殊的Chirp信号，其是对基础图样的循环移位产生，其解扩简化了收端的本地序列的存储；

2)采样偏差估计是基于对特殊Chirp信号的解扩峰值位置进行趋势分析实现采样偏差的估计；

3)该估计方法需要预设偏差阈值，进行峰值趋势合理性筛选，迭代的进行趋势累加，最终将偏移取值转化为ppm偏差。

其中，对于不同符号的Chirp信号，都是通过对基础图样的循环移位后的Chirp信号表示；在Rx端，对Chirp信号的解扩采用接收数据与本地基础图样的时域圆周相关实现，其解扩的相关峰值位置与扩频符号存在映射关系。

将接收Chirp信号Rx与本地的基础图样Local利用FFT和IFFT实现时域的圆周相关值Pv，查找主峰值PvMax及对应的峰值位置PdMax，具体实现见下式(1)、(2)：

Pv＝ifft(fft(Rx).*conj(Local)) (1)

PvMax＝max(abs(Pv).^2)＝abs(Pv[PdMax].^2) (2)

其中，峰值位置的计算包含整数部分和小数部分，整数部分为直接的峰值索引PdInt，小数部分PdFrac为基于主峰和左右次峰(PvMaxEdge0、PvMaxEdge1)的二分插值所得，具体见公式(3)。此处理实现减少Chirp符号的个数的同时，提升估计精度；

PvMaxEdge0＝Pv[PdInt-1]，PvMaxEdge1＝Pv[PdInt+1]

更新峰值位置：PdMax＝PdInt+PdFrac。

通过求平均确定参考有效初始峰值位置，即在启动ppm的估计算法后，先对连续接收的m个峰值满足-PdWin<PdMax[k]<PdWin(k＝1,…m)的相关峰值进行存储。对存储的m个峰值求平均得到初始的有效峰值位置Real_Calc，首次成功符号数值下标：Real_start＝m/2+1。

将当前峰值设置为当前的有效峰值Calc＝PdMax，符号索引计数Idx＝CntNum，计算位置累计偏移sum_trendValue＝Calc-Real_Calc，符号索引sum_trendIdx＝Idx-Real_Start。

在确定有效起始位置后，迭代的对后续的连续峰值位置信息PdMax，进行偏差合理性判定：abs(PdMax-Calc)<(CntNum-Idx)*DeltaSThr。其中DeltaSThr为连续符号的偏移判决门限，对于满足偏差策略的峰值，累计入位置偏移sum_trendValue及符号索引sum_trendIdx，并更新当前峰值为Calc，其对应的符号索引为Idx，作为下次迭代偏差合理性判决的参考信息。

将累计位置偏移sum_trendValue转换为ppm，并结合Chirp的扩频因子SF和采样率，转换为采样点补偿值。

下述以具体实施例对本发明优选实施例公开的基于特殊Chirp相关峰值位置偏差趋势估计采样偏差的方法作进一步的说明。

在本具体实施例中，先设定调频信号的基础图样由Up-Chirp和Down-Chirp组合而成，如公式(4)所示。这里设定不同符号的扩频图样为基础图样(符号0)的向右移位循环。当然本发明的基础图样不限于此图样。

其中，A为信号的幅度，μ为线性扩频斜率，

分别为第一段和第二段的起始相位，T_c为一个符号周期；以M＝4进制为例，各个符号的时频图见图4：图4中，将符号长度T_c等分为4段，每段长T_step，即T_step为移动步长。符号1相对于符号0移动T_step，符号2相对于符号1移动T_step，符号3相对于符号2移动T_step，其他进制以此类推。

本实施例中，设定系统的基本参数：带宽BW＝125kHz，扩频因子SF＝7，符号周期Tc＝1.004ms，频率步进f_step＝BW/2^SF＝976.56Hz；当Sym＝28时，该线性扩频信号为将分为三段，其中第一段的起始频率f₀₁＝Sym*fstep＝54.684KHz，第二段的起始频率f₀₂＝0Hz，第三段的起始频率为BW，即Sym28的线性扩频信号为：

下面详细说明采样偏差估计模块的工作步骤，其实现流程见图5。

本实施例中，设置系统配置：射频RF＝470MHz，采样倍率SampleRatio＝4，符号采样点SampleNum＝2^SF*SampleRatio*1.5＝768，采样点的偏移门限DeltaSStart＝64(放大32倍)，DeltaSArea＝32，本实施例以添加了50ppm的Jitter为例，假定本实施例中因此进入的PtDMax＝

{-4,3,10,13,19,17,22,-23,21,24,11,20,20,11,43,23,9,43,30,26,41,35,19,52,21,37,41,36,44,54}

S1：初始化采样偏差估计的符号计数CntNum＝0，判定当前峰值PtDMax是否满足峰值位置的合理性。利用以下条件：

PtDMax∈[-DeltaSStart,DeltaSStart]

如果满足条件则进入步骤S2，同时复位寄存器Sum＝0、Sum_Index＝0、Calc＝0、Index＝0、Real_Calc＝0、Real_Start＝0、Buf数组初始化；否则，继续筛选，如果CntNum计数为CntNum＝＝10？仍未找到符合条件的Buf[CntNum]，则认为估计失败。

这里假定依次进入PtdMax＝{40,45,-4,3,10,13,19,17}，则Ptdmax＝{45,46}时不满足条件，则舍弃，当PtdMax＝-4时，满足条件，此时CntNum＝3；并初始化所有的参数，并进入步骤S2。

S2：确定峰值位置的有效性，从步骤S1中确定合理范围的CntNum作为起始值，依次将峰值位置PtDMax更新Buf数组数据，按如下方式更新：

Buf[k]＝Buf[k-1]；k＝1,2,3,4；其中，Buf[0]＝PtDMax。

计算DelataSState9Buf数组中各个数据之间的差值，这里筛选出首个有效值，筛选条件如下：

Tmp[k]＝abs(Buf[k]-Buf[k-1])，且满足Tmp[k]∈(0，DeltaSArea)

当首次满足上述条件时，计算Buf[0]～Buf[4]的均值记为初始有效值Real_Calc，首次成功数值下标Real_Start＝CntNum-2；

记录当前的有效数值：Calc＝PtDMax；下标计数Index＝CntNum。

计算Sum数值：Sum+＝Calc-Real_Calc；

计算下标Sum_Index数值：Sum_Index+＝Index-Real_Start；

然后进入步骤S3，否则继续筛选；如果一直不满足此条件，当计数器CntNum＝＝32时，认为估计失败，复位计数器CntNum；

本实施例中，Buff首次存满后的数据为Buf[5]＝{19,13,10,3,-4}，则Tmp[4]＝{6,3,7,7}，都满足系统要求；因此Real_Calc＝8，Real_start＝3，并记录当前的有效数值Calc＝19，下标计数Index＝5；Sum＝11，Sum_Index＝2。

S3：采用迭代处理方式，确定之后的峰值有效性，并进行偏差累计。其有效性的判决机制如下：

计算当前P路峰值位置PtDMax和上一个记录的有效峰值位置Calc的差值：

Tmp1＝abs(PtDMax-Calc)

计算当前计数器CntNum与上一个记录的有效峰值位置下标计数器Index的差值：

Tmp2＝CntNum-Index

判断是否满足以下条件：

Tmp1≤Tmp2×DeltaSArea

如果满足条件，更新最新峰值有效值Calc和峰值下标：

Calc＝PtDMax

Index＝CntNum

并同时更新Sum和Sum_Index：

Sum+＝PtDMax-Real_Calc

Sum_Index+＝CntNum-Real_Start

重复以上步骤直至CntNum＝＝CntNumThr，这里设定CntNumThr＝30；

这里设定本次迭代完成后Sum＝440；Sum_Index＝330。

S4：计算采样偏差估计值：

PPM_Est_Calc＝Sum/Sum_Index/SampleNum/放大倍率

＝440/336/768/32*1e6

＝53.28ppm

对采样偏差的补偿处理，可以采用插值滤波器实现，或调整buffer的取值索引，进行修正，假定本方案采用buffer的调整方案，则每个符号的调整采样点个数为：

PPM_Comp＝Sum/Sum_Index放大倍率＝440/336/32＝0.0409

设定SymIdx＝0，SymIdx++；Remain_ppm＝0；

当floor(SymIdx*PPM_Comp+Remain_ppm)＝＝1时，对缓存的接收数据，向前取一个采样点，进行采样偏差的补偿，并更新残留偏差：

Remain_ppm＝SymIdx*PPM_Comp+Remain_ppm-1，SymIdx＝0。

从本实施例中可以看出，本方案能有效地估计采样偏差，估计误差为3.28ppm，且可通过调整CntNumThr以满足不同系统的估计误差要求。

本发明具体实施例中充分利用了Chirp信号的解扩峰值位置信息，使系统将解扩和ppm的估计有效结合，从而减少了计算资源。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于Chirp相关峰值位置偏差趋势估计采样偏差的方法，其特征在于，包括：采用接收数据与本地基础图样的时域圆周相关来对接收的Chirp信号进行解扩，以查找解扩的相关峰值位置；利用解扩的相关峰值位置，通过迭代方式对峰值位置的移动趋势进行分析以实现对采样偏差的估计；

其中，通过迭代方式对峰值位置的移动趋势进行分析以实现对采样偏差的估计具体包括：设定偏差阈值，对相关峰值位置的移动趋势的合理性进行筛选，通过迭代方式进行趋势累加得到累计偏移取值，再将累计偏移取值转换为ppm，并结合Chirp信号的扩频因子SF和采样率，转换成采样点补偿值，以实现对采样偏差的估计。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于，其中的Chirp信号是通过对基础图样的循环移位来表示不同的扩频符号。

3.根据权利要求2的方法，其特征在于，其中解扩的相关峰值位置与扩频符号存在映射关系。

4.根据权利要求1的方法，其特征在于，在通过迭代方式对峰值位置的移动趋势进行分析以实现对采样偏差的估计之前还包括：对连续接收的多个相关峰值位置求平均，以估计得到有效参考峰值位置，并根据有效参考峰值位置，来分析峰值位置的移动趋势。

5.根据权利要求1至4任一项的方法，其特征在于，采用接收数据与本地基础图样的时域圆周相关来对接收的Chirp信号进行解扩，以查找解扩的相关峰值位置具体包括：将接收的Chirp信号Rx与本地的基础图样Local利用FFT和IFFT实现时域的圆周相关值Pv，查找主峰值PvMax及对应的相关峰值位置PdMax，具体实现公式为：Pv＝ifft(fft(Rx).*conj(Local))，PvMax＝max(abs(Pv).^2)＝abs(Pv[PdMax].^2)。

6.根据权利要求5的方法，其特征在于，其中相关峰值位置的计算包含整数部分和小数部分，整数部分为直接的峰值索引PdInt，小数部分PdFrac为基于主峰值和左右次峰值的二分插值所得：

其中，PvMaxEdge0、PvMaxEdge1分别为左右次峰值；

并更新相关峰值位置：PdMax＝PdInt+PdFrac。

7.根据权利要求6的方法，其特征在于，利用解扩的相关峰值位置，通过迭代方式对峰值位置的移动趋势进行分析以实现对采样偏差的估计具体包括：

先对连续接收的m个峰值满足-PdWin<PdMax[k]<PdWin，k＝1,…m的相关峰值位置进行存储，对存储的m个峰值求平均得到初始的有效峰值位置Real_Calc，首次成功符号数值下标：Real_start＝m/2+1；

将当前峰值设置为当前的有效峰值Calc＝PdMax，符号索引计数Idx＝CntNum，计算位置累计偏移sum_trendValue＝Calc-Real_Calc，符号索引sum_trendIdx＝Idx-Real_Start；

在确定有效起始位置后，通过迭代方式对后续的连续峰值位置信息PdMax，进行偏差合理性判定：abs(PdMax-Calc)<(CntNum-Idx)*DeltaSThr，其中DeltaSThr为连续符号的偏移判决门限，对于满足偏差策略的峰值，累计入位置偏移sum_trendValue及符号索引sum_trendIdx，并更新当前峰值为Calc，其对应的符号索引为Idx，作为下次迭代偏差合理性判决的参考信息；

将累计位置偏移sum_trendValue转换为ppm，并结合Chirp的扩频因子SF和采样率，转换为采样点补偿值。

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