CN114629509A - 一种扩频信号接收机同步方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种扩频通信接收机同步方法和装置，该方法包括以下步骤：根据发端提供的已知信息，确定同步序列可能的扩频因子集合，并将本地扩频因子初始化为集合中最小值；根据前级模块给出的符号同步位置，取一个符号长度的数据与本地序列一起进行部分匹配滤波；对滤波结果进行能量归一化，然后通过FFT变换到频域；将多个符号的频域结果对位累加求平均，搜索最大能量值作为相关峰值；对相关峰值进行双门限判决；若当前时刻相关结果的同步判决通过，则退出同步搜索，否则，在下一个时刻继续执行前面的步骤，直到同步成功或者超时退出。该方法可以同时完成同步位置以及扩频因子的搜索，并通过频域相干累加提高了相关运算的增益，达到较高灵敏度。

Description

一种扩频信号接收机同步方法和装置

技术领域

本发明涉及通信技术，特别是涉及一种扩频信号接收机同步方法和装置。

背景技术

在物联网突发通信系统的接收端，所接收的信息帧的调制编码方式可能是不确定的，以便满足不同的数据传输需求，或对抗高动态信道环境。在现有的通信系统中，通常会有前导码、训练序列、同步序列的调制编码方式是固定或者接收端已知的，通过解调这些域可以得到帧控制域、帧载荷域的调制编码方式等信息，从而完成载荷的解调。

在帧结构中，从前到后，各个域的抗干扰性能是递减的。为了保证最重要的载荷域能够被正确解调，位于帧起始端的携带帧载荷域相关信息的域会始终采用最鲁棒的调制编码方式，以较低的编码效率携带少量重要信息。

在扩频通信系统中，主要通过不同的扩频序列来调整传输速率和抗干扰能力，因此携带帧载荷域调制编码信息的方式有两种。一种是固定采用最鲁棒的扩频序列，即最长的扩频序列，而用不同的码元序列表示不同的帧载荷域。另一种是采用固定的码元序列，而用不同的扩频序列去调制，结合信道质量指示信息，发端可以始终使用最短的控制域。更精简地，可以将控制域和同步序列的功能合并，只保留一个同步序列来承担帧同步和帧控制功能。

若扩频通信系统中，控制域采用不同的扩频序列，就需要在同时给出扩频因子和域起始位置的估计值。

在相关运算中，一般通过非相干累加和相干累加来提高相关运算的增益。非相干累加的增益低于相干累加，因为平方后再累加噪声能量也会被增强。而有效相干累加对于相同位置上的各数据的相位偏差要求非常严格，特别是在低信噪比下，但频偏估计误差通常难以避免，因此无法对接收数据直接使用相干累加。通过差分共轭虽然可以消除相邻符号间的相位偏差但是会引入额外的噪声，导致灵敏度下降。

需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于对本申请的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本发明的主要目的在于克服上述背景技术的缺陷，提供一种扩频信号接收机同步方法和装置。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种扩频通信接收机同步方法，包括以下步骤：根据发端提供的已知信息，确定同步序列可能的扩频因子集合，并将本地扩频因子初始化为集合中最小值；根据前级模块给出的符号同步位置，取一个符号长度的数据与本地序列一起进行部分匹配滤波；对滤波结果进行能量归一化，然后通过FFT变换到频域；将多个符号的频域结果对位累加求平均，搜索最大能量值作为相关峰值；对相关峰值进行双门限判决。

进一步地：

所述方法具体包括以下步骤：

1)根据发端提供的已知信息，确定同步序列可能的扩频因子集合sf_arr＝(sf0,sf1,…,sfS)，并将本地序列的扩频因子sfLoc初始化为其中最小的扩频因子sf0；对应的符号长度为sfLoc_slen，其中sfLoc_slen是sfLoc的整数倍；

2)前级模块给出的符号同步位置tpos为第Pn个前导码符号边界，以tpos+t为起始位置，取sfLoc对应符号长度的数据与对应的本地序列sfLoc_seq进行K段匹配滤波，其中每个分段匹配滤波长度为M，得到K个滤波输出值；K和M均为正整数且K*M＝sfLoc_slen；t的取值为0,1,...,wlen-1，wlen为开窗长度；

3)对K个滤波输出结果进行能量归一化，得到K个归一化滤波输出值；对归一化后的滤波输出值通过K点FFT变换到频域；

4)对sn个相邻的长度为sfLoc_slen的数据段执行步骤2)至3)，将各个频域结果执行相干累加；其中，将各频域结果在相同位置上的数据累加并求均值；对均值序列中每个数据分别求平方，并搜索最大值，作为sf在t时刻的相关峰值；

5)双门限判决，若sfLoc在t时刻的相关峰值不低于预设门限一，则判定同步成功并退出同步搜索；若该相关峰值低于预设门限一，但不低于预设门限二，则在当前t时刻继续搜索其它更大的扩频因子；然后选择多个扩频因子中相关峰值最大且不低于预设门限二的作为接收数据的扩频因子估计值；若当前t时刻同步成功，则同步位置为tpos+t；

6)若当前t时刻所有扩频因子的相关峰值都未通过同步判决，则在下一时刻执行步骤1)至步骤5)，直到同步成功或者超时退出。

进一步地，利用三角函数进行能量归一化，只保留原始数据的相位信息。

进一步地，将FFT输入输出的最大能量限制为1。

进一步地，所述开窗长度wlen取决于前级模块给出的符号同步位置tpos的精度tpos_offset，wlen＝2*tpos_offset+1。

进一步地，FFT点数K或分段匹配滤波长度M的配置满足

其中f_s为采样率，Δf为待同步数据的残留频偏。

进一步地，在FFT点数K＝sf_slen/M足够小的情况下，多种扩频因子复用FFT模块。

一种扩频通信接收机同步装置，包括：

处理器；

计算机可读存储介质；

其中，所述计算机可读存储介质存储的计算机程序由所述处理器运行时，实现所述的扩频通信接收机同步方法。

本发明具有如下有益效果：

本发明提出了一种扩频通信接收机同步方法，可以同时完成同步位置以及扩频因子的搜索，同时给出扩频因子和同步位置的估计值。并且，在有频偏残留的情况下，实现了频域相干累加，通过频域相干累加提高了相关运算的增益，提高了抗噪声性能，可以达到较高的灵敏度。

本发明的同步方法与以往的技术相比有以下优点：

1)支持更灵活的帧结构，可以始终使用最简短的控制域；

2)在有频偏残留的情况下，通过频域相干累加提高了相关增益。

附图说明

图1为本发明实施例的同步流程图；

图2为本发明实施例中不同本地扩频因子时接收符号缓存示意图。

具体实施方式

以下对本发明的实施方式做详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

此外，术语“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一个或者更多该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

参阅图1，本发明实施例提供一种扩频通信接收机同步方法，包括以下步骤：S1、根据发端提供的已知信息，确定同步序列可能的扩频因子集合，并将本地扩频因子sfLoc初始化为集合中最小值；S2、根据前级模块给出的符号同步位置，取一个符号长度的数据与本地序列一起进行部分匹配滤波；S3、对滤波结果进行能量归一化，然后通过FFT变换到频域；S4、将多个符号执行步骤S2至S3得到的频域结果对位累加求平均，搜索最大能量值作为相关峰值；S5、对相关峰值进行双门限判决；S5、若当前时刻相关结果的同步判决通过，则退出同步搜索，否则，在下一个时刻继续执行前面的步骤，直到同步成功或者超时退出。

在一些实施例中，该方法具体包括以下步骤：

1)根据发端提供的已知信息，确定同步序列可能的扩频因子集合sf_arr＝(sf0,sf1,…,sfS)，并将本地序列的扩频因子sfLoc初始化为其中最小的扩频因子sf0；对应的符号长度为sfLoc_slen，其中sfLoc_slen是sfLoc的整数倍；待同步序列的扩频因子sf是不确定的，但知道其取值范围为sf_slen＝(sf0_slen,sf1_slen,…)及其对应的扩频序列。

2)前级模块给出的符号同步位置tpos为第Pn个前导码符号边界，以tpos+t为起始位置，取sfLoc对应符号长度的数据与对应的本地序列sfLoc_seq进行K段匹配滤波，其中每个分段匹配滤波长度为M，得到K个滤波输出值；K和M均为正整数且K*M＝sfLoc_slen；t的取值为0,1,...,wlen-1，wlen为开窗长度。

开窗长度wlen取决于前级模块给出的符号同步位置tpos的精度tpos_offset，wlen＝2*tpos_offset+1。

3)对K个滤波输出结果进行能量归一化，得到K个归一化滤波输出值；对归一化后的滤波输出值通过K点FFT变换到频域。较佳地，可利用三角函数进行能量归一化，只保留原始数据的相位信息，削弱加性噪声的影响。较佳地，将FFT输入输出的最大能量限制为1，可以在高动态范围下使用统一门限判决，简化了同步判决机制。

4)对sn个相邻的长度为sfLoc_slen的数据段执行步骤2)至3)，将各个频域结果执行相干累加；具体为，将各频域结果在相同位置上的数据累加并求均值；对均值序列中每个数据分别求平方，并搜索最大值，作为sf在t时刻的相关峰值。

5)双门限判决，若sfLoc在t时刻的相关峰值不低于预设门限一，则判定同步成功并退出同步搜索；若该相关峰值低于预设门限一，但不低于预设门限二，则在当前时刻继续搜索其它更大的扩频因子；然后选择多个扩频因子中相关峰值最大且不低于预设门限二的作为接收数据的扩频因子估计值；若当前t时刻同步成功，则同步位置为tpos+t。

6)若当前t时刻所有扩频因子的相关峰值都未通过同步判决，则在下一时刻执行步骤1)至步骤5)，直到同步成功或者超时退出。

相干累加次数sn可以灵活配置，sn越大相干增益越大，sn越小同步搜索时间越短。

FFT点数K或分段匹配滤波长度M可以灵活配置；满足

其中f_s为采样率，Δf为待同步数据的残留频偏。优选地，若残留频偏Δf足够小，则大扩频因子下的分段匹配滤波长度M可以更大，即FFT点数K＝sf_slen/M可以足够小，即多种扩频因子下可以复用FFT模块，减少资源占用。

以下进一步描述本发明的具体实施例。

(1)计算当前时刻的相关峰值

当扩频信号在频偏信道下传输时，可以等效于乘上了载波

即频偏为Δf。此时接收数据可表示为

其中.^*表示一一对位相乘；c_n为周期为sf0_slen的扩频序列，合法值为+/-1；n表示采样点序号，n＝tpos+0,tpos+1,tpos+2,…；tpos为前级模块给出的符号同步位置；fs为采样频率；N为加性高斯白噪声，服从N(0,σ²)分布。

(1.1)部分匹配滤波

部分匹配滤波将长度为sf0_slen的序列划分为K个长度为M的部分匹配滤波。在接收序列r和本地扩频序列c完全对齐时，对应第k段内的采样点r_n,c_n,(k*M+1≤n≤(k+1)*M)的积分可以表示为

其中k＝0,1,…,K-1，n＝0,1,…,N-1。

式中K和M在不同扩频因子下可以不同。特别的，频偏足够小，在不同扩频因子下M可以不同而K相同。

式(2)中第一项可以看做一个幅度函数为

相位函数为

的复指数信号。可以看到，分段积分长度M固定时，幅度函数是关于频偏Δf的函数。

(1.2)能量归一化

第二项随机噪声与扩频码相关性较低，因此结果仍为随机噪声。在高动态信噪比环境下，噪声的幅度变化较大，导致pmf_k以及后续FFT输出数据的幅度区间较大，无法使用统一门限判决。因此本方法中使用三角函数对pmf_k进行归一化。

phai_k＝angle(pmf_k) (3)

norm_pmf_k＝cos(phai_k)+j*sin(phai_k) (4)

式(3)表示对复数pmf_k求相位，式(4)则通过正余弦函数得到能量为1的归一化复数。归一化后，pmf_k的幅度信息已被抹去，只剩下相位信息。FFT输出最大能量值为1。

最后对归一化后的序列norm_pmf_k，k＝0,1,…,K-1进行FFT变换，作为当前符号的归一化相关结果。

fft_sym0＝fft(norm_pmf) (5)

其中norm_pmf＝(norm_pmf₀,norm_pmf₁,…,norm_pmf_K-1)。

(1.3)相干累加

继续对后续符号计算归一化相关结果，得到fft_sym0,fft_sym1,...,fft_symS，并将多个符号的对相关结果对位累加并求均值，得到长度为K的均值序列fft_coh作为相干累加结果。

(2)当前时刻同步结果判决

对当前n时刻下，扩频因子sf0的相干累加结果搜索最大能量值作为相关峰值。

peakVal(sf0,n)＝max{abs(fft_coh)} (6)

若peakVal(sf0,n)不低于门限peakThr1，则判决同步成功，扩频因子估计值为sf0，同步位置估计值为n。

若peakVal(sf0,n)低于门限peakThr1但不低于门限peakThr2，则对其它更大的扩频因子继续执行步骤(1.1)至(1.3)。选择当前时刻下所有扩频因子中相关峰值最大且不低于门限peakThr2的作为同步峰值，该扩频因子则为待同步序列的扩频因子估计值，同步位置估计值为当前时刻n，判决同步成功。

(3)滑动搜索

若当前n时刻所有扩频因子的相关峰值都未通过同步判决，则在下一个时刻继续步骤(1)至(2)，直到同步成功或者超时退出。

本发明的背景部分可以包含关于本发明的问题或环境的背景信息，而不一定是描述现有技术。因此，在背景技术部分中包含的内容并不是申请人对现有技术的承认。

以上内容是结合具体/优选的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普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。在本说明书的描述中，参考术语“一种实施例”、“一些实施例”、“优选实施例”、“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。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。尽管已经详细描述了本发明的实施例及其优点，但应当理解，在不脱离专利申请的保护范围的情况下，可以在本文中进行各种改变、替换和变更。

Claims (8)

1.一种扩频通信接收机同步方法，其特征在于，包括以下步骤：根据发端提供的已知信息，确定同步序列可能的扩频因子集合，并将本地扩频因子初始化为集合中最小值；根据前级模块给出的符号同步位置，取一个符号长度的数据与本地序列一起进行部分匹配滤波；对滤波结果进行能量归一化，然后通过FFT变换到频域；将多个符号的频域结果对位累加求平均，搜索最大能量值作为相关峰值；对相关峰值进行双门限判决；若当前时刻相关结果的同步判决通过，则退出同步搜索，否则，在下一个时刻继续执行前面的步骤，直到同步成功或者超时退出。

2.如权利要求1所述的扩频通信接收机同步方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

1)根据发端提供的已知信息，确定同步序列可能的扩频因子集合sf_arr＝(sf0,sf1,…,sfS)，并将本地序列的扩频因子sfLoc初始化为其中最小的扩频因子sf0；对应的符号长度为sfLoc_slen，其中sfLoc_slen是sfLoc的整数倍；

2)前级模块给出的符号同步位置tpos为第Pn个前导码符号边界，以tpos+t为起始位置，取sfLoc对应符号长度的数据与对应的本地序列sfLoc_seq进行K段匹配滤波，其中每个分段匹配滤波长度为M，得到K个滤波输出值；K和M均为正整数且K*M＝sfLoc_slen；t的取值为0,1,...,wlen-1，wlen为开窗长度；

3)对K个滤波输出结果进行能量归一化，得到K个归一化滤波输出值；对归一化后的滤波输出值通过K点FFT变换到频域；

4)对sn个相邻的长度为sfLoc_slen的数据段执行步骤2)至3)，将各个频域结果执行相干累加；其中，将各频域结果在相同位置上的数据累加并求均值；对均值序列中每个数据分别求平方，并搜索最大值，作为sf在t时刻的相关峰值；

5)双门限判决，若sfLoc在t时刻的相关峰值不低于预设门限一，则判定同步成功并退出同步搜索；若该相关峰值低于预设门限一，但不低于预设门限二，则在当前t时刻继续搜索其它更大的扩频因子；然后选择多个扩频因子中相关峰值最大且不低于预设门限二的作为接收数据的扩频因子估计值；若当前t时刻同步成功，则同步位置为tpos+t；

6)若当前t时刻所有扩频因子的相关峰值都未通过同步判决，则在下一时刻执行步骤1)至步骤5)，直到同步成功或者超时退出。

3.如权利要求1或2所述的扩频通信接收机同步方法，其特征在于，利用三角函数进行能量归一化，只保留原始数据的相位信息。

4.如权利要求1至3任一项所述的扩频通信接收机同步方法，其特征在于，将FFT输入输出的最大能量限制为1。

5.如权利要求1至4任一项所述的扩频通信接收机同步方法，其特征在于，所述开窗长度wlen取决于前级模块给出的符号同步位置tpos的精度tpos_offset，wlen＝2*tpos_offset+1。

6.如权利要求1至5任一项所述的扩频通信接收机同步方法，其特征在于，FFT点数K或分段匹配滤波长度M的配置满足

其中f_s为采样率，Δf为待同步数据的残留频偏。

7.如权利要求6所述的扩频通信接收机同步方法，其特征在于，在FFT点数K＝sf_slen/M足够小的情况下，多种扩频因子复用FFT模块。

8.一种扩频通信接收机同步装置，其特征在于，包括：

处理器；

计算机可读存储介质；

其中，所述计算机可读存储介质存储的计算机程序由所述处理器运行时，实现如权利要求1至7任一项所述的扩频通信接收机同步方法。

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