CN115037328B - 用于同步的前导序列的发送方法、发送装置、终端 - Google Patents

用于同步的前导序列的发送方法、发送装置、终端 Download PDF

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CN115037328B CN202210609799.9A CN202210609799A CN115037328B CN 115037328 B CN115037328 B CN 115037328B CN 202210609799 A CN202210609799 A CN 202210609799A CN 115037328 B CN115037328 B CN 115037328B
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Abstract

本发明公开了一种用于同步的前导序列的发送方法、发送装置、终端。该发送方法包括：设置用于组成前导序列的线性调频信号及其初始频率的集合；设置前导序列的传输符号序列，从而将前导序列分为四个前导序列分组，每个前导序列分组包含一或多个线性调频信号，第一分组、第二分组和第三分组用于信号的捕获跟踪与同步，第四分组用于定时误差和多普勒偏移的估计；设置前导序列的频率结构为升频结构或降频结构；将前导序列通过射频发送。本发明利用线性调频信号作为前导序列，并通过合理设置前导序列中包含的线性调频信号的频率分布及升降频结构，使得接收端可以根据频率分布和升降频结构来进行定时点调整和频偏补偿，从而提升用于同步的前导序列的性能。

Description

用于同步的前导序列的发送方法、发送装置、终端
技术领域
本发明涉及通信领域，尤其涉及一种用于同步的前导序列的发送方法、发送装置、终端。
背景技术
线性调频(LFM)是一种不需要伪随机编码序列的扩展频谱调制技术。线性调频信号也称为鸟声(Chirp)信号，因为其频谱带宽落于可听范围，听着像鸟声，所以又称Chirp扩展频谱(CSS)技术。LFM技术在雷达、声纳技术中有广泛应用，例如，在雷达定位技术中，它可用来增大射频脉冲宽度、加大通信距离、提高平均发射功率，同时又保持足够的信号频谱宽度，不降低雷达的距离分辨率。
在通信中，为了使得双方能够同步通信，一般会在每次通信之前发送前导信号，该信号中没有携带通信数据，只是用于通信双方协商确认本次通信开始的时间，这种方式又称作初始捕获跟踪。当通信载体在高速运动，尤其是存在很大加速度的情形下，导致信号载波频率发生很高动态的多普勒频偏，从而导致接收信号不同步，产生误码率。该多普勒频偏也会发生在基于线性调频信号的初始捕获跟踪中，从而导致初始捕获跟踪产生误差。
发明内容
本发明提供一种用于同步的前导序列的发送方法、发送装置、终端，旨在解决高动态情况下通信双方在进行初始捕获跟踪时产生的多普勒频偏问题，提升初始捕获跟踪的性能。所述技术方案为：
一方面，本发明提供了一种用于同步的前导序列的发送方法，该方法包括以下步骤：
S101：设置用于组成前导序列的线性调频信号及其初始频率的集合；
S102：设置前导序列的传输符号序列；
其中，将前导序列的传输符号序列分为四个符号分组，分别为第一符号分组、第二符号分组、第三符号分组和第四符号分组，每个符号分组内部的传输符号取值相同；
对应地，符号分组将前导序列分为四个前导序列分组，分别为第一分组、第二分组、第三分组和第四分组，每个前导序列分组中的线性调频信号的传输符号取值相同，第一分组、第二分组和第三分组用于信号的捕获跟踪与同步，第四分组用于定时误差和多普勒频偏的估计；
S103：设置前导序列的频率结构为升频结构或降频结构；
S104：根据传输符号序列和初始频率的集合确定选取的线性调频信号的初始频率，根据初始频率和频率结构确定选取的线性调频信号，将选取的线性调频信号按顺序组成前导序列；
S105：将前导序列通过射频发送。
进一步地，步骤S101包括以下步骤：
S1011：设置线性调频信号；
S1012：计算线性调频信号的初始频率的集合；
步骤S1011中线性调频信号为：
Figure GDA0003793782790000021
其中，B为信号带宽，f∈[-B/2,B/2]为信号的初始频率，
Figure GDA0003793782790000022
为信号的翻折时刻，Ts为符号持续时间，时间带宽积为BTs＝N，N取值为2的指数幂，xs(t,f)为升频信号，xs(t,f)的共轭/>
Figure GDA0003793782790000023
为降频信号；
步骤S1012中初始频率的集合为：
Figure GDA0003793782790000024
其中，
Figure GDA0003793782790000025
为可设置的变量，K为每个初始频率对应的传输符号，在变量fr确定的情况下，通过设置传输符号K，从而唯一地确定初始频率。
进一步地，步骤S102还包括：
传输符号序列
Figure GDA0003793782790000026
中的第i个传输符号ai为：
Figure GDA0003793782790000027
其中，i≥1，k0，k1，k2，k3是传输符号取值，k0,k1,k2,k3∈{0,1,2,…,N-1}，k0≠k1≠k2，m0和m1为正整数且m0,m1≥3。
进一步地，步骤S102还包括：第四分组中最后一个线性调频信号的符号持续时间小于或等于Ts。
进一步地，步骤S103还包括：
若前导序列为升频结构，则将第一分组、第二分组和第三分组的线性调频信号设置为升频信号，将第四分组的线性调频信号设置为降频信号，
若前导序列为降频结构，则将第一分组、第二分组和第三分组的线性调频信号设置为降频信号，将第四分组的线性调频信号设置为升频信号。
进一步地，步骤S104还包括：选取的线性调频信号的初始频率为
Figure GDA0003793782790000028
进一步地，步骤S104还包括：
若前导序列为升频结构，在奈奎斯特采样率下第i个选取的线性调频信号为：
Figure GDA0003793782790000031
其中fi为线性调频信号的初始频率，获得的升频结构的前导序列为
Figure GDA0003793782790000032
其中Ti为线性调频信号的符号持续时间，
若前导序列为降频结构，在奈奎斯特采样率下第i个选取的线性调频信号为：
Figure GDA0003793782790000033
获得的降频结构的前导序列为：
Figure GDA0003793782790000034
进一步地，步骤S105还包括：
前导序列为
Figure GDA0003793782790000035
其中，d是所述前导序列的频率结构的取值，d＝0时，st(n)是升频结构的前导序列，d≠0时，st(n)是降频结构的前导序列；在发送前导序列st(n)之前，将前导序列st(n)经过DA转换后通过天线发送，或者经过DA转换后再进行上变频，最后通过天线发送。
另一方面，本发明提供一种用于同步的前导序列的发送装置，包括：频率产生模块，分组设置模块，前导序列产生模块，发送模块；
频率产生模块根据可用的线性调频信号进行计算，获得线性调频信号的初始频率的集合；
分组设置模块将前导序列进行分组参数设置，包括设置前导序列对应的传输符号序列，设置前导序列的频率结构；传输符号序列包括第一符号分组、第二符号分组、第三符号分组和第四符号分组，传输符号序列
Figure GDA0003793782790000036
中的第i个符号ai为：
Figure GDA0003793782790000037
其中，i≥1，k0，k1，k2，k3是传输符号取值，k0,k1,k2,k3∈{0,1,2,…,N-1}，k0≠k1≠k2，m0和m1为正整数且m0,m1≥3；
频率结构包括升频结构和降频结构；
前导序列产生模块根据传输符号序列和初始频率的集合确定选取的线性调频信号的初始频率，根据初始频率和频率结构确定选取的线性调频信号，将选取的线性调频信号按顺序组合，获得前导序列，输出至发送模块；
发送模块将前导序列产生模块输出的前导序列通过射频发送。
再一方面，本发明提供一种终端，包括以上的用于同步的前导序列的发送装置。
本发明的有益效果是：利用本发明方案，利用线性调频信号作为前导序列，并通过合理设置前导序列中包含的线性调频信号的频率分布及升降频结构，使得接收端可以根据频率分布和升降频结构来进行定时点调整和频偏补偿，从而提升用于同步的前导序列的性能。
附图说明
图1为本发明用于同步的前导序列的发送方法一实施例的流程图；
图2为图1的子流程图；
图3为本发明初始捕获跟踪的接收方法一实施例的流程图；
图4为图3的子流程图；
图5为本发明用于同步的前导序列的发送装置一实施例的结构示意图；
图6为本发明初始捕获跟踪的接收装置一实施例的结构示意图；
图7为图6中检测模块一实施例的结构示意图；
图8为本发明线性调频信号一实施例的实部波形图；
图9为本发明线性调频信号一实施例的虚部波形图；
图10为本发明升频结构的前导序列一实施例的结构示意图；
图11为本发明降频结构的前导序列一实施例的结构示意图；
图12为本发明一实施例的性能仿真示意图；
图13为本发明检测模块的工作流程示意图；
图14为图13的进一步细化流程示意图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
需要说明的是，除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体地实施例的目的，不是用于限制本发明。
实施例一
如图1、图2所示，一方面，本发明提供一种用于同步的前导序列的发送方法，该方法利用线性调频信号作为前导序列，并通过合理设置前导序列中包含的线性调频信号的频率分布及升降频结构，来提升用于同步的前导序列的性能。
参考图1中所示，用于同步的前导序列的发送方法包括以下步骤：
S101：设置用于组成前导序列的线性调频信号及其初始频率的集合；
S102：设置前导序列的传输符号序列；
S103：设置前导序列的频率结构为升频结构或降频结构；
S104：根据传输符号序列和初始频率的集合确定选取的线性调频信号的初始频率，根据初始频率和频率结构确定选取的线性调频信号，将选取的线性调频信号按顺序组成前导序列；
S105：将前导序列通过射频发送。
具体地，前导序列就是包含若干线性调频信号的序列，不同的线性调频信号以及排列组合，都会对最终的初始捕获跟踪效果产生影响。因此，前导序列的设置是本发明方案的关键。
进一步地，步骤S102包括：将前导序列的传输符号序列分为四个符号分组，分别为第一符号分组、第二符号分组、第三符号分组和第四符号分组，每个符号分组内部的传输符号取值相同；对应地，符号分组将前导序列分为四个前导序列分组，分别为第一分组、第二分组、第三分组和第四分组，每个前导序列分组中的线性调频信号的传输符号取值相同，第一分组、第二分组和第三分组用于信号的捕获跟踪与同步，第四分组用于定时误差和多普勒频偏的估计。
进一步地，如图2所示，步骤S101还包括：
S1011：设置所述线性调频信号；S1012：计算所述线性调频信号的初始频率的集合；
具体地，用于生成前导序列的线性调频信号为：
Figure GDA0003793782790000051
其中，B为信号带宽，f∈[-B/2,B/2]为信号的初始频率，
Figure GDA0003793782790000052
为信号的翻折时刻，Ts为符号持续时间，时间带宽积BTs＝N，N一般取2的指数幂，xs(t,f)为升频信号，xs(t,f)的共轭/>
Figure GDA0003793782790000056
为降频信号。
具体地，参考图8和图9，图8为上述线性调频信号的一实施例的实部波形图，图9为上述线性调频信号的一实施例的虚部波形图。从图中可以看出，当到达0.125ms时刻，则会进行频率翻折，则该实施例中的Tf＝0.125。
进一步地，例如对于上述的线性调频信号，各参数取值可以为：B＝1MHz，Ts＝0.512ms，则通过BTs＝N可以计算得到N＝512，初始频率f∈[-0.5，0.5]；
若选取初始频率f＝0.5MHz，则对应的频率翻折时刻tf＝0.5*0.512ms＝0.256ms
若选取初始频率f＝0.25MHz，则对应的频率翻折时刻tf＝0.75*0.512ms＝0.384ms
进一步地，线性调频信号的初始频率的集合为：
Figure GDA0003793782790000053
其中，/>
Figure GDA0003793782790000054
为可设置的变量，通常取fr＝0，为每个初始频率对应的传输符号，在变量fr确定的情况下，通过设置传输符号K，从而唯一地确定初始频率。
进一步地，步骤S102还包括：进一步地，使用传输符号K来设置所述频率分布，第一分组包含m0个对应传输符号取值k0的线性调频信号，第二分组包含一个对应传输符号取值k1的线性调频信号，第三分组包含一个传输符号取值k2的线性调频信号，第四分组包含m1个传输符号取值k3的线性调频信号，用序列
Figure GDA0003793782790000055
表示前导序列中每个线性调频信号对应的传输符号K，A中第i个元素ai为：
Figure GDA0003793782790000061
其中i≥1，k0，k1，k2，k3是传输符号取值，k0,k1,k2,k3∈{0,1,2,…,N-1}，k0≠k1≠k2，m0和m1为正整数且m0,m1≥3。优选地，k0＝k3＝0。
进一步地，步骤S102还包括：第四分组中最后一个线性调频信号的持续时间小于等于Ts，这样设置可以进一步确保在频偏场景下符号采样的完整性，以及提升定时准确性，方便硬件实现。
具体地，设第i个线性调频信号的持续时间为
Figure GDA0003793782790000062
则
Figure GDA0003793782790000063
其中
Figure GDA0003793782790000064
优选地，取/>
Figure GDA0003793782790000065
进一步地，步骤S103还包括：若前导序列为升频结构，则将第一分组、第二分组和第三分组的线性调频信号设置为升频信号，将第四分组的线性调频信号设置为降频信号，若前导序列为降频结构，则将第一分组、第二分组和第三分组的线性调频信号设置为降频信号，将第四分组的线性调频信号设置为升频信号。
进一步地，步骤S104还包括：前导序列中第i个线性调频信号对应初始频率fi为
Figure GDA0003793782790000066
进一步地，对于步骤S104，还包括以下步骤：若前导序列为升频结构，在奈奎斯特采样率下第i个选取的线性调频信号为：
Figure GDA0003793782790000067
获得的升频结构的前导序列为
Figure GDA0003793782790000068
若前导序列为降频结构，在奈奎斯特采样率下第i个选取的线性调频信号为：
Figure GDA0003793782790000069
获得的降频结构的前导序列为
Figure GDA00037937827900000610
具体地，参考10、图11，图10是在奈奎斯特采样率下的升频结构的前导序列，图11是在奈奎斯特采样率下的降频结构的前导序列，其中前导序列的参数对应设置为：m0＝3，m1＝3，k0＝0，k1＝50，k2＝100，k3＝0，N＝256，
Figure GDA0003793782790000071
进一步地，对于步骤S105，还包括：前导序列为：
Figure GDA0003793782790000072
d＝0时，st(n)是升频结构的前导序列；d≠0时，st(n)是降频结构的前导序列，在发送所述前导序列st(n)之前，将所述前导序列st(n)经过必要的操作，例如DA转换，上变频等，最终通过天线发送。
DA转换是指数模转换，将数字信号转换为模拟信号。在高频电子线路中，常常需要将信号的频谱进行线性搬移，即频谱结构不变，各个频率分量的相对幅度无变化、频率分量无增减，只是在频率轴上的平行移动。上变频就是这样一种将输入信号频率向更高频率平移的转换，这种频谱搬移不仅有利于提高设备的性能，而且能够适应许多应用系统，比如广播系统、电视系统、移动通信系统等。
实施例二
另一方面，本发明提供一种初始捕获跟踪的接收方法，该方法检测发送端发过来的包含若干线性调频信号的前导序列，根据前导序列中包含的线性调频信号的频率分布及升降频结构，采用多个事件进行捕获及定时调整，并进行频偏补偿，从而提升在高动态下的初始捕获跟踪的准确性和性能。
请参考图3，初始捕获跟踪的接收方法包括以下步骤：
S201：接收前导序列信号，并对前导序列信号进行采样获得采样信号；
S202：在每个符号持续时间内对采样信号按顺序进行事件和状态检测；
S203：根据事件和状态，获得用于下次检测的定时调整因子和频偏补偿因子；
S204：判断是否完成所有采样信号的相关检测，当判断结果为否，则再次执行步骤S202至S203，当判断结果为是，则根据事件和状态计算多普勒频偏和定时误差。
进一步地，步骤S201包括：对所述前导序列信号进行奈奎斯特采样，获得采样信号如下：
Figure GDA0003793782790000073
其中，kt为定时误差，h(n)是信道增益，fd(n)是多普勒频偏，B是信号带宽，
Figure GDA0003793782790000074
是传输过程中的相位变化，w(n)是接收机噪声，st(n，d)是前导序列信号，d是前导序列的频率结构的取值，对于d的取值具体参考实施例一。
进一步地，参考图4，步骤S202中在所述相关检测之前还包括：
S2021：根据定时调整因子调整检测的起始点；
S2022：根据频偏补偿因子对所述采样信号进行频偏补偿；
进一步地，步骤S2021包括：在检测过程中，以符号持续时间Ts为检测单元检测，即连续N个点做一次检测处理。设第i次检测时(i≥1)，从采样信号y(n-kt)中截取长度为N的一段信号y′i(n)：
Figure GDA0003793782790000075
N为一个符号持续时间内的所述采样信号的个数，
其中，
Figure GDA0003793782790000076
为定时调整因子，通过/>
Figure GDA0003793782790000077
调整检测的定时点。/>
Figure GDA0003793782790000078
的值与检测阶段有关，第一次检测时取初值/>
Figure GDA0003793782790000079
进一步地，步骤S2022包括：设第i次检测时的频偏补偿因子为fi e，其值与检测状态有关，第1次检测时取初值f1 e＝0。补偿后的结果为
Figure GDA00037937827900000711
进一步地，参考图4，步骤S202中的相关检测还包括：S2023：对采样信号y″i(n)做相关检测；
将其与本地序列
Figure GDA0003793782790000081
相乘，对相乘的结果做快速傅里叶变换，记傅里叶变换后的结果为di(n)：
Figure GDA0003793782790000082
其中/>
Figure GDA0003793782790000083
与检测阶段有关，第一次检测时/>
Figure GDA0003793782790000084
取值为：
Figure GDA0003793782790000085
设di(n)的模值为Pi(n)：/>
Figure GDA0003793782790000086
设模值Pi(n)的峰值点对应的索引为ni *：
Figure GDA0003793782790000087
ni *∈{0,1,2,...,N-1}，
其中，峰值点模值Pi(ni *)为
Figure GDA0003793782790000088
设检测门限为P0，若y″i(n)与本地序列
Figure GDA0003793782790000089
相关性较强，则峰值点的模值Pi(ni *)更容易超过检测门限P0。若峰值点模值Pi(ni *)大于检测门限值，则认为检测到信号。
进一步地，步骤S202中所述的状态包括：第一状态state0，第二状态state1，第三状态state2和第四状态state3，分别对应实施例一种所述的前导序列的第一分组part0、第二分组part1、第三分组part2和第四分组part3。初始状态为第一状态state0，当检测到第二分组part1时，进入第二状态state1，当检测到第三分组part2时，进入第三状态state2，当检测到第四分组part3时，进入第四状态state3。
参考实施例一，一个典型的前导序列对应的传输符号序列为：
Figure GDA00037937827900000810
该传输符号序列对应于前导序列的第一至第四分组。例如，第一分组part0的符号为k0，第二分组part1的符号为k1。
进一步地，步骤S202中所述的事件包括：事件F1 i至
Figure GDA00037937827900000812
一共13种事件，每次检测时都要判断检测的结果是否满足这些事件，从而结合上述的状态来计算和确定下一次检测的相关参数和状态，以下详细介绍每个事件的具体含义。
事件F1 i是指检测到信号，具体地，是当峰值点模值Pi(ni *)大于检测门限值时，事件F1 i为：F1 i:
Figure GDA00037937827900000815
进一步地，事件
Figure GDA00037937827900000816
和/>
Figure GDA00037937827900000817
是指检测到符号k0，k1，k2对应的索引p0，p1，p2。具体地，前导序列的前三部分对应不同的符号，不同的符号在检测时对应不同的峰值点索引。设符号kj∈{k0,k1,k2}对应的索引值为pj，则有
Figure GDA00037937827900000818
分别设第i次检测时检测到符号k0，k1，k2对应的索引p0，p1，p2为事件/>
Figure GDA00037937827900000819
和/>
Figure GDA00037937827900000820
Figure GDA00037937827900000821
ni *∈{p0,p0±1,...,p0±Δ0}，/>
Figure GDA00037937827900000822
ni *∈{p1,p1±1,...,p1±Δ1}，/>
Figure GDA0003793782790000091
ni *∈{p2,p2±1,...,p2±Δ2}，其中Δ0，Δ1和Δ2为检测索引p0，p1，p2的误差，一般取Δ0≥0,Δ1≥0,Δ2≥0。
进一步地，事件
Figure GDA0003793782790000092
和/>
Figure GDA0003793782790000093
是指检测到符号k0，k1和k2。具体地，是否检测到符号kj由检测是否超过门限和峰值点的索引共同决定。如果第i次检测时Pi(ni *)>P0，且检测到符号kj对应的索引pj，则认为检测到符号kj。分别设第i次检测时检测到符号k0，k1和k2为事件
Figure GDA0003793782790000094
和/>
Figure GDA0003793782790000095
Figure GDA0003793782790000096
进一步地，事件
Figure GDA0003793782790000097
是指检测到突发帧。具体地，若第i次检测时满足F1 i-1∪F1 i＝1，即连续两次都超过检测门限，则认为检测到到突发帧。设第i次检测时检测到突发帧为事件
Figure GDA0003793782790000098
Figure GDA0003793782790000099
进一步地，事件
Figure GDA00037937827900000910
是指检测到part0。具体地，初始状态下处于state0，下一次检测处于哪一个检测状态由当前检测状态和检测结果决定。若第i次检测时满足/>
Figure GDA00037937827900000911
即检测到符号k0且上一次检测到突发帧，说明当前检测到part0，下一次进入state1。设第i次检测到part0为事件/>
Figure GDA00037937827900000912
Figure GDA00037937827900000913
进一步地，事件
Figure GDA00037937827900000914
是指检测到part1。具体地，若第i次检测时满足/>
Figure GDA00037937827900000915
即检测到符号k1且上一次检测到part0，说明当前检测到part1，那么下一次进入state2，否则回到state0重新判断。设第i次检测到part1为事件/>
Figure GDA00037937827900000916
Figure GDA00037937827900000917
进一步地，事件
Figure GDA00037937827900000918
是指检测到part2。具体地，若第i次检测满足/>
Figure GDA00037937827900000919
即检测到符号k2且上一次检测到part1，说明当前检测到part2，那么下一次进入state3，否则回到state0重新判断是否检测到part0。设第i次检测到part2为事件/>
Figure GDA00037937827900000920
Figure GDA00037937827900000921
进一步地，事件
Figure GDA00037937827900000922
是指检测到part3。具体地，part3由m1个对应符号k3的线性调频信号组成，state3状态至少要做m1-1次检测。若第i-1处于state2/>
Figure GDA00037937827900000923
或处于state3
Figure GDA00037937827900000924
则第i次检测处于state3，直到state3状态完成m1-1次检测，四个检测状态全部完成。设第i次检测处于state3为事件/>
Figure GDA00037937827900000925
Figure GDA00037937827900000926
或/>
Figure GDA00037937827900000927
进一步地，事件
Figure GDA00037937827900000928
是指第i次检测时处于state0。
进一步地，步骤S203中所述的定时调整因子的获得方法包括：
定时调整因子
Figure GDA00037937827900000929
与检测阶段有关。定时点的偏移和多普勒频偏的影响都可能使检测峰值点索引ni *偏离pj。在处于state0且检测到突发帧时，通过分析峰值点的索引/>
Figure GDA00037937827900000935
和p0的关系来改变下一次的定时调整因子，若调整后ni靠近p0，说明检测到的是part0。当处于state1，state2和state3时，定时调整因子/>
Figure GDA00037937827900000931
保持不变。
改变定时因子
Figure GDA00037937827900000932
就是调整检测的起始点，/>
Figure GDA00037937827900000933
为：
Figure GDA00037937827900000934
其中z(ni-1 *,p0)为：
Figure GDA0003793782790000101
进一步地，步骤S203中所述的频偏补偿因子的获得方法包括：多普勒频偏可以分为整数倍频偏和小数倍频偏，设多普勒频偏为fdop，fdop为：
Figure GDA0003793782790000102
其中kdop0∈{0,±1,±2,...}，kdop1∈[0,1)。/>
Figure GDA0003793782790000103
是/>
Figure GDA0003793782790000104
的整数倍，称/>
Figure GDA0003793782790000105
这部分为整数倍频偏，称/>
Figure GDA0003793782790000106
这部分为小数倍频偏。
进一步地，本发明提出两种小数倍频估计方法。方法一：利用第i-1次检测的峰值点模值
Figure GDA0003793782790000107
峰值点左侧最近点的模值/>
Figure GDA0003793782790000108
和峰值点右侧最近点的模值/>
Figure GDA0003793782790000109
来估计小数倍频偏，将估计出的频偏作为第i次检测前频偏补偿的一部分。设估计出的小数倍频偏为/>
Figure GDA00037937827900001010
Figure GDA00037937827900001011
的初始值取0，/>
Figure GDA00037937827900001012
如下所示
Figure GDA00037937827900001013
其中，
Figure GDA00037937827900001014
方法二：根据每次检测峰值点的索引ni *和p0的关系，确定在下一次检测前是否补偿确定的小数倍频偏，设小数倍频偏补偿为
Figure GDA00037937827900001015
Figure GDA00037937827900001016
如下所示：
Figure GDA00037937827900001017
其中w是一确定的常数。
优选地，两种小数倍频偏补偿方法只取其中的一种，且检测到part0时才补偿小数倍频偏。
进一步地，通过改变定时调整因子
Figure GDA00037937827900001018
使ni *尽可能靠近p0，然而存在较大的动态多普勒频偏时，ni *可能越来越远离p0，例如在某次检测时使/>
Figure GDA00037937827900001019
即认为没有检测到part0，而接下来的信号正好是part1，这会导致信号的丢失。
为了不丢失信号，在检测到part0时，通过频偏补偿因子fi e使ni *尽可能靠近p0，检测part1和part2时，同样通过频偏补偿因子fi e使ni *尽可能靠近p1和p0。
具体地，频偏补偿因子fi e如下所示：
Figure GDA0003793782790000111
/>
进一步地，步骤S204中的计算多普勒频偏和定时误差包括：在进入state3状态后，要进行m1-1次检测。具体地，将进入state3状态时检测的峰值点索引，用于估计调整检测起始点后的定时误差和残留的多普勒频偏。设第u-1次检测处于state2，第u次检测处于state3，分别设估计的定时误差和多普勒频偏为
Figure GDA0003793782790000112
和/>
Figure GDA0003793782790000113
Figure GDA0003793782790000114
其中u表示第u次检测，其中p3为/>
Figure GDA0003793782790000115
第四状态state3一共要检测m1-1次，设估计的定时误差和多普勒频偏的均值为
Figure GDA0003793782790000116
和/>
Figure GDA0003793782790000117
则
Figure GDA0003793782790000118
至此完成信号的捕获和同步。
进一步地，可参考图13和图14，图13显示了对前导序列进行检测的一个完整流程，图14是对图13的进一步细化。
实施例三
为了更直观地说明本发明的用于同步的前导序列的发送方法和初始捕获跟踪的接收方法，下面给出了包括发送端和接收端的实施例：
设带宽B＝125000Hz，N＝256，
Figure GDA0003793782790000119
N＝256，fr＝0，k0＝0，k1＝20k2＝35，k3＝0，m0＝4，m2＝3，/>
Figure GDA00037937827900001110
前导序列选择升频结构，即d＝0。索引p0，p1，p1的误差分别设为Δ0＝2，Δ1＝2，Δ2＝2，小数倍频偏估计选择实施例二中的小数倍频偏估计的方法一。
设存在余弦规律变化的多普勒sdop(t)，多普勒频偏为fd(t)：
Figure GDA00037937827900001111
其中fdmax是最大多普勒频偏，f′d是最大多普勒频偏变化率。sdop(t)可以如下所示：
Figure GDA00037937827900001112
设最大多普勒频偏fdamx＝25000Hz，设最大多普勒频偏变化率f′d＝300Hz/s，sdop(t)如下所示：
sdop(t)＝exp[j2π×25000cos(0.012t)t]，在以上条件下收发双方进行收发信号。
发送端：序列A中的元素ai为
Figure GDA0003793782790000121
序列中第i个元素ai对应的起始频率fi为：
Figure GDA0003793782790000122
在奈奎斯特采样率下，其对应线性调频信号为：
Figure GDA0003793782790000123
该前导序列对应的线性调频信号为：
Figure GDA0003793782790000124
st(n)经过必要的操作，例如模数变换，上变频等，通过天线发送。
接收端：在奈奎斯特采样后接收端接收的信号为：
Figure GDA0003793782790000125
其中，kt为定时误差，h(n)是信道增益，fd(n)是多普勒频偏，
Figure GDA0003793782790000126
是传输过程中的相位变化，w(n)是接收机噪声。在检测过程中，以符号持续时间/>
Figure GDA0003793782790000127
为检测单元检测，即连续的256点做一次检测处理。设第i次检测时(i≥1)，从y(n)中截取长度为256的一段信号y′i(n)为：
Figure GDA0003793782790000128
第i次频偏补偿因子fi e，补偿后第i个持续时间
Figure GDA0003793782790000129
为的信号为
Figure GDA00037937827900001210
本地序列/>
Figure GDA00037937827900001211
为：
Figure GDA00037937827900001212
检测门限P0为
Figure GDA00037937827900001213
符号k0,k1,k2对应的索引值分别为p0＝0，p1＝20，p2＝35，符号k3对应的为p3＝0，/>
初始时检测时处于state0状态。
假设第1次检测时，满足F1 1＝1，即检测到信号，则
Figure GDA0003793782790000131
假设第2次检测时，满足
Figure GDA0003793782790000132
即检测到突发帧，则/>
Figure GDA0003793782790000133
假设第3次检测时，满足
Figure GDA0003793782790000134
即检测到part0，下一次进入state1。此时估计出的小数倍频偏/>
Figure GDA0003793782790000135
则/>
Figure GDA0003793782790000136
假设第4次检测时，不满足
Figure GDA0003793782790000137
即没有检测到part1，回到state0。而
Figure GDA0003793782790000138
即检测到的仍为part0，下一次进入state1。此时估计出的小数倍频偏/>
Figure GDA0003793782790000139
则
Figure GDA00037937827900001310
假设第5次检测时，满足
Figure GDA00037937827900001311
即检测到part1，下一次进入state2。则
Figure GDA00037937827900001312
假设第6次检测时，满足
Figure GDA00037937827900001313
即检测到part2，下一次进入state3。则
Figure GDA00037937827900001314
假设第7次检测时，满足
Figure GDA00037937827900001315
即上一次检测到part2，则第7次，第8次检测时处于下一次进入state3，是对part3的检测。假设/>
Figure GDA00037937827900001316
则
Figure GDA00037937827900001317
Figure GDA00037937827900001318
Figure GDA00037937827900001319
Figure GDA00037937827900001320
估计的定时误差和多普勒频偏的均值
Figure GDA00037937827900001321
和/>
Figure GDA00037937827900001322
为
Figure GDA00037937827900001323
Figure GDA00037937827900001324
发送端一共发送11个线性调频信号，该前导序列持续的总时间为
Figure GDA00037937827900001325
在t∈[0,t0]这段时间内，fd(t)≈25000Hz。估计出的多普勒频偏/>
Figure GDA00037937827900001326
Figure GDA00037937827900001327
与fd(t)相差不大，此时将信号捕获同步成功。
实施例四
本实施例提供一种仿真测试，仿真结果展示了本发明的性能提升。
设实例三中最大多普勒频偏变化率f′d＝0，sdop(t)如下所示
sdop(t)＝exp[j2πfdmaxt]
即sdop(t)是频偏固定为fdmax的多普勒。
可用起始频率的最小频率间隔
Figure GDA00037937827900001328
若能检测到前导序列且估计出的多普勒频偏/>
Figure GDA00037937827900001329
则认为/>
Figure GDA0003793782790000141
在误差范围内，即估计的结果正确。
发送一帧信号有两种出错的可能：第一种是无法被检测到，第二种是被检测到而估计的结果不正确。
设发送ms帧信号，有ml帧无法检测到，有me帧估计的结果错误，则错误率Re可以如下所示
Figure GDA0003793782790000142
假设存在高斯白噪声，用matlab软件分别仿真f′d＝0，
Figure GDA0003793782790000143
发送帧数ms＝10000时，不同信噪比下的错误率。
仿真结果如图12所示，从图12中可以看出，错误率随着信噪比SNR的增大而减小；相同信噪比下，多普勒频偏fdmax的绝对值越大，错误率越大；绝对值相同的正多普勒和负多普勒的影响基本相同；不存在多普勒频偏，信噪比SNR＝-11.5dB时，错误率Re几乎为0％；多普勒频偏的绝对值越大，需要更大的信噪比错误率Re才会变为0。
实施例五
再一方面，请参考图5，本发明提供一种用于同步的前导序列的发送装置，包括：
该用于同步的前导序列的发送装置可实现实施例一的发送方法，生成前导序列并发送给接收装置进行初始捕获跟踪，接收装置的具体实现可参考实施例六。
具体地，该用于同步的前导序列的发送装置包括：频率产生模块，分组设置模块，前导序列产生模块，发送模块；
频率产生模块根据可用的线性调频信号进行计算，获得线性调频信号的初始频率的集合；
分组设置模块将前导序列进行分组参数设置，包括设置前导序列对应的传输符号序列的取值，设置前导序列的升降频结构的取值；传输符号序列包括第一符号分组、第二符号分组、第三符号分组和第四符号分组，每个符号分组内部的传输符号取值相同，传输符号序列
Figure GDA0003793782790000144
中的第i个符号(i≥1)ai如下所示：
Figure GDA0003793782790000145
其中，k0,k1,k2,k3∈{0,1,2,…,N-1}，k0≠k1≠k2，m0和m1为正整数且m0,m1≥3；
频率结构包括升频结构和降频结构；
前导序列产生模块根据传输符号序列和初始频率的集合确定选取的线性调频信号的初始频率，根据初始频率和升降频结构确定选取的线性调频信号，将选取的线性调频信号按顺序组合，获得前导序列，输出至发送模块；
发送模块将前导序列产生模块输出的前导序列通过射频发送。
对于以上各模块涉及的发送方法的相关具体流程，请参考前面的发送方法实施例，在此不再赘述。
实施例六
又一方面，请参考图6、图7，本发明提供一种初始捕获跟踪的接收装置，该初始捕获跟踪的接收装置能够实现实施例二的初始捕获跟踪的接收方法，接收包含前导序列的射频信号，进行检测和计算，完成初始捕获跟踪。
具体地，参考图6，初始捕获跟踪的接收装置包括：初始设置模块、采样模块、检测模块；
初始设置模块设置待接收的前导序列的相关参数，以供采样模块和检测模块进行初始化参数设置；该前导序列是与发送方发送的前导序列保持一致的，可以根据预先约定进行设置。
采样模块将接收的射频信号进行奈奎斯特采样，获取采样信号；
检测模块对采样信号在每个符号持续时间内进行检测，获得初始定时与频偏估计。
进一步地，参考图7，检测模块还包括：定时调整单元、相关检测单元、频偏补偿单元、控制单元、初始定时与频偏估计单元。
相关检测单元对采样信号进行相关检测；
控制单元根据相关检测结果产生事件和状态，设置下一次检测的初始状态，根据事件和状态判断是否完成所有采样信号的相关检测，若已完成则停止检测，若未完成则启动下一次检测；
定时调整单元根据事件和状态，计算下次检测的定时调整因子，并在下次检测时根据定时调整因子调整检测的起始点；
频偏补偿单元根据事件和状态，计算下次检测的频偏补偿因子，并在下次检测时根据频偏补偿因子对采样信号进行频偏补偿；
初始定时与频偏估计单元在完成对采样信号的相关检测后，根据检测结果计算定时误差和多普勒频偏的均值，完成初始捕获跟踪。
对于以上各模块涉及的初始捕获跟踪的接收方法的相关具体流程，请参考前面的初始捕获跟踪的接收方法实施例，在此不再赘述。
实施例七
又一方面，本发明提供一种终端，包括实施例五的用于同步的前导序列的发送装置和/或实施例六初始捕获跟踪的接收装置，两个终端之间可以通过实施例一的用于同步的前导序列的发送方法和实施例二的初始捕获跟踪的接收方法进行初始捕获跟踪，以确保在进行实际通信之前完成信号同步。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
通过本发明方案，可以显著改善多普勒漂移，提升高动态多普勒场景下的通信可靠性。

Claims (9)

1.一种用于同步的前导序列的发送方法，其特征在于，包括以下步骤：
S101：设置用于组成前导序列的线性调频信号及其初始频率的集合；
S102：设置所述前导序列的传输符号序列；
其中，将所述前导序列的传输符号序列分为四个符号分组，分别为第一符号分组、第二符号分组、第三符号分组和第四符号分组，每个所述符号分组内部的传输符号取值相同；
对应地，所述符号分组将所述前导序列分为四个前导序列分组，分别为第一分组、第二分组、第三分组和第四分组，每个所述前导序列分组中的所述线性调频信号的传输符号取值相同，所述第一分组、第二分组和第三分组用于信号的捕获跟踪与同步，所述第四分组用于定时误差和多普勒频偏的估计；
S103：设置所述前导序列的频率结构为升频结构或降频结构；
S104：根据所述传输符号序列和所述初始频率的集合确定选取的线性调频信号的初始频率，根据所述初始频率和所述频率结构确定选取的线性调频信号，将选取的所述线性调频信号按顺序组成所述前导序列；
S105：将所述前导序列通过射频发送；
进一步地，所述步骤S104还包括：
若所述前导序列为升频结构，在奈奎斯特采样率下第i个选取的所述线性调频信号为：
Figure FDA0004187320190000011
其中fi为所述线性调频信号的初始频率，获得的所述升频结构的所述前导序列为：
Figure FDA0004187320190000012
其中Ti为所述线性调频信号的符号持续时间，
若所述前导序列为降频结构，在奈奎斯特采样率下第i个选取的所述线性调频信号为：
Figure FDA0004187320190000013
获得的所述降频结构的所述前导序列为：
Figure FDA0004187320190000014
2.根据权利要求1所述用于同步的前导序列的发送方法，其特征在于，所述设置用于组成前导序列的线性调频信号及其初始频率的集合还包括以下步骤：
设置所述线性调频信号；
计算所述线性调频信号的初始频率的集合；
步骤S1011中所述线性调频信号为：
Figure FDA0004187320190000021
其中，B为信号带宽，f∈[-B/2,B/2]为信号的初始频率，
Figure FDA0004187320190000022
为信号的翻折时刻，Ts为符号持续时间，时间带宽积为BTs＝N，N取值为2的指数幂，xs(t,f)为升频信号，xs(t,f)的共轭/>
Figure FDA0004187320190000027
为降频信号；
步骤S1012中所述初始频率的集合为：
Figure FDA0004187320190000023
其中，
Figure FDA0004187320190000024
为可设置的变量，K为每个初始频率对应的传输符号，在变量fr确定的情况下，通过设置传输符号K，从而唯一地确定所述初始频率。
3.根据权利要求2所述用于同步的前导序列的发送方法，其特征在于，所述设置所述前导序列的传输符号序列还包括：
所述传输符号序列
Figure FDA0004187320190000025
中的第i个传输符号ai为：
Figure FDA0004187320190000026
其中，i≥1，k0,k1,k2,k3是传输符号取值，k0,k1,k2,k3∈{0,1,2,…,N-1}，k0≠k1≠k2，m0和m1为正整数且m0,m1≥3。
4.根据权利要求3所述用于同步的前导序列的发送方法，其特征在于，所述设置所述前导序列的传输符号序列还包括：所述第四分组中最后一个所述线性调频信号的符号持续时间小于或等于Ts。
5.根据权利要求3所述用于同步的前导序列的发送方法，其特征在于，所述设置所述前导序列的频率结构为升频结构或降频结构还包括：
若所述前导序列为升频结构，则将所述第一分组、所述第二分组和所述第三分组的所述线性调频信号设置为升频信号，将所述第四分组的所述线性调频信号设置为降频信号，
若所述前导序列为降频结构，则将所述第一分组、所述第二分组和所述第三分组的所述线性调频信号设置为降频信号，将所述第四分组的所述线性调频信号设置为升频信号。
6.根据权利要求3所述用于同步的前导序列的发送方法，其特征在于，步骤S104还包括：所述选取的线性调频信号的初始频率为
Figure FDA0004187320190000031
7.根据权利要求6所述用于同步的前导序列的发送方法，其特征在于，步骤S105还包括：
所述前导序列为
Figure FDA0004187320190000032
其中，d是所述前导序列的频率结构的取值，d＝0时，st(n)是所述升频结构的前导序列，d≠0时，st(n)是所述降频结构的前导序列；在发送所述前导序列st(n)之前，将所述前导序列st(n)经过DA转换后通过天线发送，或者经过DA转换后再进行上变频，最后通过天线发送。
8.一种用于同步的前导序列的发送装置，其特征在于，包括：频率产生模块，分组设置模块，前导序列产生模块，发送模块；
所述频率产生模块根据可用的线性调频信号进行计算，获得所述线性调频信号的初始频率的集合；
所述分组设置模块将所述前导序列进行分组参数设置，包括设置所述前导序列对应的传输符号序列，设置所述前导序列的频率结构；所述传输符号序列包括第一符号分组、第二符号分组、第三符号分组和第四符号分组，所述传输符号序列
Figure FDA0004187320190000033
中的第i个符号ai为：
Figure FDA0004187320190000034
其中，i≥1，k0，k1，k2，k3是传输符号取值，k0,k1,k2,k3∈{0,1,2,…,N-1}，k0≠k1≠k2，m0和m1为正整数且m0,m1≥3；
所述频率结构包括升频结构和降频结构；
所述前导序列产生模块根据所述传输符号序列和所述初始频率的集合确定选取的线性调频信号的初始频率，根据所述初始频率和所述频率结构确定选取的线性调频信号，将选取的所述线性调频信号按顺序组合，获得所述前导序列，输出至所述发送模块；
所述发送模块将所述前导序列产生模块输出的所述前导序列通过射频发送；
其中，所述根据所述初始频率和所述频率结构确定选取的线性调频信号，将选取的所述线性调频信号按顺序组合，获得所述前导序列包括以下步骤：
若所述前导序列为升频结构，在奈奎斯特采样率下第i个选取的所述线性调频信号为：
Figure FDA0004187320190000035
其中fi为所述线性调频信号的初始频率，获得的所述升频结构的所述前导序列为：
Figure FDA0004187320190000041
其中Ti为所述线性调频信号的符号持续时间，
若所述前导序列为降频结构，在奈奎斯特采样率下第i个选取的所述线性调频信号为：
Figure FDA0004187320190000042
获得的所述降频结构的所述前导序列为：
Figure FDA0004187320190000043
9.一种终端，其特征在于，包括如权利要求8所述的用于同步的前导序列的发送装置。
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