CN115379550A - 一种基于离散导频的突发帧同步方法、装置及设备 - Google Patents

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CN115379550A CN202210907527.7A CN202210907527A CN115379550A CN 115379550 A CN115379550 A CN 115379550A CN 202210907527 A CN202210907527 A CN 202210907527A CN 115379550 A CN115379550 A CN 115379550A
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Abstract

本发明提供了一种基于离散导频的突发帧同步方法、装置及设备，在接收信号还存在大动态的条件下，通过对内插的导频信号进行搜索、UW频相参数估计及补偿、信噪比估计及帧起始位置判决，实现UV提取、频偏变化率估计、频率估计、相位估计、帧同步一体化处理，简化了常规接收机处理过程中帧同步、同步跟踪独立处理的工作流程，尤其适用于没有独立帧同步头的通信体制，处理流程简单，性能优良，适应多普勒动态能力强，在扩频通信领域、卫星抗干扰通信、隐蔽通信、电子对抗等领域具有积极的市场应用情景。

Description

一种基于离散导频的突发帧同步方法、装置及设备
技术领域
本发明属于卫星通信技术领域，特别涉及一种基于离散导频的突发帧同步方法、装置及设备。
背景技术
带有导频辅助的短时数据帧是一种广泛应用于地面移动通信系统和TDMA(时分多址)网络中的数据帧结构。在信噪比较低，大多普勒动态下，闭环跟踪由于受限于环路入锁时间并不适用，故只能采用开环载波同步技术，在数据中插入导频进行载波估计是开环载波同步的典型方法。
现有的常规突发帧格式设计中，除了插入的导频以外，为了确定帧起始位置和导频起始位置，通常会专门设计一个帧同步头，用来进行帧同步判定。但是帧同步头的设计会带来通信效率的降低，并且当帧同步头因为信道或者其他原因接收错误后，会造成整帧的丢失，适应突发干扰能力较差。
发明内容
为了克服现有技术中的不足，本发明人进行了锐意研究，提供了一种基于离散导频的突发帧同步方法、装置及设备，在接收信号还存在大动态的条件下，通过对内插的导频信号进行搜索、频相参数估计、信噪比估计及判决，实现频偏变化率估计、频率估计、相位估计、帧同步一体化处理，简化了常规接收机处理过程中帧同步、同步跟踪独立处理的工作流程，尤其适用于没有独立帧同步头的通信体制，处理流程简单，性能优良，适应多普勒动态能力强，在扩频通信领域、卫星抗干扰通信、隐蔽通信、电子对抗等领域具有积极的市场应用情景，从而完成本发明。
本发明提供的技术方案如下：
第一方面，一种基于离散导频的突发帧同步方法，包括：
接收并存储输入的突发帧信号流，根据选择的帧起始位置实施突发帧信号流中UW位置的搜索，并输出搜索位置对应的UW信号；
对输出的UW信号实施频偏变化率、频率、相位误差估计，并根据频偏变化率、频率、相位误差对UW信号实施补偿；
对补偿后的UW信号进行信噪比估计，将信噪比与设定的门限进行比较，判定提取出的UW是否正确，进而判定该次设定的帧起始位置是否正确；
在帧起始位置判决成功后，利用估计出的频偏、频偏变化率和相位误差信息，对待解调的整帧数据进行频相补偿及输出，完成帧数据的同步及补偿。
第二方面，一种基于离散导频的突发帧同步装置，包括：
数据存储及UW输出模块，用于接收并存储输入的突发帧信号流，根据选择的帧起始位置实施突发帧信号流中UW位置的搜索，并输出搜索位置对应的UW信号；
UW频相参数估计及补偿模块：用于对输出的UW信号实施频偏变化率、频率、相位误差估计，并根据频偏变化率、频率、相位误差对UW信号实施补偿；
信噪比估计及帧起始位置判决模块：用于对补偿后的UW信号进行信噪比估计，将信噪比与设定的门限进行比较，在信噪比超出设定门限时，判定提取出的UW正确，进而判定设定的帧起始位置正确；
帧数据频相补偿及输出模块：用于在帧起始位置判决成功后，利用估计出的多普勒频偏、频偏变化率和相位误差信息，对待解调的整帧数据进行频相补偿及输出，完成帧数据的同步及补偿。
第三方面，一种基于离散导频的突发帧同步设备，包括：
一个或多个处理器；
存储装置，用于存储一个或多个程序，
所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，以用于实施第一方面所述的基于离散导频的突发帧同步方法。
根据本发明提供的一种基于离散导频的突发帧同步方法、装置及设备，具有以下有益效果：
(1)本发明提供的一种基于离散导频的突发帧同步方法、装置及设备，在接收信号还存在大动态的条件下，通过对内插的导频信号进行搜索、频相参数估计、信噪比估计及判决，实现频偏变化率估计、频率估计、相位估计、帧同步一体化处理，简化了常规接收机处理过程中帧同步、同步跟踪独立处理的工作流程，尤其适用于没有独立帧同步头的通信体制；
(2)本发明提供的一种基于离散导频的突发帧同步方法、装置及设备，UW位置判决基于内插UW(独特字)的简化信噪比估计思路，对精细补偿后的UW进行相干接收后进行I、Q相关累加，确定等效信噪比，并基于信噪比估计的结果进行UW位置判决，具有实现简单，资源少，性能好的优势。
附图说明
图1为本发明中一种基于离散导频的突发帧同步方法框图；
图2为突发帧结构示意图。
具体实施方式
下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
根据本发明的第一方面，提供了一种基于离散导频的突发帧同步方法，如图1所示，包括如下步骤：
(一)数据存储及UW输出：接收并存储输入的突发帧信号流，根据选择的帧起始位置实施突发帧信号流中独特字(UW)位置的搜索，并将本次搜索位置对应的UW信号输出进行后续处理。
输入信号为经过初始捕获的突发帧信号流，此时仍残留有频偏和频偏变化率，其数学公式可描述为：
S(t)＝x(t)*exp(ωet+θe)+n0
其中，S(t)为输入信号，x(t)为期望传输的信息序列，ωe为载波跟踪后的残留角频率，θe为残留相位，n0为噪声信号，t为时间。
对于输入的突发帧信号流，由于不确定帧的起始位置，需要先存储所有的数据，如存入RAM存储空间。
将突发帧信号流的首位设定为帧的起始位置，根据预先设定的独特字内插规律，提取突发帧信号流中的UW数据，然后实施后续频相参数估计、信噪比估计及帧起始位置判决，从而完成一次帧起始位置判决流程。
若突发帧信号流的首位并非帧的起始位置，则将突发帧信号流的第二位顺位假设为帧的起始位置，按照预先设定的独特字内插规律，重新提取突发帧信号流中的UW数据。按此规律，直至确定帧的起始位置，或者直至搜索遍历完所有的数据。
(二)UW频相参数估计及补偿：对输出的UW信号实施频偏变化率、频率、相位误差估计，并根据频偏变化率、频率、相位误差对UW信号实施补偿。
(1)UW多普勒频偏变化率估计及补偿
图2示出帧数据格式，灰色条纹代表UW，白色条纹代表负载的有效数据。
去除调制信息后的线性调频信号rUW(t)可表示为：
Figure BDA0003772947910000041
其中，fd为频偏，fa为频偏变化率，j为虚数符号，n(t)为复加性高斯白噪声。
频偏和频偏变化率的估计采用延迟自相关FFT算法，将信号rUW(t)与其延迟τ时间的信号rUW(t+τ)进行自相关，然后结合正弦信号的频率估计算法，如FFT(快速傅里叶变换)技术，实现频偏和频偏变化率的估计。
将提取出的L位UW分为前后两段，将前半段UW与后半段UW共轭相乘，得到长度为1/L的序列如下：
Figure BDA0003772947910000051
其中，噪声项为：
Figure BDA0003772947910000052
因此，当延时τ固定时，R(t,τ)可以看作噪声n'(t)污染下的复正弦信号，其载波频率为faτ，对R(t,τ)序列进行频偏估计，即可求出原始序列的频偏变化率。
频偏变化率的最大估计范围为：
如果
Figure BDA0003772947910000053
其中UWSampleRate为UW采样率，则估计频偏变化率的最大范围为：
Figure BDA0003772947910000054
频偏变化率的物理分辨率为：
设UW长度为L，UW间隔为I，数据采样率为fs，则对应采样速率为fs/(LI)，采用延迟相关法进行估算变化率时，受采样点数的限制，物理分辨率为
Figure BDA0003772947910000055
即，当前的UW长度和速率限定了频偏变化率的物理分辨率，若想提高分辨精度，只能更改帧格式，增加UW长度。
估计出的频偏变化率用
Figure BDA0003772947910000056
表示。对多普勒频偏变化率进行补偿如下：
Figure BDA0003772947910000061
其中，rUW_1(t)为经过多普勒补偿后的UW信号。
(2)UW频偏估计及补偿
对于UW频偏估计，对UW信号进行相干解调，然后直接进行多普勒频偏估计。
估计出的频偏用
Figure BDA0003772947910000062
表示。对多普勒频偏进行补偿如下：
Figure BDA0003772947910000063
其中，rUW_2(t)为经过多普勒频偏补偿后的UW信号。
(3)UW相位误差估计及补偿
对UW信号进行分段，对各段实施UW相位误差估计，分别基于各段UW相位误差对相应段UW信号实施相位补偿。
相位误差估计算法如下：
Figure BDA0003772947910000064
其中，ΣQ为一段时间内的Q支路信息相干累加结果，ΣI为一段时间内的I支路信息相干累加结果。
相位误差估计频次分析如下：
要求：2π×Δf×N/fs≤π，才能保证相位不翻转。
其中，Δf为捕获后的残留频偏，N为单次相位估计的时间宽度(符号数)，fs为数据采样率。
则：
Figure BDA0003772947910000065
假设残留频偏Δf＝k×Rs，k为残留频偏因子，表示残留频偏与符号速率的比值，Rs为符号速率，则：
Figure BDA0003772947910000066
即数据帧每N个符号以内需要完成一次相位估计。
估计出的相位为
Figure BDA0003772947910000071
对相位进行补偿如下：
Figure BDA0003772947910000072
其中，rUW_3(t)为经过相位补偿的UW信号。
(三)基于信噪比估计的帧起始位置判决：对补偿后的UW信号进行信噪比估计，将信噪比与设定的门限进行比较，在信噪比超出设定门限时，判定提取出的UW(或搜索的UW位置)正确，进而判定该次设定的帧起始位置正确。
基于BPSK调制方式，认为经过UW频相参数估计及补偿后的数据已经不存在频偏和相位误差，此时接收到的UW信号的I、Q两个支路可分别描述为：
rc(n)＝UW(n)+nc(n)
rs(n)＝ns(n)
其中，n为符号序号，nc(n)为同相支路噪声，ns(n)为正交支路噪声，rc(n)、rs(n)分别为两个支路的接收信号。
经过相干接收后，UW(n)的符号位被抵消，上述信号可以描述为：
rc(n)＝A+nc(n)
rs(n)＝ns(n)
其中，A为信号幅度。
由此可以推出：
Figure BDA0003772947910000073
其中，S为信号功率，N为噪声功率。
由此可得信噪比为：
Figure BDA0003772947910000074
考虑到接收机实现时的复杂度，可以直接将
Figure BDA0003772947910000081
作为等效信噪比进行判决。将信噪比或
Figure BDA0003772947910000082
与设定的门限进行比较，当未超过门限时，认为本次提取出的UW信号为伪信号，重复步骤一至步骤三，重新确定帧的起始位置、频相参数估计、信噪比估计、帧起始位置判决；当超出门限时，认为本次提取出的UW信号为真实的UW信号，本次的帧的起始位置为真正的帧的起始位置，对应估计出的多普勒频偏、频偏变化率和相位误差即为真正的误差，从而实现帧同步。
或者，步骤一中，依次将突发帧信号流的各符号位设定为帧的起始位置，提取突发帧信号流中的UW数据，然后实施后续频相参数估计、信噪比估计，找出信噪比估计结果的最大值，以该信噪比最大值进行门限判决，若该信噪比最大值超出门限，则认为该信噪比最大值对应下的UW信号为真正的UW信号，该信噪比最大值对应下的帧的起始位置为真正的帧的起始位置。
(四)帧数据频相补偿及输出：在帧起始位置判决成功后，利用估计出的多普勒频偏
Figure BDA0003772947910000083
频偏变化率
Figure BDA0003772947910000084
和相位误差信息
Figure BDA0003772947910000085
对待解调的整帧数据进行频相补偿及输出，完成帧数据的同步及补偿。
Figure BDA0003772947910000086
其中，S'(t)为经过多普勒频偏变化率、频偏以及相位补偿后的帧信号。
本发明提出的一种基于离散导频的突发帧同步方法，将载波估计与帧同步一体化处理。在接收信号还存在大动态的条件下，通过对内插的导频信号进行搜索、频相参数估计、信噪比估计及判决，实现频偏变化率估计、频率估计、相位误差估计、帧同步一体化处理，简化了常规接收机处理过程中帧同步、同步跟踪独立处理的工作流程，尤其适用于没有独立帧同步头的通信体制。
根据本发明的第二方面，提供了一种基于离散导频的突发帧同步装置，包括：
数据存储及UW输出模块，用于接收并存储输入的突发帧信号流，根据选择的帧起始位置实施突发帧信号流中独特字(UW)位置的搜索，并输出搜索位置对应的UW信号；
UW频相参数估计及补偿模块：用于对输出的UW信号实施频偏变化率、频率、相位误差估计，并根据频偏变化率、频率、相位误差对UW信号实施补偿；
信噪比估计及帧起始位置判决模块：用于对补偿后的UW信号进行信噪比估计，将信噪比与设定的门限进行比较，在信噪比超出设定门限时，判定提取出的UW(或搜索的UW位置)正确，进而判定设定的帧起始位置正确；
帧数据频相补偿及输出模块：用于在帧起始位置判决成功后，利用估计出的多普勒频偏、频偏变化率和相位误差信息，对待解调的整帧数据进行频相补偿及输出，完成帧数据的同步及补偿。
在一种优选的实施方式中，所述数据存储及UW输出模块，将突发帧信号流的首位设定为帧的起始位置，根据预先设定的独特字内插规律，提取突发帧信号流中的UW数据，在完成一次帧起始位置判决流程后，若突发帧信号流的首位并非帧的起始位置，则将突发帧信号流的第二位顺位设定为帧的起始位置，按照预先设定的独特字内插规律，重新提取突发帧信号流中的UW数据，按此规律，直至确定完成帧的起始位置，或者直至搜索遍历完所有的帧数据。
在一种优选的实施方式中，
Figure BDA0003772947910000091
Figure BDA0003772947910000092
其中，UWSampleRate为UW采样率，L为UW数据长度。
在一种优选的实施方式中，所述UW频相参数估计及补偿模块对UW信号进行分段，对各段实施UW相位误差估计，分别基于各段UW相位误差对相应段UW信号实施相位补偿。
确定的UW相位误差
Figure BDA0003772947910000093
为：
Figure BDA0003772947910000094
其中，ΣQ为一段时间内的Q支路信息相干累加结果，ΣI为一段时间内的I支路信息相干累加结果。
数据帧每N个符号以内需要完成一次相位估计：
Figure BDA0003772947910000101
其中，Δf为捕获后的残留频偏，fs为数据采样率，k为残留频偏因子，表示残留频偏与符号速率的比值，Rs为符号速率。
在一种优选的实施方式中，所述信噪比估计及帧起始位置判决模块确定的信噪比为：
Figure BDA0003772947910000102
其中，S为信号功率，N为噪声功率，rc(n)、rs(n)分别为I、Q两个支路的接收信号。
所述信噪比估计及帧起始位置判决模块可以直接将
Figure BDA0003772947910000103
作为等效信噪比进行判决。
所述信噪比估计及帧起始位置判决模块，将信噪比或等效信噪比
Figure BDA0003772947910000104
与设定的门限进行比较，当未超过门限时，认为本次提取出的UW信号为伪信号，重新确定帧的起始位置、频相参数估计、信噪比估计、帧起始位置判决；当超出门限时，认为提取出的UW信号为真实的UW信号，帧的起始位置为真正的帧的起始位置，对应估计出的多普勒频偏、频偏变化率和相位误差即为真正的误差，从而实现帧同步。
第三方面，一种基于离散导频的突发帧同步设备，包括：
一个或多个处理器；
存储装置，用于存储一个或多个程序，
所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，以用于实施第一方面所述的基于离散导频的突发帧同步方法。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的装置和设备的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
本领域技术人员应该可以意识到，在上述一个或多个示例中，本发明所描述的功能可以用硬件、软件、固件或它们的任意组合来实现。当使用软件实现时，可以将这些功能存储在计算机可读介质中或者作为计算机可读介质上的一个或多个指令或代码进行传输。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质，其中通信介质包括便于从一个地方向另一个地方传送计算机程序的任何介质。存储介质可以是通用或专用计算机能够存取的任何可用介质，包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、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。
采用本发明提供的一种基于离散导频的突发帧同步方法，以某型号通信处理器为例：其原始设计帧同步头为128符号，导频信息为128个符号，数据帧静荷为2000个符号；采用本方法后，保持接收性能的前提下，将帧同步头与导频信息一体化设计，总计128符号，帧效率从88.7％提升至94.0％。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种基于离散导频的突发帧同步方法，其特征在于，包括：
接收并存储输入的突发帧信号流，根据选择的帧起始位置实施突发帧信号流中UW位置的搜索，并输出搜索位置对应的UW信号；
对输出的UW信号实施频偏变化率、频率、相位误差估计，并根据频偏变化率、频率、相位误差对UW信号实施补偿；
对补偿后的UW信号进行信噪比估计，将信噪比与设定的门限进行比较，判定提取出的UW是否正确，进而判定该次设定的帧起始位置是否正确；
在帧起始位置判决成功后，利用估计出的频偏、频偏变化率和相位误差信息，对待解调的整帧数据进行频相补偿及输出，完成帧数据的同步及补偿。
2.根据权利要求1所述的基于离散导频的突发帧同步方法，其特征在于，所述根据选择的帧起始位置实施突发帧信号流中UW位置的搜索，并输出搜索位置对应的UW信号的步骤中，将突发帧信号流的首位设定为帧的起始位置，根据预先设定的独特字内插规律，提取突发帧信号流中的UW数据，在完成一次帧起始位置判决流程后，若突发帧信号流的首位并非帧的起始位置，则将突发帧信号流的第二位顺位设定为帧的起始位置，按照预先设定的独特字内插规律，重新提取突发帧信号流中的UW数据，按此规律，直至确定完成帧的起始位置，或者直至搜索遍历完所有的帧数据。
3.根据权利要求1所述的基于离散导频的突发帧同步方法，其特征在于，所述对输出的UW信号实施频偏变化率、频率、相位误差估计步骤中，频偏变化率的
Figure FDA0003772947900000011
其中，UWSampleRate为UW采样率，L为UW数据长度。
4.根据权利要求1所述的基于离散导频的突发帧同步方法，其特征在于，所述对输出的UW信号实施频偏变化率、频率、相位误差估计步骤中，对UW信号进行分段，对各段实施UW相位误差估计，分别基于各段UW相位误差对相应段UW信号实施相位补偿；
确定的UW相位误差
Figure FDA0003772947900000021
为：
Figure FDA0003772947900000022
其中，ΣQ为一段时间内的Q支路信息相干累加结果，ΣI为一段时间内的I支路信息相干累加结果；
数据帧每N个符号以内需要完成一次相位估计：
Figure FDA0003772947900000023
其中，Δf为捕获后的残留频偏，fs为数据采样率，k为残留频偏因子，表示残留频偏与符号速率的比值，Rs为符号速率。
5.根据权利要求1所述的基于离散导频的突发帧同步方法，其特征在于，所述对补偿后的UW信号进行信噪比估计的步骤中，确定的信噪比为：
Figure FDA0003772947900000024
其中，S为信号功率，N为噪声功率，rc(n)、rs(n)分别为I、Q两个支路的接收信号。
6.根据权利要求1所述的基于离散导频的突发帧同步方法，其特征在于，所述对补偿后的UW信号进行信噪比估计的步骤中，直接将
Figure FDA0003772947900000025
作为等效信噪比进行判决。
7.根据权利要求1所述的基于离散导频的突发帧同步方法，其特征在于，所述将信噪比与设定的门限进行比较，判定提取出的UW是否正确，进而判定该次设定的帧起始位置是否正确的步骤中，将信噪比或等效信噪比
Figure FDA0003772947900000026
与设定的门限进行比较，当未超过门限时，认为本次提取出的UW信号为伪信号，重新确定帧的起始位置、频相参数估计、信噪比估计、帧起始位置判决；当超出门限时，认为提取出的UW信号为真实的UW信号，帧的起始位置为真正的帧的起始位置，对应估计出的频偏、频偏变化率和相位误差为真正的误差，从而实现帧同步。
8.根据权利要求1所述的基于离散导频的突发帧同步方法，其特征在于，若在数据存储及UW输出步骤中，依次将突发帧信号流的各符号位设定为帧的起始位置，提取突发帧信号流中的UW数据，然后实施后续频相参数估计、信噪比估计，则找出所有信噪比中的最大值，以该信噪比最大值进行门限判决，若该信噪比最大值超出门限，则认为该信噪比最大值对应下的UW信号为真正的UW信号，该信噪比最大值对应下的帧的起始位置为真正的帧的起始位置。
9.一种基于离散导频的突发帧同步装置，其特征在于，包括：
数据存储及UW输出模块，用于接收并存储输入的突发帧信号流，根据选择的帧起始位置实施突发帧信号流中UW位置的搜索，并输出搜索位置对应的UW信号；
UW频相参数估计及补偿模块：用于对输出的UW信号实施频偏变化率、频率、相位误差估计，并根据频偏变化率、频率、相位误差对UW信号实施补偿；
信噪比估计及帧起始位置判决模块：用于对补偿后的UW信号进行信噪比估计，将信噪比与设定的门限进行比较，在信噪比超出设定门限时，判定提取出的UW正确，进而判定设定的帧起始位置正确；
帧数据频相补偿及输出模块：用于在帧起始位置判决成功后，利用估计出的多普勒频偏、频偏变化率和相位误差信息，对待解调的整帧数据进行频相补偿及输出，完成帧数据的同步及补偿。
10.一种基于离散导频的突发帧同步设备，其特征在于，包括：
一个或多个处理器；
存储装置，用于存储一个或多个程序，
所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，以用于实施权利要求1至8之一所述的基于离散导频的突发帧同步方法。
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