CN116846718A - 一种适用于drm的时频同步方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种适用于DRM的时频同步方法及装置，属于通信技术领域，所述方法包括：确定接收的DRM信号的鲁棒模式和符号粗定时起点；在符号粗定时起点处估计小数倍频偏并进行补偿；根据时间导频信号确定传输帧粗起点；在传输帧粗起点处利用时间导频估计出整数倍频偏并进行补偿；利用增益导频估计精确的传输帧起点；在精确的传输帧起点处，利用增益导频估计精确的小数倍频偏并进行补偿。本发明适用于DRM各种鲁棒模式和频谱占用情况，其同步性能不受初始频偏影响，通过不断跟踪符号定时偏移、载波频偏以降低ISI和ICI，具有精度高、鲁棒性好且流程简单、适合移植到硬件系统的优势。

Description

一种适用于DRM的时频同步方法及装置
技术领域
本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种适用于DRM的时频同步方法及装置。
背景技术
世界数字广播(Digital Radio Mondiale，DRM)标准由世界性数字无线电组织提出，它占用传统模拟调幅广播30MHz以下的发射频率，不但保留了模拟调幅广播覆盖范围广以及适合移动接收的优点，而且克服了模拟调幅广播传输质量差、业务单一、发射功率大的缺点，并可提供附加数据业务，已在全球获得了巨大的发展。
DRM采用正交频分复用技术(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)来承载音频和数据服务，并使用循环前缀(Cyclic Prefix，CP)作为保护间隔。由于DRM接收机与广播电台的时钟不同步，DRM接收机接收到的电台信号中存在载波频偏、采样率偏差、符号定时偏差等失调，这些失调会带来符号间干扰(Inter Symbol Interference，ISI)和载波间干扰(Inter-Channel Interference，ICI)，导致信元的幅值衰减和相位旋转，严重时甚至使得DRM接收机难以解码业务信息。
传统时频同步方法常采用基于CP的极大似然法来估计符号定时偏差和载波频偏，这类方法存在较大的估计误差，能获得粗略的定时起点和频率偏差，这不利于DRM接收机解码业务信息。
发明内容
本发明提供一种适用于DRM的时频同步方法及装置，用以解决现有技术中存在较大的估计误差的缺陷。
第一方面，本发明提供一种适用于DRM的时频同步方法，包括：步骤1：确定接收的DRM信号的鲁棒模式和符号粗定时起点；
步骤2：在符号粗定时起点处估计小数倍频偏并进行补偿；
步骤3：根据时间导频信号确定传输帧粗起点；
步骤4：在传输帧粗起点处利用时间导频估计出整数倍频偏并进行补偿；
步骤5：利用增益导频估计精确的传输帧起点；
步骤6：在精确的传输帧起点处，利用增益导频估计精确的小数倍频偏并进行补偿。
根据本发明提供的适用于DRM的时频同步方法，所述步骤3包括：对时间导频信号与DRM信号进行互相关，生成互相关结果；将互相关结果的最大峰值对应的样本序号，作为传输帧粗起点。
根据本发明提供的一种适用于DRM的时频同步方法，在步骤6之后，还包括：基于接收的DRM信号，周期执行步骤5和6。
第二方面，本发明还提供一种适用于DRM的时频同步装置，包括：
鲁棒模式指示和符号定时粗估计模块，用于确定接收DRM信号的鲁棒模式和符号粗定时起点；
小数倍频偏粗估计与补偿模块，用于符号粗定时起点处估计小数倍频偏并进行补偿；
传输帧起点粗估计模块，用于根据时间导频信号确定传输帧粗起点；
整数倍频偏估计与补偿模块，用于在传输帧粗起点处利用时间导频估计出整数倍频偏并进行补偿；
符号定时精估计模块，用于利用增益导频估计精确的传输帧起点；
小数倍频偏精估计与补偿模块，用于在精确的传输帧起点处，利用增益导频估计精确的小数倍频偏并进行补偿。
根据本发明提供的一种适用于DRM的时频同步装置，还包括：周期执行控制模块；所述周期执行控制模块，基于接收的DRM信号，控制符号定时精估计模块、小数倍频偏精估计与补偿模块，周期性工作。
第三方面，本发明提供一种电子设备，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程序时实现如上述任一种所述适用于DRM的时频同步方法的步骤。
第四方面，本发明还提供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上述任一种所述适用于DRM的时频同步方法的步骤。
本发明针对现有的DRM接收端时频同步误差较大的缺陷，提供了一种适用于DRM的时频同步的技术方案，该方案适用于DRM各种鲁棒模式和频谱占用情况，其同步性能不受初始频偏影响，通过不断跟踪符号定时偏移、载波频偏以降低ISI和ICI，具有精度高、鲁棒性好且流程简单、适合移植到硬件系统的优势。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的适用于DRM的时频同步方法的流程示意图；
图2是本发明提供的适用于DRM的时频同步装置的框架示意图；
图3是本发明提供的鲁棒模式指示和符号定时粗估计模块的结果示意图；
图4是本发明提供的传输帧起点粗估计模块的定时结果的示意图；
图5是本发明提供的整数倍频偏估计与补偿模块的结果示意图；
图6是本发明的符号定时精估计模块的结果示意图；
图7是本发明提供的电子设备的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在本发明实施例的描述中，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。
下面结合图1-图7描述本发明实施例所提供的适用于DRM的时频同步方法和装置。
图1是本发明提供的适用于DRM的时频同步方法的流程示意图，如图1所示，包括但不限于以下步骤：
步骤1：确定接收的DRM信号的鲁棒模式和符号粗定时起点。
具体地，借助各种鲁棒模式下CP时长和OFDM有效部分时长的配置信息，将DRM离散样本与间隔一个OFDM有效部分时长的离散样本进行滑动相关。对比各种鲁棒模式配置下的滑动相关峰值，其中最大峰值指示了电台采用的鲁棒模式。将最大峰值对应的样本序号视为符号粗定时起点。
步骤2：在符号粗定时起点处估计小数倍频偏并进行补偿。
步骤3：根据时间导频信号确定传输帧粗起点。
步骤4：在传输帧粗起点处利用时间导频估计出整数倍频偏并进行补偿。
可选地，步骤4具体包括以下步骤：
步骤401：从传输帧粗起点处取一个OFDM信号，将所述OFDM信号变换至频域，取出时间导频所在位置上的调制符号，记为接收时间导频信元
步骤402：对接收时间导频信元附加归一化的整数倍频偏εI∈ΩIFO后，与生成的时间导频信元进行互相关得到ηTime(∈)；具体为：
其中，*表示取共轭，k指子载波序号，ΦTP指时间导频占据的子载波序号集合。
步骤403：根据ηTime(εI)的模值的最大值，确定整数倍载波频偏具体为：
其中，ΩIFO指整数倍频偏取值范围。
步骤404：对整数倍载波频偏进行补偿。
步骤5：利用增益导频估计精确的传输帧起点。
可选地，所述步骤5具体包括以下步骤：
步骤501：生成增益导频信号将增益导频信号在时域等分成M段；其中，N指FFT点数；
步骤502：从传输帧粗起点周围选取样本序号集合ΓTime，从每个样本序号值l∈ΓTime处取出与所述增益导频信号等长度的DRM信号rn+l,n＝0,1,…,N-1，并将所述DRM信号等分成为M段；
步骤503：将分段后的增益导频信号与DRM信号进行滑动相关，并将每段相关的平方模值累乘，得到最终相关结果Π(l)；具体为：
步骤504：将第一个超过λ·Πmax的Π(l)对应的样本序号视为精确的传输帧起点；其中，Πmax为相关结果Π(l)的最大峰值，λ指加权系数。
步骤6：在精确的传输帧起点处，利用增益导频估计精确的小数倍频偏并进行补偿。
可选地，步骤6具体包括以下步骤：
步骤601：在精确的传输帧起点处取第0和3L个OFDM符号，变换至频域，再取出第0和3L个OFDM符号中增益导频的信元集合；
其中，增益导频的信元集合记作L为正整数，ΦGP是第0、3L个OFDM符号上增益导频占用相同的子载波序号集合；
步骤602：生成第0和3L个OFDM符号中增益导频的信元集合，记作
步骤603：计算差分相关值ηGain；具体为：
步骤604：根据差分相关值ηGain计算归一化的小数倍频偏具体为：
其中，N3L指第0、3个OFDM符号的间隔长度，Phase()指取辐角；
步骤605：对小数倍频偏进行补偿。
基于上述实施例的内容，本发明提供的适用于DRM的时频同步方法，在步骤6之后，还包括：
步骤7：每接收若干个DRM传输帧，重复执行步骤5和6。
本发明针对现有的DRM接收端时频同步误差较大的缺陷，提供了一种适用于DRM的时频同步的技术方案，该方案适用于DRM各种鲁棒模式和频谱占用情况，其同步性能不受初始频偏影响，通过不断跟踪符号定时偏移、载波频偏以降低ISI和ICI，具有精度高、鲁棒性好且流程简单、适合移植到硬件系统的优势。
图2是本发明提供的适用于DRM的时频同步装置的框架示意图，如图2所示，所述装置包括：
鲁棒模式指示和符号定时粗估计模块，用于确定接收DRM信号的鲁棒模式和符号粗定时起点；
小数倍频偏粗估计与补偿模块，用于符号粗定时起点处估计小数倍频偏并进行补偿；
传输帧起点粗估计模块，用于根据时间导频信号确定传输帧粗起点；
整数倍频偏估计与补偿模块，用于在传输帧粗起点处利用时间导频估计出整数倍频偏并进行补偿；
符号定时精估计模块，用于利用增益导频估计精确的传输帧起点；
小数倍频偏精估计与补偿模块，用于在精确的传输帧起点处，利用增益导频估计精确的小数倍频偏并进行补偿；
以及，周期执行控制模块，用于基于接收的DRM信号，控制符号定时精估计模块、小数倍频偏精估计与补偿模块，周期性工作。
需要说明的是，本发明实施例提供的适用于DRM的时频同步装置，在具体运行时，可以执行上述任一实施例所述的适用于DRM的时频同步方法，对此本实施例不再对每个模块的具体实施方式进行赘述。
下面为了对本发明的技术方案的实施流程以及带来的有益效果，进行更加充分说明，下面结合一个具体的实施例(仿真分析过程)，对进行阐述。
仿真的DRM信号采用鲁棒模式B、频谱占用情况为3、带宽10kHz、采样率为48kHz，仿真信道选择第3种信道模型(Channel no 3:US Consortium)，SNR＝30dB，初始归一化频偏为0.41。
本实施例中，鲁棒模式指示和符号定时粗估计模块，以及，小数倍频偏粗估计与补偿模块，可采用基于CP的最大似然估计法；传输帧起点粗估计模块可采用基于时间导频信号的最大似然估计法。
本实施例中，将DRM信号输入至鲁棒模式指示和符号定时粗估计模块，选取的输入信号长度等于2个OFDM符号长度。图3是本发明提供的鲁棒模式指示和符号定时粗估计模块的结果示意图，如图3所示，展示在5种鲁棒模式配置下的最大似然函数的定时结果，对比5种定时结果的极大值可知，接收DRM信号的鲁棒模式为B。图3(b)中的极大值对应CP大致起点，在这一样值序号(样本序号)处采用最大似然估计法估计的归一化小数倍频偏为0.4052。
可选地，将补偿小数倍频偏粗略估值后的接收信号输入至传输帧起点粗估计模块，选取的输入信号时长等于500ms。图4是本发明提供的传输帧起点粗估计模块的定时结果的示意图，如图4所示，其中箭头指示了最大峰值位置，对应样本序号为1，即传输帧的粗略序号起点为1。
可选地，整数倍频偏估计与补偿模块中的取值范围ΩIFO为[-128,128]，图5是本发明提供的整数倍频偏估计与补偿模块的结果示意图，如图5所示，在整数倍频偏为0时取得极大值。因此，因此接收DRM信号的整数倍频偏为0。
进一步地，符号定时精估计模块中的分段数M＝4，加权系数λ＝0.99，本地生成第0个OFDM符号上的增益导频信号(不含CP)用于符号定时精估计。图6是本发明的符号定时精估计模块的结果示意图，如图6所示，接收的首径信号出现在样值序号(样本序号)为257处。
可选地，小数倍频偏精估计与补偿模块中L＝1，即将第0、3个OFDM符号的增益导频用于精确估计小数倍频偏。在首径位置估计的归一化小数倍频偏为0.0024，再将这一估值补偿至接收信号用于后续信号处理。
本发明对DRM接收端时频同步的有关关键技术展开了深入研究，分析并解决了传统时频同步估计精度较低的问题，为DRM接收端创建了详细的时频同步方案，具有精度高、鲁棒性好、结构简单、适合移植到硬件平台等优点。
应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。
图7是本发明提供的电子设备的结构示意图，如图7所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)710、通信接口(communications interface)720、存储器(memory)730和通信总线740，其中，处理器710，通信接口720，存储器730通过通信总线740完成相互间的通信。处理器710可以调用存储器730中的逻辑指令，以执行适用于DRM的时频同步方法，该方法包括：步骤1：确定接收的DRM信号的鲁棒模式和符号粗定时起点；步骤2：在符号粗定时起点处估计小数倍频偏并进行补偿；步骤3：根据时间导频信号确定传输帧粗起点；步骤4：在传输帧粗起点处利用时间导频估计出整数倍频偏并进行补偿；步骤5：利用增益导频估计精确的传输帧起点；步骤6：在精确的传输帧起点处，利用增益导频估计精确的小数倍频偏并进行补偿。
此外，上述的存储器730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，服务器，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。
另一方面，本发明还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，计算机能够执行上述各实施例所提供的适用于DRM的时频同步方法，该方法包括：步骤1：确定接收的DRM信号的鲁棒模式和符号粗定时起点；步骤2：在符号粗定时起点处估计小数倍频偏并进行补偿；步骤3：根据时间导频信号确定传输帧粗起点；步骤4：在传输帧粗起点处利用时间导频估计出整数倍频偏并进行补偿；步骤5：利用增益导频估计精确的传输帧起点；步骤6：在精确的传输帧起点处，利用增益导频估计精确的小数倍频偏并进行补偿。
又一方面，本发明还提供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以执行上述各实施例提供的适用于DRM的时频同步方法，该方法包括：步骤1：确定接收的DRM信号的鲁棒模式和符号粗定时起点；步骤2：在符号粗定时起点处估计小数倍频偏并进行补偿；步骤3：根据时间导频信号确定传输帧粗起点；步骤4：在传输帧粗起点处利用时间导频估计出整数倍频偏并进行补偿；步骤5：利用增益导频估计精确的传输帧起点；步骤6：在精确的传输帧起点处，利用增益导频估计精确的小数倍频偏并进行补偿。
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，服务器，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方法。
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 (9)

1.一种适用于DRM的时频同步方法，其特征在于，包括：
步骤1：确定接收的DRM信号的鲁棒模式和符号粗定时起点；
步骤2：在符号粗定时起点处估计小数倍频偏并进行补偿；
步骤3：根据时间导频信号确定传输帧粗起点；
步骤4：在传输帧粗起点处利用时间导频估计出整数倍频偏并进行补偿；
步骤5：利用增益导频估计精确的传输帧起点；
步骤6：在精确的传输帧起点处，利用增益导频估计精确的小数倍频偏并进行补偿。
2.根据权利要求1所述的适用于DRM的时频同步方法，其特征在于，所述步骤4包括：
步骤401：从传输帧粗起点处取一个OFDM信号，将所述OFDM信号变换至频域，取出时间导频所在位置上的调制符号，记为接收时间导频信元
步骤402：对接收时间导频信元附加归一化的整数倍频偏εI∈ΩIFO后，与生成的时间导频信元进行互相关得到ηTime(∈)；具体为：
其中，*表示取共轭，k指子载波序号，ΦTP指时间导频占据的子载波序号集合；
步骤403：根据ηTime(εI)的模值的最大值，确定整数倍载波频偏具体为：
其中，ΩIFO指整数倍频偏取值范围；
步骤404：对整数倍载波频偏进行补偿。
3.根据权利要求2所述的适用于DRM的时频同步方法，其特征在于，所述步骤5包括：
步骤501：生成增益导频信号将增益导频信号在时域等分成M段；其中，N指FFT点数；
步骤502：从传输帧粗起点周围选取样本序号集合ΓTime，从每个样本序号值l∈ΓTime处取出与所述增益导频信号等长度的DRM信号rn+l,n＝0,1,…,N-1，并将所述DRM信号等分成为M段；
步骤503：将分段后的增益导频信号与DRM信号进行滑动相关，并将每段相关的平方模值累乘，得到最终相关结果Π(l)；具体为：
步骤504：将第一个超过λ·Πmax的Π(l)对应的样本序号视为精确的传输帧起点；其中，Πmax为相关结果Π(l)的最大峰值，λ指加权系数。
4.根据权利要求3所述的适用于DRM的时频同步方法，其特征在于，所述步骤6包括：
步骤601：在精确的传输帧起点处取第0和3L个OFDM符号，变换至频域，再取出第0和3L个OFDM符号中增益导频的信元集合；
其中，增益导频的信元集合记作L为正整数，ΦGP是第0、3L个OFDM符号上增益导频占用相同的子载波序号集合；
步骤602：生成第0和3L个OFDM符号中增益导频的信元集合，记作
步骤603：计算差分相关值ηGain；具体为：
步骤604：根据差分相关值ηGain计算归一化的小数倍频偏具体为：
其中，N3L指第0、3个OFDM符号的间隔长度，Phase()指取辐角；
步骤605：对小数倍频偏进行补偿。
5.根据权利要求1所述的适用于DRM的时频同步方法，其特征在于，在步骤6之后还包括：
步骤7：基于接收的DRM信号，周期执行步骤5和6。
6.一种适用于DRM的时频同步装置，其特征在于，包括：
鲁棒模式指示和符号定时粗估计模块，用于确定接收DRM信号的鲁棒模式和符号粗定时起点；
小数倍频偏粗估计与补偿模块，用于符号粗定时起点处估计小数倍频偏并进行补偿；
传输帧起点粗估计模块，用于根据时间导频信号确定传输帧粗起点；
整数倍频偏估计与补偿模块，用于在传输帧粗起点处利用时间导频估计出整数倍频偏并进行补偿；
符号定时精估计模块，用于利用增益导频估计精确的传输帧起点；
小数倍频偏精估计与补偿模块，用于在精确的传输帧起点处，利用增益导频估计精确的小数倍频偏并进行补偿。
7.根据权利要求6所述的适用于DRM的时频同步装置，还包括：周期执行控制模块；
所述周期执行控制模块，基于接收的DRM信号，控制符号定时精估计模块、小数倍频偏精估计与补偿模块，周期性工作。
8.一种电子设备，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计算机程序时实现如权利要求1至5任一项所述适用于DRM的时频同步方法的步骤。
9.一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5任一项所述适用于DRM的时频同步方法的步骤。
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