CN117118585A - 通信系统的信号检测与定时同步方法、装置和计算机设备 - Google Patents

通信系统的信号检测与定时同步方法、装置和计算机设备 Download PDF

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CN117118585A CN202311077062.8A CN202311077062A CN117118585A CN 117118585 A CN117118585 A CN 117118585A CN 202311077062 A CN202311077062 A CN 202311077062A CN 117118585 A CN117118585 A CN 117118585A
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刘国稳
燕琦
董忆雪
汤伟
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Abstract

本申请涉及一种通信系统的信号检测与定时同步方法、装置和计算机设备，首先，分别对通信系统发送端和接收端的LLTF序列进行差分相关运算，得到本地差分序列和接收差分序列；接着，利用利用接收信号的差分相关结果与本地差分结果进行互相关运算，将其互相关峰值的能量值归一化后作为信号检测与系统定时同步的判定依据。采用本方法能适应信号变化，有效缓解基于接收信号延迟自相关方案存在的丢帧问题以及接收信号与本地相关方案易受载波频偏的影响问题，同时也具有良好的对抗噪声和干扰的能力，能够防止干扰、噪声存在的条件下产生较多误同步以及漏同步的现象，具有良好的鲁棒性。

Description

通信系统的信号检测与定时同步方法、装置和计算机设备
技术领域
本申请涉及无线通信技术领域，特别是涉及一种通信系统的信号检测与定时同步方法、装置和计算机设备。
背景技术
对于突发模式的接收机而言，信号帧到达的时间是未知的。接收机首先需要确定知道数据帧的起始位置，才能提取出帧中数据块进行解调，该过程称之为符号定时(SymbolTiming)。
目前802.11nMIMO-OFDM接收机系统常采用的信号检测与定时同步方法有延迟相关检测技术与本地相关检测技术。
延迟相关检测方法是一种实现最为简单最为常见的符号定时算法，该算法利用了前导中的训练符号的周期性。延迟相关Cn的值为：
上式为当前接收到的L个数据与D个时刻前收到的L个数据进行互相关，上标*表示转置共轭。一般情况下对于短训练序列L＝D＝16；对于长训练序列L＝D＝64。接收信号能量Pn的值为：
则延迟相关的判决变量mn为
当接收到的只有噪声时，理想情况下输出的延迟相关值Cn为0，因此在信号到来之前的mn都很小；当接收到第二个短训练序列符号时，Cn为相同短训练序列符号的互相关系数，mn开始明显增加，并且会维持9个短训练序列符号长度的相关平坦，出现下降沿时说明短训练序列符号接收已结束。
延迟相关算法在低信噪比或者有干扰存在的条件下，判决变量mn会由于收到信道中较大随机噪声的影响而超过预设的门限值，从而引起误同步现象。
本地相关算法利用接收到的信号与接收端预先存储的相应的发射端训练序列进行互相关，即接收到的数据序列与本地已知的训练序列Sm的共轭复数相乘并累加，可得到互相关系数Cn为：
上式中，D为互相关系数的长度，它的大小决定符号定时同步的性能，D越大性能越好，但同时计算复杂度也就越高。一般情况下对于短训练序列L＝D＝16；对于长训练序列L＝D＝64。当|Cn|有峰值出现时，对于短训练序列表示为这个时刻点为一个短训练符号的结束；对于长训练序列表示为这个时刻点为一个长训练符号的结束。
本地相关算法在有载波频偏干扰时，峰值|Cn|波动较大，不易确定判决门限，从而引起误同步或者漏同步现象。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种通信系统的信号检测与定时同步方法、装置和计算机设备，提高系统信号检测与定时同步的准确性。
一种通信系统的信号检测与定时同步方法，所述方法包括：
对通信系统发送的LLTF序列进行差分相关运算，得到本地差分序列；
对通信系统接收到的LLTF序列进行差分相关运算，得到接收差分序列；
对接收差分序列和本地差分序列进行互相关，得到互相关值；
计算接收差分序列的能量值、本地差分序列的能量值和互相关值的能量值；
根据接收差分序列的能量值、本地差分序列的能量对互相关值的能量值进行归一化，得到通信系统的信号检测与定时同步的判定依据。
一种通信系统的信号检测与定时同步装置，所述装置包括：
发送端差分相关运算模块，用于对通信系统发送的LLTF序列进行差分相关运算，得到本地差分序列；
接收端差分相关运算模块，用于对通信系统接收到的LLTF序列进行差分相关运算，得到接收差分序列；
差分序列互相关模块，用于对接收差分序列和本地差分序列进行互相关，得到互相关值；
能量值计算模块，用于计算接收差分序列的能量值、本地差分序列的能量值和互相关值的能量值；
能量值归一化模块，用于根据接收差分序列的能量值、本地差分序列的能量对互相关值的能量值进行归一化，得到通信系统的信号检测与定时同步的判定依据。
一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：
对通信系统发送的LLTF序列进行差分相关运算，得到本地差分序列；
对通信系统接收到的LLTF序列进行差分相关运算，得到接收差分序列；
对接收差分序列和本地差分序列进行互相关，得到互相关值；
计算接收差分序列的能量值、本地差分序列的能量值和互相关值的能量值；
根据接收差分序列的能量值、本地差分序列的能量对互相关值的能量值进行归一化，得到通信系统的信号检测与定时同步的判定依据。
上述通信系统的信号检测与定时同步方法、装置和计算机设备，首先，分别对通信系统发送端和接收端的LLTF序列进行差分相关运算，得到本地差分序列和接收差分序列；接着，利用利用接收信号的差分相关结果与本地差分结果进行互相关运算，将其互相关峰值的能量值归一化后作为信号检测与系统定时同步的判定依据。其中，与接收信号的延迟相关相比，接收信号的差分相关结果与本地差分结果的互相关值受信噪比、干扰信号的影响较小；与接收信号的本地相关相比，接收信号的差分相关结果与本地差分结果的互相关值受载波频偏的影响较小，因此能适应信号变化，可以有效缓解基于接收信号延迟自相关方案存在的丢帧问题以及接收信号与本地相关方案易受载波频偏的影响问题，同时也具有良好的对抗噪声和干扰的能力，能够防止干扰、噪声存在的条件下产生较多误同步以及漏同步的现象，具有良好的鲁棒性。
附图说明
图1为一个实施例中信系统的信号检测与定时同步方法的流程示意图；
图2为一个实施例中在添加高斯白噪声以及31.25KHz的载波频偏之后，在不同SNR(信噪比Signal-to-Noise Ratio)条件下LLTF(Non-HT Long Training Field)互相关峰值以及互相关峰值的能量进行归一化后的图示；
图3为一个实施例中在添加高斯白噪声信道环境中误包率随SNR的性能曲线；
图4为一个实施例中计算机设备的内部结构图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
在一个实施例中，如图1所示，提供了一种通信系统的信号检测与定时同步方法，包括以下步骤：
步骤102，对通信系统发送的LLTF序列进行差分相关运算，得到本地差分序列。
LLTF序列，即长训练序列，与LSTF(短训练序列)同为IEEE 802.11ac协议中用于进行同步的序列，在此协议中，同步分为两个步骤——粗同步(也称数据包检测)和细同步(符号同步)。其中，粗同步用于判断数据包的到来，细同步用于将数据包的位置精确到bit位。LSTF和LLTF序列分别用于粗同步和细同步。
步骤104，对通信系统接收到的LLTF序列进行差分相关运算，得到接收差分序列。
与接收信号的延迟相关相比，接收信号的差分相关结果与本地差分结果的互相关值受信噪比、干扰信号的影响较小；与接收信号的本地相关相比，接收信号的差分相关结果与本地差分结果的互相关值受载波频偏的影响较小，因此算法能适应信号变化，可以有效缓解基于接收信号延迟自相关方案存在的丢帧问题以及接收信号与本地相关方案易受载波频偏的影响问题，同时也具有良好的对抗噪声和干扰的能力，能够防止干扰、噪声存在的条件下产生较多误同步以及漏同步的现象，具有良好的鲁棒性，方案性能已在实际系统中得到检验。
步骤106，对接收差分序列和本地差分序列进行互相关，得到互相关值。
步骤108，计算接收差分序列的能量值、本地差分序列的能量值和互相关值的能量值。
步骤110，根据接收差分序列的能量值、本地差分序列的能量对互相关值的能量值进行归一化，得到通信系统的信号检测与定时同步的判定依据。
应该理解的是，虽然图1的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图1中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
在一个实施例中，对通信系统发送的LLTF序列进行差分相关运算，得到本地差分序列，包括：
其中，表示本地差分序列，D表示循环移位长度，LLTF表示长训练序列，LLTFn+D表示第(n+D)个长训练序列，/>表示第n个时刻的长训练序列的共轭转子，上标*表示共轭转置。
在一个实施例中，对通信系统接收到的LLTF序列进行差分相关运算，得到接收差分序列，包括：
其中，表示接收差分序列，rn+D+Noisen+D表示接收到的第(n+D)个数据，rn+D表示第(n+D)个长训练序列，Noisen+D表示第(n+D)个加性噪声，/>表示接收到的第n个数据的共轭，/>表示第n个长训练序列的共轭，/>表示第n个加性噪声的共轭，Noise表示第n个加性噪声，/>表示通信系统的发送端与接收端的载波频偏，fc表示接收端载波频率。
在一个实施例中，对接收差分序列和本地差分序列进行互相关，得到互相关值，包括：
其中，表示互相关值，L表示相关运算长度，L＝64-D。
在一个实施例中，计算本地差分序列的能量值，包括：
其中，Etx表示本地差分序列的能量值。
在一个实施例中，计算接收差分序列的能量值，包括：
其中，Erx表示接收差分序列的能量值。
在一个实施例中，计算互相关值的能量值，包括：
其中，表示互相关值的能量值。
在一个实施例中，根据接收差分序列的能量值、本地差分序列的能量对互相关值的能量值进行归一化，包括：
本方法利用利用接收信号的差分相关结果与本地差分结果进行互相关运算，将其互相关峰值的能量进行归一化后作为信号检测与系统定时同步的判定依据。该算法不仅可以消除载波频偏对峰值的影响，而且在低信噪比条件下其归一化的互相关的能量值也具有良好的尖峰，便于门限的设定，从而提高系统定时同步的准确性。如图2所示，提供在添加高斯白噪声以及31.25KHz的载波频偏之后，在不同SNR(信噪比Signal-to-Noise Ratio)条件下LLTF(Non-HT Long Training Field)互相关峰值以及互相关峰值的能量进行归一化后的图示。从图2中可以看出，在SNR＝20dB的时候，其互相关能量值在10^12量级，在SNR＝-8dB的时候，其互相关能量值仅为10^9量级，互相关能量幅度值跨度较大难以作为定时同步的判定依据，但是其归一化后的峰值均大于0.2，比较适合作为定时同步的判定依据，且不易出现误同步现象。同步模块PER(误包率Packet Error Rate)在添加高斯白噪声信道环境中随SNR的性能曲线如图3所示，在信噪比为-4dB的时候，其误包率以降低至千分之一。
在一个实施例中，提供了一种通信系统的信号检测与定时同步装置，包括：发送端差分相关运算模块、接收端差分相关运算模块、差分序列互相关模块、能量值计算模块和能量值归一化模块，其中：
发送端差分相关运算模块，用于对通信系统发送的LLTF序列进行差分相关运算，得到本地差分序列；
接收端差分相关运算模块，用于对通信系统接收到的LLTF序列进行差分相关运算，得到接收差分序列；
差分序列互相关模块，用于对接收差分序列和本地差分序列进行互相关，得到互相关值；
能量值计算模块，用于计算接收差分序列的能量值、本地差分序列的能量值和互相关值的能量值；
能量值归一化模块，用于根据接收差分序列的能量值、本地差分序列的能量对互相关值的能量值进行归一化，得到通信系统的信号检测与定时同步的判定依据。
关于通信系统的信号检测与定时同步装置的具体限定可以参见上文中对于通信系统的信号检测与定时同步方法的限定，在此不再赘述。上述XXX装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
在一个实施例中，提供了一种计算机设备，该计算机设备可以是服务器，其内部结构图可以如图4所示。该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、网络接口和数据库。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统、计算机程序和数据库。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的数据库用于存储LLTF序列等数据。该计算机设备的网络接口用于与外部的终端通过网络连接通信。该计算机程序被处理器执行时以实现一种通信系统的信号检测与定时同步方法。
本领域技术人员可以理解，图4中示出的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构的框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的计算机设备的限定，具体的计算机设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。
在一个实施例中，提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，该存储器存储有计算机程序，该处理器执行计算机程序时实现上述实施例中方法的步骤。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(RAM)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、双数据率SDRAM(DDRSDRAM)、增强型SDRAM(ESDRAM)、同步链路(Synchlink)DRAM(SLDRAM)、存储器总线(Rambus)直接RAM(RDRAM)、直接存储器总线动态RAM(DRDRAM)、以及存储器总线动态RAM(RDRAM)等。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种通信系统的信号检测与定时同步方法，其特征在于，所述方法包括：
对通信系统发送的LLTF序列进行差分相关运算，得到本地差分序列；
对通信系统接收到的LLTF序列进行差分相关运算，得到接收差分序列；
对接收差分序列和本地差分序列进行互相关，得到互相关值；
计算接收差分序列的能量值、本地差分序列的能量值和互相关值的能量值；
根据接收差分序列的能量值、本地差分序列的能量对互相关值的能量值进行归一化，得到通信系统的信号检测与定时同步的判定依据。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对通信系统发送的LLTF序列进行差分相关运算，得到本地差分序列，包括：
其中，表示本地差分序列，D表示循环移位长度，LLTF表示长训练序列，LLTFn+D表示第(n+D)个长训练序列，/>表示第n个长训练序列的共轭转子，上标*表示共轭转置。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，对通信系统接收到的LLTF序列进行差分相关运算，得到接收差分序列，包括：
其中，表示接收差分序列，rn+D+Noisen+D表示接收到的第(n+D)个数据，rn+D表示第(n+D)个长训练序列，Noisen+D表示第(n+D)个加性噪声，/>表示接收到的第n个数据的共轭，/>表示第n个长训练序列的共轭，/>表示第n个加性噪声的共轭，Noise表示第n个加性噪声，/>表示通信系统的发送端与接收端的载波频偏，fc表示接收端载波频率。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，对接收差分序列和本地差分序列进行互相关，得到互相关值，包括：
其中，表示互相关值，L表示相关运算长度，L＝64-D。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，计算本地差分序列的能量值，包括：
其中，Etx表示本地差分序列的能量值。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，计算接收差分序列的能量值，包括：
其中，Erx表示接收差分序列的能量值。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，计算互相关值的能量值，包括：
其中，表示互相关值的能量值。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，根据接收差分序列的能量值、本地差分序列的能量对互相关值的能量值进行归一化，包括：
9.一种通信系统的信号检测与定时同步装置，其特征在于，所述装置包括：
发送端差分相关运算模块，用于对通信系统发送的LLTF序列进行差分相关运算，得到本地差分序列；
接收端差分相关运算模块，用于对通信系统接收到的LLTF序列进行差分相关运算，得到接收差分序列；
差分序列互相关模块，用于对接收差分序列和本地差分序列进行互相关，得到互相关值；
能量值计算模块，用于计算接收差分序列的能量值、本地差分序列的能量值和互相关值的能量值；
能量值归一化模块，用于根据接收差分序列的能量值、本地差分序列的能量对互相关值的能量值进行归一化，得到通信系统的信号检测与定时同步的判定依据。
10.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至8中任一项所述方法的步骤。
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