CN117580148A - 一种基于ddr存储的高动态猝发同步方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于DDR存储的高动态猝发同步方法；涉及协同自组织网络通信领域，解决猝发高动态捕获问题；方法包括：利用在FPGA中存储的本地同步序列对接收的同步信号进行匹配滤波及FFT变换后得到匹配滤波时间‑频率二维序列；在FPGA中对匹配滤波时间‑频率二维序列时间维度上逐点进行差分，将差分结果存入DDR中，得到差分结果时间‑频率二维序列；通过从DDR中对差分结果的读写操作，在FPGA中进行差分相干累加，得到差分相干累加结果时间‑频率二维序列存储于FPGA中；基于差分相干累加结果时间‑频率二维序列进行同步搜索以及频偏估计和补偿实现猝发同步。本发明解决了高动态猝发同步捕获实现过程中的FPGA存储资源难题，实现快速捕获。
Description
技术领域
本发明涉及协同自组织网络通信领域，涉及一种基于DDR存储的高动态猝发同步方法。
背景技术
协同自组织网络通常由多个空中节点和地面节点组成，一般由地空通信系统和空空通信系统组成。近年来，空空通信网络中对于高动态猝发通信的需求逐渐炽热化。在高动态猝发通信系统中，同步捕获过程中需要占用海量的存储资源，然而FPGA存储能力有限，在使用FPGA实现高动态猝发通信的同步捕获过程中，需解决同步捕获的合理设计和存储资源受限的问题。
发明内容
本发明旨在提供一种基于DDR存储的高动态猝发同步方法；实现协同自组织网络中空中节点之间的猝发高动态捕获。
本发明公开了一种基于DDR存储的高动态猝发同步方法，包括：
步骤S1、利用在FPGA中存储的本地同步序列对接收的同步信号进行匹配滤波及FFT变换后得到匹配滤波时间-频率二维序列；所述本地同步序列为长度LPN的伪随机序列；接收的同步信号为由NPN段长度与本地同步序列相同的伪随机序列；
步骤S2、在FPGA中对匹配滤波时间-频率二维序列时间维度上的相邻两个FFT变换结果逐点进行差分，同时将差分结果存入与FPGA连接的DDR中，得到存储于DDR中差分结果时间-频率二维序列；
步骤S3、通过从DDR中对差分结果的读写操作，在FPGA中进行差分相干累加，得到差分相干累加结果时间-频率二维序列存储于FPGA中；
步骤S4、基于差分相干累加结果时间-频率二维序列进行同步搜索以及频偏估计和补偿实现猝发同步。
进一步地，利用在FPGA中存储的本地同步序列对接收的同步信号进行匹配滤波后，将匹配结果的长度LPN的伪随机序列进行补零后使序列长度增加为2N位；再采用2N点快速傅里叶变换FFT变换得到匹配滤波时间-频率二维序列；
t时刻的对匹配滤波结果的FFT变换结果为：
；
其中，为接收的同步信号，/>为本地同步序列，/>为/>的共轭，i为多普勒频率序号，每个i对应一个多普勒频率。
进一步地，在FPGA中对匹配滤波时间-频率二维序列在时间维度上的相邻两个伪随机序列的FFT变换结果逐点进行差分得到差分结果时间-频率二维序列：
t时刻的差分结果为：
；
其中，为共轭函数；并将逐个计算的/>存储于DDR中。
进一步地，通过从DDR中对差分结果的读写操作进行差分相干累加时，t时刻差分相干累加结果为：
；
其中，为存储在FPGA中的/>时刻的差分相干累加结果，/>为FPGA计算的t时刻差分结果，/>为从DDR中读出/>时刻的差分结果；
差分相干累加的时间间隔为接收的同步信号中长度LPN的伪随机序列中1个符号的时长，在每接收一个伪随机序列的符号时，计算该时刻t的差分结果，从DDR中读出进行差分相干累加，更新一次/>段2N点FFT差分相干累加的结果，同时将该时刻t的差分结果/>写入DDR中。
进一步地，步骤S4、基于差分相干累加结果时间-频率二维序列进行同步搜索以及频偏估计和补偿实现猝发同步；包括：
1）根据差分相干累加结果时间-频率二维序列计算出用于同步判决的能量值时间-频率二维序列；
2）对能量值时间-频率二维序列进行搜索完成粗同步得到同步时间点和多普勒频率；
3）进行粗同步多普勒频率的频偏估计和补偿后实现猝发同步。
进一步地，对差分相干累加结果求模方得到用于同步判决的能量值；
t时刻的能量值为：
。
进一步地，采用波形搜索的方式在能量值时间-频率序列中进行同步搜索得到粗同步结果。
进一步地，对于差分相干累加结果时间-频率二维序列的包络波形搜索的过程包括：
（1）按时刻t的顺序搜索个长度为LPN伪随机序列周期上升点，当有连续8个伪随机序列周期不上升则重新搜索；搜索成功后转（2）；
（2）搜最大值点：若上升点中最大值点后连续个长度为LPN伪随机序列周期的峰值均比该点小，则认为找到了最大值点，输出最大值点/>对应的时刻t以及最大值所在的多普勒频率序号i作为粗同步结果；并转入步骤（1）进行下一次搜索；若某点比最大值点大，则更新最大值点并搜索连续/>个长度为LPN伪随机序列周期的峰值。
进一步地，利用抛物线插值算法计算出粗同步搜索得到的时刻t最高谱线位置附近更为精确的频率位置/>，作为修正粗同步频偏的估计值，/>是接收同步信号的伪随机序列的符号速率，/>为修正因子。
进一步地，修正因子；
其中，、/>、/>分别为粗同步搜索得到时刻的最高谱线位置，以及最高谱线位置相邻左、右谱线位置的能量值。
本发明可实现以下有益效果之一：
本发明公开的基于DDR存储的高动态猝发同步方法，实现了协同自组织网络中空中节点之间的猝发高动态捕获，并且，将FPGA存储开销转移到DDR中，解决高动态猝发同步捕获实现过程中的FPGA存储资源难题，达到高动态猝发通信快速捕获的目的。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件；
图1为本发明实施例中的基于DDR存储的高动态猝发同步方法流程图；
图2为本发明实施例中的接收的同步信号帧格式示意图。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。
实施例一
本发明的一个实施例公开了一种基于DDR存储的高动态猝发同步方法，如图1所示，包括：
步骤S1、利用在FPGA中存储的本地同步序列对接收的同步信号进行匹配滤波及FFT变换后得到匹配滤波时间-频率二维序列；所述本地同步序列为长度LPN的伪随机序列；接收的同步信号为由NPN段长度与本地同步序列相同的伪随机序列；
步骤S2、在FPGA中对匹配滤波时间-频率二维序列时间维度上的相邻两个FFT变换结果逐点进行差分，同时将差分结果存入与FPGA连接的DDR中，得到存储于DDR中差分结果时间-频率二维序列；
步骤S3、通过从DDR中对差分结果的读写操作，在FPGA中进行差分相干累加，得到差分相干累加结果时间-频率二维序列存储于FPGA中；
步骤S4、基于差分相干累加结果时间-频率二维序列进行同步搜索以及频偏估计和补偿实现猝发同步。
在高动态猝发通信系统中，重复的伪随机序列设计既可以减少接收端匹配滤波器的数量，同时又可以进行大多普勒频率的估计与校正。
具体的，在步骤S1中，利用在FPGA中存储本地同步序列对接收的同步信号进行匹配滤波后，将匹配结果的长度LPN的伪随机序列进行补零后使序列长度增加为2N位；再采用2N点快速傅里叶变换FFT变换得到匹配滤波时间-频率二维序列；具体的匹配滤波和换FFT变换如下：
t时刻的对匹配滤波结果的FFT变换结果为：
；
其中，为接收的同步信号，/>为本地同步序列，/>为/>的共轭，i为多普勒频率序号，每个i对应一个多普勒频率。
具体的，步骤S2中，在FPGA中对匹配滤波时间-频率二维序列在时间维度上的相邻两个伪随机序列的FFT变换结果逐点进行差分得到差分结果时间-频率二维序列：t时刻的差分结果为：
；
其中，为共轭函数；并将逐个计算的/>存储于DDR中。
相邻两个伪随机序列的时延固定，由于多普勒的原因带来的相位旋转是一致的，因此差分之后相位是同相的，可以进行相干累加。
步骤S3中的相干累加结果为：
；
即，将段周期长度/>的伪随机序列的差分结果进行累加后得到相干累加结果。由于/>段所包含的差分结果数据量大，是FPGA的存储资源难题。本实施例中采用DDR存储的方式来解决FPGA的存储资源难题。
具体的，通过从DDR中对差分结果的读写操作进行差分相干累加时，t时刻差分相干累加结果为：
；
其中，为存储在FPGA中的/>时刻的差分相干累加结果，/>为FPGA计算的t时刻差分结果，/>为从DDR中读出/>时刻的差分结果；
差分相干累加的时间间隔为接收的同步信号中长度LPN的伪随机序列中1个符号的时长，在每接收一个伪随机序列的符号时，计算该时刻t的差分结果，从DDR中读出进行差分相干累加，更新一次/>段2N点FFT差分相干累加的结果，同时将该时刻t的差分结果/>写入DDR中。
具体的，步骤S4、基于差分相干累加结果时间-频率二维序列进行同步搜索以及频偏估计和补偿实现猝发同步；包括：
1）根据差分相干累加结果时间-频率二维序列计算出用于同步判决的能量值时间-频率二维序列；
对差分相干累加结果求模方得到用于同步判决的能量值；
t时刻的能量值为：
。
2）对能量值时间-频率二维序列进行搜索完成粗同步得到同步时间点和多普勒频率；
为了得到大的动态范围，在粗同步捕获阶段，采用“波形搜索”的方式代替传统的“门限”，在能量值时间-频率序列中进行同步搜索得到粗同步结果。
具体的，对于差分相干累加结果时间-频率二维序列的包络波形搜索的过程包括：
对于差分相干累加结果时间-频率二维序列的包络波形搜索的过程包括：
（1）按时刻t的顺序搜索个长度为LPN伪随机序列周期上升点，当有连续8个伪随机序列周期不上升则重新搜索；搜索成功后转（2）；
（2）搜最大值点：若上升点中最大值点后连续个长度为LPN伪随机序列周期的峰值均比该点小，则认为找到了最大值点，输出最大值点/>对应的时刻t以及最大值所在的多普勒频率序号i作为粗同步结果；并转入步骤（1）进行下一次搜索；若某点比最大值点大，则更新最大值点并搜索连续/>个长度为LPN伪随机序列周期的峰值。
3）进行粗同步多普勒频率的频偏估计和补偿后实现猝发同步。
在同步捕获得出一帧的FFT频谱图后，利用抛物线插值算法计算出粗同步搜索得到的时刻t最高谱线位置附近更为精确的频率位置，作为修正粗同步频偏的估计值，/>是接收同步信号的伪随机序列的符号速率，/>为修正因子。
修正因子；
其中，、/>、/>分别为粗同步搜索得到时刻的最高谱线位置，以及最高谱线位置相邻左、右谱线位置的能量值。
综上所述，本发明实施例的基于DDR存储的高动态猝发同步方法，实现了协同自组织网络中空中节点之间的猝发高动态捕获，并且，将FPGA存储开销转移到DDR中，解决高动态猝发同步捕获实现过程中的FPGA存储资源难题，达到高动态猝发通信快速捕获的目的。
实施例二
在本实施例中公开的方案中，接收的同步信号中的同步序列由/>段周期长度/>的伪随机序列/>组成，符号速率/>，多普勒适应范围为/>，帧格式如下图2所示。
在步骤S1中，利用在FPGA中存储本地同步序列对接收的同步信号进行匹配滤波后，将匹配结果的长度48的伪随机序列进行补零后使序列长度增加为64位；再采用64点快速傅里叶变换FFT变换得到匹配滤波时间-频率二维序列；具体的匹配滤波和换FFT变换如下：
t时刻的对匹配滤波结果的FFT变换结果为：
；
其中，为接收的同步信号，/>为本地同步序列，/>为/>的共轭，i为多普勒频率序号，每个i对应一个多普勒频率。
在步骤S2中，在FPGA中对匹配滤波时间-频率二维序列在时间维度上的相邻两个伪随机序列的FFT变换结果逐点进行差分得到差分结果时间-频率二维序列：
t时刻的差分结果为：
；
其中，为共轭函数；并将逐个计算的/>存储于DDR中。
在步骤S3中，通过从DDR中对差分结果的读写操作进行差分相干累加时，t时刻差分相干累加结果为：
；
在步骤S4中，基于差分相干累加结果时间-频率二维序列进行同步搜索以及频偏估计和补偿实现猝发同步；包括：
1）根据差分相干累加结果时间-频率二维序列计算出用于同步判决的能量值时间-频率二维序列；
对差分相干累加结果求模方得到用于同步判决的能量值；
t时刻的能量值为：
。
2）对能量值时间-频率二维序列进行搜索完成粗同步得到同步时间点和多普勒频率；
采用“波形搜索”的方式在能量值时间-频率序列中进行同步搜索得到粗同步结果。
具体的，对于差分相干累加结果时间-频率二维序列的包络波形搜索的过程包括：
（1）按时刻t的顺序搜索32个长度为48伪随机序列周期上升点，当有连续8个伪随机序列周期不上升则重新搜索；搜索成功后转（2）；
（2）搜最大值点：若上升点中最大值点后连续32个长度为48伪随机序列周期的峰值均比该点小，则认为找到了最大值点，输出最大值点对应的时刻t以及最大值所在的多普勒频率序号i作为粗同步结果；并转入步骤（1）进行下一次搜索；若某点比最大值点大，则更新最大值点并搜索连续32个长度为48伪随机序列周期的峰值。
3）进行粗同步多普勒频率的频偏估计和补偿后实现猝发同步。
在同步捕获得出一帧的FFT频谱图后，利用抛物线插值算法计算出粗同步搜索得到的时刻t最高谱线位置附近更为精确的频率位置，作为修正粗同步频偏的估计值，/>，修正因子；其中，/>、/>、/>分别为粗同步搜索得到时刻的最高谱线位置，以及最高谱线位置相邻左、右谱线位置的能量值。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于DDR存储的高动态猝发同步方法，其特征在于，包括：
步骤S1、利用在FPGA中存储的本地同步序列对接收的同步信号进行匹配滤波及FFT变换后得到匹配滤波时间-频率二维序列；所述本地同步序列为长度LPN的伪随机序列；接收的同步信号为由NPN段长度与本地同步序列相同的伪随机序列；
步骤S2、在FPGA中对匹配滤波时间-频率二维序列时间维度上的相邻两个FFT变换结果逐点进行差分，同时将差分结果存入与FPGA连接的DDR中，得到存储于DDR中差分结果时间-频率二维序列；
步骤S3、通过从DDR中对差分结果的读写操作，在FPGA中进行差分相干累加，得到差分相干累加结果时间-频率二维序列存储于FPGA中；
步骤S4、基于差分相干累加结果时间-频率二维序列进行同步搜索以及频偏估计和补偿实现猝发同步。
2.根据权利要求1所述的基于DDR存储的高动态猝发同步方法，其特征在于，
利用在FPGA中存储的本地同步序列对接收的同步信号进行匹配滤波后，将匹配结果的长度LPN的伪随机序列进行补零后使序列长度增加为2N位；再采用2N点快速傅里叶变换FFT变换得到匹配滤波时间-频率二维序列；
t时刻的对匹配滤波结果的FFT变换结果为：
；
其中，为接收的同步信号，/>为本地同步序列，/>为/>的共轭，i为多普勒频率序号，每个i对应一个多普勒频率。
3.根据权利要求2所述的基于DDR存储的高动态猝发同步方法，其特征在于，
在FPGA中对匹配滤波时间-频率二维序列在时间维度上的相邻两个伪随机序列的FFT变换结果逐点进行差分得到差分结果时间-频率二维序列：
t时刻的差分结果为：
；
其中，为共轭函数；并将逐个计算的/>存储于DDR中。
4.根据权利要求3所述的基于DDR存储的高动态猝发同步方法，其特征在于，
通过从DDR中对差分结果的读写操作进行差分相干累加时，t时刻差分相干累加结果为：
；
其中，为存储在FPGA中的/>时刻的差分相干累加结果，/>为FPGA计算的t时刻差分结果，/>为从DDR中读出/>时刻的差分结果；
差分相干累加的时间间隔为接收的同步信号中长度LPN的伪随机序列中1个符号的时长，在每接收一个伪随机序列的符号时，计算该时刻t的差分结果，从DDR中读出进行差分相干累加，更新一次/>段2N点FFT差分相干累加的结果，同时将该时刻t的差分结果/>写入DDR中。
5.根据权利要求1所述的基于DDR存储的高动态猝发同步方法，其特征在于，
步骤S4、基于差分相干累加结果时间-频率二维序列进行同步搜索以及频偏估计和补偿实现猝发同步；包括：
1）根据差分相干累加结果时间-频率二维序列计算出用于同步判决的能量值时间-频率二维序列；
2）对能量值时间-频率二维序列进行搜索完成粗同步得到同步时间点和多普勒频率；
3）进行粗同步多普勒频率的频偏估计和补偿后实现猝发同步。
6.根据权利要求5所述的基于DDR存储的高动态猝发同步方法，其特征在于，
对差分相干累加结果求模方得到用于同步判决的能量值；
t时刻的能量值为：
。
7.根据权利要求6所述的基于DDR存储的高动态猝发同步方法，其特征在于，
采用波形搜索的方式在能量值时间-频率二维序列中进行同步搜索得到粗同步结果。
8.根据权利要求7所述的基于DDR存储的高动态猝发同步方法，其特征在于，
对于差分相干累加结果时间-频率二维序列的包络波形搜索的过程包括：
（1）按时刻t的顺序搜索个长度为LPN伪随机序列周期上升点，当有连续8个伪随机序列周期不上升则重新搜索；搜索成功后转（2）；
（2）搜最大值点：若上升点中最大值点后连续个长度为LPN伪随机序列周期的峰值均比该点小，则认为找到了最大值点，输出最大值点/>对应的时刻t以及最大值所在的多普勒频率序号i作为粗同步结果；并转入步骤（1）进行下一次搜索；若某点比最大值点大，则更新最大值点并搜索连续/>个长度为LPN伪随机序列周期的峰值。
9.根据权利要求8所述的基于DDR存储的高动态猝发同步方法，其特征在于，
利用抛物线插值算法计算出粗同步搜索得到的时刻t最高谱线位置附近更为精确的频率位置/>，作为修正粗同步频偏的估计值，/>是接收同步信号的伪随机序列的符号速率，/>为修正因子。
10.根据权利要求9所述的基于DDR存储的高动态猝发同步方法，其特征在于，
修正因子；
其中，、/>、/>分别为粗同步搜索得到时刻的最高谱线位置，以及最高谱线位置相邻左、右谱线位置的能量值。
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