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1、(10)申请公布号 CN 103001902 A (43)申请公布日 2013.03.27 C N 1 0 3 0 0 1 9 0 2 A *CN103001902A* (21)申请号 201210478327.0 (22)申请日 2012.11.22 H04L 27/12(2006.01) H04B 7/26(2006.01) (71)申请人北京航空航天大学 地址 100191 北京市海淀区学院路37号 (72)发明人熊小军 高阳春 韦志棉 (74)专利代理机构北京永创新实专利事务所 11121 代理人周长琪 (54) 发明名称 适用无人机数据链SCFDE-MSK系统的帧同步 方法 (57)。
2、 摘要 本发明公开了一种适用无人机数据链 SCFDE-MSK系统的帧同步方法，属于无线数据 传输技术领域，用一种在帧前部加特殊码组即 Zadoff-Chu码来实现帧同步，在接收端是采用基 于补零扩展的Zadoff-Chu序列频域检测方法；第 一步，在SCFDE-MSK系统的发射端数据成帧时，在 循环前缀之后插入Zadoff-Chu序列x Z ；第二 步，在SCFDE-MSK系统的接收端进行帧同步的数 据检测算法；本发明的优点为：可以用于无线传 输系统的帧同步，相比传统的时域检测，会大大 的降低前导检测的运算复杂度；相比过采样的方 式，不会有过采样带来的相关峰值扩散问题，提高 了系统性能。 (5。
3、1)Int.Cl. 权利要求书2页 说明书4页 附图2页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 2 页 说明书 4 页 附图 2 页 1/2页 2 1.适用无人机数据链SCFDE-MSK系统的帧同步方法，其特征在于：包括发射端基带处 理过程与接收端的数据检测过程； 其中，发射端基带处理过程通过下述3步完成： 步骤1：输入数据成帧； 令x a 、x b 为两组输入数据，a、b均为正整数，则输入数据成帧过程为： A、分别在输入数据x a 与x b 末尾加入尾巴序列x l ，l为正整数； B、复制输入数据x b 与序列x l 到输入数据x a 前端，形成循环前缀； 。
4、C、在循环前缀后端插入Zadoff-Chu序列x Z ，Z为正整数； 步骤2：对数据帧内的数据进行映射； 对步骤1中数据帧内的数据x n 进行映射，得到数据b n ，n为正整数： b n jb n-1 x n （1） 其中，j为虚数单位； 步骤3：基带成型； 将数据b n 进行基带成型，得到信号s(t)： 其中，t为时间；T为数据b n 一个符号周期；N为数据b n 长度； c(t)对应的式（4）中c(t-nT)；c(t-nT)相当于延时nT得到的函数； 基带成型后的信号s(t)经过多径信道h n 后，得到到信号r(t)； 接收端的数据检测，通过下述六步完成： 步骤一:接收端接收信号r(t)，。
5、对r(t)进行模数转换后得到长度为N ZC 的接收序列 y(n)； 步骤二：序列补零； 在接收序列y(n)和Zadoff-Chu序列x Z 末端进行补零，形成长度为N ZCX 的序列yp(n) 和qp u (n)； 步骤三：对序列yp(n)与qp u (n)进行DFT处理后，得到序列YP(n)与QP u (n)； 步骤四：对序列QP u (n)取共轭后与YP(n)相乘得序列ZP u (n)； 步骤五：对序列ZP u (n)进行IDFT处理后，得到序列zp u (k)； 步骤六：对序列zp u (k)进行后处理恢复，得到帧同步信息序列z u (k)，k 1,2,.,N ZC -1。 2.如权利要。
6、求1所述适用无人机数据链SCFDE-MSK系统的帧同步方法，其特征在于： 所述Zadoff-Chu序列x Z 的生成方法如下： 首先，选择初始参数p1，p为常数；进而得到p个单元1, 1 , 2 ,., p-1 ，各单元 取值为e -j(2k/p) ,0kp-1；则pp的矩阵为： 权 利 要 求 书CN 103001902 A 2/2页 3 依次获取式（1）中pp矩阵内的每列，构成长度为p 2 的一维数组x Z ： 3.如权利要求1所述适用无人机数据链SCFDE-MSK系统的帧同步方法，其特征在于： 所述Zadoff-Chu序列x Z 的长度为素数。 4.如权利要求1所述适用无人机数据链SCF。
7、DE-MSK系统的帧同步方法，其特征在于：， 具体方法为：所述步骤六中后处理恢复过程为： z u (0)zp u (0) （6） z u (k)zp u (k)+zp u (k+N ZCX -N ZC ),k1,2,.,N ZC -1 （7） 5.如权利要求1所述适用无人机数据链SCFDE-MSK系统的帧同步方法，其特征在于： 所述尾巴序列x l 为1bit。 权 利 要 求 书CN 103001902 A 1/4页 4 适用无人机数据链 SCFDE-MSK 系统的帧同步方法 技术领域 0001 本发明属于无线数据传输技术领域，具体来说，是一种用于无人机数据链 SCFDE-MSK系统的帧同步方。
8、法。 背景技术 0002 在无线通信中的抗频域选择性衰落技术领域，均衡技术可以分为时域均衡和频域 均衡。相比时域均衡，频域均衡的计算复杂度要低。频域均衡又分单载波和多载波，其中多 载波最具代表性的当属正交频分技术（OFDM），但该技术有两个很严重的缺点：一是峰均比 高，二是对载波频偏十分敏感。而单载波频域均衡（SCFDE）可以很好的解决OFDM这两大缺 陷。 0003 最小频移键控（MSK）属于连续相位调制（CPM）的一种，其调制信号具有恒包络和 频谱紧凑等优良特性，由此将SCFDE与MSK结合，共同构成SCFDE-MSK系统（最小频移键控 单载波频域均衡系统），在无线通信中的抗频域选择性衰落。
9、技术领域具有很好的前景，具体 参考文献Frequency domain equalization of MSK for UAV data link，Yangchun Gao， Xiaojun Xiong,2012.9.21，Ultrawideband and Ultrashort Impulse Signals，但该参考 文献中提出的无人机数据链SCFDE-MSK系统并未提出帧同步方法。 发明内容 0004 本发明的目的是为了解决无人机数据链SCFDE-MSK系统的帧同步问题，提出用一 种在帧前部加特殊码组即Zadoff-Chu序列来实现帧同步，在接收端是采用基于补零扩展 的Zadoff-Ch。
10、u序列频域检测方法，可以用于无线传输系统的帧同步，具有运算复杂度低， 可靠性强等特点。 0005 本发明适用无人机数据链SCFDE-MSK系统的帧同步方法，包括发射端基带处理过 程与接收端的数据检测过程； 0006 其中，发射端基带处理过程通过下述3步完成： 0007 步骤1：输入数据成帧； 0008 令x a 与x b 为两组输入数据，a、b均为正整数；则输入数据成帧过程为： 0009 A、分别在输入数据x a 与x b 末尾加入尾巴序列x l ，l为正整数； 0010 B、复制输入数据x b 与序列x l 到输入数据x a 前端，形成循环前缀； 0011 C、在循环前缀后端插入Zadoff。
11、-Chu序列x Z ，Z为正整数。 0012 步骤2：对数据帧内的数据进行映射； 0013 对步骤1中数据帧内的数据x n 进行映射，得到数据b n ，n为正整数： 0014 b n jb n-1 x n （1） 0015 其中，j为虚数单位。 0016 步骤3：基带成型； 0017 将数据b n 进行基带成型，得到信号s(t)： 说 明 书CN 103001902 A 2/4页 5 0018 0019 其中，t为时间；T为数据b n 一个符号周期；N为数据b n 长度； 0020 0021 c(t)对应的式（4）中c(t-nT)；c(t-nT)相当于延时nT得到的函数； 0022 基带成型后。
12、的信号s(t)经过多径信道h n 后，得到到信号r(t)。 0023 接收端的数据检测，通过下述六步完成： 0024 步骤一:接收端接收信号r(t)，对r(t)进行模数转换后得到长度为N ZC 的接收序 列y(n)； 0025 步骤二：序列补零； 0026 在接收序列y(n)和Zadoff-Chu序列x Z 末端进行补零，形成长度为N ZCX 的序列 yp(n)和qp u (n)； 0027 步骤三：对序列yp(n)与qp u (n)进行DFT处理后，得到序列YP(n)与QP u (n)； 0028 步骤四：对序列QP u (n)取共轭后与YP(n)相乘得序列ZP u (n)； 0029 步骤。
13、五：对序列ZP u (n)进行IDFT处理后，得到序列ZP u (k)； 0030 步骤六：对序列zp u (k)进行后处理恢复，得到帧同步信息序列z u (k)，k 1,2,.,N ZC -1。 0031 本发明的优点在于： 0032 （1）本发明帧同步方法中，采用素数长度的Zadoff-Chu序列作为前导签名序列， 相比于PN序列来说，Zadoff-Chu序列具有恒定幅值特性、良好的自相关属性以及良好的互 相关属性，是一种良好的前导签名序列； 0033 （2）本发明帧同步方法中采用基于补零扩展的Zadoff-Chu序列频域检测方法，相 比传统的时域检测，会大大的降低前导检测的运算复杂度； 。
14、0034 （3）在基于补零扩展的Zadoff-Chu序列频域检测方法中，通过序列补零形成2的 幂次长度，相比过采样的方式，不会有过采样带来的相关峰值扩散问题，提高了系统性能。 附图说明 0035 图1为本发明帧同步方法整体流程图； 0036 图2为本发明帧同步方法中SCFDE-MSK系统数据帧结构图； 0037 图3为无人机在任务区域盘旋时，采用本发明帧同步方法的SCFDE-MSK系统在多 径信道与高斯信道下的误码率曲线图。 具体实施方式 0038 下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。 0039 实现帧同步通常有2类方法：1、在数字信息流中插入一些特殊码组作为每帧的头 尾标记，接收。
15、端根据这些特殊码组的位置就可以实现帧同步；2、不需要外加特殊码组，利用 码组本身之间彼此不同的特性来实现自同步。本发明是用的第一种方法，而这种方法最常 说 明 书CN 103001902 A 3/4页 6 用的是插入PN序列作为头标记，而本发明则采用Zadoff-Chu序列作为头标记。 0040 如图1所示，在整个SCFDE-MSK系统的基带处理过程中的帧同步方法，包括发射端 基带处理过程与接收端的数据检测过程。 0041 其中，发射端基带处理过程通过下述3步完成： 0042 步骤1：输入数据成帧； 0043 令x a 与x b 为两组携带信息符号，即两组输入数据，a、b均为正整数；则输入数 。
16、据成帧过程为： 0044 A、分别在输入数据x a 与x b 末尾加入1bit尾巴序列x l ，l为正整数； 0045 B、复制输入数据x b 与序列x l 到输入数据x a 前端，形成循环前缀（CP），由于 在步骤A中加入了尾巴序列x l ，因此形成循环前缀后并不破坏MSK信号的相位连续性； 0046 C、在循环前缀后插入素数长度的Zadoff-Chu序列x Z ，Z为正整数，由此形成整 个数据帧，如图2所示。 0047 上述Zadoff-Chu序列x Z 的生成方法如下： 0048 首先，选择初始参数p1，p为常数，具体值要根据SCFDE-MSK系统指标确定；进 而得到p个单元1, 1 ,。
17、 2 ,., P-1 ，各单元取值为e -j(2k/p) ,0kp-1；则pp的矩 阵为： 0049 0050 依次获取式（1）中pp矩阵内的每列，构成长度为p 2 的一维数组x Z ： 0051 0052 为验证Zadoff-Chu序列x Z 的正确性，以p=3为例，此时证Zadoff-Chu序列x Z 为：1,1,1,1,e +j(2/3) ,e -j(2/3) ,1,e- j(2/3) ,e +j(2/3) 。 0053 步骤2：对数据帧内的数据进行映射； 0054 对步骤1中数据帧内的数据x n 进行映射，得到数据b n ，n为正整数： 0055 b n jb n-1 x n （3） 。
18、0056 其中，j为虚数单位。 0057 步骤3：基带成型； 0058 将步骤2中的数据b n 进行基带成型，将离散的数据变成了连续的信号，得到信号 s(t)： 0059 0060 其中，t为时间；T为数据b n 一个符号周期；N为数据b n 长度， 0061 说 明 书CN 103001902 A 4/4页 7 0062 c(t)对应的式（4）中c(t-nT)；c(t-nT)相当于延时nT得到的函数； 0063 基带成型后的信号s(t)经过多径信道h n ，并迭加高斯噪声后，得到到信号r(t) 0064 而本发明在接收端的数据检测是基于补零扩展的方式对Zadoff-Chu序列进行检 测，通过。
19、下述六步完成： 0065 步骤一:接收信号r(t)，对其进行模数转换(AD)后得到长度为N ZC 的接收序列 y(n)； 0066 步骤二：序列补零； 0067 在接收序列y(n)和参考序列q u (n)（即为数据成帧时插入的Zadoff-Chu序列x Z ） 末端进行补零，形成长度为N ZCX 的序列yp(n)和qp u (n)； 0068 步骤三：对序列yp(n)与qp u (n)进行DFT运算处理后，得到序列YP(n)与QP u (n)； 0069 步骤四：对序列QP u (n)取共轭后与YP(n)相乘得序列ZP u (n)； 0070 步骤五：对序列ZP u (n)进行IDFT运算处理。
20、后，得到序列zp u (k)； 0071 步骤六：对序列zp u (k)进行后处理恢复，得到帧同步信息序列z u (k)，完成帧同步， 具体方法为： 0072 z u (0)zp u (0) （6） 0073 z u (k)zp u (k)+zp u (k+N ZCX -N ZC ),k1,2,.,N ZC -1 （7） 0074 最后根据帧同步信息序列z u (k)得到同步信息，由此完成帧同步过程，随后进行进 行后续数据处理。 0075 实施例： 0076 下面结合具体的实施例来验证本发明帧同步方法的可行性和优越性。 0077 本实例中：信道模型取模拟无人机信道的多径信道WSSUS信道模型。。
21、 0078 假设无人机飞行状态为任务区域盘旋，飞行速度V40m/s，多径分量波束角度 178.25,181.75，莱斯因子K3，斜率1/ slope 1s，WSSUS模型的路径个数M 20。 0079 每帧长度N+G+N ZC 337，循环前缀长度G32，Zadoff-Chu序列长度N ZC 49， 故每帧信息符号长度为N-2254。载波频率为2.2GHz，数据速率为10MHz。 0080 在E b /N 0 （信噪比的归一化形式）值分别取1、3、5、7、9、11dB时，各进行1000次实 验，得到的假警次数分别为1、0、0、0、0、0，漏警次数分别为1、1、0、0、0、0。如图3所示，图中 的实曲与虚线分别为采用本发明帧同步方法的无人机数据链SCFDE-MSK系统在多径信道 与高斯信道（AWGN）下的误码率曲线，可看出，本发明的帧同步方法与传统时域检测相比不 仅大大降低了运算量，而且可行。 说 明 书CN 103001902 A 1/2页 8 图1 说 明 书 附 图CN 103001902 A 2/2页 9 图2 图3 说 明 书 附 图CN 103001902 A 。