一种帧同步方法.pdf

本发明属于数字通信技术领域，具体涉及一种采用互相关运算的帧同步方法，本发明提出的基于分段互相关的帧同步方法增加了一些用于求信号模值平方的运算单元，当存在较大的载波频率偏差时，仍然只需要一路相关器，无需利用多路互相关器在不同频率点上进行互相关运算。而且，在完成对载波频率偏差的估计和补偿之后，仍然可以利用同样的运算单元进行帧同步，并能准确地估计出帧起始位置。因此，本发明提出的分段互相关方法大大节省了硬件资源的消耗，提高了硬件资源利用率。

1.  一种基于互相关的帧同步方法，其步骤为：
a)在发送端当前物理层帧的帧头加入长度为N的帧同步序列，所述序列的自相关曲线具有峰值突出的特性；
b)设定一个阈值，用于判断是否检测到帧同步位置；
c)根据系统中存在的最大载波频率偏差Δf_max确定长度L_max；由L_max确定一个满足L_b≤L_max的分段长度L_b；将步骤a)所述的帧同步序列作为本地序列，根据L_b将本地序列划分为K段；
d)在接收端，将相关窗内的接收信号样点序列划分为K段，每段分别与对应的本地序列分段进行互相关，累加所有分段的互相关结果；
e)对上述分段的互相关结果进行能量归一化；
f)将上述能量归一化分段互相关结果与上述设定的阈值进行比较和检测：若能量归一化相关结果超过设定阈值，则此时相关窗的起始位置作为帧同步起始位置；否则，继续逐点滑动相关窗，返回步骤d)，直至找到帧同步起始位置，从而完成帧同步。

2.  如权利要求1所述的一种基于互相关的帧同步方法，其特征在于，在步骤a)之前设定系统中存在的最大载波频率偏差Δf_max。

3.  如权利要求1或2所述的一种基于互相关的帧同步方法，其特征在于，所述步骤c)中L_max的确定方法如下：
当载波频率偏差为Δf_max时，在长度为N的帧同步序列内引起的相位偏差的变化幅度为θ＝2π·Δf_max·N/f_band，则有其中θ≤θ_max，表示不超过括弧内数值的最大整数；f_band为信号带宽，Δf_max为系统中存在的最大载波频率偏差。

4.  如权利要求1所述的一种基于互相关的帧同步方法，其特征在于，所述步骤c)中K为不小于N/L_max的最小整数。

5.  如权利要求1所述的一种基于互相关的帧同步方法，其特征在于，所述步骤d)中，将接收到的信号样点序列与本地序列做分段互相关的具体方法如下：
发送端发送的帧同步序列为S_t＝{s_t(1)，s_t(2)，…，s_t(N)}，接收端的信号样点序列为R_t＝{r_t(1)，r_t(2)，…，r_t(N)}，各分段的互相关值为：将各分段的互相关值的模值的平方相加，得到分段互相关值的模值的平方；其中N为帧同步序列长度；接收端相关窗长度也为N；L_b为上述步骤b)确定的分段长度，分段数为s′_t(n)表示s_t(n)的共轭。

6.  如权利要求1所述的一种基于互相关的帧同步方法，其特征在于，所述步骤d)中信号样点序列划分的段数与本地序列划分的段数相同。

7.  如权利要求1所述的一种基于互相关的帧同步方法，其特征在于，所述步骤e)中所述的能量归一化是将互相关结果除以相关窗内所有接收信号样点的总能量。

8.  如权利要求7所述的一种基于互相关的帧同步方法，其特征在于，所述能量归一化的分段互相关结果为D_corr＝|corr|²/P_r。

9.  如权利要求7所述的一种基于互相关的帧同步方法，其特征在于，所述相关窗内的接收信号样点序列的总能量为Pr=Σn=1N|rt(n)|2.]]>

一种帧同步方法
技术领域：
本发明属于数字通信技术领域，具体涉及一种采用互相关运算的帧同步方法，该方法在接收信号中存在较大载波频率偏差的情况下仍然能够准确地估计出帧起始位置。
背景技术：
在突发式通信系统中，由于接收端无法准确预知各物理层帧的传输时间，因而需要利用接收信号中的部分信息对所接收的物理层帧的起始时刻进行估计。大多数通信系统均采用相关的方法，对接收信号中的特定序列进行互相关或者自相关，并根据相关峰值的位置确定物理层帧的起始时刻。例如，在IEEE 802.11(Wireless Local Area Network，WLAN)中，其前导序列中的短训练符号即可被用于采用相关的方法进行帧同步。采用相关方法进行同步时，通常预先设定一个阈值，如果相关结果超过该阈值，则认为当前相关窗的起始位置即为物理层帧的起始位置。
采用自相关的方法进行帧同步，能够有效克服载波频率偏差等干扰对相关结果的影响。但是，帧同步序列的自相关曲线随相关窗位置的滑动呈线性变化，其相关峰值附近的相关值大小与相关峰值非常接近。在存在各种随机噪声的情况下，难以准确的估计出物理层帧的起始时刻。
与自相关方法相比，互相关方法所获得的接收到的帧同步序列与本地序列的互相关曲线具有相关峰值突出的优点。当相关窗的起始位置滑动至帧同步序列的起始位置时，能够获得较大的相关值；相关窗滑动至其它位置时，所获得的相关值远小于相关峰值。因此，采用互相关方法进行帧同步，能够有效地克服各种随机噪声的影响，更准确地估计出物理层帧的起始时刻。
如果采用互相关方法进行帧同步，则需要设计相应的方法以克服载波频率偏差的干扰。当接收端初始接入到网络中时，由于此时尚未完成对载波频率偏差等参数的估计，需要在接收信号存在较大载波频率偏差的情况下进行帧同步。载波频率偏差会使接收信号的相位中存在一个随样点数线性增长的偏差。当载波频率偏差较大时，由其引起的相位偏差在帧同步序列内的变化范围可接近甚至超过π，使得接收到的帧同步序列与本地序列的互相关峰值大大降低。因此，未对载波频率偏差进行补偿时，由于互相关峰值随载波频率偏差的大小变化剧烈，从而难以预先设定阈值以判断是否找到物理层帧的起始位置。目前常用的方法是，预先设定载波频率偏差的变化范围，接收端在该频率范围内按照一定的步距在不同频率点上对接收信号进行互相关运算，选择各频点中最大的相关值与阈值进行比较和判断，从而实现帧同步。但这种搜索方法需要实现多路滑动相关器，而且在完成对载波频率偏差的估计和补偿之后只需保留一路相关器用于帧同步，从而导致硬件资源消耗较大且利用率低下。
发明内容：
本发明的目的是提出一种基于互相关的帧同步方法，该方法在存在较大载波频率偏差的情况下的，能准确地估计出帧起始位置。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于互相关的帧同步方法，其步骤为：
a)发送端，在物理层帧的帧头加入长度为N的帧同步序列，该序列的自相关曲线具有峰值突出的特性；例如m序列；
b)接收端，设定一个阈值，用于判断是否检测到帧起始位置；
c)预先设定系统中存在的最大载波频率偏差Δf_max，根据Δf_max确定长度L_max；若帧同步序列长度超过L_max，则当载波频率偏差为Δf_max时，其在序列内引起的相位偏差的变化范围将超过θ_max；
根据L_max确定一个满足条件L_b≤L_max的分段长度L_b；将发送端使用的帧同步序列作为本地序列，并将本地序列划分为K段；其中K为大小不小于N/L_b的最小整数；
d)接收端，将接收到的信号样点序列与本地序列做分段互相关：将相关窗内的接收信号样点序列划分为K段，每段分别与对应的本地序列分段进行互相关，将所有的分段相关结果累加；其中相关窗是通用术语，指当前参与相关运算的所有信号样点的范围；
e)接收端，对上述步骤d)中求得的分段互相关结果进行能量归一化：将相关结果除以相关窗内所有接收信号样点的总能量；
f)接收端，将上述步骤e)中所得的能量归一化分段互相关结果与步骤b)中设定的阈值进行比较和检测：若能量归一化相关结果超过设定阈值，则此时相关窗的起始位置即为帧同步起始位置；否则，继续逐点滑动相关窗，进行分段互相关运算，直至找到帧同步起始位置。
进一步，在上述步骤c)中，确定长度L_max的方法如下：
设信号带宽为f_band，当载波频率偏差为Δf_max时，其在长度为L的帧同步序列内引起的相位偏差为θ＝2π·Δf_max·L/f_band，且θ≤θ_max，则2π·Δf_max·L/f_band≤θ_max，可得到：
其中，表示不超过括弧内数值的最大整数。通常情况下，当帧同步序列中由载波频率偏差引起的相位偏差超过π/2时，互相关峰值有较大幅度的降低。因此，θ_max取π/2附近的值比较合适，f_band和Δf_max则根据具体的系统确定。
进一步，在上述步骤c)中，确定分段数目K的方法如下：
对帧同步序列进行分段后，需要使各段子序列内由载波频率偏差引起的相位偏差不超过θ_max，因而分段数目K必须满足K≥N/L_max；此外，对帧同步序列进行分段，会破坏序列的相关特性，分段越多，则序列的相关特性越差。因此，通常可以令L_b＝L_max，且K取表示不小于括弧内数值的最小整数。
进一步，在上述步骤d)中，将接收到的信号样点序列与本地序列做分段互相关的具体方法如下：
设本地序列(即发送端发送的原始帧同步序列)为S_t＝{s_t(1)，s_t(2)，…，s_t(N)}，接收端相关窗内的信号样点序列为R_t＝{r_t(1)，r_t(2)，…，r_t(N)}，其中N为帧同步序列长度，则接收端相关窗长度也为N。由上述步骤b)确定的分段长度为L_b，则分段数为各分段的互相关值为


…

将各分段的互相关值的模值的平方相加，即可得到分段互相关值的模值的平方
|corr|²＝|corr(1)|²+|corr(2)|²+…+|corr(K)|²
为了计算方便，可以直接将分段互相关值的模值的平方|corr|²作为判决量，与相应的阈值进行比较，从而省去开方运算。
上述信号样点序列划分的段数与本地序列划分的段数相同。
进一步，在上述步骤e)中，能量归一化是将互相关结果除以相关窗内所有接收信号样点的总能量，即能量归一化的分段互相关结果为Dcorr＝|corr|²/P_r；其中，Pr=Σn=1N|rt(n)|2]]>为相关窗内接收信号样点序列的总能量。
本发明的技术效果在于：
本发明提出的基于分段互相关的帧同步方法，在存在较大载波频率偏差的情况下仍然能够准确地估计出物理层帧的起始位置。而且，与现有常用方法相比，该方法只需实现一个滑动相关器，从而节省了硬件资源，提高了硬件资源利用率。
附图说明：
图1现有数字通信系统流程图；
图2现有基于互相关方法的帧同步模块结构框图，其中：
‘Z^-1’表示一个寄存器单元；            ‘×’表示乘法器；
‘+’表示加法器；                      ‘/’表示除法器；
‘|·|²’表示求模值平方的运算单元；    ‘>T？’表示与阈值进行比较的逻辑单元；
‘Gate’表示门开关，若相关结果大于阈值，则允许信号输出；
图3现有基于互相关方法的帧同步模块结构框图；
图4本发明提出的基于分段互相关方法的帧同步模块结构框图，其中：
‘Z^-1’表示一个寄存器单元；            ‘×’表示乘法器；
‘+’表示加法器；                      ‘/’表示除法器；
‘|·|²，表示求模值平方的运算单元；    ‘>T？’表示与阈值进行比较的逻辑单元；
‘Gate’表示门开关，若相关结果大于阈值，则允许信号输出；
图5现有技术中不存在载波频率偏差情况下的能量归一化相关结果；
图6现有技术中存在较大载波频率偏差情况下的能量归一化相关结果；
图7现有技术中存在较大载波频率偏差情况下的未进行能量归一化相关结果；
图8本发明提出的不存在载波频率偏差情况下的能量归一化相关结果；
图9本发明提出的存在较大载波频率偏差情况下的能量归一化相关结果。
具体实施方式：
以下结合附图详细描述本发明提出的基于分段互相关的帧同步方法，但不构成对本发明的限制。
现有数字通信系统的组成部分如图1所示。发送端，数据源模块产生二进制数据流；数字调制模块对二进制数据流进行调制，得到数据符号流d_s(n)；帧同步序列插入模块在d_s(n)前插入帧同步序列s_t(n)，得到发送信号s(n)。接收端，帧同步模块利用接收信号中的帧同步序列检测物理层帧的起始位置，从而确认当前接收信号是否为数据符号流d_r(n)；数字解调模块对d_r(n)进行解调，得到二进制数据流，并将其输出。
不考虑载波频率偏差的情况下，现有系统中基于互相关方法的帧同步模块的结构图如图2所示。为了克服较大的载波频率偏差对帧同步的影响，现有系统中的常用帧同步模块如图3所示。帧同步步骤如下：
1、根据系统中出现的最大载波频率偏差Δf_max确定频率扫描的步距Δf以及扫描范围[-MΔf，MΔf]；其中，MΔf≥Δf_max：
2、帧同步模块将接收信号调制到各扫描频率点上，必有一路调制后的信号的残余载波频率偏差不超过Δf，从而使残余载波频率偏差在相关窗内的信号样点序列中引起的相位偏差的变化范围不超过2π·Δf·N/f_band。设置Δf，即可确保图3中的多路互相关结果中必有一路受载波频率偏差的影响较小，其相关峰值与不存在载波频率偏差时相当；
3、在互相关器中，求得相关窗内的接收信号样点序列与本地序列的互相关值的模值的平方，并将其除以相关窗内接收信号样点序列的总能量以进行归一化；
4、在比较器中，比较各路互相关器输出的归一化互相关结果，并选择其中的最大值作为最终的互相关结果；
5、在检测器中，将比较器输出的互相关结果与阈值进行比较：若大于阈值，则此时相关窗的起始位置即为帧同步起始位置；否则，继续逐点滑动相关窗，进行分段互相关运算，直至找到帧同步起始位置。
图3中，每一路互相关器的结构均与图2所示的帧同步模块类似，只是无需将相关结果与阈值进行比较。因此，图3所示帧同步模块的硬件资源消耗约为图2所示帧同步模块的2M倍。此外，在完成对载波频率偏差的估计和纠正之后，则帧同步时不再需要对接收信号进行频率扫描，实际只需保留一路互相关器，从而使其它2M-1个互相关器闲置，造成硬件资源利用率低下。
本发明对现有系统中的帧同步模块进行了改进，改进后的帧同步模块的结构框图如图4所示。本发明的帧同步步骤如下：
1、根据系统中的最大载波频率偏差Δf_max确定对帧同步序列进行分段后各段的子序列长度Lb以及分段数目K；
2、相关窗内，各分段中的接收信号样点子序列和本地子序列{s_{t_1}，s_{t_2}，…，s_{t_K}}分别进行互相关运算，并求出所得互相关值的模值的平方，得到各分段的互相关结果；
3、将各分段的互相关结果相加，得到相关窗内接收信号样点序列与本地序列的分段互相关结果；
4、对上述步骤3中获得的分段互相关结果进行能量归一化，即将其除以相关窗内接收信号样点序列的总能量；
5、将上述步骤4中所得的能量归一化分段互相关结果与阈值进行比较：若大于阈值，则此时相关窗的起始位置即为帧同步起始位置；否则，继续逐点滑动相关窗，进行分段互相关运算，直至找到帧同步起始位置。
与现有基于互相关方法的帧同步模块相比，本发明提出的基于分段互相关的帧同步方法仅增加了一些用于求信号模值平方的运算单元。当存在较大的载波频率偏差时，仍然只需要一路相关器，而无需如图3中的帧同步模块利用多路互相关器在不同频率点上进行互相关运算。而且，在完成对载波频率偏差的估计和补偿之后，同样可以利用图4所示的帧同步模块进行帧同步。因此，本发明提出的分段互相关方法大大节省了硬件资源的消耗，并提高了硬件资源利用率。
下面列举两个实施例说明较大的载波频率偏差对互相关结果的影响，以及本发明提出的分段自相关方法在存在较大载波频率偏差情况下的帧同步能力。
实施例1
设采用长度为63的m序列作为帧同步序列，其生成多项式为p(z)＝z⁶+z⁵+1。同时，设信道中的信噪比为20dB。在不存在载波频率偏差的情况下，图2所示的帧同步模块在帧起始位置附近的互相关曲线如图5所示；在存在大小为f_band/64的载波频率偏差的情况下，图2所示的帧同步模块在帧起始位置附近的互相关曲线如图6所示。
比较图5和图6中的互相关曲线的峰值可知，与不存在载波频率偏差的情况相比，在存在大小为f_band/64的载波频率偏差的情况下，通过现有的互相关方法无法实现准确的帧同步。需要注意的是，图6中没有出现相关峰是由于对相关结果进行了能量归一化，图7为未进行能量归一化的互相关结果。
实施例2
接例1，设θ_max为π/2，有：


设L_b＝L_max＝16，则分段数目四个分段的子序列长度分别为16、16、16和15。分段互相关会使互相关值有所降低，但合理设置m序列的起始状态，能够使这一影响几乎可以忽略不计。本例中，设各段子序列分别为
s_{t_1}＝{1，-1，-1，-1，-1，1，1，-1，-1，-1，1，-1，1，-1，-1，1}，s_{t_2}＝{1，1，1，-1，1，-1，-1，-1，1，1，1，-1，-1，1，-1，-1}，
s_{t_3}＝{1，-1，1，1，-1，1，1，1，-1，1，1，-1，-1，1，1，-1}，s_{t_4}＝{1，-1，1，-1，1，1，1，1，1，1，-1，-1，-1，-1，-1}。
在不存在载波频率偏差的情况下，图4所示的帧同步模块在帧起始位置附近的互相关曲线如图8所示；存在大小为f_band/64的载波频率偏差的情况下，图4所示的帧同步模块在帧起始位置附近的互相关曲线如图9所示。由图8可知，不存在载波频率偏差的情况下，分段互相关结果与图5中的互相关结果差别不大，说明合理选择帧同步序列的起始状态，能够有效降低分段互相关对相关结果的影响。由图9可知，本发明在存在较大载波频率偏差的情况下，基于分段互相关的帧同步方法能够克服载波频率偏差对互相关结果的影响，仍然能够准确的估计出帧起始位置。
尽管为说明目的公开了本发明的具体实施例和附图，其目的在于帮助理解本发明的内容并据以实施，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。本发明不应局限于本说明书最佳实施例和附图所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。