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1. (CN105991495) Timing synchronization method in physical layer
Примечание: Текст, основанный на автоматизированных процессах оптического распознавания знаков. Для юридических целей просьба использовать вариант в формате PDF
物理层中的定时同步方法


技术领域
本发明属于广播和通信技术领域,具体涉及一种物理层中的定时同步方法。
背景技术
在广播系统和通信系统中,接收端通常需要对物理层信号进行符号定时同步或帧定时同步,用于找出数据帧的初始位置,以便提取数据块用于解调。
比如DVB_T2系统中,每个帧结构中会设有前导符号,接收端需要检测出前导符号出现的位置,才能进行后续的处理。又比如DTMB系统,每个帧结构中都设有PN帧头,先传送该PN帧头而后传送系统信息和数据段,接收端需要检测出该PN帧头的位置,才会进行后续的数据段处理。
目前,无论是单载波系统还是多载波系统,帧定时同步或者符号定时同步都是接收机需要处理的必要环节,发端通常会插入已知信息或将已知信息隐藏在某段数据中,对于这种有已知信息的同步的方法有很多种,通常接收机会根据性能需求而选择不同的复杂度的算法。
随着通信标准的进一步演进,纠错码的能力显著增加,再加上分层传输等,要求系统初始的帧同步或者符号同步(比如前导符号同步等)工作在很低的信噪比下,比如-10dB以下,这时同步检测算法就成为系统的关键问题。通常的用已知信息与接收数据最大似然比(Max Likelihood,ML)相关的方法,可以有很好的性能,但这种算法受到载波频偏影响严重,当载波频偏达到一定时,相关峰值会被淹没。系统初始接入时往往会有载波频偏,因此需要在一定范围内扫频,然后每个频点进行ML相关。这样的算法对于短帧可行,但对于如DVB_T2这样的长帧则不可行,因为不可能存储整帧的数据,所以DVB_T2这样的系统,往往不采用已知序列而用延迟滑动相关的方法来进行帧同步,但却无法达到-10dB以下的性能。
发明内容
本发明解决的问题是,已有的利用已知信息进行同步检测方法受到载波频偏影响严重,尤其对于例如DVB_T2这样的长帧结构由于需扫频对每个频点进行ML相关而无法存储整帧的数据,那么已有的可抗频偏的利用延迟滑动相关进行同步检测方法却又无法达到较低信噪比(例如-10dB以下)的性能。
为解决上述问题,本发明实施例提供了一种物理层中的定时同步方法,用于利用已知信息进行传输的传输系统,其特征在于,包括如下步骤:步骤1:对接收到的物理帧进行处理得到基带信号,以获得基带数据;步骤2:基于传输系统的性能需求,按照预定差分选定规则选定出至少两个差分值;步骤3:针对每个选定的差分值,按照该差分值将基带数据进行差分运算且将与已知信息相对应的本地时域序列进行差分运算,再将所分别得到的两个差分运算结果进行互相关,得到对应于该差分值的差分相关结果,针对所有选定的差分值共计得到相对应的至少两个差分相关结果;步骤4:对该至少两个差分相关结果进行预定处理运算;以及步骤5:基于所得到的最终相关结果进行峰值检测和判断,完成帧定时同步或符号定时同步。
可选的,预定差分选定规则包括:差分值D(i)任意选择N个不同值且满足D(i)<L,其中L为已知信息相对应的本地时域序列的长度。
可选的,预定差分选定规则包括:差分值D(i)选择N个为等差数列的不同值且满足D(i)<L,即D(i+1)-D(i)=K,K为满足的常整数,其中L为已知信息相对应的本地时域序列的长度。
可选的,根据以上两项预定差分选定规则中的任意一项,预定处理运算包括:将至少两个差分相关结果通过加权绝对值相加或平均以得到最终相关结果。
可选的,根据以上第二项预定差分选定规则,预定处理运算包括:将每相邻的两个 差分相关结果通过以下公式进行共轭相乘,得到N-1个共轭相乘值,将N-1个共轭相乘值RM i,m 通过加权矢量相加 或平均以得到最终相关结果。
可选的,在步骤1对所接收到的物理帧进行处理得到基带信号中,当接收到的信号是模拟信号时,模数转换后得到数字信号,再进行滤波采样得到基带信号;当接收到的信号是中频信号时,模数转换后进一步进行频谱搬移,再进行滤波采样得到基带信号。
可选的,针对每个选定的差分值得到对应于该差分值的差分相关结果的步骤3中, 包括以下子步骤:步骤3-1:对所获得的基带数据r m 按照该一个差分值D进行差分运算m表示采样点序号,由载波频偏引起的相位旋转变成为固定的载波相位ej2πDΔf, Δf表示载波频率偏差;步骤3-2:相应同步地将本地时域序列进行差分运算L为已知信息相对应的本地时域序列的长度;以及步骤3-3:将 步骤3-1中差分后的基带数据和步骤3-2所得的本地差分序列进行互相关,通过以下公式得 到该一个差分值D的差分相关结果,
可选的,步骤5包括:由最终相关结果得到相关峰值且峰值不受载波偏差影 响,利用如下公式得到帧定时同步或符号定时同步的位置,
可选的,在步骤3中,将与已知信息相对应的本地时域序列进行差分运算,已知信息和本地时域序列之间的对应关系包含:当已知信息是时域信号时,发射端的前导符号或帧头的时域信号中就含有本地时域序列;当已知信息是频域信号时,通过离散反傅立叶变换得到与已知信息相对应的本地时域序列。
可选的,本发明实施例还包括以下步骤:根据传输系统的帧结构所具有的其它特性,相应地采用其它定时同步算法所得到的其它差分相关结果R other,m ;以及结合如权利要求1中对至少两个差分相关结果进行预定处理运算所得到的处理相关结果值R dc,m 和其它差分相关结果R other,m 进行延迟关系匹配后,进行加权平均或加权绝对值平均获得结合相关结果值,其中,将结合相关结果值作为最终相关结果,进行峰值检测和判断,完成帧定时同步或符号定时同步。
本发明实施例还提供了一种物理层中的定时同步方法,用于利用已知信息进行传输的传输系统,其特征在于,包括如下步骤:步骤1:对接收到的物理帧进行处理得到基带信号,以获得基带数据;步骤2:针对选定出的一个差分值,按照该差分值将基带数据进行差分运算且也将与已知信息相对应的本地时域序列进行差分运算,再将所分别得到的两个差分运算结果进行互相关,得到对应于该差分值的差分相关结果;步骤3:根据传输系统的帧结构所具有的其它特性,采用其它定时同步算法所得到的其它差分相关结果R other,m ;步骤4:将如步骤2所得到的差分相关结果R dc,m 和步骤3所得到其它差分相关结果R other,m 进行延迟关系匹配后,进行加权平均或加权绝对值平均获得最终相关结果;以及步骤5:基于最终相关结果进行峰值检测和判断,完成帧定时同步或符号定时同步。
与现有技术相比,本发明技术方案具有以下有益效果:
根据本发明所涉及的定时同步方法,因为利用差分后的基带数据和差分后的本地时域序列进行滑动相关,利用N个不同的差分值所得到N组滑动相关后的差分相关结果,对这些差分相关结果进行进一步预定处理运算,以滤除噪声,可达到较低信噪比(例如-10dB以下)的检测性能,同时,差分值的个数N是基于传输系统的性能需求来定的,实现了复杂度的平衡。另外,针对即使是选定出一个差分值这样的情况,也同样地用差分后的基带数据和差分后的本地时域序列进行相关得到差分相关结果,再结合采用其它定时同步算法所得到的其它差分相关结果R other,m ,进行延迟关系匹配后进行加权平均或加权绝对值平均,实现帧定时同步或符号定时同步。所以,本发明所提供的定时同步方法能够巧妙地利用了已知信息,滤除噪声可达到较低信噪比的性能,同时基于系统性能需求来确定差分值,实现复杂度的平衡,既能对抗频偏,又具有非常鲁棒的性能。
附图说明
图1是本发明的具体实施方式中实施例一的定时同步方法的流程示意图;
图2是本发明的具体实施方式中变形例的定时同步方法的流程示意图;以及
图3是本发明的具体实施方式中实施例二的定时同步方法的流程示意图。
具体实施方式
发明人发现现有技术中,已有的利用已知信息进行同步检测方法受到载波频偏影响严重,尤其对于例如DVB_T2这样的长帧结构由于需扫频对每个频点进行ML相关而无法存储整帧的数据,那么已有的可抗频偏的利用延迟滑动相关进行同步检测方法却又无法达到较低信噪比(例如-10dB以下)的性能。
针对上述问题,发明人经过研究,提供了一种物理层中的定时同步方法,根据本发明所涉及的定时同步方法,因为利用差分后的基带数据和差分后的本地时域序列进行滑动相关,利用N个不同的差分值所得到N组滑动相关后的差分相关结果,对这些差分相关结果进行进一步预定处理运算,以滤除噪声,可达到较低信噪比(例如-10dB以下)的检测性能,同时,差分值的个数N是基于传输系统的性能需求来定的,实现了复杂度的平衡。另外,针对即使是选定出一个差分值这样的情况,也同样地用差分后的基带数据和差分后的本地时域序列进行相关得到差分相关结果,再结合采用其它定时同步算法所得到的其它差分相关结果R other,m ,进行延迟关系匹配后进行加权平均或加权绝对值平均,实现帧定时同步或符号定时同步。所以,本发明所提供的定时同步方法能够巧妙地利用了已知信息,滤除噪声可达到较低信噪比的性能,同时基于系统性能需求来确定差分值,实现复杂度的平衡,既能对抗频偏,又具有非常鲁棒的性能。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂,下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
<实施例一>
本发明实施例提供了一种物理层中的定时同步方法。如图1所示是本发明的具体实施方式中定时同步方法的流程示意图。
参考图1,本实施例中,该定时同步方法适用于利用已知信息进行传输的传输系统。传输系统为广播系统或者通信系统。
若该传输系统是多载波系统,其前导符号包含已知信息。比如,前导符号基于OFDM符号生成,其OFDM符号在某些子载波上插入导频,那么该前导符号即包含已知信息。又或者,前导符号时域上基于两个时域信号的叠加,一个是传送信令的时域信号,一个是已知的时域序列,那么该前导符号也包含已知信息。
若该传输系统是单载波系统,其帧头序列包含已知信息。比如,DTMB系统中的PN帧头,包含945,595和420三种模式,则完全是已知时域序列,同样包含已知信息。帧头序列包含已知信息的情况,还有无线网络标准IEEE802.11a中的训练序列等。
本实施例针对上述各种包含已知信息的传输系统,提出一种通用的帧定时同步/符号定时同步方法,特别适用于帧长较长的传输系统,该定时同步方法包括如下步骤:
步骤S11:对接收到的物理帧进行处理得到基带信号,以获得基带数据;
步骤S12:基于所适用的该传输系统的性能需求,按照预定差分选定规则选定出至少两个差分值;
步骤S13:针对每个选定的差分值,按照该差分值将基带数据进行差分运算且也将与已知信息相对应的本地时域序列进行差分运算,再将所分别得到的两个差分运算结果进行互相关,得到对应于该差分值的差分相关结果,针对所有选定的差分值共计得到相对应的至少两个差分相关结果;
步骤S14:对该两个差分相关结果进行预定处理运算;以及
步骤S15:基于所得到的最终相关结果进行峰值检测和判断,完成帧定时同步或符号定时同步。
具体地,如步骤S11中所述,对接收到的物理帧进行处理得到基带信号。
通常接收端接收到的信号为模拟信号,因此需要先对其进行模数转换以得到数字信号,再进行滤波、下采样等处理后得到基带信号。
需要说明的是,若接收端接收到的是中频信号,在对其经过模数转换处理后还需要进行频谱搬移,然后再进行滤波、下采样等处理后得到基带信号。
具体地,举例来说,假设已知信息所对应的本地时域序列s n ,n=0,....,L-1,长度为L个采样点。如步骤S13中所述,将与所述已知信息相对应的本地时域序列进行差分运算,那么,已知信息和本地时域序列之间的对应关系包含以下两种情况:
(1)一种是已知信息本身就是时域信号,而发射端的前导符号或者帧头的时域信号t n 里就包含有本地时域序列s n ,比如t n =s n ,n=0,....,L-1或者t n =s n +x n ,n=0,....,L-1。
(2)另一种是已知信息是频域信号,比如导频信息,那么可通过离散反傅立叶变换IFFT的方式得到已知信息对应的时域信号。具体来说,频域上在导频子载波位置设置成已知导频值,其他子载波位置设置成零值,经和原符号相同size的IFFT后变得到已知信息所对应的本地时域序列,这里统称为S n ,n=0,....,L-1。
下面描述步骤S13中差分相关的具体过程,首先介绍每个选定的差分值得到对应于该差分值的差分相关结果,此单个差分值的差分相关过程为现有技术。
概述来说,就是确定差分值后,将接收基带数据进行按该差分值进行差分运算,将与已知信息所对应的本地时域序列也按差分值进行差分运算,然后再将这两个差分运算的结果进行互相关,得到对应于该差分值的差分相关结果。
具体来说,设该差分值为D,接收基带数据为r m ,上述步骤S13中每个差分值的差分相关过程,包括以下子步骤:
步骤S13-1:对所获得的基带数据 rm 按照该一个差分值D按照下列公式1进行差分运算,
(公式1)
其中,m表示采样点序号,经过差分运算后,由载波频偏引起的相位旋转变成为固定的载波相位ej2πDΔf,Δf表示载波频率偏差。
步骤S13-2:同时相应同步地,依照下列公式2将本地时域序列按同样差分值进行差分运算
(公式2)
其中,L为已知信息相对应的本地时域序列的长度。
本实施例中,本地时域序列按差分值进行差分运算可以是由接收端来硬件完成,也可以是,在接收系统中,本地时域序列按差分值进行差分运算这一步骤S13-2不由FPGA或ASIC来硬件实现,而是,预先通过软件计算出差分运算结果,且把该差分运算结果预存在rom或其他存储资源中,接收端通过仅要读取存储器的所预存的差分运算结果来实现。
步骤S13-3:将步骤S13-1中差分后的基带数据和步骤S13-2所得的本地差分序列进行互相关,通过以下公式3得到该一个差分值D的差分相关结果,
(公式3)
在系统没有多径,也没有噪声的情况下,可推导出下列公式4,
(公式4)
可以很好地给出相关峰,且峰值不受载波偏差影响。
从而具体地,步骤S15包括:由最终相关结果得到相关峰值且峰值不受载波偏差影响,利用如下公式5得到帧定时同步或符号定时同步的位置,
(公式5)
如上所述的差分相关算法可以对抗任意大载波频偏的影响,但是由于先对基带数据和与已知信息相对应的本地时域序列分别进行差分运算,这样的话,使得信号噪声增强,而且在低信噪比下,噪声增强非常严重,造成信噪比显著恶化。因此,像现有技术中选定一个差分值,从而仅产生一组差分相关结果,是无法达到非常鲁棒的性能,尤其在那些需要在接收门限在-10dB左右的传输系统中。
因此本实施例中,基于传输系统的性能需求,按照预定差分选定规则选定出至少两个差分值,在差分相关的基础上进行创新,使得检测性能得以明显改善。
本实施例中,步骤S12实施多组差分相关,比如差分值的数量个数N的取值为64。
通过步骤S13分别得到64组差分相关结果,分别表示为其中D(0),D(1),…,D(N-1)为选择的N个不同的差分值。
其中,在步骤S12中的多组差分相关(64组)按照预定差分选定规则被选定出的过程,可基于传输系统的性能需求采用以下两种中任意一种:
(1)第一预定差分选定规则:差分值D(i)任意选择N个不同值且满足D(i)<L,其中L为已知信息相对应的本地时域序列的长度。
(2)第二预定差分选定规则:差分值D(i)选择N个为等差数列的不同值且满足D(i)<L,即D(i+1)-D(i)=K,K为满足的常整数,其中L为已知信息相对应的本地时域序列的长度。
步骤S14对这N个结果(64个)进行预定处理运算,得到最终相关结果,这里的预定处理运算的优选实施例有两种,分别进行阐述。
第一种预定处理运算:
在步骤S12中,差分值D(i)可任意选择N个不同的值,满足D(i)<L。因为,所任意选择的差分值D(i),每组差分相关后的相位ej2πD(i)Δf i=0,...,N-1各不相同,不能直接矢量相加,所以仅能够加权绝对值相加或平均。通过以下公式6对N个不同的差分相关结果进行预定处理运算,得到最终差分结果。下式为绝对值相加得到最终差分结果的例子。
(公式6)
第二种预定处理运算:
在步骤S12中,差分值D(i)可任意选择N个不同的值,满足D(i)<L,且满足D(i)为等差数列,即D(i+1)-D(i)=K,K为满足的常整数。
在步骤S12按此规则选择的差分值,得到如的差分相关值后,再将相邻2组差分相关值进行共轭相乘,通过以下公式7得到N-1组共轭相乘后的值。
(公式7)
因为,通过此共轭相乘将原本每组不同的相位ej2πD(i)Δf变成了相同的ej2πKΔf,所以,通过以下公式8得到的N-1组RM i,m 可进行加权矢量相加或平均得到最终差分结果,以得到较之第一种预定处理运算更好的性能。下式为矢量相加得到最终差分结果的例子。
(公式8)
需要说明的是,当差分值D(i)是采用上述第二预定差分选定规则情况下,不仅可匹配述第二种预定处理运算中获得共轭相乘值再进行加权矢量相加或平均以得到最终相关结果,还可匹配按照上述第一预定处理运算中直接对至少两个差分相关结果通过加权绝对值相加或平均以得到最终相关结果。
通过步骤S13和步骤S14,R dc,m 可以很好地给出相关峰,且峰值不受载波偏差影响,那么,基于相关结果进行峰值检测和判断,帧同步/定时同步位置利用如下式9得到:
(公式9)
<变形例>
本发明人发现,如果传输系统的帧结构具有某些特点,那么进一步地,还可使得实施例一的技术方案结合利用到该传输系统所具有的其它特性。
于此,本发明还提出了一种上述实施例一的变形例,图2是本发明的具体实施方式中变形例的定时同步方法的流程示意图。在图2中步骤S11至步骤S14具有与实施例一相同的技术方案和步骤,因而采用同样的标记符号,在此处省略同样的说明。
参考图2,变形例中的定时同步方法,在步骤S14和步骤S15之间,还包括如下步骤:
步骤S14a:根据所述传输系统的帧结构所具有的其它特性,相应地采用其它定时同步算法所得到的其它差分相关结果R other,m ;以及
步骤S14b:结合上述对至少两个所述差分相关结果进行预定处理运算所得到的处理相关结果值R dc,m 和其它差分相关结果R other,m 进行延迟关系匹配后,进行加权平均或加权绝对值平均获得结合相关结果值。
在步骤S15中,将步骤S14b所得的结合相关结果值作为最终相关结果,进行峰值检测和判断,完成帧定时同步或符号定时同步。
本变形例中,上述步骤S14a中的其它差分相关结果R other,m ,可采用现有任意定时同步算法技术得到,本发明对此不做限制。举例来说,对于有循环结构的数据帧体(将数据帧体的连续的一部分复制到前部或尾部),或者是类似于循环前缀或后缀的数据帧体(将数据帧体的连续的一部分调制信号后复制到前部或尾部),则R other,m 可通过滑动自相关的方式获得,此为公开技术,不再详述。阐述的重点是,最后的R m 可基于R dc,m 和R other,m 进行延迟关系匹配后,按照加权平均或者加权绝对值平均的方式获得最终相关结果。最后,基于相关结果进行峰值检测和判断,通过公式得到帧同步/定时同步位置。
<实施例二>
除了实施例一和实施例二中这样利用至少两个差分值进行定位同步的技术方案,本发明人还发现,还可将已有技术中利用单个差分值进行定位同步的过程与采用其它定时同步算法得到的其它差分相关结果R other,m 相结合,用于解决单个差分值进行定位同步所带来的问题,例如仅产生一组差分相关结果,不能获得非常鲁棒的性能。
本发明还提出了一种物理层中的定时同步方法,图3是本发明的具体实施方式中实施例二的定时同步方法的流程示意图。
参考图3,实施例二中的定时同步方法,用于利用已知信息进行传输的传输系统,包括如下步骤:
步骤S21:对接收到的物理帧进行处理得到基带信号,以获得基带数据;
步骤S22:针对选定出的一个差分值,按照该差分值将基带数据进行差分运算且也将与所述已知信息相对应的本地时域序列进行差分运算,再将所分别得到的两个差分运算结果进行互相关,得到对应于该差分值的差分相关结果;
步骤S23:根据传输系统的帧结构所具有的其它特性,采用其它定时同步算法所得到的其它差分相关结果R other,m
步骤S24:将如步骤S22所得到的差分相关结果R dc,m 和步骤S23所得到其它差分相关结果R other,m 进行延迟关系匹配后,进行加权平均或加权绝对值平均获得最终相关结果;以及
步骤S25:基于最终相关结果进行峰值检测和判断,完成帧定时同步或符号定时同步。
其中,上述步骤S23中的其它差分相关结果R other,m ,可采用现有任意定时同步算法技术得到,本发明对此不做限制。本实施例二中,与上述实施例一和变形例中所相对应的技术要素,在此不再进行重复赘述。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上,但其并不是用来限定本发明,任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内,都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改,因此,凡是未脱离本发明技术方案的内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰,均属于本发明技术方案的保护范围。