[發明專利]一種低信噪比下的快速時頻同步方法

有效

• 申請號: 201310480452.X
• 申請日: 2013-10-15
• 公開（公告）號: CN103580718A
• 公開（公告）日: 2014-02-12
• 發明（設計）人: 張廷廷;田亞飛;關曉磊;王云路;黃李峰;楊晨陽
• 申請（專利權）人: 北京航天科工世紀衛星科技有限公司;北京航空航天大學
• 主分類號: H04B1/7073
• 分類號: H04B1/7073;H04L25/03;H04L7/00
• 代理公司: 北京理工大學專利中心 11120
• 代理人: 高燕燕;仇蕾安

技術領域

本發明涉及一種在低信噪比環境下快速完成時間和頻率同步的方法，屬于無線通信的技術領域。

背景技術

在基于擴頻的現代無線通信系統中，通常使用發射機與接收機進行數據傳輸，擴頻序列由發射機發出，使用接收機找到擴頻序列的邊界并進行接收。由于發射機和接收機中振蕩器的不穩定性，收發機普遍存在一定數值的頻偏，而當收發機處于高速運動時，還會受到多普勒頻移的影響。

因此在數據傳輸開始之前，對發射機與接收機進行時間同步和頻率同步。其中時間同步的目的是找到擴頻序列的邊界；頻率同步的目的是使接收機和發射機的載波頻率保持一致，以消除頻率偏移對數據解調的影響。

由于接收機并沒有擴頻序列邊界的先驗知識，時間同步信息需要從接收信號中提取。擴頻系統的時間同步往往可以通過滑動相關的方法來完成。在接收機中使用本地擴頻序列與接收信號進行滑動相關，相關峰值的位置即是擴頻序列的起始時刻。而若系統存在頻偏，，頻偏的存在使接收信號上疊加一個變化的相位，在一個序列周期內，前半段的相位與后半段的相位可能相差超過π/2，從而在本地序列與接收信號進行相關時即使滑動到正確同步的位置也得不到相關峰值，此時則需要先把頻偏估計出來并進行補償，然后才能進行時間同步。

在高信噪比的系統中，一般利用前后兩個時刻信號的相位差進行頻偏估計。在包傳輸的擴頻通信系統中，數據包的開始階段會發送周期重復的訓練序列，雖然此時并不知道序列的邊界，但是我們知道某一時刻的信號與相隔一個序列周期后的信號在沒有頻偏的時候是相同的，因此利用這兩個時刻信號的相位差就可以估計出頻率偏移的值。使用前后差分的方法計算信號相位差，即用前一個點的共軛與后一個點相乘，然后取乘積的相位，即為相位差。

在低信噪比的系統中，這種基于前后差分的相位差估計方法會存在很大的誤差，這是因為前后兩個采樣點中的噪聲功率將大于期望信號的功率，在兩個點做共軛相乘的時候，噪聲項的乘積會遠大于信號項的乘積，即使用大量信號進行平均以后可能依然如此，因而相位差估計性能會嚴重惡化。

在低信噪比的系統中，一般使用基于假設檢驗的方法進行時間和頻率的聯合同步。其基本思想是，在已知的頻率偏移范圍內，取一系列頻點作為可能的頻偏取值，然后在每一個取值假設下對接收信號進行頻偏補償和滑動相關；最后在所有的滑動相關峰值里選出一個最大值，其對應的頻率假設即是頻偏估計值，而相應的相關峰值位置即是時間同步值。這種方法可以解決低信噪比下的時頻同步問題，但是由于要在一系列頻偏假設下做滑動相關，這種方法的復雜度很高。在M_f個頻點假設下，采用并行計算需要M_f倍的資源，采用串行計算則需要M_f倍的時間。

發明內容

有鑒于此，本發明提供了一種低信噪比下的快速時頻同步方法，該方法解決了在低信噪比的條件下，使用傳統算法進行時頻同步的效率低、計算量大的問題，縮短了時頻同步所需要的時間，并降低了計算復雜度。

為達到上述目的，本發明的技術方案為：

一種低信噪比下快速時頻同步方法，該方法用于發射端與接收端之間進行信號的時頻同步，具體包括以下各步驟：

步驟1、發射端發射數據包，其中數據包的前同步頭中使用周期重復的線性調頻序列作為擴頻序列；數據包前同步頭中線性調頻序列的重復周期數為M_AGC+n，其中M_AGC是接收端進行自動增益控制所需的重復次數，n≥3；

所述線性調頻序列的周期為N，即一個線性調頻序列包含N個碼片，碼片寬度為T_c；

步驟2、接收端取一個周期的上述線性調頻序列作為本地序列，接收端接收到數據包后，從t時刻開始取一個周期的數據包前同步頭中的擴頻序列與接收本地序列做滑動相關，獲得第一個相關峰值，其中第一個相關峰值出現的位置為t_p；

步驟3、間隔ΔT時間后，從t+ΔT時刻開始再取一個周期的數據包前同步頭中的擴頻序列與本地序列做滑動相關，獲得第二個相關峰值；

步驟4、采用前后差分的方法求出第一個相關峰值與第二個相關峰值的相位差Δθ，并得到頻偏估計值為接收端使用該頻偏估計值對數據包進行頻偏補償，完成頻率同步；

步驟5、計算頻偏導致的相關峰值位置偏移量n_d＝round(f_dNT_c)，則擴頻序列起始位置為t_p+n_dT_c，完成時間同步。