CN113067601B - 提高直扩系统、直扩电力抄表系统初始同步性能的系统、方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种提高直扩系统初始同步性能的系统、方法及在直扩电力抄表系统中的应用，属于物联网通信领域，系统包括接收基带信号单元，相关计算单元，前导分段数据相关峰值搜索单元，频率偏差计算单元，本地一比特前导码片生成分段码片单元，分段码片生成本地基带信号单元；接收来自射频单元的数据，完成自动增益控制，模数转化，形成数字基带数据；根据扩频码和扩频因子的要求，生成本地前导码片序列，将码片序列分成多段码片序列；将已经分段好的码片序列进行调制处理，生成对应的基带数据；对本地前导分段码片基带数据和接收基带信号进行相关计算，搜索得到前导比特的开始和结束位置；使用相关似然值进行频率估算，得到频率偏差。

Description

提高直扩系统、直扩电力抄表系统初始同步性能的系统、方法

技术领域

本发明属于物联网通信领域，涉及一种提高直扩系统初始同步性能的系统、方法及在直扩电力抄表系统中的应用。

背景技术

直接序列扩频(Direct Sequence Spread Spectrum,DSSS)技术，简称直扩技术，是将一位数据编码为多位序列，称为一个“码片”。例如，数据比特“0”用码片“00100111000”编码，数据比特“1”用码片“11011000111”编码，数据串“010”则编码为“00100111000”，“11011000111”。“00100111000”。

直接序列扩频存在抗干扰能力强，抗多径干扰能力强，抗截获能力强，可同频工作，便于实现多址通信等优点，直接序列扩频技术在军事通信和机密工业中得到了广泛的应用，现在甚至普及到一些民用的高端产品，例如信号基站、无线电视、蜂窝手机、无线婴儿监视器等，是一种可靠安全的工业应用方案。

这里介绍一种直接序列扩频在电力抄表中使用的场景。电力抄表系统采用帧突发方式进行通信，电力抄表突发帧结构有三部分组成，即同步头(简称：SHR)，物理层帧头(简称：PHR) 和物理层服务数据单元(简称：PSDU)，其中SHR主要用于完成突发帧数据块搜索，频率同步，定时同步以及帧同步作用；PHR提供解析PSDU的信令；PSDU承载电力抄表的协议信令和业务数据内容。

在电力抄表的帧突发中，其中SHR分成两个部分，即前导(简称Preamble)和帧起始定界符 (SFD)，Preamble由多个0比特组成，在不同PSDU传输速率下，推荐使用Preamble比特0的长度不同。Preamble提供了接收端进行自动增益控制，帧突发侦测，突发数据块的频率和定时初步调整。

帧起始定界符SFD则由固定的比特序列组成，Preamble提供了接收端进行自动增益控制，帧突发侦测，突发数据块的频率和定时初步调整。帧起始定界符SFD指明Preamble结束位置以及物理层帧头PHR开始位置。

由于电力抄表采用直接扩频方式进行传输，所以SHR的Preamble和SFD数据同样也需要进行直接扩频之后才能进行传输，在该电力抄表应用场景中，Preamble采用固定的扩频因子256 进行直接扩频传输，而SFD则采用几种固定的扩频因子进行传输。

从理论来分析，在直接扩频序列中，扩频因子越大，则性能越好，所以在帧突发数据结构中Preamble的扩频因子采用256。

但是在实际工程中，接收端在接收帧突发数据之后，采用时域相关方式进行解调，由于 Preamble前导扩频因子增大，并且发送端和接收端存在初始频率差异，这直接影响到了接收端相关结果，研究发现，当收发两端基带不存在频率偏差场景，接收端相关峰非常明显。当收发两端基带存在200Hz的频率偏差场景，接收端相关峰依然明显，但是已经存在干扰。当收发两端基带存在400Hz的频率偏差场景，接收端已经存在多个相关峰，已经不能明确判定有效的相关峰值。但是实际工程中，收发两端的基带频率偏差一般都在1000Hz以上，极限情况可以达到2000Hz，所以在扩频因子采用256的时候，直接采用256码片进行相关处理，效果肯定不理想，对硬件时钟晶振提出太高要求。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种提高直接扩频通信技术同步精度的方法。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一方面，本发明提供一种提高直扩系统初始同步性能的系统，包括接收基带信号单元，相关计算单元，前导分段数据相关峰值搜索单元，频率偏差计算单元，本地一比特前导码片生成分段码片单元，分段码片生成本地基带信号单元；

所述接收基带信号单元接收来自射频单元的数据，完成自动增益控制，进行模数转化，形成数字基带数据；

所述本地一比特前导码片生成分段码片单元根据直扩系统中的扩频码和扩频因子的要求，生成本地前导码片序列，根据需要将码片序列分成多段码片序列；

所述分段码片生成本地基带信号单元将已经分段好的码片序列，进行调制处理，生成对应的基带数据；

所述相关计算单元对本地前导分段码片基带数据和接收基带信号进行相关计算，每接收一个码片符号数据，进行一次相关计算；

所述前导分段数据相关峰值搜索单元用于对相关计算单元计算结果进行搜索，得到前导比特的开始和结束位置；

所述频率偏差计算单元使用相关计算单元得到的相关似然值进行频率估算，得到频率偏差。

进一步，所述频率偏差计算单元根据确定的多个相关值，首先计算出相邻两个相关峰的相位差，然后计算两个相邻相关峰之间的时间间隔，最后计算出接收端和发射端之间基带的频率偏差，进行基带频率调整。

另一方面，本发明提供一种提高直扩系统初始同步性能的方法，包括以下步骤：

步骤1：接收端根据扩频因子和扩频码本地生成一个前导比特的码片序列，令前导扩频因子为N，则一个比特前导数据生成N个码片序列数据；

步骤2：将生成的一比特前导码片序列分成K段码片数据，亦称分段码片序列，每个分段码片数据的长度记为S，S满足S＝(N/K)关系，然后将分段码片序列进行调制处理，形成本地前导基带信号；令接收端采用m倍码片速率对接收到基带信号进行抽样，则对本地分段码片序列调制信号，同样进行m倍升采样处理，即对本地分段码片序列调制信号中每个数据进行m次重复；

步骤3：接收帧突发数据，形成基带数据流，基带数据流是基带信号m倍升采样；

步骤4：接收到的基带数据流和本地分段码片序列调制信号分别进行相关计算；接收端每接收一个采样数据，则和本地分段码片序列调制信号一次相关计算，则每次得到K个相关峰值；

步骤5：接收端对相关峰进行搜索，如果存在K个明显的相关峰值，则表明接收端已经搜索到帧突发中一个比特0的前导基带信号；

步骤6：接收端根据相关峰的位置，确定前导比特的开始和结束位置，然后使用相关峰的相关值计算出相邻两个相关峰值之间的相位差，并且使用两个相关峰之间的位置差计算出两个相关峰之间时间长度，计算出接收端和发送端之间的基带信号频率差；

步骤7：接收端使用步骤6计算得到的基带信号频率差对接收基带信号进行频率调整。

再一方面，本发明提供一种提高直扩电力抄表系统初始同步性能的系统，所述直扩电力抄表系统采用帧突发方式进行传输，每个突发数据块由SHR，PHR和PSDU组成，采用偏移四相相移键控OQPSK调制方式进行调制；

电力抄表接收前导由电力抄表信号接收模块、本地前导码片数据生成模块、本地前导基带数据生成模块、前导相关计算模块，前导分段数据相关峰值搜索模块和频率同步计算模块组成；

电力抄表信号接收模块，接收端从射频前端接收到的信号，进行下变频处理，然后进行模数转化，在接收端采用8倍码片速率升采样方式处理，得到8倍速的I/Q两路基带数字信号；

本地前导码片数据生成模块，前导采用固定扩频因子256，前导一个比特0，扩频成256个码片序列，然后采用16段或8段两种方式对码片进行分段处理，形成两种基带码片分段数据；

本地前导基带数据生成模块，在接收端本地将基带码片分段数据进行OQPSK调制，形成I和Q两路数据，分段前导基带数据进行8倍升采样，在16分段的情况下，生成16组 16x8的分段前导基带数据；在8分段的情况下，生成8组32x8的分段前导基带数据；

前导相关计算模块，完成接收到的基带数字信号和分段前导调制基带数据进行相关计算，每收到一个基带数字信号采样值，则进行一次相关计算，得到16个或8个相关值；

前导分段数据相关峰搜索模块，对前导相关模块计算得到16个或8个相关值进行求模计算，得个16个或8个相关峰值，如果16个或8个相关峰值大于一定门限，则确定接收端搜索到一个有效前导0比特基带信号；

频率同步计算模块，根据确定的16或8个相关值，首先计算出相邻两个相关峰的相位差，然后计算两个相邻相关峰之间的时间间隔，最后计算出接收端和发射端之间基带的频率偏差，用于电力抄表信号接收模块进行基带频率调整。

进一步，本地分段原理包括以下内容：

首先采用收到256×8个I/Q采样数据和后续收到256×8个I/Q采样数据进行相关计算，如果存在明显相关峰值，则表明接收端搜索到两个前导0比特的码片开始和结束位置；

接收端接收256×8个I/Q数据，本地生成的256码片I/Q基带数据，基带数据总长度为256×8，第一次分段分成16段本地基带信号，每段基带信号长度为16×8，用于频率粗调；

接收端接收256x8个I/Q数据，本地生成的256码片I/Q基带数据，基带数据总长度为 256x8，第二次分段分成8段本地基带信号，本地每段基带信号长度为32x8，用于频率精调；

完成频率调整，过程中采用256x8长度的前导码片基带信号和接收信号直接相关计算，计算出相关峰值，进行第一次模糊相位调整，再采用相同的方法进行第二次相位调整。

进一步，相关计算包括以下内容：

前导比特0生成的256个码片，生成的I/Q两路数据，采用复数方式进行表示，实部表示I路，虚部表示Q路，则发送端发送的基带数据表示为：

(a₁+b₁j),(a₂+b₂j),...,(a₂₅₆+b₂₅₆j)

发送端发送的基带信号采用极坐标方式表示为：

本地生成的基带信号表示为：

相关计算，记为两个信号的共轭相关，再累加处理，采用公式表示为：

进一步，频率偏差计算方法包括：

根据相关计算得到的xCorr值，每次计算都得到be^jΨ，绝对值abs(be^jΨ)即为相关峰值，Ψ为相关相位，两个相邻相关峰的相关差ΔΨ为收发两端的相位偏差，Δt表示两个相邻相关峰的时间长度；

2πΔfΔt＝ΔΨ

即收发两端基带信号频率偏差Δf表示为：

Δf＝ΔΨ/(2πΔt)。

在计算得到频率偏差后，还消除相位模糊，即在接收信号上乘以_e ^-jΨ。

进一步，电力抄表的帧前导搜索过程包括：

电力抄表系统中帧搜索或帧头搜索在接收端完成，接收端连续收到来自发送端的帧突发数据，经过射频前端，下变频，最后通过8倍码片速率进行采样得到I/Q两路基带信号；

本地前导码片分段方式一为：本地前导一个0比特，根据直扩电力抄表规范要求，生成 256个码片，将256码片序列数据分成16段，每段长度为16的分段码片序列；根据直扩电力抄表规范要求采用OQPSK进行调制，形成16个I/Q两个通道的本地基带数据；最后将 16个I/Q本地基带数据继续进行8倍升抽样处理；

使用16段分段基带数据信号和接收到的基带信号进行相关处理，每接收到一个抽样值，则计算一次16段的相关计算，得到16个相关峰值；

使用计算得到的16个相关值，初步计算出基带信号频率偏差，然后使用该频率偏差对接收到基带信号进行频率补偿；

本地前导码片分段方式二为：本地前导一个0比特，生成256个码片，将256码片序列数据分成8段，每段长度为32的分段码片序列，采用OQPSK进行调制，形成8个I/Q两个通道的本地基带数据；最后将8个I/Q本地基带数据继续进行8倍升抽样处理；

完成方式一和方式二两种本地基带信号分段进行相关计算和频率调整之后，采用非分段基带信号进行相关计算，得到一个相关值，使用该相关值的相位进行相位补偿。

本发明的有益效果在于：在直扩系统中，并且采用帧突发方式进行发送，由于在收发两端存在时钟频率偏差，所以导致了收发两端在基带信号上亦存在频率偏差，如果之间采用较长的扩频序列直接对接收到的信号进行相关计算，性能比较差，频率偏差到一定范围则无法使用，导致接收端无法搜索到来自发送端的帧突发信号。

鉴于此，本发明将较长的扩频码片序列，分段成较短的码片序列，使用较短的码片序列生成本地基带信号和接收到的基带信号进行相关计算，抑制了收发两端存在频率偏差对相关性能影响的问题。本发明使得收发接收机可以不使用高精度的晶振，降低了设备成本，通过软件方法依然可以达到很好的性能。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为分段码片工作原理图；

图2为直接扩频序列前导分段示意图；

图3为分段码片工作流程；

图4为直扩系统同步头发送流程；

图5为OQPSK调制示意图；

图6为电力抄表初始同步原理图；

图7为电力抄表本地Preamble分段相关原理图；

图8为接收端进行相关计算原理；

图9为电力抄表前导同步过程；

图10为不存在频率偏差的场景，其中(a)为没有分段进行相关结果图，(b)16分段进行相关结果图，(c)为8分段进行相关结果图；

图11为收发基带信号存在200Hz频率偏差场景，其中(a)为没有分段进行相关结果图， (b)16分段进行相关结果图，(c)为8分段进行相关结果图；

图12为收发基带信号存在400Hz频率偏差场景，其中(a)为没有分段进行相关结果图， (b)16分段进行相关结果图，(c)为8分段进行相关结果图；

图13为收发基带信号存在2500Hz频率偏差场景，其中(a)为没有分段进行相关结果图， (b)16分段进行相关结果图，(c)为8分段进行相关结果图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

请参阅图1～图13，根据实际工程中存在的问题，本发明提出了一种直接序列扩频系统中前导码的解析方法，其基本方法就是将本地一个比特的前导扩频码片分成多段码片序列，简称为分段码片序列，使用每个分段码片序列形成本地基带信号和接收到的基带信号进行相关计算，然后使用相关峰值之间的相位差计算出频率偏差，使用该频率偏差对接收信号进行频率补偿。

本发明由接收基带信号单元，相关计算单元，前导分段数据相关峰值搜索单元，频率偏差计算单元，本地一比特前导码片生成分段码片单元，分段码片生成本地基带信号单元组成。如图1所示。

其中接收基带信号单元接收来自射频单元的数据，完成自动增益控制，进行模数转化，形成数字基带数据；本地一比特前导码片生成分段码片单元根据直扩系统中的扩频码和扩频因子的要求，生成本地前导码片序列，根据需要将码片序列分成多段码片序列；分段码片生成本地基带信号单元将已经分段好的码片序列，进行调制处理，生成对应的基带数据；相关计算单元完成本地前导分段码片基带数据和接收基带信号进行相关计算，每接收一个码片符号数据，进行一次相关计算；前导分段数据相关峰值搜索单元完成相关计算单元计算结果，搜索得到前导比特的开始和结束位置；频率偏差计算单元使用相关计算单元得到的相关似然值进行频率估算，得到频率偏差。

为了进一步说明本发明中一个前导比特数据码片的分段方法，具体如图2所示。假设在该直扩系统中，前导扩频因子为N，则一个前导比特直扩之后将形成N个码片的基带数据。将N个码片数据分成K个分段码片序列，每个分段码片序列长度为S个码片组成。其中N，K和S满足N＝KxS关系。

本发明的实施流程

步骤1：接收端根据扩频因子和扩频码本地生成一个前导比特的码片序列，假设前导扩频因子为N，则一个比特前导数据生成N个码片序列数据。如图3中1步。

步骤2：将生成的一比特前导码片序列分成K段码片数据，亦称分段码片序列，每个分段码片数据的长度记为S，S满足S＝(N/K)关系，然后将分段码片序列进行调制处理，形成本地前导基带信号。假设接收端采用m倍码片速率对接收到基带信号进行抽样，则对本地分段码片序列调制信号，同样进行m倍升采样处理，即对本地分段码片序列调制信号中每个数据进行m次重复。如图3中2步。

步骤3：接收帧突发数据，形成基带数据流，基带数据流是基带信号m倍升采样。如图 3中3步。

步骤4：接收到的基带数据流和本地分段码片序列调制信号分别进行相关计算。接收端每接收一个采样数据，则和本地分段码片序列调制信号一次相关计算，则每次得到K个相关峰值。如图3中4步。

步骤5：接收端对相关峰进行搜索，如果存在K个明显的相关峰值，则表明接收端已经搜索到帧突发中一个比特0的前导基带信号。如图3中5步。

步骤6：接收端根据相关峰的位置，确定前导比特的开始和结束位置，然后使用相关峰的相关值计算出相邻两个相关峰值之间的相位差，并且使用两个相关峰之间的位置差计算出两个相关峰之间时间长度，计算出接收端和发送端之间的基带信号频率差。如图3中6步。

步骤7：接收端使用步骤6计算得到的基带信号频率差对接收基带信号进行频率调整。如图3中7步。

为了更加清楚本发明在实际工程中应用，将采用在直扩电力抄表系统中进行说明。正如技术背景中介绍，直扩电力抄表系统采用帧突发方式进行传输，每个突发数据块由SHR，PHR 和PSDU组成。该系统采用偏移四相相移键控(简称：OQPSK)调制方式进行调制。其中的SHR 部分的发送链路如图4所示。

直扩电力抄表系统的前导链路和电力抄表同步头链路相同。同步数据准备好之后，分别经过差分编码、DSSS扩频、组帧、OQPSK调制，然后通过射频发送出去。其中，对于前导 Preamble比特，前导比特都是0比特组成，所以差分编码对于前导Preamble比特是没有作用。 DSSS扩频则采用电力抄表系统确定的扩频因子256的扩频码进行扩频。扩频码序列经过 OQPSK调制之后，提交射频前端将含有前导帧突发数据发送出去。其中OQPSK调制方式，码片序列到I和Q两个通道映射规则如图5所示。

在本实施例中，关于前导Preamble接收处理模块如图6所示，即电力抄表初始同步原理图。电力抄表接收前导由电力抄表信号接收模块、本地前导码片数据生成模块、本地前导基带数据生成模块、前导相关计算模块，前导分段数据相关峰值搜索模块和频率同步计算模块组成。

其中电力抄表信号接收模块，接收端从射频前端接收到的信号，进行下变频处理，然后进行模数转化(A/D变化)，为了提高解调性能，在接收端采用8倍码片速率升采样方式处理，即从射频接收到的帧突发数据，采用码片时钟的8倍进行采样，从而保证接收端接收信号的信号质量，最终得到8倍速的I/Q两路基带数字信号。

本地前导码片数据生成模块，根据电力抄表系统要求，采用前导中0比特定义的扩频码形成比特0的扩频序列。在本实施例中，前导采用固定扩频因子256。所以前导一个比特0，扩频成256个码片序列。然后对码片进行分段处理，在该实施例中，采用两种分段方式，即16段或8段两种方式，形成两种基带码片分段数据。

本地前导基带数据生成模块，在接收端本地将基带码片分段数据进行OQPSK调制，形成I和Q两路数据，亦称为分段前导基带数据，如图5所示。在该模块中，由在电力抄表信号接收模块中，采用了码片速率8倍进行抽样，所以分段前导基带数据同样进行8倍升采样。在16分段的情况下，生成了16组16x8的分段前导基带数据。在8分段的情况下，生成了8 组32x8的分段前导基带数据。

前导相关计算模块，完成接收到的基带数字信号和分段前导调制基带数据进行相关计算，每收到一个基带数字信号采样值，则进行一次相关计算，得到16或是8个相关值。

前导分段数据相关峰搜索模块，对前导相关模块计算得到16个或8个相关值进行求模计算，得个16个或8个相关峰值，如果16个或8个相关峰值大于一定门限，则确定接收端搜索到一个有效前导0比特基带信号。

频率同步计算模块，根据确定的16或8个相关值，首先计算出相邻两个相关峰的相位差，然后计算两个相邻相关峰之间的时间间隔，最后计算出接收端和发射端之间基带的频率偏差，用于电力抄表信号接收模块进行基带频率调整。

本实施例中，采用两种分段进行相关的原理，在直扩电力抄表系统中，由于Preamble前导采用扩频因子256，所以在收发两端还没有进行基带频率同步的情况下，直接采用256码片序列形成的OQPSK基带信号进行相关处理。由于在物联网中，由于考虑到设备成本，基本不能选择高精度的晶振，所以收发设备之间频率偏差比较大。导致了在工程实现时候不能直接使用256码片形成基带信号直接进行相关计算。

第一：在本实施例中，由于存在至少8个0比特作为前导数据，首先采用接收到基带数据前后进行相关计算，即采用收到256x8个I/Q采样数据和后续收到256x8个I/Q采样数据进行相关计算。如果存在明显相关峰值，则表明接收端搜索到两个前导0比特的码片开始和结束位置。如图7中(1)标注。

第二：接收端接收256x8个I/Q数据(8倍码片时钟速率抽样)，本地生成的256码片I/Q基带数据，基带数据总长度为256x8,第一次分段分成16段本地基带信号，即每段基带信号长度为16x8。如图7中(2)标注。用于频率粗调。

第三：接收端接收256x8个I/Q数据(8倍码片时钟速率抽样)，本地生成的256码片I/Q基带数据，基带数据总长度为256x8,第二次分段分成8段本地基带信号，即本地每段基带信号长度为32x8。如图7中(3)标注。用于频率精调。

第四：经过前面三个过程完成频率调整，这在该过程可以采用256x8长度的前导码片基带信号和接收信号直接相关计算，计算出相关峰值，进行第一次模糊相位调整。采用相同的方法进行第二次相位调整。如图7中(4)和(5)标注。

本发明中接收基带信号和本地基带信号进行相关计算的原理

第一：根据直扩电力系统OQPSK调制定义，前导比特0生成的256个码片，生成的I/Q两路数据，为了方便分析处理，采用复数方式进行表示，实部表示I路，虚部表示Q路。则发送端发送的基带数据可以表示为：(a₁+b₁j),(a₂+b₂j),...,(a₂₅₆+b₂₅₆j)，如图8中(1)标注。

第二：为了直观分析，发送端发送的基带信号采用极坐标方式表示为：

采用同样的方法，则本地生成的基带信号表示为：

如图8中(2)标注。

第三：相关计算，记为两个信号的共轭相关，再累加处理，采用公式表示为：

如图8中(3)标注。

假设在接收端接收到的前导基带序列和本地生成的前导基带序列，如果发送端和接收端工作频率相同，则在xCorr计算公式中的Ψ＝Φ_i-θ_i应该是一个固定值。如果收发两端基带工作频率不同，则相关序列越短，则ΔΨ值越稳定。

所以在发明中，首先使用16段较短的本地基带信号，然后使用8段较长的本地基带信号，最后使用整个比特对应的扩频基带信号进行相关计算。

第四：频率偏差计算方法

根据相关计算得到的xCorr值，每次计算都可以得到be^jΨ，其中的b的绝对值abs(be^jΨ) 就是相关峰值，Ψ就是相关相位。两个相邻相关峰的相关差ΔΨ可以认为收发两端的相位偏差。Δt表示两个相邻相关峰的时间长度。

2πΔfΔt＝ΔΨ

即收发两端基带信号频率偏差Δf表示为：

Δf＝ΔΨ/(2πΔt)

第五：关于相位模糊(相位同步)

接收端相位模糊，即使在发送端和接收端频率同步情况，同样存在相位模糊问题，理论上具体表现在相关计算的时候，由于存在发送端和接收相位偏差，存在一个固定的Ψ值，消除相位模糊就是在接收信号上乘以一个e^-jΨ。那么收发信号进行相关的结果就是一个实数。需要说明的，在同步搜索和频率补偿过程中，仅仅关心相关峰值以及相位差值。并且在实际工程中，收发两端基带不能完全同步，需要实时进行相位补偿。

本发明完成电力抄表的帧前导搜索过程

步骤1：电力抄表系统中帧搜索或是帧头搜索是在接收端完成，接收端连续收到来自发送端的帧突发数据，经过射频前端，下变频，最后通过8倍码片速率进行采样得到I/Q两路基带信号。如图9中1步。

步骤2：本地前导码片分段方式一。本地前导一个0比特，根据直扩电力抄表规范要求，生成256个码片，将256码片序列数据分成16段，每段长度为16的分段码片序列。根据直扩电力抄表规范要求采用OQPSK进行调制，形成16个I/Q两个通道的本地基带数据。最后将16个I/Q本地基带数据继续进行8倍升抽样处理，本质就是将每个I/Q数据重复8次，形成16段本地I/Q基带信号，每段信号长度为16x8。如图9中2步。

步骤3：使用16段分段基带数据信号和接收到的基带信号进行相关处理，每接收到一个抽样值，则计算一次16段的相关计算。得到16个相关峰值。如图9中3步。

使用计算得到的16个相关值，初步计算出基带信号频率偏差，然后使用该频率偏差对接收到基带信号进行频率补偿。

步骤4：本地前导码片分段方式二。本地前导一个0比特，生成256个码片，将256码片序列数据分成8段，每段长度为32的分段码片序列。根据直扩电力抄表规范要求采用OQPSK进行调制，形成8个I/Q两个通道的本地基带数据。最后将8个I/Q本地基带数据继续进行8倍升抽样处理，本质就是将每个I/Q数据重复8次，形成8段本地I/Q基带信号，每段信号长度为32。如图9中4，5步。

步骤5：完成方式一和方式二两种本地基带信号分段进行相关计算和频率调整之后，最后采用非分段基带信号进行相关计算，得到一个相关值。经过步骤3和步骤4之后，非分段基带信号进行相关计算得到相关值，使用该相关值的相位进行相位补偿。如图9中6，7，8 步。

本发明在实际直扩电力抄表系统中的性能，下面将使用收发两端存在不同频率偏差场景进行说明。根据本实施例的说明，分成(a)没有分段直接进行相关结果，(b)16分段进行相关结果，(c)8分段进行相关结果。

第一：不存在频率偏差的场景中，如图10所示。没有分段，以及采用16和8分段方式都存在很好的相关性能。

第二：存在频率偏差200Hz的场景中，如图11所示。没有分段，以及采用16和8分段方式都存在很好的相关性能。表明收发两端基带信号存在频率偏差200Hz不影响接收端的接收性能，即不采样分段方式也能正常接收。

第三：存在频率偏差400Hz的场景中，如图12所示。采用16和8分段方式都存在很好的相关性能，但是没有分段直接相关计算，已经没有明显相关峰值。表明收发两端基带信号存在频率偏差400Hz场景，如果不采样前导分段处理，则不能正常搜索到前导信号。

第四：存在频率偏差2500Hz的场景中，如图13所示。采用不分段前导直接进行相关计算，没有明显相关峰值，采用16段分段前导进行相关的时候，虽然可以识别相关峰值，但是已经存在干扰，本来应该只有16个相关峰值，但是已经识别出19个相关峰值，但是这19个相关峰值依然有效，采用这个19个相关峰值进行频率调整之后，再次进行8段分段，依然能够得到较好的8个相关峰值。

从上面仿真来看，如果不使用本发明，那么接收端只能抑制200Hz的基带频率偏差，但是使用本发明方法之后，接收端可以抑制2500Hz的基带频率偏差。在该实施例中，即使选择了低成本的晶体，依然能够使用算法方式进行抑制收发两端存在的基带频率偏差。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种提高直扩系统初始同步性能的系统，其特征在于：包括接收基带信号单元，相关计算单元，前导分段数据相关峰值搜索单元，频率偏差计算单元，本地一比特前导码片生成分段码片单元，分段码片生成本地基带信号单元；

所述接收基带信号单元接收来自射频单元的数据，完成自动增益控制，进行模数转化，形成数字基带数据；

所述本地一比特前导码片生成分段码片单元根据直扩系统中的扩频码和扩频因子的要求，生成本地前导码片序列，根据需要将码片序列分成多段码片序列；

所述分段码片生成本地基带信号单元将已经分段好的码片序列进行调制处理，生成对应的基带数据；

所述相关计算单元用于对本地前导分段码片基带数据和接收基带信号进行相关计算，每接收一个码片符号数据，进行一次相关计算；

所述前导分段数据相关峰值搜索单元用于对相关计算单元计算结果进行搜索，得到前导比特的开始和结束位置；

所述频率偏差计算单元使用相关计算单元得到的相关似然值进行频率估算，得到频率偏差。

2.根据权利要求1所述的提高直扩系统初始同步性能的系统，其特征在于：所述频率偏差计算单元根据确定的多个相关值，首先计算出相邻两个相关峰的相位差，然后计算两个相邻相关峰之间的时间间隔，最后计算出接收端和发射端之间基带的频率偏差，进行基带频率调整。

3.一种提高直扩系统初始同步性能的方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：接收端根据扩频因子和扩频码本地生成一个前导比特的码片序列，令前导扩频因子为N，则一个比特前导数据生成N个码片序列数据；

步骤2：将生成的一比特前导码片序列分成K段码片数据，亦称分段码片序列，每个分段码片数据的长度记为S，S满足S＝(N/K)关系，然后将分段码片序列进行调制处理，形成本地前导基带信号；令接收端采用m倍码片速率对接收到的基带信号进行抽样，则对本地分段码片序列调制信号，同样进行m倍升采样处理，即对本地分段码片序列调制信号中每个数据进行m次重复；

步骤3：接收基带信号，形成基带数据流，基带数据流是基带信号m倍升采样；

步骤4：接收到的基带数据流和本地分段码片序列调制信号分别进行相关计算；接收端每接收移动一个采样数据，则和本地分段码片序列调制信号一次相关计算，则每次得到K个相关峰值；

步骤5：接收端对相关峰进行搜索，如果存在K个明显的相关峰值，则表明接收端已经搜索到帧突发中一个比特0的前导基带信号；

步骤6：接收端根据相关峰的位置，确定前导比特的开始和结束位置，然后使用相关峰的相关值计算出相邻两个相关峰值之间的相位差，并且使用两个相关峰之间的位置差计算出两个相关峰之间时间长度，计算出接收端和发送端之间的基带信号频率差；

步骤7：接收端使用步骤6计算得到的基带信号频率差对接收基带信号进行频率调整。

4.一种提高直扩电力抄表系统初始同步性能的系统，其特征在于：包括电力抄表信号接收模块、本地前导码片数据生成模块、本地前导基带数据生成模块、前导相关计算模块，前导分段数据相关峰值搜索模块和频率同步计算模块，用于提高直扩电力抄表系统的初始同步性能；

所述直扩电力抄表系统采用帧突发方式进行传输，每个突发数据块由SHR，PHR和PSDU组成，采用偏移四相相移键控OQPSK调制方式进行调制；

电力抄表信号接收模块，接收端从射频前端接收到的信号，进行下变频处理，然后进行模数转化，在接收端采用8倍码片速率升采样方式处理，得到8倍速的I/Q两路基带数字信号；

本地前导码片数据生成模块，前导采用固定扩频因子256，前导一个比特0，扩频成256个码片序列，然后采用16段或8段两种方式对码片进行分段处理，形成两种基带码片分段数据；

本地前导基带数据生成模块，在接收端本地将基带码片分段数据进行OQPSK调制，形成I和Q两路数据，分段前导基带数据进行8倍升采样，在16分段的情况下，生成16组16x8的分段前导基带数据；在8分段的情况下，生成8组32x8的分段前导基带数据；

前导相关计算模块，用于将接收到的基带数字信号和分段前导调制基带数据进行相关计算，每收到一个基带数字信号采样值，则进行一次相关计算，得到16个或8个相关值；

前导分段数据相关峰搜索模块，对前导相关模块计算得到16个或8个相关值进行求模计算，得个16个或8个相关峰值，如果16个或8个相关峰值大于一定门限，则确定接收端搜索到一个有效前导0比特基带信号；

频率同步计算模块，根据确定的16或8个相关值，首先计算出相邻两个相关峰的相位差，然后计算两个相邻相关峰之间的时间间隔，最后计算出接收端和发射端之间基带的频率偏差，用于电力抄表信号接收模块进行基带频率调整。

5.根据权利要求4所述的提高直扩电力抄表系统初始同步性能的系统，其特征在于：本地分段原理包括以下内容：

首先采用收到256×8个I/Q采样数据和后续收到256×8个I/Q采样数据进行相关计算，如果存在明显相关峰值，则表明接收端搜索到两个前导0比特的码片开始和结束位置；

接收端接收256×8个I/Q数据，本地生成的256码片I/Q基带数据，基带数据总长度为256×8，第一次分段分成16段本地基带信号，每段基带信号长度为16×8，用于频率粗调；

接收端接收256x8个I/Q数据，本地生成的256码片I/Q基带数据，基带数据总长度为256x8，第二次分段分成8段本地基带信号，本地每段基带信号长度为32x8，用于频率精调；

完成频率调整，过程中采用256x8长度的前导码片基带信号和接收信号直接相关计算，计算出相关峰值，进行第一次模糊相位调整，再采用相同的方法进行第二次相位调整。

6.根据权利要求5所述的提高直扩电力抄表系统初始同步性能的系统，其特征在于：相关计算包括以下内容：

前导比特0生成的256个码片，生成的I/Q两路数据，采用复数方式进行表示，实部表示I路，虚部表示Q路，则发送端发送的基带数据表示为：

(a₁+b₁j),(a₂+b₂j),...,(a₂₅₆+b₂₅₆j)

发送端发送的基带信号采用极坐标方式表示为：

本地生成的基带信号表示为：

相关计算，记为两个信号的共轭相关，再累加处理，采用公式表示为：

7.根据权利要求6所述的提高直扩电力抄表系统初始同步性能的系统，其特征在于：频率偏差计算方法包括：

根据相关计算得到的xCorr值，每次计算都得到be^jΨ，绝对值abs(be^jΨ)即为相关峰值，Ψ为相关相位，两个相邻相关峰的相关差ΔΨ为收发两端的相位偏差，Δt表示两个相邻相关峰的时间长度；

2πΔfΔt＝ΔΨ

即收发两端基带信号频率偏差Δf表示为：

Δf＝ΔΨ/(2πΔt)

在计算得到频率偏差后，还消除相位模糊，即在接收信号上乘以_e ^-jΨ。

8.根据权利要求4所述的提高直扩电力抄表系统初始同步性能的系统，其特征在于：电力抄表的帧前导搜索过程包括：

电力抄表系统中帧搜索或帧头搜索在接收端完成，接收端连续收到来自发送端的帧突发数据，经过射频前端，下变频，最后通过8倍码片速率进行采样得到I/Q两路基带信号；

本地前导码片分段方式一为：本地前导一个0比特，根据直扩电力抄表规范要求，生成256个码片，将256码片序列数据分成16段，每段长度为16的分段码片序列；根据直扩电力抄表规范要求采用OQPSK进行调制，形成16个I/Q两个通道的本地基带数据；最后将16个I/Q本地基带数据继续进行8倍升抽样处理；

使用16段分段基带数据信号和接收到的基带信号进行相关处理，每接收到一个抽样值，则计算一次16段的相关计算，得到16个相关峰值；

使用计算得到的16个相关值，初步计算出基带信号频率偏差，然后使用该频率偏差对接收到基带信号进行频率补偿；

本地前导码片分段方式二为：本地前导一个0比特，生成256个码片，将256码片序列数据分成8段，每段长度为32的分段码片序列，采用OQPSK进行调制，形成8个I/Q两个通道的本地基带数据；最后将8个I/Q本地基带数据继续进行8倍升抽样处理；

完成方式一或方式二两种本地基带信号分段进行相关计算和频率调整之后，采用非分段基带信号进行相关计算，得到一个相关值，使用该相关值的相位进行相位补偿。

Images