CN116192585B - 基于离散分组导频结构的部分匹配滤波信号捕获方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于离散分组导频结构的部分匹配滤波信号捕获方法，主要解决现有技术频域捕获精度低的问题。其实现方案是：1)将本地分组导频序列插入已编码的信息序列，对其调制后送入信道发射；2)接收端将接收信号存入延迟寄存器：3)对延迟寄存器中的信号分组并提取出接收分组导频序列，利用分段匹配滤波器对本地导频分组序列和接收导频分组序列进行相关操作，对相关输出值进行FFT变换并取模值，记录其中的最大值，并对接收信号延迟一个采样信号；4)循环3)将记录的最大值序列与设定的阈值比较判断捕获结果，捕获成功时计算定时偏差估计值和频偏估计值。本发明降低了取样率，提升了频域捕获精度，可用于高速传输突发数字通信系统。

Description

基于离散分组导频结构的部分匹配滤波信号捕获方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，特别涉及一种信号捕获方法，可用于高速传输突发数字通信系统。

背景技术

信号的同步捕获一直是通信系统不可或缺的一环，通信系统性能的优劣在一定程度上取决于该系统对接收信号进行同步的速度和精确程度，如果没有精确的同步，就无法对接收信号进行处理。同步包括信号的捕获与跟踪，捕获是用来对码相位和载波多普勒做粗估计，为以后跟踪过程中对码相位和载波多普勒进行细估计做好铺垫，所以捕获过程是精确同步的前提和基础。

现有的捕获算法中，与快速傅里叶变换FFT结合的同步捕获算法因为搜索速度快，捕获时间短而广泛应用于短突发通信中，这一类捕获算法是利用一段已知的导频序列基于时域相关及FFT对定时误差和载波频偏进行估计和补偿，如Povey G J R,和Grant P M在“Simplified matched filter receiver designs for spread spectrumcommunicationsapplications[J].Electronics&Communication Engineering Journal,1993,5(2):59-64.”中提出的基于部分匹配滤波器和快速傅里叶变换的PMF-FFT同步捕获算法，其基本原理是将接收导频和本地导频按相同长度分组后作互相关，并对互相关结果作FFT变换和取模值后选取其中的峰值。当该峰值超过了捕获阈值，则捕获成功，同时获得对应的多普勒频偏和码相位。该方法虽然复杂度低易于实现，但是在导频开销较小且信号传输速率过高的情况下，为保证频谱分辨率需进行较高点数的FFT变换，即分组较大，因此导致每组长度过短，抗干扰能力大大下降，无法保证良好的估计精度。如果为了抵抗干扰则需要保持一定分组长度，分组数相应下降，导致FFT点数变少，频率分辨率降低。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于离散分组导频结构的部分匹配滤波信号捕获方法，以在导频开销较小和数据传输速率过高的情况下，提升频域捕获精度。

本发明的技术思路是，通过将分组的导频序列离散的插入到分组的信息序列中，降低接收端进行FFT时的取样率，提升频域捕获精度，其实现方案包括如下：

(1)发送端发送基带采样信号：

在发送端选取本地导频序列u'，并对其进行分组，得到本地分组导频序列u＝[u₁u₂…u_i…u_N]，其中u_i是第i组本地分组导频序列，i＝1,2,…,N，N_u'为本地导频序列总长度，l₀为每组导频序列长度；

将本地分组导频序列u插入到已编码的信息序列d之中，组成发送序列a＝[u₁ d₁u₂ d₂…u_i d_i…u_N d_N]，其中d_i是第i组信息序列；

对发送序列a进行调制得到基带采样信号s，再将其送入高斯白噪声信道发射；

(2)接收端接收发送端发送的信号，并将接收到的信号r存入延迟寄存器；

(3)将延迟寄存器中的信号分为N组，再从每组接收信号中提取出接收分组导频序列p＝[p₁ p₂…p_i…p_N]，其中p_i是第i组接收分组导频序列；

(4)利用本地分组导频序列u和接收分组导频序列p进行同步捕获：

(4a)将本地分组导频序列u存入N个分段匹配滤波器PMF中作为FIR滤波器的系数，使接收分组导频序列p通过该滤波器，得到N个相关输出值；

(4b)对N个相关输出值进行N点FFT变换并取模值后，得到N个相关输出值的FFT变换结果Z＝[Z₁ Z₂…Z_i…Z_N]，记录Z中的最大值Z_max和最大值在Z中的位置k_max；

(4c)延迟寄存器对接收信号r进行时间的延迟，其中f_s是基带信号取样率；重复步骤(3)～步骤(4b)，直到延迟寄存器的工作次数等于l₀/3，将延迟寄存器的工作次数为h时记录的Z中最大值Z_max记作Z'_h，得到全部最大值数据序列h＝0,1,…,l₀/3；

(4d)根据信道条件设定一个捕获阈值Z₀，并取出Z'中的最大值Z'_n与其比较：

若Z'_n>Z₀，则捕获成功，执行(4e)；

否则，视为捕获失败；

(4e)根据Z'_n对应的延迟寄存器的工作次数n，计算得到定时偏差估计值利用对应的k_max计算得到频偏估计值

其中，为接收分组导频p_i的取样率，Q为过采样倍数，f_s为基带信号取样率，l为每一组导频加上信息序列的长度，N为FFT变换点数。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

本发明针对高速传输模式下基带信号采样率过高的情况，通过将导频分组插入数据帧的方式，相对于现有PMF-FFT算法，可使得相邻分组导频序列的等效取样率更小，所需的FFT运算点数少，不仅降低了运算复杂度，减小了导频分组的数量，而且增加了分组导频长度，提高了抵抗噪声的能力，能够获得更好的估计精度。

附图说明

图1为本发明应用的现有突发通信系统示意图；

图2为本发明的实现流程图；

图3为本发明中采用的帧结构与现有技术采用的帧结构示意图。。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例和效果做进一步描述。

参照图1，现有突发通信系统，是在发送端对导频序列和已编码的信息序列先组帧，再对组帧后的序列调制后将其送入信道发射；在接收端先对信号进行定时同步和载波同步，再对同步后的信号进行解调和译码还原出发送的信息序列。

在突发通信系统中如果不进行定时同步将无法接收到正确的信号，同时由于多普勒频率偏移的存在，在原始信号的基础上也会产生较大的载波频偏。若不采取措施，此时的接收信号便不足以恢复出原始信号，使得系统的通信质量变低。本实例正是解决突发通信系统中在接收端对信号进行定时同步和载波同步的问题，提出了一种基于离散分组导频结构的部分匹配滤波信号捕获方法。

参照图2，本实例实现步骤如下：

步骤1，发送端发送基带采样信号s。

(1.1)在发送端选取本地导频序列u'：

u'＝[u'(0)u'(1)…u'(n)…u'(N_u'-1)]

其中，u'(n)表示本地导频序列u'中第n个比特，n＝0,1,…,N_u'-1，N_u'为本地导频序列u'的长度，μ∈{1,2,…,N_u'-1}且与N_u'互质，q为任意整数。本实施例中取μ＝1，q＝0。

(1.2)将本地导频序列u'分成等长的N组得到本地分组导频序列u＝[u₁ u₂…u_i…u_N]：

u_i＝[u'((i-1)*N_u'/N+1),u'((i-1)*N_u'/N+2),…,u'(i*N_u'/N)]

其中u_i是第i组本地分组导频序列，i＝1,2,…,N，为分组数目，N_u'为本地导频序列总长度，l₀为每组导频序列长度，*为相乘符号；

(1.3)发送端对二进制信息序列进行编码并将其分成等长的N组，得到分组后的信息序列d＝[d₁ d₂…d_i…d_N]：

d_i＝[d((i-1)*N_d/N+1),d((i-1)*N_d/N+2),…,d(i*N_d/N)]；

其中，d_i是第i组信息序列，N_d为已编码信息序列d的总长度。

(1.4)发送端将第i组本地分组导频u_i置于已编码的第i组信息序列d_i之前，组成发送序列a＝[u₁ d₁ u₂ d₂…u_i d_i…u_N d_N]；

(1.5)对发送序列a进行调制得到基带采样信号s，再将其送入高斯白噪声信道发射出去。

步骤2，接收端对收到信号进行处理，得到接收分组导频序列p。

(2.1)接收端对发送端发送的信号进行接收，接收信号r表示为：

r＝[r(0)r(1)…r(m)…r(N_r-1)]

其中，r(m)表示接收信号r中第m个样点，m＝0,1,…,N_r-1，Δf为载波频偏，f_s为基带信号采样率，N_r为接收信号r的长度，N_r＝(N_u'+N_d)*Q，Q是过采样倍数，s(m)表示基带采样信号，w(m)表示均值为零、方差为N₀/2的复高斯随机噪声，N₀为噪声单边功率谱密度，j为复数单位；

(2.2)接收端将接收信号r存入延迟寄存器；

(2.3)将延迟寄存器中的信号分成N组，每组长l＝(N_u'+N_d)/N，提取出每组前Q·N_u'/N个采样信号，得到过采样的接收分组导频序列p'＝[p'₁p'₂…p'_i…p'_N]，其中p'_i是第i组过采样的接收分组导频序列，表示如下：

p'_i＝[r((i-1)*N_r/N)r((i-1)*N_r/N+1)…r(((i-1)*N_r+Q*N_u')/N)]

其中，N_r为接收信号r的长度，N_r＝(N_u'+N_d)*Q，Q是过采样倍数，N_u'为本地导频序列u'总长度；

(2.3)对p'_i从第一个采样信号起每隔(Q-1)点取一个采样信号得到第i组接收分组导频序列p_i，最终得到接收分组导频序列p＝[p₁ p₂…p_i…p_N]，1≤i≤N。

步骤3，利用接收分组导频序列p＝[p₁ p₂…p_i…p_N]和本地分组导频序列u＝[u₁u₂…u_i…u_N]进行同步捕获。

(3.1)将第i组接收分组导频序列p_i和第i组本地分组导频序列u_i的共轭转置相乘，得到N个相关值z：

z＝[z₁ z₂…z_i…z_N]

z_i＝p_iu_i ^*

其中z_i代表第i个相关值，u_i ^*是u_i的共轭转置；

(3.2)对N个相关输出值进行N点FFT变换并取模值后，得到N个相关输出值的FFT变换结果Z：

Z＝|FFT(z,N)|

其中，z为所有相关值，N为FFT变换点数；

(3.3)记录Z中的最大值Z_max和最大值在Z中的位置k_max；

(3.4)延迟寄存器对接收信号r进行时间的延迟，其中f_s是基带信号取样率；重复步骤(2.3)～步骤(3.3)，直到延迟寄存器的工作次数等于l₀/3，将每次记录的Z中最大值Z_max记作Z'_h，得到全部最大值数据序列Z'：

其中，h＝0,1,…,l₀/3是延迟寄存器的工作次数；

(3.5)根据信道条件设定一个捕获阈值Z₀，并取出Z'中的最大值Z'_n与其比较，若Z'_n>Z₀，则捕获成功，执行(3.6)；否则，视为捕获失败；

(3.6)根据Z'_n对应的延迟寄存器的工作次数n，计算得到定时偏差估计值利用对应的k_max计算得到频偏估计值完成同步捕获；

其中，为接收分组导频p_i的取样率，Q为过采样倍数，f_s为基带信号取样率，l为每一组导频加上信息序列的长度，N为FFT变换点数。

本发明的效果可以通过对现有帧结构和本发明帧结构使用PMF-FFT方法所能达到的频域捕获精度的计算结果进一步说明：

1.系统参数：

本发明应用场景之一为信道编码为turbo码，调制方式采用QPSK，导频为长1560比特的Chu序列，数据长度为11240比特，分组数为10。信道附加的载波频偏Δf＝6000Hz，过采样点数Q＝4，基带信号采样率f_s＝51.2Mbps。

现有帧结构如图3a所示，其导频信号整体置于数据信号前，相邻导频序列间隔长度为l₀。

本发明的帧结构如图3b所示，其将导频信号和数据信号分为10组，并将分组后的导频信号插入到分组后的数据信号前，相邻导频序列间隔长度为l。

2.计算两种帧结构对应的频谱分辨率

现有帧结构对应的频谱分辨率：

本发明的帧结构对应的频谱分辨率：

对比两种帧结构的频谱分辨率可知，本发明的帧结构对应的频谱分辨率相比于现有帧结构对应的频谱分辨率提高了8.21倍，可达到更好的捕获精度，能极大地改善系统性能。

Claims (7)

1.一种基于离散分组导频结构的部分匹配滤波信号捕获方法，其特征在于，包括：

(1)发送端发送基带采样信号：

在发送端选取本地导频序列u'，并对其进行分组，得到本地分组导频序列u＝[u₁ u₂…u_i…u_N]，其中u_i是第i组本地分组导频序列，i＝1,2,…,N，N_u'为本地导频序列总长度，l₀为每组导频序列长度；

将本地分组导频序列u插入到已编码的信息序列d之中，组成发送序列a＝[u₁ d₁ u₂d₂…u_i d_i…u_N d_N]，其中d_i是第i组信息序列；

对发送序列a进行调制得到基带采样信号s，再将其送入高斯白噪声信道发射；

(2)接收端接收发送端发送的信号，并将接收到的信号r存入延迟寄存器；

(3)将延迟寄存器中的信号分为N组，再从每组接收信号中提取出接收分组导频序列p＝[p₁ p₂…p_i…p_N]，其中p_i是第i组接收分组导频序列；

(4)利用本地分组导频序列u和接收分组导频序列p进行同步捕获：

(4a)将本地分组导频序列u存入N个分段匹配滤波器PMF中作为FIR滤波器的系数，使接收分组导频序列p通过该滤波器，得到N个相关输出值；

(4b)对N个相关输出值进行N点FFT变换并取模值后，得到N个相关输出值的FFT变换结果Z＝[Z₁ Z₂…Z_i…Z_N]，记录Z中的最大值Z_max和最大值在Z中的位置k_max；

(4c)延迟寄存器对接收信号r进行时间的延迟，其中f_s是基带信号取样率；重复步骤(3)～步骤(4b)，直到延迟寄存器的工作次数等于l₀/3，将延迟寄存器的工作次数为h时记录的Z中最大值Z_max记作Z'_h，得到全部最大值数据序列h＝0,1,…,l₀/3；

(4d)根据信道条件设定一个捕获阈值Z₀，并取出Z'中的最大值Z'_n与其比较：

若Z'_n>Z₀，则捕获成功，执行(4e)；

否则，视为捕获失败；

(4e)根据Z'_n对应的延迟寄存器的工作次数n，计算得到定时偏差估计值利用对应的k_max计算得到频偏估计值

其中，为接收分组导频p_i的取样率，Q为过采样倍数，f_s为基带信号取样率，l为每一组导频加上信息序列的长度，N为FFT变换点数。

2.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中本地导频序列u'表示如下：

u'＝[u'(0)u'(1)…u'(n)…u'(N_u'-1)]

其中，u'(n)表示本地导频序列u'中第n个比特，n＝0,1,…,N_u'-1，N_u'为本地导频u'的长度，μ∈{1,2,…,N_u'-1}且与N_u'互质，q为任意整数。

3.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中第i组本地分组导频序列u_i和第i组信息序列d_i，表示分别如下：

u_i＝[u'((i-1)*N_u'/N+1),u'((i-1)*N_u'/N+2),…,u'(i*N_u'/N)]；

d_i＝[d((i-1)*N_d/N+1),d((i-1)*N_d/N+2),…,d(i*N_d/N)]；

其中，1≤i≤N，N为分组数目，N_u'为本地导频序列u'总长度，N_d为已编码信息序列d的总长度。

4.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中的接收信号r，表示如下：

r＝[r(0)r(1)…r(m)…r(N_r-1)]

其中，r(m)表示接收信号r中第m个样点，m＝0,1,…,N_r-1，Δf为载波频偏，f_s为基带信号采样率，N_r为接收信号r的长度，N_r＝(N_u'+N_d)*Q，s(m)表示基带采样信号，w(m)表示均值为零、方差为N₀/2的复高斯随机噪声，N₀为噪声单边功率谱密度，j为复数单位。

5.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)中从每组接收信号中提取出接收分组导频序列p，实现如下：

(3a)从分成N组的接收信号r中提取出每组前Q·N_u'/N个采样信号，得到过采样的接收分组导频序列p'＝[p'₁p'₂…p'_i…p'_N]，其中p'_i是第i组过采样的接收分组导频序列，表示如下：

p'_i＝[r((i-1)*N_r/N)r((i-1)*N_r/N+1)…r(((i-1)*N_r+Q*N_u')/N)]

其中，N_r为接收信号r的长度，N_r＝(N_u'+N_d)*Q，Q是过采样倍数，N_u'为本地导频序列u'总长度；

(3b)对p'_i从第一个采样信号起每隔(Q-1)点取一个采样信号得到第i组接收分组导频序列p_i，最终得到接收分组导频序列p＝[p₁ p₂…p_i…p_N]，1≤i≤N。

6.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于，所述步骤(4a)中得到N个相关输出值，表示如下：

z＝[z₁ z₂…z_i…z_N]

其中z_i＝p_iu_i ^*代表第i个相关值，u_i ^*是u_i的共轭转置，i＝1,2,…,N。

7.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于，所述步骤(4b)对N个相关输出值进行N点FFT变换并取模值，公式如下：

Z＝|FFT(z,N)|其中，z为所有相关值，N为FFT变换点数。