CN119520209A - 一种舱间ofdm无线通信系统帧同步方法及帧同步检测模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种舱间OFDM无线通信系统帧同步方法及帧同步检测模块。帧同步是接收端解调器基带处理第一步，即对接收的无线信号进行帧头检测，利用前导码物理特性确定帧的起始位置，以检测有效数据包的到来。前导码为收发已知的短训练序列，利用其良好的相关特性和重复性特征进行帧同步检测，在接收端对输入信号分别进行本地相关和自相关处理，并通过比较阈值的方式，连续多次阈值大于门限，产生峰值，且峰值之间间隔为一组短训练序列长度时，即即认为找到帧起，完成精确帧同步过程。帧同步精确程度直接影响OFDM符号定位性能，其同步性能是影响解调器正常工作的关键。

Description

一种舱间OFDM无线通信系统帧同步方法及帧同步检测模块

技术领域

本发明公开了一种舱间OFDM无线通信系统帧同步方法及帧同步检测模块，属于无线通信信号处理领域。

背景技术

舱间数据传输常采用滑环电信号传输方式。但是滑环在使用中存在：(1)使用寿命易受旋转磨损量、变形量的影响；(2)具有瞬间开路的固有特性，存在不可靠因素，对于高速(比如20Mbps以上)数据传输需求，则由于其瞬间开路特性导致数据通信中断、丢帧丢包等现象将非常明显。

针对以上滑环通信可能存在的问题，以及对高速、可靠数据传输需求，在传统编码调制处理基础上，结合OFDM多载波调制解调处理技术。通过天线实现OFDM信号收发，形成无线传输链路，有效解决传统滑环有线链路的速率瓶颈和通信中断问题，并且提高了系统抗多经性能和可靠性。

舱间接收机通过天线接收OFDM信号，首先对输入信号进行滤波抽取，恢复基带样点数据，将基带数据送给解调器进行帧同步，确定帧起始。在此根据数据传输帧格式特点，充分利用已知物理帧头中连续的符号序列相关特性进行精确检测，之后再进行OFDM解调译码并输出结果，因此可以看出帧同步检测是进行后续OFDM解调译码的关键。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种舱间OFDM无线通信系统帧同步方法及帧同步检测模块，解决舱间OFDM接收机在低信噪比及干扰环境下物理帧头帧同步问题，精确帧起始位置，减少误同步和OFDM符号同步性能损失。

本发明的技术方案是：一种舱间OFDM无线通信系统帧同步方法，该方法包括如下步骤：

S1、将接收输入信号存储至缓冲区并与前导码中重复的短训练序列进行复共轭相关，将观测窗口期内复共轭相关结果累加求和，得到观测窗口期内相关值；

S2、将观测窗口期内输入信号的能量累加求和，得到观测窗口期内能量值；

S3、计算观测窗口期内本地相关值求模四次方、观测窗口期内能量值求平方的比值，记为判别值；

S4、将判别值与预设阈值进行比较，如果判别值大于预设阈值，则认为判别值产生了一次峰值，记录峰值对应的输入信号在缓冲区的位置；

S5、重复步骤S1～S4，直至出现M次峰值，比较M次峰值中相邻峰值对应的输入信号在缓冲区中的位置之差是否为一组短训练序列长度，如果是，则认为找到帧起始，完成精确帧同步，M大于等于1。

优选地，所述观测窗口期为连续N个前导码周期，1≤M≤L-N，L为前导码中连续重复的短训练序列组数。

优选地，所述帧起始位置为：

第M次峰值对应缓存中位置-(M-1+N)×一组短训练序列长度。

优选地，所述预设阈值为0.45～0.55。

优选地，接收输入信号的能量通过计算输入信号模值并求平方，计算得到。

本发明的另一个技术方案是：一种舱间OFDM无线通信系统帧同步检测模块，该检测模块包括本地相关支路、自相关支路、判决模块；

本地相关支路，将输入信号与存储至缓冲区并与前导码中的短训练序列进行在观测窗口期内进行复共轭相关求和，再对窗口期内本地相关值求模四次方，得到观测窗口期内相关值；

自相关支路，对窗口期内输入信号的能量值；

判决模块，将观测窗口期内相关值与能量值的比值记为判别值，将判别值与预设阈值进行比较，如果判别值大于预设阈值，则认为判别值产生了一次峰值，记录峰值对应的输入信号在缓冲区的位置，比较M次峰值中相邻峰值对应的输入信号在缓冲区中的位置之差是否为一组短训练序列长度，如果是，则认为找到帧起始，完成精确帧同步，M大于等于1，1≤M≤L-N，L为前导码中连续重复的短训练序列组数。

优选地，所述观测窗口期为连续N个前导码周期，1≤M≤L-N，L为前导码中连续重复的短训练序列组数。

优选地，所述预设阈值为0.45～0.55。

优选地，接收输入信号的能量通过计算输入信号模值并求平方，计算得到。

优选地，所述帧起始位置为：

第M次峰值对应缓存中位置-(M-1+N)×一组短训练序列长度。

本发明与现有技术相比的优点在于：

本发明针对帧同步处理过程中会出现多个连续相关峰值点，峰值点均大于门限阈值，且峰值点之间相差一组短训练序列样点间隔，通过判决连续多次大于阈值的相关峰值点之间间隔样点数是否符合以上特征，可加强虚同步判断，提高帧同步准确性，提升接收机同步解调性能。

附图说明

图1为本发明实施例无线通信物理帧结构框图；

图2为本发明实施例本地相关和自相关两支路比较阈值框图；

图3为本发明实施例帧同步实现框图；

图4为本发明实施例帧同步仿真效果框图；

图5为本发明实施例多个连续峰值点特征框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步介绍。

本发明提供了一种舱间无线通信系统帧同步方法及帧同步检测模块。在舱间无线通信系统中，由于卫星舱内外复杂的封闭与半封闭应用环境以及多径干扰的影响，系统中多采用OFDM调制解调技术。接收端为了准确定位OFDM符号以进行后续OFDM解调，首先需要完成精确帧同步过程。帧同步是接收端解调器基带处理第一步，即对接收的无线信号进行帧头检测，利用前导码物理特性确定帧的起始位置，以检测有效数据包的到来。前导码由收发已知的短训练序列组成，且收发端已知，接收端可以利用其良好的相关特性和重复性特征进行帧同步检测，在接收端对输入信号分别进行本地相关和自相关处理，并通过比较阈值的方式，连续多次阈值大于门限，产生峰值，且峰值之间间隔为一组短训练序列长度时，即认为找到帧起始，完成精确帧同步过程。

如图1所示，本发明某一具体的实施例中，舱间无线传输物理帧结构，由前导码、信令、有效数据字段组成。为了更好完成帧同步，前导码选择相关性能很好的训练序列组成，包括短训练序列和长训练序列，其中短训练序列L-STF由十组完全相同的码元组成：STS1～STS10。数据字段由有效载荷数据和填充数据等构成整数OFDM符号。

本发明提出了一种舱间OFDM无线通信系统帧同步方法，该方法包括如下步骤：

S1、将接收输入信号存储至缓冲区并与前导码中重复的短训练序列进行复共轭相关，将观测窗口期内复共轭相关结果累加求和，得到观测窗口期内相关值；

S2、将观测窗口期内输入信号的能量累加求和，得到观测窗口期内能量值；接收输入信号的能量通过计算输入信号模值并求平方，计算得到。

S3、计算观测窗口期内本地相关值求模四次方、观测窗口期内能量值求平方的比值，记为判别值；

S4、将判别值与预设阈值进行比较，如果判别值大于预设阈值，则认为判别值产生了一次峰值，记录峰值对应的输入信号在缓冲区的位置；

S5、重复步骤S1～S4，直至出现M次峰值，比较M次峰值中相邻峰值对应的输入信号在缓冲区中的位置之差是否为一组短训练序列长度，如果是，则认为找到帧起始，完成精确帧同步，M大于等于1。

所述观测窗口期为连续N个前导码周期，1≤M≤L-N，L为前导码中连续重复的短训练序列组数。

所述帧起始位置为：

第M次峰值对应缓存中位置-(M-1+N)×一组短训练序列长度。

如图2所示，在本发明某一具体实施例中，采用本地相关和自相关两支路比较阈值的方法，本地相关支路为输入信号与本地已知数据在窗口期内进行复共轭相关求和，再对窗口期内本地相关值求模四次方；自相关支路为输入信号模值并求平方，在窗口期内得到输入信号的能量和，再对窗口期内能量值求平方；最后连续滑动判断峰值之间数据间隔固定性以精确帧同步起始。

基于上述方法，本发明还提出了一种舱间OFDM无线通信系统帧同步检测模块，该模块包括本地相关支路、自相关支路、判决模块；

本地相关支路，将输入信号与存储至缓冲区并与前导码中的短训练序列进行在观测窗口期内进行复共轭相关求和，再对窗口期内本地相关值求模四次方，得到观测窗口期内相关值；

自相关支路，对窗口期内输入信号的能量值；接收输入信号的能量通过计算输入信号模值并求平方计算得到。

判决模块，将观测窗口期内相关值与能量值的比值记为判别值，将判别值与预设阈值进行比较，如果判别值大于预设阈值，则认为判别值产生了一次峰值，记录峰值对应的输入信号在缓冲区的位置，比较M次峰值中相邻峰值对应的输入信号在缓冲区中的位置之差是否为一组短训练序列长度，如果是，则认为找到帧起始，完成精确帧同步，M大于等于1，1≤M≤L-N，L为前导码中连续重复的短训练序列组数。

所述观测窗口期为连续N个前导码周期，1≤M≤L-N，L为前导码中连续重复的短训练序列组数。

所述预设阈值为0.45～0.55。

所述帧起始位置为：

第M次峰值对应缓存中位置-(M-1+N)×一组短训练序列长度。

如图3所示，在本发明的某一具体实施例中，帧同步检测主要由：缓存、本地相关和自相关两个支路及判决模块组成，主要涉及到缓存、相关、累加和、模四次方和能量平方等运算。已知一组短训练序列STS码元有16个样点数据，因此经过16个样点数据会出现一个尖锐的相关峰值。若用一组已知码元与10组重复STS做滑动相关，则会连续出现10个尖锐的相关峰值，峰值之间间隔相差16个样点数据。窗口C为接收输入信号与本地短训练序列数据复共轭相关，参与样值长度为四组4*STS码元，长度4*16＝64，累加和之后取模四次方；窗口P为接收信号自相关求能量，累加和平方，参与样值长度与窗口C相同；利用两者比值并与阈值比较，阈值为0.5；不以一次比较值大于阈值为判据依据，继续滑动，连续找到三次以上阈值大于0.5，记录每次峰值位置，判断三次序号差值是否均为D，D为一组STS序列样点长度，在此为16，即可认为完成帧同步检测；从缓存区进行回退，可确定整帧起始位置并输出。

帧起始位置＝第M次峰值对应缓存中位置-(M-1+N)×D，其中本示例中M＝3，N＝4，D＝16。

如图4所示，以本地4组STS作为相关窗口，与接收数据进行帧同步处理后，判决阈值在10组连续的短训练序列位置会连续出现7组很高的尖锐峰值，在两边比较阈值会逐次降低，在其它数据段相关比较阈值均很低，无峰值，此时阈值判决门限设为0.5。

如图5所示，在大于门限阈值中，7个相关峰值之间均满足相差16个样点数据(一组STS数据长度)的特征，可以利用此连续特征加强误同步判断，确定帧同步准确性。

综上，本发明方法，采用本地相关和自相关两支路阈值比较且大于门限阈值的处理方式；本地相关支路为输入信号与本地已知数据在窗口期内进行复共轭相关求和，再对窗口期内本地相关值求模四次方；自相关支路为输入信号模值并求平方，在窗口期内得到输入信号的能量和，再对窗口期内能量值求平方；该方法可连续出现多个相关峰值点，且峰值点之间相差一组STS样点间隔，通过判决连续多次大于阈值的相关峰值之间差值样点数，可加强虚同步判断，确定帧同步准确性，在低信噪比条件下满足接收端同步解调性能。

Claims (10)

1.一种舱间OFDM无线通信系统帧同步方法，其特征在于包括如下步骤：

S1、将接收输入信号存储至缓冲区并与前导码中重复的短训练序列进行复共轭相关，将观测窗口期内复共轭相关结果累加求和，得到观测窗口期内相关值；

S2、将观测窗口期内输入信号的能量累加求和，得到观测窗口期内能量值；

S3、计算观测窗口期内本地相关值求模四次方、观测窗口期内能量值求平方的比值，记为判别值；

S4、将判别值与预设阈值进行比较，如果判别值大于预设阈值，则认为判别值产生了一次峰值，记录峰值对应的输入信号在缓冲区的位置；

S5、重复步骤S1～S4，直至出现M次峰值，比较M次峰值中相邻峰值对应的输入信号在缓冲区中的位置之差是否为一组短训练序列长度，如果是，则认为找到帧起始，完成精确帧同步，M大于等于1。

2.根据权利要求1所述的一种舱间OFDM无线通信系统帧同步方法，其特征在于，所述观测窗口期为连续N个前导码周期，1≤M≤L-N，L为前导码中连续重复的短训练序列组数。

3.根据权利要求1所述的一种舱间OFDM无线通信系统帧同步方法，其特征在于，所述帧起始位置为：

第M次峰值对应缓存中位置-(M-1+N)×一组短训练序列长度。

4.根据权利要求1所述的一种舱间OFDM无线通信系统帧同步方法，其特征在于，所述预设阈值为0.45～0.55。

5.根据权利要求1所述的一种舱间OFDM无线通信系统帧同步方法，其特征在于，接收输入信号的能量通过计算输入信号模值并求平方，计算得到。

6.一种舱间OFDM无线通信系统帧同步检测模块，其特征在于包括本地相关支路、自相关支路、判决模块；

本地相关支路，将输入信号与存储至缓冲区并与前导码中的短训练序列进行在观测窗口期内进行复共轭相关求和，再对窗口期内本地相关值求模四次方，得到观测窗口期内相关值；

自相关支路，对窗口期内输入信号的能量值；

判决模块，将观测窗口期内相关值与能量值的比值记为判别值，将判别值与预设阈值进行比较，如果判别值大于预设阈值，则认为判别值产生了一次峰值，记录峰值对应的输入信号在缓冲区的位置，比较M次峰值中相邻峰值对应的输入信号在缓冲区中的位置之差是否为一组短训练序列长度，如果是，则认为找到帧起始，完成精确帧同步，M大于等于1，1≤M≤L-N，L为前导码中连续重复的短训练序列组数。

7.根据权利要求1所述的一种舱间OFDM无线通信系统帧同步检测模块，其特征在于，所述观测窗口期为连续N个前导码周期，1≤M≤L-N，L为前导码中连续重复的短训练序列组数。

8.根据权利要求1所述的一种舱间OFDM无线通信系统帧同步检测模块，其特征在于，所述预设阈值为0.45～0.55。

9.根据权利要求1所述的一种舱间OFDM无线通信系统帧同步检测模块，其特征在于，接收输入信号的能量通过计算输入信号模值并求平方计算得到。

10.根据权利要求1所述的一种舱间OFDM无线通信系统帧同步检测模块，其特征在于，所述帧起始位置为：

第M次峰值对应缓存中位置-(M-1+N)×一组短训练序列长度。