专利名称：适用于突发式通信系统的帧同步方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及数据通信领域，特别是涉及一种适用于突发式通信系统的帧同步方法。本发明还涉及适用于突发式通信系统的帧同步装置。
背景技术：
多接入技术是现代通信领域研究的关键技术之一，其核心问题是如何在特定的传输环境中即时、并发、准确地实现多个通信用户的信道共享与信息互通。信道时分复用技术的应用使得多个通信用户成为具有突发特性的信息源，当有数据需要传输时，用户在其被允许的时隙内实现数据的突发传输。突发式的通信系统已经广泛地存在于多接入通信系统中，随着以hterneW因特网)为代表的各类IP(因特网协议)和多媒体业务的显著增长， 突发传输问题已经成为通信领域需要解决的重点问题。在突发式通信系统中，通常需要对每个不同的突发数据包实现正确的帧同步。突发数据帧信号经常使用前导序列作为数据帧的帧头，所以对突发数据帧信号的捕获与同步是基于数据辅助的。大多数系统采用互相关的方式，对接收信号中的帧头前导序列与本地序列进行互相关，并设置一个阈值，根据相关峰值超过阈值时所对应点的位置确定物理层帧的起始时刻。在实际系统中，由于载波频偏以及多径的存在，用于帧头检测的时域同步序列的相关特性受到很大的影响。时域同步序列的相关特性以及抗载波频偏能力与相干相关长度有关，相干相关长度长则抗噪声特性好，但是抗载波频偏能力差，相干相关长度短则抗噪声特性差，但是抗载波频偏能力强。时域同步序列的多径特性也会造成相关峰值幅度的下降， 同时会产生多个相关峰值。中国发明专利申请公布说明书CN101577580A(申请号200810106159. 6，
公开日
2009年11月11日)公开了一种帧同步方法，它采用分段相干相关方法，对当前系统存在的最大频偏进行预估计，并根据估计值确定时域同步序列的相干相关长度，设定单一相对阈值检测帧同步位置。这种方法有一定的缺陷。在系统初始信道接入时，由于此时尚未完成对信号功率、 多径特性以及载波频偏等参数的估计，需要在未知的复杂环境下对信号完成同步。由于难以预知当前网络状况，也就无法确定使用何种互相关的分段方式为最优，该方法中根据最大系统频偏决定分段相关长度的方式相当于总是按照系统最恶劣的情况进行分段处理。同时，该方法中采用单一相对阈值判决的方式，将分段相干相关峰值超过阈值的第一个点作为帧同步位置。因为相关峰值曲线的主瓣通常有一定的宽度，超过阈值的点通常不只一个， 采用该方法并不能确定是否找到相关峰值最大的点。而且，由于存在错误位置上的相关峰值大于正确位置上的相关峰值的情况，单一相对阈值的设定很容易出现误同步。鉴于信道复杂的网络环境，同步器无法找到各种情况下均适应的普适性阈值。该方法采用单一阈值的设置应用于实际系统时，容易发生漏检、误检或虚警事件，从而降低系统的同步性能。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种适用于突发式通信系统的帧同步方法，可以克服用户初始信道接入时复杂的网络环境条件对同步的影响，在系统初始信道接入阶段和稳定通信阶段均可以准确有效地实现突发信号帧同步；为此，本发明还要提供一种适用于突发式通信系统的帧同步装置。为解决上述技术问题，本发明的适用于突发式通信系统的帧同步方法，包括如下步骤步骤一、发送端在数据帧中发送长度为N的前导序列；步骤二、接收端使用所述的前导序列作为本地序列m(n)；步骤三、接收端在初始信道接入阶段，根据系统中可能存在的最大频偏AFmax确定最小分段长度Lmin，根据Lmin将长度为N的接收信号序列重复成Q条分路，每条分路使用不同的分段长度；步骤四、接收端使用窗口宽度为W的搜索窗，让所述本地序列m(n)依次和搜索窗内每个起始相关位置处开始的Q路接收信号序列分别进行长度为N的分段相干相关，比较 Q条分路的绝对相关峰值，取出绝对相关峰值最大分路的分路编号、绝对相关峰值和相对相关峰值，作为当前起始相关位置处的滑动相关输出，其中W为大于1的整数，所述绝对相关峰值即分路相关值，所述相对相关峰值由绝对相关峰值经能量归一化得到，所述能量归一化按如下公式进行，
只=γ'
_3] ! Zk^l2
η=\其中，r(n)是接收信号序列，N是接收信号序列和本地序列的长度，Y i是第i条分路上的绝对相关峰值，只是第i条分路上的相对相关峰值，I · I2代表复数取模平方操作；步骤五、在接收端设定一个相对阈值和一个绝对阈值，对当前起始相关位置处的滑动相关输出进行双阈值判决，所述双阈值判决按如下方法进行，将绝对相关峰值与绝对阈值相比较，将相对相关峰值与相对阈值相比较，若进行比较的两个相关峰值均超过其对应的设定阈值，则将当前起始相关位置作为初始检测帧起始位置，并将当前起始相关位置处的分路编号标定的分路选作确认分路，然后执行步骤六；否则在各分路继续向前做滑动相关并进行前述双阈值判决；如果起始相关位置前进至所述搜索窗末尾时仍未找到符合双阈值判决条件的相关峰值，则判断本次同步失败并退出同步处理；步骤六、接收端根据步骤五中得到的初始检测帧起始位置和确认分路，设定一个窗口宽度为F的确认窗，将初始检测帧起始位置点作为确认窗的起始点，在选定的确认分路上向前做F-I点滑动相关，取确认窗内相对相关峰值最大值，将最大值点对应的起始相关位置作为最终检测帧起始位置，并记录确认分路上确认窗内所有点的相对相关峰值，其中F为大于1的整数。进一步还包括步骤七、如果通信系统中存在周期性的信标帧，则在接收端重复步骤三至步骤六对连续多个信号帧进行同步检测确认，基于所检测到的连续Z个帧同步位置的时间关系来判断是否正确检测到帧同步位置，判断方法如下
令连续Z次同步检测的帧头同步位置所对应的时间为tk(k = 1,2, ... Ζ)，如果满足以下关系，则认为找到了正确的帧同步位置I W1-Tbeacon I < = δ，k = 2，3，· · ·，Z其中，δ是考虑了系统和信道的非理想效应所导致的最大误差，TbM。。n是信标帧的周期。本发明的方法还进一步包括如下步骤步骤八、接收端在稳定通信阶段，设定一个窗口宽度为W’的搜索窗，让本地序列依次和搜索窗内每个起始相关位置处开始的接收信号序列进行相干相关长度为N的全相干相关，得到未经过能量归一化的第二绝对相关峰值，和第二绝对相关峰值经过能量归一化后得到的第二相对相关峰值，作为当前起始相关位置处的滑动相关输出，其中W’为大于1
的整数，所述第二绝对相关峰值即全相干相关值，所述能量归一化按如下公式进行， γt\r(nf
n=\其中，r(n)是接收信号序列，N是接收信号序列和本地序列的长度，γ是绝对相关峰值矛是相对相关峰值，I · I2代表复数取模平方操作；步骤九、接收端根据步骤六中所记录的确认窗内所有点的相对相关峰值确定出稳定通信阶段拟使用的绝对阈值、相对阈值和第二确认窗宽度F’ ；对当前起始相关位置处的滑动相关输出进行双阈值判决，所述双阈值判决按如下方法进行将第二绝对相关峰值与绝对阈值相比较，将第二相对相关峰值与相对阈值相比较，若进行比较的两个相关峰值均超过其对应的设定阈值，则将当前起始相关位置作为初始检测帧起始位置，并执行步骤十； 否则继续向前做滑动相关并进行前述双阈值判决；如果起始相关位置前进至窗口宽度为 W’的搜索窗末尾时仍未找到符合双阈值判决条件的相关峰值，则判断本次同步失败并退出同步处理；其中F’为大于1的整数；步骤十、接收端根据步骤九中得到的初始检测帧起始位置和确认窗宽度F’，设定一个窗口宽度为F’的第二确认窗，将初始检测帧起始位置点作为第二确认窗的起始点，继续向前做F’ -1点滑动相关，取第二确认窗内相对相关峰值最大值，将最大值点对应的起始相关位置作为最终检测帧起始位置，完成稳定通信阶段的信号帧同步。步骤三中最小分段长度Lmin由下式决定
T — ^MAX . F0 /
丽 _/^-AFmax其中，θ Μχ为长度为Lmin的前导序列由于最大载波频率偏差(简称“最大频偏”) AFmax的存在引起的最大相位旋转，Fcj为突发式通信系统信号带宽，AFmax由具体系统确定， 「 代表向上取整。因此，各分路分段长度L1, L2, 、和分段数1(1，1(2，…！^可按下式确定Zww《厶 <4〈…〈丄eK1= N^/L A = 1,2, ... ,Q其中，i为分路编号，N是接收信号序列和本地序列长度，Lmin为最小分段长度。步骤四中所述分段相干相关的具体方法为，对搜索窗内的某个起始相关位置，在
9每一分路上，先依据该分路的分段方式进行本地序列与接收信号序列之间的相干相关运算，然后将该分路上各分段相关结果进行非相干累加，得到长度为N的分段相干相关值即绝对相关峰值。例如，突发式通信系统发送端发送的本地序列为m(n)，接收端接收的信号为 r(n)，设在第i条分路上分别将进行滑动相关的接收信号序列及本地序列分成Ki段，且分段长度为Li,分别将各分段内的接收信号子序列与本地子序列的共轭值相乘进行互相关， 则第k个分段所有点互相关值和的模值平方为
权利要求
1.一种适用于突发式通信系统的帧同步方法，其特征在于，包括如下步骤步骤一、发送端在数据帧中发送长度为N的前导序列；步骤二、接收端使用所述的前导序列作为本地序列m(n)；步骤三、接收端在初始信道接入阶段，根据系统中可能存在的最大频偏AFmax确定最小分段长度Lmin，根据Lmin将长度为N的接收信号序列重复成Q条分路，每条分路使用不同的分段长度；步骤四、接收端使用窗口宽度为W的搜索窗，让所述本地序列m(n)依次和搜索窗内每个起始相关位置处开始的Q路接收信号序列分别进行长度为N的分段相干相关，比较Q条分路的绝对相关峰值，取出绝对相关峰值最大分路的分路编号、绝对相关峰值和相对相关峰值，作为当前起始相关位置处的滑动相关输出，其中W为大于1的整数，所述绝对相关峰值即分路相关值，所述相对相关峰值由绝对相关峰值经能量归一化得到，所述能量归一化按如下公式进行，
2.如权利要求1所述的帧同步方法，其特征在于还包括，步骤七、如果通信系统中存在周期性的信标帧，则在接收端重复步骤三至步骤六对连续多个信标帧进行同步检测确认，基于所检测到的连续Z个帧同步位置的时间关系来判断是否正确检测到帧同步位置， 判断方法如下令连续Z次同步检测的帧头同步位置所对应的时间为tk(k = 1，2，. . . Z)，如果满足以下关系，则认为找到了正确的帧同步位置I tk_tk—「Tbeacon I〈 — δ , k — 2，3，···，Z其中，δ是考虑了系统和信道的非理想效应所导致的最大误差，TbM。。n是信标帧的周期。
3.如权利要求1或2所述的帧同步方法，其特征在于还包括，步骤八、接收端在稳定通信阶段，设定一个窗口宽度为W’的搜索窗，让本地序列依次和搜索窗内每个起始相关位置处开始的接收信号序列进行相干相关长度为N的全相干相关， 得到未经过能量归一化的第二绝对相关峰值，和第二绝对相关峰值经过能量归一化后得到的第二相对相关峰值，作为当前起始相关位置处的滑动相关输出，其中W’为大于1的整数，所述第二绝对相关峰值即全相干相关值，所述能量归一化按如下公式进行， ~ γ
4.如权利要求3所述的帧同步方法，其特征在于执行步骤七时，在初始信道接入时对多个信标帧进行同步检测；在不存在周期性信标帧的情况下，则跳过步骤七，执行步骤八。
5.如权利要求1所述的帧同步方法，其特征在于步骤三中所述最小分段长度Lmin由下式决定，
6.如权利要求1所述的帧同步方法，其特征在于步骤三中所述各分路的分段长度和分段数按下式确定，
7.如权利要求1所述的帧同步方法，其特征在于步骤四中所述分段相干相关，对接收信号序列所有分路并行或串行地进行分段相干相关操作。
8.一种适用于突发式通信系统的帧同步方法，其特征在于，包括如下步骤步骤1、接收端在稳定通信阶段，设定一个窗口宽度为W’的搜索窗，让本地序列依次和搜索窗内每个起始相关位置处开始的接收信号序列进行相干相关长度为N的全相干相关， 得到未经过能量归一化的绝对相关峰值，和绝对相关峰值经过能量归一化后得到的相对相关峰值，作为当前起始相关位置处的滑动相关输出，其中W’为大于1的整数，所述绝对相关峰值即全相干相关值，所述能量归一化按如下公式进行，
9.一种适用于突发式通信系统的帧同步装置，其特征在于，包括模式识别器，用于识别系统当前的工作状态，即判断系统是工作在初始信道接入阶段还是工作在稳定通信阶段，并在控制信号的控制下将接收信号序列输出给初始信道接入时域相关器或稳定通信时域相关器；初始信道接入时域相关器，用于完成初始信道接入阶段的时域相关，通过设置合适的搜索窗宽度，利用多路分段相干相关器实现多路接收信号序列的分段相干相关，并在搜索窗内的每个起始相关位置上通过峰值比较器比较各分路的绝对相关峰值，输出绝对相关峰值最大的分路的分路编号、绝对相关峰值、与相对相关峰值的组合；稳定通信时域相关器，用于完成稳定通信阶段的时域相关，通过设置合适的第二搜索窗宽度，利用全相干相关器实现一路接收信号序列的全相干相关，并在第二搜索窗内的每个起始相关位置上输出一组第二绝对相关峰值与第二相对相关峰值；双阈值判决器，通过设置合适的相对阈值与绝对阈值，对初始信道接入时域相关器和稳定通信时域相关器输出的相关峰值进行判决，用于确定初始检测帧同步位置，以及初始信道接入阶段的确认分路；确认窗检测器，通过设置合适的确认窗宽度，在确认窗内对接收信号序列与本地序列继续在时域上做滑动相关操作，通过找到确认窗滑动相关操作的最大相对相关峰值确定最终检测帧同步位置，完成帧同步。
10.如权利要求9所述的帧同步装置，其特征在于所述双阈值判决器判决的过程是，将未经过能量归一化的绝对相关峰值与绝对阈值相比较，将绝对相关峰值经过能量归一化后得到的相对相关峰值与相对阈值相比较，若进行比较的两个相关峰值均超过其对应的设定阈值，则将当前起始相关位置作为初始检测帧起始位置，并在初始信道接入阶段将当前起始相关位置处的分路编号标定的分路选作确认分路。
11.如权利要求9所述的帧同步装置，其特征在于所述确认窗检测器进一步检测的过程是，在初始信道接入阶段把确认窗设定到确认分路上；在稳定通信阶段直接把确认窗设定到全相干相关器的唯一分路上；取确认窗内所有相对相关峰值的最大值，将最大值点对应的起始相关位置作为最终检测帧起始位置，完成帧同步检测。
12.一种适用于突发式通信系统的帧同步装置，其特征在于，包括全相干相关器，在稳定通信阶段，在窗口宽度为W’的搜索窗内，让本地序列依次与搜索窗内每个起始相关位置处开始的接收信号序列进行全相干相关操作，相干相关长度为N ； 得到未经过能量归一化的绝对相关峰值，和绝对相关峰值经过能量归一化后得到的相对相关峰值，并将绝对相关峰值和相对相关峰值作为滑动相关的结果输出给双阈值判决器；双阈值判决器，设定一个相对阈值和一个绝对阈值，对当前起始相关位置处的滑动相关输出进行双阈值判决，所述双阈值判决按如下方式进行将绝对相关峰值与绝对阈值相比较，将相对相关峰值与相对阈值相比较，如果两个相关峰值均分别大于对应设定的阈值， 则将当前起始相关位置确定为初始检测帧起始位置；否则，继续向前进行滑动全相干相关并进行前述双阈值判决；如果起始相关位置前进至窗口宽度为W’的搜索窗末尾时，仍未找到符合前述双阈值判决条件的相关峰值，则判断本次同步失败并退出同步处理；确认窗检测器，根据双阈值判决器给出的初始检测帧起始位置，设定一个窗口宽度为 F’的确认窗，将初始检测帧起始位置作为确认窗的起始点，继续向前做F’ -1点全相干相关，直至最终得到F’个相对相关峰值；取所述确认窗内F’个相对相关峰值中最大值点对应的起始相关位置作为最终检测帧起始位置。
13.一种适用于突发式通信系统的帧同步装置，其特征在于，包括多路分段相干相关器，设定一个窗口宽度为W’的搜索窗，让本地序列依次和搜索窗内每个起始相关位置处开始的Q路接收信号序列分别进行长度为N的分段相干相关；峰值比较器，在所述搜索窗内的每个起始相关位置上比较各分路的绝对相关峰值，输出绝对相关峰值最大的分路的分路编号、绝对相关峰值、与相对相关峰值的组合，作为当前起始相关位置处的滑动相关输出；双阈值判决器，设定一个相对阈值和一个绝对阈值，对当前起始相关位置处的滑动相关输出进行双阈值判决，所述双阈值判决按如下方式进行将绝对相关峰值与绝对阈值相比较，将相对相关峰值与相对阈值相比较，如果两个相关峰值均分别大于对应设定的阈值， 则将当前起始相关位置确定为初始检测帧起始位置，并将当前起始相关位置处的分路编号标定的分路选作确认分路；否则，继续向前进行滑动的多路分段相干相关并进行前述双阈值判决；如果起始相关位置前进至窗口宽度为W’的搜索窗末尾时，仍未找到符合前述双阈值判决条件的相关峰值，则判断本次同步失败并退出同步处理；确认窗检测器，根据双阈值判决器给出的初始检测帧起始位置和确认分路，设定一个窗口宽度为F’的确认窗，将初始检测帧起始位置作为确认窗的起始点，在选定的确认分路上继续向前做F’ -1点分段相干相关，直至最终得到F’个相对相关峰值；取所述确认窗内F’个相对相关峰值中最大值点对应的起始相关位置作为最终检测帧起始位置。
14.如权利要求13所述的帧同步装置，其特征在于所述多路分段相干相关器对接收信号序列所有分路并行或串行地进行分段相干相关操作。
全文摘要
本发明公开了一种适用于突发式通信系统的帧同步方法，在初始信道接入阶段采用分段长度不同的多路分段相干相关方式，选取各分路的最大相关值进行双阈值(相对阈值和绝对阈值)判决，并从相关值超过阈值的位置开始进行同步确认，通过设置合适的双阈值及确认窗，克服初始信道接入阶段较恶劣环境因素的影响；稳定通信阶段采用全相干相关方式，根据初始信道接入阶段确认窗内记录的信道信息设置合适的双阈值及确认窗宽度，针对不同通信阶段采用的不同帧同步方法使得本发明有更大的适应性。
文档编号H04L27/26GK102469057SQ20101053974
公开日2012年5月23日 申请日期2010年11月11日 优先权日2010年11月11日
发明者于连睿, 刘铁, 陈小元 申请人:上海明波通信技术有限公司