发送器、接收器以及对应方法与流程
本发明涉及发送器、接收器以及用于发送和接收信号的相应方法。
背景技术：
在许多数据传输系统中，将导频序列(也称为训练序列或同步序列)插入要发送的数据流中，以进行信号检测或参数估计。这既可以是不间断的数据流的传输，其中导频序列以一定的间隔分散，也可以是面向分组的传输，其中每个分组(也称为电报)通常恰好包含一个导频序列。如果位于分组的开始或中间，则导频序列也称为前导或中间码。然而，导频序列也可以以两个或更多个子序列的形式分布在分组内。
在遥测系统、传感器网络和以“物联网”(iot)为关键字的应用中，通常会发生在分组之间具有长的传输停顿的异步分组传输。
在异步分组传输中，发送器和接收器不同步，即，接收器不知道各个数据分组的传输时隙。为了不丢失分组，在整个接收等待时间内，它必须连续检查其接收信号中是否存在分组，并以一定的精度估算其时间位置。
使情况更严重的是，发送信号的实际载波频率可能会大大偏离标称频率并随时间变化。接收滤波器的中心频率也会偏离标称频率。从接收器的角度来看，发送信号的载波频率与接收滤波器的中心频率之间的频率差(以下称为频率偏移)是决定性的。对于数据检测，需要对瞬时频率偏移的估计，并且在相干检测方法的情况下，还需要相位估计。
接收器总共必须依次处理两个主题：
1、检测：识别分组并至少粗略估计其时间位置，必要时还考虑频谱位置。
2、同步，包括：
·时间同步：估计分组的确切时间位置，
·频率同步：估计和校正频率偏移，以及
·相位同步：进行频率校正后，对相位进行估计。
由于使用了异步系统，有必要通过导频序列来执行电报的检测。接收器必须在其接收信号中连续地搜索传感器节点是否已发送电报。接收器关于接收信号是由噪声引起的还是由发送信号引起的决定被称为电报检测，或者简称为检测。为此，通常在要发送的数据之前发送带有固定定义的导频符号的导频序列(在英语文献中通常称为“标记”)。
技术实现要素：
本发明的目的是提出一种发送器和接收器，它们使用导频序列进行数据通信并且简化了对导频序列的检测和/或处理。
该目的通过一种发送器来实现。
发送器被配置为发送信号，每个信号具有导频序列，所述导频序列包括多个导频序列符号。发送器包括信号产生器。信号产生器基于包括至少一个基本序列符号的基本序列来提供导频序列。特别地，信号产生器基于连续重复(r-1)次的所述基本序列符号来提供所述导频序列符号，并且其中，r是大于或等于2的自然数，
在一种配置中，信号产生器基于具有多个基本序列符号的基本序列来提供导频序列。
因此，发送器发送各自包括导频序列的信号。导频序列具有多个导频序列符号。由此，信号产生器基于具有至少一个基本序列符号(并且在一种配置中具有多个基本序列符号)的基本序列，提供相应的导频序列。例如，这包括利用所存储的导频序列或基于基本序列生成导频序列。例如，该提供还包括根据映射(例如，msk)来生成要发送的信号的符号。
基本序列符号在导频序列中连续重复(r-1)次，以使基本序列符号出现r次。因此，导频序列中的基本序列符号连续重复(r-1)次，以使每个基本序列符号出现r次。这意味着，为了检测，在接收器侧仅记录并评估每第r个符号就足够了。由于导频序列符号的数量的减少，这导致了导频序列的总期望长度的减少，并且同时减少了对接收信号的初始评估的工作量。这意味着通过接收器侧的子采样，优化的导频序列可用于在计算上得到优化的检测。
在一种配置中，重复r次的基本序列符号的序列在每种情况下(在某些配置中，可能还有其他符号)与调制字母表进行映射。在一种配置中，使用数字调制方法。在一个变型中，例如，这是二进制相移键控(二进制psk，bpsk)。例如，将二进制1映射到+1，将二进制0映射到-1。例如，如果给定了具有符号0110的基本序列，则简单的重复将生成符号序列00111100。在进行bpsk之后，这将产生以下符号：[-1，-1，+1，+1，+1，+1，-1，-1]。
在一种配置中，信号产生器在导频序列中产生至少一个符号块，其包括至少一个基本序列符号及其(r-1)次重复。
在一种配置中，信号产生器基于包括多个基本序列符号的基本序列来提供导频序列，并在导频序列中提供符号块，每个符号块包括基本序列符号及其重复。此外，信号产生器以这样的方式提供导频序列，使得基本序列符号的符号块以基本序列符号在基本序列内的顺序紧跟彼此。在该配置中，将导频序列中的重复r次的基本序列符号称为符号块，符号块以基本序列符号在基本序列中的顺序出现在导频序列中。此外，符号块紧跟彼此。
在一种配置中规定导频序列具有l个导频序列符号，其中l是自然数。然后，基本序列符号的数量等于l除以r的商。如果导频序列具有八个符号的长度并且每个基本序列符号被重复一次，即如果r＝2，则需要四个基本序列符号。
在一种配置中，每个基本序列符号重复一次，以使r＝2。
一种配置是，基本序列被配置为使得导频序列与由导频序列形成的发送信号的相关性具有尽可能窄的主最大值和/或尽可能小的次最大值。这是指对基本序列的选择。更精确地，该配置描述了实际导频序列与由其形成的由发送器发送的调制(时间连续)信号的相关性。
在一种配置中规定，在导频序列具有八个导频序列符号的情况下，基本序列具有以下形式之一：0010、1101、0100或1011。因此，0和1分别是二进制基本序列比特。在此以及在下文中以一种配置给出的序列尤其与最小移位键控(msk)有关，msk是二进制符号到要从其实际生成的信号段的一种映射。替代地或附加地，这里和下面给出的序列适用于其他线性或准线性调制方法，例如msk或gmsk。
所描述的比特通过相应的调制和/或通过映射被转换为实际符号。
一种配置是，在导频序列具有十二个导频序列符号的情况下，基本序列具有以下形式或通过反转比特顺序而从以下形式获得的形式之一：000101、001011、001101、010001、111010、110100、110010或101110。因此，0和1分别是二进制基本序列比特。当选择基本序列时，通常已知比特反转和比特顺序的反转不会改变序列的相关性特性。
在一种配置中规定，信号产生器在导频序列中提供至少一个符号块，符号块包括基本序列符号及其(r-1)次重复，其中，基本序列符号具有相位因子。该配置既涉及基本序列仅包括一个基本序列符号的情况，也涉及基本序列包括多个基本序列符号的情况。因此，在上述配置中，基本序列符号在导频序列中连续出现r次，但是具有相位因子。
在一种配置中规定，信号产生器基于包括多个基本序列符号的基本序列来提供导频序列。因此，在导频序列中，信号产生器提供符号块，每个符号块包括基本序列符号及其(r-1)次重复，因此每个符号块的长度为r个符号。信号产生器为基本序列符号提供相位因子，使得基本序列符号在符号块中的第i次出现的相位因子对于所有符号块均相同，i是1与r之间的自然数并且表示基本序列符号在相应符号块中的位置。i＝1的第i次出现是第零次重复。在下面的描述中可以找到进一步的解释。特别地，一种配置规定重复符号具有不同的相位因子。
在一种配置中，相位因子是调制字母表的组成部分。因此，通常将调制字母表用于转换数字符号以进行模拟处理和/或当前进行信号传输。
因此，第一个基本序列符号在所有符号块中具有相同的相位因子，而相应的第二个(即位于第二个位置处)基本序列符号在所有符号块中分别具有相同的相位因子，在一种配置中，其与相应第一个基本序列符号的相位因子不同。因此，当考虑所有基本序列符号时，通过重复基本序列符号来给出相同相位因子的步长。
一种配置是，相位因子是由以φr标识的相位和虚数j(作为自然指数函数的指数)的乘积产生的，其中相位φr位于0到2π或0°到360°之间。
一种配置是，在导频序列具有八个导频序列符号的情况下，导频序列具有以下形式或通过反转比特顺序而从以下形式获得的形式之一：01011001、10100110、10011010、01100101、00001100、11110011、00110000、11001111。因此，0和1分别是二进制导频序列比特。在导频序列中，符号按照指定的顺序发送。
在一种配置中规定，在导频序列具有十二个导频序列符号的情况下，导频序列具有以下形式或通过反转比特顺序而从以下形式获得的形式之一：
000000110011、111111001100、1100110000、001100111111、010101100110、101010011001、011001101010、100110010101、000011001111、111100110000、010110011010、101001100101、000011110011、111100001100、110011110000、001100001111、010110100110、101001011001、011001011010、100110100101、001100000011、110011111100、110000001100、001111110011、011001010110、100110101001、011010100110或100101011001。
因此，0和1是二进制导频序列比特。在一种配置中，以上导频序列与msk映射有关。
信号产生器必须提供导频序列，以使导频序列具有至少一个补充符号。信号产生器在导频序列中提供至少一个符号块，该符号块包括基本序列符号及其(r-1)次重复。信号产生器提供导频序列，使得至少一个补充符号在符号块之前或之后。
在一种配置中规定，信号产生器提供导频序列，使得该导频序列具有至少一个补充符号。从而，信号产生器在导频序列中提供符号块，每个符号块包括基本序列符号及其重复。此外，信号产生器提供导频序列，使得至少一个补充符号在符号块之前或之后。在一种配置中，符号块紧跟彼此，使得在符号块之间不存在补充符号，并且补充符号仅位于符号块之前或之后。
在一种配置中规定，信号产生器提供导频序列，使得该导频序列具有至少两个补充符号。从而，信号产生器提供导频序列，使得至少两个补充符号中的至少一个补充符号在符号块之前，并且至少两个补充符号中的至少一个其他补充符号在符号块之后。因此，导频序列包括：由r次重复的基本序列符号形成的核心；以及由补充符号形成的外围。
一种配置是，至少一个补充符号或至少两个补充符号被配置为使得导频序列与由导频序列形成的发送信号的相关性具有尽可能窄的主最大值和/或尽可能小的次最大值。因此，对一个或多个补充符号的选择是基于这样的事实，即所得到的导频序列能够被尽可能地识别和/或同步。
在一种配置中规定，在导频序列具有八个导频序列符号的情况下，基本序列的形式为001，并且存在两个补充比特，两个补充比特一起具有以下形式之一：01、10、00或11。因此，0和1分别是二进制基本序列比特和二进制补充比特。类似于已经提到的其他比特，通过对应的映射将补充比特转换为补充符号。基本序列比特也是如此。
上述配置的补充或替代布置是，导频序列具有以下形式或通过反转比特顺序而从以下形式获得的形式之一：
00001101、11110010、10110000、01001111、01011000、10100111、00011010、11100101、01000011、1010011100、11000010、00111101、00010110、11101001、01101000、10010111、10000110、01111001、01100001、10011110、10011110、00101100、11010011、00110100或11001011。
因此，0和1是二进制导频序列比特。在一种配置中，以上导频序列与msk映射有关。
在一种配置中规定，在导频序列具有十二个导频序列符号的情况下，基本序列具有形式00010，并且存在两个补充比特，两个补充比特一起具有以下形式之一：
01、10、00或11。因此，0和1分别是二进制基本序列比特和二进制补充比特。
上述配置的补充或替代布置是，导频序列具有以下形式或通过反转比特顺序而从以下形式获得的形式之一：
100000011001、011111100110、100110000001、011001111110、001010110011、110101001100、110011010100、001100101011、000000110010、111111001101、010011000000、1011001111、010101100111、101010011000、111001101010、000110010101、010000001100、101111110011、001100000010、1100111101、000101011001、111010100110、100110101000或011001010111。
因此，0和1是二进制导频序列比特。在一种配置中，以上导频序列与msk映射有关。
此外，本发明通过一种用于发送信号的方法来实现目的。
从而，该方法至少包括以下步骤：
·每个所述信号在发送时具有导频序列，所述导频序列包括多个导频序列符号，以及
·基于具有至少一个基本序列符号的基本序列来提供导频序列，以使基本序列符号至少连续地重复形成导频序列符号。
发送器的以上配置可以通过方法的相应配置的步骤来实现，从而在此省去了重复的实施例。
本发明还通过接收器实现了目的。
接收器被配置为接收至少一个信号，并针对导频序列对其进行评估。在一种配置中，接收机利用存储的或通常已知的参考序列进行评估。
在一种配置中，接收器已知的参考序列与发送器用于发送的导频序列相对应，接收器使用该参考序列来评估包括所接收信号的导频序列。
以下配置分别涉及评估或用于评估的信号处理的特定变型。因此，特别描述了用于针对导频序列进行评估的接收器的协助部件或辅助部件。
在一种配置中，接收器包括信号评估设备。
信号评估设备被配置为使得对接收到的信号进行初始评估。由此，信号评估设备在第一评估期间至少部分地以第一采样速率对所接收的信号进行采样。替代地或另外地，信号评估器仅使用每第i个样本来处理接收信号的样本。因此，i是大于或等于2的自然数。另外，信号评估设备在第一评估期间产生关于导频序列的评估结果。
取决于该评估结果，信号评估设备对所接收的的信号进行第二评估。为此，信号评估设备在第二评估期间至少部分地以第二采样速率对所接收的信号进行采样。替代地或附加地，信号评估设备在第二评估中仅使用每第k个样本来进一步处理所接收的信号的样本。从而，第二采样速率大于第一采样速率，和/或k是小于i的自然数。
因此，在第一评估中，信号评估设备通过在采样期间相应地设置采样速率或通过处理更少的样本来执行子采样。特别地，如果来自上述发送器的信号与基于基本序列的导频序列一起使用，则由于符号的重复，子采样就足够了。
因此，在第一评估期间已经可以产生评估结果，该评估结果提供有关是否已检测到导频序列的信息。如果是这种情况，则在一种配置中进行第二评估，在第二评估中使用更高的采样速率。在一种配置中，这允许验证第一评估的肯定评估结果。例如，在第二评估中，可以确定基本序列的每个符号是否确实出现了r次。
在一种配置中规定，在第一评估中，信号评估设备从所接收的信号中识别出由多个符号组成的简化导频序列，其中，简化导频序列的符号数等于基本序列的符号数。从而，为了生成评估结果，信号评估设备将所识别的简化导频序列与所存储的基本序列进行比较(替代指定是参考基本序列)。如果第一采样速率对应于基本序列符号的重复率，则结果是简化导频序列理想地与用于提供导频序列的基本序列相同。为此，在一种配置中，可能的基本序列通过存储在相应的数据存储器中，从而可供信号评估设备使用。
一种配置是，在样本处理期间，信号评估设备确定与所存储的基本序列的相关性或相关性的近似值。因此，所存储的基本序列还是通常用于生成导频序列的那些基本序列，并且例如也可以称为参考基本序列。
在接收器的另一种配置中，接收器包括处理设备。该处理设备可以作为信号评估设备的替代或补充存在。
处理设备被配置为将所接收信号的导频序列划分为至少两个部分重叠的子区域。处理设备将导频序列的至少两个子区域与参考序列的子区域相关，并在每种情况下产生部分结果。最终，处理设备根据部分结果产生接收信号针对导频序列的总体结果。
在一种配置中，参考序列被存储在数据存储器中。
在一种配置中规定，处理设备将部分结果不相干地相加，以获得总结果。
根据一种配置，处理设备根据符号属于多少个子区域，在进行相关之前对至少两个子区域的符号进行加权。如果符号因此属于重叠区域，则它们的权重与它们属于非重叠区域时的权重不同。
在接收器的另一种配置中，接收器包括变换设备。变换设备可以作为信号评估设备和/或处理设备的替代或补充存在。
变换设备被配置为分别针对导频序列的至少两个子分组或至少两个子导频序列确定傅立叶变换。变换设备将所确定的傅立叶变换非相干地相加，并产生相加结果。此外，变换设备基于相加结果产生评估结果。在一种配置中，评估结果基于对参考序列的应用。在一种配置中，评估结果适用于导频序列，并且可替代地适用于属于公共导频序列的至少两个子导频序列。
因此，根据该配置，导频序列被分成子分组或以子导频序列的形式被接收。例如，接收完整且连贯的导频序列，并在接收器评估期间将其划分为子序列。
在一种配置中，两个子分组属于两个所接收的信号。接收器因此接收至少两个信号，至少一个子分组属于每个信号。
在另一种配置中，两个子分组属于一个所接收的信号。
根据一种配置，在确定傅立叶变换之前，变换设备在子分组或子序列的开始或末端处用零填充要变换的子分组或子序列。
一种配置规定，变换设备在确定傅立叶变换之后，在要变换的子分组或子序列的最大值和该最大值的相邻位置之间执行插值。
在另一种配置中规定，变换设备在产生相加结果之后，在要变换的子分组或要变换的子序列的最大值和该最大值的相邻位置之间执行插值。
根据一种配置，变换设备利用二次多项式执行插值。
一种配置规定，变换设备使用以下形式的多项式执行插值：
y(x)＝y0-c(x-x0)2
其中，自由参数y0、c和x0是根据相邻位置的最大值确定的。选择参数，使它们每个都通过最大值和相邻位置。
变换设备通过以下函数确定插值曲线的最大值：
其中x0是多项式最大值的横坐标值，y(0)是最大值，y(-1)和y(1)是相邻位置。
在一种配置中，形式为y(x)＝y0-c(x-x0)2的二次多项式被用作插值函数。
多项式最大值的横坐标值x0例如表示改进的时间估计(标准化为采样间隔t/n)。
根据多项式最大值的横坐标值x0，可以通过下式确定改进的频率估算值：
根据一种配置，不相干相加包括：所确定的傅立叶变换的量、量的平方、或量的近似值的相加。量的近似值例如是实部的量与虚部的量之和。
一种配置规定，变换设备被配置为执行快速傅里叶变换或离散傅里叶变换，以针对频率和/或相位评估导频序列。
此外，本发明通过一种用于接收至少一个信号的方法来实现目的，其中，针对导频序列来评估所接收的信号。
接收器的以上配置可以通过方法的相应配置的步骤来实现，从而在此省去了重复的实施例。
在一种配置中，该方法包括以下步骤：
·对所接收的信号进行初始评估，
ο其中以第一采样速率至少部分地采样所接收的信号，
和/或
其中仅每第i个样本值用于进一步处理所接收的信号的样本，并且
ο其中产生与导频序列有关的评估结果，
ο其中i是大于或等于2的自然数。
·根据评估结果，对所接收的信号进行第二评估，
ο其中所接收的信号至少部分地以第二采样速率采样，
和/或
其中仅每第k个样本用于进一步处理所接收的信号的样本，以及
ο其中第二采样速率大于第一采样速率和/或k是小于i的自然数。
以下步骤以替代或补充配置提供：
·信号的导频序列分为至少两个部分重叠的部分。
·将至少两个子区域与参考序列的子区域相关，并且在每种情况下产生部分结果。
·根据部分结果，产生针对导频序列的总体结果。
在同等替代配置或补充配置中，该方法至少包括以下步骤：
·对于导频序列的至少两个子分组或至少两个子导频
序列，分别确定傅立叶变换。
·将所确定的傅立叶变换非相干地相加，并且产生相加结果。
·基于相加结果并且基于参考序列，产生针对导频序列的评估结果。
此外，本发明涉及一种信号传输系统，该信号传输系统具有上述配置之一中的至少一个发送器和上述配置之一中的至少一个接收器。
最后，本发明涉及一种具有程序代码的计算机程序，以执行根据一种配置的上述方法。
附图说明
具体地，存在配置和开发发送器、接收器、系统和相应方法的多种可能性。为此，一方面参考权利要求，另一方面参考以下结合附图对实施例的描述，其中：
图1示出了根据用于检测导频序列的相关性方法的信号处理的示意图，
图2示出了二进制序列10010111的非周期性自相关函数，
图3示出了具有msk调制和msk调制的匹配滤波器的序列10010111的时间连续互相关函数，
图4示出了具有未知频率偏移的信号处理的示意图，
图5示出了具有多个发送器和接收器的系统的示意图，
图6示出了从基本序列产生导频序列的可视表示，
图7示出了对于八个符号的导频序列长度，具有匹配滤波器接收器的msk调制的相关性函数的幅度图，
图8示出了对于12个符号的导频序列长度，具有匹配滤波器接收器的msk调制的相关性函数的幅度图，
图9示出了对于具有补充符号的八个符号的导频序列长度，具有匹配滤波器接收器的msk调制的相关性函数的幅度图，
图10示出了对于具有补充符号的12个符号的导频序列长度，具有匹配滤波器接收器的msk调制的相关性函数的幅度图，
图11示出了将导频序列划分为两个没有重叠的子区域的示意图，
图12示出了将导频序列划分为两个具有重叠的子区域的示意图，
图13示出了将导频序列划分为具有重叠的三个子区域的示意图，并且
图14示出了所使用的调制的示例的示意图。
具体实施方式
在下文中，将再次讨论异步数据通信系统的问题。由此，发送器发送被提供有导频序列的信号。接收器接收信号并针对导频序列对其进行评估，即，接收器检查接收到的信号是否具有导频序列。为此目的，接收器部分地参考已知的参考序列。
采样的接收信号通常以一定的过采样存在于接收器中。在接收器中，对于过采样信号的每个时间步长k，评估在接收信号的紧接前一个时间窗中存在同步序列的概率。为此，将函数fnp(k)应用于每个时间步长的接收信号样本，并将其输出值与阈值进行比较。如果函数值超过阈值，则假定此时已经发送了导频序列。这种方法的理论基础在所谓的“检测理论”(neyman-pearson检测器，[8])中进行了论述。
到目前为止，相关性方法已经用于检测的实际实施中，其中接收信号与导频序列永久相关。为了检测，对相关性结果的量进行估计。随后，执行刚刚描述的阈值检测或最大似然(ml)检测或两者的组合。
到目前为止，在选择要使用的导频序列时，通常会参考自相关函数(acf)进行决策。选择以下序列：acf的次级相关峰最小，并且acf在主峰的两侧尽可能陡峭地下降。这允许非常精确地确定确切的同步时间。此外，由于较低的次级相关峰，因此减少了在这些次级峰的位置处的错误检测的次数。
在de102011082098a1中，描述了一种用于由电池供电的发送器的方法，其中，将数据分组划分为若干个子分组，每个子分组仅发送总信息的一部分(所谓的“电报拆分”)。这样的子分组称为“跳”。在一跳中发送若干个信息符号。这些跳在一个频率上发送，或分布在若干个频率上(所谓的“跳频”)。在这些跳之间有一些暂停，其中不发生任何传输。
在一种配置中，这样的跳可能由以下描述的发送器或接收器使用。
接收器使用每个电报中存在的导频序列来执行概述中提到的主题：检测和同步。
导频序列由l个调制符号(也称为导频符号或此处在文中称为导频序列符号)组成，并且通常在电报的开头(前导码)或中间(中间码)紧凑发送。替代地，导频序列也可以任意分散在数据符号之间。通常的做法是从与数据符号相同的调制字母表中提取导频符号(例如，多相移键控m-psk或m元正交幅度调制m-qam)。导频符号是接收者事先知道的或适当存储的。
当使用电报拆分时，即在将电报拆分为若干个子分组(也称为片段)的过程中，每个片段都包含其自己的导频序列。因此，各个片段通常包含相同的导频序列。
在基于无线电的系统的现代接收机中，通常的做法是在带通滤波之后将接收信号向下混频到基带中，并使用模数转换器(adc)在时间上等距采样和量化。每个采样值都是复数值，由实部和虚部组成。因此，至少以符号时钟或通常以其整数倍(过采样)进行采样。因此，检测的一个目的是在该采样序列中搜索具有导频序列的信号部分。为此已知各种方法，下面对这些方法进行简要描述。
低频偏移相关方法
将接收信号的样本序列与已知参考序列的符号序列相关。
为了确定在时间k的相关值，在时间k的样本值和先前的l-1个样本是以符号间隔从接收信号中获取的。进行n倍过采样时，仅获取每一第n个样本。
将这l个值乘以导频序列的共轭复符号。然后将这些乘积加在一起。基于这样获得的相关值的量，确定这l个样本是否包含完整的导频序列。因此，相关值的量也称为决策变量。
图1中显示了在采样时间k的完整信号处理的示例。
由此，接收信号r(t)首先经过接收滤波器(例如，最佳滤波器，也称为匹配滤波器)，以获得时间相关函数x(t)。用k0来标识导频序列的标记出的估计结尾。此外，t是符号间隔，或1/t是符号速率。n是过采样因子。
通常使用以下表示法：
·圆括号中的时间变量始终是时间连续的。例如，r(t)表示时间连续的接收信号。
·方括号中的时间变量始终是时间离散的，并且通常代表样本的连续编号。例如，x[k]表示接收滤波器之后的(时间连续)信号x(t)的第k个值。
为了确定是否存在导频序列，基本上已知两种方法，这两种方法经常相继执行：
1、首先，通常进行阈值检测。将决策变量|d[k]|与阈值dthr进行比较。如果该决策变量高于阈值，则认为检测到导频序列，并且时间索引k标记了该序列的最后一个样本。因此，已经可以获得导频序列的时间位置的粗略估计。在图1中，当设置k0＝k时就是这种情况。在否定的情况下，计数器k增加：k变为k+1。
2、根据检测到的导频序列，可以选择在从第一次检测开始的时间之后的指定时间窗口内执行最大值检测。为此，将具有决策变量的最大量的样本值用作检测时间。时间窗口通常小于电报持续时间。该步骤提高了时间估计的准确性，这对于具有不利的相关特性的导频序列特别有利。
导频序列的选择：
对于具有m个符号的符号字母表，存在ml个可能的导频序列。对于二进制符号字母表(m＝2)和导频序列长度l＝8，总共有28＝256个可能的序列。
为了利用相关性方法进行检测，导频序列的非周期性自相关函数(akf)的属性至关重要。从数学上讲，这定义如下：
对于所有序列，最大值是i＝0且为l时。如果仅考虑对导频序列的检测，则所有序列都同样适用。
但是，为了尽可能准确地估计时间，期望的是，i≠0时的所有acf的幅度值的大小相对于最大值尽可能小。这些值也称为相关次级峰。
如果ckf的相关次级峰为零，则acf被描述为理想的。不幸的是，没有序列具有理想的acf。
当前，通常的做法是使用包括最小可能的次级峰的导频序列。长度为八的二进制序列的示例是10010111。如果比特0和1被映射到符号+1和-1，则产生图2的acf。因此，acf[i]绘制在y轴上，i绘制在x轴上。次级峰的最大幅值为2。
此外，通常使用在调制和滤波后的信号与导频序列的acf之间的时间连续互相关函数(ccf)来选择导频序列，而不是使用时间离散的acf。但是，它们的形式主要由导频序列的acf确定，但也取决于调制脉冲和接收滤波器的脉冲响应。
对于线性调制信号以及可以用线性调制信号表示的信号(例如最小频移键控(msk)或高斯最小频移键控(gmsk))，可以证明该互相关函数以归一化表示形式由下式给出：
在此，h(t)由调制脉冲g(t)与接收滤波器的脉冲响应gr(t)的卷积得出。
为了进行准确的时间估计，优选所具有的ccf在主最大值之前和之后尽可能接近理想ccf的序列。理想ccf由上述公式和导频序列的理论上的理想acf得出。因此，它具有脉冲h(t)的形式。上面的序列10010111满足此属性(参见图3)。
在图3中，还将msk与匹配滤波器的理想ccf绘制为虚线。归一化的ccf绘制在y轴上。时间偏移量k绘制在x轴上。因此，示出了具有msk调制和匹配滤波器的序列10010111的连续ccf。虚线是函数h(t)。
未知频率偏移的检测方法：
上述相关性方法的缺点在于，该检测仅对于非常小的频率差(因此在发送信号的载波频率与接收滤波器的中心频率之间具有小的频率差)才是可靠的。因此，下面描述了其他方法。
fft方法：
在[9]中描述了一种也适用于大频率偏移的方法。可以将其看作是上述方法的一般化。基本功能概述如下。
在求和之前，将图1中的值x[k-l]a*[l-l+1]乘以复指数振荡的样本。该操作针对不同的振动频率(称为频率假设)执行多次。
对于每个频率假设，获得单独的决策变量|d[k，i]|，该决策变量不仅取决于k，而且取决于索引i，其中i表示第i个频率。选择为时间步长k确定的所有决策变量|d[k，i]|的最大值。相关的频率索引称为i0[k]。
然后将最大值与阈值进行比较。如果最大值高于阈值，则检测到导频序列，并且与i0[k]索引相关联的频率可用作频率偏移的粗略估计。
对于等距频率假设，这对应于l个值x[k]a*[l-1]、x[k-n]a*[l-2]至x[k-(l-1)n]a*[0]的离散傅里叶变换(dft)。
假设l为2的幂，则可以以众所周知的快速傅立叶变换(fft)的形式特别高效地执行dft。如果l不是2的幂，则将dft长度四舍五入到下一个较大的2的幂，并且将相应数量的零添加到l个值，以便可以应用fft。
为了提高检测的可靠性，l个fft输入值仍可以补充任意数量的附加零。
该方法如图4所示。
该方法适用于高达几乎符号速率一半的频率偏移。
但是，如果使用匹配的滤波器(所谓的最佳滤波器)，则在频率偏移0.5处必须接受大约3db的能量损耗。通过扩大接收滤波器的带宽(例如，扩大1.2倍)，可以大大减少这种损耗。但是，这会导致在低频偏移处产生一定的损耗(带宽扩展为1.2倍时，损耗约为0.8db)。
fft方法的缺点是计算量相对较高。仅对于fft，在最佳情况下(如果l是2的幂且未插入零)，每个时间步长k需要执行大约5l(1+ldl)次浮点运算(flop)[10]。这大大超过了在低频偏移时在相关性方法中求和所需的2l次flop。
根据neyman-pearson准则[11]，fft方法在理论上被认为是最佳的。
相位差相关性：
现有技术还描述了一种在未知频率偏移下的检测方法，该方法包括明显更少的信号处理工作量。
代替样本x[k]，在每种情况下都使用两个在符号间隔处的样本的乘积x*[k]x[k-n]，其中分别从最新值中获取共轭复数值。
因此，在图1所示的序列中，符号a[l]被乘积a*[l]a[l-1]代替。因此，总和仅涉及l-1个值。如果检测到导频序列，则决策变量d[k]的相位值就是所估计的频率偏移的量度。
缺点是决策变量中的信噪功率比小于fft方法。因此，导频序列不被检测到的可能性更高。
图5示出了系统50，在该系统中，信号当前从两个发送器1、100发送，并由三个接收器10、20、30接收。信号与导频序列一起发射，使得接收器10、20、30相应地被配置为在它们接收的信号中检测导频序列。为此，接收器10、20、30分别借助于参考序列。
发送器100是根据现有技术的发送器，其发送具有导频序列的信号。根据现有技术的这种信号尤其可以由所示的三个接收器中的两个20、30接收和最佳地处理。
另一个发送器1发送导频序列基于基本序列的信号。为了利用这种类型的导频序列，特别地配置了用附图标记10标识的接收器。
发送器1具有信号产生器2，该信号产生器2产生要发送的信号，该信号的特性(尤其是关于相应的导频序列的提供)在下面结合图6进行描述。特别地，存在具有符号重复的导频序列。要发送的信号不仅包括例如相应的导频序列，而且还包括诸如源自传感器或与发送器的特性等有关的数据。
图6在顶行中示意性地示出了具有八个符号的导频序列，即，对于长度l，l＝8。该导频序列将从包括多个基本序列符号的基本序列生成。
在进行导频序列的生成时，使基本序列符号连续重复多次。在所示的示例中，每个基本序列符号将重复一次。或者可以描述为，每个基本序列符号作为导频序列符号连续出现两次。对于(r-1)次重复，每个基本序列符号出现r次。适用下式：r＝2。
因此，为了获得八个导频序列符号，需要四个基本序列符号以进行重复(l/r＝8/2＝4)。因此，基本序列的长度为四。示例中的二进制基本序列符号按以下顺序给出：0110。这些基本序列符号输入到图6的第三行中。根据上述表示法，这些符号为：a[0]＝0；a[1]＝1；a[2]＝1和a[3]＝0。
通过将基本序列符号成倍，得到下一行所示的导频序列：00111100。
在一种配置中，(尤其是根据映射，例如bpsk)被重复所需次数的各个基本序列符号被提供了相位因数。
在具有八个符号的导频序列长度的情况下，以下基本序列的特征在于具有有利的自相关，从而显著简化了估计过程。这些基本序列是：
0010，
1101，
0100，
1011。
这产生以下四个序列：
00001100，
11110011，
00110000，
11001111
如果添加相位因子(在示例中，每种情况下均为180°)，其中相位因子在符号块(符号块是由基本序列符号的重复产生的)内的顺序是相同的，则在随后的逆映射之后的布置中获得以下导频序列：
01011001，
10100110，
10011010，
01100101。
下面使用复数符号描述中间步骤。
图7示出了在具有匹配滤波器接收器的msk调制期间的相关性函数的量。线a是全相关。线b是r＝2的部分相关。虚线c是msk基本脉冲的acf。值|εν|max是使用全相关的最大系统频率估计偏移，其中考虑了-0.5t至+0.5t的采样时间误差和-0.4至+0.4之间的接收信号的νt的频率偏移。在图7的示例中，每种情况下的值为0.027。
对于具有基本序列符号重复的、l＝12的导频序列长度，以下基本序列是有利的：
000101，
001011，
001101，
010001。
以下有利的导频序列尤其是由相位因子得出的：
类似于图7，图8示出了四个基本序列的相关性函数的幅度，其中在每种情况下，对应的基本序列示出在图旁边。在每种情况下都标记出了全相关的线a，并且标记出了r＝2的部分相关的线b。虚线是msk基本脉冲的acf。
因此，在一种配置中，使用具有以下属性的导频序列：
在导频序列的各具有r个导频符号的子序列内，存在除了一个相位因子ejφ之外相同的符号。在所有子序列中，第一个重复符号的相位因子均相同。在所有子序列中，第二个重复符号的相位因子也相同，依此类推。在一种配置中，相位因子对于不同的重复符号是不同的，而在另一种配置中是相同的。因此，r是l的除数。优选使用作为调制字母表一部分的相位因子(对于正交相移键控qpsk，例如“1，j，-1，-j”，对应于相位因子0°，90°，180°和270°)。
在一种配置中，在引入相位因子之前，将数据与调制字母表映射。这例如是bpsk(二进制psk)。
在图6的示例中，基本符号定义为[0，1，1，0]，因此在bpsk(即，在映射中，0变为-1，而1变为+1)之后，符号为：[-1，-1，+1，+1，+1，+1，-1，-1]。
如果插入提到的用于符号重复的相位因子(此处为90°)，则导频序列为：[-1,-j,+1,+j,+1,+j,-1,-1j]。
这种类型的导频序列具有很大的优势，即在通过二次采样进行检测(分别参见图7至图10的线b)时，可以实现重复长度r的时间不变性。由此，可以减少接收器中的检测的计算量。
例如，可以通过选择长度为l/r的基本序列并将每个符号重复(r-1)次，来构造导频序列。在一种配置中，每个子序列中的第r个重复符号(r＝1，2，...，r-1)被乘以相位因子，其中φr可在0和2π之间自由选择。
与先前在现有技术中使用的导频序列相比的优点在于，可以将信号处理计算量大大减少的方法用于检测。
缺点是序列选择受到限制。因此，与自由选择所有符号相比，整个导频序列的acf特性也可能被设置得不太理想。但是经验表明，对频率、时间和相位估计的影响可以忽略不计。
为了进一步改善在接收器侧对导频序列的检测，在信号产生器2的另一种配置中(参见图5)，在导频序列中设置有补充符号，该补充符号位于基本序列符号的重复的符号块之前和/或之后。这使得导频序列具有在这些符号之前和/或之后的符号重复。
在一种配置中规定，要产生的长度为l的整个导频序列中的长度为l-1或l-2的子序列具有上述特性。前提条件是r是l-1或l-2的除数，r是每个符号块的基本序列符号数。
为了构造具有补充符号的导频序列，将长度为(l-1)/r或(l-2)/r的基本序列的符号重复(r-1)次，以使这些符号可使用r次。随后，在之前或之后加入一个补充符号或几个(至少两个)补充符号。
一个优点是，通过自由选择一个或两个边界符号(作为补充符号的替代名称)，可以使整个导频序列的acf特性更好地适应于理想特性。
缺点是基本序列在整个导频序列中的比例降低。当对接收器进行二次采样时，这会导致信噪比的损耗(见下文)。
如果对于总长度为l个符号的导频序列通常使用x个补充符号，则长度为(l-x)的子序列具有由重复的基本序列符号产生的性质。
在以下实施例中，存在两个补充符号，其形式为11、00、01或10。从而，两个补充符号都在符号块之后，或者两个补充符号都在符号块之前，或者一个补充符号在前面，而另一个补充符号在后面。
由于补充符号的存在，指定长度的导频序列的基本序列符号数同时减少。
在导频序列长度l＝8，具有每个基本序列符号一次重复(因此r＝2)和具有两个补充符号的情况下，需要三个基本序列符号，其形式如下：001。利用补充符号01、10、00和11以及相位因子，可以得到以下有利的导频序列，其中，补充符号均通过竖线与由符号块形成的导频序列的实际核心分开：
图9示出了相关性函数的各自的幅值，其中对应的导频序列示出在图的旁边。标记出了全相关的线a，并且标记出了r＝2的部分相关的线b。虚线分别是msk基本脉冲的acf。
在导频序列长度l＝12，对于每个基本序列符号一次重复(因此r＝2)和两个补充符号的情况下，需要五个基本序列符号，其形式如下：00010(即，对于基本序列符号：a[0]＝a[1]＝a[2]＝0；a[3]＝1；a[4]＝0)。使用补充符号01、10、00和11以及相位因子，将产生以下导频序列，其中补充符号与符号块之间如前所述用竖线分开：
图10示出了相关性函数的幅度，其中对应的导频序列示出在图的旁边。标记出了全相关的线a和部分相关的线b，r＝2。虚线是msk基本脉冲的acf。
在下文中，描述了图5的系统，特别是其中示出的接收器10、20、30。
与所描述的发送器1相匹配的图5的接收器10具有信号评估设备11，该信号评估设备11可以访问内部数据存储器12。
信号评估设备11首先对接收到的信号进行初始估计。例如，如果已知发送器1仅重复了基本序列的符号，则信号评估设备11仅对接收信号的每第二个点进行采样，或者仅对每第二个样本进行评估，或者仅以半个符号时钟进行采样(以更高的采样率，使用小于每第二个样本)。这产生长度减少的导频序列，信号评估设备11将其与存储在数据存储器12中的基本序列进行比较(在互相关配置中)。这产生评估结果，该评估结果指示该长度减少的导频序列是否与基本序列相匹配，即，是否存在导频序列。
在肯定的情况下，信号评估设备11对接收到的信号进行新的评估，在此具体是第二评估，其中再次检查是否存在导频序列。为此，增加采样率或评估更多样本。
总体而言，用于连续检测导频序列的相关率降低了。
在用于检测导频序列的一种配置中，对已知方法(例如，具有低的频率偏差的相关性方法或未知频率偏移的fft方法)进行了修改，该修改具有以下特征：
仅对样本序列的每第rn(其中n是过采样因子，r是自然数，其等于基本序列的符号出现的次数，或等于重复数+1)个样本执行相关。另外，仅将滤波后的接收信号的每第rn个值用于计算决策变量。
相关性长度减小为导频序列中包含的基本序列的长度。对于上述的导频序列，相关性被减小为l/r个值。对于具有补充符号的导频序列，它被减小为(l-1)/r或(l-2)/r个符号，或者一般而言，对于x个补充符号，被减小为(l-x)/r个符号。
与具有n倍过采样的完全相关性相比，一个优点是减少了信号处理计算量。
对于现有技术中描述的相关性方法(例如，具有低的频率偏移的相关性方法)，计算量(以实值浮点运算数度量)减少了大约1/(nr2)倍。对于n＝2和r＝2，减小因子例如为1/(2*22)＝1/8。
对于在现有技术中描述的fft方法，当使用长度为l(或l/r，与基本序列相关)的fft时，计算量大约减少了因子1/(nr2)*{1-5ld(r)/(9+5ld(l))}。对于n＝2，r＝2和l＝8，减小因子例如为1/10。
缺点是，必须接受决策变量中的信噪比(snr)的一定损失，因为与较少数量的符号相关。没有附加符号的序列的损失约为10logrdb，因此在r＝2时约为3db。可以通过使用相应更长(长度恰好是r倍)的导频序列或通过使用多个子序列来弥补这一缺点。
建议基于具有n倍(其中通常n＝2就足够了)过采样的完整导频序列，在检测后的第二步骤中，对频率偏移、最佳采样时间和相位进行精确估计。为了能够在检测后访问采样值，在一种配置中，在检测阶段已经要求使用过采样因子n进行采样。结果，adc以每秒n/t个值的采样率连续采样。在检测阶段，主要减少了信号处理计算量。
图5的接收器20具有处理设备21。处理设备21被配置为将所接收信号的导频序列划分为至少两个彼此部分重叠的子区域。将每个子区域与存储在数据存储器22中的参考序列的子区域进行相关。将所得的部分结果组合为与所接收信号的导频序列有关的整体结果。
因此，在该配置中扩展了部分相关。
在[3]中，描述了一种用于在具有几个(子)导频序列的电报的频率偏移下改进检测的方法。导频序列被分为几个子区域，每个子区域分别相关。从导频序列到单个子区域或子序列的细分如图11所示。
在图11中，由p标识的导频序列位于由d标识的两个数据序列之间。导频序列被分为两个分离的子区域p1和p2，以进行进一步评估。
然而，在该方法中，位于两个子区域p1、p2之间的部分信息被丢弃。
为了提高检测能力，定义了重叠区域。例如，在图12中，来自图11的两个导频序列部分被定义为具有重叠。这增加了两个导频序列部分的长度。
然而，通过扩展两个部分，对频率偏移的检测敏感性增加。为了获得与频率偏移相比恒定的性能，导频序列部分的长度必须保持相同。
例如，在图13中，这是通过将导频序列分为多于两个子区域来实现的。在所示的配置中，有三个子区域：p1、p2和p3。
部分结果不相干地相加，因此频率偏移的影响较小。
在另一种配置中，对具有部分相关性的重叠区域进行归一化。
与[3]中描述的方法相比，上述配置提高了抗噪声相关性的性能。但是，如果在发送信号的信道中发生干扰，则重叠区域会产生负面影响。
重叠区域内的每个符号在相关中至少使用两次，但是重叠区域外的符号仅使用一次。这意味着重叠区域内的符号的权重高于重叠区域外的符号的权重。如果干扰因素落在重叠区域内，则其影响要大于未落在重叠区域内时的影响。
为了避免该问题，在一种配置中，通过归一化对重叠区域内的符号赋予较弱的权重，或者对区域外的符号赋予较强的权重。因此，权重取决于符号属于多少个子区域。
加权因子取决于所选子区域和重叠区域的数量。
由附图标记30标识的接收器具有变换设备，该变换设备针对公共导频序列的至少两个子导频序列或导频序列的至少两个子分组分别确定傅立叶变换。因此，子分组是重叠的或分离的。
变换设备31非相干地将所确定的傅立叶变换相加，并使用这里存储在数据存储器32中的参考序列来产生相加结果。然后，相加结果允许生成针对导频序列的评估结果。
在一种配置中，这是使用dft方法并结合了部分相关的优化检测，因此是图4中所示方法的优化。
接收器处理的基本原理将在下面讨论。
现有技术描述了一种fft方法(dft方法)，该方法允许通过使用很少的计算量来检测在符号速率的±0.5倍范围内的未知频率偏移下的导频序列。
dft方法的一个缺点是它不能用于部分相关或与分布式同步序列一起使用。该问题被所述的接收器30避免。
代替在整个同步序列上计算dft(fft)，对部分相关的所有子序列(因此导频序列的子分组)计算独立的dft或fft。检测的总体结果来自各个fft或dft的频率线的非相干相加。非相干相加的示例是绝对加法、绝对平方加法或此方法的近似值。
优点是通过使用fft可以在多个频率上并行执行“相关”。
仔细观察fft(dft)操作可以发现，fft(在多个不同的偏移量上并行地)执行了频移。然后将这些频移线相加。此方法的搜索区域为±0.5采样率(对应于符号速率)。
如果fft的分辨率不够精确，则会对fft/dft的输入数据进行零填充。这增加了fft/dft的频率线的数量。此处应注意，在fft的开始或结束处设置零。
在替代配置中，作为零填充的替代，执行最大值和相邻位置之间的插值。
优点是，与传统的fft方法相比，即使分离的同步序列也可以相对容易地检测到，因为fft/dft的非相干相加消除了同步序列之间相干性的需要。
实施例中提到的序列与作为映射示例的msk调制有关，msk调制具有以下特性：
有预编码的msk(matlab“非差异”)：
-每个时间步长旋转-pi/2(＝右＝＝顺时针)
-对于data＝＝1：旋转+pi/2＝＝左＝＝逆时针
-对于data＝＝0：-pi/2＝＝右＝＝顺时针
图14示出了msk调制的示意图。示出的是带有预编码的msk(在matlab中也称为非差异msk)的可能星座点。
由此将要发送的符号分成四个符号的组，其中第一个符号在时间t0发送。因此，在时间t0，为二进制0选择星座点+1+0j，为二进制1选择星座点-1+0j。为后面的符号选择时间t0+δt。星座点因此得出0+1j(二进制1)和0-1j(二进制0)。在接下来的两个时间中，星座点的计算方法相同。在将四个符号已经映射到星座点之后，计算将在时间t0再次开始。
尽管已经结合设备描述了一些方面，但是应当理解，这些方面也代表了对应方法的描述，使得设备的框或组件也应被理解为对应的方法步骤或方法步骤的特性。类似地，结合方法步骤或作为方法步骤描述的方面也是对相应设备的相应框或细节或特征的描述。一些或全部方法步骤可以由硬件设备来执行(或使用硬件设备)，硬件设备例如是微处理器、可编程计算机或电子电路。在一些实施例中，最重要的方法步骤中的一个或多个可以由这样的装置执行。
根据某些实现要求，本发明的实施例可以用硬件或软件实现，或者至少部分用硬件实现，或至少部分用软件实现。可以使用其上存储有电子可读控制信号的数字存储介质(例如，软盘、dvd、蓝光光盘、cd、rom、prom、eprom、eeprom或闪存、硬盘驱动器或另一磁存储器或光学存储器)来执行实现，该电子可读控制信号能够协作或与可编程计算机系统协作从而执行相应方法。因此，数字存储介质可以是计算机可读的。
根据本发明的一些实施例因此包括具有电子可读控制信号的数据载体，该电子可读控制信号能够与可编程计算机系统协作从而执行本文所述的方法之一。
通常，本发明的实施例可以实现为具有程序代码的计算机程序产品，该程序代码能够在计算机程序产品在计算机上运行时执行这些方法之一。
程序代码也可以例如存储在机器可读载体上。
其他实施例包括用于执行本文所述的方法任意之一的计算机程序，其中，该计算机程序存储在机器可读载体上。换言之，本发明方法的实施例因此是包括程序代码的计算机程序，该程序代码用于在计算机程序在计算机上运行时执行本文所述的方法之一。
本发明方法的另一实施例从而是数据载体(或数字存储介质或计算机可读介质)，其上记录有用于执行本文描述的方法之一的计算机程序。数据载体或数字存储介质或计算机可读介质通常是有形的和/或非易失性的。
因此，本发明方法的另一实施例是表示计算机程序的数据流或信号序列，所述计算机程序用于执行本文所述的方法之一。数据流或信号序列可以例如被配置为经由数据通信链路(例如，经由互联网)传送。
另一实施例包括处理设备(例如，计算机或可编程逻辑器件)，所述处理设备被配置为或适于执行本文所述的方法任意之一。
另一实施例包括其上安装有用于执行本文描述的方法之一的计算机程序的计算机。
根据本发明的另一实施例包括适于将计算机程序发送到接收器以执行本文描述的方法中的至少一个的设备或系统。该发送可以例如电子地或光学地进行。例如，接收器可以是计算机、移动设备、存储设备或类似设备。例如，该设备或系统可以包括用于向接收器发送计算机程序的文件服务器。
在一些实施例中，可编程逻辑器件(例如，现场可编程门阵列fpga)可以用于执行本文所述的方法的功能中的一些或全部。在一些实施例中，现场可编程门阵列可以与微处理器协作，以执行本文描述的方法之一。通常，在一些实施例中，该方法由任何硬件设备执行。这可以是通用硬件(例如计算机处理器，cpu)，也可以是特定于处理的硬件(例如asic)，也可以是微处理器(例如arm体系结构)。
上述实施例仅表示对本发明的原理的说明。应当理解，本领域的其他技术人员将理解本文描述的布置和细节的修改和变形。因此，意图在于，本发明仅由所附权利要求的范围限制，而不由本文在对实施例的描述和解释中给出的具体细节来限制。
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