专利名称：一种应用于无线传感网中的帧同步装置的制作方法
一种应用于无线传感网中的帧同步装置玟术领镇本发明涉及一种无线传感网络，尤其涉及其传感器节点接收机中的帧同步装置和方法。 背录技术随着通信技术、嵌入式计算技术和传感器技术的飞速发展和日益成熟，具有感知能力、 计算能力和通信能力的无线传感器节点开始出现，并且引起了人们的极大关注。这种无线传 感器节点构成无线传感网能够协调地感知、采集和处理网络覆盖区域内的各种环境或监测对 象信息，并发布给需要这些信息的用户。无线传感网将逻辑上的信息世界与真实的物理世界 融合在一起，深刻地改变了人与自然的交互方式；可以广泛地应用于军事、工农业控制、生 物医疗、环境监测等诸多领域。目前，传感器网络研究的一个重要方面是在能量严重受限的微型节点上如何实现简单的环 境数据(如温度、湿度、光强等)采集、传输与处理。然而，随着监测环境的日趋复杂多变，由 这些传统传感器网络所获取的简单数据愈加不能满足人们对环境监测的全面需求，迫切需要 将信息量丰富的图像、音频、视频等媒体引入到以传感器网络为基础的环境监测活动中来， 实现细粒度、精准信息的环境监测。这样就要求每个节点能够在有限的频谱资源上传输丰富 多彩的内容。在现有的无线传感网中，基于帧头序列相关的帧同步技术在很多场合下都有应用。图1 为现有相关序列检测装置的典型结构图。所述相关序列检测装置包括帧头序列相关器、检测 门限生成器、帧检测器及最大径搜索器。在所述帧信号检测装置中，帧头序列相关器内部设 置一个本地序列存储器，用于将帧头序列预先存储下来。工作时，接收到的当前序列与本地 序列存储器中存储的帧头序列同时送入复数相关器，进行相关，然后再由累加器将一个帧头 序列各个样点的相关结果进行累加，累加的结果就是帧头序列相关的结果。所述检测门限生 成器内置一个门限寄存器，帧头序列相关器每输出一个相关结果，门限生成器就将门限寄存 器内的值和相关结果进行加权求和，来更新门限寄存器的值，这个计算结果就作为新的门限。 帧检测器则将相关结果和检测门限生成器生成的新的门限值进行比较，当相关结果超过门限 时，则认为检测到信号帧，最后使能所述帧检测器后级的最大径搜索器，使其从相关结果中 搜索多径信号的最大径，作为帧同步的位置。然而上面所述的同步装置，各个相邻的帧的两次捕获是独立不相关的，这种方式适用于 信息简短，突发传输的传统无线传感网中。而对于多媒体传感网中数据传输量比较大，发射 机与接收机之间会有一段时间的连续通信，在这样的场景中，上述的同步装置就没有利用到 相邻的帧之间所预知的信息，会出现一些不必要的丢帧或误同步。另一方面，随着传输速率 的提高，发射信号的采样率也提高，若维持帧头的长度不变则多径会造成帧头中训练序列的 符号间干扰，从而影响捕获和同步的精度。发明内容本发明的目的在于提供一种适用于无线多媒体传感网的帧同步装置和方法。 本发明要解决现有的同步装置在多媒体传感网应用中存在的误捕和失捕概率高的问题。 本发明所述的无线多媒体传感网的帧同步方法，至少包括状态失捕态，此时系统没有 检测到短训练序列和长训练序列；捕获态，此时系统已检测到短训练序列并正在搜索长训练 序列；跟踪态，此时系统已经检测到长训练序列，并正在进行下一帧的同步。在本发明的帧同步方法中，对帧头的训练序列进行了改动，设置了短训练序列和长训练 序列。短训练序列的样点数较少，接收端相应的匹配滤波器实现也较简单，处理速度也比较 快，但是这样的训练序列在多径环境中可能会存在符号间干扰，因此本发明中使用这样的训 练序列作为系统粗同步使用，且设置了多个重复的短训练序列，降低失捕的概率。系统捕获 到短训练序列后即进入捕获态。长训练序列的样点数较多，与短训练序列相反，接收端的匹 配滤波器实现就比较复杂，处理的速度也会比较慢，但是这样的训练序列在多径环境中可以 有效地抑制符号间干扰，因此本发明中使用这样的训练序列作为系统精同步使用，且只有在 系统进入捕获态或跟踪态时才启动长码相关器，作长码检测。采用长码进行精同步，可以有 效地降低系统误捕的概率。另外，在跟踪态时，接收机可以根据预知的连续两帧的间隔，对 下一帧的到达时间进行估计，启动长码相关器，作长码检测实现系统的精同步。若此时无法 实现精同步则系统进入失捕态，重新启动短码相关器进行短码检测。本发明的所述的目的还在于提供一种适用于无线多媒体传感网的帧同步装置。该装置包 括短序列检测器，长序列检测器和状态控制器。所述的短序列检测器包括用于将当前接收的信号序列与预先存储的短训练序列进行相关 以获得当前的相关结果的短序列相关器，用于根据已生成的门限值与所述短序列相关器获得 的当前相关结果生成当前短序列检测门限值的短序列检测门限生成器，用于将当前所述短序 列相关器获得的相关结果与所述短序列检测门限生成器生成的当前短序列检测门限值进行比较以判断短序列是否出现的比较器。所述的长序列相关器包括用于将当前接收的信号序列与预先存储的长训练序列进行相关 以获得当前的相关结果的长序列相关器，用于根据根据当前系统状态由已生成的门限值与所 述长序列相关器获得的当前相关结果或所述的长序列相关峰寄存器中存放的上一帧长序列相 关峰来生成当前长序列检测门限值的长序列检测门限生成器，用于将当前所述长序列相关器 获得的相关结果与所述长序列检测门限生成器生成的当前长序列检测门限值进行比较以判断 长序列是否出现的比较器及用于在所述长序列检测器判断出长序列已经到达时根据所述长序 列相关器的各相关结果搜索出信号最大径的最大径搜索器，用于存放上一帧的长序列相关峰 的长序列相关峰寄存器。所述的状态控制器根据短序列检测器和长序列检测器给出的信号进行各种状态切换，并 给出相应的短序列检测器和长序列检测器工作使能信号。综上所述，本发明的适用于无线多媒体传感网的帧同步装置和方法采用了短训练序列和 长训练序列结合的方式，由短训练序列来迸行粗同步，再根据长训练序列进行精同步，这样 在保证了帧同步精度的同时，降低了系统的失捕率。另外，在跟踪态时状态控制器直接根据 前一帧的同步位置对当前帧的同步位置进行估计，并给出长序列检测器的工作使能信号，根 据长训练序列进行同步，这样进一步降低系统的失捕率并提高了帧同步精度。
图1是现有的帧信号检测装置的整体结构图；图2是本发明的适用于无线多媒体传感网的帧同步方法状态转换图； 图3是本发明的适用于无线多媒体传感网的帧同步装置结构图； 图4是本发明的短序列检测器结构图； 图5是本发明的长序列检测器结构图。
具体实施方式
在本专利文件中，下面讨论的图2到5、以及用来说明本发明原理的各种实施例，仅通过 说明的方式，并在任何方式下不应该被视为对本发明范围的限制。本领域技术人员将理解， 可在任何适当布设的无线传感网中实现本发明的原理。图2示出了本发明的一种适用于无线多媒体传感网的帧同步方法的状态转换图，其中包括失捕态、捕获态和跟踪态三个状态。系统开机后自动进入失捕态，此时持续进行短序列检 测，从接收信号序列中检测短训练序列是否到达，若成功检测到短训练序列则系统进入捕获 态，否则继续停留在失捕态。在捕获态时，系统根据长训练序列与短训练序列的相对位置， 估计出一个长训练序列大致到达的时间，启动长序列检测器进行长序列检测，从接收到的信 号序列中检测长训练序列是否到达，若成功检测到长训练序列则系统给出帧同步信号并进入 跟踪态，否则系统退回失捕态。在跟踪态中，系统根据相邻两帧的间隔时间，根据上一帧到 达的时间估计出当前帧的到达时间，启动长序列检测器进行长序列检测，从接收到的信号序 列中检测长训练序列是否到达，若成功检测到长训练序列则系统给出帧同步信号并保持在跟 踪态，否则系统退回失捕态。本发明的方法采用短训练序列进行粗同步，响应迅速捕获率高，同时用长训练序列进行 精同步，同步精度高；另外在跟踪过程中根据相邻两帧的相对位置由前一帧的到达时间对当 前帧的到达时间进行估计，从而启动长序列相关器进行检测，减小对同步的干扰因素进一步 提高了系统的同步精度，降低了失捕率。图3示出了本发明的一种适用于无线多媒体传感网的帧同步装置结构图，至少包括短序 列检测器、长序列检测器和状态控制器。短序列检测器和长序列检测器都对接收到的信号序 列进行相关检测，都由状态控制器给出的使能信号控制其工作状态，并将检测结果反馈给状 态控制器，另外状态控制器还给出一个状态指示信号控制长序列相关器。所述的短序列检测器请参见图4，由短序列相关器、短序列检测门限生成器和比较器组成。 其中，短序列相关器用于将当前接收的信号序列与预先存储的短训练序列进行相关以获得当 前的相关结果，本领域技术人员对其工作原理及结构已熟知，在此不再详述。短序列检测门 限生成器与短序列相关器相连，用于根据已生成的门限值与当前所述帧头序列相关器获得的 相关结果生成当前信号径检测门限值，若所述巳生成的门限值为Am^，获得的当前相关结果为cor ，则所生成的当前信号径检测门限值Ar^/^wew为^^/ _wew = a*Amy/7 + ii:*(l-a)*cw，其中，a和K都为常数。这与现有帧同步装置中的检测门限生成器原理相同。在本实施方式中，a的值选为63/64，可使当前门限值近似的 与前64个相关结果有关，保证门限值的平稳性；K的值选为2，可使当前门限值近似为预设 的时间段内各相关结果平均值的两倍，即近似为前64个相关结果平均值的两倍，以保证能筛 选出大部分的信号径。另外短序列相关器和短序列检测门限生成器的使能信号端口都与短序列检测器使能信号相连，由状态控制器控制其工作状态。比较器与短序列相关器和短序列检 测门限生成器相连，将短序列相关结果与短序列检测门限进行比较，若超过门限则将输出的 短序列检测信号置高电平，表示检测到短训练序列，否则保持短序列检测信号低电平。所述的长序列检测器请参见图5，由长序列相关器、长序列检测门限生成器、比较器、最 大径搜索器和长序列相关峰寄存器组成。其中长序列相关器与上面所述的短序列相关器结构 相同，区别在于将本地存储的短训练序列换成长训练序列。长序列检测门限生成器由第一门 限生成器，第二门限生成器，门限寄存器和选择器组成，根据当前系统状态，生成长序列检 测门限。比较器与长序列相关器和长序列检测门限生成器相连，将长序列相关结果与长序列 检测门限进行比较，若超过门限则将输出的长序列检测信号置高电平，表示检测到长训练序 列，否则保持长序列检测信号低电平。最大径搜索器与长序列相关器和比较器相连，由长序 列检测信号控制其工作状态，当长序列检测信号为高电平时，根据所述帧头序列相关器的各 相关结果搜索出信号最大径，其原理与现有帧同步装置中的最大径搜索器相同，这里就不再 详述。在长序列检测门限生成器中，第一门限生成器与长序列相关器和门限寄存器相连，同上 面所述的短序列检测门限生成器原理相同，根据式Ams/ — "ew = a <formula>formula see original document page 7</formula>生成门限，在本次实施方案中a的值选为255/256， K的值选为32。第二门限生成器则与长序 列相关峰寄存器相连，将上一帧的相关峰除以2作为检测门限。门限寄存器与第一门限生成 器相连，用于存储第一门限生成器上一周期产生的门限值。选择器的两个输入端口分别与第 一门限生成器和第二门限生成器相连，由当前系统状态来选择采用哪个门限生成器产生的门 限值，若系统处于捕获态则选用第一门限生成器的门限值，若系统处于跟踪态则选用第而门 限生成器产生的门限值。所述的状态控制器由一个状态机和一个定时器组成，根据短序列检测器和长序列检测器 的检测信号给出短序列检测器和长序列检测器的使能信号以及状态指示信号。其中状态机负 责根据输入的信号根据状态图实现状态的切换。定时器由状态机控制，且只有在系统处于跟 踪态是才工作。定时器的定时长度与帧长度相同，并由帧同步信号进行清零。综上所述，本发明的方法采用短训练序列进行粗同步，响应迅速捕获率高，同时用长训 练序列进行精同步，同步精度高；另外在跟踪过程中根据相邻两帧的相对位置由前一帧的到 达时间对当前帧的到达时间进行估计，从而启动长序列相关器进行检测，减小对同步的干扰 因素进一步提高了系统的同步精度，降低了失捕率。
权利要求
1.一种适用于无线多媒体传感网的帧同步装置，其特征在于至少包括短序列检测器，从接收到的信号序列中检测短训练序列的位置；长序列检测器，从接收到的信号序列中检测长训练序列的位置；状态控制器，根据检测的信号维持状态的切换，并给出一系列控制信号。
2. 如权力要求l所述的一种适用于无线多媒体传感网的帧同步装置，其特征在于所述的 短序列检测器包括短序列相关器，短序列检测门限生成器和比较器。
3. 如权力要求l所述的一种适用于无线多媒体传感网的帧同步装置，其特征在于所述的 长序列检测器包括长序列相关器，长序列检测门限生成器，比较器，最大径搜索器和长序列 相关峰寄存器。
4. 如权力要求3所述的一种适用于无线多媒体传感网的帧同步装置，其特征在于所述的 长序列检测门限生成器包括第一门限生成器，第二门限生成器，门限寄存器和选择器，根据 当前系统状态来对两个门限生成器产生的门限值进行选择。
5. 如权力要求l所述的一种适用于无线多媒体传感网的帧同步装置，其特征在于所述的 状态控制器由状态机和定时器组成，状态机负责根据检测信号来维持各个状态的切换，定时 器负责根据相邻两帧之间的间隔和前一帧的同步信号来估计当前帧的到达时间，并给出相应 的控制信号。
6. —种适用于无线多媒体传感网的帧同步方法，其特征在于至少包括状态 失捕态，此时系统没有检测到短训练序列和长训练序列；捕获态，此时系统已检测到短训练序列并正在搜索长训练序列； 跟踪态，此时系统已经检测到长训练序列，并正在进行下一帧的同步。
7. 如权力要求6所述的一种适用于无线多媒体传感网的帧同步方法，其特征在于在所述 的失捕态中持续进行短码检测，当检测到短训练序列时进入捕获态。
8. 如权力要求6所述的一种适用于无线多媒体传感网的帧同步方法，其特征在于在所述 的捕获态中根据长训练序列与短训练序列的相对位置，给出长序列检测使能信号，并使用长 序列检测器中的第一门限生成器产生的门限作为检测门限；当检测到长训练序列时系统进入 跟踪态，否则进入失捕态。
9. 如权力要求6所述的一种适用于无线多媒体传感网的帧同步方法，其特征在于在所述 的跟踪态中，状态控制奇根据相邻两帧之间的间隔和前一帧的同步信号来估计当前帧的到达 时间，并给出相应的控制信号进行长序列检测，并使用长序列检测器中的第二门限生成器产 生的门限作为检测门限；当检测到长训练序列时系统保持在跟踪态，否则进入失捕态。
全文摘要
本发明涉及公开了一种适用于无线多媒体传感网的帧同步装置和方法，其中帧同步装置包括短序列检测器、长序列检测器和状态控制器；帧同步方法包括失捕态，捕获态和跟踪态三个状态以及这三个状态之间相互切换的过程。本发明采用了短训练序列和长训练序列相结合的方式，由短训练序列进行粗同步，响应迅速捕获率高，同时用长训练序列进行精同步，同步精度高；另外在跟踪过程中根据相邻两帧的相对位置由前一帧的到达时间对当前帧的到达时间进行估计，从而启动长序列相关器进行检测，减小对同步的干扰因素进一步提高了系统的同步精度，降低了失捕率。
文档编号H04B7/26GK101286794SQ200810060060
公开日2008年10月15日 申请日期2008年3月5日 优先权日2008年3月5日
发明者万溢萍, 刘海涛, 华 姜, 建 姜, 施玉松, 晨 陈 申请人:中科院嘉兴中心微系统所分中心