一种码片同步方法、装置及通信终端与流程

本发明实施例涉及通信技术领域，尤其涉及一种码片同步方法、装置及通信终端。

背景技术：

同步是通信系统中一个重要的实际问题，它是系统间可靠地进行数据传输的重要保证。然而，信号中噪声的存在、载波初始相位的随机性、多普勒频率引起的中频偏移都影响着信息的同步，要使接收端将发送端的数据正确解调出来，一个可靠的同步系统必不可少。若同步系统性能降低，则会直接导致通信系统性能的降低，甚至使通信系统不能工作。可以说，在同步通信系统中，“同步”是进行信息传输的前提，因此，为了保证通信系统中信息的可靠传输，要求同步系统应具有更高的可靠性。同步技术包括载波同步、位同步、帧同步和码片同步等。

传统位同步技术利用数字锁相环技术，能够通过采样时钟跟踪接收码元，从而输出最佳采样点。但在极低信噪比环境下，基于传统锁相环技术的位同步难以实现，以至于先位同步再进行帧同步方法无法实现，故需要寻找新的帧同步检测方法。为保证低信噪比环境下的通信，一般采用扩频技术，扩频系统中需要利用帧同步脉冲对扩频码的周期进行划分，即通过帧同步获取高精度码片同步是扩频系统能够实现可靠解扩的关键，然而，此方法中，最佳采样点受帧同步相关峰位置波动影响大，如果帧同步出现定时偏差，通信系统的解调性能将会快速恶化。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明实施例的目的是提供一种码片同步方法、装置及通信终端，以克服相关技术在帧同步出现定时偏差时，通信系统解调性能快速恶化的技术缺陷。

第一方面，本发明实施例提供了一种码片同步方法，包括：

提取接收信号包含的至少一帧信息的采样点集的能量值；

对所述至少一帧信息的采样点集按固定步长进行划分，得到采样点子集；

对所述采样点子集的能量值进行平均码片处理，得到所述采样点子集对应的码片信息；

对所述码片信息进行码片判决。

第二方面，本发明实施例提供了一种码片同步装置，包括：

能量值获取模块，用于提取接收信号包含的至少一帧信息的采样点集的能量值；

采样点子集获取模块，用于对所述至少一帧信息的采样点集按固定步长进行划分，得到采样点子集；

码片信息获取模块，用于对所述采样点子集的能量值进行平均码片处理，得到所述采样点子集对应的码片信息；

码片判决模块，用于对所述码片信息进行码片判决。

第三方面，本发明实施例提供了一种通信终端，其特征在于，所述通信终端集成有本发明任意实施例中提供的码片同步装置。

本发明实施例中提供的码片同步方案，提取接收信号包含的至少一帧信息的采样点集的能量值；对所述至少一帧信息的采样点集按固定步长进行划分，得到采样点子集；对所述采样点子集的能量值进行平均码片处理，得到所述采样点子集对应的码片信息；对所述码片信息进行码片判决。由于噪声干扰，通信系统中，帧同步可能出现定时偏差，并影响后端解调性能，本发明实施例通过采用上述技术方案，对帧同步后采样点的码片信息进行平均码片处理，实现通信系统的码片同步，不仅可以提高解调端的性能，还可以减小前端定时偏差的影响，从而更好地保证通信系统数据传输的可靠性。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明实施例一提供的一种码片同步方法的流程示意图；

图2为本发明实施例二提供的一种码片同步方法的流程示意图；

图3为本发明实施例三提供的一种码片同步装置的结构示意图；

图4为本发明实施例四提供的误比特率与信噪比之间关系图；

图5为本发明实施例四提供的误比特率与信噪比之间关系图；

图6为本发明实施例四提供的误比特率与信噪比之间关系图；

图7为本发明实施例四提供的误比特率与信噪比之间关系图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

在更加详细地讨论示例性实施例之前应当提到的是，一些示例性实施例被描述成作为流程图描绘的处理或方法。虽然流程图将各步骤描述成顺序的处理，但是其中的许多步骤可以被并行地、并发地或者同时实施。此外，各步骤的顺序可以被重新安排。当其操作完成时所述处理可以被终止，但是还可以具有未包括在附图中的附加步骤。所述处理可以对应于方法、函数、规程、子例程、子程序等等。

实施例一

图1为本发明实施例一提供的一种码片同步方法的流程示意图，该方法可以由码片同步装置执行，其中该装置可由软件和/或硬件实现，一般可集成在通信终端中。如图1所示，本发明实施例一提供的码片同步方法，包括如下步骤：

步骤101、提取接收信号包含的至少一帧信息的采样点集的能量值；

在通信网络中，计算机通信传输的是由“0”和“1”构成的二进制数据，每个二进制数据为一位，二进制数的一位所包含的信息就是一比特，如二进制数0101就是4比特，网络设备将“位”组成一个个的字节，然后将这些字节“封装”成帧，再按照一定的次序发送出去。在发送端，数据链路层把网络层传下来的数据封装成帧，然后发送到链路上去，在接收端，数据链路层把收到的帧中的数据取出并交给网络层。数据链路层之所以要把比特组合成以帧为单位传送，是为了在出错时，只需重新发送有错的帧，而不必将全部数据重新发送，从而提高了信息传送效率。

示例性的，采样点集的能量值具体是指采样点集中各采样点对应的幅值信息。

步骤102、对所述至少一帧信息的采样点集按固定步长进行划分，得到采样点子集；

示例性的，固定步长为N，从当前帧信息的帧头位置开始，依次向后每N个采样点则构成一个采样点子集。需要说明的是，本实施例对固定步长不作具体限定。

步骤103、对所述采样点子集的能量值进行平均码片处理，得到所述采样点子集对应的码片信息；

在扩频系统中，信息码的每一个数字都是携带了信息，具有一定带宽。扩频通信就是用一串有规则的比信息码流频率高很多的码流来调制信息码，也就是说原来的一个数据信号，如逻辑1或0，通常要用多个编码信号来进行编码，那么其中的一个编码信号就称为一个码片，码片相当于模拟调制中的载波作用，是数字信号的载体。

示例性的，对采样点子集中的各采样点的幅值信息求和并进行平均计算，将得到的该采样点子集中各采样点的幅值信息的平均值作为该采样点子集对应的码片信息。

步骤104、对所述码片信息进行码片判决。

示例性的，将获得的各采样点子集对应的码片信息进行`过零判决，若某一采样点子集对应的码片信息大于或等于0，则判决为1，反之，则判决为0，将判决后所得的码片信息送入后端进行解扩。

本发明实施例一提供的码片同步方法，提取接收信号包含的至少一帧信息的采样点集的能量值；对所述至少一帧信息的采样点集按固定步长进行划分，得到采样点子集；对所述采样点子集的能量值进行平均码片处理，得到所述采样点子集对应的码片信息；对所述码片信息进行码片判决。通信系统中，由于噪声干扰，帧同步可能出现定时偏差，并影响后端解调性能，本发明实施例通过采用上述技术方案，对帧同步后采样点的码片信息进行平均码片处理，实现通信系统的码片同步，不仅可以提高解调端的性能，还可以减小前端定时偏差的影响，从而更好地保证通信系统数据传输的可靠性。

实施例二

图2为本发明实施例二提供的一种码片同步方法的流程示意图，本实施例在上述实施例的基础进行优化，在提取接收信号包含的至少一帧信息的采样点集的能量值之前，对接收信号进行高倍率采样及帧同步处理。如图2所示，本发明实施例二提供的码片同步方法，包括如下步骤：

步骤201、通过模拟数字转换器对接收信号进行高倍率采样，得到所述接收信号的采样点集。

通信系统从传输的信号类别上可以分为模拟信号和数字信号两大类。在某些情况下，通信发送机和通信接收机所能够处理的信号是数字信号，而传输介质只能传输模拟信号，因此在信号的传输过程中需要进行数/模和模/数转换。

模拟数字转换器(Analog-to-Digital Converter，ADC)是用于把模拟量转换为数字量的装置。ADC的采样率一般是基带信号速率的整数倍，采样率越大得到同步精度越高，但是所需要的相关资源消耗也将线性增加，并且采样率增大到一定程度时，后端检测判决性能并不会继续增加，所以在保证系统性能的情况下，采样率选取一个合适值即可。

示例性的，接收端接收到的信号为模拟信号，通过ADC对接收到的模拟信号进行高倍率采样，将模拟信号转换为数字信号，高倍率采样得到的各采样点构成所述接收信号的采样点集。

例如，接收到的模拟信号包含128个码片信息，ADC采样率为4倍的基带信号速率，则经过ADC对接收的模拟信号进行4倍率采样后，将得到512个码片信息，使得该接收信号具有1/4码片精度的同步点，并且，可以理解的是，这512个码片信息对应512个采样点，这些采样点构成接收信号的采样点集。具体的，ADC对每一个码片信息分别进行了4倍率采样，接收到的每个码片信息包含4个采样点，即每个码片信息对应一个由四个采样点组成的样点序列。需要说明的是，在本实施例中，通过ADC进行高倍率采样时，各采样位置之间的预设间隔是相等的，但对各采样位置之间预设间隔的大小不作具体限定。

步骤202、对所述接收信号的采样点集的能量值进行自相关运算，获取帧同步位置信息；

帧同步的目的是使接收端能从接收到的二进制比特流中区分出帧的起始和终止。为了实现帧同步，可以在数字信息流中插入一些特殊码字作为每个群的头尾标记，这些特殊的码字应该在信息码元序列中不会出现，或者是偶然可能出现，但不会重复出现，此时只要将这个特殊码字连发几次，接收端就能识别出来，接收端根据这些特殊码字的位置就可以实现帧同步。一般是在每一帧前面加上一定长度伪随机(Pseudorandom Noise，PN)码作为帧头，利用帧头相关性获取相关峰值，利用相关峰获取同步位置信息。

示例性的，提取接收信号采样点集各采样点对应的幅值信息，即为采样点集的能量值，对所述接收信号的采样点集的能量值进行自相关运算，获取帧的起始位置信息，即获取帧头位置信息，进而实现帧同步。

具体的，在发送的有效数据信息的每一帧数据前加上一定长度的PN码，作为帧头，并且，所述PN码互相关性差，自相关性强。提取接收信号采样点集各采样点对应的幅值信息，通过匹配滤波器实现对所述接收信号的采样点集能量值的自相关运算，得到接收线号采样点集能量值相关峰的位置，相关峰的位置即为帧同步位置，即接收信号中各帧的帧头位置。需要说明的是，在本实施例中，对PN码的长度不作具体限定。

匹配滤波器在形式上由以按时间反序排列的输入信号构成，且滤波器的振幅特性与信号的振幅谱一致，因此，对信号的匹配滤波相当于对信号进行自相关运算。匹配滤波器是能够使输出端的信号瞬时功率与噪声平均功率的比值最大的线性滤波器，当信号与噪声同时进入滤波器时，它使信号成分在某一瞬间出现尖峰值，而噪声成分受到抑制，从而一定程度上提高了通信系统的信噪比(Signal-Noise-Ratio，SNR),信噪比一般用分贝(Decibel，dB)为单位。

步骤203、根据所述帧同步位置信息对所述接收信号的采样点集进行划分，得到所述接收信号包含的至少一帧信息的采样点集；

根据帧头位置信息对接收信号的采样点集进行划分，得到至少一帧信息对应的采样点集。

步骤204、提取接收信号包含的至少一帧信息的采样点集的能量值；

提取接收信号包含的至少一帧信息的采样点集中各采样点对应的幅值信息。

步骤205、对所述至少一帧信息的采样点集按固定步长进行划分，得到采样点子集；

其中，固定步长可以根据所述模拟数字转换器进行所述高倍率采样的采样率确定，即根据步骤201中ADC的采样率来确定。示例性的，若ADC采样率为N，则可以将固定步长设置为N。对高倍率采样后的接收信号，根据帧同步位置实现帧划分，得到至少一帧信息的采样点集，提取至少一帧信息的采样点集的能量值后，从帧头开始，依次向后，每N个采样点构成一个对应的采样点子集，对各采样点子集中包含的采样点的能量值进行平均码片处理，获得该采样点子集对应的码片信息，对获得的码片信息进行码片判决。

示例性的，若接收的模拟信号包含4帧数据信息，通过ADC对接收的模拟信号进行4倍率采样，得到接收信号的采样点集，对接收线号的采样点集的能量值通过匹配滤波器实现自相关运算，得到4个峰值位置信息，根据峰值位置信息，对接收信号的采样点集划分为4组；若每帧信息包含5个码片信息，由于通过ADC进行了4倍率采样，则ADC采样后的每帧信息将包含20个采样点组成的序列。从帧头开始，依次向后以4为固定步长对至少一帧信息的采样点序列进行划分，使得该一帧信息中每个码片信息对应一个由4个采样点组成的采样点子集，设所述该一帧信息中各采样点子集的能量值为：{-1，-1.2，-0.5，-1.3}，{1，1.2，0.5，1.3}，{-0.3，-1.2，-1，-1.5}，{1.5，1.2，1，0.3}，{0，0.2，1，2}，对该帧信息中的各采样点子集的能量值进行求和及平均计算后，获取该帧信息各采样点子集对应的码片信息分别为：-1、1、-1、1、0.8，通过码片判决，即过零判决，将其转化为对应的码片信息为01011。

需要说明的，非扩频系统中位同步的作用等同于扩频系统中的码片同步，都是为了获取对应的比特信息，因此，本实施例提供的技术方案，通过帧同步实现码片同步，也即实现了直接利用帧同步获取位同步，本发明所提供的技术方案既可用于扩频系统中对同步系统的优化，也可用于非扩频系统中对同步系统的优化。

本实施例通过模拟数字转换器对接收的模拟信号进行高倍率采样，得到所述接收信号的采样点集，根据帧同步位置信息，对接收线号的采样点集进行划分，得到至少一帧信息的采样点集，根据固定步长对至少一帧信息的采样点集进行划分，获取各码片信息对应的采样点子集，对采样子集包含的各采样点的能量值进行平均码片处理，获取各采样点子集对应的码片信息，并对码片信息进行码片判决。本实施例提供的技术方案，通过对接收信号进行高倍率采样，使的采样信息具有更高的码片精度；通过对帧同步后采样点的码片信息进行平均码片处理，即使存在噪声等因素的干扰，使得高倍率采样后的帧同步出现定时偏差，由于平均后的码片同步对帧同步位置定时的依赖小，在非精确码元对齐时，对后端解调的影响小，提高了解调端的性能，还可以减小前端定时偏差的影响，进一步确保了通信系统数据传输的可靠性。

实施例三

图3为本发明实施例三提供的一种码片同步装置的结构示意图，该装置可由软件和/或硬件实现，一般集成在通信终端中，可通过执行码片同步方法来进行码片同步。如图3所示，该装置包括能量值获取模块301、采样点子集获取模块302、码片信息获取模块303和码片判决模块304。

其中，能量值获取模块301，用于提取接收信号包含的至少一帧信息的采样点集的能量值；采样点子集获取模块302，用于对所述至少一帧信息的采样点集按固定步长进行划分，得到采样点子集；码片信息获取模块303，用于对所述采样点子集的能量值进行平均码片处理，得到所述采样点子集对应的码片信息；码片判决模块304，用于对所述码片信息进行码片判决。

本发明实施例提供的码片同步装置，通过对帧同步后采样点的码片信息进行平均码片处理，实现通信系统的码片同步，不仅可以提高解调端的性能，还可以减小前端定时偏差的影响。

在上述实施例的基础上，所述码片同步装置还可以包括：

第一采样点集获取模块，用于提取接收信号包含的至少一帧信息的采样点集的能量值之前，通过模拟数字转换器对接收信号进行高倍率采样，得到所述接收信号的采样点集。

通过对接收信号进行高倍率采样获得高精度的码片信息。

在上述实施例的基础上，所述码片同步装置还可以包括：

同步位置获取模块，用于提取接收信号包含的至少一帧信息中的采样点集的能量值之前，通过对所述接收信号的采样点集的能量值进行自相关运算，获取帧同步位置信息；

第二采样点集获取模块，根据所述帧同步位置信息对所述接收信号的采样点集进行划分，得到所述接收信号包含的至少一帧信息的采样点集。

根据同步位置获取模块得到的帧同步位置信息，对第一采样点集获取模块得到的接收信号采样点集进行划分，得到第二采样点集获取模块所得的至少一帧信息的采样点集。

在上述实施例的基础上，所述码片同步装置还可以包括：

步长获取模块，用于根据所述模拟数字转换器进行所述高倍率采样的采样率，得到所述固定步长。

根据步长获取模块得到的固定步长，对第二采样点集获取模块得到的至少一帧信息的采样点集进行划分，得到采样点子集获取模块所得的采样点子集。

实施例四

在上述实施例的基础上，本实施例四提供了以高斯移频键控(Gauss Frequency Shift Keying，GFSK)调制方式通信系统为例，采用本发明实施例提供的技术方案，对通信系统性能进行分析。

帧同步采用匹配滤波方法，匹配滤波器能够使抽样时刻的输出SNR最大，如果匹配滤波器输出端获得最大SNR，就能对加性高斯白噪声干扰的信号进行最佳判决，提高后端判决性能。但是受到噪声的干扰，输出峰值位置有可能会发生偏差，超前或滞后正确同步点若干个采样点。

设置ADC采样率是基带速率的4倍，GFSK调制指数为0.5，将高斯滤波器的3dB带宽B和输入码元宽度T的乘积(BT)值设置为0.5。接收端解调器主要负责反正切和差分运算，解调器将得到的软信息送入帧同步模块进行高精度同步。对GFSK调制来说，误比特率至少要达到0.1％，用误比特率(Bit Error Rate，BER)来衡量未进行平均码片处理与进行平均码片处理后，通信系统性能是否得到优化。

基于本申请所提供的技术方案，通过改变扩频因子(Spreading Factor，SF)的数值变化，分两种情况对通信系统进行讨论，一种是未加扩频，即SF＝1，另一种是采用扩频，扩频因子SF>＝2；在仿真中，t＝0表示同步位置正好是精确同步点的情况，t＝-1标识同步位置超前精确同步点一个采样点，t＝1表示同步位置滞后精确同步点一个采样点。

如图4～图7所示，平均采样点即对采样点进行平均码片处理；直接下采即采用传统的方法，从帧同步的位置进行采样，作为对应的码片信息。例如，经过ADC四倍率采样后，得到帧同步位置处的第一个码片信息对应的4个采样点序列为{0，0.5，1，1.5}，则平均采样点处理后得到的码片信息为0.5，采用直接下采得到的码片信息为0。图4～图7所示的折现图横轴表示通信系统的信噪比，纵轴表示系统的误比特率。

图4为SF＝1，t＝0时通信系统的误比特率与信噪比之间的关系图，可见，当BER为0.1％时，采用平均采样点法的SNR约为14.9dB，采用直接下采方法的SNR约为15.6dB，采用平均采样点法的信噪比比直接下采样方法的信噪比大约低了0.7dB。由于BER相同时，SNR越低则表明发送信号对系统的性能要求也越低，因此，在该情况下，采用平均采样点法的同步系统性能提高了约0.7dB。

图5为SF＝1时，对t＝1与t＝-1时通信系统的误比特率与信噪比之间的关系图，结合图4所得精准同步下的采用直接下采方法，当BER＝0.1时，所对应的SNR＝15.6，在图5中取SNR＝15.6，可见，在相同输出信噪比的情况下，对于平均采样点方法，超前或滞后精确同步点一个采样点通信性能恶化效果相同，而对于直接下采，同步滞后一个采样点，恶化显著，同步超前一个采样点时，信噪比为15.5dB，误比特率可以达到0.1％，对判决影响不大

图6与图7的分析与图4与图5的分析相似，具体分析不再赘述。图6为SF＝4，t＝0时通信系统的误比特率与信噪比之间的关系图，可见，扩频模式时，在误比特率为0.1％时，采用平均采样点法相比直接下采法，信噪比减小约0.5dB，即采用平均采样点发，系统性能提高了约0.5dB。图7为SF＝4时，对t＝1与t＝-1时通信系统的误比特率与信噪比之间的关系图，在t＝1和t＝-1时，平均采样点性能相同，均可在信噪比为9.8dB左右达到0.1％，相比精确同步点，性能仅有0.2dB的恶化。而采用直接下采方法，在SNR＝9.8dB时，t＝1与t＝-1两种情况下的对应误比特率均高于采用平均点法时对应的误比特率。

通过上述分析可知，在t＝0时，即精确同步的情况下，无论是否扩频，采用平均采样点方案均比直接下采性能提高约0.5dB左右；对于偏移精确同步点的情况下，SF＝1时，即非扩频模式下，滞后精确同步点一个采样点，直接下采在性能上不及平均采样法，但是，超前精确同步点一个采样点对性能影响不大；SF＝4时，即扩频模式下，对比平均采样点相比直接下采方案仿真结果，可以发现采用平均采样点降低了解扩对同步点的依赖，这样即使由于噪声影响，精确同步点发生超前或滞后一个采样点偏差，也不会影响后端的解扩性能。

实施例五

本实施例五提供了一种通信终端，该通信终端集成了本发明实施例中的码片同步装置，可通过执行码片同步方法来实现通信系统的同步。

示例性的，本实施例中的通信终端具体可为手机、电脑、智能玩具、智能家居及可穿戴智能设备等。

在通信系统中，由于噪声干扰，帧同步可能出现定时偏差，并影响后端解调性能，当采用本实施例中的通信终端进行信息传输时，该通信终端能够通过对帧同步后采样点的码片信息进行平均码片处理，实现通信系统的码片同步，不仅可以提高解调端的性能，还可以减小前端定时偏差对通信系统的影响，保证了通信系统数据传输的可靠性。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。