一种窄带通信系统物理层同步方法及系统与流程

本发明属于铁路通信领域，特别涉及一种窄带通信系统物理层同步方法及系统。

背景技术：

各类通信系统中，帧（frame）同步的目的就是为了找到每一帧的起止时刻或者给出每个帧的开头和末尾时刻。当通信系统收到帧，只有在成功同步后才算是捕获到该帧，进而对其携带的信息进行解码。从而在帧发送之前，需要在帧中插入同步码，现有同步技术中，同步码插入的位置除了可在帧头以及在帧头和帧尾同时集中插入，也可以在信息码中的已知位置分散插入。在帧长固定的系统中，同步码呈周期性；在可变帧长的系统中，同步码呈非周期性，示例性的，如图1所示的集中插入方式，且为定长帧系统中的同步码，同步码呈周期性；如图2所示的集中插入方式，且为变长帧系统中的同步码，同步码呈非周期性；如图3所示的分散插入方式，且为定长帧系统中的同步码，同步码呈周期性。

此外，通信系统在收到一组码元后，使用已知的同步码并采用预设的检测方法对收到的序列进行检测，现有的检测方式主要有：相关法，最大似然法和似然比检验等方法。

但是在实际应用中，现有同步码的实现方式存在各类噪声、干扰以及多普勒频移等原因引起的误码，使同步码中个别位发生错误，从而导致通信系统接收端出现漏识或误识，如果信息码中含有和同步码相同的码元，通信系统中还可能出现假同步现象，其中，漏识、误识和假同步等都会造成解码失败。因此，帧同步码的同步方式越来越成为降低误帧率、保障系统可靠性的关键问题。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提供了一种窄带通信系统物理层同步方法及系统，降低了帧同步的误帧率、保障系统信息传输的可靠性。

本发明的目的在于提供一种窄带通信系统物理层同步方法，所述方法包括，

将物理帧划分为自动功率控制部分、第一同步码部分和信息序列部分，所述第一同步码部分设置在自动功率控制部分与信息序列部分之间；

在所述第一同步码部分引入线性调频信号序列；

在所述信息序列部分加入pn序列。

进一步地，所述在所述第一同步码部分引入线性调频信号序列包括，

设置线性调频信号s(t)：

；

设置线性调频信号的总时间长度l为n个符号宽度，其中，每个符号的宽度为t、过采样频率为m，j表示复数；

基于所述总时间长度l，计算线性调频信号每个采样点的角度：

；

将所述采样点的角度代入线性调频信号s(t)中，输出线性调频信号序列。

进一步地，所述线性调频信号序列中的符号数量k满足：

k=n*m。

进一步地，所述将物理帧划分为自动功率控制部分、第一同步码部分和信息序列部分还包括，

将所述信息序列部分划分为一个或多个时隙；

将每个所述时隙分成三部分，其中，

两端分别为第一信息序列子部分和第二信息序列子部分，用于放置信息序列，

中间为第二同步码部分，用于加入pn序列。

进一步地，所述加入pn序列包括，

设置pn序列；

将所述pn序列变为复数的pn序列；

将所述变为复数的pn序列插入至每个所述时隙的第二同步码部分。

进一步地，所述方法还包括接收信号序列，并执行以下步骤:

对所述线性调频信号序列进行粗同步；

截取所述pn序列进行精同步。

进一步地，对所述线性调频信号序列进行粗同步具体包括以下步骤：

步骤s11、在接收到的信号序列中截取q个符号，计算平均信号功率；

其中，m代表信号序列中的总符号数，m1为信号序列中第倒数m1位，i为整数，且i＞0，x(i)代表截取的所述q个符号中的第i个符号；

步骤s12、从接收到的信号序列的第一位开始，设置起始位置pos为0；

步骤s13、截取长度为k的一段序列c；

步骤s14、将所述序列c分别与exp（j*ang（t））和exp（-j*ang（t））进行互相关运算；

步骤s15、将互相关运算后的结果分别进行fft变换，找出相关峰、峰值对应的位置分别为f1、f2；

步骤s16、判断相关峰的幅值是否小于或等于预设阈值乘以平均信号功率，若是，则执行步骤s17；否则，执行步骤s18；

步骤s17、起始位置pos=pos+k，判断pos+k是否小于收到的信号序列长度，若是，重复步骤s13-步骤s16，否则，认为同步失败；

步骤s18、获取数字域的时延：td=round（（f1-f2）*p），p为窄带通信系统系数；

步骤s19、将起始位置设为pos1=pos+td；

步骤s110、以pos1为起始位置，执行步骤s13-步骤s19，得到时延td2，起始位置pos2=pos1+td2；

步骤s111、以pos2为起始位置，执行重复步骤s13-步骤s19，得到时延td3，起始位置pos3=pos2+td3；

步骤s112、以pos3为起始位置，计算收到的信号序列剩余的长度，并判断是否小于信息序列部分总长度-过采样倍数，若是，则认为收到信号序列过短，判定为接收错误；否则，截取所述pn序列进行精同步。

进一步地，截取所述pn序列进行精同步具体包括以下步骤：

步骤21、设置精同步的半窗口大小为win；

步骤22、从所述粗同步的起始位置pos3开始，计算第一个时隙和第二个时隙中pn码的起始位置，记为pn_pos1和pn_pos2；

步骤23、分别以pn_pos1-win和pn_pos2-win作为起始位置进行精同步计算；

步骤24、以pn_pos1-win为起始位置，取pn_pos1-win+lenpn个符号，计算第一个时隙中的内积，以pn_pos2-win为起始位置，取pn_pos2-win+lenpn个符号计算第二个时隙中的内积，并对计算出的两个内积值求和并记录；

步骤25、将起始位置+1，重复步骤24，直到起始位置为pn_pos1+win结束；

步骤26、找到内积最大值的起始位置，作为精同步的位置。

本发明的另一目的在于提供一种窄带通信系统物理层同步系统，所述系统包括，

划分模块，用于将物理帧划分为自动功率控制部分、第一同步码部分和信息序列部分，所述第一同步码部分设置在自动功率控制部分与信息序列部分之间；

第一同步模块，用于在所述第一同步码部分引入线性调频信号序列；

第二同步模块，用于在所述信息序列部分加入pn序列。

进一步地，所述第一同步模块还用于执行以下步骤：

设置线性调频信号s(t)：

；

设置线性调频信号的总时间长度l为n个符号宽度，其中，每个符号的宽度为t、过采样频率为m，j表示复数；

基于所述总时间长度l，计算线性调频信号每个采样点的角度：

；

将所述采样点的角度代入线性调频信号s(t)中，输出线性调频信号序列。

进一步地，所述划分模块还用于：

将所述信息序列部分划分为一个或多个时隙；

将每个所述时隙分成三部分，其中，

两端为第一信息序列子部分和第二信息序列子部分，用于放置信息序列，

中间为第二同步码部分，用于加入pn序列。

进一步地，所述第二同步模块还用于执行以下步骤：

设置pn序列；

将所述pn序列变为复数的pn序列；

将所述变为复数的pn序列插入至每个所述时隙的第二同步码部分。

进一步地，所述系统还包括接收模块，用于接收信号序列，并执行以下步骤：

对所述线性调频信号序列进行粗同步；

截取所述pn序列进行精同步。

本发明中采用线性调频信号序列作为同步码，不受干扰和噪声带来的个别位误码的影响，且可以实现检测多普勒频移，消除多普勒频移造成的影响；此外，线性调频信号与信息码完全不同，不存在信息码与同步码相同造成假同步的风险。且插入同步码之后，通过对线性调频信号序列进行粗同步之后，即使存在一个或多个符号的同步误差，也可通过pn码进行纠正。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了现有技术中一种同步码集中插入方式；

图2示出了现有技术中另一种同步码集中插入方式；

图3示出了现有技术中一种同步码分散插入方式；

图4示出了本发明实施例中一种窄带通信系统物理层同步方法流程示意图；

图5示出了本发明实施例中一种物理帧结构示意图；

图6示出了本发明实施例中一种线性调频信号序列生成过程示意图；

图7示出了本发明实施例中一种pn序列生成过程示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例中介绍了一种窄带通信系统物理层同步方法，其中，如图4所示，所述同步方法包括：首先，将物理帧划分为自动功率控制部分、第一同步码部分和信息序列部分；然后，在所述第一同步码部分引入线性调频信号序列；最后，在所述信息序列部分加入pn序列。本发明实施例中物理帧中的同步码由两个部分组成：线性调频信号形成的同步码部分和pn码部分。线性调频信号是频率和相位连续增加或连续减小的调频信号，连续增加和连续减小的两段信号可以检测多普勒频移，消除多普勒频移造成的影响。又由于线性调频信号与信息码完全不同，不存在信息码与同步码相同而造成假同步的风险。此外，信息序列部分中的pn序列又能够纠正线性调频信号中一个或多个符号的同步误差。进一步，依据调频的方式不同，常见的线性调频可分为锯齿波和三角波，物理帧可为定长帧，也可为变长帧。

示例性的，如图5所示的一种物理帧设计方式，线性调频信号序列的同步码（sync（同步））放在自动功率控制部分（即agc：automaticgaincontrol）和信息序列部分之间，其中，sync部分与信息序列部分的功率相同。信息序列部分又被分为一个或多个时隙，即时隙1至时隙n，其中，n为整数，n≥1；每个时隙分成三部分，两端是第一信息序列子部分与第二信息序列子部分，用于放置信息序列，即info（信息序列）；中间是第二同步码部分，用于放置pn序列，即pn码（pseudo-noisecode）。优选地，将线性调频序列集中或分散放置于物理帧的不同位置可达相同效果，且不同物理帧包含不同表达式、不同长度、不同位置、不同个数的线性调频信号序列也适用于本发明，同样的，不同物理帧或一帧中的不同时隙包含不同表示方式、不同长度、不同位置、不同个数的用于精同步目的的pn序列也适用于本发明。进一步，物理帧不划分时隙或划分长度可变时隙，只要在某些位置增加用于精同步的序列也适用于本发明。

本实施例中，agc是对接收到信号的放大倍数的调整，用来预防接收机信号饱和或收到的信号太小。在帧头都加入一段等幅的agc字段，能够有效地保证收到信号放大倍数的正确性。

本实施例中，如图6所示，在所述sync部分引入线性调频信号包括，

设置线性调频信号s(t)：

；

其中，t为时间长度，l为线性调频信号的总时间长度，j表示复数；且本发明实施例中出现的j均为复数。

设置线性调频信号的总时间长度l为n个符号宽度，其中，每个符号的宽度为t、过采样频率为m；

基于所述总时间长度l，计算线性调频信号每个采样点的角度：

；

将所述采样点的角度代入线性调频信号s(t)中，输出线性调频信号序列。

示例性的，本发明实施例中将n取184，即184个符号，m取8，则l=184t，线性调频信号每个采样点的角度：

；

输出线性调频信号序列为：

；

且所述线性调频信号序列中的符号数量k满足：k=n*m，在本发明实施例中线性调频信号共输出k=184*8=1472个符号。本发明实施例中，过采样频率不限于此8倍，对线性调频序列进行大于2倍的过采样均适用于本发明。进一步，使用其他长度的线性调频信号也同样适用于本发明。示例性的，本发明实施例中采用的是qpsk调制方式（quadraturephaseshiftkeying：正交相移键控）引入线性调频信号。

本实施例中，如图7所示，所述加入pn序列包括：首先，设置pn序列；然后，将所述pn序列变为复数的pn序列；最后，将所述变为复数的pn序列插入每个所述时隙的第二同步码部分。示例性的，本发明实施例中pn序列为：

pn={-11-1-11-1-1-111111-11-1}；

则，将pn序列变为复数的pn序列为：

pn={-11-1-11-1-1-111111-11-1}*(1+j)；其中，j表示复数；

最后，将pn插入给定的时隙中间（图1中位置）。示例性的，本发明实施例中，每个时隙含48个复数符号，前16个为信息序列对应的信息符号，中间16个为pn序列对应的复数符号，后16个为信息序列对应的信息符号。每个时隙所含pn码相同。但对信息序列与pn序列对应的复数符合设置不限于都为16个，选其他设置，例如：前20个为信息序列对应的复数符号，中间8个为pn序列对应的复数符号，后20个为信息序列对应的复数符号也同样适用于本发明。进一步，需要说明的是，不管是线性调频信号序列还是pn序列在生成的过程中均有复数计算，因此，线性调频信号序列与pn序列中的符号也都是复数符号。

所述方法还包括：接收信号序列，首先，对所述线性调频信号序列进行粗同步；然后截取所述pn序列进行精同步。对所述物理帧发送至接收端，接收端接收到的是信号序列，但所述信号序列不一定包括整个物理帧，可以是物理帧的一部分，即仅包括一定数量的符号，示例性的，接收端收到一段1000个符号的信号序列，需要确认同步码的起始位置，采用粗同步定义到第20个符号是开始位置，但是可能有一两个符号的误差，这个时候精同步可以调整这个误差。但是不限于1000个符号的信号序列，其他数量符号同样适用于本发明。从而采用粗同步与精同步可以有效地抵抗帧同步过程中的干扰、噪声、多普勒频移或者误识造成的帧同步失败问题，使得系统的同步精度高。

本实施例中，对所述线性调频信号序列进行粗同步具体包括以下步骤：

步骤s11、在接收到的信号序列中截取q个符号，计算平均信号功率；

m属于信号序列中总复数符号，m1为信号序列中第倒数m1位，i为整数，且i＞0，x(i)代表截取的信号序列（q个符号）中第i个复数符号，例如，当i取1时，x(1)就是q个复数符号中的第一个。示例性的，m1选取为256，q选取257，则平均信号功率满足；

但不限于选取257个复数符号以及m1选取256，例如，在收到的信号序列中的倒数1024-256位取中间段等也适用于本发明。

步骤s12、设置粗同步的起始位置pos为0，即从接收到的信号序列的第一位开始。

步骤s13、截取长度为k的一段序列c；k为sync的输出长度，本实施例中，k=184*8=1472。

步骤s14、将所述序列c分别与exp（j*ang（t））和exp（-j*ang（t））进行互相关运算（cross-correlation）；其中，exp是高等数学里以自然常数e为底的指数函数，j表示复数；

步骤s15、将运算后的结果分别进行fft（快速傅里叶变换：fastfouriertransform）变换，找出相关峰、峰值对应的位置f1、f2。其中，f1、f2应为一正一负。fft的采样点数一般是2的n次方，示例性的，fft的采样点可以为2的13次方，即，总共为8192个采样点。

步骤s16、判断相关峰的幅值是否小于或等于预设阈值与平均信号功率的乘积，其中，

若相关峰的幅值小于或等于预设阈值与平均信号功率的乘积，则执行步骤s17；

若相关峰的幅值大于预设阈值与平均信号功率的乘积，执行步骤s18；

步骤s17、起始位置pos=pos+k，判断pos+k是否小于收到的信号序列长度，其中，

若pos+k小于收到的信号序列长度，重复步骤s13-步骤s16；

若pos+k大于或等于收到的信号序列长度，同步失败；

步骤s18、获取数字域的时延：td=round（（f1-f2）*p），p为窄带通信系统系数，其中p的取值与采样频率符号宽度、fft采样点数有关，示例性的p取值0.7188。

步骤s19、将起始位置设为pos1=pos+td。

步骤s110、以pos1为起始位置，执行步骤s13-步骤s19，得到时延td2，起始位置pos2=pos1+td2。

步骤s111、以pos2为起始位置，执行步骤s13-步骤s19，得到时延td3，起始位置pos3=pos2+td3。

步骤s112、以pos3为起始位置，计算收到的信号序列剩余的长度，并判断是否小于信息序列部分总长度-过采样倍数，其中，

若收到的信号序列剩余的长度小于信息序列部分总长度-过采样倍数，则认为收到的序列过短，判定为接收错误；

若收到的信号序列剩余的长度大于或等于信息序列部分总长度-过采样倍数，截取所述pn序列进行精同步。

本实施例中，过采样倍数即过采样频率，仍以线性调频信号序列的示例进行说明，过采样倍数m取值8，因此，判断收到的信号序列剩余的长度是否小于信息序列部分总长度8即可，但不限于8倍过采样，其他过采样倍数同样适用于本发明。

所述截取所述pn序列进行精同步具体包括以下步骤：

步骤21、设置精同步的半窗口大小为win；

步骤22、根据所述粗同步的起始位置pos3，计算第一个时隙和第二个时隙中pn码的起始位置，记为pn_pos1和pn_pos2；

步骤23、分别以pn_pos1-win和pn_pos2-win作为起始位置进行精同步计算；

步骤24、以pn_pos1-win为起始位置，取pn_pos1-win+lenpn个符号，计算第一个时隙中的内积，以pn_pos2-win为起始位置，取pn_pos2-win+lenpn个符号计算第二个时隙中的内积，并对计算出的两个内积值求和、并记录。lenpn为一个pn码的长度；

步骤25、将起始位置+1，重复步骤24，直到起始位置为pn_pos1+win结束。

步骤26、找到内积最大值的起始位置，作为精同步的位置。

本实施例中，找到精同步的位置就是得到了pn码的起始位置，在进行精同步时，可以使用1个或n个精同步序列进行精同步检测。

本发明实施例中还介绍了一种执行上述所述同步方法的窄带通信系统物理层同步系统，其中，所述系统包括划分模块、第一同步模块和第二同步模块以及接收模块；其中，划分模块用于将物理帧划分为自动功率控制部分、第一同步码部分和信息序列部分，所述第一同步码部分设置在自动功率控制部分与信息序列部分之间。第一同步模块用于在所述第一同步码部分引入线性调频信号序列；第二同步模块用于在所述信息序列部分加入pn序列。

具体的，所述第一同步模块还用于执行以下步骤：设置线性调频信号s(t)：

；

设置线性调频信号的总时间长度l为n个符号宽度，其中，每个符号的宽度为t、过采样频率为m，j为复数；

基于所述总时间长度l，计算线性调频信号每个采样点的角度：

；

将所述采用点的角度代入线性调频信号s(t)中，输出线性调频信号序列。

所述划分模块还用于：将所述信息序列部分划分为一个或多个时隙；

将每个所述时隙分成三部分，其中，两端为第一信息序列子部分与第二信息序列子部分，用于放置信息序列，中间为第二同步码部分，用于加入pn序列。

所述第二同步模块还用于执行以下步骤：首先，设置pn序列；然后，将所述pn序列变为复数的pn序列；最后，将所述变为复数的pn序列插入每个所述时隙的第二同步码部分。

所述接收模块用于执行以下步骤：首先，对所述线性调频信号序列进行粗同步，具体步骤如上述步骤s11-步骤s112；然后，截取所述pn序列进行精同步，具体步骤如上述步骤21-步骤26。

本实施例中，多等级列车混跑可以大幅度提高铁路的运行效率，混跑所需的线路数据需要通过车地通信系统进行接收，且列控系统为sil4等级的安全系统，因此，可靠的车地通信系统是实现多等级列车混跑的基础。从而上述方法适用于多等级列车混跑的窄带通信系统物理层。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。