多径信道下抗大频偏单载波系统信号同步方法及装置

本发明涉及一种多径信道下抗大频偏单载波系统信号同步方法及装置，属于路径分配。

背景技术：

1、单载波频域均衡(sigle carrier-frequency domain equalization,sc-fde)技术则是另一种同样得到广泛应用的对抗多径衰落的技术。顾名思义sc-fde技术是通过单载波调制的，不需要将信道划分成多个子载波，不存在ofdm技术中发射信号峰均比(peak toaverage power ratio，papr)过高的问题，因此对射频放大器的性能要求较低，广泛运用于wi-fi、4g和5g等通信系统中；在通信系统中由于任何同步错误都会引入载波间干扰(inter-carrier interference，ici)和符号间干扰(inter-symbol interference，isi)，从而降低单载波通信系统的性能；因此，同步是通信系统必须执行的一个重要步骤。

2、目前实际系统中大多采用基于训练序列的同步算法，这是因为此类算法在前导结构上灵活多变，可以采用不同特性的序列构造前导。并且，此类算法针对不同结构可利用不同的相关处理方式，可以从多种角度对算法进行改进以不断提升同步估计性能。现阶段提出的同步方法主要有基于延迟自相关、基于对称自相关、基于本地序列互相关3种方法。

3、其中，最经典的方法是由schmidl和cox提出的基于延迟自相关的施米德尔-考克斯(schmidl-cox，sc)算法，该算法基于[a，a]训练符号结构，通过计算前后两个相同部分的相关峰值来确定起始点；但其定时测度函数在正确定时点附近有一个平台，这个平台导致帧起始点的模糊，增大了估计的误差。minn提出了一种改进的基于[a，a，-a，-a]训练符号结构的定时算法，这个方法的最大优点是在定时时刻减小了峰值平台；但是在错误时刻也很容易出现多个较大的尖峰，为判决门限的选取带来困难。随后park设计了一种新的共轭对称结构的训练符号，与schmidl和minn相比，它在正确的起始点产生了更清晰的定时度量，但仍然存在小的旁瓣。扎多夫-楚(zadoff-chu，zc)序列是一种具有恒幅值、零自相关等良好特性的同步序列，基于此，malik提出了利用由两个共轭zc序列组成的特殊前导码，并使用本地序列进行互相关的同步方法。fang、jian和fan分别又提出了不同算法来提高同步性能，但在多径衰落信道下的性能有待提高。yang提出了一种基于本地序列互相关、快速定时搜索窗口和双阈值决策的定时同步方法，有效地降低了虚警概率和捕获丢失概率，在多径信道下有较好的同步性能；但是其算法在定时测度旁有两个侧峰。

4、但是，现有技术中，针对无线通信系统，特别是单载波通信系统中，信号在经过多径信道影响下，信号具有较大载波频率偏移时，不能获取信号帧正确起始位置，以及纠正多径效应等干扰给信号带来的载波频率偏移，影响同步性能。

技术实现思路

1、本发明提供一种多径信道下抗大频偏单载波系统信号同步方法及其装置，针对无线通信系统，特别是单载波通信系统中，信号在经过多径信道影响下，信号具有较大载波频率偏移时，获取信号帧正确起始位置，以及纠正多径效应等干扰给信号带来的载波频率偏移，提高同步性能。

2、为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：

3、第一方面，本发明提供了一种多径信道下抗大频偏单载波系统信号同步方法，包括以下步骤：

4、步骤一：对带有基于zc序列的新型同步序列的输入信号进行计算，采用双阈值法进行判别，输出数据帧正确定时位置。

5、步骤二：根据正确定时位置，对信号分别进行粗频偏纠正处理，精频偏纠正得到频率偏移量，输出纠正后的信号。

6、进一步的，步骤一中，对带有基于zc序列的新型同步序列的输入信号进行计算，采用双阈值法进行判别，输出数据帧正确定时位置，包括以下步骤：

7、将同步序列拼入数据序列中，同步序列应位于数据序列之前；该同步序列基于zc序列产生；zc序列的表达式为：

8、

9、式中：j代表复数；r为序列根索引；n为zc序列的长度；n代表每一个样本点；两个根如果是互质的，那么生成的两个序列相关峰值几乎为零，设计了一种新的训练序列结构[a,b,c,d]；该训练序列由1个长度为n的符号组成，其中a为一个长度为n/4，根索引为ra的zc序列；

10、

11、由于快速傅里叶逆变换不改变cazac序列的性质，因此可以直接使用a或a的n/4点ifft生成的序列来构造a；

12、b是和a对称且共轭的序列，*代表取共轭；

13、b(n)＝a*(n/4-n)

14、c是一个长度为n，根索引为rc的zc序列，其中rc和ra互质；

15、而d是和c对称且共轭的序列，*代表取共轭；

16、d(n)＝c*(n/4-n)

17、发送端将该同步序列拼入所要传送的数据之前；

18、接收端收到信号后，将接收信号与本地所储存的同步序列进行计算，找出最大值；

19、其度量函数根据所提出的前导符号的结构，被定义为：

20、

21、

22、

23、式中：p(d)为接收序列y和本地序列h之间的相关运算，y*()表示共轭；r(d)是接收样本的模值，用来归一化；h(k)为本地同步序列；k代表每一个样本点。

24、采用双阈值方法，根据相关值遭受的衰落，采取不同的阈值，找出使度量函数最大时的样本点，即为数据帧起始的正确定时时刻；

25、当前样本点为d，首先对判决点前长度为100个样点的滑动窗内的度量取平均值得到ma，平均值ma乘以系数g即可得到动态阈值th1；再对判决点后100个样点的滑动窗内的度量值取平均值得到mb，平均值mb乘以系数g即可得到动态阈值th2；系数g可以根据信道的不同进行调整；在当前样本的度量值同时大于动态阈值t1和t2时，即认为该样本是正确的定时位置；即为正确定时时刻；

26、

27、

28、

29、进一步的，步骤二中，根据正确定时位置，对信号分别进行粗频偏纠正处理，精频偏纠正得到频率偏移量，输出纠正后的信号，包括以下步骤：

30、根据需要纠正的频偏范围和尝试次数，确定不同的尝试频偏，产生m个不同频偏的本地序列；寄存在寄存器中，以便后级比较使用；

31、将接收到的信号和m个不同频偏的本地序列同步进行互相关；在m*n个相关结果中找出最大值，其中对应的粗频偏即认为时正确的粗频偏；

32、对接收到的信号，使用找出的粗频偏进行纠正；

33、对接受到的信号，通过相关，求和，求角度后计算其精频偏；

34、对接受到的信号，使用找出的精频偏进行纠正。

35、进一步的，根据需要纠正的频偏范围和尝试次数，确定不同的尝试频偏，产生m个不同频偏的本地序列，包括：

36、根据尝试的粗频偏，产生不同的本地序列；粗频偏纠正采用频偏尝试的方法；根据需要纠正的频偏范围和尝试次数，确定不同的尝试频偏，产生m个不同的本地序列。

37、进一步的，对接收到的信号，使用找出的粗频偏进行纠正，包括：

38、粗频偏为fhz，原始本地序列为p(n)，频偏为0的本地序列，则对应粗频偏的本地序列为

39、pf(n)＝p(n)·exp(j2πnf/fs)

40、其中fs为采样频率，j代表复数，n代表每一个样本点。

41、进一步的，对接受到的信号，通过相关，求和，求角度后计算其精频偏，包括：

42、在得到同步位置ns和粗频偏fco以后，根据同步位置，将同步序列r(n)和本地同步序列y(n)进行互相关，同时消除粗频偏相位影响；相关的相位结果cf中包含频偏信息，经过计算可以得到精频偏ffo；

43、

44、

45、其中，n表示同步序列长度，i代表每一个样本点，ns代表正确定时位置，angle()表示求角度，conj()表示取共轭，由于angle(cf)被严格定义在[-π,+π]范围内，所以精频偏可以检测的范围只跟同步序列长度n有关；

46、对接受到的信号，使用找出的精频偏进行纠正，包括：

47、得到精频偏ffo后，对数据进行精频偏纠正，输出数据帧起始位置和纠正后的数据完成同步:

48、

49、第二方面，本发明提供一种多径信道下抗大频偏单载波系统信号同步装置，包括：

50、符号定时同步模块：用于对带有基于zc序列的新型同步序列的输入信号进行计算，采用双阈值法进行判别，输出数据帧正确定时位置；

51、载波频率同步模块：用于根据正确定时位置，对信号分别进行粗频偏纠正处理，精频偏纠正得到频率偏移量，输出纠正后的信号。

52、进一步的，所述的符号定时同步模块模块包括：

53、寄存模块：用于将根据需要纠正的频偏范围和尝试次数，确定不同的尝试频偏，产生的m个不同的本地序列储存在寄存模块当中，以便粗频偏纠正时进行调用。

54、滑动相关模块：用于将接收到的数据信号和本地同步序列进行滑动相关，滑动窗长度为同步序列长度，相关时实部虚部分开进行计算，分别相乘后相加减，得到相关后的值。

55、门限计算模块：用于根据所设定的阈值，计算出门限值。

56、比较模块：用于一直比较滑动相关模块计算出的相关值，和门限计算模块计算出的门限值，当相关值大于门限值时，即认为该点为真确的数据帧起始点。

57、接收端接收到的信号首先分成实部和虚部进入滑动相关模块，输出每个点对应的滑动窗内的相关值之和，将值输出到比较模块。并将信号输出给门限计算模块，门限计算模块计算出每个点对应的窗口内的噪声值，输出给比较模块。比较模块将每个点对应的相关值和门限值进行比较，当相关值大于门限值时，将该点所在位置索引输出给后级载波频率同步模块。

58、进一步的，所述载波频率同步模块包括：

59、粗频偏寄存模块：用于根据需要纠正的频偏范围和尝试次数，确定不同的尝试频偏，产生m个不同频偏的本地序列。寄存在寄存器中，以便后级比较使用。

60、粗频偏相关模块：用于对接收到的信号和m个不同频偏的本地序列同时进行相关处理，其中相关的最大值所用的本地序列的频偏，即认为是正确的粗频偏。

61、粗频偏纠正模块：用于对接收到的信号，使用找出的粗频偏进行纠正。

62、精频偏计算模块：用于对接受到的信号，通过相关，求和，求角度后计算其精频偏。

63、精频偏纠正模块：用于对接受到的信号，使用找出的精频偏进行纠正。

64、载波频率同步模块：用于将接收到的信号通过粗频偏寄存模块，粗频偏相关模块,粗频偏纠正模块，精频偏计算模块和精频偏纠正模块后，输出纠正过后的信号。

65、第三方面，本发明提供一种多径信道下抗大频偏单载波系统信号同步装置，包括处理器及存储介质；

66、所述存储介质用于存储指令；

67、所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行第一方面所述方法的步骤。

68、与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：

69、1、本发明采用了一种基于zc序列的新的同步序列和定时度量方法，正确定时时刻具有更明显的相关峰，这能够有效抑制多径信道下，低信噪比时，侧峰对正确判别带来的影响，提高同步性能。

70、2、本发明提出了动态阈值的判别方法，在低信噪比环境下，具有更好的同步效果。

71、3、由于频偏可以检测的范围只跟同步序列长度n有关，同步序列越长，可以纠正的频偏范围就越大，但是过长的同步序列会减少信号可传输的数据量。因此本发明提出了粗频偏尝试法，通过尝试法先进行粗频偏纠正，将频偏纠正到精频偏可以计算的范围，在进行精频偏纠正，大大提高了可以纠正的频偏范围。

72、4、与现有多载波技术相比，本发明具有更低的峰均比，降低了功率损耗，提高了放大器效率。