一种多进制差分相移键控信号的双重同步方法及系统与流程

本发明涉及通信，具体涉及一种多进制差分相移键控信号的双重同步方法及系统。

背景技术：

1、同步技术直接关系着整个通信系统的性能，准确的同步技术是可靠通信的前提。通信接收端可以采用相干解调或非相干解调从调制信号中恢复出信息。非相干解调实现起来虽然相对容易，但性能有所损失。而相干解调的实现难度主要在于提取载波信息。一般来说，载波同步也包括对载波的相位进行精准的估计，以产生一个与载波同频同相的信号，用于信号解调。而本发明所考虑的差分相移键控调制方式利用相邻码元之间的相对载波相位值携带信息，接收端在不知道绝对载波相位的情况下仍能解调出发射信息。基于以上考虑，本发明中提到的载波同步仅包括载波频率估计，不包括载波相位估计。

2、在收发双发以帧为单位进行通信的数字系统中，接收端需要对数据帧的起始时间和结束时间进行估计。帧同步就是提取帧起始标记、帧结束标记的过程。一方面，在一些帧结构中，仅存在帧起始标记，不存在帧结束标记，帧的结束可以根据帧结构中的帧长度信息进行判断。另一方面，帧结束标记可作为普通码字被解调。考虑到上述两方面，本发明所考虑的帧同步仅包括对帧起始标记进行同步。

3、同步方法按实现方法来划分主要包括外同步法和自同步法。外同步法指发射端发送收发双方约定的已知导频序列用于辅助同步的进行；由于已知的导频序列不包含通信信息，所以采用外同步法时，会引入额外的导频消耗，影响系统性能。自同步法与外同步法相反，不引入专门的导频信号，接收端从未知信息的波形中提取同步信息；虽然不会引入导频消耗，但采用自同步法时，接收端设计较为复杂。发明人发现传统的同步技术需要分别进行载波同步以及帧同步，无论是采取外同步法还是自同步法，分别进行的同步过程带来的系统开销会相互累加，从而给系统带来不容忽视的消耗。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是：多进制差分相移键控信号由于调制阶数高，难以在保证同步效果的前提下降低多种同步所带来的开销，本发明目的在于提供一种多进制差分相移键控信号的双重同步方法及系统，利用多进制差分相移键控信号的特点，围绕帧起始标记，将频差估计值用于帧同步，当帧同步成功时所计算出的频差为最终的频差估计值，同时解决了帧同步和载波同步问题。

2、本发明通过下述技术方案实现：

3、本方案提供一种多进制差分相移键控信号的双重同步方法，包括：

4、步骤1，获取接收机的接收信号；

5、步骤2，对接收信号进行预处理，得到同向输出信号和正交输出信号；

6、步骤3，对同向输出信号，和正交输出信号进行码元相位采样，得到多组采样数据；

7、步骤4，基于第n组采样数据，和帧起始标记序列对应的码元相位组，计算出频偏估计值和中间变量ε；

8、步骤5，判断中间变量ε的取值是否在阈值范围内；若是，则帧同步成功，以帧头最佳采样数据对应的频偏估计值输出为载波频偏；否则，将n更新为n+1，重复步骤4-步骤5直至帧同步成功。

9、本方案工作原理：一般来说，调制阶数越高，同步所面临的难度也更高；多进制差分相移键控信号由于调制阶数高，给同步技术提出了不小的要求，难以在保证同步效果的前提下降低多种同步所带来的开销，本发明目的在于提供一种多进制差分相移键控信号的双重同步方法及系统，利用多进制差分相移键控信号的特点，围绕帧起始标记，将频偏估计值用于帧同步，当帧同步成功时所计算出的频偏估计为最终的频差估计值，同时解决了帧同步和载波同步问题。

10、为了接收到传输的信息帧，接收机需要持续地对接收信号进行处理并采样，在海量的采样信号中找出帧起始标记，在本方案所考虑的场景中，收发双方已约定好载波频率f0，在实际传输中，由于多普勒效应，物理器件不完美等因素，接收机接收到的载波的真实频率相较于f0会出现一定的偏移，所以需要对载波频偏进行估计，本方案将频偏估计值用于帧同步，当帧同步成功时所计算出的频偏估计值为最终的载波频偏估计值，同时解决了帧同步和载波同步问题；一方面，本发明在不额外增加导频消耗的情况下，对载波同步也进行外同步，降低了性能损失；另一方面，本发明在进行帧同步的同时实现了载波同步，相较于传统的分别进行的同步方法，可以明显降低接收机的复杂度。

11、进一步优化方案为，所述预处理包括过程：

12、将接收信号分成两路：一路与接收机本地同向载波分量相乘进行混频，一路与接收机本地正交载波分量相乘进行混频；

13、将混频后的两路信号分别进行低通滤波处理，得到同向输出信号和正交输出信号。

14、将接收机本地同向载波分量表示为将接收机本地正交载波分量表示为其中代表接收机本地载波相位和接收信号载波相位之间的偏移量。将接收到的第p个多进制差分相移键控符号表示为cos(2π(f0+δf)t+φp)，φp为第p个符号的调制相位。将接收机同向和正交支路(又称为i路和q路)乘法器输出分别表示为：

15、

16、

17、将同向支路和正交支路输出分别通过低通滤波器，得到i路信号和q路信号根据i路和q路信号，可以得到的估计值。

18、进一步优化方案为，所述预处理还包括：

19、根据第p+1个多进制差分相移键控符号对应的同向输出信号和正交输出信号，及第p个多进制差分相移键控符号对应的同向输出信号和正交输出信号，计算出相邻多进制差分相移键控符号的相位差；

20、根据第p+1个符号和第p个符号的i路和q路信号可以得到相邻符号的相位差φp+1-φp，从而获得调制信息。值得注意的是，由于发射端对基带i路和q路信号进行了脉冲成型，因此接收端只有在低通滤波器后i路和q路的最佳采样时刻才能得到准确的同向输出信号和正交输出信号。

21、进一步优化方案为，步骤3包括以下子步骤：

22、以每个多进制差分相移键控符号对应采样个数ns为间隔，对同向输出信号和正交输出信号进行采样，得到同向采样信号ai和正交采样信号aq；

23、当ai不为0时，得到码元相位为：

24、

25、其中arctan(x)为反正切函数，值域为

26、当ai为0时，得到码元相位

27、从采样得到的第1个码元相位开始，每隔ns个码元相位取值一次，一共取nw个值构成一组采样数据，其中nw为帧起始标记的总符号数，将第一组采样数据记为

28、

29、将第n组采样数据记为

30、

31、由于对每一组采样数据进行的操作相同，为方便描述，帧起始标记在本发明中指通信帧中用于标记帧起始位置的同步字段，将帧起始标记符号对应的码元相位组记为其中αk为第k，k＝1，2，...，nw，个符号对应的相位。

32、进一步优化方案为，步骤4包括以下子步骤：

33、s41，计算第n组采样数据和对应帧起始标记符号间的相位差γk：

34、γk＝βk-αk，k＝1，2...，nw；

35、s42，计算第一相位差

36、s43，基于第一相位差计算中间变量δk，并根据中间变量δk校正相位差γk；

37、s44，对校正后的相位差进行线性回归，求得线性函数参数b；

38、s45，基于线性函数参数b计算出频偏估计值和中间变量ε。

39、进一步优化方案为，中间变量δk的计算方法包括：

40、令δ1＝0；

41、当时；δk＝δk-1-2π；

42、当时；δk＝δk-1+2π；

43、当时，δk＝δk-1。

44、进一步优化方案为，线性函数参数b的计算方法包括：

45、根据式对γk进行矫正；其中为矫正后的相位差；

46、对进行线性回归，求得线性函数参数b：

47、

48、其中为任意等间距的实数，取x1＝1，x2＝2，...，

49、进一步优化方案为，所述频偏估计值根据式计算；其中t为符号周期；所述中间变量ε根据式计算；其中

50、进一步优化方案为，步骤5包括以下过程：

51、当εn-1＜τ，且εn＞εn-1成立时，帧同步成功，可判断第n-1组采样数据为帧起始标记对应的最佳采样数据，以帧头的最佳采样数据对应的频偏估计值输出为载波频偏；

52、τ为预设变量阈值，εn为第n组采样数据的中间变量ε，εn-1为第n-1组采样数据的中间变量ε。

53、本方案还提供一种多进制差分相移键控信号的双重同步系统，用于实现上述方案所述的多进制差分相移键控信号的双重同步方法，包括：

54、采集模块，用于获取接收机的接收信号；

55、预处理模块，用于对接收信号进行预处理，得到同向输出信号和正交输出信号；

56、采样模块，用于对同向输出信号，和正交输出信号进行码元相位采样，得到多组采样数据；

57、计算模块，用于基于第n组采样数据，和帧起始标记序列对应的码元相位组，计算出频偏估计值和中间变量ε；

58、判断输出模块，用于判断中间变量ε的取值是否在阈值范围内；若是，则帧同步成功，以帧头最佳采样数据对应的频偏估计值输出为载波频偏；否则，将计算模块中的n更新为n+1，重复计算直至帧同步成功。

59、本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

60、本发明提供的一种多进制差分相移键控信号的双重同步方法及系统；利用多进制差分相移键控信号的特点，围绕帧起始标记，将频偏估计值用于帧同步，当帧同步成功时所计算出的频偏估计为最终的频差估计值，同时解决了帧同步和载波同步问题。一方面，本发明在不额外增加导频消耗的情况下，对载波同步也进行外同步，降低了性能损失；另一方面，本发明在进行帧同步的同时实现了载波同步，相较于传统的分别进行的同步方法，可以明显降低接收机的复杂度。