專利名稱：一種hf-vhf通信幀同步系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于通信技術(shù)領(lǐng)域，涉及無線通信技術(shù)，具體涉及幀同步方法，可用于在HF-VHF通信中實現(xiàn)幀同步。

背景技術(shù)：
HF-VHF通信主要利用電離層、離散E層、流星余跡和大氣波導(dǎo)等信道對HF-VHF信號的反射和散射作用進(jìn)行通信，是地面、航空和航海通信的重要手段。
經(jīng)過HF-VHF無線信道傳輸?shù)男盘柍３Ｊ艿诫婋x層擾動、多徑效應(yīng)和頻率偏移等影響，并且伴隨著城市化進(jìn)程的不斷加快和無線通信的迅速發(fā)展，使得HF-VHF通信面臨許多新的問題首先，無線信號的日益擁擠使無線背景噪聲顯著提高；其次，工業(yè)噪聲和干擾逐步占據(jù)HF-VHF頻段；再次，汽車等交通工具產(chǎn)生的噪聲日益增強(qiáng)。這就要求HF-VHF通信的同步方法具有較高的可靠性。
同步是指收、發(fā)雙方在時間上步調(diào)一致，所以也稱為定時。在數(shù)字通信系統(tǒng)中，按照同步的作用分為載波同步、碼元同步、幀同步和網(wǎng)同步。在CDMA等無線通信系統(tǒng)中通常采用PN序列作為幀同步序列，PN序列可以有效地抵抗窄帶噪聲和干擾，是一種性能良好的同步序列。目前，PN序列的捕獲方法有兩種一種是利用輔助信道進(jìn)行捕獲；另一種是通過同步序列進(jìn)行捕獲。由于輔助信道法需要額外的信道，顯然不適用于HF-VHF通信系統(tǒng)，所以在HF-VHF通信中通常采用同步序列捕獲的方法。該方法中通常使用一條PN序列作為幀同步序列，在目前日益惡化的無線通信環(huán)境中，通過增加PN序列的長度雖然可以獲得較好的幀同步性能，但是由于相關(guān)計算長度的增加，導(dǎo)致通信系統(tǒng)對器件資源需求的增加，不利于通信系統(tǒng)的實現(xiàn)。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述已有技術(shù)的不足，提出一種HF-VHF通信幀同步系統(tǒng)及方法，在獲得相同的幀同步性能的情況下，本發(fā)明所提出的利用一條短PN序列重復(fù)多次作為幀同步序列和并行檢測，比采用一條長PN序列作為幀同步序列的方法所需的器件資源明顯減少。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出的HF-VHF通信幀同步系統(tǒng)，包括 組幀器，用于產(chǎn)生幀同步序列，并將其與控制信息或者數(shù)據(jù)組成完整的數(shù)據(jù)幀發(fā)送出去； 本地PN序列發(fā)生器，用于產(chǎn)生本地PN序列，輸出到相關(guān)器； 相關(guān)器，用于對接收信號和本地PN序列進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，將相關(guān)值量化，并輸出到存儲單元； 存儲單元，用于存儲量化后的相關(guān)值，并輸出并行的相關(guān)值給并行判決器； 并行判決器，用于將輸入的相關(guān)值與預(yù)先設(shè)定的門限值進(jìn)行比較，并輸出指示觀察窗口開啟的信號給觀察窗口，如果輸入的相關(guān)值都大于或者等于預(yù)先設(shè)定的門限值，則指示觀察窗口開啟的信號有效，否則，該指示信號無效； 觀察窗口，用于在指示觀察窗口開啟的信號有效的情況下，連續(xù)存儲N個相關(guān)值，送給均值處理單元； 均值處理單元，用于對觀察窗中位置相同的相關(guān)值取均值，并將這N個均值送給擇大映射單元； 擇大映射單元，用于找出N個均值中的最大值，將最大值的位置送給幀同步定時信號發(fā)生器； 幀同步定時信號發(fā)生器，用于根據(jù)N個均值中的最大值的位置在指定時刻產(chǎn)生一個脈沖信號作為幀同步定時信號； 延時單元，用于將接收信號延時N個采樣時鐘周期，使延時信號的幀同步序列的最后一個碼元與幀同步定時信號對齊。
為實現(xiàn)上述目的本發(fā)明提出的HF-VHF通信幀同步方法，包括如下步驟 (1)將發(fā)送端的一個長度為L的PN序列重復(fù)M次構(gòu)成幀同步序列，將其作為每個數(shù)據(jù)幀的起始部分，并在它的后面插入控制信息或者數(shù)據(jù)組成完整的數(shù)據(jù)幀發(fā)送出去； (2)接收端利用一個相關(guān)器對接收信號和本地PN序列進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，并將計算出的相關(guān)值y(n)用r個比特量化表示； (3)將量化后的相關(guān)值y(n)寫入一個具有一個輸入端口和M個輸出端口的存儲單元，并通過該存儲單元輸出M路并行的相關(guān)值給并行判決器； (4)并行判決器將M路并行的相關(guān)值與預(yù)先設(shè)定的門限值進(jìn)行比較，如果這些相關(guān)值都大于或者等于預(yù)先設(shè)定的門限值，則執(zhí)行步驟(5)，否則，認(rèn)為沒有接收到數(shù)據(jù)幀，將繼續(xù)執(zhí)行步驟(4)； (5)開啟M個長度為N的觀察窗口，對窗口中位置相同的相關(guān)值取均值，從而得到N個平均值，再根據(jù)這N個平均值中的最大值的位置P產(chǎn)生幀同步定時信號，其中1≤P≤N； (6)將接收信號延時N個采樣時鐘周期，使延時信號的幀同步序列的最后一個碼元與幀同步定時信號對齊。
本發(fā)明具有以下優(yōu)點 1、在獲得相同的幀同步性能的情況下，本發(fā)明所提出的利用一條短PN序列重復(fù)多次作為幀同步序列和并行檢測，比采用一條長PN序列作為幀同步序列的方法所需的器件資源明顯減少； 2、本發(fā)明所提出的采用一個相關(guān)器和一個存儲單元產(chǎn)生M路并行的相關(guān)值，與采用M個相關(guān)器并行計算的方法相比，有效地減少了產(chǎn)生M路并行的相關(guān)值所需的器件資源； 3、本發(fā)明所提出的并行檢測，由于判決要求更加嚴(yán)格，從而降低了通信系統(tǒng)的假同步概率。



圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖； 圖2是本發(fā)明所使用的相關(guān)器的結(jié)構(gòu)框圖； 圖3是本發(fā)明的幀同步流程圖； 圖4是本發(fā)明所采用的幀結(jié)構(gòu)的示意圖； 圖5是本發(fā)明與單PN序列方法正確同步概率仿真對比圖； 圖6是本發(fā)明與單PN序列方法漏同步概率仿真對比圖； 圖7是本發(fā)明與單PN序列方法假同步概率仿真對比圖。

具體實施例方式 參考圖1，本發(fā)明的HF-VHF通信幀同步系統(tǒng)，主要由組幀器、相關(guān)器、本地PN序列發(fā)生器、存儲單元、并行判決器、觀察窗口、均值處理單元、擇大映射單元、幀同步定時信號發(fā)生器和延時單元組成，其中 組幀器將一個長度為L的PN序列重復(fù)M次構(gòu)成幀同步序列，作為每個數(shù)據(jù)幀的起始部分，該幀同步序列的后面插有控制信息或者數(shù)據(jù)，以組成完整的數(shù)據(jù)幀發(fā)送出去； 相關(guān)器與本地PN序列發(fā)生器相連，本地PN序列發(fā)生器產(chǎn)生的本地PN序列作為相關(guān)器的輸入，相關(guān)器對接收信號和本地PN序列進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，并對相關(guān)結(jié)果進(jìn)行量化。該相關(guān)器的結(jié)構(gòu)如圖2所示，它包括乘法器、積分器、平方器和加法器，乘法器將接收信號中的I、Q兩路信號分別與本地PN序列對應(yīng)相乘，將I、Q兩路相乘結(jié)果送給積分器分別進(jìn)行長度為L的積分，平方器對I、Q兩路積分結(jié)果分別進(jìn)行平方處理，將I、Q兩路平方值送給加法器，加法器的輸出就是相關(guān)值； 存儲單元與相關(guān)器相連，相關(guān)器的輸出作為存儲單元的輸入，存儲單元輸出M路并行的相關(guān)值； 并行判決器與存儲單元相連，存儲單元的輸出作為并行判決器的輸入，并行判決器將M路并行的相關(guān)值與預(yù)先設(shè)定的門限值進(jìn)行比較，并產(chǎn)生指示觀察窗口開啟的信號，如果這些相關(guān)值都大于或者等于預(yù)先設(shè)定的門限值，則指示觀察窗口開啟的信號有效，否則，該指示信號無效； 觀察窗口與并行判決器相連，并行判決器的輸出作為觀察窗口的輸入，如果指示觀察窗口開啟的信號有效，則開啟M個長度為N的觀察窗口，每個窗口連續(xù)存儲N個相關(guān)值； 均值處理單元與觀察窗口相連，觀察窗口的輸出作為均值處理單元的輸入，均值處理單元對觀察窗口中位置相同的相關(guān)值取均值，輸出N個均值； 擇大映射單元與均值處理單元相連，均值處理單元的輸出作為擇大映射單元的輸入，擇大映射單元從N個均值中找出最大值，并將最大值的位置輸出； 幀同步定時信號發(fā)生器與擇大映射單元相連，擇大映射單元的輸出作為幀同步定時信號發(fā)生器的輸入，幀同步定時信號發(fā)生器根據(jù)N個均值中的最大值的位置在指定時刻產(chǎn)生一個脈沖信號作為幀同步定時信號； 延時單元將接收信號延時N個采樣時鐘周期，使延時信號的幀同步序列的最后一個碼元與幀同步定時信號對齊。
參考圖3，本發(fā)明的幀同步方法包括如下步驟 步驟1，將一個長度為L的PN序列重復(fù)M次構(gòu)成幀同步序列，將其作為每個數(shù)據(jù)幀的起始部分，并在它的后面插入控制信息或者數(shù)據(jù)組成完整的數(shù)據(jù)幀，形成的數(shù)據(jù)幀的幀結(jié)構(gòu)，如圖4所示，該數(shù)據(jù)幀由發(fā)送端發(fā)送出去。
步驟2，接收端利用一個相關(guān)器對接收信號和本地PN序列進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，并將計算出的相關(guān)值y(n)用r個比特量化表示為式中Q(n)表示接收信號中的Q路信號，I(n)表示接收信號中的I路信號，C(n)表示本地PN序列，L表示PN序列的長度。
步驟3，將量化后的相關(guān)值y(n)按順序?qū)懭胍粋€具有一個輸入端口和M個輸出端口的存儲單元，該存儲單元包含L×M×R個連續(xù)的地址，大小為L×M×R×r個比特，其中R表示接收端過采樣的倍數(shù)。
步驟4，從存儲單元中的M個地址中讀出相關(guān)值送給并行判決器，該M個地址的表達(dá)式為rd_addj＝wr_add+j×L×R，其中0≤j≤M-1，wr_add表示相關(guān)值y(n)的寫入地址。
步驟5，并行判決器將M路并行的相關(guān)值與預(yù)先設(shè)定的門限值進(jìn)行比較，如果這些相關(guān)值都大于或者等于預(yù)先設(shè)定的門限值，則執(zhí)行步驟6；否則，認(rèn)為沒有接收到數(shù)據(jù)幀，將繼續(xù)執(zhí)行步驟5。
步驟6，開啟M個長度為N的觀察窗口，第w個觀察窗口中的相關(guān)值表示為{yw，1，yw，2，…，yw，N}，其中1≤w≤M，對M個觀察窗口中位置相同的相關(guān)值取均值，得到的N個平均值表示為{y1，y2，…，yN}，第n個平均值的表達(dá)式為其中1≤n≤N。
步驟7，在步驟6中得到的N個平均值中找出最大值yP，P就是平均值中的最大值的位置，其中1≤P≤N，如果該最大值的位置為P，則在觀察窗口關(guān)閉后第P個采樣時鐘周期內(nèi)產(chǎn)生一個脈沖信號作為幀同步定時信號。
步驟8，將接收信號延時N個采樣時鐘周期，使延時信號的幀同步序列的最后一個碼元與幀同步定時信號對齊，幀同步定時信號后面的延時信號就是數(shù)據(jù)幀中的控制信息或者數(shù)據(jù)。
本發(fā)明的效果可以通過下面的仿真實例進(jìn)一步證明 一、仿真條件 接收端過采樣的倍數(shù)R設(shè)置為8；觀察窗口的長度N設(shè)置為16；在無噪聲條件下，相關(guān)峰值的0.4倍作為判決門限；采用加性白高斯噪聲信道，信噪比SNR的變化范圍為-20dB～0dB，在每個信噪比SNR下進(jìn)行10000次幀同步。
二、仿真內(nèi)容 仿真1是本發(fā)明的一個實例，PN序列的長度為64，重復(fù)次數(shù)為2。
仿真2是采用一條PN序列作為幀同步序列方法的一個實例，PN序列的長度為128。
仿真3是采用一條PN序列作為幀同步序列方法的一個實例，PN序列的長度為64。
三、仿真結(jié)果 圖5對比了所述3個仿真的正確同步概率PD，圖6對比了所述3個仿真的漏同步概率PL，圖7對比了所述3個仿真的假同步概率PF。
由圖5可見，在信噪比SNR≥-10dB時，3個仿真的正確同步概率PD基本相同，隨著信噪比SNR的降低，3個仿真的正確同步概率都開始降低，仿真1和仿真2的正確同步的性能基本相同，并且比仿真3高2～3dB。
由圖6可見，在信噪比SNR≥-8dB時，3個仿真的漏同步概率PL基本相同，隨著信噪比SNR的降低，3個仿真的漏同步概率PL都開始增大，由于仿真1的判決條件更加嚴(yán)格，所以它的漏同步概率PL高于仿真2和仿真3。
由圖7可見，在信噪比SNR≥-10dB時，3個仿真的假同步概率PF基本相同，隨著信噪比SNR的降低，3個仿真的假同步概率PF明顯增大，仿真2的假同步性能優(yōu)于仿真3約3dB，而仿真1的假同步性能優(yōu)于仿真2約1dB。
仿真1和仿真3采用的PN序列長度為64，相關(guān)計算的長度是仿真2的一半，所需的器件資源大約是仿真2的一半，但是仿真1和仿真2的幀同步性能基本相同。
綜合上述仿真結(jié)果和分析，在獲得相同的幀同步性能的情況下，本發(fā)明所提出的利用一條短PN序列重復(fù)多次作為幀同步序列和并行檢測，比采用一條長PN序列作為幀同步序列的方法所需的器件資源明顯減少。并且在上述仿真條件下，當(dāng)信噪比SNR≥-14dB時，本發(fā)明所提出的方法正確同步概率可以達(dá)到90％以上，具有良好的幀同步性能。
本發(fā)明的具體實現(xiàn)可利用FPGA或DSP或?qū)Ｓ眯酒捌渌删幊踢壿嬈骷硗瓿?。所述實例為本發(fā)明在實際應(yīng)用中的一種實現(xiàn)方式，但是實現(xiàn)方式不限于此，可以根據(jù)實際系統(tǒng)的性能指標(biāo)要求進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。
權(quán)利要求
1、一種HF-VHF通信幀同步系統(tǒng)，包括
組幀器，用于產(chǎn)生幀同步序列，并將其與控制信息或者數(shù)據(jù)組成完整的數(shù)據(jù)幀發(fā)送出去；
本地PN序列發(fā)生器，用于產(chǎn)生本地PN序列，輸出到相關(guān)器；
相關(guān)器，用于對接收信號和本地PN序列進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，將相關(guān)值量化，并輸出到存儲單元；
存儲單元，用于存儲量化后的相關(guān)值，并輸出并行的相關(guān)值給并行判決器；
并行判決器，用于將輸入的相關(guān)值與預(yù)先設(shè)定的門限值進(jìn)行比較，并輸出指示觀察窗口開啟的信號給觀察窗口，如果輸入的相關(guān)值都大于或者等于預(yù)先設(shè)定的門限值，則指示觀察窗口開啟的信號有效，否則，該指示信號無效；
觀察窗口，用于在指示觀察窗口開啟的信號有效的情況下，連續(xù)存儲N個相關(guān)值，送給均值處理單元；
均值處理單元，用于對觀察窗中位置相同的相關(guān)值取均值，并將這N個均值送給擇大映射單元；
擇大映射單元，用于找出N個均值中的最大值，將最大值的位置送給幀同步定時信號發(fā)生器；
幀同步定時信號發(fā)生器，用于根據(jù)N個均值中的最大值的位置在指定時刻產(chǎn)生一個脈沖信號作為幀同步定時信號；
延時單元，用于將接收信號延時N個采樣時鐘周期，使延時信號的幀同步序列的最后一個碼元與幀同步定時信號對齊。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的幀同步系統(tǒng)，其特征在于幀同步序列是通過將一個PN序列重復(fù)M次而得到。
3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的幀同步系統(tǒng)，其特征在于存儲單元寫入的相關(guān)值按順序存儲，每寫入一個相關(guān)值，同時輸出M個相關(guān)值。
4、根據(jù)權(quán)利要求1所述的幀同步系統(tǒng)，其特征在于并行判決器中包含M個獨(dú)立的判決器，其中每個判決器接收一路相關(guān)值。
5、根據(jù)權(quán)利要求1所述的幀同步系統(tǒng)，其特征在于幀同步定時信號發(fā)生器在觀察窗口關(guān)閉后第P個采樣時鐘周期內(nèi)產(chǎn)生幀同步定時信號，其中P是N個平均值中的最大值的位置。
6、一種HF-VHF通信幀同步方法，包括如下步驟
(1)將發(fā)送端的一個長度為L的PN序列重復(fù)M次構(gòu)成幀同步序列，將其作為每個數(shù)據(jù)幀的起始部分，并在它的后面插入控制信息或者數(shù)據(jù)組成完整的數(shù)據(jù)幀發(fā)送出去；
(2)接收端利用一個相關(guān)器對接收信號和本地PN序列進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，并將計算出的相關(guān)值y(n)用r個比特量化表示；
(3)將量化后的相關(guān)值y(n)寫入一個具有一個輸入端口和M個輸出端口的存儲單元，并通過該存儲單元輸出M路并行的相關(guān)值給并行判決器；
(4)并行判決器將M路并行的相關(guān)值與預(yù)先設(shè)定的門限值進(jìn)行比較，如果這些相關(guān)值都大于或者等于預(yù)先設(shè)定的門限值，則執(zhí)行步驟(5)，否則，認(rèn)為沒有接收到數(shù)據(jù)幀，將繼續(xù)執(zhí)行步驟(4)；
(5)開啟M個長度為N的觀察窗口，對窗口中位置相同的相關(guān)值取均值，從而得到N個平均值，再根據(jù)這N個平均值中的最大值的位置P產(chǎn)生幀同步定時信號，其中1≤P≤N；
(6)將接收信號延時N個采樣時鐘周期，使延時信號的幀同步序列的最后一個碼元與幀同步定時信號對齊。
7、根據(jù)權(quán)利要求6所述的幀同步方法，其特征在于步驟(3)所述的存儲單元的大小為L×M×R×r個比特，并包含L×M×R個連續(xù)的地址，通過讀、寫地址控制，使存儲單元輸出M路并行的相關(guān)值，其中R表示接收端過采樣的倍數(shù)，r為每個相關(guān)值y(n)的量化比特數(shù)。
8、根據(jù)權(quán)利要求6所述的幀同步方法，其特征在于步驟(3)所述的將量化后的相關(guān)值y(n)寫入一個具有一個輸入端口和M個輸出端口的存儲單元，是將相關(guān)器計算得到的每個相關(guān)值y(n)按順序存儲在存儲單元里，每個相關(guān)值y(n)在存儲單元中的地址各不相同。
9、根據(jù)權(quán)利要求7所述的通過讀、寫地址控制，使存儲單元輸出M路并行的相關(guān)值，按如下過程進(jìn)行
9a)在上述存儲單元中，將相關(guān)值寫入一個地址，該地址記為wr_add；
9b)從存儲單元的M個地址中同時讀出相關(guān)值，這M個地址的表達(dá)式為rd_addj＝wr_add+j×L×R，其中0≤j≤M-1。
10、根據(jù)權(quán)利要求6所述的幀同步方法，其特征在于步驟(5)所述的根據(jù)N個平均值中的最大值的位置P產(chǎn)生幀同步定時信號，是在觀察窗口關(guān)閉后第P個采樣時鐘周期內(nèi)產(chǎn)生一個脈沖信號作為幀同步定時信號。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種HF-VHF通信幀同步系統(tǒng)及方法，主要解決現(xiàn)有幀同步方法消耗器件資源多、幀同步性能差的問題。其幀同步過程是在發(fā)送端將一條PN序列重復(fù)M次構(gòu)成幀同步序列，并在其后插入控制信息或者數(shù)據(jù)組成完整的數(shù)據(jù)幀發(fā)送出去；在接收端用一個相關(guān)器對接收信號與本地PN序列進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，并將相關(guān)值寫入一個存儲單元，該存儲單元輸出M路并行的相關(guān)值給并行判決器，如果M路并行的相關(guān)值都達(dá)到預(yù)先設(shè)定的門限值，則開啟M個長度為N的觀察窗口，對窗口中位置相同的相關(guān)值取均值，根據(jù)這N個均值中最大值的位置產(chǎn)生幀同步定時信號；否則，繼續(xù)進(jìn)行捕獲。本發(fā)明具有消耗器件資源少，幀同步性能好的特點，可用于在HF-VHF通信中實現(xiàn)幀同步。
文檔編號H04L27/26GK101605118SQ200910023250
公開日2009年12月16日 申請日期2009年7月8日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月8日
發(fā)明者司江勃, 贊 李, 安 權(quán), 郝本建, 王利鵬, 劉和碧, 張文博 申請人:西安電子科技大學(xué)