一种基于伪随机序列差分编码的抗多普勒频移同步方法技术

本发明专利技术公开了一种基于伪随机序列差分编码的抗多普勒频移同步方法，可在强多普勒频移情况下同时实现时间和位定时同步，适用于单/多载波系统，所述方法包括：(1)在发送端对伪随机序列进行差分编码作为导引，保持其自相关特性；(2)接收端滑动相关检测之前对正交两路采样信号进行解差分处理；(3)利用滤波实现接收信号与本地导引符号的相关运算，将滤波器输出的相关峰值与设定的门限比较，进而确定时间同步时刻；(4)对比不同时钟偏移抽取的信号序列与本地导引相关峰大小，确定最佳抽取时钟，实现位定时同步。该方法采用截断m序列，通过差分编码效抑制多普勒频移对同步的影响，同时该导引序列可用于频偏和信道估计，为后续频偏补偿和解调处理奠定了基础。

【技术实现步骤摘要】
一种基于伪随机序列差分编码的抗多普勒频移同步方法
本专利技术属于无线通信
，特别涉及基于伪随机序列差分编码的抗多普勒频移同步方法，包括时间和位定时同步。
技术介绍
数字无线通信以抗干扰能力强、差错可控和易保密等优点，成为支撑信息时代0、1比特数据传输的必要途径，但数字通信的可靠有效传输必须建立在通信双方严格同步基础上，这其中以时间和位定时同步最为重要，二者是实现数字无线通信系统的关键。实现同步的算法可以分为两大类：数据辅助型同步算法和非数据辅助型同步算法。数据辅助型同步算法由于插入额外的数据，不可避免地增加了系统的冗余度，降低了系统的有效性，但是这类算法的优点是估计精度高且计算复杂度相对较低，易于实现。目前地面移动通信和地空卫星通信的相关协议均采用了导引序列插入的同步方式。实现数字通信系统的时间同步是指以特定的技术方法调整接收端时间，使其与发送端一致，最终保证收发两端时间偏差尽可能小。位定时同步是实现接收端时钟的一致，确定最佳的抽取时刻，得到信号最佳采样值，为后续解调奠定基础。对于特殊通信技术体制，其时间同步系统抵抗频偏的能力较弱，比如基于正交频分复用(OFDM)技术的系统要求收发两端的频率偏移不超过其子载波间隔的2％，详见文献：vandeBeek,J.J.；Sandell,M.；Borjesson,P.O.“MLestimationoftimeandfrequencyoffsetinOFDMsystems”SignalProcessing,IEEETransactionson,Volume:45Issue:7,July1997,Page(s):1800-1805。多普勒频移大小对同步性能影响的程度，与导引序列长度有关，若频偏周期与导引序列长度相近，此时同步相关峰被削减最为严重，具体的分析可见文献：田园，雷霞，肖悦，等“存在大频偏时的时间频率同步方法”电子科技大学学报，41卷，第2期，页码：212-216。以具有良好特性的恒模零自相关(CAZAC)序列作为导引，具有一定的抗频偏能力，可实现频率同步，但是频移使得CAZAC序列相关峰发散移位，无法进行精确的时间和位定时同步，具体分析见文献：严春林，李少谦，唐友喜，等“利用CAZAC序列的OFDM频率同步方法”电子与信息学报，28卷，第1期，页码：139-142。针对特定的IEEE802.11p协议和OFDM技术体制，研究设计利用同步的导引符号，将插入的导引平均分为两部分，后一部分是前者的共轭，一定程度上提高了同步性能，但是不能够有效应对信道频偏周期小于导引符号长度的情况，详细内容见文献：YunsiMa,SanwenZhou,ChaoxingYan,et.al“DesignofOFDMTimingSynchronizationBasedonCorrelationsofPreambleSymbol”2016VehicularTechnologyConference，IEEE，2016。将CAZAC序列与伪随机(PN)序列相结合应用于MIMO-OFDM系统，插入导引符号分为四部分，分别由CAZAC、PN、CAZAC、CAZAC+PN组成，一定程度上提高了同步系统应对窄带干扰的能力，但仍不能有效应对高动态产生的多普勒频移，详细内容见文献：SuparnaSreedharA,SumaSekhar,SakuntalaSPillai“AnefficientpreambledesignfortimingsynchronizationinMIMO-OFDMsystems”2015InternationalConferenceonControl,Instrwnentation,Communication随着高速铁路、高速公路和低中轨卫星业务的发展，高动态场景下的无线移动通信应用需求与日俱增，不再局限于简单的话音通信，视频、图像及移动互联网等高速数据传输已成为当前的迫切需要。但是，高动态场景的移动通信信道条件更为复杂多变，尤其是收发双方相对运动速度快，不可避免产生大的多普勒频移。收发两端的频率偏移将会大大降低接收信号与本地导引的相关峰值，严重影响同步性能，同时也会加深码间串扰，影响系统传输的可靠性。信道的复杂性和多普勒频移均对移动数字通信系统提出了更高的要求，系统同步的实现更加难以实现。目前基于导引的同步方法抗频偏能力弱，构造的特定导引符号应用范围受限，时频联合估计的方法实现复杂度高，所以如何保证快速、准确的收发同步，是实现稳定可靠的高动态无线移动通信亟待解决的问题。
技术实现思路
以下内容给出简要概述便于基本理解。此部分描述并非涵盖所有内容，且并非旨在确定所有方面关键或决定性要素，并非明确权利要求的保护范围。本专利技术针对现有导引辅助同步技术在高动态即收发两端产生较大的多普勒频偏时，相关峰值模糊，性能急剧下降，无法保证有效同步的问题，进而提供一种能够抑制强多普勒频移的基于导引辅助的时间、位定时同步方法，能够适用于单/多载波数字通信系统。本专利技术为解决上述问题，提供一种基于伪随机序列差分编码的抗多普勒频移同步方法，采用下面步骤实现：(1)依据应用场景设定伪随机序列长度L，发送端生成长度为L的伪随机序列，并进行差分编码和双极性变换作为调制后的L个导引符号，将L个导引符号与数据组成帧并发送；(2)接收端以符号速率整数倍对接收信号进行采样，以不同时钟偏移对采样数据抽取，得到不同位定时的接收信号序列，并进行解差分处理；(3)接收端产生与发送端相同的伪随机序列，并进行双极性变换，以变换后的序列作为滤波器系数，将不同时钟偏移抽取解差分后的接收信号序列分别通过滤波器实现滑动相关，将滤波器输出的相关峰值分别与设定门限比较，当所有峰值均大于门限则判定为时间同步，在时间同步的基础上比较不同时钟偏移抽取对应的相关峰大小，最大相关峰对应的时钟偏移为最佳位定时时刻。其中，步骤(1)中发送端生成长度为L的伪随机序列，并进行差分编码和双极性变换作为调制后的L个导引符号，具体为：发送端利用移位寄存器生成截断m序列，对生成的截断m序列相邻码元进行异或运算，再进行极性变换，输出作为差分编码的导引序列。其中，步骤(2)中接收端以符号速率整数倍对接收信号进行采样，以不同时钟偏移对采样数据抽取，得到不同位定时的接收信号序列，具体为：接收端设置接收信号采样率fs为符号速率fb整数倍，即fs＝N·fb，以Ts＝1/fs为相邻采样值的时间偏移量，N为抽取倍数，等间隔抽取采样信号，输出不同偏移量的N路接收信号序列。其中，步骤(2)中解差分处理具体为：对抽取输出的多路接收信号序列进行相同处理，第i路抽取输出的复信号由如下公式表示：si(n)＝a[n(i)]ejω[n(i)]+ε[n(i)]其中，a[n(i)]表示第i路抽取的接收信号序列的第n个码元，ε[n(i)]表示第i路噪声，ejω[n(i)]表示等效多普勒频偏；将信号si(n)表示为正交两路，即si(n)＝Ii(n)+jQi(n)，具体公式如下：Ii(n)＝(a[n(i)]+ε[n(i)])cos(ω[n(i)])Qi(n)＝(a[n(i)]+ε[n(i)])sin(ω[n(i)])分别对Ii(n)和Qi(n)解差分，得到和满足如下公式所示的关系：得到解差分的信号其中本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于伪随机序列差分编码的抗多普勒频移同步方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：(1)依据应用场景设定伪随机序列长度L，发送端生成长度为L的伪随机序列，并进行差分编码和双极性变换作为调制后的L个导引符号，将L个导引符号与数据组成帧并发送；(2)接收端以符号速率整数倍对接收信号进行采样，以不同时钟偏移对采样数据抽取，得到不同位定时的接收信号序列，并进行解差分处理；(3)接收端产生与发送端相同的伪随机序列，并进行双极性变换，以变换后的序列作为滤波器系数，将不同时钟偏移抽取解差分后的接收信号序列分别通过滤波器实现滑动相关，将滤波器输出的相关峰值分别与设定门限比较，当所有峰值均大于门限则判定为时间同步，在时间同步的基础上比较不同时钟偏移抽取对应的相关峰大小，最大相关峰对应的时钟偏移为最佳位定时时刻。

【技术特征摘要】
1.一种基于伪随机序列差分编码的抗多普勒频移同步方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：(1)依据应用场景设定伪随机序列长度L，发送端生成长度为L的伪随机序列，并进行差分编码和双极性变换作为调制后的L个导引符号，将L个导引符号与数据组成帧并发送；(2)接收端以符号速率整数倍对接收信号进行采样，以不同时钟偏移对采样数据抽取，得到不同位定时的接收信号序列，并进行解差分处理；(3)接收端产生与发送端相同的伪随机序列，并进行双极性变换，以变换后的序列作为滤波器系数，将不同时钟偏移抽取解差分后的接收信号序列分别通过滤波器实现滑动相关，将滤波器输出的相关峰值分别与设定门限比较，当所有峰值均大于门限则判定为时间同步，在时间同步的基础上比较不同时钟偏移抽取对应的相关峰大小，最大相关峰对应的时钟偏移为最佳位定时时刻。2.根据权利要求1所述的一种基于伪随机序列差分编码的抗多普勒频移同步方法，其特征在于，步骤(1)中发送端生成长度为L的伪随机序列，并进行差分编码和双极性变换作为调制后的L个导引符号，具体为：发送端利用移位寄存器生成截断m序列，对生成的截断m序列相邻码元进行异或运算，再进行极性变换，输出作为差分编码的导引序列。3.根据权利要求1所述的一种基于伪随机序列差分编码的抗多普勒频移同步方法，其特征在于，步骤(2)中接收端以符号速...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘建成，郝学坤，王赛宇，李勇，任计林，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第五十四研究所，
类型：发明
国别省市：河北,13