專利名稱：一種短程無線網絡中的時頻同步方法
技術領域：
本發明涉及一種短程無線網絡中的時頻同步方法，，尤其涉及短程無線網絡中的時間同步和頻率同步方法，屬于無線通信的技術領域。
背景技術：
現代的無線網絡通信采用包傳輸機制，收發信機之間通過傳送數據包的形式進行通信。在每一次數據傳輸開始之前收發信機之間都要進行時間和頻率同步，以保證接收機能準確地恢復發送信息。
在基于擴頻的系統里，時間同步應找到擴頻序列的邊界，以及序列中每個元素對應脈沖的最佳采樣時刻。而頻率同步是使接收端和發射端的載波頻率保持一致，以消除頻率偏移對數據解調的影響。因此，時頻同步是現代無線網絡通信系統中非常關鍵的兩個問題。
擴頻系統中，擴頻序列一般都具有良好的自相關特性，通過使用已知的擴頻序列作為接收機本地的參考信號，常規的時間同步可以靠接收信號和接收機本地的參考信號之間做滑動相關來完成。當接收信號中的擴頻序列和本地參考信號中的擴頻序列對齊時，相關值會表現出一個峰值，而在其它情況下，相關值接近于零。但是，當接收信號中存在頻率偏移時，接收信號和接收機本地參考信號的滑動相關值會受到很大影響，特別是在大頻偏條件下，即使接收信號中的擴頻序列和參考信號中的擴頻序列對齊時，相關值也不再是最大相關值。接收信號中出現這么大的頻偏主要是因為短程無線網絡的發射機和接收機上都使用低造價的晶體振蕩器，這種振蕩器的偏差可以達到±40ppm以上，對于工作在900MHz頻段的系統來講，這么大的偏差可以造成72KHz的頻率偏移，如果一個擴頻序列的周期是16μs，則意味著在這一個周期里頻偏造成的相位偏差達到了±2.304π。
為了能夠使用滑動相關的方法完成時間同步，需要先估計出頻偏的大小并根據估計值對接收信號予以校正。前后差分是頻偏估計中常用的一種方法，它利用接收信號中前同步頭處擴頻序列的周期性，相隔一個擴頻序列周期對前后兩個采樣點進行差分，即后一個點乘以前一個點的共軛，以去掉接收信號中擴頻序列本身的相位，只留下頻偏造成的相位差，從而估計出頻偏的值。但是，因為相位估計的區間是-π～π，所以這種方法只能估計出-1/2Ts～1/2Ts之間的頻偏，這里Ts是擴頻序列的周期。對于超出這一范圍的頻偏，傳統的全球定位系統使用時頻二維搜索的方法，在時域和頻域分別進行滑動相關，根據所有相關值中的峰值估計時間和頻率的同步點，這種方法實現時頻同步相對較為準確，但是計算量太大。
發明內容
本發明的目的是提出一種短程無線網絡中兩次相關的時頻同步方法，利用訓練序列的周期重復特性和良好的相關特性，首先將接收數字信號進行間前后相關，得到一組新的接收相關值序列；對本地擴頻調制序列進行相同的前后相關操作，亦可得到一組新的本地相關值序列；將接收相關值序列與本地相關值序列進行滑動相關，得到一組滑動相關值序列，尋找最大相關值的時刻作為時間同步位置，該最大相關值的相位進一步用來估計頻率偏移，提高對大頻率偏移影響下時頻同步性能。
本發明提出的短程無線網絡中的時頻同步方法，包括以下各步驟 (1)接收短程無線網絡中發送端發出的射頻信號，進行下變頻得到基帶接收信號，對該基帶接收信號進行2倍采樣得到采樣接收信號，采樣間隔時間記為TC； (2)短程無線網絡中的接收端從上述接收信號中的任意采樣點開始，讀取三個碼元周期長度的接收信號，該接收信號序列記為r＝[r1，r2，...，rN，rN+1，rN+2，…，r2N，r2N+1r2N+2，…，r3N]，其中N表示一個碼元周期長度內的采樣信號個數； (3)對上述接收信號中的前2N個采樣信號依次進行共軛操作，得到共軛采樣信號序列使共軛采樣信號序列中的每個信號與該信號M個采樣間隔后的采樣信號相乘，得到一個前后相關后的接收相關值序列，記為C＝[c1，c2，...，cN，cN+1，cN+2，...，c2N]，其中(·)*表示共軛操作，M表示前后相關間隔的采樣信號個數，且M≤N； (4)短程無線網絡中的接收端對本地擴頻調制復序列的第一個本地序列進行周期重復，得到兩個碼元周期長度的本地復序列，記為s＝[s1，s2，...，sN，sN+1，sN+2，...，s2N]，其中本地序列的長度為上述一個碼元周期的長度N； (5)對上述本地復序列中的前N個本地信號依次進行共軛操作，得到共軛本地信號序列使共軛本地信號序列中的每個信號與該信號M個信號間隔后的本地信號相乘，得到一個前后相關后的本地相關值序列，記為L＝[l1，l2，...，lN]，其中M表示前后相關間隔的信號個數，與上述前后相關間隔的采樣信號個數M相等； (6)從上述前后相關后的接收相關值序列C中，依次選取連續N個接收相關值，得到N個接收相關值短序列Ck＝[ck，ck+1，...，ck+N-1]，其中k＝1，2，...，N； (7)分別對上述N個接收相關值短序列Ck進行共軛后，與上述前后相關后的本地相關值序列L進行相關，得到第二次相關值序列R＝{R1，R2，...，RN}，其中(·)*表示共軛操作； (8)分別對上述N個接收相關值短序列Ck中的所有相關值的幅度的平方值相加，得到每個接收相關值短序列的序列能量平均值，記為 (9)從上述第二次相關值序列R中找到幅度最大值以及與該最大值
相對應的序列C中的能量平均值
其中
為最大值
在序列R中的位置； (10)計算上述第二次相關值序列R中的幅度最大值
與上述能量平均值
的比值，若該比值大于設定域值Y，則將與上述最大值
在序列R中的位置
作為時間同步的估計值，并根據上述最大值
得到載波頻率偏移的估計值
作為頻率同步的估計值；若小于設定域值Y，則不接收該信號，其中0.5≤Y≤0.7。
上述時頻同步方法中，根據最大值
得到載波頻率偏移的估計值
作為頻率同步的估計值的方法，包括以下步驟 (1)對第二次相關值序列R中的幅度最大值
進行幅度歸一化操作，得到的值記為 (2)分別取R′的實部R′和虛部R′，并將虛部除以實部得到相位，記為相位＝虛部R′/實部R′； (3)對上述相位值進行反正切運算，得到該值對應的相位估計值，記為
(4)利用上述相位估計值計算與該相位對應的頻率值，得到頻率估計值，記為 本發明提出的短程無線網絡中兩次相關的時頻同步方法，具有以下優點 (1)本發明方法使用前后相關的差分算法，降低了載波頻率偏移對算法性能的影響，有效提高時間同步的準確度； (2)本發明方法的時間同步是通過接收序列與本地序列進行相關實現的，因此不存在噪聲放大的問題，提高了同步的準確性； (3)本發明方法的頻偏估計是通過解擴過程實現的，最大程度地合并了接收信號的能量，有效地提高了信噪比，提高了頻偏估計的準確性； (4)本發明方法的頻偏估計是通過獲取時間同步時刻接收信號前后相關序列與本地前后相關序列進行相關累加后相關值的相位得到的，在利用相關值進行相位估計時，受到較大載波頻率偏移的影響較小，可以提高系統在大頻率偏移的惡劣環境下的估計性能。
圖1是本發明提出的時頻同步方法的流程框圖。
圖2是本發明方法中兩次相關后的相關值圖。
具體實施例方式 本發明提出的短程無線網絡中兩次相關的時頻同步方法，其流程框圖如圖1所示，首先接收短程無線網絡中發送端發出的射頻信號，進行下變頻得到基帶接收信號，對該基帶接收信號以TC為時間間隔進行采樣，得到基帶2倍采樣接收信號；然后從上述接收信號的任意采樣點開始，讀取三個碼片周期長度的接收信號，該接收信號序列記為r＝[r1，r2，...，rN，rN+1，rN+2，...，r2N，，r2N+1r2N+2，...，r3N]，其中N表示一個碼元周期時間的采樣信號個數；將上述接收信號中的前2N個采樣信號依次進行共軛操作，得到共軛采樣信號序列使共軛采樣信號序列中的每個信號與該信號M個采樣間隔后的采樣信號相乘，得到一個前后相關后的接收相關值序列，記為C＝[c1，c2，...，cN，cN+1，cN+2，...，c2N]，其中(·)*表示共軛操作，M表示前后相關間隔的采樣信號個數，且M≤N；對短程無線網絡中的接收端對本地擴頻調制復序列的第一個本地序列進行周期重復，得到兩個碼元周期長度的本地復序列，記為s＝[s1，s2，...，sN，sN+1，sN+2，...，s2N]；同樣對上述本地復序列中的前N個本地信號依次進行共軛操作，得到共軛本地信號序列使共軛本地信號序列中的每個信號與該信號M個信號間隔后的本地信號相乘，得到一個前后相關后的本地相關值序列，記為L＝[l1，l2，...，lN]，其中從上述前后相關后的接收相關值序列C中，依次選取連續N個接收相關值，得到N個接收相關值短序列Ck＝[ck，ck+1，...，ck+N-1]，其中k＝1，2，...，N；對上述N個接收相關值短序列分別將接收相關值進行共軛后，與前后相關后的本地相關值序列進行相關，得到第二次相關值序列R＝{R1，R2，...，RN}，其中(·)*表示共軛操作；對上述N個接收相關值短序列分別將所有相關值的幅度的平方值累加，得到每個接收相關值短序列的序列能量平均值，記從第二次相關值序列中找到最大值與該最大值
相對應的序列C中的能量平均值
其中
為最大值
在序列R中的位置；計算上述第二次相關值最大值
與上述序列能量平均值
的比值，若小于設定域值Y，則表明當前接收信號不是期望的接收信號，不接收該信號，其中0.5≤Y≤0.7；若該比值大于域值Y，則將與第二次相關值最大值
相對應的同步位置
作為時間同步的結果，對相關值最大值
進行幅度歸一化操作，得到的值記為分別取R′的實部R′和虛步R′，并將虛部除以實部，其結果記為相位＝虛部R′/實部R′；對相位值進行反正切運算，得到該值對應的相位估計值，記為
利用上述相位估計值計算與該相位對應的頻率值，得到頻率估計值，記為該值即為頻率估計值。
下面結合附圖和實施例詳細介紹本發明的方法。
本發明提出的短程無線網絡中兩次相關的時頻同步方法如圖1所示，首先對接收信號進行下變頻處理和采樣，采樣周期T取碼片周期Tc的一半。在IEEE802.15.4b標準中規定了碼元周期Ts是碼片周期Tc的16倍，因此每個周期的碼元信號采樣得到N＝Ts/T＝32個采樣點。在IEEE802.15.4b標準中規定了訓練序列由八個周期重復的碼元序列組成，重復周期為一個碼元周期時間。考慮到接收機在完成數字信號處理前需要進行自動增益控制和信號檢測，這些操作需要占用3至4個周期的訓練序列。進行時間同步估計時，為了保證能搜索到準確的時間同步位置，需選取足夠多的采樣信號進行時間同步估計。在該實施例中，以任意點為起始，選取基帶數字接收信號中連續三段長度為N的接收序列，記為r＝[r1，r2，...，rN，rN+1，rN+2，...，r2N，r2N+1r2N+2，...，r3N]。
通常的時間同步都是將接收信號與本地擴頻序列滑動相關，得到一組滑動相關值序列，再通過尋找最大相關值所對應接收序列起始采樣點時刻，估計出同步時間的位置。但是對于存在頻率偏移的無線通信系統來說，接收信號與本地序列的相關值會受到頻偏的嚴重影響，最大相關值已不再對應接收信號與本地序列同步的時刻，因此在頻偏情況下直接進行滑動相關來完成時間同步估計是不可行的。
考慮到頻率偏移對接收信號主要造成相位偏移的影響，并且對于相同時間間隔的采樣點來說，接收信號的相位疊加了線性變化的相位。考慮到頻率偏移對接收信號相位的影響是線性變化的，既相同時間間隔內頻偏引起的相位偏移是相同的，首先通過一定間隔的前后相關克服頻率偏移對接收信號的影響。對r中的接收信號以M個采樣點為間隔進行前后共軛相關，得到第一次相關值 i＝1，2，...，2N， 其中(·)*表示共軛操作，M表示前后相關間隔的采樣信號個數，其取值M≤N，一般采用一個碼片時間間隔內的采樣信號個數，即M＝4。
在對接收信號進行前后相關后，接收序列已經發生了變化，為了保證與本地序列進行滑動相關時，最大相關值對應的采樣點時刻準確反應同步時間，需要對本地序列進行相同的前后相關操作。對短程無線網絡中本地擴頻調制復序列的第一個本地序列進行周期重復，得到兩個碼片周期長度的本地復序列，記為s＝[s1，s2，...，sN，sN+1，sN+2，...，s2N]。將本地復序列中的前N個本地信號逐點進行共軛操作后與其M個信號間隔后的本地信號相乘， i＝1，2，...，N， 得到前后相關后的本地相關值序列，記為L＝[l1，l2，...，lN]。
將前后相關的接收相關值序列與本地相關值序列進行滑動相關，其操作可如下實現首先對上述前后相關后的接收相關值序列以采樣間隔TC為步長的采樣點作為起始點，依次選取連續N個接收相關值，得到N個接收相關值短序列Ck＝[ck，ck+1，...，ck+N-1]，其中k＝1，2，...，N，然后對上述N個接收相關值短序列分別將接收相關值進行共軛后，與前后相關后的本地相關值序列進行相關， 得到第二次相關值序列R＝{R1，R2，...，RN}。
對上述N個接收相關值短序列分別將所有相關值的幅度的平方值累加， 得到每個接收相關值短序列的序列能量平均值。
從第二次相關值序列中找到最大值， 以及與該最大值
相對應的同步位置
和對應的序列能量平均值
在尋找到最大相關值后，還不能直接判定該最大相關值對應的同步位置作為時間同步的估計結果，因為首先還需要確定當前的接收信號是期望接收的復合標準的信號。通過利用找到的第二次相關值最大值
與對應的序列能量平均值
的進行比較，若小于域值Y，則表明當前接收信號不是期望的接收信號，與本地復序列在任何采樣時刻都不同步，說明當前的接收信號不是期望接收的信號，不接收該信號；若該比值大于域值Y，則將與第二次相關值最大值
相對應的同步位置
作為時間同步估計的結果，其中0.5≤Y≤0.7。
對相關值最大值
進行幅度歸一化操作， 分別取R′的實部R′和虛步R′，并將虛部除以實部， 相位＝虛部R′/實部R′。
對Pha值進行反正切運算，得到該值對應的相位估計值，
利用上述相位估計值計算與該相位對應的頻率值， 該值即為頻率偏移的估計值。這樣，就同時完成了時間同步和頻率同步的估計。
權利要求
1、一種短程無線網絡中的時頻同步方法，其特征在于該方法包括以下各步驟
(1)接收短程無線網絡中發送端發出的射頻信號，進行下變頻得到基帶接收信號，對該基帶接收信號進行2倍采樣得到采樣接收信號，采樣間隔時間記為TC；
(2)短程無線網絡中的接收端從上述接收信號中的任意采樣點開始，讀取三個碼元周期長度的接收信號，該接收信號序列記為r＝[r1，r2，...，rN，rN+1，rN+2，...，r2N，r2N+1r2N+2，...，r3N]，其中N表示一個碼元周期長度內的采樣信號個數；
(3)對上述接收信號中的前2N個采樣信號依次進行共軛操作，得到共軛采樣信號序列使共軛采樣信號序列中的每個信號與該信號M個采樣間隔后的采樣信號相乘，得到一個前后相關后的接收相關值序列，記為C＝[c1，c2，...，cN，cN+1，cN+2，...，c2N]，其中其中(·)*表示共軛操作，M表示前后相關間隔的采樣信號個數，且M≤N；
(4)短程無線網絡中的接收端對本地擴頻調制復序列的第一個本地序列進行周期重復，得到兩個碼元周期長度的本地復序列，記為s＝[s1，s2，...，sN，sN+1，sN+2，...，s2N]，其中本地序列的長度為上述一個碼元周期的長度N；
(5)對上述本地復序列中的前N個本地信號依次進行共軛操作，得到共軛本地信號序列使共軛本地信號序列中的每個信號與該信號M個信號間隔后的本地信號相乘，得到一個前后相關后的本地相關值序列，記為L＝[l1，l2，...，lN]，其中M表示前后相關間隔的信號個數，與上述前后相關間隔的采樣信號個數M相等；
(6)從上述前后相關后的接收相關值序列C中，依次選取連續N個接收相關值，得到N個接收相關值短序列Ck＝[ck，ck+1，...，ck+N-1]，其中k＝1，2，...，N；
(7)分別對上述N個接收相關值短序列Ck進行共軛后，與上述前后相關后的本地相關值序列L進行相關，得到第二次相關值序列R＝{R1，R2，...，RN}，其中(·)*表示共軛操作；
(8)分別對上述N個接收相關值短序列Ck中的所有相關值的幅度的平方值相加，得到每個接收相關值短序列的序列能量平均值，記為
(9)從上述第二次相關值序列R中找到幅度最大值以及與該最大值
相對應的序列C中的能量平均值
其中
為最大值
在序列R中的位置；
(10)計算上述第二次相關值序列R中的幅度最大值
與上述能量平均值
的比值，若該比值大于設定域值Y，則將與上述最大值
在序列R中的位置
作為時間同步的估計值，并根據上述最大值
得到載波頻率偏移的估計值
作為頻率同步的估計值；若小于設定域值Y，則不接收該信號，其中0.5≤Y≤0.7。
2、如權利要求1所述的方法，其特征在于其中所述的根據最大值
得到載波頻率偏移的估計值
作為頻率同步的估計值的方法，包括以下步驟
(1)對第二次相關值序列R中的幅度最大值
進行幅度歸一化操作，得到的值記為
(2)分別取R′的實部R′和虛部R′，并將虛部除以實部得到相位，記為相位＝虛部R′/實部R′；
(3)對上述相位值進行反正切運算，得到該值對應的相位估計值，記為(相位)；
(4)利用上述相位估計值計算與該相位對應的頻率值，得到頻率估計值，記為
全文摘要
本發明涉及一種短程無線網絡中兩次相關的時頻同步方法，屬于無線通信技術領域。首先利用訓練序列的周期重復特性和良好的相關特性，將接收數字信號進行間前后相關，得到一組新的接收相關值序列；對本地擴頻調制序列進行相同的前后相關操作，得到一組新的本地相關值序列；將接收相關值序列與本地相關值序列進行滑動相關，得到一組滑動相關值序列；根據所有相關值的最大值來確定頻偏的估計值以及時間的同步位置，從而實現時頻聯合同步。本發明時頻同步方法，降低了時間和頻率同步估計時的計算量，提高了頻率偏移影響下時間同步和頻率偏移估計的性能，使接收機具有更低的功耗以及在更大頻率偏移情況下的接收性能。
文檔編號H04L27/26GK101494635SQ200910078900
公開日2009年7月29日 申請日期2009年3月6日 優先權日2009年3月6日
發明者良 張, 趙振豐 申請人:北京威訊紫晶科技有限公司