[发明专利]一种低信噪比下的快速时频同步方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种在低信噪比环境下快速完成时间和频率同步的方法，属于无线通信的技术领域。

背景技术

在基于扩频的现代无线通信系统中，通常使用发射机与接收机进行数据传输，扩频序列由发射机发出，使用接收机找到扩频序列的边界并进行接收。由于发射机和接收机中振荡器的不稳定性，收发机普遍存在一定数值的频偏，而当收发机处于高速运动时，还会受到多普勒频移的影响。

因此在数据传输开始之前，对发射机与接收机进行时间同步和频率同步。其中时间同步的目的是找到扩频序列的边界；频率同步的目的是使接收机和发射机的载波频率保持一致，以消除频率偏移对数据解调的影响。

由于接收机并没有扩频序列边界的先验知识，时间同步信息需要从接收信号中提取。扩频系统的时间同步往往可以通过滑动相关的方法来完成。在接收机中使用本地扩频序列与接收信号进行滑动相关，相关峰值的位置即是扩频序列的起始时刻。而若系统存在频偏，，频偏的存在使接收信号上叠加一个变化的相位，在一个序列周期内，前半段的相位与后半段的相位可能相差超过π/2，从而在本地序列与接收信号进行相关时即使滑动到正确同步的位置也得不到相关峰值，此时则需要先把频偏估计出来并进行补偿，然后才能进行时间同步。

在高信噪比的系统中，一般利用前后两个时刻信号的相位差进行频偏估计。在包传输的扩频通信系统中，数据包的开始阶段会发送周期重复的训练序列，虽然此时并不知道序列的边界，但是我们知道某一时刻的信号与相隔一个序列周期后的信号在没有频偏的时候是相同的，因此利用这两个时刻信号的相位差就可以估计出频率偏移的值。使用前后差分的方法计算信号相位差，即用前一个点的共轭与后一个点相乘，然后取乘积的相位，即为相位差。

在低信噪比的系统中，这种基于前后差分的相位差估计方法会存在很大的误差，这是因为前后两个采样点中的噪声功率将大于期望信号的功率，在两个点做共轭相乘的时候，噪声项的乘积会远大于信号项的乘积，即使用大量信号进行平均以后可能依然如此，因而相位差估计性能会严重恶化。

在低信噪比的系统中，一般使用基于假设检验的方法进行时间和频率的联合同步。其基本思想是，在已知的频率偏移范围内，取一系列频点作为可能的频偏取值，然后在每一个取值假设下对接收信号进行频偏补偿和滑动相关；最后在所有的滑动相关峰值里选出一个最大值，其对应的频率假设即是频偏估计值，而相应的相关峰值位置即是时间同步值。这种方法可以解决低信噪比下的时频同步问题，但是由于要在一系列频偏假设下做滑动相关，这种方法的复杂度很高。在M_f个频点假设下，采用并行计算需要M_f倍的资源，采用串行计算则需要M_f倍的时间。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种低信噪比下的快速时频同步方法，该方法解决了在低信噪比的条件下，使用传统算法进行时频同步的效率低、计算量大的问题，缩短了时频同步所需要的时间，并降低了计算复杂度。

为达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种低信噪比下快速时频同步方法，该方法用于发射端与接收端之间进行信号的时频同步，具体包括以下各步骤：

步骤1、发射端发射数据包，其中数据包的前同步头中使用周期重复的线性调频序列作为扩频序列；数据包前同步头中线性调频序列的重复周期数为M_AGC+n，其中M_AGC是接收端进行自动增益控制所需的重复次数，n≥3；

所述线性调频序列的周期为N，即一个线性调频序列包含N个码片，码片宽度为T_c；

步骤2、接收端取一个周期的上述线性调频序列作为本地序列，接收端接收到数据包后，从t时刻开始取一个周期的数据包前同步头中的扩频序列与接收本地序列做滑动相关，获得第一个相关峰值，其中第一个相关峰值出现的位置为t_p；

步骤3、间隔ΔT时间后，从t+ΔT时刻开始再取一个周期的数据包前同步头中的扩频序列与本地序列做滑动相关，获得第二个相关峰值；

步骤4、采用前后差分的方法求出第一个相关峰值与第二个相关峰值的相位差Δθ，并得到频偏估计值为接收端使用该频偏估计值对数据包进行频偏补偿，完成频率同步；

步骤5、计算频偏导致的相关峰值位置偏移量n_d＝round(f_dNT_c)，则扩频序列起始位置为t_p+n_dT_c，完成时间同步。