一種用於差分混沌調製通信系統的盲估計位同步實現方法
2023-06-15 03:41:36 1
專利名稱：一種用於差分混沌調製通信系統的盲估計位同步實現方法
技術領域：
本發明涉及數字移動通信領域中基於混沌擴譜技術的位同步方法，尤其是涉及一 種用於差分混沌調製通信系統的盲估計位同步實現方法。
背景技術：
混沌擴譜通信系統因其混沌載波的寬頻譜特性使得系統不需要額外的擴譜電路， 從而降低了系統的複雜度，具有結構簡單、低功耗和低成本等特點，成為移動擴譜通信發展 的主要分支之一，並已被納入IEEE802. 15. 4a LR-WPAN規範中得到實際應用。差分混沌調 制是其中實用性最強、性能最好的混沌調製方式。差分混沌調製接收部分一般採用非相干解調，通過對接收到差分混沌調製信號的 參考和調製部分作相關積分，而後和判決門限「0」作比較來還原出數據信號。為了獲得最佳 的系統誤碼率(BER)性能，判決電路必須在相關積分的最大值點進行判決，這就需要通過 位同步檢測來估計接收信號參考和調製部分出現的時刻，從而確定積分窗口的起始點。由 於位同步的偏差直接影響系統的性能，因此位同步方法是非相干差分混沌調製接收部分的 關鍵技術。數字通信中，位同步檢測的實現方式有數據輔助和盲估計兩種，其中數據輔助同 步是在發送有效數據之前先發送一些具有明顯特徵的已知序列以輔助同步檢測的快速鎖 定；盲估計同步則是利用發射信號的自身結構和特點來進行同步檢測，無需發送額外的輔 助序列。數據輔助同步的建立時間一般比盲估計同步要快，缺點是佔用部分數據傳輸帶寬。 目前，關於差分混沌調製的位同步研究基本是基於數據輔助的方式，很少涉及盲估計方式 的位同步機制研究。公開號為CN101562517的發明專利申請公開了一種無線突發通信全數字接收機 無數據輔助同步方法及其系統，該方法包括以下步驟能量檢測模塊以M個採樣數據為一 組，計算能量和，當連續N次檢測到的能量和大於或等於預設門限值時，輸出數據有效信號 及所述採樣數據中的有效數據，直至連續N次檢測到的採樣數據能量和小於預設門限值 時，停止輸出數據有效信號及有效數據；時鐘恢復模塊存儲有效數據，利用其進行時鐘恢 復，然後傳輸至載波恢復模塊；載波恢復模塊存儲時鐘恢復後的數據，並利用該數據進行載 波恢復。本發明採用先存儲再處理的方式，正反相間反覆利用有限數據進行時鐘恢復和載 波恢復，取得與使用連續數據近乎一致的計算效果，實現對每一幀數據獨立完成時鐘恢復 與載波恢復。
發明內容
本發明的目的在於提供一種用於差分混沌調製通信系統的盲估計位同步實現方法。本發明包括如下步驟1)將接收信號下變頻至基帶信號，經過抗混疊濾波電路後作為模數轉換器的輸入，生成數字離散信號r (k)，作為位同步檢測電路的輸入；根據奈奎斯特採樣定理，模數轉 換的採樣頻率f。= 1/T。必須大於基帶信號最大頻率的兩倍，抗混疊濾波的截止頻率應低於 採樣頻率的一半；2)輸入的信號r(k)經數字差分延時電路延時N個採樣周期Τ。後得到信號 r(k-N)，作為後續能量運算器和相關運算器的輸入，其中2N = Ts/T。，Ts為符號周期；3)計算接收信號r(k)與其延時信號r(k-N)之間的乘積，並利用滑動窗口和累加 器對N個乘積結果進行滑動累加並取絕對值，得到滑動相關絕對值；4)對信號r(k)和r(k-N)分別作平方之後，兩者相加並求平均，並利用滑動窗口和 累加器對N個平均值進行滑動累加，得到滑動能量均值；5)將滑動能量均值與預設的定時測度門限值相乘，得到相關值門限值；6)將滑動相關絕對值與相關值門限值進行比較，若滑動相關絕對值大於門限值， 則接著採取以下步驟，否則跳轉至步驟2)；7)在大於門限值的相關絕對值中，尋找局部最大值的時刻，並將該時刻作為本地 時鐘的初始同步點，局部最大值的搜索範圍在(0，2N)內可調；8)對初始同步點進行判斷其是否同步的起始點，若是同步的起始點，則產生一個 計數器的使能信號；反之，則產生一個寬度為採樣周期的同步基準脈衝信號；9)產生本地同步時鐘，該時鐘頻率與符號速率保持一致，本地同步時鐘可以通過 以下方法產生通過一個可預置數的計數器對本地高頻脈衝計數來產生，當計數值到達其 設定的預置數時，進行電平翻轉從而產生寬度為一個符號周期的時鐘信號，該計數器的使 能信號來自於步驟8)，所輸入的本地高頻脈衝時鐘的頻率必須是採樣頻率的整數倍；10)比較本地同步時鐘與步驟8)的同步基準信號的相位，根據相位的超前與滯位 關係產生相應的加/減脈衝控制信號，作為時鐘控制電路的輸入；11)計數器的預置數不變的情況下，時鐘控制電路通過增加或刪除輸入計數器的 本地高頻脈衝對步驟9)產生的本地同步時鐘進行相位調整，時鐘控制電路的加/減脈衝控 制信號由步驟10)產生。本發明所述位同步方法可通過如下的裝置給予實現，所述裝置設有AD轉換器、數 字差分延時電路、相關運算器、能量運算器、乘法器、粗同步檢測器、本地位時鐘模塊和相位 比較器。所述相關運算器設有乘法器、滑動累加器和絕對值運算器。所述能量運算器設有平方器、取均值運算器和滑動累加器。所述粗同步檢測器設有局部最大值搜索器、比較器和粗同步控制器。所述本地位時鐘設有計數器、時鐘控制器和本地高頻脈衝時鐘源。盲估計位同步方法是利用差分混沌調製信號中參考和調製部分載波波形重複、 能量恆定的特性，通過尋找大於同步門限的局部相關最大值作為本地時鐘的初始同步點， 然後再利用數字鎖相環進行後續相關峰值跟蹤和同步調整，以兼顧位同步的建立速度和精 度。其關鍵點在於(1)通過設定相關絕對值與能量均值的比值作為定時門限值來解決因 信道噪聲影響而造成接收信號相關值不恆定的問題。(2)利用同步門限、局部最大值和數字 鎖相環相結合的方式，通過比較本地位同步時鐘與同步基準信號的相位產生加/減脈衝信 號來調整本地位同步時鐘的相位，以獲得更好的同步性能。
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與現有的差分混沌調製接收技術位同步方法相比，本發明具有以下突出優點目前，用於差分混沌調製通信系統的位同步方法主要是採用數據輔助方式，通過 多個積分器對已知訓練序列求不同點的自相關平均值，將其中最大值點作為同步減半搜尋 區域的中心，經多次迭代後獲得位同步。該方法所用到的訓練序列佔用數據傳輸帶寬，並且 需要多個積分器，硬體開銷大。同時該方法也不利於位同步的跟蹤與調整。用於差分混沌調製通信系統位同步的跟蹤與調整機制主要是基於早遲門的方法， 其初始同步需要由其它模塊來完成。該方法主要是通過對相隔一個採樣點的兩個相關值之 間的比較來實現位同步時鐘的跟蹤與調整，其同步精度受限於採樣時鐘。此外，為了降低信 道噪聲對位同步跟蹤的影響，需要對相關值取平均後作比較，因此同步調整的間隔較長。本發明提出的盲估計位同步方法是利用差分混沌調製信號中參考和調製部分載 波波形重複、能量恆定的特性，通過尋找大於同步門限的局部相關最大值作為本地時鐘的 初始同步點，然後再利用數字鎖相環進行後續相關峰值跟蹤和同步調整，以兼顧位同步的 建立速度和精度。本發明通過設定相關值與能量均值的比值作為定時門限值來解決因信道噪聲影 響而造成接收信號相關值不恆定的問題。利用同步門限、局部最大值和數字鎖相環相結合 的方式，通過比較本地位同步時鐘與同步基準信號的相位產生加減脈衝信號來調整本地位 同步時鐘的相位，以獲得更好的同步性能。其同步精度取決於高頻脈衝時鐘的頻率。
圖1為應用本發明方法的差分混沌調製通信系統框架。圖2為本發明的盲估計位同步方法流程圖。圖3為本發明的實現裝置框圖。圖4為本發明的位同步相位調整示意圖。圖5為AWGN信道下本發明位同步方法的誤碼率曲線圖。在圖5中，橫坐標為信噪 比Eb/No (dB)，縱坐標為誤碼率BER。
具體實施例方式應用本發明方法的差分混沌調製通信系統框架如圖1所示，其中接收端的位同步 檢測模塊採用本發明所說的方法。本發明所說的盲估計位同步方法流程如圖2所示，其實 現裝置框圖如圖3所示。具體工作流程如下第一步(201)，首先將接收信號下變頻至基帶信號，經過抗混疊濾波電路後作為模 數轉換器31的輸入，經模數轉換器31採樣後生成數字離散信號r(k)，作為位同步檢測電路 的輸入。根據奈奎斯特採樣定理，模數轉換的採樣頻率f。= 1/T。必須大於基帶信號最大頻 率的兩倍，抗混疊濾波的截止頻率應低於採樣頻率的一半。第二步(202)，輸入的信號r(k)經數字差分延時電路32延時N個採樣周期Tc後 得到信號r(k-N)，作為後續相關運算器33和能量運算器34的輸入。第三步(203)，首先通過乘法器331計算接收信號r (k)與其延時信號r (k_N)的乘 積，接著利用滑動累加器332對N個乘積結果進行滑動累加，最後經絕對值運算器333，得到 滑動相關絕對值，其表達式為
其中η為滑動窗口位置。滑動累加器可利用長度為N的FIFO緩存和累加器實現。第四步(204)，通過平方器341和342分別對信號r (k)和r (k_N)作平方之後，接 著由取均值模塊343求兩者的平均值。最後利用滑動累加器344對N個均值結果進行滑動 累加，得到滑動能量均值，其表達式為 其中η滑動窗口位置。第五步(205)，通過乘法器35將滑動能量均值與預設的定時測度門限值相乘，得 到相關門限值。其中，定時測度值Μ(η)定義為滑動相關絕對值與能量均值之比，其表達式 為 可以通過仿真或實際情況確定不同信噪比下定時測度值限值。第六步(206)，將第四步計算得到的滑動相關絕對值與第五步計算得到的相關門 限值通過比較器362進行比較。若滑動相關絕對值大於門限值，則接著採取以下步驟，否則
跳轉至第二步。第七步(207)，在大於門限值的相關絕對值中，通過局部最大值搜索模塊361尋找 局部相關最大值的時刻，並將該時刻作為本地時鐘的初始同步點。局部最大值的搜索範圍 在(0，2N)內可調的。第八步(208)，粗同步控制模塊363對初始同步點進行判斷其是否同步的起始點。 若是同步的起始點則產生一個計數器371的使能信號；反之，則產生一個寬度為採樣周期 的同步基準脈衝信號。第九步(209)，啟動可預置數計數器371對本地高頻脈衝時鐘373計數來產生本地 同步時鐘，該時鐘頻率與符號速率保持一致。該計數器371的使能信號來自於第八步，所輸 入的本地高頻脈衝時鐘373的頻率必須是採樣頻率的整數倍。第十步(210)，通過相位比較器38比較第九步產生的本地同步時鐘與第八步產生 的同步基準信號的相位，根據相位的超前與滯位關係產生相應的加/減脈衝控制信號，作 為時鐘控制電路372的輸入。第十一步(211)，計數器371的預置數不變的情況下，時鐘控制電路372通過增加 /刪除輸入計數器371的本地高頻脈衝373對第九步產生的本地同步時鐘進行相位調整。 時鐘控制電路372的加/減脈衝控制信號由第十步產生。位同步相位調整過程如圖4所示。
第十二步(212)，經過相位調整後給出位同步時鐘，作為接收端判決器的採樣判決 時鐘。判決器在位同步時鐘的上升沿採樣相關器的輸出值進行相關判決，解調出數據信號。該同步方法在AWGN信道下的誤碼率理論和計算機仿真值見圖5，圖5中實線為 差分混沌調製通信系統的理論誤碼率曲線，虛線為本發明位同步方法的計算機仿真曲線。 仿真參數設置如下符號周期T為2 μ s，FM調頻指數為0. 4MHz/Volt,濾波器的帶寬2B為 8MHz，即BT = 8。由圖5可見，仿真結果曲線和理論值曲線十分接近，兩者之間相差不超過 0. 2dB，說明本發明的位同步方法的正確性和同步性能的可靠性。
權利要求
一種用於差分混沌調製通信系統的盲估計位同步實現方法，其特徵在於包括如下步驟1)將接收信號下變頻至基帶信號，經過抗混疊濾波電路後作為模數轉換器的輸入，生成數字離散信號r(k)，作為位同步檢測電路的輸入；根據奈奎斯特採樣定理，模數轉換的採樣頻率fc＝1/Tc必須大於基帶信號最大頻率的兩倍，抗混疊濾波的截止頻率應低於採樣頻率的一半；2)輸入的信號r(k)經數字差分延時電路延時N個採樣周期Tc後得到信號r(k N)，作為後續能量運算器和相關運算器的輸入，其中2N＝Ts/Tc，Ts為符號周期；3)計算接收信號r(k)與其延時信號r(k N)之間的乘積，並利用滑動窗口和累加器對N個乘積結果進行滑動累加並取絕對值，得到滑動相關絕對值；4)對信號r(k)和r(k N)分別作平方之後，兩者相加並求平均，並利用滑動窗口和累加器對N個平均值進行滑動累加，得到滑動能量均值；5)將滑動能量均值與預設的定時測度門限值相乘，得到相關值門限值；6)將滑動相關絕對值與相關值門限值進行比較，若滑動相關絕對值大於門限值，則接著採取以下步驟，否則跳轉至步驟2)；7)在大於門限值的相關絕對值中，尋找局部最大值的時刻，並將該時刻作為本地時鐘的初始同步點，局部最大值的搜索範圍在(0，2N)內可調；8)對初始同步點進行判斷其是否同步的起始點，若是同步的起始點，則產生一個計數器的使能信號；反之，則產生一個寬度為採樣周期的同步基準脈衝信號；9)產生本地同步時鐘，該時鐘頻率與符號速率保持一致，本地同步時鐘可以通過以下方法產生通過一個可預置數的計數器對本地高頻脈衝計數來產生，當計數值到達其設定的預置數時，進行電平翻轉從而產生寬度為一個符號周期的時鐘信號，該計數器的使能信號來自於步驟8)，所輸入的本地高頻脈衝時鐘的頻率必須是採樣頻率的整數倍；10)比較本地同步時鐘與步驟8)的同步基準信號的相位，根據相位的超前與滯位關係產生相應的加/減脈衝控制信號，作為時鐘控制電路的輸入；11)計數器的預置數不變的情況下，時鐘控制電路通過增加或刪除輸入計數器的本地高頻脈衝對步驟9)產生的本地同步時鐘進行相位調整，時鐘控制電路的加/減脈衝控制信號由步驟10)產生。
全文摘要
一種用於差分混沌調製通信系統的盲估計位同步實現方法，涉及數字移動通信領域中基於混沌擴譜技術的位同步方法。提供一種用於差分混沌調製通信系統的盲估計位同步實現方法。盲估計位同步方法是利用差分混沌調製信號中參考和調製部分載波波形重複、能量恆定的特性，通過尋找大於同步門限的局部相關最大值作為本地時鐘的初始同步點，然後再利用數字鎖相環進行後續相關峰值跟蹤和同步調整，以兼顧位同步的建立速度和精度。
文檔編號H04L7/00GK101895380SQ20101014231
公開日2010年11月24日 申請日期2010年4月2日 優先權日2010年4月2日
發明者李曉潮, 林肖凡, 郭東輝 申請人:廈門大學