一种低复杂度的MSK信号精细同步方法与流程

一种低复杂度的msk信号精细同步方法
技术领域
1.本发明涉及信号精细同步与toa(time of arrival，到达时间)测量，应用于msk(minimum shift keying，最小频移键控)调制的数字通信系统。


背景技术：

2.msk调制是一种相位连续、包络恒定调制方式，具有优良的频谱效率与功率效率，广泛应用于军用与民用通信领域。在接收msk信号时，首先完成信号的同步捕获，再进行信号的精细同步，才能完成信号解调。其中，精细同步精度对解调性能有显著影响，精度越高，由同步误差导致的码间串扰与相位噪声就越小，解调性能就越好。此外，在分布式通信组网中，利用rtt(round
‑
trip time，往返时延)以完成网络自主同步，而rtt的校时精度由rtt信号的精细同步精度决定；在基于toa的测距定位中，测距定位精度由toa的测量精度决定，而toa的测量精度也由测量信号的精细同步精度决定。因此，信号精细同步精度对通信系统和网络的性能有直接性和决定性的影响。
3.目前，综合性能好且最为常用的精细同步方法，是基于训练序列的信号复相关同步法。信号复相关同步法如图1所示，接收信号经过a/d(analog/digital，模拟到数字转换)采样后，形成实部与虚部2路信号；该2路信号分别经过低通滤波，形成s
i
(n)与s
q
(n)，其中n为采样点；再对其进行抽取，获得采样速率较低的抽取信号s'
i
(d
·
n)与s'
q
(d
·
n)，d为抽取倍数，然后对接收信号进行同步捕获，捕获成功则可获得信号的粗略同步时刻，该时刻的精度较差，因此同步捕获也称为粗同步，还需要后续的精细同步模块提升信号的同步精度，其中信号抽取可以显著减小同步捕获的计算量；在精细同步模块，训练序列经msk调制形成本地信号，实部与虚部分别为l
i
(n)与l
q
(n)，采样速率与a/d相同；本地信号l
i
(n)、l
q
(n)与粗同步时刻前后各一个符号时间内的滤波信号s
i
(n)、s
q
(n)，进行浮点复相关运算，获得复相关值r(n)，最后，对相关值模值|r(n)|进行峰值搜索，峰值时刻即为更精确的精细同步时刻。
4.精细同步精度受制于信号的采样速率，采样速率越高，同步精度也就越高，为获得较好的同步精度，a/d通常设置为较高的采样速率。在上述常规浮点复相关法中，由于精细同步采用训练序列的全部采样信号进行浮点复相关运算，包含大量的浮点乘法，计算量庞大，在工程实现时需要消耗大量的硬件资源，若使用串行方法进行资源优化，则会使控制逻辑变得复杂，并增加了处理时延；若降低精细同步计算复杂度，需要降低信号采样速率，此时同步精度损失较大。目前，以较低的计算复杂度实现高精度同步，是msk信号精细同步中的技术难题。


技术实现要素：

5.为了克服现有技术的不足，本发明提供一种低复杂度的msk信号精细同步方法，在不损失精细同步精度且保持高机动适应性的前提下，显著降低了计算量和复杂度，有效节省了硬件资源，并且易于工程实现。
6.本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：
7.(1)在长为k的训练序列进行初始相位为0的单倍msk调制，调制后信号记为l(k)，包含实部l
i
(k)与虚部l
q
(k)，取值仅有
±
1、
±
j四种情况，其中k为调制时刻；
8.(2)对l(k)进行u倍上采样，获得上采样信号l'(n)，其中n为采样时刻；
9.(3)将上采样信号l'(n)进行m倍扩展成型，获得成型信号l”(n)，其中，m≤u，且为奇数；
10.(4)根据本地信号l”(n)，对粗同步时刻t
c
前后各1个符号区间内接收的浮点信号s(n)进行复相关运算，获得相关值r(n)；
11.(5)对相关值取模，在范围内搜索出|r(n)|的最大值，该最大值采样时刻记为t
off
，则精细同步时刻
12.所述的步骤(2)中，上采样信号
13.所述的步骤(3)中，成型信号
14.所述的步骤(3)中，m＝3。
15.所述的步骤(4)中，相关值其中，l”(n)
*
为l”(n)的共轭。
16.所述的步骤(4)中，假设s(n)的实部与虚部分别为s
i
(n)与s
q
(n)，相关值r(n)的实部与虚部分别为r
i
(n)与r
q
(n)，则
[0017][0018]
其中，采样时刻n的取值范围为t
c
‑
u 1≤n≤t
c
u
‑
1；a
k
、b
k
定义了其右边乘数参与累加运算的方式，l(k)取值为﹢1，a
k
取值为﹢1，b
k
取值为0；l(k)取值为﹣1，a
k
取值为﹣1，b
k
取值为0；l(k)取值为﹢j，a
k
取值为0，b
k
取值为﹢1；l(k)取值为﹣j，a
k
取值为0，b
k
取值为﹣1；﹢1表示其右边乘数以原数参与加法运算；﹣1表示其右边乘数取反后参与加法运算；0表示不参与运算。
[0019]
所述的步骤(5)中，相关值取模
[0020]
所述的步骤(5)中，在进行信号的相关值峰值搜索时，省略去计算每个时刻相关值时最后取模的开方运算，直接计算相关值取模的平方值，|r(n)|2＝|r
i
(n)|2 |r
q
(n)|2。
[0021]
本发明的有益效果是：由于本地信号取值仅有
±
1、
±
j四种情况，其信号星座图如图3所示，将浮点信号复相关运算中的乘加简化为加法，且在高倍采样情况下，接收信号每个符号的u个采样点中，仅有部分参与运算，显著的减小了计算量，降低了工程实现的复杂度，节约了硬件资源。为便于计算量对比，本发明与常规浮点复相关法均不使用串行优化的实现方式，对比结果见下表：
[0022]
精细同步方法乘法器数量加法器数量常规浮点复相关法4ku 2约4ku本发明2(求模值平方时使用)约2km
[0023]
由上表可知，无论训练序列长度为多少，本发明使用的乘法器均为2个，且加法器使用量大约减小到常规浮点复相关法的m/(2u)。例如，训练序列长度k＝256，采样倍率u＝20，取m＝3，则常规浮点复相关法需要20482个乘法器和大约20480个加法器，而本发明仅需2个乘法器和1536个加法器。
[0024]
本发明虽然计算量大幅减小，但同步精度并未损失。对常规浮点复相关方法与本发明方法进行精细同步误差性能的仿真与对比，仿真条件为：a\d的采样速率设定为100msps(兆采样点/秒)，采样间隔为10ns；符号速率设定为5mbaud(兆波特)，此时采样倍率为20；训练序列长度为256；信噪比区间为
‑
5～20db；使用高斯白噪声信道；仿真次数为1万次；本发明中扩展倍数分别设置为1、3、5。仿真结果如图4、图5所示，其中，图4为精细同步的误差均值曲线，使用均值考察精细同步的无偏性，图中可知，常规方法的在不同信噪比下的误差均值在0上下波动，本发明在不同信噪比下的误差均值在0.4ns以内，远小于采样间隔，且随着信噪比的增加，无论是常规方法还是本发明，误差均值都趋为0，可见，本发明的精细同步与常规方法一样，可以认为是无偏的；图5为精细同步的误差均方根值曲线(rmse)，使用误差均方根值考察精细同步的误差性能，图中可见，本发明在取扩展倍数为3和5时的误差性能基本一致，相较于常规方法不退化，甚至略优于常规方法，在扩展倍数为1时，本发明的误差性能比常规方法退化0.5ns，因此，本发明中扩展倍数取3为宜(扩展倍数为3时的计算量比扩展倍数为5时更小)，在扩展倍数为3时，精细同步的精度并没有损失。
[0025]
本发明与常规浮点相关方法一样，适用于高速移动通信，具有高机动适应性。对本发明方法(以3倍的扩展倍数为例)与常规浮点复相关方法进行移动条件下的仿真与对比，在上述仿真条件下，加入1khz多普勒频偏，误差性能的仿真结果如图6所示。图中可见，在预定的移动条件下，本发明方法与常规浮点复相关方法的误差均方根值一致，较之于无多普勒频偏情况仅退化不到0.5ns，远小于信号采样间隔，因此，本发明也能够适用于高速移动的通信场景。
附图说明
[0026]
图1为常规浮点复相关精细同步方法示意图；
[0027]
图2为本发明方法示意图；
[0028]
图3为单倍msk信号与4倍msk信号星座图；
[0029]
图4为常规浮点复相关法与本发明的精细同步误差均值曲线图；
[0030]
图5为常规浮点复相关法与本发明的精细同步误差均方根值曲线图；
[0031]
图6为常规浮点复相关法与本发明(扩展倍数为3时)在1khz多普勒频移时精细同步误差均方根值曲线图。
具体实施方式
[0032]
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
[0033]
针对msk信号的精细同步中常规浮点复相关法计算复杂度高、工程实现硬件资源消耗大等问题，本发明以较低的计算复杂度，完成了对msk信号的高精度精细同步，既保证良好同步性能，利于msk信号最佳采样点解调和toa精确测量，又便于工程实现。
[0034]
在本发明中，a/d配置为较高的采样速率，一般为信号符号速率的整数倍，采样倍率记为u(单位为：采样点数/符号)，在精细同步模块中，对训练序列进行单倍msk调制，然后对其进行上采样和扩展成型后作为本地信号，与粗同步时刻前后各一个符号区间内的接收滤波信号进行复相关运算。由于单倍msk调制信号仅有
±
1、
±
j四种取值(其中j为虚数单位)，因此，可将复相关中的浮点乘加运算简化为加法，使计算量和复杂度显著降低。
[0035]
本发明的技术方案包括以下步骤：
[0036]
(1)训练序列的单倍msk调制：在长为k的训练序列进行初始相位为0的单倍msk调制，调制后信号记为l(k)，l(k)长度为k，包含实部l
i
(k)与虚部l
q
(k)，取值仅有
±
1、
±
j四种情况，其中k为调制时刻，为0～k
‑
1范围内的整数。
[0037]
(2)单倍msk信号的上采样：对l(k)进行u倍上采样，获得上采样信号l'(n)，其长度为ku，其中n为采样时刻，为0～ku
‑
1范围内的整数。l'(n)取值为：
[0038][0039]
(3)上采样信号的扩展成型：将上采样信号l'(n)进行m倍扩展成型，获得成型信号l”(n)，其长度仍为ku，其中，m≤u，且为奇数。l”(n)取值为：
[0040][0041]
(4)接收浮点信号简化复相关运算：由于训练序列具有良好的自相关特性，精细同步位置不可能在粗同步位置前后1个符号之外，因此根据本地信号l”(n)，对粗同步时刻t
c
前后各1个符号区间内接收浮点信号s(n)，进行复相关运算，获得相关值r(n)，如下：
[0042][0043]
其中，l”(n)
*
为l”(n)的共轭。由于l”(n)中只有部分采样点有值，且取值仅有
±
1、
±
j四种情况，因此，可对复相关运算进行简化，使其仅包含加法运算。假设s(n)的实部与虚部分别为s
i
(n)与s
q
(n)，相关值r(n)的实部与虚部分别为r
i
(n)与r
q
(n)，则简化的相关运算如下：
[0044][0045]
其中，采样时刻n的取值范围为：t
c
‑
u 1≤n≤t
c
u
‑
1，且n为整数；式中a
k
、b
k
定义了其右边乘数参与累加运算的方式，在根本上由l(k)决定，见下表：
[0046]
l(k)a
k
b
k
﹢1﹢10﹣1﹣10
﹢j0﹢1﹣j0﹣1
[0047]
表中，﹢1表示其右边乘数以原数参与加法运算；﹣1表示其右边乘数取反后参与加法运算；0表示不参与运算。因此，简化后的复相关运算不含乘法。
[0048]
(5)相关值峰值搜索：对相关值取模，如下：
[0049][0050]
在范围内搜索出|r(n)|的最大值，该最大值采样时刻记为t
off
，则精细同步时刻为：
[0051][0052]
本发明的优化方案1：
[0053]
为了进一步降低接收msk信号时精细同步方法的计算复杂度，在本发明技术方案的步骤5中，在进行信号的相关值峰值搜索时，省略去计算每个时刻相关值时最后取模的开方运算，直接计算相关值取模的平方值，优化后的计算方法如下：
[0054]
|r(n)|2＝|r
i
(n)|2 |r
q
(n)|2[0055]
此处直接在范围内搜索出|r(n)|2的最大值，进行相关值的峰值搜索，以获得精细同步时刻，进一步降低了精细同步模块的计算复杂度，节省了工程实现的硬件资源，简化了通信系统的整体实现难度。
[0056]
本发明的优化方案2：
[0057]
在本发明中，提供了扩展成型倍数m的灵活选取的方案。为了综合考虑精细同步性能与计算量，根据后续的仿真实验结果可以发现，取m＝3时两者可以获得较为良好的平衡，在不损失同步精度的情况下，显著减少了计算量；如果需要进一步节约计算资源，可取m＝1，此时精细同步性能略有下降，误差性能比常规方法退化0.5ns，如图4所示。因此，在通信系统的实际应用中，可根据具体的相关指标要求进行同步精度与计算复杂度之间的取舍。
[0058]
针对目前常规的msk信号浮点复相关精细同步方法计算量庞大问题，本发明通过构造简单的本地信号，简化了浮点复相关运算，在不损失精细同步精度、保持高机动适应性的前提下，显著减小了计算量，降低了精细同步复杂度，有效节省了工程实现的硬件资源。
[0059]
本发明作用在精细同步模块，在msk信号经高速率a/d采样、低通滤波和粗同步之后，对粗同步时刻前后各1个符号内的低通滤波信号，进行简化复相关运算和相关值峰值搜索，最后给出精细同步时刻，整个处理过程如图1所示，下面结合实例对本发明做进一步说明，为简单起见，不妨假设训练序列包含8个符号，具体为：{1,1,1,0,1,0,0,0}，采样倍率u＝4，取m＝3，本发明的具体实施过程如下：
[0060]
[步骤1]
[0061]
对训练序列进行初始相位为0的单倍msk调制，调制信号长度为8，具体如下：
[0062]
{j,
‑
1,
‑
j,
‑
1,
‑
j,
‑
1,j,1}
[0063]
[步骤2]
[0064]
对单倍msk调制信号进行上采样，上采样倍率为a\d采样倍率，形成上采样信号，长度为32，具体如下：
[0065]
{j,0,0,0,
‑
1,0,0,0,
‑
j,0,0,0,
‑
1,0,0,0,
‑
j,0,0,0,
‑
1,0,0,0,j,0,0,0,1,0,0,0}
[0066]
[步骤3]
[0067]
对上采样信号进行扩展成型，扩展倍数m＝3，形成本地信号，具体如下：
[0068]
{j,j,j,0,
‑
1,
‑
1,
‑
1,0,
‑
j,
‑
j,
‑
j,0,
‑
1,
‑
1,
‑
1,0,
‑
j,
‑
j,
‑
j,0,
‑
1,
‑
1,
‑
1,0,j,j,j,0,1,1,1,0}
[0069]
[步骤4]
[0070]
对接收的浮点信号进行简化复相关运算，获得粗同步时刻t
c
前后各1个符号区间内的相关值，例如计算采样点n处的相关值，其中t
c
‑
3≤n≤t
c
3，具体运算方式见下表：
[0071][0072]
其中，表中的“—”意为不参与累加运算。
[0073]
[步骤5]
[0074]
对相关值取模的平方值，|r(n)|2＝|r
i
(n)|2 |r
q
(n)|2，然后在t
c
‑
3≤n≤t
c
3范围内搜索出|r(n)2的最大值，该最大值采样时刻记为：t
off
，则精细同步时刻为：
[0075]
t
r
＝t
c
t
off
1。