CN115766367A - 一种otfs信号的同步方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种OTFS信号的同步方法及系统，同步方法包括：S1根据OTFS波形的帧结构获得同步序列，并将长度为L的同步序列作为发射端同步信号和接收端匹配信号；S2将接收信号与所述同步序列进行相关处理后获得相关序列，并通过所述相关序列获得同步点；S3根据所述同步点获得接收信号的起始点，实现接收端的定时同步；S4根据定时同步结果获得频率偏差，并根据所述频率偏差实现载波同步。本发明缩短了本地同步序列长度，从而降低相关计算的运算量；对相关后的结果进行延时相乘，数据存储量低且乘法器消耗少；采用多组相邻同步序列计算频率偏差，提升了频率偏差估计性能。

Description

一种OTFS信号的同步方法及系统

技术领域

本发明属于电通信技术领域，更具体地，涉及一种OTFS(Orthogonal TimeFrequency Space，正交时频空调制)信号的同步方法及系统。

背景技术

在通信系统中，接收端通常需要获取到信号准确的同步信息，具体分为定时同步信息和载波同步信息。其中，定时同步信息即接收信号准确的起始时刻，载波同步信息即接收信号与发射信号的频率偏差。通过长的已知同步序列，在接收端与已知匹配波形进行相关运算，可以在低信噪比情况下得到较好的同步结果。但同步序列越长，计算复杂度越高，优良的同步效果，通常需要更多的计算资源为代价。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种OTFS信号的同步方法，旨在解决现有同步运算较为复杂，计算资源较多的问题。

本发明提供了一种OTFS信号的同步方法，包括下述步骤：

S1根据OTFS波形的帧结构获得同步序列，并将长度为L的同步序列作为发射端同步信号和接收端匹配信号；

S2将接收信号与所述同步序列进行相关处理后获得相关序列，并通过所述相关序列获得同步点；

S3根据所述同步点获得接收信号的起始点，实现接收端的定时同步；

S4根据定时同步结果获得频率偏差，并根据所述频率偏差实现载波同步。

其中，同步序列的采样率和FFT点数均与OTFS波形一致。

更进一步地，步骤S2具体为：

将接收信号与所述同步序列进行相关运算，并通过将相关值除以接收信号的能量值获得第一相关序列C；

将所述第一相关序列C移位4L后与自身相乘，获得第二相关序列C1；

将所述第二相关序列C1移位2L后与自身相乘，获得第三相关序列C2；

将第三相关序列C2移位4L后与自身相乘，获得第四相关序列C3；

所述第四相关序列C3中存在一个最大的峰值，该峰值对应的位置就是所述同步点。

进一步优选地，可以根据如下公式对接收信号以L为步长做自相关运算：

其中，k表示采样点序号，L表示同步序列长度，j表示虚部，T为发射数据周期，Δf为频率偏差，θ为相偏，n_k是均值为零，方差为σ²的高斯白噪声，x(k)为发送数据，y(k)＝x(k)e^{j(2πΔfkT+θ)}+n_k为接收信号；当训练序列结构为x(k)＝x(k+L)时，则：

进一步优选地，任意选取相邻两组同步序列共轭相乘获得七组共轭相乘值，并分别计算相位后取均值获得所述频率偏差。

其中，根据如下公式获得频率偏差的估计值

本发明还提供了一种OTFS信号的同步系统，包括定时同步模块和载波同步模块；定时同步模块用于将接收信号与同步序列进行相关处理，获得接收信号的起始点，实现接收端的定时同步；载波同步模块用于根据定时同步结果获得频率偏差，并根据所述频率偏差实现载波同步。

更进一步地，定时同步模块包括：同步序列获取单元，相关处理单元和同步单元；所述同步序列获取单元用于根据OTFS波形的帧结构获得同步序列，并将长度为L的同步序列作为发射端同步信号和接收端匹配信号；所述相关处理单元用于将接收信号与所述同步序列进行相关处理后获得相关序列，并通过所述相关序列获得同步点；所述同步单元用于根据所述同步点获得接收信号的起始点，实现接收端的定时同步。

其中，同步序列的采样率和FFT点数均与所述OTFS波形一致。

进一步优选地，载波同步模块根据如下公式获得频率偏差的估计值

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)传统同步通常是将完整的发送序列与接收序列相关，本发明中的发送序列由8个相同的同步序列组成，缩短了需要进行相关运算的同步序列长度(需要做相关的长度为完整发送长度的1/8)，从而降低了相关计算的运算量。

(2)本发明对相关后的结果进行延时相乘，只需要消耗3个乘法器和7*L个存储单元，数据存储量低且乘法器消耗少。

(3)本发明采用多组相邻同步序列计算频率偏差，8个同步序列可以计算出7组频偏数值，将7组频偏数值进行平均后，可得到最终的频偏估计值，相对于传统只进行一次计算的频偏估计算法，提升了频率偏差估计的性能。

附图说明

图1为本发明实施例提供的OTFS信号同步方法实现流程示意图；

图2为本发明实施例提供的OTFS信号同步方法中定时同步计算示意图；

图3为本发明实施例提供的OTFS信号同步方法中载波同步计算示意图；

图4为本发明实施例提供的FPGA实现定时同步计算流程图；

图5为本发明实施例提供的FPGA实现载波同步计算流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明涉及一种适用于OTFS信号，利用8组同步序列构建同步头进行接收信号同步的方法；可以解决现有同步运算较为复杂，计算资源较多的问题。

本发明设计了一组本地同步序列，序列的产生方式与所设计OTFS信号类似，从而保证同步段与波形段的一致。将同步序列重复8次并添加CP后，构成待发送同步头。如图1所示，接收端利用本地同步序列与接收信号相关，由于本地同步序列实际上只有同步信号约1/8的长度，因此可大幅降低相关运算的计算量。然后将相关值多次延时相加后，获取定时同步峰值，从而实现定时同步。定时同步成功后，根据定时同步峰值，选取相邻两组接收同步序列共轭相乘，共得到7组共轭相乘值，取其相位后计算均值，即可得到接收频率偏差，从而进行载波同步。

具体地说，本发明提供的OTFS信号的同步方法包括以下步骤：

(1)按照OTFS波形的帧结构设计同步序列，序列的采样率，FFT点数等指标与OTFS波形一致，将长度为L的同步序列存入本地，作为发射端同步信号和接收端匹配信号；

(2)如图2所示，接收端将接收信号与已知的本地同步序列相关，并计算相关值除以接收信号的能量值，此处理得到第一相关序列C，包含8个峰值；第一相关序列C移位4L后与自身相乘，得到第二相关序列C1，包含4个峰值；再将C1移位2L后与自身相乘，得到第三相关序列C2，包含2个峰值；最后，将C2移位4L后与自身相乘，得到第四相关序列C3，C3中将存在一个最大的峰值，这个峰值对应的位置就是同步点。

(3)定时同步完成后，根据定时同步峰值，即可知道接收信号的起始点。假设理想的发送数据为x(k)，接收机接收到的数据为y(k)，接收信号可以表示为y(k)＝x(k)e^{j(2 πΔfkT+θ)}+n_k，其中T为发射数据周期，Δf为频率偏差，θ为相偏，n_k是均值为零，方差为σ²的高斯白噪声。对接收信号以L为步长做自相关。不考虑噪声，做相关运算：

其中训练序列结构为x(k)＝x(k+L)，则：

对上式取相位即可得到频率偏差的估计值：

如图3所示，选取相邻两组接收同步序列共轭相乘，共得到7组共轭相乘值，取其相位后计算均值，即可得到接收频率偏差，从而进行载波同步。

以下基于FPGA处理的实施例对本发明作进一步描述，但该实施例不应理解为对本发明的限制；现参照附图详述如下：

如图1所示，OTFS信号的同步系统包括定时同步模块和载波同步模块，其中，载波同步模块需要使用到定时同步模块的计算结果。

定时同步模块通过将接收信号与本地波形相关，完成接收端的定时同步功能，即找出接收信号准确的起始时间；

载波同步模块根据定时同步结果，选取相邻两组接收同步序列共轭相乘，共得到7组共轭相乘值，计算相位后取均值，即可得到接收频率偏差，从而进行载波同步。

如图4所示，定时同步模块的工作流程为：接收信号与本地相关序列进行滑窗乘累加后(即相关运算)，除以当前信号能量，得到第一相关序列C，此过程可使用FPGA内的滤波器IP核完成，消耗资源较低；然后将第一相关序列C延时4L后与自身相乘，得到第二相关序列C1，此过程消耗4L长度寄存器和1个乘法器；再将C1延时2L后与自身相乘，得到第三相关序列C2，此过程消耗2L长度寄存器和1个乘法器；最后将C2延时L后与自身相乘，得到第四相关序列C3，此过程消耗L长度寄存器和1个乘法器。C3中将存在一个最大的峰值，这个峰值对应的位置就是同步点。

载波同步模块的工作流程为：定时同步完成后，接收信号的起始位置已知，即8段同步序列的相应位置已知。将接收信号延时L点后，完成同步序列N与同步序列N+1的共轭乘累加(N＝1～7)，共得到7组相邻同步序列的相关值，此过程消耗L长度寄存器和1个乘法器；然后计算上述7组相关值的相位，并求出7组相位的均值Φ，此过程可使用FPGA内的IP核完成；最后根据相位Φ，计算出频率偏差Δf。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种OTFS信号的同步方法，其特征在于，包括下述步骤：

S1根据OTFS波形的帧结构获得同步序列，并将长度为L的同步序列作为发射端同步信号和接收端匹配信号；

S2将接收信号与所述同步序列进行相关处理后获得相关序列，并通过所述相关序列获得同步点；

S3根据所述同步点获得接收信号的起始点，实现接收端的定时同步；

S4根据定时同步结果获得频率偏差，并根据所述频率偏差实现载波同步。

2.如权利要求1所述的同步方法，其特征在于，所述同步序列的采样率和FFT点数均与所述OTFS波形一致。

3.如权利要求1所述的同步方法，其特征在于，步骤S2具体为：

将接收信号与所述同步序列进行相关运算，并通过将相关值除以接收信号的能量值获得第一相关序列C；

将所述第一相关序列C移位4L后与自身相乘，获得第二相关序列C1；

将所述第二相关序列C1移位2L后与自身相乘，获得第三相关序列C2；

将第三相关序列C2移位4L后与自身相乘，获得第四相关序列C3；

所述第四相关序列C3中存在一个最大的峰值，该峰值对应的位置就是所述同步点。

4.如权利要求3所述的同步方法，其特征在于，根据如下公式对接收信号以L为步长做自相关运算：

其中，k表示采样点序号，L表示同步序列长度，j表示虚部，T为发射数据周期，Δf为频率偏差，θ为相偏，n_k是均值为零，方差为σ²的高斯白噪声，x(k)为发送数据，y(k)＝x(k)e^{j(2 πΔfkT+θ)}+n_k为接收信号；当训练序列结构为x(k)＝x(k+L)时，则：

5.如权利要求1所述的同步方法，其特征在于，任意选取相邻两组同步序列共轭相乘获得七组共轭相乘值，并分别计算相位后取均值获得所述频率偏差。

6.如权利要求5所述的同步方法，其特征在于，根据如下公式获得频率偏差的估计值

f_s＝1/T。

7.一种OTFS信号的同步系统，其特征在于，包括定时同步模块和载波同步模块；

所述定时同步模块用于将接收信号与同步序列进行相关处理，获得接收信号的起始点，实现接收端的定时同步；

所述载波同步模块用于根据定时同步结果获得频率偏差，并根据所述频率偏差实现载波同步。

8.如权利要求7所述的同步系统，其特征在于，所述定时同步模块包括：同步序列获取单元，相关处理单元和同步单元；

所述同步序列获取单元用于根据OTFS波形的帧结构获得同步序列，并将长度为L的同步序列作为发射端同步信号和接收端匹配信号；

所述相关处理单元用于将接收信号与所述同步序列进行相关处理后获得相关序列，并通过所述相关序列获得同步点；

所述同步单元用于根据所述同步点获得接收信号的起始点，实现接收端的定时同步。

9.如权利要求8所述的同步系统，其特征在于，所述同步序列的采样率和FFT点数均与所述OTFS波形一致。

10.如权利要求7所述的同步系统，其特征在于，所述载波同步模块根据如下公式获得频率偏差的估计值

f_s＝1/T。

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