一种用于大频偏状态下的接收端信号捕获方法及相关设备

技术领域

本说明书一个或多个实施例涉及载波同步技术领域，尤其涉及一种用于大频偏状态下的接收端信号捕获方法及相关设备。

背景技术

在无线通信系统中，信号暴露在无线空间中，极易受到多普勒频移、多径衰减、同道干扰等影响，通信系统的发射端与接收端的本振时钟也不可能完全一致，本地振荡器电路也不稳定，上述多因素因素均会导致接收信号存在未知的载波频率差与相位偏差。高速率、高可靠性及高安全性的信号通信是以无线传输系统的精确同步为前提的，其中载波同步是影响接收机性能的重要因素之一。接收端的目的之一就是通过一系列的方法对接收到的信号实现载波同步，使得接收端可以准确接收到所需基带信号，完成准确通信。接收端接收信号的过程可以分为捕获和跟踪两部分：首先，捕获主要为用载波频偏值修正与接收信号混频的本地载波，继而捕获导频信号；其次，跟踪为在实时跟踪导频信号的过程中实时计算该导频信号的频偏值，继而进一步修正与接收信号混频的本地载波，并输出基带信号。

现如今最常用的捕获方法为基于离散傅氏变换的快速算法(Fast FourierTransformation，FFT)的并行码相位捕获法，该捕获法目前存在以下两个主要问题：(1)该方法中在捕获导频信号过程中，需要将重采样后的本地伪码与导频信号在时域上做圆周卷积(即频域移位相乘)，当本地伪码信号与导频信号对齐时，圆周卷积值最大，本地伪码FFT后共轭数据的移位值与载波频偏值正相关，现有的捕获导频信号过程中大频偏的载波频偏值越大，移位值越高，计算量较大，不利于捕获过程的顺利实现。(2)在运用伪码导频辅助接收技术方法时，相对于本地伪码信号而言，基带信号等效于噪声信号，因此低通滤波器带宽决定了捕获性能的优劣，即低通滤波器带宽的缩窄有利于捕获性能的提高，但是现有技术中为确保频偏信息可以得以保留，低通滤波器一般采用的低通滤波器带宽较大，使得通过低通滤波器的伪码导频信号的噪声过大，不利于对伪码导频信号的捕获。

发明内容

有鉴于此，本说明书一个或多个实施例的目的在于提出一种用于大频偏状态下的接收端信号捕获方法及相关设备，以解决现有技术中捕获过程中频偏值计算量大及低通滤波器带宽较宽的问题。

基于上述目的，本说明书一个或多个实施例提供了一种用于大频偏状态下的接收端信号捕获方法，包括：

将大频偏范围分为多个连续的预估频偏范围，取每一所述预估频偏范围的中间值为该预估频偏范围对应的预估偏移量，并将所述预估偏移量与本地载波频率之和作为本地补偿载波的频率；

将接收端接收到的接收信号与所述本地补偿载波混频，得到下变频信号；

利用窄带低通滤波器对所述下变频信号进行滤波，以滤除大部分基带信号，而保留导频信号；

利用低速模数转换器对所述导频信号进行模数转换；

捕获经过转换的所述导频信号，得到捕获值，若所述捕获值不低于预设的捕获门限，则确定捕获成功，并计算得到该预估频偏范围内的小范围频偏值，以小范围修正所述本地补偿载波。

基于同一发明构思，本说明书一个或多个实施例还提供了一种用于大频偏状态下的接收端信号捕获装置，包括：

设定模块，将大频偏范围分为多个连续的预估频偏范围，取每一所述预估频偏范围的中间值为该预估频偏范围对应的预估偏移量，并将所述预估偏移量与本地载波频率之和作为本地补偿载波的频率；

补偿下变频模块，被配置为将接收端接收到的接收信号与所述本地补偿载波混频，得到下变频信号；

滤波模块，被配置为利用窄带低通滤波器对所述下变频信号进行滤波，以滤除大部分基带信号，而保留导频信号；

转换模块，利用低速模数转换器对所述导频信号进行模数转换；捕获模块，被配置为捕获经过转换的所述导频信号，得到捕获值，若所述捕获值不低于预设的捕获门限，则确定捕获成功，并计算得到该预估频偏范围内的小范围频偏值，以小范围修正所述本地补偿载波。

基于同一发明构思，本说明书一个或多个实施例还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可由所述处理器执行的计算机程序，其中，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法。

基于同一发明构思，本说明书一个或多个实施例还提供了一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令在被计算机执行时使所述计算机实现上述方法。

从上面所述可以看出，本说明书一个或多个实施例提供的一种用于大频偏状态下的接收端信号捕获方法及相关设备，将接收端接收到的接收信号与本地补偿载波混频下变频，其中所述本地补偿载波的频率为接收端本地载波频率与预估偏移量之和；即，先给定一个预估频偏范围，载波发生器直接发出本地载波频率与该预估频偏范围的中间值(预估偏移量)相加之后的本地补偿载波，如果捕获成功，则说明该预估频偏范围正确，并用计算得到小范围频偏值再返回去修正本地补偿载波，修正后的本地补偿载波(即载波整体频偏值)的频率为接收端本地载波频率、预估偏移量及所述小范围频偏值三者之和；即，在捕获成功的情况下，只需要计算小范围频偏值即可，该小范围频偏值远小于载波整体频偏值，本地伪码信号相对导频信号的移位值也会大幅减少，由此，大幅缩减捕获阶段的单次计算量，便于捕获阶段的顺利进行。

附图说明

为了更清楚地说明本说明书一个或多个实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本说明书一个或多个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本说明书一个或多个实施例的发送端采取QPSK调制方式的流程示意图；

图2为本说明书一个或多个实施例的合成基带信号I(n)的频谱图；

图3为本说明书一个或多个实施例的接收端导频信号捕获方法的流程示意图；

图4为本说明书一个或多个实施例的基于FFT的并行码相位捕获法原理框图；

图5为本说明书一个或多个实施例的接收端导频信号与本地伪码信号重采样示意图；

图6为本说明书一个或多个实施例的N为400时的搜索示意图；

图7(a)、图7(b)和图7(c)分别为本说明书一个或多个实施例的相关峰a、b、c的位置图解示意图；

图8为本说明书一个或多个实施例的接收端导频信号捕获过程装置的示意框图；

图9为本说明书一个或多个实施例的电子设备硬件结构示意图。

具体实施方式

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

需要说明的是，除非另外定义，本说明书一个或多个实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。

如背景技术所述，现有的捕获导频信号过程中大频偏的载波频偏值越大，本地伪码信号移位值越高，计算量较大，不利于捕获过程的顺利实现。具体地，现有技术中，接收端接收到的接收信号直接与本地载波混频下变频，得到下变频信号，因本发明涉及的接收端的接收信号均为大频偏信号(兆赫兹及以上级别，如1MHz、2MHz、3MHz、4MHz、…、20MHz等)，且，本地伪码FFT后共轭数据的移位值与载波频偏值正相关，以载波的最大频偏值Δf

针对该技术问题，本发明公开的一种用于大频偏状态下的载波同步捕获方法的发明构思如下，发送端将基带信号分为I、Q两路，并在I路中插入低功率扩频码伪随机序列导频(简称导频信号)，将I、Q两路的信号分别通过数模转换器DAC，DAC输出的I、Q两路模拟信号分别与高频载波进行模拟正交混频，之后，I、Q两路模拟信号正交调制，正交混频后的信号由天线发送到无线信道。

接收端将天线接收到的无线信号通过低噪声放大器后，接收端接收到的信号同样分为I、Q两路，将I、Q两路的信号分别与本地补偿载波(即本地载波与预估频偏范围的中间值的加和)进行模拟正交混频后，通过窄带低通滤波器对模拟混频之后的I、Q两路信号进行滤波，滤除大部分基带信号，使导频信号得以保留；再通过低速模数转换器ADC后，对导频信号进行捕获，如果捕获成功，则说明预估频偏范围正确，并计算得到小范围频偏值，用计算得到的载波的小范围频偏值修正接收端混频时的本地补偿载波频率，以完成捕获过程。

作为一可选实施例，参考图1，发送端信号发送过程包括：

发送端采取在基带信号中插入低功率扩频码伪随机序列导频(Pseudo-NoiseCode，以下简称导频信号或PN)，得到组合基带信号；

将组合基带信号通过数模转换器(DAC)，DAC输出模拟信号与高频载波进行模拟正交混频；

将混频后的信号发送到无线信道。

进一步，参考图1，发送端可采用具有良好的抗噪特性和频带利用率的正交相移键控(Quadrature Phase Shift Keying，QPSK)调制方式，即发送端信号发送过程包括：

发送端将基带信号分为I、Q两路，并在I路中插入导频信号；

将I、Q两路的信号分别通过数模转换器(DAC)，DAC输出的I、Q两路模拟信号分别与高频载波进行模拟正交混频；

将I、Q两路模拟信号正交调制，正交调制后的信号由天线发送到无线信道。

图中I

作为一可选实施例，参考图3，接收端信号捕获过程包括：

S301、将大频偏范围分为多个连续的预估频偏范围，取每一所述预估频偏范围的中间值为该预估频偏范围对应的预估偏移量，并将所述预估偏移量与本地载波频率之和作为本地补偿载波的频率；

S302、将接收端接收到的接收信号与所述本地补偿载波混频，得到下变频信号；

S303、利用窄带低通滤波器对所述下变频信号进行滤波，以滤除大部分基带信号，而保留导频信号；

S304、利用低速模数转换器对所述导频信号进行模数转换；

S305、捕获经过转换的所述导频信号，得到捕获值，若所述捕获值不低于预设的捕获门限，则确定捕获成功，并计算得到该预估频偏范围内的小范围频偏值，以小范围修正所述本地补偿载波。

进一步，所述捕获经过转换的所述导频信号，得到捕获值，若所述捕获值不低于预设的捕获门限，则确定捕获成功，并计算得到该预估频偏范围内的小范围频偏值，以小范围修正所述本地补偿载波，包括：

利用并行码相位捕获法，以所述预估偏移量为中心，在所述预估偏移量所在的预估频偏范围内，前后搜索计算导频信号与本地伪码信号在时域上的相关结果峰值，如果相关结果峰值高于设定捕获门限时，捕获成功，并计算得到本地伪码信号移位值及该预估频偏范围内的所述小范围频偏值；其中，所述本地伪码移位值用以使得所述本地伪码信号与所述导频信号基本对齐，所述小范围偏移值用以返回去修正本地补偿载波；

如果所述相关结果峰值低于所述捕获门限，则重复下列操作，直至确定所述相关结果峰值不低于所述捕获门限：切换到下一预估频偏范围，利用并行码相位捕获法在该下一预估频偏范围内进行所述前后搜索计算。

其中，所述本地伪码信号与发射端的导频信号频率相同。

本实施例为解决上述问题将接收端接收到的接收信号与本地补偿载波混频下变频，其中所述本地补偿载波的频率为接收端本地载波频率与预估偏移量之和；即，先给定一个预估频偏范围，载波发生器直接发出本地载波频率与该预估频偏范围的中间值相加之后的本地补偿载波，如果捕获成功，则说明该预估频偏范围正确，并用计算得到小范围偏移值返回去修正本地补偿载波。

即，修正后的本地补偿载波(即载波整体频偏值)的频率为接收端本地载波频率、预估偏移量及所述小范围频偏值三者之和。且，在捕获成功的情况下，只需要计算小范围频偏值即可，该小范围频偏值远小于载波整体频偏值，本地伪码信号相对导频信号的移位值也会大幅减少，由此，大幅缩减捕获阶段的单次计算量，便于捕获阶段的顺利进行。

另，大频偏范围确认如下：当接收端与发送端均以第一宇宙速度v

上述18.73MHz、20.23MHz的带宽较大，导致通过低通滤波器的导频信号的噪声过大，不利于对导频信号的捕获。

为解决上述技术问题，作为一可选地实施例，将所述大频偏范围[-10MHz～10MHz]分为多个连续设置的预估频偏范围，每一所述预估偏移量取每一所述预估频偏范围的中间值。

进一步，若将所述预估频偏范围的首尾值之差的绝对值作为该所述预估频偏范围的步进值(Δf)

表1每次捕获的预估频偏范围及预估偏移量

在此需要说明的是，在捕获阶段主要为捕获到导频信号，因此，QPSK数据基带信号即等效为噪声信号，窄带低通滤波器带宽的缩窄，使得处于滤波器通带范围内的QPSK数据基带信号部分减少，故低通滤波器带宽的缩窄有利于对导频信号捕获性能的提高。

作为一可选实施例，可采用基于FFT并行码相位捕获法算法。

该基于FFT并行码相位捕获法的实现原理框图如图4所示。当接收信号与I支路和Q支路的本地补偿载波的正弦载波与余弦载波混频后，分别通过窄带低通滤波器，滤出各支路的导频信号，对其复数信号i+jq做快速傅里叶变换(FFT)并与本地伪码信号的FFT共轭相乘，接着将相乘结果做快速傅里叶逆变换(IFFT)后取模值，最终在预估偏移量所在的预估频偏范围内搜索得到导频信号与本地伪码信号在时域上的相关结果峰值，最后将相关值与设定捕获门限进行比较。当相关值高于捕获门限值时，捕获成功，得到本地伪码信号的移位值及小范围频偏值，将得到的小范围频偏值反馈并修正本地补偿载波，同时根据本地伪码信号的移位值调整本地伪码信号的相位，使其与导频信号基本对齐，捕获环节结束，随后进入跟踪环节；当相关值低于捕获门限值时，切换到下一频率搜索范围继续进行搜索，即对导频信号的FFT值移位，重复上述过程，直至搜索完整个频率范围。

具体地，基于FFT并行码相位捕获算法过程表示如下：

x(n)＝i(n)+j·q(n) (1)

z(n)＝abs{IFFT{FFT[x(n)]×FFT

因为不确定接收端收到信号码相位的初始值，所以为确保待处理信号中一定包含一段完整的伪码序列，本实施例选取2bit数据长度进行码相位的矫正与频偏估计。用频率为2R

捕获过程中，本地伪码信号与滤波后导频信号重采样后直观图如图5所示。

将重采样补零后的本地伪码与滤除的导频信号时域做圆周卷积(即频域移位相乘)。这里，滤出的导频信号做FFT后不动，将本地伪码FFT后共轭数据向左向右分别移N位，若要满足捕获的搜索频率范围，移位值N需由如下公式确定：

其中，ΔR

当N＝400时，在某一预估频偏范围内的搜索如图6所示。

本地伪码信号FFT后共轭数据分别前后移位400，再加上0位(即不进行前后移动)数据，需单次计算801段数据。

本地伪码信号序列循环移位，在不同位置时与导频信号做相关运算，相关峰出现位置图解如图7(a)、图7(b)、图7(c)所示。

当本地伪码信号做循环移位时共有三个位置出现明显峰值。当本地伪码移位状态为本地伪码1时，本地伪码信号序列2046点与导频信号序列整段数据完全对齐，此时相关峰值最高；当本地伪码信号移位状态为本地伪码2时，本地伪码信号序列只有前(2050-x)个点与导频信号序列下一段数据的前(2046-x)个点对齐，虽然也会出现相关峰，但相关峰值明显低于相关峰a；当本地伪码移位状态为本地伪码3时，本地伪码信号序列后x点与导频信号序列上一段数据的后x点对齐，出现相关峰c，因为只是部分数据对齐，所以相关峰值明显低于相关峰a；其中相关峰b与相关峰c数据位只差4位。

将每次移位的相关峰值与捕获门限做比较，若高于检测捕获门限，则判断捕获成功，观测对应最高相关峰出现位置，即在哪个位移点出现了最大峰，记为N

Δf

以取预估频偏范围[6MHz，10MHz]捕获成功为例，其预估偏移量为8，如果在0位(没有移动)达到最大峰值，且该最大峰值高于门限值，则Δf

基于同一发明构思，与上述任意实施例方法相对应的，参考图8，本说明书一个或多个实施例还提供了一种用于大频偏状态下的接收端信号同步装置，包括：

设置模块801，将大频偏范围分为多个连续设置的预估频偏范围，取每一所述预估频偏范围的中间值为预估偏移量，所述预估偏移量与本地载波频率之和为本地补偿载波的频率；

补偿下变频模块802，被配置为将接收端接收到的接收信号与所述本地补偿载波混频，得到下变频信号；

滤波模块803，被配置为利用窄带低通滤波器对所述下变频信号进行滤波，以滤除大部分基带信号，而保留导频信号；

转换模块804，利用低速模数转换器对所述导频信号进行模数转换；

捕获模块805，被配置为捕获经过转换的所述导频信号，得到捕获值，若所述捕获值不低于预设的捕获门限，则确定捕获成功，并计算得到该预估频偏范围内的小范围频偏值，以小范围修正所述本地补偿载波。

为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种模块分别描述。当然，在实施本说明书一个或多个实施例时可以把各模块的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。

上述实施例的装置用于实现前述任一实施例中相应的一种用于大频偏状态下的接收端信号捕获方法，并且具有相应的方法实施例的有益效果，在此不再赘述。

基于同一发明构思，与上述任意实施例方法相对应的，本说明书一个或多个实施例还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上任意一实施例所述的一种用于大频偏状态下的接收端信号捕获方法。

图9示出了本实施例所提供的一种更为具体的电子设备硬件结构示意图，该设备可以包括：处理器1010、存储器1020、输入/输出接口1030、通信接口1040和总线1050。其中处理器1010、存储器1020、输入/输出接口1030和通信接口1040通过总线1050实现彼此之间在设备内部的通信连接。

处理器1010可以采用通用的CPU(Central Processing Unit，中央处理器)、微处理器、应用专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、或者一个或多个集成电路等方式实现，用于执行相关程序，以实现本说明书实施例所提供的技术方案。

存储器1020可以采用ROM(Read Only Memory，只读存储器)、RAM(Random AccessMemory，随机存取存储器)、静态存储设备，动态存储设备等形式实现。存储器1020可以存储操作系统和其他应用程序，在通过软件或者固件来实现本说明书实施例所提供的技术方案时，相关的程序代码保存在存储器1020中，并由处理器1010来调用执行。

输入/输出接口1030用于连接输入/输出模块，以实现信息输入及输出。输入输出/模块可以作为组件配置在设备中(图中未示出)，也可以外接于设备以提供相应功能。其中输入设备可以包括键盘、鼠标、触摸屏、麦克风、各类传感器等，输出设备可以包括显示器、扬声器、振动器、指示灯等。

通信接口1040用于连接通信模块(图中未示出)，以实现本设备与其他设备的通信交互。其中通信模块可以通过有线方式(例如USB、网线等)实现通信，也可以通过无线方式(例如移动网络、WIFI、蓝牙等)实现通信。

总线1050包括一通路，在设备的各个组件(例如处理器1010、存储器1020、输入/输出接口1030和通信接口1040)之间传输信息。

需要说明的是，尽管上述设备仅示出了处理器1010、存储器1020、输入/输出接口1030、通信接口1040以及总线1050，但是在具体实施过程中，该设备还可以包括实现正常运行所必需的其他组件。此外，本领域的技术人员可以理解的是，上述设备中也可以仅包含实现本说明书实施例方案所必需的组件，而不必包含图中所示的全部组件。

上述实施例的电子设备用于实现前述任一实施例中相应的一种用于大频偏状态下的接收端信号捕获方法，并且具有相应的方法实施例的有益效果，在此不再赘述。

基于同一发明构思，与上述任意实施例方法相对应的，本说明书一个或多个实施例还提供了一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令用于使所述计算机执行如上任一实施例所述的一种用于大频偏状态下的接收端信号捕获方法。

本实施例的计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。

上述实施例的存储介质存储的计算机指令用于使所述计算机执行如上任一实施例所述的一种用于大频偏状态下的接收端信号捕获方法，并且具有相应的方法实施例的有益效果，在此不再赘述。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本公开的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本说明书一个或多个实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。

另外，为简化说明和讨论，并且为了不会使本说明书一个或多个实施例难以理解，在所提供的附图中可以示出或可以不示出与集成电路(IC)芯片和其它部件的公知的电源/接地连接。此外，可以以框图的形式示出装置，以便避免使本说明书一个或多个实施例难以理解，并且这也考虑了以下事实，即关于这些框图装置的实施方式的细节是高度取决于将要实施本说明书一个或多个实施例的平台的(即，这些细节应当完全处于本领域技术人员的理解范围内)。在阐述了具体细节(例如，电路)以描述本公开的示例性实施例的情况下，对本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下或者这些具体细节有变化的情况下实施本说明书一个或多个实施例。因此，这些描述应被认为是说明性的而不是限制性的。

尽管已经结合了本公开的具体实施例对本公开进行了描述，但是根据前面的描述，这些实施例的很多替换、修改和变型对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。例如，其它存储器架构(例如，动态RAM(DRAM))可以使用所讨论的实施例。

本说明书一个或多个实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本说明书一个或多个实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。