CN103188067A - 一种扩频系统的码片时钟频率偏差误差估计及校正的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种扩频系统码片时钟频率误差估计及校正方法，接收天线接收到射频信号后，首先将其转换为数字基带信号，然后依次通过一次同步、频域插值、二次同步、去频偏和相偏、求过零点序号，得到实际的过零点值，最终通过过零点对应的码片个数和过零点时刻的一阶线性关系求出实际码片时钟频率，进而求出码片时钟频率误差，实现对时钟频率的补偿和校正，保证发射机的码片时钟频率与接收端的码片时钟频率一致，提高了接收机的解调性能，使接收机更好的恢复其接收到的数据。

Description

一种扩频系统的码片时钟频率偏差误差估计及校正的方法

技术领域

本发明涉及一种扩频系统码片时钟频率误差估计及校正方法，特别涉及一种WiFi系统码片时钟频率误差估计及校正的方法。

背景技术

扩频技术是将基带信号的频谱扩展到远大于基带信号带宽的过程。扩频通信具有较强的抗干扰，抗多径性能以及频谱利用率高、支持多址通信等特点。

WiFi是一种将电脑网卡和手机等终端通过使用无线电进行相互连接的技术。现在已经广泛的应用在商务区，大学，机场，及其他公共区域。WiFi所使用标准是IEEE定义的802.11系列标准。

802.11b是使用直接序列扩频技术的协议。在发射端，待发送的数据被码片时钟信号扩频后形成宽带信号，并加以调制，然后通过天线将无线信号传输出去；在接收端，接收机用与发射机相同的码片时钟对宽带扩频信号进行解调解扩，从而恢复原有发射数据信号。

由于发射机的码片时钟频率与接收端的码片时钟频率可能存在偏差，在接收端，这种偏差可能导致接收机无法完整地恢复发射机所传输的数据。因此，必须将发射信号中码片时钟误差估计出来，对接收机收到信号误差进行校正。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种扩频系统码片时钟频率误差估计及校正的方法，使接收端接收到码片时钟信号频率与发射机的码片频率保持一致。

为解决以上技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种扩频系统的码片时钟频率偏差估计的方法，包括以下步骤：

步骤1：接收天线将接收到的射频信号转换为数字基带信号后，将其抽样为L倍速数字基带信号；

步骤2：对步骤1得到的L倍速数字基带信号进行第一次同步，找出一帧数据的起始位置，然后判断该帧数据的类型；

步骤3：将步骤2得到的信号通过频域插值变成M倍速数据，其中，M=4*L，然后对M倍速数据进行第二次同步，找出一帧数据的起始位置；

步骤4：对第二次同步后的数据进行频率偏差和相位偏差估计并去掉频偏、相偏；

步骤5：提取步骤4得到的数据的I路数据，然后求出其I路数据的平均值I_mean，将该I路数据与其平均值I_mean相减，构成去掉直流偏移的新的I路数据IData；

步骤6：对步骤5得到的去掉直流偏移的新的I路数据IData进行线性拟合，求出所有的过零点序号；

步骤7：对于每一个过零点序号m_i,选取m_i-1,m_i和他们所对应的数据进行一阶线性拟合，求出实际的过零点值n_i；

步骤8：根据过零点对应的码片个数chip_i和过零点时刻t_i的一阶线性关系求出实际码片时钟频率f_chip'，进而求出码片时钟频率误差Δf；

步骤9：将步骤8得到的码片时钟频率误差Δf补偿到实际码片时钟频率中，即可得到校正后的时钟频率。

作为本发明的优选实施例，步骤1中，射频信号转换为数字基带信号的方法为：首先将射频信号进行下变频将其转换为中频信号，然后再将中频信号转换为数字基带信号；

作为本发明的优选实施例，所述射频信号转换为基带信号后，通过低通滤波，将所需信号带宽以外的信号屏蔽掉；

作为本发明的优选实施例，所述步骤2和步骤3中所述的同步处理以找出一帧数据的起始位置的方法为：利用barker码对一帧数据的前面K个点进行滑动相关，其中，K>L*100，取相关系数最大的点，判断该点是否大于一个阈值，如果大于阈值，这个点就是一帧数据的起始位置；

作为本发明的优选实施例，所述步骤2中判断一帧数据的前导类型的方法为：对同步后的数据截取一段数据分别与参考长、短前导序列进行互相关，然后将相关运算后的数据进行比较，如果长前导序列的相关结果大于短前导序列的相关结果，则判断该数据为长前导序列，否则为短前导序列；其中，截取的数据长度至少包含参考长前导序列和短前导序列的长度；

作为本发明的优选实施例，步骤3中所述的频域插值方法为：先对L倍速数据后面进行补0，使其变为2的N次方个数据；对补0后的数据进行快速傅里叶变换；对傅里叶变换后的频域数据中间插0，0的个数由插值的倍数决定的；对频域插值后的数据进行逆快速傅里叶变换，完成插值运算；

作为本发明的优选实施例，步骤4中所述频偏和相偏的计算方法为：将前导序列参考调制信号与实际接收信号符号进行共轭复乘求出第n个符号上的相位差θ_n；然后，根据相位累计偏移量θ_n=2π*Δf*T_s*n+θ+φ_n对θ_n进行一阶线性拟合，即θ_n=k*n+b，其中，θ_n为频偏，T_s为码元持续时间，θ为相位偏移，φ_n为相位噪声，通过线性拟合得出系数k和b。

作为本发明的优选实施例，步骤6中所述的过零点序号的判断方法为：对于第u个位置的I路数据IData_u，取前面M/2个点和后面的M/2-1个点，如果前面M/2个点的值全小于零并且后面M/2-1个点的数全大于零，或者前面M/2个点的值全大于零并且后面M/2-1个点的数全小于零，则第u个点为过零点；

作为本发明的优选实施例，所述步骤8中所述的实际码片时钟频率f_chip'的计算方法为：令：实际的采样频率为f_s，标准的码片时钟频率为f_chip，对于第i个过零点时刻

,其对应的码片个数为：

${\mathrm{chip}}_i={\mathrm{chip}}_{i-1}+\frac{(n_i-n_{i-1})}{(f_s/f_{\mathrm{chip}})}$ ，公式（1）

将公式（1）变形得到：

，其中，Δchip_i=chip_i-chip_i-1，Δn_i=n_i-n_i-1，

以过零点对应的码片个数chip_i为横轴，过零点的时刻

为纵轴做一阶线性拟合，所得的斜率就是实际码片时钟频率f_chip'的倒数。

与现有技术相比，本发明扩频系统的码片时钟频率偏差估计的方法至少具有以下优点：在本发明方法中，接收天线接收到射频信号后，首先将其转换为数字基带信号，然后依次通过一次同步、频域插值、二次同步、去频偏和相偏、求过零点序号，得到实际的过零点值，最终通过过零点对应的码片个数和过零点时刻的一阶线性关系求出实际码片时钟频率，进而求出码片时钟频率误差，对接收到时钟频率进行补偿和校正，保证发射机的码片时钟频率与接收端的码片时钟频率一致。

附图说明

图1为802.11b系统发射端物理层链路过程示意图。

图2为接收机前端处理过程示意图；

图3为时钟频率偏差估计的系统框图；

图4为码片时钟误差估计模块的流程图；

图5为过零点判断模块的流程图。

具体实施方式

下面结合图1至图5对本发明扩频系统的码片时钟频率偏差估计的方法做详细描述：

本发明采用的技术方案是通过接收机接到的接收码片信号与本机产生的理想码片时钟信号进行精确比较，从而获得估计误差，并对接收的码片时钟信号加以校正；其步骤如下：

步骤1：射频信号接收及信号处理

步骤2：码片时钟频率估计

步骤3：码片时钟误差校正

上述步骤1所述的射频信号接收是接收天线将发射端按802.11b协议送来的射频信号转换为数字基带信号。图2说明了步骤1的主要流程，其主要过程如下:

1.1利用射频模块对射频信号进行下变频将其转换为中频信号，然后再将中频信号转换为数字基带信号。

1.2利用带通滤波器将带宽以外的频段屏蔽掉，即对基带信号进行低通滤波，将所需信号带宽以外的信号屏蔽掉。

1.3对基带信号进行A/D转换，采样频率设置为J*11MHz(J=2l;l=1,2,3,...)。

1.4对低通滤波后的数据进行抽样，抽样后的信号为L倍速数字基带信号。

抽样后的数据可能会存在码片时钟误差。码片时钟误差会影响接收机的解调性能,因此，需要对码片时钟误差进行估计。

上述所述的步骤2码片时钟频率估计是在对步骤1处理后得到的基带信号进行L倍速抽样以后添加一个码片时钟偏差估计的模块。整个码片时钟偏差估计模块的系统框图如图3所示。该模块的处理流程如下：

2.1.对L倍速数据进行第一次同步，找出一帧数据的大致起始位置。同步的原理是：利用barker码(1,-1,1,1,-1,1,1,1,-1,-1,-1)对一帧数据的前面一段（取K(K>L*100)个点）进行滑动相关（滑动相关即滑动地进行相关运算），取相关系数（相关系数即相关运算后得到的数值）最大的点并且判断该点是否大于一个阈值，如果大于阈值，这个点就是巴克码同步的位置（即一帧数据的起始位置）。

2.2.对巴克码同步后的数据（亦即第一次同步后的数据），截取一段数据分别与参考长、短前导序列进行互相关，通过比较相关系数大小可以判断该帧数据的前导类型，其中，对巴克码同步后的数据截取一段数据的标准是：截取的数据长度至少包含参考长前导序列和短前导序列的长度；判断前导类型的方法为：首先将得到的数据分别与参考长、短前导序列进行相关运算，然后将相关运算后的数据进行比较，如果长前导序列的相关结果大于短前导序列的相关结果，则判断该数据为长前导序列，否则为短前导序列。

2.3.把一次同步后的L倍速数据（包括确定类型后的长、短前导序列）通过频域插值变成M倍速(M=4*L)数据，插值的目的是为了更精确的找到一帧数据的同步位置并且提高码片时钟偏差估计的精度。频域插值的方法为：先对L倍速数据后面进行补0，使其变为2的N次方个数据(补0依据就近原则)；对补0后的数据进行快速傅里叶变换（FFT）；对傅里叶变换后的频域数据中间插0，0的个数是由插值的倍数决定的；对频域插值后的数据进行逆快速傅里叶变换，完成插值运算。

2.4.对步骤2.3插值后的M倍速数据进行第二次同步，找出一帧数据的起始位置。同步的原理是：利用步骤2.2确定类型的参考长/短前导对一帧数据的前面一段（取X(X>M*100)个点）进行滑动相关，取相关系数最大点并且判断该点是否大于一个阈值，如果大于阈值，这个点就是同步的位置。

2.5.将步骤2.4二次同步后的数据进行频率偏差和相位偏差估计并去掉频偏、相偏。频偏与相偏估计的原理是:将前导序列参考调制信号与实际接收信号符号进行共轭复乘求出第n个符号上的相位差θ_n；根据相位累计偏移量θ_n=2π*Δf*T_s*n+θ+φ_n(θ_n为频偏，T_s为码元持续时间，θ为相位偏移，φ_n为相位噪声)，对θ_n进行一阶线性拟合，即θ_n=k*n+b。通过线性拟合获到的系数k和b；从而，可以得出频率偏差和相位偏差。

2.6.对步骤2.5去频偏和相偏后的M倍速数据进行码片时钟偏差估计。

上述所述的步骤3码片时钟误差校正是将估计得到的偏差值补偿到所接收到的信号上。

图4所示为码片时钟误差校正的具体步骤，其主要过程包括：

3.1.将步骤2最后得到的M倍速数据的I路数据（I路数据即同向路数据）取出来，求出其I路数据的平均值I_mean，然后将I路数据与其平均值I_mean相减，从而构成了一组去掉直流偏移的新的I路数据IData。

3.2.对新的I路数据IData进行线性拟合，求出其中所有的过零点序号m_i(i=1,2,....u)。过零点判断的依据为：对于第u个位置的I路数据IData_u，取前面M/2个点,后面取M/2-1个点，如果前面M/2个点的值全小于零并且后面M/2-1个点的数全大于零，则可以判定第u个点为过零点；如果前面M/2个点的值全大于零并且后面M/2-1个点的数全小于零，也可以判定第u个点为过零点。在实际设计中，为了减少运算量，提高钟偏估计模块的工作效率,只取了部分点的数据进行判断，其效果也很好。

3.3.对于每一个过零点序号m_i,选取m_i-1,m_i和他们所对应的数据进行一阶线性拟合，求出实际的过零点值n_i。过零点判断模块的框图如图5所示。

3.4.假设实际的采样速率为f_s,标准的码片时钟频率为f_chip,对于第i个过零点时刻

,其对应的码片个数

${\mathrm{chip}}_i={\mathrm{chip}}_{i-1}+\frac{(n_i-n_{i-1})}{(f_s/f_{\mathrm{chip}})}---\left(1\right)$

由表达式（1）可以得出

${\mathrm{chip}}_i={\mathrm{chip}}_{i-1}=\frac{(n_i-n_{i-1})}{f_s}{f}_{\mathrm{chip}}---\left(2\right)$

即

${\mathrm{\Δchip}}_i=\frac{{\mathrm{\Δn}}_i}{f_s}{f}_{\mathrm{chip}}---\left(3\right)$

3.5.由表达式（3）可以得出过零点对应的码片个数chip_i和过零点的时刻t_i是一阶线性关系。因此，以过零点对应的码片个数chip_i为横轴，过零点的时刻

为纵轴做一阶线性拟合,所得的斜率就是实际码片时钟频率f_chip'的倒数。

3.6.将实际码片时钟频率f_chip'与接收机参考的码片时钟频率f_chip相减，即可得到码片时钟频率误差Δf。

3.7.将码片时钟误差转换为PPM(Parts Per Million)单位值，并补偿到实际码片时钟频率中即可（即在实际码片时钟频率的基础上加或减码片时钟频率误差Δf）。

本发明还揭示了一种用于实现上述方法的系统。根据802.11b协议规定，每一帧数据包含前导、标头和物理层会聚规程服务数据单元(PSDU:Physical layerconvergence protocol Service Data Unit）。前导有长前导和短前导两种类型。物理层对数据单元进行加扰，扩频调制以后，将其转换为基带数据，发射机按照一定的码片时钟频率将数字基带信号转换为连续信号并传送给射频模块发射出去。发射端物理层链路的主要过程如图1所示。

由于发射机的码片时钟频率与理想的码片时钟频率可能存在偏差，在接收端，这种偏差可能导致接收机无法完整地恢复发射机所传输的数据。因此，必须将发射信号中码片时钟误差估计出来，对接收机收到信号误差进行校正。

在本发明中，理想的码片时钟为11MHz,在发送的过程中存在30ppm的码片时钟误差,信号传输的信道为理想信道（信噪比>30dB）,接收端对其进行前端处理后产生4倍速的数字基带信号，对4倍速数据进行采集后，用本算法进行分析验证，在进行时钟频率偏差估计前，将4倍速的数据通过频域插值变成了64倍速的数据。利用本发明提出的码片时钟偏差估计算法对码片时钟误差进行估计其仿真结果29.8145PPM，经校正后与理想的码片时钟频率基本一致。

以上所述仅为本发明的一种实施方式，不是全部或唯一的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种扩频系统码片时钟频率误差估计及校正方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：接收天线将接收到的射频信号转换为数字基带信号后，将其抽样为L倍速数字基带信号；

步骤2：对步骤1得到的L倍速数字基带信号进行第一次同步，找出一帧数据的起始位置，然后判断该帧数据的类型；

步骤3：将步骤2得到的信号通过频域插值变成M倍速数据，其中M=4*L，然后对M倍速数据进行第二次同步，找出一帧数据的起始位置；

步骤4：对第二次同步后的数据进行频率偏差和相位偏差估计并去掉频偏、相偏；

步骤5：提取步骤4得到的数据的I路数据，然后求出其I路数据的平均值I_mean，将该I路数据与其平均值I_mean相减，构成去掉直流偏移的新的I路数据IData；

步骤6：对步骤5得到的去掉直流偏移的新的I路数据IData进行线性拟合，求出所有的过零点序号；

步骤7：对于每一个过零点序号m_i，选取m_i-1、m_i和他们所对应的数据进行一阶线性拟合，求出实际的过零点值n_i；

步骤8：根据过零点对应的码片个数chip_i和过零点时刻t_i的一阶线性关系求出实际码片时钟频率f_chip'，进而求出码片时钟频率误差Δf；

步骤9：将步骤8得到的码片时钟频率误差Δf补偿到实际码片时钟频率中，即可得到校正后的时钟频率。

2.如权利要求1所述的一种扩频系统码片时钟频率误差估计及校正方法，其特征在于：步骤1中，射频信号转换为数字基带信号的方法为：首先将射频信号进行下变频将其转换为中频信号，然后再将中频信号转换为数字基带信号。

3.如权利要求1或2所述的一种扩频系统码片时钟频率误差估计及校正方法，其特征在于：所述射频信号转换为基带信号后，通过低通滤波，将所需信号带宽以外的信号屏蔽掉。

4.如权利要求1所述的一种扩频系统码片时钟频率误差估计及校正方法，其特征在于：步骤2和步骤3中所述的同步处理以找出一帧数据的起始位置的方法为：利用barker码对一帧数据的前面K个点进行滑动相关，其中，K>L*100，取相关系数最大的点，判断该点是否大于一个阈值，如果大于阈值，这个点就是一帧数据的起始位置。

5.如权利要求1或4所述的一种扩频系统码片时钟频率误差估计及校正方法，其特征在于：步骤2中判断一帧数据的前导类型的方法为：对同步后的数据截取一段数据分别与参考长、短前导序列进行互相关，然后将相关运算后的数据进行比较，如果长前导序列的相关结果大于短前导序列的相关结果，则判断该数据为长前导序列，否则为短前导序列；其中，截取的数据长度至少包含参考长前导序列和短前导序列的长度。

6.如权利要求1所述的一种扩频系统码片时钟频率误差估计及校正方法，其特征在于：步骤3中所述的频域插值方法为：先对L倍速数据后面进行补0，使其变为2的N次方个数据；对补0后的数据进行快速傅里叶变换；对傅里叶变换后的频域数据中间插0，0的个数由插值的倍数决定的；对频域插值后的数据进行逆快速傅里叶变换，完成插值运算。

7.如权利要求1所述的一种扩频系统码片时钟频率误差估计及校正方法，其特征在于：步骤4中所述频偏和相偏的计算方法为：将前导序列参考调制信号与实际接收信号符号进行共轭复乘求出第n个符号上的相位差θ_n；然后，根据相位累计偏移量θ_n=2π*Δf*T_s*n+θ+φ_n对θ_n进行一阶线性拟合，即θ_n=k*n+b，其中，θ_n为频偏，T_s为码元持续时间，θ为相位偏移，φ_n为相位噪声，通过线性拟合得出系数k和b。

8.如权利要求1所述的一种扩频系统码片时钟频率误差估计及校正方法，其特征在于：步骤6中所述的过零点序号的判断方法为：对于第u个位置的I路数据IData_u，取前面M/2个点和后面的M/2-1个点，如果前面M/2个点的值全小于零并且后面M/2-1个点的数全大于零，或者前面M/2个点的值全大于零并且后面M/2-1个点的数全小于零，则第u个点为过零点。

9.如权利要求8所述的一种扩频系统码片时钟频率误差估计及校正方法，其特征在于：步骤8中所述的实际码片时钟频率f_chip'的计算方法为：令：实际的采样频率为f_s，标准的码片时钟频率为f_chip，对于第i个过零点时刻

其对应的码片个数为：

${\mathrm{chip}}_i={\mathrm{chip}}_{i-1}+\frac{(n_i-n_{i-1})}{(f_s/f_{\mathrm{chip}})}$ ，公式（1）

将公式（1）变形得到：

，其中，Δchip_i=chip_i-chip_i-1，Δn_i=n_i-n_i-1，

以过零点对应的码片个数chip_i为横轴，过零点的时刻

为纵轴做一阶线性拟合，所得的斜率就是实际码片时钟频率f_chip'的倒数。

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