CN101166169B - 利用频域序列进行帧同步跟踪和信道检测的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用频域随机序列进行帧同步跟踪和信道类型检测的系统及方法。该方法包括步骤：在发射装置中生成一频域复随机序列；利用IFFT将该频域复随机序列变换为时域帧同步序列；上述变换到时域的时域帧同步序列被插入到传输的帧中并发送至接收装置；接收装置中，该接收的时域帧同步序列进行FFT转换为频域序列；该频域序列再经IFFT转换为信道冲激响应；根据该信道冲激响应的功率最大值和预定的有效径门限的比值，选取信道中的有效径；通过得到的有效径，计算帧同步误差以实现帧同步跟踪以及计算信道多径类型的匹配函数以判断信道类型。通过该方法帧同步序列带宽小于系统采样率，以较低的实现复杂度实现了帧同步跟踪和信道类型估计。

Description

利用频域序列进行帧同步跟踪和信道检测的系统及方法

技术领域

本发明涉及数字信息传输技术领域，尤其是涉及一种基于OFDM的数字广播系统，特别是一种能够利用频域随机序列进行帧同步跟踪和信道类型检测的系统及方法。

背景技术

数字广播除了覆盖面广、节目容量大之外，最大的特点就是具有广播性，一点对多点、一点对面，广播信息的成本与用户数量无关。因此，数字广播作为信息通信业的一个重要组成部分，在国家信息基础设施建设、实现普遍服务和国家信息安全战略中具有重要地位。

为了方便接收机实现帧同步、频偏估计和信道类型检测等功能，数字广播系统经常需要在信号帧中加入一段已知的随机序列。

目前常见的随机序列发生装置，是直接在时域上产生随机序列。例如采用m序列发生器产生了m序列后，使用BPSK映射的方式产生时域随机序列。在OFDM系统中，采样率经常高于系统带宽，例如10MHz采样率的系统带宽为8MHz。在10MHz采样率的条件下，此序列的带宽至少为10MHz，会超过系统带宽限制。

因此，在基于OFDM的数字广播系统中，在发射机需要采用新的方法生成随机序列。接收机在解调过程中，需要进行帧同步跟踪和信道类型检测，从而实现更精确的解调。接收机可以通过对该序列的检测实现帧同步跟踪和信道类型估计。

发明内容

为了解决上述现有技术的问题和不足，本发明的目的在于提供一种利用频域随机序列进行帧同步跟踪和信道类型检测的系统。该系统包括发射装置和接收装置两部分。上述发射装置包括：频域随机序列发生单元，该频域随机序列发生单元产生一频域随机序列；第一频-时域变换单元，该第一频-时域变换单元利用逆傅立叶变换将上述由频域随机序列发生单元产生的频域随机序列变换为时域帧同步序列；以及时域组帧单元，该时域组帧单元在传输的每一帧中插入上述变换到时域的时域帧同步序列。上述接收装置包括：时-频域变换单元，该时-频域变换单元将从发射装置接收的时域帧同步序列经傅立叶变换变换为频域序列；第二频-时域变换单元，该第二频-时域变换单元对上述频域序列进行逆傅立叶变换将其转换为信道冲激响应；有效径检测单元，该有效径检测单元根据信道冲激响应功率最大值与预设的有效径门限的比值选取信道中的有效径并计算帧同步误差以实现帧同步跟踪以及计算信道多径类型的匹配函数以判断信道的类型。

在时-频域变换单元和第二频-时域变换单元之间还具有一相乘单元，来自时-频域变换单元的频域序列与频域随机序列发生单元产生的频域随机序列在该相乘单元内进行相乘运算并输出。

进一步地，上述发射装置中频域随机序列发生单元包括复随机序列生成器和复随机序列定位器。该复随机序列生成器生成一m随机序列并将该m随机序列映射为复符号；随机序列定位器将生成的复随机序列在域变换前定位到频域适当的位置。

本发明的目的还在于提供一种利用频域随机序列进行帧同步跟踪和信道类型检测的方法，该方法依托上述系统中的各装置来实现，包括以下步骤：

在发射装置中生成一频域随机序列的步骤；利用逆傅立叶变换将该频域随机序列变换为时域帧同步序列的步骤；上述变换到时域的时域帧同步序列被插入到传输的帧中并发送至接收装置的步骤；在接收装置中，该接收的时域帧同步序列经傅立叶变换转换为频域序列的步骤；该频域序列与在发明装置中产生的频域随机序列相乘后再经逆傅立叶变换转换为信道冲激响应的步骤；根据该信道冲激响应的功率最大值和预定的有效径门限的比值，选取信道中的有效径的步骤；通过得到的有效径，计算帧同步误差以实现帧同步跟踪以及计算信道多径类型的匹配函数以判断信道类型的步骤。

另外，根据本发明的方法，根据该信道冲激响应的功率最大值和预定的有效径门限的比值，选取信道中的有效径的步骤，具体为：计算信道冲激响应的功率最大值P，并将其与一设定的有效径门限T进行比较，选取所有功率大于P/T的有效径，符合上述条件的有效径即为信道的有效径。

本发明提出了一种利用在频域生成的随机序列进行信号传输并进行帧同步跟踪和信道类型检测的系统和方法。本发明的系统及方法具有以下优点：

在该系统中，由于随机序列在频域产生，因此帧同步序列带宽小于系统采样率，并可根据传输带宽要求灵活配置，此外，生成的序列在时、频域二维上均有很好的随机性特性，而接收装置通过时、频域变换，以较低的实现复杂度实现了帧同步跟踪和信道类型估计，本发明的系统和方法可以广泛应用于卫星广播、地面无线广播、有线广播等各广播领域。

附图说明

图1为本发明的利用频域随机序列进行帧同步跟踪和信道类型检测的系统的优选实施例的发射装置的框图。

图2为本发明的利用频域随机序列进行帧同步跟踪和信道类型检测的系统的优选实施例的m序列生成器的示意图。

图3为本发明的利用频域随机序列进行帧同步跟踪和信道类型检测的系统的优选实施例的信号帧的构成图。

图4所示为本发明的利用频域随机序列进行帧同步跟踪和信道类型检测的系统的优选实施例的接收装置的框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的利用频域随机序列进行帧同步跟踪和信道类型检测的系统中的装置进行详细说明。

图1所示为本发明的利用频域随机序列进行帧同步跟踪和信道类型检测的系统的优选实施例的发射装置的框图。

如图1所示，发射装置包括：频域随机序列发生单元101，频-时域变换单元102以及时域组帧单元103。

频域随机序列发生单元101包括复m序列生成器和m序列定位器两部分(未图示)。

复m序列生成器具有一移位寄存器，在本实施例中，该移位寄存器初始状态为011 1010 1101，如图2所示，该复m序列生成器生成同步m序列M(k)，这里0≤k≤2046，生成多项式为x¹¹+x⁹+1，并将生成的m序列BPSK映射为复符号L(k)。

m序列定位器根据一般广播系统信号带宽为8M、且无直流分量的要求，将复符号L(k)定位到频域的适当位置，得到频域长同步序列P(k)。

频-时域变换单元102利用逆傅立叶变换将上述生成的频域复随机序列变换为时域帧同步序列为l(n)。

时域组帧单元103在每一帧中插入上述时域帧同步序列l(n)。在采样率为10MHz，系统带宽为8MHz的卫星广播系统中，每帧为25毫秒，包括250000个采样点。组帧后每帧包括2个完全相同的2048点的帧同步序列，如图3所示。

图4所示为本发明的利用频域随机序列进行帧同步跟踪和信道类型检测的系统的优选实施例的接收装置的框图。

如图4所示，接收装置包括：时-频域变换单元401，频-时域变换单元402以及有效径检测单元403。

在接收装置中，时-频域变换单元401对接收的混有噪声的帧同步序列进行2048点傅立叶变换，获得一频域复符号q_f(k)。

频-时域变换单元402对来自时-频域变换单元401的经傅立叶变换后的复符号q_f(k)与本地频域长同步序列P(k)相乘得到的信道频域传输函数进行逆傅立叶变换，从而得到在整数频偏估计条件下的信道冲激响应估计g(n)。

有效径检测单元403对信道冲激响应计算其功率最大值P，并将该信道冲激响应的功率最大值P与一预定有效径门限T相比较，得到所有功率大于P/T的有效径的集合。该大于P/T的有效径的集合即为信道的有效径的集合。有效径检测单元403根据信道的有效径计算同步误差以实现帧同步跟踪以及计算信道多径类型的匹配函数以判断信道的类型。

下面对本发明的利用频域随机序列进行帧同步跟踪和信道类型检测的方法进行详细说明。

在发射装置中，由复m序列生成器生成一m序列M(k)，接着该m序列M(k)经BPSK映射为复符号L(k)，满足：

$L\left(k\right)=\left\{\begin{array}{cc}1+0j,& M\left(k\right)=0\\ -1+0j,& M\left(k\right)=1\end{array}\right.$

复符号L(k)由m序列定位器定位在频域，形成频域长序列P(k)，满足：

$P\left(k\right)=\left\{\begin{array}{cc}0,& k=0\\ L(k-1),& 1\≤k\≤769\\ 0,& 770\≤k\≤1278\\ L(k-510),& 1279\≤k\≤2047\end{array}\right.$

接着对该P(k)进行逆傅立叶变换将其转换到时域，设时域帧同步序列为l(n)，则

$l\left(n\right)=\mathrm{IFFT}\left[P\left(k\right)\right]=\frac{\sqrt{2}}{64}{\mathrm{\Σ}}_{k=0}^{2047}P\left(k\right)\·e^{j2\mathrm{\πnk}/2048},0\≤n\≤2047$

上述变换到时域的时域帧同步序列l(n)被插入到传输的帧中并发送至接收装置；

接收装置中，从发射装置发送的帧被帧同步捕获之后，得到该帧同步序列的起始位置pos_path_thisframe。

根据上述起始位置pos_path_thisframe计算第2个同步序列起始位置，并提前700点开窗，

s(pos_path_thisframe+2048-700：pos_path_thisframe+4095-700)

共2048个采样点，记为r_lsync(0:2047)。

对上述信号进行2048点的FFT得到复符号q_f(k)＝FFT{r_Lsync(n)}，k＝0，1，…，2047。

接着对经傅立叶变换后的复符号q_f(k)与本地频域长同步序列P(k)相乘并得到的信道频域传输函数进行逆傅立叶变换，从而得到在整数频偏估计条件下的信道冲激响应估计g(n)，则g(n)满足

g(n)＝IFFT{q_f(k)×P(k)}，n＝0，1，……2047

其中P(k)是本地频域长同步序列，即来自发射装置的频域伪随机复数序列。

计算信道冲激响应的功率最大值P，P＝max{|g(n)|²}，n＝0，1，……2047。

设定有效径门限T，找到所有功率大于P/T的有效径，找到第1个有效径，设其位置为path_first，找到最后1个有效径，设其位置为path_last。考虑到进行帧同步跟踪时，所取出的序列是同步捕获确定的第2个长同步序列提前700点，则帧同步跟踪位置偏差delta_pos为

delta_pos＝path_first-700

根据上述帧同步跟踪位置偏差delta_pos可进行帧同步跟踪。

另外，在进行帧同步跟踪过程中，上述有效径检测单元除了实现帧同步跟踪外，还可以确定信道时延扩展长度和信道多径类型。

一般来说，常用的信道多径类型分为三种，即指数衰落型、均匀分布型以及2径型。设这三种类型的匹配函数分别为corr_exp、corr_uniform以及corr_2tap。确定信道时延扩展长度和信道多径类型的方法为：

首先，根据第1个有效径位置path_first和最后1个有效径位置path_last，得到信道有效时延扩展值length_profile为

length_profile＝(path_last-path_first)*0.1us

其次，将path_first和path_last间的所有有效径分割在3个长度为(path_last-path_first)/3的等长区间内，并求3个区间内的有效径功率之和，假定其分别为sum_head，sum_mid，sum_end。

得到对3种信道多径类型的匹配函数

corr_exp＝sum_head*8+sum_mid*4+sum_end

corr_uniform＝(sum_head+sum_mid+sum_end)*13/3

corr_2tap＝(sum_head+sum_end)*13/2

以上3个匹配函数的值代表信道冲激响应和3种信道多径类型的接近程度。若3个匹配函数值中corr_exp最大，则判断信道为指数衰落型；若corr_uniform最大，则判断信道为均匀分布型；若corr_2tap最大，则判断信道为2径分布型。

通过上述方法从而判断信道的时延扩展长度和多径类型。

尽管基于说明目的本发明已经结合优选实施例进行了公开，但本领域的技术人员应该理解，各种改变、增加和替代都是可能的。因此，本发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求书的范围来确定其技术性范围。

Claims (14)

1.一种利用频域随机序列进行帧同步跟踪和信道类型检测的系统，包括发射装置和接收装置，其特征在于，该发射装置包括：

频域随机序列发生单元，该频域随机序列发生单元产生一频域随机序列，

第一频-时域变换单元，该第一频-时域变换单元利用逆傅立叶变换将上述由频域随机序列发生单元产生的频域随机序列变换为时域帧同步序列，以及

时域组帧单元，该时域组帧单元在传输的每一帧中插入上述变换到时域的时域帧同步序列；

该接收装置包括：

时-频域变换单元，该时-频域变换单元将从发射装置接收的时域帧同步序列经傅立叶变换变换为频域序列；

第二频-时域变换单元，该第二频-时域变换单元对上述频域序列与发射装置中产生的频域随机序列相乘得到的信道频域传输函数进行逆傅立叶变换，将其转换为信道冲激响应，以及

有效径检测单元，该有效径检测单元根据信道冲激响应功率最大值与预设的有效径门限的比值选取信道中的有效径并计算帧同步误差以实现帧同步跟踪以及计算信道多径类型的匹配函数以判断信道的类型。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，在时-频域变换单元和第二频-时域变换单元之间还具有一相乘单元，来自时-频域变换单元的频域序列与频域随机序列发生单元产生的频域随机序列在该相乘单元内进行相乘运算并输出。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述频域随机序列发生单元包括复随机序列生成器和复随机序列定位器，该复随机序列生成器生成一m随机序列并将该m随机序列映射为复随机序列，该复随机序列定位器将生成的复随机序列定位到频域适当的位置产生所述频域随机序列。

4.一种生成频域随机序列以利于接收机进行帧同步跟踪和信道类型检测的发射装置，其特征在于，包括：

频域随机序列发生单元，该频域随机序列发生单元产生一频域随机序列，

第一频-时域变换单元，该第一频-时域变换单元利用逆傅立叶变换将上述由频域随机序列发生单元产生的频域随机序列变换为时域帧同步序列，以及

时域组帧单元，该时域组帧单元在传输的每一帧中插入上述变换到时域的时域帧同步序列。

5.如权利要求4所述的发射装置，其特征在于，所述频域随机序列发生单元包括复随机序列生成器和复随机序列定位器，该复随机序列生成器生成一m随机序列并将该m随机序列映射为复随机序列，该复随机序列定位器将生成的复随机序列定位到频域适当的位置产生所述频域随机序列。

6.一种利用频域随机序列进行帧同步跟踪和信道类型检测的接收装置，其特征在于，包括：

时-频域变换单元，该时-频域变换单元将从发射装置接收的时域帧同步序列经傅立叶变换变换为频域序列；

第二频-时域变换单元，该第二频-时域变换单元对上述频域序列与发射装置中产生的频域随机序列相乘得到的信道频域传输函数进行逆傅立叶变换，将其转换为信道冲激响应，以及

有效径检测单元，该有效径检测单元根据信道冲激响应功率最大值与预设的有效径门限的比值选取信道中的有效径并计算帧同步误差以实现帧同步跟踪以及计算信道多径类型的匹配函数以判断信道的类型。

7.如权利要求6所述的接收装置，其特征在于，在时-频域变换单元和第二频-时域变换单元之间还具有一相乘单元，来自时-频域变换单元的频域序列与发射装置中的频域随机序列发生单元产生的频域随机序列在该相乘单元内进行相乘运算并输出。

8.一种在发射装置中利用频域随机序列进行帧同步跟踪和信道类型检测的方法，该方法包括以下步骤：

在发射装置中生成一频域随机序列的步骤；

利用逆傅立叶变换将该频域随机序列变换为时域帧同步序列的步骤；

上述变换到时域的时域帧同步序列被插入到传输的帧中并发送至接收装置的步骤。

9.一种在接收装置中利用频域随机序列进行帧同步跟踪和信道类型检测的方法，该方法包括以下步骤：

在接收装置中，将接收的时域帧同步序列经傅立叶变换转换为频域序列的步骤；

该频域序列与在发射装置中产生的频域随机序列相乘后再经逆傅立叶变换转换为信道冲激响应的步骤；

根据该信道冲激响应的功率最大值和预定的有效径门限的比值，选取信道中的有效径的步骤；

通过得到的有效径，计算帧同步误差以实现帧同步跟踪以及计算信道多径类型的匹配函数以判断信道类型的步骤。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，根据该信道冲激响应的功率最大值和预定的有效径门限的比值，选取信道中的有效径的步骤，是计算信道冲激响应的功率最大值P，并将其与一设定的有效径门限T进行比较，选取所有功率大于P/T的有效径，符合条件的有效径即为信道的有效径的步骤。

11.如权利要求9所述的方法，其特征在于，在判断信道多径类型的步骤中，将信道的第一个有效径位置和最后一个有效径位置间的所有有效径区间三等分，并计算上述三个区间的有效径功率之和，分别计算各信道多径类型，即指数衰落型、均匀分布型和2径分布型的匹配函数，选出匹配函数值最大的作为该信道的代表类型。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，信道多径类型中的指数衰落型的匹配函数为corr_exp＝sum_head*8+sum_mid*4+sum_end，其中corr_exp为指数衰落型匹配函数的值，sum_head、sum_mid和sum_end分别为上述三等分有效径区间的有效径功率之和。

13.如权利要求11所述的方法，其特征在于，信道多径类型中的均匀分布型的匹配函数为corr_uniform＝(sum_head+sum_mid+sum_end)*13/3，其中corr_uniform为均匀分布型匹配函数的值，sum_head、sum_mid和sum_end分别为上述三等分有效径区间的有效径功率之和。

14.如权利要求11所述的方法，其特征在于，信道多径类型中的2径分布型的匹配函数为corr_2tap＝(sum_head+sum_end)*13/2，其中corr_2tap为2径分布型匹配函数的值，sum_head、sum_mid和sum_end分别为上述三等分有效径区间的有效径功率之和。

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