CN102238124A

CN102238124A - 一种基于ofdm的数字地震仪数据传输系统及其同步方法

Info

Publication number: CN102238124A
Application number: CN2011101433779A
Authority: CN
Inventors: 罗仁泽; 戈勇华; 党煜蒲; 黄元溢
Original assignee: Southwest Petroleum University
Current assignee: Southwest Petroleum University
Priority date: 2011-05-31
Filing date: 2011-05-31
Publication date: 2011-11-09
Anticipated expiration: 2031-05-31
Also published as: CN102238124B

Abstract

本发明提供了一种基于OFDM的数字地震仪数据传输系统及其同步方法，其特征在于传输系统中以先进OFDM技术为传输体制。发射端，利用序列的共轭对称性构造训练序列，再将此训练序列叠加在一个完整的OFDM上；接收端，利用训练序列的共轭对称特性，设计结构简单的同步算法，得到具有单一尖锐性的目标函数，再利用预设门限值进行同步判断，取得系统的快速同步。与传统叠加周期训练序列同步算法相比，具有计算复杂度低，同步速度快的优点，能够适应高速率传输的数字地震仪数据传输系统，而且还可以适应采用OFDM技术的无线通信系统。

Description

一种基于OFDM的数字地震仪数据传输系统及其同步方法

技术领域

本发明属于油气勘探领域，特别涉及油气地震勘探中数字地震仪数据传输系统使用OFDM技术的系统同步方法。

背景技术

随着国民经济的快速发展，我国对石油、矿产等能源的需求越来越旺盛。地震勘探作为一种快速高效的地球物理勘探方法，在能源勘探领域得到广泛应用。数字地震仪作为地震勘探的关键设备，90%以上依靠国外进口，国内自主研发投入少，严重制约了我国地震勘探事业的发展。虽然经过国内研究机构的多年努力，地震仪的发展已经取得长足的进步，然而由于地震仪道容量一直受到数据传输技术的制约，严重影响了数字地震仪野外的实际勘探效率。因此，对数字地震仪数据传输技术的研究就显得尤为重要。

正交频分复用（OFDM）技术由于具有良好的抗多径衰落能力、频谱利用率高和适合高速率数据传输等优点，被广泛的运用于无线通信的物理层（PHY）、智能电网、以及其它工业通信中等。

为了满足数字地震仪数据高速率传输的需要，可以将OFDM技术运用于数字地震仪数据传输系统中，提高传输速率和频带利用率，但是存在对同步误差较敏感的缺陷，同步性能的不好将直接影响OFDM系统的性能，特别是在复杂环境下突发地震数据传输系统更显得重要。目前，提出的同步算法主要是在连续的OFDM符号间插入等长度的训练序列的方式来获取同步，如文献：Amirhossein, Hashemi, Sajdi. “A New Joint Time and Frequency Offset Estimation Method for OFDM Systems,” Wireless Communications and Signal Processing (WCSP), 2009 IEEE International Conference on,. Nov. 2009. pp. 1-4. 和文献：Guanghui Liu, Sergey V. Zhidkov. “A Composite PN-Correlation Based Synchronizer for TDS-OFDM Receiver,” IEEE Transactions on broadcasting, Vol. 56, no. 1, pp. 77-85. Mar. 2010. 所述，但这种方法存在的缺陷有两个：一个是占用了有效的频谱资源；另一个是训练序列独占发射机功率。

时间同步主要用来确定OFDM数据符号的起始位置，以备进行正确的FFT操作和频偏估计；同时，不精确的频偏估计将直接破坏子载波间的正交性，将导致载波间干扰（ICI）。在OFDM系统（如图1所示）中，利用插入训练序列进行同步的基本原理如下（结构框图如图2所示）：

在发射端，将训练序列插入在两个连续OFDM符号之间；在接收端，利用本地训练序列与接收信号进行共轭相关获取同步信息，实现时间同步和频偏估计。时域共轭相乘的数学表达式为：

（1）

其中，“*”表示取共轭，

表示训练序列的长度，

为整数，表示接收信号相对本地训练序列滑动的位置，

表示接收信号，表示本地训练序列。

为了快速实现同步，在实际的工程应用中一般采用设置门限值的方法来判断同步，而不采用遍历搜索最大峰值的方法。为了提高同步正确率，通常要求相关函数具有单一、尖锐的峰值特性。

传统叠加训练序列的构造方式有两种：

1）训练序列由一个具有良好自相关性的PN序列构成，且序列不具有其它特性；

2）训练序列由一段长度为

的短序列，连续重复多次构成，并利用巴克码控制正负极性（如图3所示），参考文献见：严春林，房家奕，唐友喜，李少谦. 一种利用巴克码和训练序列进行OFDM快速同步的方法. 中国，02133998[P]. 20040205. 所述。相应地，在接收端利用本地训练序列与接收信号按照式（2）进行共轭相关获取时间同步信息：

（2）

其中，

表示接收信号，

表示本地训练序列，为整数，表示接收信号相对本地训练序列滑动的位置，表示PN序列的长度，

为巴克码的长度。

当目标函数

取得峰值时，

值即为同步位置。由于m序列具有良好的自相关特性，上述训练序列一般选择m序列进行构造所得。然而，由于目标函数是由多个m序列相关值的循环累积而得，当接收信号与本地m序列相对滑动点数为m序列周期的整数倍时，目标函数仍有较大的相关值输出。在理想情况下，根据公式（2）计算出的相关值随着

的变化，目标函数的变化如图4所示。图中，出现的尖峰值为接收信号与时间同步位置相差

的整数倍点位置，在d=0,

,

出现峰值，且值相同。因此，可以认为目标函数的旁瓣较多，不利于设置门限值判断同步。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于OFDM的数字地震仪数据传输系统及其同步方法，其中也包括训练序列设计的新方法，特别适合于像数字地震仪突发数据传输系统同步方面，它使得接收端通过简单的门限判定就可以求得采集时钟同步位置，提高了接收机的同步速度和同步性能。

本发明的创新之处在于利用优良自相关性的CAZAC序列进行IFFT后，构造具有局部周期性，整体共轭对称性的训练序列；同时，同步算法利用了加入循环前缀后的本地训练序列，改善了叠加重复周期训练序列的同步算法具有多旁瓣的缺陷，使得接收端可以避免复杂性较高的最值搜索方法，而只需通过简单的门限判定来确定同步位置；接收端取得时间同步后，可容易取得频偏估计。

本发明是一种基于OFDM的数字地震仪数据传输系统及其同步方法，其特征在于：发射端，将自相关性良好的CAZAC序列进行IFFT后，构造具有局部周期性，整体共轭对称性的训练序列与OFDM数据符号进行线性叠加后，再添加循环前缀构成最终的发射数据；接收端，将本地训练序列添加循环前缀后均匀分成四段分别与接收信号进行共轭相乘，得到四个相关值，然后将四个相关值进行点对点的累加求平均，从而获得最终用于时间同步的目标函数值，利用预设门限值的方法进行时间同步位置判定；取得OFDM系统的快速时间同步后，利用目标函数进行相位信息的提取，获取频偏估计值，进行频率补偿。

本发明方法的特征在于它包含下列步骤：

一、发射端：

发射端对发射信号的处理步骤如下（如图5所示）：

1）利用CAZAC序列构造长度为

的序列

，所构造的序列为复数序列；

2）将序列

进行

点的IFFT，得序列为；

3）取序列

的共轭结构为序列

；

4）将长度均为

的序列

和进行合并为长度为

的序列

，表达式如下：

（3）

5）将序列

进行重复一次得序列为

；

6）取序列

的共轭结构为序列

，并将长度均为

的序列

和

进行合并得长度为

的训练序列

，表达式如下：

（4）

7）将训练序列

与长度为

的OFDM数据符号进行线性叠加后，得序列

，其数学表达式为：

（5）

其中，

为功率分配因子，且取值范围为

，其物理意义为训练序列的功率相对于发射数据总功率的归一化值；

8）将叠加后的序列

加入循环前缀，得到最终的发射数据为

（其结构示意图如图6所示），其数学表达式为：

（6）

其中，

表示循环前缀的长度，

为OFDM数据符号的长度，且

。

二、接收端：

接收端对接收信号的处理步骤如下（如图7所示）：

1）将本地训练序列

添加长度为

的点循环前缀后，得到本地序列为

，其数学表达式为：

（7）

2）将本地训练序列

分成四段与接收信号

进行共轭相关，得到四个相关值；

3）将四个相关值进行累加求平均，得到最终的目标函数值，其数学表达式为：

（8）

其中，“*”表示取共轭，为整数，表示接收信号与本地序列的相对滑动位置，

表示接收信号，

表示本地训练序列；

4）通过设定门限值，使目标函数

超过门限值的

值判为时间同步位置；

5）在取得上述精确时间同步下，利用目标函数

进行相位信息提取，得到频偏估计值为

，即：

（9）

其中，

表示时间同步位置，

（10）

6）进行频偏补偿。

这种设计方法的依据是：

1） OFDM技术可以运用于无线通信系统和有线通信系统中，最近几年也出现了将OFDM技术运用于智能电网中，这些都受益于OFDM技术具有抗干扰能力强、传输速率快、频率利用率高等特性；

2）由于叠加的训练序列已知，所构造的训练序列具有良好的自相关性能，易实现OFDM系统的时间和频率同步；

3）对于不同的训练序列，功率分配因子

值可变，可以调节

值来确保OFDM系统的同步性能；

4）由于所构造的训练序列具有良好的自相关性，且具有共轭对称性，可以抑制或抵消峰值附件的旁瓣，避免了叠加重复周期训练序列同步算法中出现的旁瓣比较多的现象（如图4所示）。因此，在目标函数的主瓣和旁瓣相差比较明显的情况下，通过预设门限值，可以快速准确地找到同步位置。理想情况下，目标函数（即：式（8））随

值变化曲线如图（8）所示；

5）由于接收端将本地添加循环前缀后的训练序列均分成不重叠的四段与接收信号进行同步共轭相乘，得到各段的相关值，再点对点的叠加求平均。可以缩短搜索窗的大小，降低实现同步的难度。

本发明具有以下特征：

1、构造新的训练序列，使用新颖的同步算法实现基于OFDM的数字地震仪数据传输系统的同步；

2、发射端利用CAZAC序列IFFT后，构造具有局部周期性、整体共轭对称性的训练序列，且序列具有优良自相关性能；

3、发射端训练序列的构造引进了共轭对称性、反对称性，而非周期性训练序列；

4、发射端训练序列线性叠加在OFDM数据符号上，且两者分配的总功率为单位1；

5、发射端对于不同的训练序列，功率分配因子

值可变，但在同一个OFDM符号内，值不变；

6、接收端将本地训练序列添加循环前缀后均分成不重叠的四段分别接收信号进行共轭相乘，将得到的各段相关值进行点对点的叠加求平均；

7、接收端在进行精确的时间同步后，对相应的数据进行相位信息处理，获取频偏同步。

本发明具有以下优点：

1、由于训练序列分为等长的四部分，长度为

点，因此，时间同步的搜索窗仅需要一个OFDM符号长度为

的大小窗口，不需要对全部点数据进行处理，大大降低了实现的复杂度；

2、本发明在接收端避免使用复杂的最值搜索，而采用简单的预设门限值判断同步，这样处理大大的降低了实现的复杂度；

3、本发明在接收端避免使用复杂的最值搜索，而采用简单的预设门限值判断同步，这样处理缩短了同步时间，特别适合分组方式的同步；

4、训练序列及构造结构已知，还可以利用它进行信道估计或其它用途。

附图说明

图1为基于OFDM的数字地震仪数据传输系统框图

图中，14为同步与信道估计模块，15表示同步；

图2为插入训练序列结构框图

图3为叠加重复周期训练序列框图

图中，训练序列具有重复周期性；

图4为理想情况下采用公式（2）进行相关运算得到的目标函数值随

值变化的函数示意图

图中，横坐标

为整数，表示接收序列相对本地训练序列滑动位置，纵坐标表示相关值，从图中可以看出，随着

值递增或递减，不具备单一峰值，旁瓣比较多，影响同步正确率的判断；

图5为本发明专利说明的OFDM发射端信号处理流程示意图

图6为本发明专利说明的叠加训练序列结构原理框图

图7为本发明专利说明的接收机信号处理流程示意图

图8为本发明专利实施方法的目标函数随

值变化的归一化峰值图（信噪比为10dB）

图中，横坐标

为整数，表示接收序列相对本地训练序列滑动位置，纵坐标表示归一化相关峰值，从图中可以看出，目标函数具有单一、尖锐的峰值，旁瓣较少。因此，采用此方法，可以设定一个较好的门限值，使得接收端可以通过简单的门限判定方法得到精确的时间同步；

图9为本发明专利具体实施不同功率分配因子下的同步正确率仿真图

图中，横坐标为不同的信噪比（SNR），纵坐标为同步检测正确率（Detection Probability），

表示功率分配因子。可以看出，相同信噪比下，功率分配因子越大，系统同步正确率越高；同时，相同功率分配因子下，系统同步正确率随着信噪比的增加而增加；

图10为发明专利具体实施不同功率分配因子下系统的误码率性能仿真图

图中，横坐标表示信噪比（SNR），纵坐标表示系统误码率（BER）性能，

表示功率分配因子。可以看出，相同信噪比下，功率分配因子越大，系统的误码率性能越高；同时，相同功率分配因子下，系统的误码率随着新造比的增加而减小。

具体实施方式

一种基于OFDM的数字地震仪数据传输系统及其同步方法，其系统原理为：

在发送端，采集的数字地震信号进过编码后，通过串/并（S/P）将高速率的数据流分为多路并行相对较低速率的数据流，对每路数据进行M进制PSK或QAM映射成复数信号，接着进行快速傅里叶逆变换（IFFT）将数据调制在并行正交的子载波上，通过并/串（P/S）转换变为串行OFDM符号，然后通过功率分配模块对地震OFDM符号和训练序列进行功率分配，将训练序列线性叠加在一个完整的地震OFDM符号上，在每个符号前加入循环前缀（CP, cyclic prefix），将叠加训练序列和添加循环前缀的地震OFDM符号经过数模转换（DAC）变成模拟信号，等待通过信道进行传输。在接收端信号处理基本上是发送端的逆过程：接收端从信道将接收的模拟信号进行模数转换（ADC），利用本地训练序列与转换后的数字信号进行同步及信道估计，确定地震OFDM符号帧的起始位置，去除循环前缀信息，并进行串并变换及傅里叶变换（FFT），最后，将信号进行反映射处理，解调出对应的并行数据符号，经过并/串转换恢复为二进制串行数据及解码还原成原始地震采集数据。

下面给出一个OFDM配置下本专利的实施方法。需要说明的是，下面所设置的参数不影响本专利的一般性。

设OFDM符号中FFT长度为，取

，表示训练序列符号功率占发射机总功率的

，信道模型采用UMST（Universal Mobile Telecommunications System）的高山地区信道参考模型。

一、发射端：

CAZAC序列取长度为，记为序列。将上述序列

进行长度为256点的IFFT，得序列

，并取

的共轭序列为

，按照公式（3）将序列和

合并成序列长度为

；将序列

进行重复一次为

，并取序列的共轭结构为

，合并序列

和

得训练序列

长度为

；将训练序列

与OFDM数据符号按照公式（5）进行线性叠加，并添加循环前缀信息，形成最终的发射机信号。

二、接收端

接收端将本地训练序列

添加长度为的循环前缀信息，并分均匀分成四段，并分别与接收信号按照公式（8）进行共轭相关累积平均，取得时间同步目标函数，具体仿真见图（8）所示，利用预设门限值方法进行时间同步判断；精确的时间同步后，按照公式（9）进行频偏估计，并进行频率补偿。系统的同步性能及误码率性能分别见图（9）和（10）所示。

Claims

1.一种基于OFDM的数字地震仪数据传输系统及其同步方法，其特征在于：传输系统采用正交频分复用技术作为其传输体制，其发射机结构包括：编码模块2、符号映射模块3、串/并模块4、反傅里叶变换（IFFT）模块5、并/串模块6、训练序列模块7、功率分配模块8、叠加模块9、插入保护间隔模块10、模数转换模块11；接收机结构包括：模数转换模块13、同步和信道估计模块14、训练序列与数据分离模块17、去除保护间隔模块18、串/并模块19、傅里叶变换（FFT）模块20、并/串模块21、符号解映射模块22、解码模块23。

2.根据权利要求1所述的一种基于OFDM的数字地震仪数据传输系统及其同步方法，其特征在于：发射机结构中的编码模块2主要实现保证地震采集数据在信道的可靠传输；符号映射模块3将编码后的二进制数据映射为对应的复数信号；串/并模块4将高速率串行信号变成多路并行的低速率信号；反傅里叶变换模块5将映射后数据调制在相互正交的子载波上；并/串模块6将并行信号变成串行信号；功率分配模块8主要实现地震数据与训练序列的功率分配；叠加模块9实现训练序列线性叠加在OFDM地震数据符号上；插入保护间隔模块10用于保护子载波间的正交性，减少OFDM符号码元间的干扰；模数转换模块11将数字OFDM符号变成模拟信号。

3.根据权利要求1所述的一种基于OFDM的数字地震仪数据传输系统及其同步方法，其特征在于：接收机结构中的模数转换模块13将接收的模拟信号变成数字信号；同步和信道估计模块14实现OFDM符号的同步，确定傅里叶变换窗口的起始位置和传输信道的脉冲响应特性，便于叠加训练序列与地震数据的分离；训练序列与数据分离模块17利用信道的脉冲响应函数将训练序列与地震数据进行分离；去除保护间隔模块18将OFDM符号前面的循环前缀去除，提取完整的OFDM符号；串/并模块19将串行的OFDM符号变成并行的OFDM数据；傅里叶变换模块20与反傅里叶变换相对应，对信号进行解调；并/串模块21将解调后的并行信号变成串行数据；符号解映射模块22与符号映射相对应，实现复数信号解调成对应的二进制数字比特流；解码模块23实现地震数据的解码。

4.一种基于OFDM的数字地震仪数据传输系统及其同步方法，其特征在于：包括发射端对发射信号处理的步骤和接收端对接收信号处理的步骤：

发射端对发射信号处理的步骤如下：

步骤1 利用CAZAC序列构造长度为