CN103078825A - 数字通信系统中的帧同步序列生成方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数字通信系统中的帧同步序列生成方法及装置，涉及数字信号传输技术领域。该方法包括步骤：S1、产生两组携带有信令信息的己知序列；S2、将所述两组己知序列组合成频域子载波序列，再对频域子载波序列进行预处理，得到频域数据块；S3、对所述频域数据块进行逆离散傅里叶变换，得到时域数据块；S4、在所述时域数据块的前、后分别插入由所述时域数据块产生的前缀和后缀，得到帧同步序列。本发明提出的方法具有帧检测精度高、实现结构简单，并可在窄带噪声干扰严重的电力线信道和复杂多径信道环境下实现准确帧同步等优点，同时能可靠恢复出传输的信令信息。

Description

数字通信系统中的帧同步序列生成方法及装置

技术领域

本发明涉及数字信号传输技术领域，具体涉及一种数字通信系统中的帧同步序列生成方法及装置。

背景技术

近年来，随着现代通信技术的飞速发展，在传输便捷、资源丰富的电力线信道中进行高效数字通信得到了广泛的研究和应用。电力线通信（Power Line Communications,PLC）有许多优点，例如广泛分布的电力线网、相对低的通信成本以及便于随处即插即用等。然而电力线信道环境恶劣，有严重的衰减以及多种噪声和干扰，例如冲激噪声、多径衰落、频率选择性衰落和窄带噪声干扰（Narrowband Interference,NBI）等。目前，很多针对电力线通信的标准和研究对电力线通信系统的特性进行了说明和分析，例如国际电联标准化组织ITU-T的G.9960标准规范了一种电力线通信系统，描述了电力线信道的复杂特性，给出了电力线通信系统中常见的技术方法和应用方案。

为了克服电力线通信中的恶劣信道条件，正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplex,OFDM）技术在电力线信道中得到了广泛的应用。由于OFDM具有很好克服频率选择性的优良特性，它已经应用到各种数字信号传输系统中，如国际电联的电力线通信系统标准（International Telecommunications Union,ITU-T G.9960）、无线局域网（WLAN）、欧洲数字视频地面广播(Digital VideoBroadcasting-Terrestrial,DVB-T)、以及中国地面数字电视传输标准(Digital Television Multimedia Broadcast,DTMB)等。这些标准或系统均包含有不同的物理层帧结构定义，在发射端，将信息通过预定的帧结构形式发送出去；在接收端，按照该帧结构形式进行同步、检测、解码等以恢复原始信息。例如，DTMB系统中采用了时域同步正交频分复用技术(Time Domain Synchronous OFDM,TDS-OFDM)，采用时域训练序列作为保护间隔填充，并可用于同步和信道估计等。DTMB系统的多层复帧结构如图1所示。使用伪随机序列（Pseudo-random Noise,PN）代替OFDM中的保护间隔并用于时间同步。

在OFDM系统中，可靠高效的通信依赖于良好的同步性能，物理层信号帧结构对整个系统的性能有着重要的影响。现有几种常见的帧同步结构设计方法，例如传统的基于循环前缀的滑动自相关方法、Schmidl和Minn提出的同步帧结构等。Schmidl提出的一种只利用频域偶数子载波产生的含有两部分完全相同的时域段的帧结构，如图2所示，其中帧头含有两段完全相同的时域数据段B，并将B的尾端部分数据作为循环前缀复制到帧头前端。这种方法已经应用于WLAN标准IEEE802.11g中。然而这种方法的帧头自相关结果会在正确同步时刻周围产生宽平台，影响最优同步点的判决。为解决这一问题，Minn提出了一种在时域上具有形如[A A -A -A]结构的帧头设计方法，如图3所示。这种方法可以减少相关值平台，使相关峰更尖锐。但是这种方法的相关结果同样会引入几个副峰，在低信噪比时会导致高误检率。

更重要的是，在电力线信道中常常存在严重的窄带噪声干扰，对通信可靠性和同步性能会产生严重影响。上述几种帧同步方法在受窄带噪声干扰下性能会显著恶化，目前现有的帧同步方法在应对窄带噪声干扰方面效果不佳。

此外，为满足不同服务质量需求，系统所传输的信号数据块通常具备多种可选的参数，例如数据块长度、子载波数目、星座映射方式、信道编码码率以及是否采用发射分集等，称为信令信息。信令信息对后续信道估计和正确解调接收数据很重要。但是上述几种帧同步序列自身并不携带信令，需要在帧同步序列后单独传输信令信息，将延缓后续解调过程。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：提供一种数字通信系统中的帧同步序列生成方法及装置，该方法及装置生成的帧同步序列可以使接收端有效对抗窄带噪声干扰，实现高效准确的帧同步和载波频偏估计，以克服现有同步技术易于受到窄带噪声干扰影响的不足。同时，帧同步序列可携带一定数量的物理层信令信息，使接收端能快速完成信号帧捕获和参数的初步估计，提高信号传输系统的灵活性与可靠性。

（二）技术方案

本发明提供了一种数字通信系统中的帧同步序列生成方法，包括以下步骤：

S1、产生两组携带有信令信息的己知序列；

S2、将所述两组己知序列组合成频域子载波序列，再频域子载波序列进行预处理，得到频域数据块；

S3、对所述频域数据块进行逆离散傅里叶变换，得到时域数据块；

S4、在所述时域数据块的前、后分别插入由所述时域数据块产生的前缀和后缀，得到帧同步序列。

优选地，步骤S1中，所述已知序列为已知的二值序列，所述二值序列为m序列、Gold序列、Walsh序列、Golay序列或上述序列的截断或扩展。

优选地，步骤S1中，所述两组已知序列是：第一组已知序列是所述二值序列，第二组已知序列由第一组已知序列向右循环移位产生，循环移位的位数由所述信令信息决定，两组已知序列长度均为L。

优选地，步骤S2中，步骤S2中，所述频域子载波序列的组合方式法是：先产生长为4L的频域序列，其中序号为{4k+1|k＝0,1,…,L-1}的点为所述第一组已知序列，序号为{4k+3|k＝0,1,…,L-1}的点为所述第二组已知序列，序号为{4k和4k+2|k=0,1,…,L-1}的点为零；然后在所述频域序列的前、后分别加上(N/2-2L)个零，生成长度为N的所述频域子载波序列，其中N≥4L为频域子载波总数。

优选地，步骤S2中，所述预处理方法为对奇数子载波上的非零数据点进行差分编码。

优选地，步骤S4中，所述后缀的产生方法为：取所述时域数据块的后半段部分数据点，或者后半段全部数据点，或者后半段全部数据点加上后半段部分数据点，或者后半段全部数据点加上任意二值序列，然后对所取数据进行扰码后所得，扰码的方法是将每个数据点与旋转因子的多次幂逐点相乘，幂次为对应数据点的下标号。

优选地，所述旋转因子为-1、j或-j。

优选地，步骤S4中，所述前缀的产生方法为：取所述时域数据块的后半段部分数据点，或者后半段全部数据点，或者后半段全部数据点加上后半段部分数据点，或者后半段全部数据点加上任意二值序列所得。

优选地，所述前缀与所述后缀的长度之和与所述时域数据块的长度相等。

本发明还提供了一种数字通信系统中的帧同步序列生成装置，该装置包括：

序列生成模块，用于产生两组携带有信令信息的己知序列；

频域数据块生成模块，与所述序列生成模块连接，用于将所述两组已知序列组合成频域子载波序列，再进行预处理，得到频域数据块；

时频域转换模块，与所述频域数据块生成模块连接，用于对所述频域数据块进行逆离散傅里叶变换，得到时域数据块；

前缀后缀插入模块，与所述时频域转换模块连接，用于在所述时域数据块的前、后分别插入由所述时域数据块产生的前缀和后缀，得到帧同步序列。

（三）有益效果

本发明的方法及装置生成的帧同步序列可以使接收端有效对抗电力线通信中的窄带噪声干扰，实现高效准确的帧同步、定时估计以及载波频偏估计；同时帧同步序列可携带一定数量的物理层信令信息，使接收端能通过相关与距离检测技术，快速恢复出帧同步序列中所携带的信令信息，并高效完成后续信号帧的解调与数据恢复。本发明方法检测精度高、实现结构简单，并可在窄带噪声干扰严重的电力线信道和复杂多径信道环境下，实现准确同步，可靠恢复出传输的信令信息。

附图说明

图1为中国DTMB标准的层次化帧结构示意图；

图2为Schmidl提出的同步帧头设计方法示意图；

图3为Minn提出的同步帧头设计方法示意图；

图4为依照本发明一种实施方式的数字通信系统中的帧同步序列结构图；

图5为依照本发明一种实施方式的数字通信系统中的帧同步序列生成方法流程图；

图6为依照本发明一种实施方式的数字通信系统中的帧同步序列生成装置的结构图；

图7为本发明实施例一中的一种包含等长前缀后缀的携带信令信息的电力线通信中的帧同步序列结构图；

图8为本发明实施例二中的一种包含非等长前缀后缀的不携带信令信息的电力线通信中的帧同步序列结构图；

图9为本发明实施例三中的另一种包含等长前缀后缀的携带信令信息的电力线通信中的帧同步序列结构图。

图10为本发明实施例四中的另一种包含非等长前缀后缀的携带信令信息的电力线通信中的帧同步序列结构图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

依照本发明生成的帧同步序列结构如图4所示，其中时域帧同步序列由长度为N的OFDM数据块及其前缀、后缀组成，可携带包含一比特信令信息或多比特信令信息，例如信号帧FFT长度、编码码率、以及发射分集等后续解调的基本信息。

如图5所示，依照本发明一种实施方式的数字通信系统中的帧同步序列生成方法包括步骤：

S1、产生两组携带有信令信息ΔL(0≤ΔL≤2^t-1)的己知序列SF₁、SF₂，其中t(t≥1)为待传输的信令信息比特数。为保证帧同步序列能携带所有待传输信令信息，生成的两组已知序列SF₁、SF₂的长度L应不小于2^t，即L≥2^t。其中，生成的两组已知序列SF₁、SF₂为已知的二值序列，即m序列、Gold序列、Walsh序列、Golay序列或上述序列的截断或扩展。

生成两组己知序列SF₁、SF₂的方法是，第一组己知序列SF₁是长度为L的所述己知的二值序列，取值范围为{+1，-1}集合，记作SF₁={c₀,c₁,…,c_L-1}；第二组序列SF₂由第一组序列SF₁向右循环移位ΔL位产生，循环移位的位数ΔL等于待传输信令信息，记作SF₂={c_L-ΔL,…,c_L-1，c₀,c₁…,c_L-ΔL-1}，如图5所示。从而接收端可以通过相关检测出SF₁、SF₂之间循环移位的位数ΔL，就得到了传输的信令信息。

S2、将所述两组己知序列组合为频域子载波序列，具体方法是先产生长为4L的频域序列{Y₀[k]|k=0,1,2,…,4L-1}，其中{Y₀[4k₀+1]|k₀=0,1,…,L-1}为所述第一组已知序列SF₁，序号为{Y₀[4k₀+3]|k₀=0,1,…,L-1}的点为所述第二组已知序列SF₂，{Y₀[4k₀],Y₀[4k₀+2]|k₀=0,1,…,L-1}为零，即

然后在所述频域序列{Y₀[k]|k=0,1,2,…,4L-1}的前、后分别加上(N-4L)/2个零，其中N为频域子载波总数，N≥4L，得到长度等于N的所述频域子载波序列{Y_s[k]|k=0,1,2,…,N-1}，即

$Y_s\left[k\right]=\left\{\begin{array}{cc}{Y}_0\left[k\right],& k=(N-4L)/2,(N-4L)/2+1,...,(N+4L)/2-1\\ 0,& k=\mathrm{0,1,2},...(N-4L)/2-1\\ 0,& k=(N+4L)/2,(N+4L)/2+1,...,N-1\end{array}\right.,$

最后将频域子载波序列{Y_s[k]|k=0,1,2,…,N-1}映射到N个子载波上，再对奇数子载波上的非零数据点进行预处理，处理方法为差分编码，经过差分编码后，得到所述频域数据块{Y[k]|k=0,1,2,…,N-1}，即：

$Y\left[k\right]=\left\{\begin{array}{cc}{Y}_s\left[k\right]\·Y_s[k-2],& k=(N-4L)/2,(N-4L)/2+1,...,(N+4L)/2-1\\ 0,& k=\mathrm{0,1,2},...(N-4L)/2-1\\ 0,& k=(N+4L)/2,(N+4L)/2+1,...,N-1\end{array}\right..$

S3、对频域数据块Y进行N点逆离散傅里叶变换，得到时域数据块{x(n)|n=0,1,2,…,N-1}，时域数据块x分为前半段数据块和后半段数据块两个等长的部分，前半段数据块等于后半段数据块乘以-1，即：

x(n)=-x(n+N/2),n=0,1,2,…,N/2-1。

S4、在所述时域数据块x的前、后分别插入由所述时域数据块经过特殊处理而产生的前缀和后缀，得到帧同步序列。其中，前缀与后缀的长度之和等于时域数据块的长度N。

产生后缀的方法是取时域数据块x的后半段部分数据点，或者后半段全部数据点，或者后半段全部数据点加上后半段部分数据点，或者后半段全部数据点加上任意二值序列，然后对所取数据进行扰码所得，扰码后即得到所述后缀，记作{S_A(n)|n=0,1,2,…,L_SA-1}，其长度为L_SA，应有0<L_SA<N，为使接收端达到良好相关效果，宜选取L_SA的值接近于N/2，后缀长度可以略长于N/2、略短于N/2或等于N/2。扰码的方法是：取时域数据块x的后半段{x(n)|n=N/2,N/2+1,…,N-1}的部分数据点，或全部数据点，或全部数据点加上部分数据点，或全部数据点加上任意二值序列，将其中的每个数据点分别与旋转因子的旋转因子λ的n次幂λⁿ逐点相乘。具体地，当L_SA≤N/2时，有：

S_A(n)=x(n+N/2),n=0,1,2,…L_SA-1，

当L_SA>N/2时，超出N/2的部分再用x后半段数据块的前部{x(n)|n=N/2,N/2+1,…,L_SA-1}的扰码补齐，即有：

$S_A\left(n\right)=\left\{\begin{array}{cc}x(n+N/2)\&CenterDot;{\mathrm{\&lambda;}}^{n+N/2},& n=\mathrm{0,1,2},...,N/2-1\\ x\left(n\right)\&CenterDot;{\mathrm{\&lambda;}}^n,& n=N/2,N/2+1,...,L_{\mathrm{SA}}-1\end{array}\right.,$

或者用长度为(L_SA-N/2)的任意二值序列 $\left\{\hat{x}\left(n\right)\right|n=\mathrm{0,1,2},...,L_{\mathrm{SA}}-N/2-1\}$ 的扰码补齐，即：

$S_A\left(n\right)=\left\{\begin{array}{cc}x(n+N/2)\&CenterDot;{\mathrm{\&lambda;}}^{n+N/2},& n=\mathrm{0,1,2},...,N/2-1\\ \hat{x}(n-N/2)\&CenterDot;{\mathrm{\&lambda;}}^{n-N/2},& n=N/2,N/2+1,...,L_{\mathrm{SA}}-1\end{array}\right.,$

其中，旋转因子λ的取值可以是-1，j或-j。

产生前缀的方法是：取时域数据块x的后半段部分数据点，或者后半段全部数据点，或者后半段全部数据点加上后半段部分数据点，或者后半段全部数据点加上任意二值序列所得。将所得前缀记作{P_A(n)|n=0,1,2,…,L_PA-1}，其长度为L_PA，应有0<L_PA<N，且L_PA+L_SA=N。具体地，当L_PA≤N/2时，有：

P_A(n)=x(n+N/2),n=0,1,2,…L_PA-1，

当L_PA>N/2时，超出N/2的部分再用x后半段数据块的前部{x(n)|n=N/2,N/2+1,…,L_PA-1}补齐，即有：

$P_A\left(n\right)=\left\{\begin{array}{cc}x(n+N/2),& n=\mathrm{0,1,2},...,N/2-1\\ x\left(n\right),& n=N/2,N/2+1,...,L_{\mathrm{PA}}-1\end{array}\right.,$

或者用长度为(L_PA-N/2)的任意二值序列

补齐，即：

$P_A\left(n\right)=\left\{\begin{array}{cc}x(n+N/2),& n=\mathrm{0,1,2},...,N/2-1\\ \hat{x}(n-N/2),& n=N/2,N/2+1,...,L_{\mathrm{PA}}-1\end{array}\right..$

最后，将前缀、后缀分别插入时域数据块的前、后端，便得到最终的帧同步序列{z(n)|n=0,1,2,…,2N-1}，满足：

$z\left(n\right)=\left\{\begin{array}{cc}{P}_A\left(n\right),& n=\mathrm{0,1,2},...,L_{\mathrm{PA}}-1\\ x(n-L_{\mathrm{PA}}),& n=L_{\mathrm{PA}},L_{\mathrm{PA}}+1,...,L_{\mathrm{PA}}+N-1\\ S_A(n-L_{\mathrm{PA}}-N),& n=L_{\mathrm{PA}}+N,L_{\mathrm{PA}}+N+1,...,2N-1\end{array}\right..$

图6为依照本发明一种实施方式的数字通信系统中的帧同步序列生成装置的结构图，该装置包括：

序列生成模块1，用于产生两组携带有信令信息的己知序列；

频域数据块生成模块2，与所述序列生成模块1连接，用于将所述两组已知序列组合成频域子载波序列，再进行预处理，得到频域数据块；

时频域转换模块3，与所述频域数据块生成模块2连接，用于对所述频域数据块进行逆离散傅里叶变换，得到时域数据块；

前缀后缀插入模块4，与所述时频域转换模块3连接，用于在所述时域数据块的前、后分别插入由所述时域数据块产生的前缀和后缀，得到帧同步序列。

实施例1

如图7所示为依照本发明一种实施方式的包含等长前缀后缀的携带信令信息的电力线通信中的帧同步序列结构图。选取OFDM子载波数N＝1024，即为频域数据块的长度。帧同步序列可携带t＝7比特信令信息。序列生成模块产生己知序列是长度为L＝192的m序列，用于携带信令信息。最终生成的帧同步序列前缀和后缀的长度均为5 12。生成后缀时采用的旋转因子为-1。具体帧同步序列生成步骤如下：

S1.产生两组携带有信令信息ΔL(0≤ΔL≤127)的己知序列SF₁、SF₂，信令信息可包含t＝7个信息比特，生成的两组已知序列SF₁、SF₂的长度L=192>2^t，取值范围为{+1,-1}集合。其中，生成两组己知序列SF₁、SF₂的方法是，第一组己知序列SF₁是长度为L的m序列，记作SF₁={c₀,c₁,…,c₁₉₁}；第二组序列SF₂由第一组序列SF₁向右循环移位ΔL位产生，记作SF₂={c_192-ΔL,…,c₁₉₁,c₀,c₁…,c_191-ΔL}。

S2、将所述两组己知序列组合为频域子载波序列。具体方法是先产生频域序列{Y₀[k]|k=0,1,2,…,767}，其中{Y₀[4k₀+1]|k₀=0,1,…,191}为所述第一组已知序列SF₁，序号为{Y₀[4k₀+3]| k₀=0,1,…,191}的点为所述第二组已知序列SF₂，{Y₀[4k₀],Y₀[4k₀+2]|k₀=0,1,…,191}为零，即

然后在所述频域序列{Y₀[k]|k=0,1,2,…,767}的前、后分别加上(1024-768)/2=128个零，得到长度等于N=1024的所述频域子载波序列{Y_s[k]|k=0,1,2,…,1023}，即

$Y_s\left[k\right]=\left\{\begin{array}{cc}{Y}_0\left[k\right],& k=\mathrm{128,129},...,895\\ 0,& k=\mathrm{0,1,2},...,127\\ 0,& k=\mathrm{896,897},...,1023\end{array}\right.,$

最后将频域子载波序列{Y_s[k]|k=0,1,2,…,1023}映射到N=1024个子载波上，再对奇数子载波上的非零数据点进行预处理，处理方法为差分编码，经过差分编码后，得到所述频域数据块{Y[k]|k=0,1,2,…,1023}，即：

$Y\left[k\right]=\left\{\begin{array}{cc}{Y}_s\left[k\right]\&CenterDot;Y_s[k-2],& k=\mathrm{128,129},...,895\\ 0,& k=\mathrm{0,1,2},...127\\ 0,& k=\mathrm{896,897},...,1023\end{array}\right..$

S3、对频域数据块Y进行N＝1024点IFFT，得到时域数据块{x(n)|n=0,1,2,…,1023}，时域数据块x分为前半段数据块和后半段数据块两个等长的部分，前半段数据块等于后半段数据块乘以-1，即

x(n)=-x(n+512),n=0,1,2,…,511。

S4、在所述时域数据块x的前、后分别插入由所述时域数据块经过特殊处理而产生的前缀和后缀，得到帧同步序列。其中，前缀与后缀的长度之和等于N。

产生后缀的方法是由时域数据块x的后半段数据块进行扰码所得。后缀长度为L_SA=N/2=512，记作{S_A(n)|n=0,1,2,…,511}。扰码的方法是：将时域数据块x的后半段{x(n)|n=512,513,…,1023}的每个数据点分别与旋转因子的旋转因子λ的n次幂λⁿ逐点相乘，即

S_A(n)=x(n+512)·λⁿ⁺⁵¹²,n=0,1,2,…,511，

其中，旋转因子λ＝-1。

产生前缀的方法是取时域数据块x的后半段数据块全部数据点所得，前缀长度为L_PA=512，记作{P_A(n)|n=0,1,2,…,511}，有L_PA+L_SA=1024。前缀表示为

P_A(n)=x(n+512),n=0,1,2,…511。

最后，将前缀、后缀分别插入时域数据块的前、后端，便得到最终的帧同步序列{z(n)|n=0,1,2,…,2047}，满足

$z\left(n\right)=\left\{\begin{array}{cc}{P}_A\left(n\right),& n=\mathrm{0,1,2},...,511\\ x(n-512),& n=\mathrm{512,513},...,1535\\ S_A(n-1536),& n=\mathrm{1536,1537},...,2047\end{array}\right..$

最终生成的帧同步序列结构以及频域、时域对应关系如图7所示。

实施例2

如图8所示为依照本发明另一种实施方式的包含非等长前缀后缀的不携带信令信息的电力线通信中的帧同步序列结构图。选取OFDM子载波数N＝1024，帧同步序列不携带信令信息，仅产生两段相同的长度为L＝192的m序列。生成的帧同步序列前缀长度等于500，后缀长度等于524。生成后缀时超出N/2的部分用时域数据块后半段的部分数据的扰码补充。生成后缀时采用的旋转因子为-j。具体帧同步序列生成步骤如下：

S1.产生一组不携带信令信息的己知序列SF，SF是长度L=192的m序列，取值范围为{+1,-1}集合，记作SF={c₀,c₁,…,c₁₉₁}。

S2、利用SF组合为频域子载波序列，具体方法是先产生长为768的频域序列{Y₀[k]|k=0,1,2,…,767}，其中{Y₀[4k₀+1]|k₀=0,1,…,191}和序号为{Y₀[4k₀+3]|k₀=0,1,…,191}的点均为所述已知序列SF，{Y₀[4k₀],Y₀[4k₀+2]|k₀=0,1,…,191}为零，即

然后在所述频域序列{Y₀[k]|k=0,1,2,…,767}的前、后分别加上(1024-768)/2=128个零，得到长度等于N=1024的所述频域子载波序列{Y_s[k]|k=0,1,2,…,1023}，即

$Y_s\left[k\right]=\left\{\begin{array}{cc}{Y}_0\left[k\right],& k=\mathrm{128,129},...,895\\ 0,& k=\mathrm{0,1,2},...,127\\ 0,& k=\mathrm{896,897},...,1023\end{array}\right.,$

最后将频域子载波序列{Y_s[k]|k=0,1,2,…,1023}映射到N=1024个子载波上，再对奇数子载波上的非零数据点进行预处理，处理方法为差分编码，经过差分编码后，得到所述频域数据块{Y[k]|k=0,1,2,…,1023}，即：

$Y\left[k\right]=\left\{\begin{array}{cc}{Y}_s\left[k\right]\&CenterDot;Y_s[k-2],& k=\mathrm{128,129},...,895\\ 0,& k=\mathrm{0,1,2},...127\\ 0,& k=\mathrm{896,897},...,1023\end{array}\right..$

S3、对频域数据块Y进行N＝1024点IDFT，得到时域数据块{x(n)|n=0,1,2,…,1023}，有

x(n)=-x(n+512),n=0,1,2,…,511。

S4、在所述时域数据块x的前、后分别插入前缀和后缀，得到帧同步序列。前缀与后缀的长度之和等于1024。

产生后缀的方法是取时域数据块x的后半段全部数据点加上后半段部分数据点，对所取数据进行扰码所得，后缀超出N/2的部分用x后半段数据块的前部进行扰码后补齐。后缀长度为L_SA＝N/2+12＝524，记作{S_A(n)|n=0,1,2,…,511}。扰码的方法是：将时域数据块x的后半段{x(n)|n=512,513,…,1023}的每个数据点分别与旋转因子的旋转因子λ的n次幂λⁿ逐点相乘；由于后缀长度L_SA>N/2，超出N/2的部分用{x(n)|n=N/2,N/2+1,…,L_SA-1}补齐，即

$S_A\left(n\right)=\left\{\begin{array}{cc}x(n+5123)\&CenterDot;{\mathrm{\&lambda;}}^{n+512},& n=\mathrm{0,1,2},...,511\\ x\left(n\right)\&CenterDot;{\mathrm{\&lambda;}}^n,& n=\mathrm{512,513},...,523\end{array}\right.,$

其中，旋转因子λ=-j。

产生前缀的方法是取时域数据块x的后半段数据块的部分数据点所得，由于L_PA+L_SA=1024，所以取前缀长度为L_PA=500，记作{P_A(n)|n=0,1,2,…,499}，表示为

P_A(n)=x(n+512),n=0,1,2,…,499。

最后，将前缀、后缀分别插入时域数据块的前、后端，便得到最终的帧同步序列{z(n)|n=0,1,2,…,2047}，满足

$z\left(n\right)=\left\{\begin{array}{cc}{P}_A\left(n\right),& n=\mathrm{0,1,2},...,499\\ x(n-500),& n=\mathrm{500,501},...,1523\\ S_A(n-1524),& n=\mathrm{1524,1525},...,2047\end{array}\right..$

最终生成的帧同步序列结构以及频域、时域对应关系如图8所示。

实施例3

如图9所示为依照本发明一种实施方式的包含等长前缀后缀的电力线通信中的帧同步序列结构图。选取OFDM子载波数N＝2048，即为频域数据块的长度。帧同步序列可携带t＝8比特信令信息。序列生成模块产生己知序列是长度为L＝420的m序列，用于携带信令信息。最终生成的帧同步序列前缀和后缀的长度均为512。生成后缀时采用的旋转因子为j。具体帧同步序列生成步骤如下：

S1.产生两组携带有信令信息ΔL(0≤ΔL≤255)的己知序列SF₁、SF₂，信令信息可包含t＝8个信息比特，生成的两组已知序列SF₁、SF₂的长度L＝420>2^t，取值范围为{+1,-1}集合。其中，生成两组己知序列SF₁、SF₂的方法是，第一组己知序列SF₁是长度为L的m序列，记作SF₁={c₀,c₁,…,c₄₁₉}；第二组序列SF₂由第一组序列SF₁向右循环移位ΔL位产生，记作SF₂={c_420-ΔL,…,c₄₁₉,c₀,c₁…,c_419-ΔL}。

S2、将所述两组己知序列组合为频域子载波序列，具体方法是先产生频域序列{Y₀[k]|k=0,1,2,…,1679}，其中{Y₀[4k₀+1]|k₀=0,1,…,419}为所述第一组已知序列SF₁，序号为{Y₀[4k₀+3]|k₀=0,1,…,419}的点为所述第二组已知序列SF₂，{Y₀[4k₀],Y₀[4k₀+2]|k₀=0,1,…,419}为零，即

然后在所述频域序列{Y₀[k]|k=0,1,2,…,1679}的前、后分别加上(2048-1680)/2=184个零，得到长度等于N=2048的所述频域子载波序列{Y_s[k]|k=0,1,2,…,2047}，即

$Y_s\left[k\right]=\left\{\begin{array}{cc}{Y}_0\left[k\right],& k=\mathrm{184,185},...,1863\\ 0,& k=\mathrm{0,1,2},...183\\ 0,& k=\mathrm{1864,1865},...,2047\end{array}\right.,$

最后将频域子载波序列{Y_s[k]|k=0,1,2,…,2047}映射到N=2048个子载波上，再对奇数子载波上的非零数据点进行预处理，处理方法为差分编码，经过差分编码后，得到所述频域数据块{Y[k]|k=0,1,2,…,2047}，即：

$Y\left[k\right]=\left\{\begin{array}{cc}{Y}_s\left[k\right]\&CenterDot;Y_s[k-2],& k=\mathrm{184,185},...,1863\\ 0,& k=\mathrm{0,1,2},...183\\ 0,& k=\mathrm{1864,1865},...,2047\end{array}\right..$

S3、对频域数据块Y进行N＝2048点IFFT，得到时域数据块{x(n)|n=0,1,2,…,1023}，时域数据块x分为前半段数据块和后半段数据块两个等长的部分，前半段数据块等于后半段数据块乘以-1，即

x(n)=-x(n+1024),n=0,1,2,…,1023。

S4、在所述时域数据块x的前、后分别插入由所述时域数据块经过特殊处理而产生的前缀和后缀，得到帧同步序列。其中，前缀与后缀的长度之和等于N。

产生后缀的方法是取时域数据块x的后半段数据块进行扰码所得。后缀长度为L_SA=N/2=1024，记作{S_A(n)|n=0,1,2,…,1023}。扰码的方法是：将时域数据块x的后半段{x(n)|n=1024,1025,…,2047}的每个数据点分别与旋转因子的旋转因子λ的n次幂λⁿ逐点相乘，即

S_A(n)=x(n+1024)·λⁿ⁺¹⁰²⁴,n=0,1,2,…,1023，

其中，旋转因子λ=j。

产生前缀的方法是取时域数据块x的后半段数据块全部数据点所得，前缀长度为L_PA=1024，记作{P_A(n)|n=0,1,2,…,1023}，有L_PA+L_SA=2048。前缀表示为

P_A(n)=x(n+1024),n=0,1,2,…1023。

最后，将前缀、后缀分别插入时域数据块的前、后端，便得到最终的帧同步序列{z(n)|n=0,1,2,…,4095}，满足

$z\left(n\right)=\left\{\begin{array}{cc}{P}_A\left(n\right),& n=\mathrm{0,1,2},...,1023\\ x(n-1024),& n=\mathrm{1024,1025},...,3071\\ S_A(n-3072),& n=\mathrm{3072,3073},...,4095\end{array}\right..$

最终生成的帧同步序列结构以及频域、时域对应关系如图9所示。

实施例4

如图10所示为依照本发明另一种实施方式的包含非等长前缀后缀的不携带信令信息的电力线通信中的帧同步序列结构图。选取OFDM子载波数N＝1024，帧同步序列可携带t＝7比特信令信息。序列生成模块产生己知序列是长度为L＝192的m序列，用于携带信令信息。生成的帧同步序列前缀长度等于524，后缀长度等于500。生成前缀时超出N/2的部分用相应长度的任意二值序列补充。生成后缀采用的旋转因子为-j。具体帧同步序列生成步骤如下：

S1.产生两组携带有信令信息ΔL(0≤ΔL≤127)的己知序列SF₁、SF₂，信令信息可包含t=7个信息比特，生成的两组已知序列SF₁、SF₂的长度L＝192>2^t，取值范围为{+1,-1}集合。其中，生成两组己知序列SF₁、SF₂的方法是，  第一组己知序列SF₁是长度为L的m序列，记作SF₁={c₀,c₁,…,c₁₉₁}；第二组序列SF₂由第一组序列SF₁向右循环移位ΔL位产生，记作SF₂={c_192-ΔL,…,c₁₉₁，c₀,c₁…,c_191-ΔL}。

S2、将所述两组己知序列组合为频域子载波序列。具体方法是先产生频域序列{Y₀[k]|k=0,1,2,…,767}，其中{Y₀[4k₀+1]|k₀=0,1,…,191}为所述第一组已知序列SF₁，序号为{Y₀[4k₀+3]|k₀=0,1,…,191}的点为所述第二组已知序列SF₂，  {Y₀[4k₀]，Y₀[4k₀+2]|L=0,1,…,191}为零，即

然后在所述频域序列{Y₀[k]|k=0,1,2,…,767}的前、后分别加上(1024-768)/2＝128个零，得到长度等于N＝1024的所述频域子载波序列{Y_s[k]|k=0,1,2,…,1023}，即

$Y_s\left[k\right]=\left\{\begin{array}{cc}{Y}_0\left[k\right],& k=\mathrm{128,129},...,895\\ 0,& k=\mathrm{0,1,2},...,127\\ 0,& k=\mathrm{896,897},...,1023\end{array}\right.,$

最后将频域子载波序列{Y_s[k]|k=0,1,2,…,1023}映射到N=1024个子载波上，再对奇数子载波上的非零数据点进行预处理，处理方法为差分编码，经过差分编码后，得到所述频域数据块{Y[k]|k=0,1,2,…,1023}，即：

$Y\left[k\right]=\left\{\begin{array}{cc}{Y}_s\left[k\right]\&CenterDot;Y_s[k-2],& k=\mathrm{128,129},...,895\\ 0,& k=\mathrm{0,1,2},...127\\ 0,& k=\mathrm{896,897},...,1023\end{array}\right..$

S3、对频域数据块Y进行N=1024点IDFT，得到时域数据块{x(n)|n=0,1,2,…,1023}，有

x(n)=-x(n+512),n=0,1,2,…,511。

S4、在所述时域数据块x的前、后分别插入前缀和后缀，得到帧同步序列。前缀与后缀的长度之和等于1024。

产生后缀的方法是取时域数据块x的后半段部分数据点进行扰码所得，后缀长度为L_SA=N/2-12=500，记作{S_A(n)|n=0,1,2,…,499}。扰码的方法是：将时域数据块x后半段的部分数据{x(n)|n=512,513,…,1011}的每个数据点分别与旋转因子的旋转因子λ的n次幂λⁿ逐点相乘，即

S_A(n)=x(n+512)·λⁿ⁺⁵¹²,n=0,1,2,…,499，

其中，旋转因子λ=-j。

产生前缀的方法是取时域数据块x后半段数据块的全部数据点加上任意二值序列所得，由于L_PA+L_SA=N，所以取前缀长度为L_PA=N/2+12=524，记作{P_A(n)|n=0,1,2,…,523}，所述任意二值序列长度为L_PA-N/2-1=11，表示为

即有

$P_A\left(n\right)=\left\{\begin{array}{cc}x(n+512),& n=\mathrm{0,1,2},...,511\\ \hat{x}(n-512),& n=512,513,...,523\end{array}\right..$

最后，将前缀、后缀分别插入时域数据块的前、后端，便得到最终的帧同步序列{z(n)|n=0,1,2,…,2047}，满足

$z\left(n\right)=\left\{\begin{array}{cc}{P}_A\left(n\right),& n=\mathrm{0,1,2},...,523\\ x(n-524),& n=\mathrm{524,525},...,1547\\ S_A(n-1548),& n=\mathrm{1548,1549},...,2047\end{array}\right..$

最终生成的帧同步序列结构以及频域、时域对应关系如图10所示。

实施例5

本实施例具体描述本发明技术方案所述的一种数字通信系统中的帧同步序列生成装置，包括序列生成模块、子载波映射模块、时频域转换模块和前缀后缀插入模块，其中：

序列生成模块，用于产生两组携带有信令信息的己知序列；

频域数据块生成模块，与所述序列生成模块连接，用于将所述两组已知序列组合成频域子载波序列，再进行预处理，得到频域数据块；

时频域转换模块，与所述频域数据块生成模块连接，用于对所述频域数据块进行逆离散傅里叶变换，得到时域数据块；

前缀后缀插入模块，与所述时频域转换模块连接，用于在所述时域数据块的前、后分别插入由所述时域数据块产生的前缀和后缀，得到帧同步序列。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种数字通信系统中的帧同步序列生成方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、产生两组携带有信令信息的己知序列；

S2、将所述两组己知序列组合成频域子载波序列，再对频域子载波序列进行预处理，得到频域数据块；

S3、对所述频域数据块进行逆离散傅里叶变换，得到时域数据块；

S4、在所述时域数据块的前、后分别插入由所述时域数据块产生的前缀和后缀，得到帧同步序列。

2.如权利要求1所述的帧同步序列生成方法，其特征在于，步骤S1中，所述已知序列为已知的二值序列，所述二值序列为m序列、Gold序列、Walsh序列、Golay序列或上述序列的截断或扩展。

3.如权利要求1所述的帧同步序列生成方法，其特征在于，步骤S1中，所述两组已知序列是：第一组已知序列是二值序列，第二组已知序列由第一组已知序列向右循环移位产生，循环移位的位数由所述信令信息决定，两组已知序列长度均为L。

4.如权利要求1所述的帧同步序列生成方法，其特征在于，步骤S2中，所述频域子载波序列的组合方式法是：先产生长为4L的频域序列，其中序号为{4k+1|k＝0,1,…,L-1}的点为所述第一组已知序列，序号为{4k+3|k=0,1,…,L-1}的点为所述第二组已知序列，序号为{4k和4k+2|k＝0,1,…,L-1}的点为零；然后在所述频域序列的前、后分别加上(N/2-2L)个零，生成长度为N的所述频域子载波序列，其中N≥4L为频域子载波总数。

5.如权利要求1所述的帧同步序列生成方法，其特征在于，步骤S2中，所述预处理方法为对奇数子载波上的非零数据点进行差分编码。

6.如权利要求1所述的帧同步序列生成方法，其特征在于，步骤S4中，所述后缀的产生方法为：取所述时域数据块的后半段部分数据点，或者后半段全部数据点，或者后半段全部数据点加上后半段部分数据点，或者后半段全部数据点加上任意二值序列，然后对所取数据进行扰码后所得，扰码的方法是将每个数据点与旋转因子的多次幂逐点相乘，幂次为对应数据点的下标号。

7.如权利要求6所述的帧同步序列生成方法，其特征在于，所述旋转因子为-1、j或-j，其中j²＝-1。

8.如权利要求1所述的帧同步序列生成方法，其特征在于，步骤S4中，所述前缀的产生方法为：取所述时域数据块的后半段部分数据点，或者后半段全部数据点，或者后半段全部数据点加上后半段部分数据点，或者后半段全部数据点加上任意二值序列所得。

9.如权利要求1所述的帧同步序列生成方法，其特征在于，所述前缀与所述后缀的长度之和与所述时域数据块的长度相等。

10.一种数字通信系统中的帧同步序列生成装置，其特征在于，该装置包括：

序列生成模块，用于产生两组携带有信令信息的己知序列；

频域数据块生成模块，与所述序列生成模块连接，用于将所述两组已知序列组合成频域子载波序列，再进行预处理，得到频域数据块；

时频域转换模块，与所述频域数据块生成模块连接，用于对所述频域数据块进行逆离散傅里叶变换，得到时域数据块；

前缀后缀插入模块，与所述时频域转换模块连接，用于在所述时域数据块的前、后分别插入由所述时域数据块产生的前缀和后缀，得到帧同步序列。

Images