CN103152307B - 宽带无线通信系统中高精度时频同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种宽带无线通信系统高精度时频同步方法，主要克服了现有技术资源消耗较大和时频同步精确度不够的缺点。其步骤为：(1)生成导频数据；(2)生成载荷数据；(3)组成发送包并发送；(4)获得初级和次级延迟相关数据；(5)获得时间同步数据；(6)获得时间同步位置；(7)获得小数倍载波频率偏移估计；(8)校正小数倍载波频率偏移。本发明中通过一次相乘和五次相加获得时间同步，具有时间同步精确、系统资源消耗低和技术实现成本小的优点；利用两次相加获得小数倍频率偏移估计，具有小数倍频率偏移估计精确的优点。

Description

宽带无线通信系统中高精度时频同步方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，更进一步涉及正交频分复用和单载波频域均衡宽带通信技术，是一种基于导频的精确时间同步方法。本发明用于解决在高速运动信道环境下宽带无线通信系统的时间频率同步问题。

背景技术

在宽带无线通信系统中，为了通信的正常进行，接收端需要对接收的信号进行时间同步，时间同步性能的好坏影响系统的整体性能。现有技术大都利用接收信号和训练序列之间的相关性来获得定时同步，由于多径效应的存在，相关峰会有多个，判断同步时应通过合适的算法选择主径，而且不能完成小数倍频率同步，系统资源消耗大，技术实现成本高。

北京邮电大学、北京三星通信技术研究有限公司申请的专利“一种MIMO-OFDM系统的同步方法”(专利申请号200610136098，公开号CN1972271A)公开一种时频同步方法。该专利申请主要是将本地序列与接收到的序列进行相关运算，得到相关峰值及其旁瓣，找出主相关峰值位置作为时延位置信息，从而实现同步。该专利申请公开的设备和方法存在的不足是，对于序列较长的相关序列进行相关运算时，由于需要每个数据点时间进行一次相关运算，故其运算量很大，实现困难；并且时间同步的精确度不足，运算时间较长。另外，使用该算法无法完成频率同步。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种解决宽带无线通信系统时频同步的方法。本发明可以明显减少运算量，提高时间同步精确度，解决了宽带无线通信系统在多径移动信道条件下时频同步较复杂的问题。

本发明实现的基本思路是，系统生成导频和数据并组帧，然后导频帧与数据帧共同组成发送数据并发送，接收端首先对本次收到的信号进行共轭相乘，对乘积进行两种不同的相加，得到两种相关数据，相关数据进行滤波并相加，得到时间同步数据，从时间同步数据中找到时间同步位置，在两种相关数据中根据时间同步位置估计小数倍载波频率偏移，校正小数倍载波频率偏移，完成小数倍载波同步。

为实现上述目的，本发明实现的具体步骤如下：

(1)获得导频数据：

1a)将通信系统发送端信号处理器所产生的自相关序列作为导频序列；

1b)将导频序列的末尾部分作为循环前缀附加到导频序列的前端，获得第一个导频帧；

1c)将导频序列的开头部分作为循环后缀附加到导频序列的尾部，获得第二个导频帧；

1d)将第二个导频帧附加到第一个导频帧尾部，获得导频数据；

(2)获得载荷数据：

2a)将通信系统发送端信号处理器所产生的一组二进制数据，作为原始序列；

2b)对原始序列进行星座映射，生成与导频序列长度相等的调制信号序列；

2c)将调制信号序列的末尾部分作为循环前缀附加到调制信号序列的前端，获得一帧与一个导频帧长度相等的数据帧；

2d)重复步骤2a)、步骤2b)、步骤2c)产生多帧数据帧，多帧数据帧首尾相连组成载荷；

(3)将载荷附加到步骤1d)中导频数据的尾部作为一个发送包，并发送到通信系统接收端；

(4)获得初级和次级延迟相关数据：

4a)从接收到的数据中任意选取与导频序列长度相等的点作为第一序列；

4b)以第一序列后第一个点为起点，选取与导频序列长度相等的点作为第二序列；

4c)将第一序列的共轭和第二序列的对应数据点相乘，乘积作为共轭乘积向量；

4d)对共轭乘积向量中最前端与循环前缀长度相等的数据点求和，其结果作为初级延迟相关数据的一个点；

4e)对共轭乘积向量的所有数据点求和，其结果作为次级延迟相关数据的一个点；

4f)重复步骤4a)、步骤4b)、步骤4c)、步骤4d)、步骤4e)获得所有初级和次级延迟相关数据的数据点；

(5)获得时间同步数据：

5a)从初级延迟相关数据中任意选取与载荷长度相等的数据作为选择数据；

5b)从选择数据中选取最前端与导频序列长度相等的数据作为初级导频相关数据，剩余数据作为保护数据；

5c)以一个导频序列长度为间隔，从保护数据第一个点起，等间隔取点，将所有选取的点作为初级保护相关数据；

5d)对初级导频相关数据和初级保护相关数据求和，其结果作为初级时间同步数据的一个点；

5e)从次级延迟相关数据中任意选取两个循环前缀长度数据点求和，其结果作为次级时间同步数据的一个点；

5f)重复步骤5a)、步骤5b)、步骤5c)、步骤5d)、步骤5e)获得所有初级和次级时间同步数据；

5g)将初级和次级时间同步数据的对应点相加，得到完整时间同步数据；

(6)获得时间同步位置：

6a)从完整时间同步数据中任意选取与一个发送包长度相等的数据，将其中模值最大点的位置作为时间同步位置；

6b)在系统接收到的数据中，将时间同步位置后与两个导频帧长度相等数据作为接收导频，其余数据作为接收数据；

6c)从接收导频的尾部选取与导频序列长度相等的数据作为信道数据；

(7)获得小数倍载波频率偏移估计：

7a)在步骤4f)得到的初级延迟相关数据中，从时间同步位置开始选取与一个发送包长度相等的数据作为初级相差数据；

7b)在初级相差数据中选取最前端与导频序列长度相等的数据作为第一相差序列，其余数据作为第二相差序列；

7c)以一个导频序列为间隔，从第二相差序列第一个点起，等间隔取点，将所有选取的点作为间隔相差序列；

7d)对第一相差序列和间隔相差序列的所有点分别求相角，对所有相角求算术平均，其结果作为初级频率同步相角；

7e)在步骤4f)得到的次级延迟相关数据中，将时间同步位置后与两个循环前缀长度相等的数据作为次级相差序列；

7f)在次级相差序列中寻找模值最大点，对最大点进行求相角运算，其结果作为次级频率同步相角；

7g)对初级和次级频率同步相角求算数平均，其结果作为最终相角；

7h)将最终相角除以导频序列的时间长度的结果作为小数倍载波频率偏移估计；

(8)校正小数倍载波频率偏移：

8a)对系统接收端收到的数据按照小数倍载波频率偏移校正方法纠正，获得小数倍频偏校正数据；

8b)将小数倍频偏校正数据输入系统接收端的整数倍频率偏移校正模块中，完成小数倍频率同步。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

第一，本发明通过一次相乘和五次相加获得时间同步，克服了现有技术中必须进行大量相关运算才能得到时间同步带来的资源消耗较大和时间同步不精确的不足。使得本发明具有了时间同步精确、系统资源消耗低和技术实现成本小的优点。

第二，本发明通过利用两次相加获得精确小数倍频率偏移估计，克服了现有技术中小数倍频率偏移估计精确度不够的缺点。使得本发明具有了小数倍频率偏移估计精确的优点。

附图说明

图1为本发明流程图；

图2为本发明的发送包结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图1，对本发明的实施方式做进一步的描述。

步骤1，获得导频数据。

将通信系统发送端信号处理器所产生的自相关序列作为导频序列。按照以下公式生成自相关序列：

其中，C_i表示自相关序列点，i表示该点在序列中的位置，π表示圆周率，e表示自然常数，j表示虚数，K表示自相关序列长度，L表示与自相关序列长度K互素的任意整数。

将导频序列的末尾部分作为循环前缀附加到导频序列的前端，获得第一个导频帧。循环前缀为导频序列尾部的部分，循环前缀的长度由信道传播时延决定，长度应大于信道最大多径时延。在前端附加循环前缀后可以对抗多径信道引起的时延扩展。

将导频序列的开头部分作为循环后缀附加到导频序列的尾部，获得第二个导频帧。循环后缀为导频序列前段的部分，循环后缀的长度与循环前缀的长度相同。在尾部附加循环后缀可以对抗多径信道时延扩展带来的影响。

将第二个导频帧附加到第一个导频帧尾部，获得导频数据。

步骤2，获得载荷数据。

将通信系统发送端信号处理器所产生的一组二进制数据，作为原始序列。在实际系统中，二进制数据为需要传输的信源数据经信源编码、信道编码之后的二进制序列。

对原始序列进行星座映射，生成与导频序列长度相同的调制信号序列。星座映射是指，将二进制序列进行分组后调制成多进制移相键控信号MPSK或者多进制正交幅度调制信号MQAM。

将调制信号序列的末尾部分作为循环前缀附加到调制信号序列的前端，获得一帧与一个导频帧长度相同的数据帧。

重复以上步骤产生多帧数据帧，多帧数据帧首尾相连组成载荷，数据帧的帧数由通信系统满足的最大多普勒频移决定。

步骤3，将载荷附加到步骤1中导频数据的尾部作为一个发送包，并发送到通信系统接收端。

发送包的结构如图2所示，图2中CP1为步骤1中的第一个导频帧的循环前缀，导频序列为步骤1中的导频序列，尾部部分为步骤1中的第一个导频帧尾部的部分，头部部分为步骤1中的第二个导频帧头部的部分，CP2为步骤1中第二个导频帧的循环后缀，CP3为步骤2中数据帧的循环前缀，末尾部分为步骤2中数据帧的末尾部分。

步骤4，获得初级和次级延迟相关数据。

从接收到的数据中任意选取与导频序列长度相等的点作为第一序列。

以第一序列后第一个点为起点，选取与导频序列长度相等的点作为第二序列。

将第一序列的共轭和第二序列的对应数据点相乘，乘积作为共轭乘积向量。

对共轭乘积向量中最前端与循环前缀长度相等的数据点求和，其结果作为初级延迟相关数据的一个点。

对共轭乘积向量的所有数据点求和，其结果作为次级延迟相关数据的一个点。

重复以上步骤，直到获得所有初级和次级延迟相关数据的数据点。

步骤5，获得时间同步数据。

从初级延迟相关数据中任意选取与载荷长度相等的数据作为选择数据。

从选择数据中选取最前端与导频序列长度相等的数据作为初级导频相关数据，剩余数据作为保护数据。

以一个导频序列长度为间隔，从保护数据第一个点起，等间隔取点，将所有选取的点作为初级保护相关数据。

对初级导频相关数据和初级保护相关数据求和，其结果作为初级时间同步数据的一个点。

从次级延迟相关数据中任意选取两个循环前缀长度数据点求和，其结果作为次级时间同步数据的一个点。

重复以上步骤直到获得所有初级和次级时间同步数据。

步骤6，获得时间同步位置。

从完整时间同步数据中任意选取与一个发送包长度相等的数据，将其中模值最大点的位置作为时间同步位置。

在系统接收到的数据中，将时间同步位置后与两个导频帧长度相等数据作为接收导频，其余数据作为接收数据。

从接收导频的尾部选取与导频序列长度相等的数据作为信道数据。

步骤7，获得小数倍载波频率偏移估计。

在步骤4得到的初级延迟相关数据中，从时间同步位置开始选取与一个发送包长度相等的数据作为初级相差数据。

在初级相差数据中选取前导频序列个点作为第一相差序列，其余数据作为第二相差序列。

以一个导频序列为间隔，从第二相差序列第一个点起，等间隔取点，将所有选取的点作为间隔相差序列。

对第一相差序列和间隔相差序列的所有点分别求相角，对所有相角求算术平均，其结果作为初级频率同步相角。

在步骤4得到的次级延迟相关数据中，将时间同步位置后与两个循环前缀长度相等的数据作为次级相差序列。

在次级相差序列中寻找模值最大点，对最大点进行求相角运算，其结果作为次级频率同步相角。

对初级和次级频率同步相角求算数平均，其结果作为最终相角。

最终相角除以导频序列的时间长度，其结果作为小数倍载波频率偏移估计

按照以下公式计算相角：

$\mathrm{ang}=\arctan \left(\frac{b}{a}\right)$

其中，ang表示拟求相角点的相角，arctan(·)表示反正切函数，a表示该点的实部，b表示虚部。

步骤8，校正小数倍载波频率偏移。

对系统接收端收到的数据按照小数倍载波频率偏移校正方法纠正，获得小数倍频偏校正数据。

小数倍载波频率偏移校正方法按照以下公式进行：

y_i＝x_ie^-j2π(i-1)θ

其中，y_i表示小数倍频偏校正数据，x_i表示系统接收端收到的数据，i表示点在数据中的位置，e表示自然常数，j表示虚数，π表示圆周率，θ表示小数倍载波频率偏移估计。

将小数倍频偏校正数据输入系统接收端的整数倍频率偏移校正模块中，完成小数倍频率同步。

Claims (7)

1.宽带无线通信系统中高精度时频同步方法，包括以下步骤：

(1)获得导频数据：

1a)将通信系统发送端信号处理器所产生的自相关序列作为导频序列；

1b)将导频序列的末尾部分作为循环前缀附加到导频序列的前端，获得第一个导频帧；

1c)将导频序列的开头部分作为循环后缀附加到导频序列的尾部，获得第二个导频帧；

1d)将第二个导频帧附加到第一个导频帧尾部，获得导频数据；

(2)获得载荷数据：

2a)将通信系统发送端信号处理器所产生的一组二进制数据，作为原始序列；

2b)对原始序列进行星座映射，生成与导频序列长度相等的调制信号序列；

2c)将调制信号序列的末尾部分作为循环前缀附加到调制信号序列的前端，获得一帧与一个导频帧长度相等的数据帧；

2d)重复步骤2a)、步骤2b)、步骤2c)产生多帧数据帧，多帧数据帧首尾相连组成载荷；

(3)将载荷附加到步骤1d)中导频数据的尾部作为一个发送包，并发送到通信系统接收端；

(4)获得初级和次级延迟相关数据：

4a)从接收到的数据中任意选取与导频序列长度相等的点作为第一序列；

4b)以第一序列后第一个点为起点，选取与导频序列长度相等的点作为第二序列；

4c)将第一序列的共轭和第二序列的对应数据点相乘，乘积作为共轭乘积向量；

4d)对共轭乘积向量中最前端与循环前缀长度相等的数据点求和，其结果作为初级延迟相关数据的一个点；

4e)对共轭乘积向量的所有数据点求和，其结果作为次级延迟相关数据的一个点；

4f)重复步骤4a)、步骤4b)、步骤4c)、步骤4d)、步骤4e)获得所有初级和次级延迟相关数据的数据点；

(5)获得时间同步数据：

5a)从初级延迟相关数据中任意选取与载荷长度相等的数据作为选择数据；

5b)从选择数据中选取最前端与导频序列长度相等的数据作为初级导频相关数据，剩余数据作为保护数据；

5c)以一个导频序列长度为间隔，从保护数据第一个点起，等间隔取点，将所有选取的点作为初级保护相关数据；

5d)对初级导频相关数据和初级保护相关数据求和，其结果作为初级时间同步数据的一个点；

5e)从次级延迟相关数据中任意选取两个循环前缀长度数据点求和，其结果作为次级时间同步数据的一个点；

5f)重复步骤5a)、步骤5b)、步骤5c)、步骤5d)、步骤5e)获得所有初级和次级时间同步数据；

5g)将初级和次级时间同步数据的对应点相加，得到完整时间同步数据；

(6)获得时间同步位置：

6a)从完整时间同步数据中任意选取与一个发送包长度相等的数据，将其中模值最大点的位置作为时间同步位置；

6b)在系统接收到的数据中，将时间同步位置后与两个导频帧长度相等数据作为接收导频，其余数据作为接收数据；

6c)从接收导频的尾部选取与导频序列长度相等的数据作为信道数据；

(7)获得小数倍载波频率偏移估计：

7a)在步骤4f)得到的初级延迟相关数据中，从时间同步位置开始选取与一个发送包长度相等的数据作为初级相差数据；

7b)在初级相差数据中选取最前端与导频序列长度相等的数据作为第一相差序列，其余数据作为第二相差序列；

7c)以一个导频序列为间隔，从第二相差序列第一个点起，等间隔取点，将所有选取的点作为间隔相差序列；

7d)对第一相差序列和间隔相差序列的所有点分别求相角，对所有相角求算术平均，其结果作为初级频率同步相角；

7e)在步骤4f)得到的次级延迟相关数据中，将时间同步位置后与两个循环前缀长度相等的数据作为次级相差序列；

7f)在次级相差序列中寻找模值最大点，对最大点进行求相角运算，其结果作为次级频率同步相角；

7g)对初级和次级频率同步相角求算数平均，其结果作为最终相角；

7h)将最终相角除以导频序列的时间长度的结果作为小数倍载波频率偏移估计；

(8)校正小数倍载波频率偏移：

8a)对系统接收端收到的数据按照小数倍载波频率偏移校正方法纠正，获得小数倍频偏校正数据；

所述的小数倍载波频率偏移校正方法按照以下公式进行：

y_i＝x_ie^-j2π(i-1)θ

其中，y_i表示小数倍频偏校正数据点，x_i表示系统接收端收到的数据点，i表示数据点在序列中的位置，e表示自然常数，j表示虚数，π表示圆周率，θ表示小数倍载波频率偏移估计；

8b)将小数倍频偏校正数据输入系统接收端的整数倍频率偏移校正模块中，完成小数倍频率同步。

2.根据权利要求1所述的宽带无线通信系统中高精度时频同步方法，其特征在于，步骤1a)中所述自相关序列的各点按照以下公式生成：

其中，C_i表示自相关序列的一个点，i表示该点在序列中的位置，π表示圆周率，e表示自然常数，j表示虚数，K表示自相关序列长度，L表示与自相关序列长度K互素的任意整数。

3.根据权利要求1所述的宽带无线通信系统中高精度时频同步方法，其特征在于，步骤1b)中所述循环前缀的长度由信道传播时延决定，长度大于系统最大多径时延。

4.根据权利要求1所述的宽带无线通信系统中高精度时频同步方法，其特征在于，步骤1c)中所述循环后缀的长度与循环前缀的长度相等。

5.根据权利要求1所述的宽带无线通信系统中高精度时频同步方法，其特征在于，步骤2b)中所述的星座映射是指，将二进制序列进行分组后调制成多进制移相键控信号MPSK或者多进制正交幅度调制信号MQAM。

6.根据权利要求1所述的宽带无线通信系统中高精度时频同步方法，其特征在于，步骤2d)中所述的多帧数据帧的帧数由通信系统满足的最大多普勒频移决定。

7.根据权利要求1所述的宽带无线通信系统中高精度时频同步方法，其特征在于，步骤7d)和步骤7f)中所述的求相角是指，用拟求相角点的虚部除以该点的实部，对结果求反正切函数，将反正切函数值作为该点相角。