CN104244398B

CN104244398B - 基于ofdm调制的微功率无线通信系统同步信号的生成方法

Info

Publication number: CN104244398B
Application number: CN201410445468.1A
Authority: CN
Inventors: 不公告发明人
Original assignee: LEAGUER MICROELECTRONICS CO Ltd
Current assignee: LEAGUER MICROELECTRONICS CO Ltd
Priority date: 2014-09-02
Filing date: 2014-09-02
Publication date: 2017-10-10
Anticipated expiration: 2034-09-02
Also published as: CN104244398A

Abstract

本发明公开了一种基于OFDM调制的微功率无线通信系统的同步信号生成方法，包括以下步骤：A、根据OFDM系统的参数和一组承载第一伪随机序列的BPSK调制信号，生成一段点数为N/2的OFDM短同步信号S_S；根据所述系统参数和另一组承载第二伪随机序列的BPSK调制信号，生成一段点数为N的OFDM长同步信号L_S，其中：第一伪随机序列和第二伪随机序列具有不同的长度；B、基于短同步信号S_S，构造第一前导序列S_P；基于长同步信号L_S，构造第二前导序列L_P；其中第一前导序列S_P的长度小于第二前导序列L_P的长度；C、将第一前导序列S_P置于第二前导序列L_P之前，组合成一个序列，构成所述同步信号Sync；其中，系统参数包括OFDM系统的IFFT点数N、子载波间隔以及有效子载波个数。

Description

基于OFDM调制的微功率无线通信系统同步信号的生成方法

技术领域

本发明涉及微功率无线通信系统，尤其涉及一种基于OFDM调制的微功率无线通信系统的同步信号生成方法。

背景技术

微功率无线通信技术是采用频率调制方式把信息加载在高频电磁波上，利用空间传播来进行数据通信的方法。微功率无线通信技术在国外有完备的标准体系支持,主要的标准有IEEE 802.15.4(LR-WPAN)、EN13757(network with relaying nodes)、ZigBee、WSN,应用于欧美地区的家庭无线应用和能源计量的数据通信。但国外的标准技术并不适合我国国情。

随着我国智能电网的快速发展，微功率无线通信技术也应用于用电信息采集。目前主流的微功率无线收发芯片的调制解调技术主要是基于FSK(frequency Shift Keying，频移键控)或GFSK(Gauss frequency Shift Keying，高斯频移键控)，此类产品存在占用频带比较宽，频带利用率较低等缺陷，为了进一步提高微功率无线通信系统的性能和频带利用率，需要开发基于OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用)的微功率无线通信系统。

OFDM调制是一种正交多载波调制方式，基本思想是把输入信息转换成多路并行信号，利用快速傅里叶变换(FFT)对相互完全正交的一组载波进行调制形成子载波信号，同时将可用的频谱划分为许多窄带，分别传输这些子载波信号。为了获得高的频带利用率，OFDM调制中各子载波上的信号频谱相互重叠，但载波间隔的选择要满足这些子载波在整个符号周期上是正交的，即在一个符号周期内，任何两个子载波相关性等于零。这样即使各载波上的信号频谱存在重叠，也能保证在接收端不失真地恢复各子载波信息。OFDM技术频谱利用率高，具有较强的抗窄带干扰能力和抗多径衰落能力，且对时变性、频率选择性衰落有较强的抵抗能力。

虽OFDM技术具有且不限于前述的诸多优点，但是同步性能的好坏关系到整个OFDM系统的传输性能，若不能进行良好的同步，则会导致传输的信息错误，或接收端无法进行正确解调。

发明内容

本发明的主要目的在于提出一种基于OFDM调制的微功率无线通信系统的同步信号生成方法，生成同步性能良好的同步信号，使接收端能进行正确解码。

本发明提供以下技术方案：

一种基于OFDM调制的微功率无线通信系统的同步信号生成方法，包括以下步骤：

A、根据OFDM系统的系统参数和一组承载第一伪随机序列的BPSK调制信号，生成一段点数为N/2的OFDM短同步信号S_S；根据所述系统参数和另一组承载第二伪随机序列的BPSK调制信号，生成一段点数为N的OFDM长同步信号L_S，其中：所述第一伪随机序列和所述第二伪随机序列具有不同的长度；

B、基于所述短同步信号S_S，构造第一前导序列S_P；基于所述长同步信号L_S，构造第二前导序列L_P；其中所述第一前导序列S_P的长度小于所述第二前导序列L_P的长度；

C、将所述第一前导序列S_P置于所述第二前导序列L_P之前，组合成一个序列，构成所述同步信号Sync；

其中，所述系统参数包括OFDM系统的IFFT点数N、子载波间隔以及有效子载波个数。

优选地，所述第一伪随机序列和所述第二伪随机序列为m序列码、线性组合码或者非线性码。

优选地，所述所述第一伪随机序列PN_m1和所述第二伪随机序列PN_m2均为二进制伪随机序列。

优选地，所述步骤A中生成所述短同步信号S_S包括：根据OFDM系统的IFFT点数N、子载波间隔Δf以及有效子载波个数N_V，选取所述第一伪随机序列的m₁阶本原多项式G₁(x)，其中m₁满足根据选取的m₁阶本原多项式G₁(x)，设置第一初始相位值，生成长度为的所述第一伪随机序列PN_m1(k)；将所述第一伪随机序列PN_m1(k)映射成BPSK调制信号X(k)，其中映射规则为：X(k)＝1-2×PN_m1(k)，其中将映射后的BPSK调制信号X(k)逐一填充到IFFT点数为子载波间隔为2·Δf以及有效子载波个数为的OFDM调制载波上，经过IFFT运算后，生成所述短同步信号S_S。

优选地，所述第一初始相位值经下述优化进行选取：在具有m₁个比特位的个相位值中，选取使生成的所述短同步信号S_S的峰均比最小的相位值作为所述第一初始相位值。

优选地，所述步骤A中生成所述长同步信号L_S包括：根据OFDM系统的IFFT点数N、子载波间隔Δf以及有效子载波个数N_V，选取所述第二伪随机序列的m₂阶本原多项式G₂(x)，其中m₂满足根据选取的m₂阶本原多项式G₂(x)，设置第二初始相位值，生成长度为N_V的所述第二伪随机序列PN_m2(k)；将所述第二伪随机序列PN_m2(k)映射成BPSK调制信号Y(k)，其中映射规则为：Y(k)＝1-2×PN_m2(k)；其中1≤k≤N_V；将映射后的BPSK调制信号Y(k)逐一填充到IFFT点数为N、子载波间隔Δf为以及有效子载波个数为N_V的OFDM调制载波上，经过IFFT运算后，生成所述长同步信号L_S。

优选地，所述第二初始相位值经下述优化进行选取：在具有m₂个比特位的个相位值中，选取使生成的所述长同步信号L_S的峰均比最小的相位值作为所述第二初始相位值，其中m为自然数。

优选地，所述步骤B中构造所述第一前导序列S_P包括：构造所述短同步信号S_S的共轭信号S_S^*；基于所述短同步信号S_S及其共轭信号S_S^*，构造所述第一前导序列S_P＝{S_S,S_S,S_S,S_S^*,S_S^*}；

所述步骤B中构造所述第二前导序列L_P包括：基于所述长同步信号L_S，构造所述第二前导序列L_P＝{L_S,L_S}；所述同步信号Sync＝{S_P,L_P}＝{S_S,S_S,S_S,S_S^*,S_S^*,L_S,L_S}。通过生成的第一前导序列能够进行AGC信号能量的监测、粗符号定时(或符号同步)和粗载波频率同步，而第二前导序列可以用于精确载波频率同步和信道估计。本发明提供的方法峰均比低，可根据具体情况和实际需求选择频率范围，具有频率范围可调的优点。

通过本发明提供的同步信号生成方法生成的同步信号，具有良好的符号同步性能和载波频率同步性能，良好的符号同步性能能够较准确地估计符号起始位置，以确定FFT起始窗位置，保证收发端进行准确同步以进行正确解码；而良好的载波频率同步性能，能较准确地估计因收发端振荡器频率不稳定而带来的载波频率偏差或由于多普勒效应所带来的接收信号频谱的扩展，从而纠正频偏。

附图说明

图1是本发明具体实施方式提供的一种同步信号生成方法流程图；

图2是本发明具体实施方式中第一伪随机序列PN_m1(k)的生成结构图；

图3是本发明具体实施方式中第二伪随机序列PN_m2(k)的生成结构图；

图4是本发明具体实施方式中同步信号生成方法生成的同步信号帧结构；

图5是本发明具体实施方式中得到的经优化后的同步信号的实部波形图；

图6是本发明具体实施方式中得到的经优化后的同步信号的虚部波形图；

图7是本发明具体实施方式中接收端接收的同步信号在-1dB的信噪比情况下的相关峰值示意图；

图8是本发明具体实施方式中在2dB情况下，随机设置不同的载波频率与实际估计的载波频率之间的偏差比较图。

具体实施方式

下面对照附图并结合优选的实施方式对本发明作进一步说明。

概念说明：本文中提到的短同步信号与长同步信号、短前导序列与长前导序列，其中的“长”与“短”是在点数或长度上相对而言的概念。

在具体实施方式部分提供一种如图1所示的同步信号生成方法，用于生成OFDM微功率无线通信系统的同步信号，该方法具体包括以下步骤：

步骤101：根据OFDM系统的系统参数和一组承载第一伪随机序列的BPSK调制信号，生成一段点数为N/2的OFDM短同步信号S_S；

步骤102：基于短同步信号S_S，构造短前导序列S_P；

步骤103：根据OFDM系统的系统参数和另外一组承载第二伪随机序列的BPSK调制信号，生成一段点数为N的OFDM长同步信号L_S；

步骤104：基于长同步信号L_S，构造长前导序列L_P；

步骤105：将所述第一前导序列S_P置于所述第二前导序列L_P之前，组合成一个序列，构成所述同步信号Sync。

其中，OFDM的系统参数包括IFFT点数(或子载波总个数)N、子载波间隔Δf以及有效子载波个数N_V，各参数取值如下表1：

参数	取值
		带宽	187.5KHz
OFDM子载波数N	128
		有效子载波数N_V	96
子载波间隔Δf	1.953125KHz

需要说明，上表中的取值只是一个示例，并不构成对参数本身的限制。其中有效子载波用于传输有用信息，而其余子载波则置零。而在可传输信息的频谱范围内，可以根据具体情况选择带宽，在本例中，在187.5KHz的带宽内进行调制。

其中步骤101具体包括以下步骤A1～A4：

步骤A1：根据上表1中给出的OFDM系统的参数，即IFFT点数N＝128、子载波间隔Δf＝1.95KHz、有效子载波个数N_V＝96，选取所述第一伪随机序列的m₁阶本原多项式G₁(x)，其中m₁满足得m₁＝6，即选取第一伪随机序列的6阶本原多项式G₁(x)＝1+x+x²+x⁵+x⁶；

步骤A2：根据选取的m₁＝6阶本原多项式G₁(x)，优化设置合理的初始相位值为001111，生成长度为的第一伪随机序列PN_m1(k)，其生成结构如图2所示；所述优化包括：在具有6个比特位的2⁶个相位值中，选取使生成的短同步信号的峰均比最小的相位值，即前述的001111；

步骤A3：将长度为的第一伪随机序列PN_m1(k)映射成BPSK调制信号，BPSK调制信号的规则(即映射规则)为：X(k)＝1-2×PN_m1(k)；其中

步骤A4：将映射后的BPSK调制信号X(k)逐一填充到IFFT点数为子载波间隔为2·Δf以及有效子载波个数为的OFDM调制载波上，经过IFFT运算后，生成一段长度为的OFDM短同步信号S_S。

步骤102具体包括以下步骤B1～B2：

步骤B1：基于OFDM短同步信号S_S，构造其共轭信号S_S^*；

步骤B2：基于OFDM短同步信号S_S及其共轭信号S_S^*，构造短前导序列S_P，即S_P＝{S_S,S_S,S_S,S_S^*,S_S^*}。

所述步骤103)具体包括以下步骤C1～C4：

步骤C1：根据OFDM系统的IFFT点数N、子载波间隔Δf以及有效子载波个数N_V，选取第二伪随机序列的m₂阶本原多项式G₂(x)，其中m₂满足得m₂＝7，即选取第二伪随机序列的7阶本原多项式G₂(x)＝1+x+x²+x³+x⁷；

步骤C2：根据选取的7阶本原多项式G₂(x)，优化设置合理的初始相位值为0101101，生成长度为N_V的二进制第二伪随机序列PN_m2(k)，其生成结构如图3所示；所述优化包括：在具有7个比特位的2⁷个相位值中，选取使生成的长同步信号的峰均比最小的相位值，即0101101；

步骤C3：将长度为N_V的第二伪随机序列PN_m2(k)映射成BPSK调制信号，BPSK调制信号的规则(即映射规则)为：Y(k)＝1-2×PN_m2(k)；其中1≤k≤N_V；

步骤C4：将映射后的BPSK调制信号Y(k)逐一填充到IFFT点数为N、子载波间隔为Δf以及有效子载波个数为N_V的OFDM调制载波上，经过IFFT运算后，生成一段长度为N的OFDM长同步信号L_S。

步骤104具体包括以下步骤D1：

步骤D1：基于OFDM长同步信号L_S，构造长前导序列L_P，即L_P＝{L_S,L_S}；

步骤105具体包括以下步骤E1：

步骤E1：将短前导序列S_P和长前导序列L_P连接在一起，且短前导序列在前，长前导序列在后，生成完整的OFDM微功率无线通信系统的同步信号Sync，正如图4所示，即

Sync＝{S_P,L_P}＝{S_S,S_S,S_S,S_S^*,S_S^*,L_S,L_S}。

需要说明，在一些具体的实施例中，第一伪随机序列和第二伪随机序列可以为二进制伪随机序列，选自m序列码、线性组合码或者非线性码。

经过上述完整的同步信号生成步骤，得到的同步信号的实部和虚部正分别如图5和图6所示。

而如图7所示为在-1dB的信噪比情况下，接收端接收的同步信号的相关峰值示意图。从图7中可以看出，即使在-1dB的恶劣通信环境下，接收端同步信号的相关峰值仍然非常明显，表明同步信号抗噪声性很强，性能很好。另外，在信噪比2dB情况下，随机设置不同的载波频率偏差，其多次仿真测试的结果如图8所示，从图8中可以看出，所估计的载波频率偏差与实际频率偏差非常接近，表明本发明生成的同步信号对频偏估计较准确，为接收端正确解码提供了基础。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种基于OFDM调制的微功率无线通信系统的同步信号生成方法，其特征在于，包括以下步骤：

其中，所述步骤B中构造所述第一前导序列S_P包括：构造所述短同步信号S_S的共轭信号S_S^*；基于所述短同步信号S_S及其共轭信号S_S^*，构造所述第一前导序列S_P＝{S_S,S_S,S_S,S_S^*,S_S^*}；所述步骤B中构造所述第二前导序列L_P包括：基于所述长同步信号L_S，构造所述第二前导序列L_{_}P＝{L_S,L_S}；

所述同步信号Sync＝{S_P,L_P}＝{S_S,S_S,S_S,S_S^*,S_S^*,L_S,L_S}；

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述第一伪随机序列和所述第二伪随机序列为m序列码、线性组合码或者非线性码。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述第一伪随机序列和所述第二伪随机序列均为二进制伪随机序列。

4.如权利要求1或2或3所述的方法，其特征在于：所述步骤A中生成所述短同步信号S_S包括：根据OFDM系统的IFFT点数N、子载波间隔Δf以及有效子载波个数N_V，选取所述第一伪随机序列的m₁阶本原多项式G₁(x)，其中m₁满足根据选取的m₁阶本原多项式G₁(x)，设置第一初始相位值，生成长度为的所述第一伪随机序列PN_m1(k)；将所述第一伪随机序列PN_m1(k)映射成BPSK调制信号X(k)，其中映射规则为：X(k)＝1-2×PN_m1(k)，其中将映射后的BPSK调制信号X(k)逐一填充到IFFT点数为子载波间隔为2·Δf以及有效子载波个数为的OFDM调制载波上，经过IFFT运算后，生成所述短同步信号S_S。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于：所述第一初始相位值经下述优化进行选取：在具有m₁个比特位的个相位值中，选取使生成的所述短同步信号S_S的峰均比最小的相位值作为所述第一初始相位值。

6.如权利要求1或2或3所述的方法，其特征在于：所述步骤A中生成所述长同步信号L_S包括：根据OFDM系统的IFFT点数N、子载波间隔Δf以及有效子载波个数N_V，选取所述第二伪随机序列的m₂阶本原多项式G₂(x)，其中m₂满足根据选取的m₂阶本原多项式G₂(x)，设置第二初始相位值，生成长度为N_V的所述第二伪随机序列PN_m2(k)；将所述第二伪随机序列PN_m2(k)映射成BPSK调制信号Y(k)，其中映射规则为：Y(k)＝1-2×PN_m2(k)；其中1≤k≤N_V；将映射后的BPSK调制信号Y(k)逐一填充到IFFT点数为N、子载波间隔Δf为以及有效子载波个数为N_V的OFDM调制载波上，经过IFFT运算后，生成所述长同步信号L_S。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于：所述第二初始相位值经下述优化进行选取：在具有m₂个比特位的个相位值中，选取使生成的所述长同步信号L_S的峰均比最小的相位值作为所述第二初始相位值。