CN105099981B - 一种基于前导序列的信令检测方法及装置 - Google Patents

一种基于前导序列的信令检测方法及装置 Download PDF

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本发明提出一种基于前导序列的信令检测方法及装置，包括：提取时域数据中携带的时域前导序列；对所述时域前导序列进行快速傅里叶变换生成对应的频域OFDM符号；将所述频域OFDM符号和本地PN序列分别进行第一差分解调，并将第一差分解调后的频域OFDM符号和所述本地PN序列进行循环滑动相关；将所述频域OFDM符号和本地PN序列分别进行第二差分解调，并将第二差分解调后的频域OFDM符号和所述本地PN序列进行循环滑动相关；对两组滑动相关的结果进行比较得到检测序列，根据所述检测序列获取系统传输参数信令和频偏值，实现信令检测。采用本发明提出的方法及装置，能够实现在强选择性衰落信道中准确的信令检测，相比传统方法有更强的检测鲁棒性。

Description

一种基于前导序列的信令检测方法及装置
技术领域
本发明涉及信号处理技术领域，尤其涉及一种基于前导序列的信令检测方法及装置。
背景技术
随着无线通信技术的飞速发展以及人们对无线通信业务需求的日益增长，各种先进的通信技术不断被提出并付诸应用。在数字电视领域，为了满足人们日益增长的业务需求和性能需求，欧洲、美国、日本等发达国家都大力进行数字电视标准的探索和研究工作，并相继推出了新一代的数字电视标准。
欧洲电信标准委员会(European Telecommunication Standards Institute，ETSI)于2009年颁布了第二代数字电视标准DVB-T2(Second Generation System)，通过采用改进的信号帧结构、发射分集技术和高性能的编码调制技术，在8M的系统带宽上支持的数据传输率最高可达50.1Mbit/s，相较第一代数字电视标准(Digital TelevisionBroadcasting-Terrestrial，DVB-T)，极大的提升了频谱效率。
美国高级电视业务顾问委员会ATSC(Advanced Television Systems Committee)也于2009年推出了下一代数字电视标准ATSC-M/H(ATSC-Mobile/Handheld移动/手持ATSC)。相较于第一代标准(ATSC)，新一代标准增加了移动接收能力和无线定位功能。
日本数字广播专家组(Digital Broadcasting Expert Group，DBEG)在2010年提出了日本新一代多媒体数字视频广播标准ISDB-Tmm(ISDB for Terrestrial Multi-MediaBroadcasting),通过对已有技术的改进，可在不同带宽下提供交互式的服务。
我国数字电视地面广播标准的研发启于1999年，最终在2006年8月18日正式颁布了中国地面数字电视国家强制性技术标准GB20600—2006(DTMB)，即我国的第一代数字电视标准。DTMB采用清华大学提出的时域同步正交频分复用技术(Time DomainSynchronous-Orthogonal Frequency Division Multiplexing,TDS-OFDM)，如图1所示，利用已知的序列作为帧头实现时域同步、定时恢复、载波恢复、信道估计和噪声估计等，极大了提高了系统的性能。在与其它一代数字电视标准的对比测试中，DTMB的性能指标均排名第一，有力地证明了DTMB系统技术的先进性。但是，欧洲2009年推出的二代数字电视标准在整体性能上全面超越了所有一代数字电视标准。
面对激烈的竞争，中国加快研究的脚步，提出了很多新的技术以提高DTMB的系统性能，但是在恶劣信道条件下，由于相邻子载波受到的干扰不具有相关性，而传统检测方法需要依赖这种相关性利用差分解调来消除子载波的相位模糊，因此传统方法在强选择性信道中经常出现信令检测失败的情况，可见现有技术中信令检测的准确度仍有待提高。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的是提供了一种基于前导序列的信令检测方法及装置，以解决现有技术在恶劣信道条件下信令检测的检测鲁棒性差的问题。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明提出了一种基于前导序列的信令检测方法，包括：
提取时域数据中携带的时域前导序列；
对所述时域前导序列进行快速傅里叶变换生成对应的频域OFDM符号；
将所述频域OFDM符号和本地PN序列分别进行第一差分解调，并将第一差分解调后的频域OFDM符号和所述本地PN序列进行循环滑动相关；
将所述频域OFDM符号和本地PN序列分别进行第二差分解调，并将第二差分解调后的频域OFDM符号和所述本地PN序列进行循环滑动相关；
对两组滑动相关的结果进行比较得到检测序列，根据所述检测序列获取系统传输参数信令和频偏值，实现信令检测。
优选地，所述提取时域数据中携带的时域前导序列具体包括：
对所述时域数据分别延时N和N/2个采样周期，其中N为时域前导中OFDM的子载波数；
将所述时域数据与其延时N和N/2个采样周期后的时域数据分别进行逐点共轭乘法并进行长度为N/2的滑动累加；
将两组滑动累加的结果进行逐点共轭乘法得到逐点共轭乘结果；
获取逐点共轭乘结果的峰值，当所述峰值大于预设阈值时，根据所述峰值提取出时域前导序列和小数倍载波频偏。
优选地，所述根据峰值提取出时域前导序列和小数倍载波频偏具体为：根据所述峰值的位置提取出时域前导序列，并根据所述峰值的辐角估计小数倍载波频偏。
优选地，所述对时域前导序列进行快速傅里叶变换生成对应的频域OFDM符号具体包括：
对所述时域前导序列进行预处理，去除所述时域前导序列的循环前缀和后缀；
将预处理后的数据进行N点快速傅里叶变换，从而得到长度为N的频域OFDM符号，其中N为时域前导中OFDM的子载波数。
优选地，所述将频域OFDM符号和本地PN序列分别进行第一差分解调具体包括：
将所述频域OFDM符号与其移位第一预设值个子载波的序列进行逐点共轭乘；
将所述本地PN序列与其移位第一预设值个子载波的序列进行逐点共轭乘。
优选地，所述对两组滑动相关的结果进行比较得到检测序列具体包括：
分别计算所述两组循环滑动相关的结果的绝对值，并计算每组绝对值的两个峰值和平均值；
分别将每组中较小的峰值与该组的平均值相除得到该组的峰均比；
将两组峰均比进行比较，选取峰均比较大的组的循环滑动相关的结果作为检测序列。
优选地，所述根据检测序列获取系统传输参数信令和频偏值具体为：
提取所述检测序列中所述两个峰值的位置，根据所述位置获取系统传输参数信令和频偏值。
优选地，所述循环滑动相关的计算方法具体为：将求取滑动相关的两组序列中长度较短的序列由于移位而超出较长的序列的数据值补充到所述较长的序列的初始位置，从所述初始位置起将滑动相关的两组序列的相应数据值进行逐点共轭乘后并累加到相关结果中。
此外，本发明还提出了一种基于前导序列的信令检测装置，该装置包括：
提取模块，用于提取时域数据中携带的时域前导序列；
快速傅里叶变换模块，用于对所述时域前导序列进行快速傅里叶变换生成对应的频域OFDM符号；
第一差分解调与循环滑动相关模块，用于将所述频域OFDM符号和本地PN序列分别进行第一差分解调，并将第一差分解调后的频域OFDM符号和所述本地PN序列进行循环滑动相关；
第二差分解调与循环滑动相关模块，用于将所述频域OFDM符号和本地PN序列分别进行第二差分解调，并将第二差分解调后的频域OFDM符号和所述本地PN序列进行循环滑动相关；
信令检测与频偏估计模块，用于对两组滑动相关的结果进行比较得到检测序列，根据所述检测序列获取系统传输参数信令和频偏值。
优选地，所述提取模块具体包括：
延时单元，用于对所述时域数据分别延时N和N/2个采样周期，其中N为时域前导中OFDM的子载波数；
共轭乘累加单元，用于将所述时域数据与其延时N和N/2个采样周期后的时域数据分别进行逐点共轭乘法并进行长度为N/2的滑动累加；
逐点共轭乘单元，用于将两组滑动累加的结果进行逐点共轭乘法得到逐点共轭乘结果；
提取单元，用于获取逐点共轭乘结果的峰值，当所述峰值大于预设阈值时，根据所述峰值提取出时域前导序列和小数倍载波频偏。
(三)有益效果
采用本发明提出的一种基于前导序列的信令检测方法及装置，可以实现快速的时域同步和频偏估计，在强选择性衰落信道中实现准确的信令检测，极大地改进原有的方法在恶劣信道条件下的缺陷，相比传统方法有更强的检测鲁棒性。
附图说明
图1为中国DTMB的数字信号传输方法复帧结构示意图；
图2为本发明采用的已知的前导序列的结构设计图；
图3为本发明一种基于前导序列的信令检测方法的流程图；
图4为本发明实施例中基于前导序列的信令检测方法的原理图；
图5为本发明实施例中提取时域数据中携带的时域前导序列的原理图；
图6为本发明实施例中记载的共轭乘累加的结果示意图；
图7为针对已知前导结构传统的信令检测方法的原理图；
图8为针对已知前导结构传统信令检测方法在三种测试信道中的循环滑动相关的结果仿真图；
图9为本发明一种基于前导序列的信令检测方法在三种测试信道中峰均比对得到的检测序列的结果仿真图；
图10为本发明一种基于前导序列的信令检测装置的模块图。
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。
本发明一种基于前导序列的信令检测方法及装置是在基于结构如图2所示的前导序列实现的，所述序列的具体结构为基于OFDM的多载波技术，在长度为N的OFDM子载波中插入两段相同的长度为L的序列{a}，两个序列之间间隔ΔL个子载波，ΔL取值可以在一定范围内变化，从而实现系统传输参数信令的传递。在发射端，利用快速傅里叶变换，将频域符号变换到时域，并将图2中的A部分的后N/2个时域符号复制到图中的B、C部分，构成长度为2N的前导，利用这种前导序列，可以实现快速同步、频偏估计和信令检测。
本发明提出了一种基于前导序列的信令检测方法，如图3所示，包括以下步骤：
S1提取时域数据中携带的时域前导序列，具体包括：
对所述时域数据分别延时N和N/2个采样周期，其中N为时域前导中OFDM的子载波数；将所述时域数据与其延时N和N/2个采样周期后的时域数据分别进行逐点共轭乘法并进行长度为N/2的滑动累加；将两组滑动累加的结果进行逐点共轭乘法得到逐点共轭乘结果；获取逐点共轭乘结果的峰值，当所述峰值大于预设阈值时，根据所述峰值提取出时域前导序列和小数倍载波频偏。
其中，根据峰值提取出时域前导序列和小数倍载波频偏具体为：根据所述峰值的位置提取出时域前导序列，并根据所述峰值的辐角估计小数倍载波频偏。
S2对所述时域前导序列进行快速傅里叶变换生成对应的频域OFDM符号，具体包括：
对所述时域前导序列进行预处理，去除所述时域前导序列的循环前缀和后缀；将预处理后的数据进行N点快速傅里叶变换，从而得到长度为N的频域OFDM符号，其中N为时域前导中OFDM的子载波数。
S3将所述频域OFDM符号和本地PN序列分别进行第一差分解调，并将第一差分解调后的频域OFDM符号和所述本地PN序列进行循环滑动相关，具体包括：
将所述频域OFDM符号与其移位第一预设值个子载波的序列进行逐点共轭乘；将所述本地PN序列与其移位第一预设值个子载波的序列进行逐点共轭乘，将两组逐点共轭乘的结果进行循环滑动相关。
其中，循环滑动相关的计算方法具体为：将求取滑动相关的两组序列中长度较短的序列由于移位而超出较长的序列的数据值补充到所述较长的序列的初始位置，从所述初始位置起将滑动相关的两组序列的相应数据值进行逐点共轭乘后并累加到相关结果中。
S4将所述频域OFDM符号和本地PN序列分别进行第二差分解调，并将第二差分解调后的频域OFDM符号和所述本地PN序列进行循环滑动相关；
S5对两组滑动相关的结果进行比较得到检测序列，根据所述检测序列获取系统传输参数信令和频偏值，实现信令检测，具体包括：
分别计算所述两组循环滑动相关的结果的绝对值，并计算每组绝对值的两个峰值和平均值；分别将每组中较小的峰值与该组的平均值相除得到该组的峰均比；将两组峰均比进行比较，选取峰均比较大的组的循环滑动相关的结果作为检测序列，提取所述检测序列中所述两个峰值的位置，根据所述位置获取系统传输参数信令和频偏值。
图4为本发明实施例中基于前导序列的信令检测方法的原理图，下面以时域数据f(n)为具体实施例对本发明的技术方案进行具体说明：
提取时域数据中携带的时域前导序列，如图5所示，具体为将接收的时域数据f(n)分别延时N、N/2个采样周期，得到时域数据f(n-N)，f(n-N/2)，对时域数据f(n)与其延迟N和N/2的时域数据f(n-N)，f(n-N/2)分别进行逐点共轭乘法，并进行长度为N/2的滑动累加，共轭乘累加的输出结果如图6所示，其中N为前导设计中OFDM的子载波数，数学表达式为：
将两组滑动累加的结果进行逐点共轭乘，数学表达式为：
z(n)＝z1(n)z2(n)*
计算z(n)的峰值，当z(n)的峰值大于一个初始设定的阈值时，就认为当前检测到了前导序列，在前导序列存在的前提下，可以根据峰值的位置估计前导序列的位置，并根据峰值的辐角θ估计频偏的大小，其中，归一化频偏的估计值为θ/(2πN)。
当从接收的时域数据中提取出时域数据中携带的时域前导序列x(n)后，将时域前导序列的循环前缀和后缀去除，进行N点快速傅里叶变换FFT，则FFT变换后的频域OFDM符号X(k)的数学表达式为
然后分别将所述频域OFDM符号进行第一差分解调和第二差分解调，本实施例中将第一预设值选取为d1，第二预设值选取为d2，其分别对应的数学表达式为
Xd1(k)＝X(k)X(k+d1)*,Xd2(k)＝X(k)X(k+d2)*
假设本地的PN序列为a(n)，则经过d1、d2差分解调后得到ad1(n)、ad2(n)，其对应的数学表达式为
ad1(n)＝a(n)a(n+d1)*，ad2(n)＝a(n)a(n+d2)*。
将差分解调后的频域OFDM符号和所述本地PN序列进行循环滑动相关，数学表达式为：
其中，mod()为取模运算，L为本地PN序列的长度。
将得到的循环滑动相关结果求取绝对值，并分别求取每组的两个峰值和平均值，将每组中较小的峰值与该组的平均值相除，即得到峰均比，其具体算法为：
[pos11,pos12,Rmax1]＝max2(|R1(k)|),Rmean1＝mean(|R1(k)|)，
[pos21,pos22,Rmax2]＝max2(|R2(k)|)，Rmean2＝mean(|R2(k)|)
其中，max2()输出的是输入序列中最大的两个值的位置以及两个最大值中较小的那个值，mean()为求平均值函数。其中Rmax1/Rmean1、Rmax2/Rmean2即分别为两组序列的峰均比。
取峰均比中较大的那组滑动相关结果作为检测序列，输出检测序列中两个最大值的位置[pos1,pos2]，并根据所述位置求得系统传输参数信令和载波频偏、其算法为：
信令的ΔL估计值为ΔL＝pos2-pos1-L，归一化整数倍载波频偏为fc2＝[pos2-(N+ΔL)/2]/N。
图7为针对已知前导结构传统的信令检测方法的原理图。
图8为传统方法在三种测试信道加性高斯白噪声信道(AWGN)、测试信道I(TC-I)、测试信道II(TC-II)下循环滑动相关模块的输出，根据仿真结果可知，传统方法在TC-II信道下将不能正确检测出信令。分析可知，传统方法在强选择性信道中出现信令检测失败的原因是因为在恶劣信道条件下，相邻子载波受到的干扰不具有相关性，而传统检测方法需要依赖这种相关性利用差分解调来消除子载波的相位模糊。
图9为依照本发明实施方案，取d1＝1,d2＝2时峰均比比较后得到的检测序列的仿真图。将其与传统检测方法比较可知，依照本发明的一种基于前导序列的信令检测方法相比传统方法有更强的检测鲁棒性。
其中，TC-I、TC-II信道的参数如表一所示：
表一TC-I、TC-II信道的信道参数表
此外，本发明实施例2还提出了一种基于前导序列的信令检测装置，如图10所示，该装置包括：
提取模块1，用于提取时域数据中携带的时域前导序列；
快速傅里叶变换模块2，用于对所述时域前导序列进行快速傅里叶变换生成对应的频域OFDM符号；
第一差分解调与循环滑动相关模块3，用于将所述频域OFDM符号和本地PN序列分别进行第一差分解调，并将第一差分解调后的频域OFDM符号和所述本地PN序列进行循环滑动相关；
第二差分解调与循环滑动相关模块4，用于将所述频域OFDM符号和本地PN序列分别进行第二差分解调，并将第二差分解调后的频域OFDM符号和所述本地PN序列进行循环滑动相关；
信令检测与频偏估计模块5，用于对两组滑动相关的结果进行比较得到检测序列，根据所述检测序列获取系统传输参数信令和频偏值。
其中，提取模块1具体包括：
延时单元，用于对所述时域数据分别延时N和N/2个采样周期，其中N为时域前导中OFDM的子载波数；
共轭乘累加单元，用于将所述时域数据与其延时N和N/2个采样周期后的时域数据分别进行逐点共轭乘法并进行长度为N/2的滑动累加；
逐点共轭乘单元，用于将两组滑动累加的结果进行逐点共轭乘法得到逐点共轭乘结果；
提取单元，用于获取逐点共轭乘结果的峰值，当所述峰值大于预设阈值时，根据所述峰值提取出时域前导序列和小数倍载波频偏。
采用本发明提出的一种基于前导序列的信令检测方法及装置，可以实现快速的时域同步和频偏估计，在强选择性衰落信道中实现准确的信令检测，极大地改进原有的方法在恶劣信道条件下的缺陷，相比传统方法有更强的检测鲁棒性。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (7)

1.一种基于前导序列的信令检测方法，其特征在于，包括：
提取时域数据中携带的时域前导序列；
对所述时域前导序列进行快速傅里叶变换生成对应的频域OFDM符号；
将所述频域OFDM符号和本地PN序列分别进行第一差分解调，并将第一差分解调后的频域OFDM符号和所述本地PN序列进行循环滑动相关；
将所述频域OFDM符号和本地PN序列分别进行第二差分解调，并将第二差分解调后的频域OFDM符号和所述本地PN序列进行循环滑动相关；
对两组滑动相关的结果进行比较得到检测序列，根据所述检测序列获取系统传输参数信令和频偏值，实现信令检测；
其中，所述提取时域数据中携带的时域前导序列具体包括：
对所述时域数据分别延时N和N/2个采样周期，其中N为时域前导中OFDM的子载波数；
将所述时域数据与其延时N和N/2个采样周期后的时域数据分别进行逐点共轭乘法并进行长度为N/2的滑动累加；
将两组滑动累加的结果进行逐点共轭乘法得到逐点共轭乘结果；
获取逐点共轭乘结果的峰值，当所述峰值大于预设阈值时，根据所述峰值提取出时域前导序列和小数倍载波频偏；
其中，所述根据峰值提取出时域前导序列和小数倍载波频偏具体为：根据所述峰值的位置提取出时域前导序列，并根据所述峰值的辐角估计小数倍载波频偏。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对时域前导序列进行快速傅里叶变换生成对应的频域OFDM符号具体包括：
对所述时域前导序列进行预处理，去除所述时域前导序列的循环前缀和后缀；
将预处理后的数据进行N点快速傅里叶变换，从而得到长度为N的频域OFDM符号，其中N为时域前导中OFDM的子载波数。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将所述频域OFDM符号和本地PN序列分别进行第一差分解调具体包括：
将所述频域OFDM符号与其移位第一预设值个子载波的序列进行逐点共轭乘；
将所述本地PN序列与其移位第一预设值个子载波的序列进行逐点共轭乘。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对两组滑动相关的结果进行比较得到检测序列具体包括：
分别计算所述两组循环滑动相关的结果的绝对值，并计算每组绝对值的两个峰值和平均值；
分别将每组中较小的峰值与该组的平均值相除得到该组的峰均比；
将两组峰均比进行比较，选取峰均比较大的组的循环滑动相关的结果作为检测序列。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据检测序列获取系统传输参数信令和频偏值具体为：
提取所述检测序列中所述两个峰值的位置，根据所述位置获取系统传输参数信令和频偏值。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述循环滑动相关的计算方法具体为：将求取滑动相关的两组序列中长度较短的序列由于移位而超出较长的序列的数据值补充到所述较长的序列的初始位置，从所述初始位置起将滑动相关的两组序列的相应数据值进行逐点共轭乘后并累加到相关结果中。
7.一种基于前导序列的信令检测装置，其特征在于，该装置包括：
提取模块，用于提取时域数据中携带的时域前导序列；
快速傅里叶变换模块，用于对所述时域前导序列进行快速傅里叶变换生成对应的频域OFDM符号；
第一差分解调与循环滑动相关模块，用于将所述频域OFDM符号和本地PN序列分别进行第一差分解调，并将第一差分解调后的频域OFDM符号和所述本地PN序列进行循环滑动相关；
第二差分解调与循环滑动相关模块，用于将所述频域OFDM符号和本地PN序列分别进行第二差分解调，并将第二差分解调后的频域OFDM符号和所述本地PN序列进行循环滑动相关；
信令检测与频偏估计模块，用于对两组滑动相关的结果进行比较得到检测序列，根据所述检测序列获取系统传输参数信令和频偏值；
其中，所述提取模块具体包括：
延时单元，用于对所述时域数据分别延时N和N/2个采样周期，其中N为时域前导中OFDM的子载波数；
共轭乘累加单元，用于将所述时域数据与其延时N和N/2个采样周期后的时域数据分别进行逐点共轭乘法并进行长度为N/2的滑动累加；
逐点共轭乘单元，用于将两组滑动累加的结果进行逐点共轭乘法得到逐点共轭乘结果；
提取单元，用于获取逐点共轭乘结果的峰值，当所述峰值大于预设阈值时，根据所述峰值提取出时域前导序列和小数倍载波频偏；
其中，所述提取单元具体根据所述峰值的位置提取出时域前导序列，并根据所述峰值的辐角估计小数倍载波频偏。
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