CN105306129A - 卫星通信中基于ofdm符号前导的联合检测同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明是针对OFDM系统中应急数据每帧长度一般为毫秒级或秒级不等导致无法检测到数据帧的准确到达时刻而有可能丢失掉整帧数据的问题，提出一种基于OFDM符号前导的联合检测同步方法。该方法先是对发送帧前导结构进行改进，然后在改进前导的基础上，利用P符号和M符号的良好自相关特性进行运算判断是否产生一个平台通过平台判断一阵数据的到来即完成粗定时；然后利用基于前导的延迟互相关算法对接收的数据帧进行互相关运算，检测一帧数据中是否含有9个脉冲且平台中含有7个脉冲完成细定时。在卫星信道环境下，该联合检测算法结构简单，但在定时估计标准误差等方面表现出了良好的定时同步性能。

Description

卫星通信中基于OFDM符号前导的联合检测同步方法

技术领域

本发明涉及空间通信，尤其涉及低轨道卫星通信中接收端的定时同步技术。

背景技术

卫星通信已经进入军事侦察、通信广播、电视直播、导航定位、气象预报、资源探测、环境监测和在汉防护等国防和民用的各个领域，成为现代社会中不可缺少的通信手段。卫星通信与其它通信方式相比较，有传播距离远，覆盖面极大，通信回路灵活等优点。然而，卫星信道中存在的多径效应和多普勒频移，使接收端不仅接收到不同传输时延的信号，而且会产生一定的频率选择性失真，为了提高卫星调制解调器的性能，就需要引入同步技术。符号同步技术是卫星通信系统的关键技术之一，其准确性将直接影响整个系统的性能。随着通信的发展，许多频谱利用率高、抗多径干扰能力强的正交频分复用(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，OFDM)多载波调制技术可应用于卫星移动通信中。就主要用于高速数据传输业务的OFDM系统而言，如果符号发送周期与脉冲扩展差不多甚至小于脉冲扩展时，就容易引起码间串扰(ISI)，从而影响系统的通信性能；加之OFDM中子载波的相互正交会使系统对频率偏移比较敏感，即当子载波的正交性遭到破坏时，整个系统的性能会因严重的子载波干扰(ICI)而迅速下降；另外，针对通常用于数据业务的突发或应急传输系统，一般的盲同步方法因需要较长的同步时间而无法满足快速同步的要求。鉴于此，许多关于同步技术研究和算法被提出。

定时同步的经典算法主要有：(1)循环盲同步算法(参见文献：ParkB,CheonH,KoE,etal.AblindOFDMsynchronizationalgorithmbasedoncycliccorrelation.SignalProcessingLe-tters,IEEE,2004:83-85.).该算法针对在OFDM系统中传送应急数据时每帧长度一般为毫秒级或秒级不等使同步系统无法检测到数据帧的准确到达时刻而将有可能丢失掉整帧的数据的问题，提出了通过在发送帧的帧头加入一定的辅助数据即前导，并利用前导的自相关特性实现定时同步的方法。该方法虽然在一定程度上能粗略地判断出一帧数据的到来，但不能准确确定一帧数据中有用部分的开始时刻。(2)粗细同步联合算法(ShengB,ZhengJ,YouX,etal.AnoveltimingsynchronizationmethodforOFDMsystems[J].CommunicationsLetters,IEEE,2010:1110-1112.)该算法提出了将粗同步与细同步相结合的方法，虽然能判断到一帧甚至有用数据的开始，但因前导的结构性问题还是有可能接收不到整帧的数据。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：在移动卫星信道中，由于OFDM系统应急数据每帧长度一般为毫秒级或秒级不等，如果无法检测到数据帧的准确到达时刻，便有可能丢失掉整帧数据。针对该问题，现有的一些定时同步算法仅考虑了前导的结构，并没有将其与帧同步及符号同步有效地结合起来。本发明提出一种基于OFDM符号前导的联合检测同步方法(CDSOP)，既能判断数据帧的到来，又能确定有用数据的开始时刻，在特定卫星信道环境下能准确且快速地实现OFDM符号的定时同步。

本发明解决上述问题的技术方案是：

卫星通信系统发送的信号进入接收端，当接收机检测到一帧数据的到来时，对发送帧的前导结构进行改进，利用基于前导的延迟自相关帧同步算法准确判断出一帧数据中有用数据的开始时刻即粗定时。该过程虽然完成了对一帧数据中前导位置的大致估计，但该方法的判决量存在一定的过渡带，所以只能判断出一帧数据中前导长度的大致范围。然后利用基于前导的延迟互相关算法即细定时即可完成对OFDM符号定时同步的联合检测。

本发明提出的基于OFDM符号前导的联合检测同步方法(CDSOP)具体包括以下步骤：

1.发送端首先对串行的高速数据流进行编码、交织、数字调制及串并变换，然后对并行的低速数据流进行傅里叶反变换IFFT，从而实现频域信号的时域转换。随后再进行相应的并串变换及插入保护间隔等操作。上述信号进行数模转化和射频放大后经过卫星移动信道到达接收端。

2.接收端首先对接收的高频信号进行混频处理和模数变换，然后进入定时和频率同步模块，该模块首先需要对发送帧的前导结构进行改进即P符号和M符号的组合，该前导具有每个P符号的自相关运算中只出现一个尖峰的循环特性，然后在改进前导的基础上，利用P符号和M符号的良好自相关特性，根据公式

$P\left(n\right)=\underset{m=0}{\overset{L-1}{\Σ}}\left(r_{n+m}{r}_{n+m+L}\right)---\left(2\right)$

进行运算，其中P(n)为接收信号及延迟接收信号的自相关值；r_n为接收的基带信号，L表示短的训练序列即一个P符号的长度。

3.接收到基于改进的前导的OFDM数据帧，利用基于前导的延迟自相关帧同步算法进行粗定时。为了防止信号衰减时门限值发生较大的改变，需要将粗定时同步部分做归一化处理，然后检测粗定时同步方法是否产生一个平台，通过该平台就可以知道一帧数据的到来即粗定时。

4.在粗定时同步的基础上，采用基于前导的延迟互相关算法对接收的数据帧进行精确定时，根据公式

$M\left(n\right)=\underset{m=1}{\overset{L}{\Σ}}\left(s_m{r}_{n+m}\right)---\left(5\right)$

检测到9个脉冲，且平台包含7个脉冲，即确定有用部分数据的开始位置，即检测9个脉冲，且平台上是否含有7个脉冲来判断OFDM帧有用数据部分是否已经到来。s_m为发送的信号；r_n为接收的基带信号；L＝256为P符号的周期。

本发明提出的联合检测同步方法(CDSOP)既能准确地检测到数据帧的到来又能判断有用数据帧的开始位置，有利于特定卫星信道环境下的定时同步。

附图说明

图1OFDM系统收发机框图；

图2前导的结构图；

图3一帧数据的结构；

图4基于前导的延迟自相关帧同步算法流程图；

图5基于前导的延迟互相关算法流程图；

图6CDSOP算法流程图。

具体实施方式

本发明针对的系统是各个子载波相互正交的多载波系统，所以对同步的要求非常高。OFDM定时同步的主要任务是要接收机检测到一帧数据的到来，并且准确判断出一帧数据中有用数据的开始时刻。基于以上描述，为了准确实现数据符号的定时同步，首先需要对发送帧的前导结构进行改进。然后在改进前导的基础上，需要进行粗定时即帧同步过程。该过程虽然完成了对一帧数据中前导位置的大致估计，但该方法的判决量存在一定的过渡带，所以只能判断出一帧数据中前导长度的大致范围。因此，为了能准确得到一帧数据有用部分的开始时刻，最后还需要在粗定时同步的基础上，对接收的数据帧进行细定时即符号同步过程。综上所述，在改进前导的基础上将粗定时和细定时两个过程结合起来，即可完成对OFDM符号定时同步的联合检测。具体步骤参见图6：

1.发送端首先对串行的高速数据流进行编码、交织、数字调制及串并变换，然后对并行的低速数据流进行傅里叶反变换IFFT，从而实现频域信号的时域转换。随后再进行相应的并串变换及插入保护间隔等操作。上述信号进行数模转化和射频放大后经过卫星移动信道到达接收端。

2.接收端首先对接收的高频信号进行混频处理和模数变换，然后进入定时和频率同步模块，该模块首先需要对发送帧的前导结构进行改进即P符号和M符号的组合。

3.接收到基于改进的前导的OFDM数据帧，利用基于前导的延迟自相关帧同步算法进行粗定时。为了防止信号衰减时门限值发生较大的改变，需要将粗定时同步部分做归一化处理。

4.检测粗定时同步方法是否产生一个平台即一帧数据的到来。在粗定时同步的基础上，采用基于前导的延迟互相关算法对接收的数据帧进行精确定时，检测是否含有9个脉冲且平台上是否含有7个脉冲来判断OFDM帧有用数据部分已经到来。

以下结合附图和具体实例对本发明的实施作具体描述。

如图1所示为本发明涉及OFDM系统收发机框图。其中上半部分为发送端链路，下半部分为接收端链路。由图可知，发送端首先对串行的高速数据流进行编码、交织、数字调制及串并变换，然后对并行的低速数据流进行傅里叶反变换IFFT，从而实现频域信号到时域转换。随后再进行相应的并串变换及插入保护间隔等操作。最后对上述信号进行数模转化和射频放大后经过卫星信道传到接收端。而接收端首先对接收的高频信号进行混频处理和模数变换，然后采用相应的同步算法对转换后的低频信号进行时间和频率同步。在定时同步之后，即检测到有用数据的开始位置，再进行去保护间隔得到串行数据，再进行串并转换得到并行数据，进行傅立叶变换，从而实现时域信号到频域的转换，接着进行并串得到串行的高速数据流，再进行数字解调得到低频数字信号，解交织，解码得到原始信号。然而在接收端采用相应的同步算法对转换后的低频信号进行时间和频率同步。这是数据信号能准确解调的关键。

图2为本发明涉及的前导结构图。为了准确实现数据符号的定时同步，首先需要对发送帧的前导结构进行改进。OFDM帧是由前导(Preamble)、帧控制信息FCH)和数据信息(DATA)三部分构成，其中前导主要用于符号的同步估计，通常是在每帧数据的最前面发送的。由于符号定时是利用前导良好的相关特性而做的一系列运算，以得到准确的定时信息。根据G3物理层载波协议，改进的前导结构包括P符号和M符号。表1为所用的36个子载波的相位参数设置表。于是，前导产生的具体步骤如下：

(1)P符号的产生

P符号先是将256个相位做e^jw运算转换到频域中，再做IFFT运算，然后取其复数的实部，便得到长度为256的一组数据。这256个相位中的36个相位是有用相位，其余的220个相位为0，且这36个相位依次在第24到59的位置上。这是根据OFDM符号的发射频段计算出来的。

(2)M符号的产生

M符号和P符号形成的相位相差180度。因此，M符号的产生只需要将P符号乘以(-1)即可得到。所以P符号和M符号的长度都为256。

根据产生的P符号和M符号，于是前导的结构如图2所示。由图可知，前导Preamble是由8个P符号(SYNCP)、一个M符号(SYNCM)和半个M符号组成的。其中，半个M符号是M符号的前128位。该前导具有每个P符号的自相关运算中只出现一个尖峰的循环特性。正是由于P符号的良好自相关特性，才为基于前导的定时同步算法的实现提供了可能。

图3为本发明涉及的一帧数据的结构。其由9.5个符号的前导、13个符号的帧控制字段、40个符号的数据字段构成。图3为粗定时同步中所用的数据帧。

图4为本发明涉及的基于前导的延迟自相关帧同步算法流程图。

本发明的载波相位参数设置见表1：

表1

在改进前导的基础上，需要进行粗定时即帧同步过程。由于粗定时帧同步过程能够完成对一帧数据中前导位置的大致估计，这对准确实现OFDM符号定时同步而言是非常必要的。本发明主要采用基于前导的同步算法。该算法主要是利用训练序列做延迟自相关和互相关来实现同步。其中，基于前导的延迟自相关同步算法的表达式为：

$P\left(n\right)=\underset{m=0}{\overset{L-1}{\Σ}}\left(r_{n+m}^{*}{r}_{n+m+L}\right)---\left(1\right)$

其中P(n)为接收信号及延迟接收信号的自相关值；r_n为接收的基带信号；L表示训练序列的长度。

因此，基于前导的延迟自相关帧同步算法的表达式如下：

$P\left(n\right)=\underset{m=0}{\overset{L-1}{\Σ}}\left(r_{n+m}{r}_{n+m+L}\right)---\left(2\right)$

其中P(n)为接收信号及延迟接收信号的自相关值；r_n为接收的基带信号；L表示短的训练序列即一个P符号的长度。

根据式(1)式，对上述帧同步自相关算法进行如下分析：

当n＝1时，P(1)＝r₁r₂₅₇+r₂r₂₅₈+r₃r₂₅₉+…+r₂₅₆r₅₁₂；

当n＝2时，P(2)＝r₂r₂₅₈+r₃r₂₅₉+r₄r₃₀₀+…+r₂₅₇r₅₁₃；……

当n为一帧数据的最后一个时可得P(n)。

由上述推导及前导的循环特性可知，r₁＝r₂₅₇，r₂＝r₂₅₈，…r₂₅₆＝r₅₁₂，则r₁r₂₅₇＝r₂₅₇r₅₁₃，从而P(1)和P(2)相等。按照上式推导下去，于是可得P(1)＝P(2)＝…＝P(7×256)。因此，由上述理论分析可知，基于前导的延迟自相关帧同步过程的结果是产生一个平台，通过该平台就可以知道一帧数据的到来。而这个过程就是所谓的粗定时同步。为了防止信号衰减时门限值发生较大的改变，需要将粗定时同步部分做归一化处理。假设接收信号能量R(n)的数学表达式为：

$R\left(n\right)=\underset{m=0}{\overset{L-1}{\Σ}}|r_{n+m+L}{|}^2---\left(3\right)$

根据表达式(2)和式(3)，则归一化过程可表示为：

M(n)＝|P(n)|²/|R(n)|²(4)

其中P(n)表示接收信号的自相关值，R(n)为接收信号的能量。

图5为本发明涉及的基于前导的延迟互相关算法流程图。

根据对粗定时同步过程的分析，由于粗定时同步方法会产生一个平台，而这个平台与一帧数据有用部分之间存在一定的过渡带。另外，接收信号存在的频率偏差会影响定时信息的判决。因此，在粗定时同步的基础上，还需要对接收的数据帧进行精确定时，这里先不考虑频率偏移带来的影响。基于前导的延迟互相关算法的表达式为：

$M\left(n\right)=\underset{m=1}{\overset{L}{\Σ}}{s}_m\·r_{n+m}---\left(5\right)$

其中s_m为发送的信号；r_n为接收的基带信号；L＝256为P符号的周期。

根据式(5)式，对符号同步互相关算法的具体分析如下：

当n＝1时，M(1)＝s₁r₂+s₂r₃+s₃r₄+…+s₂₅₆r₂₅₇；

当n＝2时，M(2)＝s₁r₃+s₂r₄+s₃r₅+…+s₂₅₆r₂₅₈；

当n＝3时，M(3)＝s₁r₄+s₂r₅+s₃r₆+…+s₂₅₆r₂₅₉；

当n＝257时，M(257)＝s₁r₂₅₈+s₂r₂₅₉+s₃r₂₆₀+…+s₂₅₆r₅₁₃

对细定时同步过程分析可知，当n＝257时，由于前导是由8个连续的P符号和1.5个M符号构成的，且每个P符号的长度为256，所以一帧数据的第1位和第257位是相等的，第2位和第258位是相等的。同理，则可得第257位和第513位的值是相等的。将M(1)和M(257)的结果进行对比，可以明显的看出，M(1)和M(257)的值是相等的。按这种方式推理下去，整个一帧数据中可以找到8个与M(1)相等的尖峰，以及1个与M(1)相反的尖峰。这9个脉冲值就是符号定时同步中细定时部分的理论依据。

Claims (4)

1.一种卫星通信中基于OFDM符号前导的联合检测同步方法，其特征在于，卫星通信系统发送的信号进入接收端定时同步模块时，先对发送的数据帧的前导结构进行改进，即P符号和M符号的组合，该前导具有每个P符号的自相关运算中只出现一个尖峰的循环特性，然后在改进前导的基础上，利用P符号和M符号的良好自相关特性，根据公式

$P\left(n\right)=\underset{m=0}{\overset{L-1}{\Σ}}\left(r_{n+m}{r}_{n+m+L}\right)--\left(2\right)$

进行运算后同时归一化处理产生一个平台，通过该平台就可以知道一帧数据的到来即粗定时；其中P(n)为接收信号及延迟接收信号的自相关值；r_n为接收的基带信号，L表示短的训练序列即一个P符号的长度；

在粗定时同步的基础上，根据公式

$M\left(n\right)=\underset{m=1}{\overset{L}{\Σ}}\left(s_m{r}_{n+m}\right)---\left(5\right)$

检测到9个脉冲，且平台包含7个脉冲，即确定有用部分数据的开始位置，s_m为发送的信号；r_n为接收的基带信号；L＝256为P符号的周期。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据基于前导的延迟自相关帧同步算法表达式进行运算，计算P(1)至P(n)的结果，进行分析是否产生一个平台，通过该平台就可以知道一帧数据的到来。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在判断有一帧数据到来之后，根据基于前导的延迟互相关算法的公式计算M(1)至M(257)，将M(1)和M(257)的结果进行对比，可以明显的看出，M(1)和M(257)的值是相等的，按这种方式推理下去，整个一帧数据中可以找到8个与M(1)相等的尖峰，以及1个与M(1)相反的尖峰，这9个脉冲值且平台中包含7个脉冲，这就是符号定时同步中细定时部分的依据。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述归一化处理是将粗定时同步部分做归一化处理，假设接收信号能量R(n)的数学表达式为：

$R\left(n\right)=\underset{m=0}{\overset{L-1}{\Σ}}{\left|r_{n+m+L}\right|}^2---\left(3\right)$

根据表达式(2)和式(3)，则归一化过程可表示为：

M(n)＝|P(n)|²/|R(n)|²(4)

其中P(n)表示接收信号的自相关值，R(n)为接收信号的能量。