CN106342412B - 一种正交频分复用系统的频域同步信号发送与检测方法 - Google Patents
一种正交频分复用系统的频域同步信号发送与检测方法Info
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Abstract
本发明公开了一种正交频分复用系统的频域同步信号发送与检测方法，其中发送方法通过对PN序列(伪随机序列)的IFFT(快速离散傅里叶逆变换)运算，得到数据帧的时域前导训练序列；其中检测方法利用与前导训练序列长度相同的时间窗，对接收到的时域数据流进行滑动，将窗口内的数据送入FFT(快速离散傅里叶变换)运算模块后，利用频域上PN序列相关特性，判定是否有信号到达，并且得到信号精确的时域同步位置。这种正交频分复用系统的频域同步信号发送与检测方法，避免了时域干扰带来的影响，同时利用了频域上PN序列的相关特性，因此相对于时域相关的检测和同步方式，本发明提供的频域相关方法的检测准确率大大提高。在存在干扰的恶劣信道条件下，本发明也能实现可靠的信号检测和同步。
Description
技术领域
本发明涉及移动通信技术中的数据传输技术领域，特别指一种正交频分复用系统的频域同步信号发送与检测方法。
背景技术
正交频分复用(OFDM，Orthogonal Freqency Division Multiplexing)是利用并行传输来提高通信数据传输速率的一种移动通信技术。该技术能大大提高频谱利用率，同时还具有抗多径干扰及码间串扰，信道估计及均衡实现容易，系统实现复杂度低等许多优点。
OFDM信号调制和解调设备中需要解决的一个关键问题是帧同步问题。在突发的OFDM系统中，数据按照一定的帧格式进行调制，通过无线信道进行传输。在接收端，为了其中的数据，接收机必须精确地知道帧的开始位置。
目前常用的帧同步方法都是利用OFDM信号的在时域结构的相似性，在接收机中以时域相关的方法确定帧的起始位置。例如利用循环前缀是数据后面部分的拷贝，或者在数据开始前附加一段已知的时域训练序列。但是这种同步方法对信道条件有很大的依赖性。如果信道条件比较恶劣，存在单音干扰或窄带干扰，则利用信号时域相关特性会受到极大的干扰，在这种信道条件下，这种时域相关的同步方法显然是不可靠的。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术不足，提供一种正交频分复用系统的同步信号的发送和检测方法，利用频域相关的同步方法，在带干扰的恶劣信道条件下，实现可靠的信号检测和同步。
正交频分复用系统的频域同步信号发送与检测方法，接收端利用发送的频域同步信号，在恶劣信道条件下用频域相关的方法进行同步检测，包括以下步骤：
1.1)发送端在每帧数据部分开始之前先发送一个OFDM符号的前导训练序列，这个前导训练序列在频域上是一个PN序列；
1.2)接收端利用与前导训练序列长度相同的时间窗，对接收到的时域数据流进行滑动，将每次滑动得到的窗口内的时域数据转换到频域，利用其频域上的PN特性，用频域相关的方法判定是否有信号到达，并且得到信号精确的时域同步位置；
所述的步骤1.1)包括：
2.1)先用一个伪随机序列产生器产生出一段长度为2N-1的PN序列，经过映射器映射成+1，-1的PN序列后，在其末尾添加一个0，得到长度为2N的序列L1，在接收端，这个L1序列是已知的；
2.2)将L1序列送入IFFT模块运算得到一个OFDM符号的前导训练字序列L2，在每帧数据部分开始之前发送，用于接收端的同步；L1序列是频域上的序列，L2序列是时域上的序列；
所述的步骤1.2)包括：
3.1)接收端将接收到的时域数据存入到数据流存储模块，利用与前导训练序列L2长度相同的时间窗，对数据流存储模块中的时域数据流进行滑动，将每次滑动得到的窗口内的时域数据送入第一FFT模块进行运算；
3.2)将第一FFT模块输出的运算结果送入频域相关器模块，频域相关器模块(203)的另一个输入是接收端存储的已知序列L1，频域相关器模块将两个频域上的输入序列做相关运算，输出相关值；
3.3)将频域相关器模块输出的相关值送入平方器模块，输出这个相关值的平方，即能量值；
3.4)将平方器模块输出的能量值送入判决变量计算模块；判决变量计算模块则根据当前的输入能量值与之前所有输入能量值的均值求出对应的判决变量；
3.5)将判决变量计算模块输出的判决变量送入判决器，判决器则把输入的值和预设定的阈值作比较，如超过阈值，则判定有信号到达，并且记下当前数据流的时域位置k，送给控制器；判决器是判定是否有信号到达，若判定出有信号到达时，则记录下数据流的时域同步位置；这个同步位置只是一个粗略值，需要给后面的模块进行进一步处理，才能得到精确的时域同步位置；
3.6)再次利用与前导训练序列L2长度相同的时间窗，对时域数据流进行滑动，此时窗口的起始点从k-M滑动到k+M，窗口每滑动一次，滑动计数器(208)就计数一次，这个过程由控制器(207)控制，将每次滑动得到的窗口内的时域数据送入第二FFT模块进行运算；
3.7)将第二FFT模块输出的运算结果送入相关器组模块，与存储在本地中的一组预畸变的频域上的PN参考序列进行相关运算，输出能量最大的值，这组预畸变的PN参考序列由L1序列经过一组固定频偏得到；
3.8)将相关器组模块输出的能量值送入最大值查找模块，最大值查找模块另一个输入端与滑动计数器的输出端相连，当滑动计数器计满2M+1时，最大值查找模块找出所有输入数值中的最大值，最大值对应的位置就是信号精确的时域同步位置，相关器组输出这个精确的时域同步位置；至此，接收端完成信号检测和同步工作。
所述的相对值计算模块包括延迟器，累加器，计数器，除法器，相对值除法器；延迟器的输入端与平方器的输出端相连；累加器的输入端与延迟器的输出端相连；计数器的输入端也与平方器的输出端相连；除法器的输入端与累加器的输出端相连，除法器的另一个输入端与计数器的输出端相连；相对值除法器的输入端与平方器的输出端相连，相对值除法器的另一个输入端与除法器的输出端相连，相对值除法器的输出结果作为相对值计算模块的输出；每当平方器输出一个数值时，计数器就计数一次。
所述的相关器组模块包括组相关器和组平方器，比较器；组相关器包括2*N+1个相关器，组相关器里每个相关器的一个输入端与第二FFT模块运算结果相连，组相关器里每个相关器的另一个输入端与存储于本地接收端的一个预畸变的PN参考序列相连；组平方器包括2*N+1个平方器，组平方器的输入端与组相关器的输出端相连，组平方器的输出端与组比较器的输入端相连；比较器的作用是比较所有组平方器输出结果的大小，输出最大的那个能量值作为相关器组模块的输出。
所述的最大值查找模块包括一块深度为2M+1的先入先出寄存器，比较器，多值比较器；比较器的一个输入端与滑动计数器的输出端相连，比较器的另一个输入端与固定数2M+1相连，比较器的输出端与多值比较器的控制端相连；先入先出寄存器的输入端与相关器组模块的输出端相连；多值比较器的每个输入端都与先入先出寄存器里的存储值相连；当滑动计数器的输出达到2M+1时，比较器输出1信号，否则，比较器输出0信号；当多值比较器的控制端为1信号时，多值比较器选出所有输入端中最大的那个值，并且标记出这个最大值所在的位置，将这个标记的位置作为最大值查找模块的输出值，这个输出值就是接收数据流的精确同步位置。
本发明提供的正交频分复用系统的频域同步信号发送与检测方法，接收端对信号进行FFT运算后再进行检测和同步，避免了信道干扰带来的影响，同时利用了的PN的相关特性，所以相对于时域相关的检测和同步方式，本发明提供的方法检测准确率大大提高。
附图说明
图1是本发明的发送部分电路框图；
图2是本发明的接收部分电路框图；
图3是本发明中相对值计算模块的电路框图；
图4是本发明中相关器组模块的电路框图。
图5是本发明中最大值查找模块的电路框图。
具体实施方式
为使本发明的技术方案更加清楚，下面结合附图对本发明再做进一步说明。
一种正交频分复用系统的频域同步信号发送与检测方法是，接收端利用发送的频域同步信号在恶劣信道条件下用频域相关的方法进行同步检测，包括以下步骤：
1.1)发送端在每帧数据部分开始之前先发送一个OFDM符号的前导训练序列，这个前导训练序列在频域上是一个PN序列；
1.2)接收端利用与前导训练序列长度相同的时间窗，对接收到的时域数据流进行滑动，将每次滑动得到的窗口内的时域数据转换到频域，利用其频域上的PN特性，用频域相关的方法判定是否有信号到达，并且得到信号精确的时域同步位置。
如图1所示，所述的步骤1.1)包括：
2.1)先用一个伪随机序列产生器101产生出一段长度为2N-1的PN序列，经过映射器102映射成+1，-1的PN序列后，在其末尾添加一个0，得到长度为2N的序列L1，在接收端，这个L1序列是已知的；取2N＝256；
2.2)将L1序列送入大小为256的IFFT模块103运算得到一个OFDM符号的前导训练字序列L2，在每帧数据部分开始之前发送，用于接收端的同步；L1序列是频域上的序列，L2序列是时域上的序列；L2的长度也是256。
如图2所示，所述的步骤1.2)包括：
3.1)接收端将接收到的时域数据存入到数据流存储模块201，利用与前导训练序列L2长度相同的时间窗，即时间窗的长度是256，对数据流存储模块中(201)的时域数据流进行滑动，将每次滑动得到的窗口内的时域数据送入大小为256的FFT模块202进行运算；
3.2)将FFT模块202输出的运算结果送入频域相关器模块203，频域相关器模块203的另一个输入是接收端存储的已知序列L1，频域相关器模块203将两个频域上的输入序列做相关运算，输出相关值；
3.3)将频域相关器模块203输出的相关值送入平方器模块204，输出这个相关值的平方，即能量值；
3.4)将平方器模块204输出的能量值送入判决变量计算模块205；判决变量计算模块205则根据当前的输入能量值与之前所有输入能量值的均值求出对应的判决变量；
3.5)将判决变量计算模块205输出的判决变量送入判决器206，判决器206则把输入的值和预设定的阈值作比较，如超过阈值，则判定有信号到达，且记下当前数据流的时域位置k，送给控制器207，预设定的阈值取为4；判决器是判定是否有信号到达，若判定出有信号到达时，则记录下数据流的时域同步位置；这个同步位置只是一个粗略值，需要给后面的模块进行进一步处理，才能得到精确的时域同步位置；
3.6)再次利用与前导训练序列L2长度相同的时间窗，即时间窗的长度是256，对时域数据流进行滑动，此时窗口的起始点从k-M滑动到k+M，窗口每滑动一次，滑动计数器208就计数一次，这个过程由控制器207控制。将每次滑动得到的窗口内的时域数据送入大小为256的FFT模块209进行运算；取M＝10，即窗口的起始点从k-10滑动到k+10，共有21个点；
3.7)将FFT模块209输出的运算结果送入相关器组模块210，与存储在本地中的一组预畸变的频域上的PN参考序列进行相关运算，输出能量最大的值，这组预畸变的PN参考序列由L1序列经过一组固定频偏得到；
3.8)将相关器组模块210输出的能量值送入最大值查找模块211，最大值查找模块211另一个输入端与滑动计数器的输出端相连，当滑动计数器208计满2M+1即21次时，最大值查找模块211找出所有输入数值中的一个最大值，最大值对应的位置就是信号精确的时域同步位置，相关器组输出这个精确的时域同步位置；至此，接收端完成信号检测和同步工作。
如图3所示，所述的相对值计算模块205包括延迟器301，累加器302，计数器303，除法器1304，除法器2305；延迟器301的输入端与平方器204的输出端相连；累加器302的输入端与延迟器301的输出端相连；计数器303的输入端也与平方器204的输出端相连；除法器1304的输入端与累加器302的输出端相连，除法器1304的另一个输入端与计数器303的输出端相连；除法器2305的输入端与平方器204的输出端相连，除法器2305的另一个输入端与除法器1304的输出端相连，除法器2305的输出结果作为相对值计算模块205的输出；每当平方器204输出一个数值时，计数器303就计数一次；若令第i个点的能量值是Pi，则该点的相对值的表达式为
如图4所示，所述的相关器组模块210包括组相关器401和组平方器402，比较器403；组相关器401包括2N+1即9个相关器，组相关器401里每个相关器的一个输入端与FFT模块209运算结果相连，组相关器401里每个相关器的另一个输入端与存储于本地接收端的一个预畸变的PN参考序列相连；组平方器402包括2*N+1即9个平方器，组平方器402的输入端与组相关器401的输出端相连，组平方器402的输出端与组比较器403的输入端相连；比较器403的作用是比较所有组平方器402输出结果的大小，输出最大的那个能量值作为相关器组模块210的输出。
相关器组模块210的作用是将其输入序列与存储在相关器组中的一组预畸变的PN参考序列进行相关运算，输出能量最大的值。这组预畸变的PN参考序列由L1序列经过一组固定频偏得到。实施中，N取为4。即这组预畸变的PN参考序列共有2N+1即9个(Pn1，Pn2，Pn3，Pn4，Pn5，Pn6，Pn7，Pn8，Pn9)。每个Pn都是序列L1经过一定频偏得到的。从1到9分别经过的频偏为-4Hz，-3Hz，-2Hz，-1Hz，0Hz，1Hz，2Hz，3Hz，4Hz，每个Pn的计算方法都是对L1序列进行IFFT运算，得到时域上的L2序列，然后在L2序列上乘以各自需要经过的频偏得到L3序列，最后将L3序列经过FFT运算，即可得到我们需要的预畸变的参考序列PN。
如图5所示，所述的最大值查找模块211包括一块深度为2M+1的先入先出寄存器501，比较器502，多值比较器503；比较器502的一个输入端与滑动计数器208的输出端相连，比较器502的另一个输入端与固定数2M+1即21相连，比较器502的输出端与多值比较器503的控制端相连；先入先出寄存器501的输入端与相关器组模块210的输出端相连；多值比较器503的每个输入端都与先入先出寄存器501里的存储值相连；当滑动计数器208的输出达到2M+1即21时，比较器502输出1信号，否则，比较其输出0信号；当多值比较器503的控制端为1信号时，多值比较器503选出所有输入端中最大的那个值，并且标记出这个最大值所在的位置，将这个标记的位置作为最大值查找模块211的输出值，这个输出值就是接收数据流的精确同步位置。
本发明适用于数据传输技术领域中正交频分复用系统的信号检测和同步部分。这里所述的方法与设备，彼此分离的单体部件可以完全是传统的，我们要求将它们的组合作为发明进行保护。以上所述仅为特定应用场合的具体实施方式，但本发明的真实精神和范围不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员可以修改单体部件的具体方法，实现不同应用场合下的信号检测和同步模块。本发明仅由后附权利要求书及其等效技术方案来限定，我们要求将这些作为本发明来保护。
Claims (4)
1.一种正交频分复用系统的频域同步信号发送与检测方法，其特征在于接收端利用发送的频域同步信号，在恶劣信道条件下用频域相关的方法进行同步检测，包括以下步骤：
1.1)发送端在每帧数据部分开始之前先发送一个OFDM符号的前导训练序列，这个前导训练序列在频域上是一个PN序列；
1.2)接收端利用与前导训练序列长度相同的时间窗，对接收到的时域数据流进行滑动，将每次滑动得到的窗口内的时域数据转换到频域，利用其频域上的PN特性，用频域相关的方法判定是否有信号到达，并且得到信号精确的时域同步位置；
所述的步骤1.1)包括：
2.1)先用一个伪随机序列产生器(101)产生出一段长度为2N-1的PN序列，经过映射器(102)映射成+1，-1的PN序列后，在其末尾添加一个0，得到长度为2N的序列L1，在接收端，这个L1序列是已知的；
2.2)将L1序列送入IFFT模块(103)运算得到一个OFDM符号的前导训练字序列L2，在每帧数据部分开始之前发送，用于接收端的同步；L1序列是频域上的序列，L2序列是时域上的序列；
所述的步骤1.2)包括：
3.1)接收端将接收到的时域数据存入到数据流存储模块(201)，利用与前导训练序列L2长度相同的时间窗，对数据流存储模块(201)中的时域数据流进行滑动，将每次滑动得到的窗口内的时域数据送入第一FFT模块(202)进行运算；
3.2)将第一FFT模块(202)输出的运算结果送入频域相关器模块(203)，频域相关器模块(203)的另一个输入是接收端存储的已知序列L1，频域相关器模块(203)将两个频域上的输入序列做相关运算，输出相关值；
3.3)将频域相关器模块(203)输出的相关值送入平方器模块(204)，输出这个相关值的平方，即能量值；
3.4)将平方器模块(204)输出的能量值送入判决变量计算模块(205)；判决变量计算模块(205)则根据当前的输入能量值与之前所有输入能量值的均值求出对应的判决变量；
3.5)将判决变量计算模块(205)输出的判决变量送入判决器(206)，判决器(206)则把输入的值和预设定的阈值作比较，如超过阈值，则判定有信号到达，并且记下当前数据流的时域位置k，送给控制器(207)；判决器是判定是否有信号到达，若判定出有信号到达时，则记录下数据流的时域同步位置；这个同步位置只是一个粗略值，需要给后面的模块进行进一步处理，才能得到精确的时域同步位置；
3.6)再次利用与前导训练序列L2长度相同的时间窗，对时域数据流进行滑动，此时窗口的起始点从k-M滑动到k+M，窗口每滑动一次，滑动计数器(208)就计数一次，这个过程由控制器(207)控制，将每次滑动得到的窗口内的时域数据送入第二FFT模块(209)进行运算；
3.7)将第二FFT模块(209)输出的运算结果送入相关器组模块(210)，与存储在本地中的一组预畸变的频域上的PN参考序列进行相关运算，输出能量最大的值，这组预畸变的PN参考序列由L1序列经过一组固定频偏得到；
3.8)将相关器组模块(210)输出的能量值送入最大值查找模块(211)，最大值查找模块(211)另一个输入端与滑动计数器的输出端相连，当滑动计数器(208)计满2M+1时，最大值查找模块(211)找出所有输入数值中的最大值，最大值对应的位置就是信号精确的时域同步位置，相关器组输出这个精确的时域同步位置；至此，接收端完成信号检测和同步工作。
2.根据权利要求1所述的一种正交频分复用系统的频域同步信号发送与检测方法，其特征在于所述的相对值计算模块(205)包括延迟器(301)，累加器(302)，计数器(303)，除法器(304)，相对值除法器(305)；延迟器(301)的输入端与平方器(204)的输出端相连；累加器(302)的输入端与延迟器(301)的输出端相连；计数器(303)的输入端也与平方器(204)的输出端相连；除法器(304)的输入端与累加器(302)的输出端相连，除法器(304)的另一个输入端与计数器(303)的输出端相连；相对值除法器(305)的输入端与平方器(204)的输出端相连，相对值除法器(305)的另一个输入端与除法器(304)的输出端相连，相对值除法器(305)的输出结果作为相对值计算模块(205)的输出；每当平方器(204)输出一个数值时，计数器(303)就计数一次。
3.根据权利要求1所述的一种正交频分复用系统的频域同步信号发送与检测方法，其特征在于所述的相关器组模块(210)包括组相关器(401)和组平方器(402)，比较器(403)；组相关器(401)包括2*N+1个相关器，组相关器(401)里每个相关器的一个输入端与第二FFT模块(209)运算结果相连，组相关器(401)里每个相关器的另一个输入端与存储于本地接收端的一个预畸变的PN参考序列相连；组平方器(402)包括2*N+1个平方器，组平方器(402)的输入端与组相关器(401)的输出端相连，组平方器(402)的输出端与组比较器(403)的输入端相连；比较器(403)的作用是比较所有组平方器(402)输出结果的大小，输出最大的那个能量值作为相关器组模块(210)的输出。
4.根据权利要求1所述的一种正交频分复用系统的频域同步信号发送与检测方法，其特征在于所述的最大值查找模块(211)包括一块深度为2M+1的先入先出寄存器(501)，比较器(502)，多值比较器(503)；比较器(502)的一个输入端与滑动计数器(208)的输出端相连，比较器(502)的另一个输入端与固定数2M+1相连，比较器(502)的输出端与多值比较器(503)的控制端相连；先入先出寄存器(501)的输入端与相关器组模块(210)的输出端相连；多值比较器(503)的每个输入端都与先入先出寄存器(501)里的存储值相连；当滑动计数器(208)的输出达到2M+1时，比较器(502)输出1信号，否则，比较器输出0信号；当多值比较器(503)的控制端为1信号时，多值比较器(503)选出所有输入端中最大的那个值，并且标记出这个最大值所在的位置，将这个标记的位置作为最大值查找模块(211)的输出值，这个输出值就是接收数据流的精确同步位置。
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