CN107181710B - 一种前导信号的发送系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种前导信号的发送接收系统及方法，包括第一时域基符号生成模块、第二时域基符号生成模块、级联扩展模块、信令帧/数据帧级联模块和RF发射模块；第一时域基符号生成模块用于生成一段长度为N的第一时域基符号A；第二时域基符号生成模块用于生成一段长度为M的第二时域基符号B；级联扩展模块用于将A和B以[A B B A]为最小单元，级联扩展任意长度，构成前导符号；信令帧/数据帧级联模块用于在前导符号之后级联信令帧或数据帧，形成前导基带帧；RF发射模块用于将前导基带帧调制为射频信号发射出去。本发明的前导信号的发送接收系统及方法极大提高了定时估计的性能。

Description

一种前导信号的发送系统及方法

技术领域

本发明涉及移动通信的技术领域，特别是涉及一种前导信号的发送接收系统及方法。

背景技术

在自组织网络(Ad Hoc Network)等无线网络中，在初始链路建立前，通信双方未知发送信号的频点。此时，发送端一般先在其工作频点发送一段寻呼前导信号，以便接收端在一定的捕获时间窗内完成对寻呼前导信号的捕获。捕获时间窗一般远小于寻呼前导信号长度，以保证接收端在遍历搜索多个不同的频点时，可使其捕获时间窗处于寻呼前导信号持续时间内。由于要捕获的寻呼前导信号采用的频点只是接收端搜索的频点之一，因此在给定寻呼前导信号长度的条件下，捕获时间窗越短，接收端可搜索遍历的频点数就越多，搜索的频带越宽，在给定工作频宽的条件下初始链路建立的时间也就越短。

链路的正常建立依赖于接收端对发送端发出的寻呼前导信号的有效捕获和寻呼信息解调。而如何保障接收端在给定的扫描频点和捕获时间窗内快速准确地捕获到寻呼前导信号主要取决于寻呼前导信号的优化设计和接收算法。另外，检测到寻呼前导信号后，接收端还需完成寻呼帧的时频同步，以便完成后续的寻呼信息解调。寻呼帧的时频同步主要作用是利用前导进行定时同步、小数倍和整数倍载波频偏估计。完成时频同步工作后，接收端通信才能进入正常的信息解调过程。

寻呼前导信号主要用于通信链路的建立阶段，因此优化设计的寻呼前导信号有利于接收端尽快发现和检测信号是否存在。同时，寻呼前导信号也使得初始同步过程尽量简单可靠。

Moose,Paul H.在文章《A technique for orthogonal frequency divisionmultiplexing frequency offset correction》中提出利用频域两个重复的OFDM符号计算载波频偏的算法。该研究为前导结构的设计奠定了基础。此后该循环重复的前导结构在OFDM系统中的取得了广泛研究。

Chunrong Kan和Tingchang Wang在文章《Asynchronization acquisitionalgorithm using pilot symbols for OFDM in HF communications》中公开了在短波通信系统中采用了上述前导结构，提出了采用重复的m序列作为前导符号以克服短波信道的衰落特性造成的同步误差的方案。仿真表明该算法在低信噪比下，检测率及同步性能具有明显优势。

对于上述循环重复的方案，为了保证出现峰值以判断检测信号是否存在，所需的最小相关周期(即滑动窗的最小开窗长度)为2N，最小相关长度为N，即成功检测到信号最少需要三个符号长度。其中，N为一个OFDM符号或一个前导符号的长度。

然而，上述方案在利用前导序列的自相关运算进行同步的过程中，则会出现连续的峰值。该峰值一直持续到前导符号的数据段起始位置之前一个符号长度处。因此，该方案中的定时位置即可根据峰值平台的下降沿确定。然而由于信道的多径特性以及噪声的影响，检测平台的下降沿的误差将会较大；且采用定时位置的相位信息进行频偏估计时，由于只有一个位置的相位信息可用，因此也会对频偏估计的性能造成影响。

因此，上述方案具有以下两个缺陷：

(1)所产生的峰值平台将会导致定时估计模糊；

(2)由于只有一个定时位置信息，频偏估计的参考信息也将变少。

为了克服直接重复级联的结构在自相关运算时带来的峰值平台问题，TrungThanhNguyen； Hanwen Cao；Guven,A.B.等人在文章《Robust spectrum sensing of DVB-T2signal using the first preamble symbol》中对DVB-T2中采用的前导结构进行了分析。DVB-T2中采用的前导符号为[C A B]的结构。其中，“A”为OFDM符号，采用1024个子载波，“C”和“B”长度分别为542和482，是“A”的时域数据经频移后生成的。该结构克服了峰值平台造成的定时误差，提高了前导符号检测的准确率。但是，该方案主要用于载波频率已知或对检测时间不敏感的应用场景。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种前导信号的发送接收系统及方法，能够实现通信链路的正常、快速地建立，并进行更准确地定时同步和频偏估计。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种前导信号的发送系统，包括第一时域基符号生成模块、第二时域基符号生成模块、级联扩展模块、信令帧/数据帧级联模块和RF 发射模块；所述第一时域基符号生成模块用于生成一段长度为N的第一时域基符号A；所述第二时域基符号生成模块用于生成一段长度为M的第二时域基符号B；所述级联扩展模块用于将所述时域基符号A和所述时域基符号B以[A B B A]为最小单元，级联扩展任意长度，构成前导符号；所述信令帧/数据帧级联模块用于在所述前导符号之后级联信令帧或数据帧，形成前导基带帧；所述RF发射模块用于将所述前导基带帧调制为射频信号发射出去。

根据上述的前导信号的发送系统，其中：所述第一时域基符号A和所述第二时域基符号 B均由常模零自相关序列经过OFDM调制获得。

根据上述的前导信号的发送系统，其中：长度N和长度M相等。

相应地，本发明还提供一种前导信号的接收系统，包括RF接收模块、滑动自相关模块和峰值检测模块；

所述RF接收模块用于将接收到的射频信号调制为离散基带信号；

所述滑动自相关模块用于从离散基带信号中滑动截取长度为2N或2M的序列，并对截取的序列进行滑动自相关操作以生成滑动自相关输出序列；其中，N为所述离散基带信号中第一时域基符号的长度，M为所述离散基带信号中第二时域基符号的长度；

所述峰值检测模块用于对所述滑动自相关输出序列进行能量峰值检测，以获得在采样值范围内的能量最大的相关值。

根据上述的前导信号的接收系统，其中：所截取的序列表示为2段长度为N或M的序列的级联；对所截取的序列进行滑动自相关操作时，将所截取的序列的前N或M点采样值与后 N或M点采样值对应共轭相乘。

根据上述的前导信号的接收系统，其中：还包括定时估计模块，所述定时估计模块用于根据所述能量最大的相关值的采样值序号，确定发射的信令帧/数据帧的起始位置。

根据上述的前导信号的接收系统，其中：还包括频偏估计模块，所述频偏估计模块用于根据所述能量最大的相关值的相位，确定所述离散基带信号与发射的前导基带帧信号之间频率偏差。

同时，本发明还提供一种前导信号的发送方法，包括以下步骤：

生成一段长度为N的第一时域基符号A；

生成一段长度为M的第二时域基符号B；

将第一时域基符号A和第二时域基符号B以[A B B A]为最小单元，级联扩展任意长度，构成前导符号

在所述前导符号之后级联信令帧或数据帧，形成前导基带帧；

将所述前导基带帧调制为射频信号发射出去。

根据上述的前导信号的发送方法，其中：所述第一时域基符号A和所述第二时域基符号 B均由常模零自相关序列经过OFDM调制获得。

根据上述的前导信号的发送方法，其中：长度N和长度M相等。

相应地，本发明还提供一种前导信号的接收方法，包括以下步骤：

将接收到的射频信号调制为离散基带信号；

从离散基带信号中滑动截取长度为2N或2M的序列，并对截取的序列进行滑动自相关操作以生成滑动自相关输出序列；其中，N为所述离散基带信号中第一时域基符号的长度，M 为所述离散基带信号中第二时域基符号的长度；

对滑动自相关输出序列进行能量峰值检测，以获得在采样值范围内的能量最大的相关值。

根据上述的前导信号的接收方法，其中：所截取的序列表示为2段长度为N或M的序列的级联；对所截取的序列进行滑动自相关操作时，将所截取的序列的前N或M点采样值与后 N或M点采样值对应共轭相乘。

根据上述的前导信号的接收方法，其中：还包括：根据能量最大的相关值的采样值序号，确定发射的信令帧/数据帧的起始位置。

根据上述的前导信号的接收方法，其中：还包括：根据能量最大的相关值的相位，确定所述离散基带信号与发射的前导基带帧信号之间频率偏差。

如上所述，本发明的前导信号的发送接收系统及方法，具有以下有益效果：

1)在保证侦测时间以及频偏估计性能的基础上，极大地提高了定时估计的性能；

2)两个符号周期内即有一个峰值，仅需四个符号长度的接收信号即可确保检测到一个峰值；故检测到峰值需要滑动的采样点较少，侦测时间较短；

3)在接收系统中进行自相关运算时，会有明确的峰值，避免了由峰值平台带来的定时模糊，故定时估计更加准确，定时估计性能有较大提升。

附图说明

图1显示为本发明的前导信号的发送系统的结构示意图；

图2显示为本发明的前导信号的接收系统的结构示意图；

图3显示为本发明中滑动自相关取值的一个实施例的示意图；

图4显示为参考方案中前导基带帧的一个实施例的结构示意图；

图5显示为本发明中前导基带帧的一个实施例的结构示意图；

图6显示为N＝M时，参考方案与本发明所采用方案的检测特性比较示意图；

图7显示为本发明中参考方案中前导基带帧的一个仿真帧的结构示意图

图8显示为本发明中前导基带帧的一个仿真帧的结构示意图

图9显示为参考方案与本发明的优选方案的自相关能量仿真对比示意图；

图10显示为参考方案与本发明的定时误差累积分布函数对比示意图；

图11显示为参考方案与本发明的频偏估计误差累积分布函数对比示意图；

图12显示为本发明的前导信号的发送方法的流程图；

图13显示为本发明的前导信号的接收方法的流程图。

元件标号说明

11 第一时域基符号生成模块

12 第二时域基符号生成模块

13 级联扩展模块

14 信令帧/数据帧级联模块

15 RF发射模块

21 RF接收模块

22 滑动自相关模块

23 峰值检测模块

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

参照图1，本发明的前导信号的发送系统包括第一时域基符号生成模块11、第二时域基符号生成模块12、级联扩展模块13、信令帧/数据帧级联模块14和RF发射模块15。

第一时域基符号生成模块11用于生成一段长度为N的时域基符号A。

其中，时域基符号A由特定符号序列经过OFDM调制获得。优选地，特定符号序列采用常模零自相关序列。

第二时域基符号生成模块12用于生成一段长度为M的时域基符号B。

其中，时域基符号B由特定符号序列经过OFDM调制获得。优选地，特定符号序列采用常模零自相关序列。

级联扩展模块13与第一时域基符号生成模块11和第二时域基符号生成模块12相连，用于将时域基符号A和时域基符号B以[A B B A]为最小单元，级联扩展任意长度，构成前导符号P。

需要说明的是，在实际的前导符号P中，主体结构以[A B B A]为最小单元，级联扩展任意长度；可在主体结构的两端多增加一个或两个A或者B。故凡是主体结构为以[A B BA ] 为最小单元，通过级联扩展所获取的前导符号均值本发明的保护范围之内。如[A B BA A B…..] 或[A A B B A A…..]为起始的前导符号。

信令帧/数据帧级联模块14与级联扩展模块13相连，用于在前导符号P之后级联信令帧或数据帧，形成前导基带帧S。

RF发射模块15与信令帧/数据帧级联模块14相连，用于将前导基带帧S调制为射频信号发射出去。

具体地，RF发射模块将前导基带帧S通过上变频调制为射频信号。

参照图2，本发明的前导信号的接收系统包括RF接收模块21、滑动自相关模块22和峰值检测模块23。

RF接收模块21用于将接收到的射频信号调制为离散基带信号y(n)。

具体地，RF接收模块将接收到的射频信号下变频为基带信号，再经过A/D采样后，形成离散基带信号y(n)。

滑动自相关模块22用于从离散基带信号y(n)中滑动截取长度为2N或2M的序列Y，并对截取的序列进行滑动自相关操作以生成滑动自相关输出序列C(n)。图3所示即为滑动自相关取值的一个示意图。

具体地，序列Y可以表示为2段长度为N或M的序列Y1和Y2的级联。

对截取的序列Y进行滑动自相关操作时，将序列Y的前N或M点采样值与Y的后N或 M点采样值对应共轭相乘。以截取长度2N为例，滑动自相关操作可用等式表示为：

其中，n表示采样值序号。

峰值检测模块23用于对滑动自相关输出序列C(n)进行能量峰值检测，以获得在采样值范围内的能量最大的相关值C’(n)。

优选地，还包括定时估计模块。

定时估计模块与峰值检测模块23相连，用于根据能量最大的相关值C’(n)的采样值序号 n，确定发射的信令帧/数据帧的起始位置。

具体地，当前导符号按特定的顺序即[A B B A]的结构级联，进行自相关运算时，检测到的峰值即为符号B的起始位置，如图9所示。若符号A和符号B的长度均为N，则可相应得到各前导符号以及数据符号的起始位置。

优选地，还包括频偏估计模块。

频偏估计模块与峰值检测模块23相连，用于根据能量最大的相关值C’(n)的相位，确定离散基带信号y(n)与发射的前导基带帧信号之间频率偏差。

由于发送信号经过了信道传输，故此处所指频率偏差即发送端信号与接收端信号之间由于信道特性的影响存在的频率偏差。

如图4所示，定义参考方案中，前导基带帧由若干时域基符号A重复级联后，再级联信令帧/数据帧构成。

如图5所示，在本发明所采用方案中，前导基带帧S包括一个前导符号P及信令帧/数据帧。该图中所示的前导符号P由若干时域基符号A与时域基符号B以[AB B A]的结构级联扩展构成。

为了图示效果更直接，以N＝M为例，参考方案与本发明所采用方案的检测特性比较如图6所示。由图可知，本发明所采用方案具有以下优势：

1)在保证侦测时间以及频偏估计性能的基础上，极大地提高了定时估计的性能。

2)两个符号周期内即有一个峰值，仅需四个符号长度的接收信号即可确保检测到一个峰值；故检测到峰值需要滑动的采样点较少，侦测时间较短。

具体地，当N与M不相等时，截取长度设置为2N或2M时，四个符号周期内会出现一个峰值。因此，确保检测到信号所需的接收信号长度也会增加，侦测时间也会较N＝M的情况增加。

3)在信号快速检测方面具有相近的性能。

4)在定时估计方面，在接收系统中进行自相关运算时，会有明确的峰值，避免了由峰值平台带来的定时模糊，故定时估计更加准确，定时估计性能有较大提升。

下面通过特定的具体实施例来说明本发明的前导信号的发送接收系统的实施方式。

如图7所示，定义参考方案中，前导基带帧由若干时域基符号A重复级联后，再级联数据帧构成。

由于恒包络零自相关序列(Const Amplitude Zero Auto-Corelation，CAZAC)序列具有理想的周期自相关特性、良好的互相关特性等性能，在本发明的优选方案中，采用CAZAC序列生成前导符号，且为了更方便地进行说明，取时域基符号A和时域基符号B的长度相等，即N＝M。故如图8所示，前导基带帧S包括一个前导符号P及数据帧。其中前导符号P在此具体实施例子中由若干时域基符号A与时域基符号B以[A B B A]的结构级联扩展构成。

具体地，本发明的优选方案中，通过以下步骤获取前导符号。

1)采用CAZAC序列生成72点的频域符号；

2)对所得序列补零，得到128点序列；

3)对128点序列进行傅里叶反变换(IFFT)将上述频域符号转换至时域，得到时域基符号A；

4)调整生成CAZAC序列的系数，依据上述步骤1)、2)和3)的方法，得到时域基符号B；

5)将符号A和符号B以[A B B A]的结构级联，以生成前导符号。

例如，对于数据1 2 2 1 1 2 2 1……1 2 2 1，将数字1和2以[1 2 2 1]的结构为基本单元，重复级联扩展至任意长度。

由于本发明的优选方案中需要四个OFDM符号长度才可确保检测到峰值。因此，参考方案和本发明的优选方案的帧结构中均将前导符号设置为四个符号长度。同时，为了与实际应用场景相近，均接入数据帧。

在实际仿真中，发送信号过加性高斯白噪声(Additive White Gaussian Noise，AWGN) 信道，信噪比采用5dB并加入归一化频偏，此处归一化频偏设置为0.01。为了得到统计结果，仿真对参考方案和本发明的优选方案均循环1000次，并统计每次的定时和频偏误差。

图9所示为两种方案的归一化自相关能量曲线仿真对比图。由图可知，参考方案(定义为方案一)的自相关曲线具有峰值平台，根据平台的下降沿位置进行定时估计。但由于在噪声环境下，下降沿位置容易出现较大的模糊。因此参考方案的定时性能相对较差。本发明的优选方案(定义为方案二)进行自相关运算后会出现明显的峰值，且两个符号长度即为一个峰值周期。根据峰值位置进行定时估计，克服了参考方案的定时模糊问题，峰值更明显，从而提高了定时估计性能。

图10所示为两种方案的定时误差累积分布函数对比图。由图可知，本发明的优选方案的定时性能明显优于参考方案。这是因为本发明的优选方案进行自相关运算后会出现明显峰值，检测峰值位置的准确性更高，克服了参考方案中峰值平台带来的定时模糊问题。

图11所示为频偏估计误差累积分布曲线对比图。由图可知：

1)参考方案出现的最大频偏估计误差小于本发明的优选方案，这是因为对于由相同符号级联构成前导符号采用自相关峰值的相位进行频偏估计时，自相关峰值是连续的，即没有特定的某个自相关峰，因此自相关峰值的相位对定时误差不敏感，即估计的自相关峰值与其附近的自相关值的相位均可用于频偏估计，而不会导致显著的估计性能损失。

2)本发明的优选方案克服了参考方案的峰值平台的问题，取得了较大的定时性能提升；但同时由于对前导符号做自相关运算时会产生局部唯一的一个最优相关峰值，即自相关峰值的对定时误差敏感。当由噪声等因素导致自相关定时误差时，估计的自相关峰值将包含相邻符号的自相关干扰分量，该干扰分量将随定时误差的增加而增加，并影响估计的相关峰值的相位，从而导致其频偏估计误差增加。

针对实际应用场景进行分析，当前导符号长度取为128时，循环前缀取1/8的符号长度，即16个采样点时，若要保证不出现符号间干扰，由仿真结果可得：参考方案以约62％的概率满足要求，此时已严重影响系统的正常工作；而本发明的优选方案则不会出现上述符号间干扰。

频偏以0.01作为参考时，本发明的优选方案以85％的概率满足要求，此性能仍能保证系统的工作。

因此，参考方案由于定时性能较差，限制了其在本发明所述场景下的应用。而本发明的优选方案，在保证侦测时间和频偏估计性能的前提下，克服了参考方案存在的定时问题。

相应地，参照图12，本发明的前导信号的发送方法包括以下步骤：

步骤S11、生成一段长度为N的时域基符号A。

其中，时域基符号A由特定符号序列经过OFDM调制获得。优选地，特定符号序列采用常模零自相关序列。

步骤S12、生成一段长度为M的时域基符号B。

其中，时域基符号B由特定符号序列经过OFDM调制获得。优选地，特定符号序列采用常模零自相关序列。

步骤S13、将时域基符号A和时域基符号B以[A B B A]为最小单元，级联扩展任意长度，构成前导符号P。

步骤S14、在前导符号P之后级联信令帧或数据帧，形成前导基带帧S。

步骤S15、将前导基带帧S调制为射频信号发射出去。

具体地，将前导基带帧S通过上变频调制为射频信号。

参照图13，本发明的前导信号的接收方法包括以下步骤：

步骤S21、将接收到的射频信号调制为离散基带信号y(n)。

具体地，将接收到的射频信号下变频为基带信号，再经过A/D采样后，形成离散基带信号y(n)。

步骤S22、从离散基带信号y(n)中滑动截取长度为2N或2M的序列Y，并对截取的序列进行滑动自相关操作以生成滑动自相关输出序列C(n)。

具体地，序列Y可以表示为2段长度为N或M的序列Y1和Y2的级联。

对截取的序列Y进行滑动自相关操作时，将序列Y的前N或M点采样值与Y的后N或M点采样值对应共轭相乘。以截取长度2N为例，滑动自相关操作可用等式表示为：

步骤S23、对滑动自相关输出序列C(n)进行能量峰值检测，以获得在采样值范围内的能量最大的相关值C’(n)。

优选地，还包括根据能量最大的相关值C’(n)的采样值序号n，确定发射的信令帧/数据帧的起始位置。

具体地，当前导符号按特定的顺序即[A B B A]的结构级联，进行自相关运算时，检测到的峰值即为符号B的起始位置，如图9所示。若符号A和符号B的长度均为N，则可相应得到各前导符号以及数据符号的起始位置。

优选地，还包括根据能量最大的相关值C’(n)的相位，确定离散基带信号y(n)与发射的前导基带帧信号之间频率偏差。

由于发送信号经过了信道传输，故此处所指频率偏差即发送端信号与接收端信号之间由于信道特性的影响存在的频率偏差。

综上所述，本发明的前导信号的发送接收系统及方法在保证侦测时间以及频偏估计性能的基础上，极大地提高了定时估计的性能；两个符号周期内即有一个峰值，仅需四个符号长度的接收信号即可确保检测到一个峰值；故检测到峰值需要滑动的采样点较少，侦测时间较短；在接收系统中进行自相关运算时，会有明确的峰值，避免了由峰值平台带来的定时模糊，故定时估计更加准确，定时估计性能有较大提升。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (6)

1.一种前导信号的发送系统，其特征在于：包括第一时域基符号生成模块、第二时域基符号生成模块、级联扩展模块、信令帧/数据帧级联模块和RF发射模块；

所述第一时域基符号生成模块用于生成一段长度为N的第一时域基符号A；

所述第二时域基符号生成模块用于生成一段长度为M的第二时域基符号B；

所述级联扩展模块用于将所述第一时域基符号A和所述第二时域基符号B以[A B B A]为最小单元，级联扩展任意长度，构成前导符号；

所述信令帧/数据帧级联模块用于在所述前导符号之后级联信令帧或数据帧，形成前导基带帧；

所述RF发射模块用于将所述前导基带帧调制为射频信号发射出去。

2.根据权利要求1所述的前导信号的发送系统，其特征在于：所述第一时域基符号A和所述第二时域基符号B均由常模零自相关序列经过OFDM调制获得。

3.根据权利要求1所述的前导信号的发送系统，其特征在于：长度N和长度M相等。

4.一种前导信号的发送方法，其特征在于：包括以下步骤：

生成一段长度为N的第一时域基符号A；

生成一段长度为M的第二时域基符号B；

将第一时域基符号A和第二时域基符号B以[A B B A]为最小单元，级联扩展任意长度，构成前导符号；

在所述前导符号之后级联信令帧或数据帧，形成前导基带帧；

将所述前导基带帧调制为射频信号发射出去。

5.根据权利要求4所述的前导信号的发送方法，其特征在于：所述第一时域基符号A和所述第二时域基符号B均由常模零自相关序列经过OFDM调制获得。

6.根据权利要求4所述的前导信号的发送方法，其特征在于：长度N和长度M相等。