CN107196887A - 基于共轭cazac序列的卫星ofdm同步算法 - Google Patents

基于共轭cazac序列的卫星ofdm同步算法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及OFDM系统在卫星移动通信中的适用性领域，特别涉及一种基于共轭CAZAC序列的卫星OFDM同步算法。本发明基于共轭CAZAC序列的卫星OFDM同步算法，利用整数倍频偏会导致CAZAC序列c(k)循环左移和c*(k)循环右移的特点，可以在时域信号上利用CAZAC序列良好的自相关特性和一些先验信息来实现时间同步和频率同步，算法复杂度低，可以实现较大范围的定时偏差与整数倍频偏估计，并且在卫星通信低信噪比条件下同步性能较好。

Description

基于共轭CAZAC序列的卫星OFDM同步算法
技术领域
本发明涉及OFDM系统在卫星移动通信中的适用性领域，特别涉及一种基于共轭CAZAC序列的卫星OFDM同步算法。
背景技术
正交频分复用(OFDM)作为一种高效的数据传输多载波技术，其具有高频带利用率、较强的抗符号间和载波间干扰等优点，因此被广泛应用于地面通信系统，如LTE系统、WiMAX系统等。要实现全球通信系统的无缝覆盖，地面通信系统与卫星通信系统的体制融合是一个必然趋势。因此，OFDM运用于卫星通信中的研究具有重大意义，并且OFDM多载波技术对提高卫星通信的数据传输率、频谱效率有重大效果。
由于OFDM子载波之间的频谱相互重叠，接收端必须依靠子载波之间的相互正交性来进行解调，所以OFDM系统对同步要求很高。同步技术主要包括符号定时同步和载波频率同步，OFDM中的频偏根据对子载波间隔的归一化，由整数倍频偏和小数倍频偏组成。已有大量文献对OFDM的同步技术进行了研究，现有文献主要研究方法有基于循环前缀CP的同步方法、基于导频或训练序列的同步方法、半盲同步或盲同步算法等；其中循环前缀CP的同步方法同步性能受多径信道影响、精度较低；半盲同步或盲同步算法复杂度较大，实时性较差，不能很好地满足卫星通信中的实时性效果；目前基于导频或训练序列的同步方法较多，如何在保证同步性能的同时降低算法复杂度，同时适用于卫星通信低信噪比的条件下是研究人员关心的一个问题。
发明内容
本发明的目的在于：为实现OFDM在卫星通信中的时间同步和频率同步，提出了一种基于共轭CAZAC序列的卫星OFDM同步算法。
为实现上述目的，本发明提出了一种基于LTE体制的卫星移动通信上行发射端定时调整方法，其包括以下步骤，
一种基于共轭CAZAC序列的卫星OFDM同步算法，包括如下步骤：
(1)发射端在发射信号中加入CAZAC训练序列；
(2)发射信号经过卫星物理信道后，在接收端利用本地共轭CAZAC序列和接收到的信号实现时间同步和频率同步。
进一步的，步骤(1)中发射端加入的训练序列由两个相互共轭的第一CAZAC序列c(n)和第二CAZAC序列c*(n)组成，设一个OFDM符号长度为N+Ng，其中N为IFFT的点数，Ng为循环前缀cp长度；
第一CAZAC序列c(n)和第二CAZAC序列c*(n)的长度均为N，考虑循环前缀cp长度，CAZAC训练序列总长度为2N+Ng；所述接收端的本地共轭CAZAC序列与发射端的CAZAC训练序列相同。
进一步的，步骤(2)包括，
(2-1)接收到的信号与接收端的本地共轭CAZAC序列做相关运算，得到两个定时度量函数：
式中p是相关峰搜索窗的起始位置，n是接收信号采样点序号；第一CAZAC序列c(n)和第二CAZAC序列c*(n)经过信道加入了定时偏差和整数倍频偏之后，r(n)代表接收端接收到的信号，r*()表示其共轭，由上面的两式得相关运算可以得到两个相关峰在p1、p2位置，即：
(2-2)由于整数倍频偏会导致第一CAZAC序列循环左移εi位，从而导致接收信号与接收端的本地CAZAC序列c(k)互相关峰位置的移位；针对第二CAZAC序列，整数倍频偏会导致第二CAZAC序列循环右移εi位；根据定时偏差d和整数倍频偏εi的关系得出：
如果d≥εi,则
如果d<εi,则
为初步修正后的定时偏差，为初步修正后的整数倍频偏；
此处d与εi的相对大小可以根据一些先验信息(如：卫星向下发送包含卫星轨道高度、俯仰角大小等星历信息和用户位置)来确定大概范围，进而根据上面两种情况选择定时偏差和整数倍频偏计算公式。
(2-3)根据初步修正后的定时偏差进行进一步的修正以得到小数倍频偏
与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明基于共轭CAZAC序列的卫星OFDM同步算法，利用整数倍频偏会导致CAZAC序列c(k)循环左移和c*(k)循环右移的特点，可以在时域信号上利用CAZAC序列良好的自相关特性和一些先验信息来实现时间同步和频率同步，算法复杂度低，可以实现较大范围的定时偏差与整数倍频偏估计，并且在卫星通信低信噪比条件下同步性能较好。
附图说明：
图1是本发明算法的共轭CAZAC训练序列图；
图2是本发明算法与其他同步算法的定时偏差估计正确概率对比图；
图3是本发明算法与其他同步算法的整数倍频偏估计正确概率对比图；
图4是本发明算法与其他同步算法的小数倍频偏估计均方误差对比图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1：如图1所示，本实施例提供一种基于共轭CAZAC序列的卫星OFDM同步算法，包括如下步骤：
S1：发射端在发射信号中加入CAZAC训练序列；
S2：发射信号经过卫星物理信道后，在接收端利用本地共轭CAZAC序列和接收到的信号实现时间同步和频率同步。
进一步的，S1中发射端加入的训练序列由两个相互共轭的第一CAZAC序列c(n)和第二CAZAC序列c*(n)组成，设一个OFDM符号长度为N+Ng，其中N为IFFT的点数，Ng为循环前缀cp长度；
第一CAZAC序列c(n)和第二CAZAC序列c*(n)的长度均为N，考虑循环前缀cp长度，CAZAC训练序列总长度为2N+Ng；所述接收端的本地共轭CAZAC序列与发射端的CAZAC训练序列相同。
进一步的，S2包括，
S201：接收到的信号与接收端的本地共轭CAZAC序列做相关运算，得到两个定时度量函数：
式中p是相关峰搜索窗的起始位置，n是接收信号采样点序号。第一CAZAC序列c(n)和第二CAZAC序列c*(n)经过信道加入了定时偏差和整数倍频偏之后，r()代表接收端接收到的信号，r*()表示其共轭，由上面的两式得相关运算可以得到两个相关峰在p1、p2位置，即：
S202：由于整数倍频偏会导致第一CAZAC序列循环左移εi位，从而导致接收信号与接收端的本地CAZAC序列c(k)互相关峰位置的移位；针对第二CAZAC序列，整数倍频偏会导致第二CAZAC序列循环右移εi位；根据定时偏差d和整数倍频偏εi的关系得出：
如果d≥εi,则
如果d<εi,则
为初步修正后的定时偏差，为初步修正后的整数倍频偏；
此处d与εi的相对大小可以根据一些先验信息(如：卫星向下发送包含卫星轨道高度、俯仰角大小等星历信息和用户位置)来确定大概范围，进而根据上面两种情况选择定时偏差和整数倍频偏计算公式。
S203：根据初步修正后的定时偏差与初步修正后的整数倍频偏进行进一步的修正以得到小数倍频偏
下面通过仿真来测试本发明的同步性能。仿真的参数设置如下：
子载波个数为N＝512，IFFT的长度为512，循环前缀cp长度为40个采样点，QPSK调制方式，引入的定时偏差为50个采样点，引入的频率偏移为相对于子载波间隔的归一化频偏15.37，仿真所用信道分别为加性高斯白噪声信道和ITU标准中的channel Model C类卫星信道，对1000个子帧进行仿真，其中每个子帧有10个OFDM符号。将本发明算法与ML定时估计算法、PN加权CAZAC序列同步算法、Schmidl同步算法进行比较。图2是本发明算法与其他同步算法的定时偏差估计正确概率对比图，图3是本发明算法与其他同步算法的整数倍频偏估计正确概率对比图，图4是本发明算法与其他同步算法的小数倍频偏估计均方误差对比图。仿真结果表明，本发明算法相对于其他几种同步算法在定时偏差和整数倍频偏估计方面性能上都有较大提升，在小数倍频偏估计方面性能也很良好。因此，改进算法更适用于实际卫星多径信道低信噪比条件。
上面结合附图对本发明的具体实施方式进行了详细说明，但本发明并不限制于上述实施方式，在不脱离本申请的权利要求的精神和范围情况下，本领域的技术人员可以作出各种修改或改型。

Claims (3)

1.一种基于共轭CAZAC序列的卫星OFDM同步算法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)发射端在发射信号中加入CAZAC训练序列；
(2)发射信号经过卫星物理信道后，在接收端利用本地共轭CAZAC序列和接收到的信号实现时间同步和频率同步。
2.如权利要求1所述的算法，其特征在于，步骤(1)中发射端加入的训练序列由两个相互共轭的第一CAZAC序列c(n)和第二CAZAC序列c*(n)组成，设一个OFDM符号长度为N+Ng，其中N为IFFT的点数，Ng为循环前缀cp长度；
第一CAZAC序列c(n)和第二CAZAC序列c*(n)的长度均为N，考虑循环前缀cp长度，CAZAC训练序列总长度为2N+Ng；所述接收端的本地共轭CAZAC序列与发射端的CAZAC训练序列相同。
3.如权利要求2所述的算法，其特征在于，步骤(2)包括，
(2-1)接收到的信号与接收端的本地共轭CAZAC序列做相关运算，得到两个定时度量函数：
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式中p是相关峰搜索窗的起始位置，n是接收信号采样点序号；r(n)代表接收端接收到的信号，由上面的两式得相关运算可以得到两个相关峰在p1、p2位置：
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(2-2)由于整数倍频偏会导致第一CAZAC序列循环左移εi位，从而导致接收信号与接收端的本地CAZAC序列c(k)互相关峰位置的移位；针对第二CAZAC序列，整数倍频偏会导致第二CAZAC序列循环右移εi位；根据定时偏差d和整数倍频偏εi的关系得出：
如果d≥εi,则
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如果d<εi,则
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为初步修正后的定时偏差，为初步修正后的整数倍频偏；
(2-3)根据初步修正后的定时偏差进行进一步的修正以得到小数倍频偏
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