CN108429712A - 一种基于ofdm的无线通信时频同步方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于OFDM的无线通信时频同步方法，包括以下步骤：建立映射关系，并在信号调制端进行信号调制，加入信道指示信号；接收机对信道指示信道内的信道指示信号进行检测，测算出跳频通信信号的频点；在跳频频段内进行通信信号的采集；将采集的通信信号利用循环前缀进行时域粗同步和小数倍频偏补偿；利用同步序列进行时域精同步和频域整数倍频偏补偿。本发明提供的基于OFDM的无线通信时频同步方法，通过对窄带的信道指示信道内信号指示信号的检测来实现跳频通信信号的发射与接收端的同步，并利用时频偏纠错方法消除了OFDM信号时频误差，解决了OFDM跳频通信系统的时频同步问题，有效的消除了OFDM信号本身的干扰，提高了通信隐蔽性。

Description

一种基于OFDM的无线通信时频同步方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，涉及到一种基于OFDM的无线通信时频同步方法。
背景技术
正交频分复用(OFDM)技术是4G通信和5G通信的关键技术，时频同步的效果决定了对通信信息的解码效果。隐蔽通信是通信发展的必然要求，为实现通信的隐蔽性常采用通信跳频的方式，则更增加了通信发射、接收之间时频同步的难度，时OFDM信号本身具有ISI和ICI干扰的重大问题，本发明提出了一种基于OFDM的无线跳频通信的时频同步技术，有效的消除了OFDM信号本身的ISI和ICI干扰，该技术经实验验证取得了非常好的同步效果，且提高了通信隐蔽性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于OFDM的无线通信时频同步方法，解决了隐藏通信的过程中，存在通信发射、接收间时频同步的难度大以及OFDM信号干扰大的问题，进而提高了同步效果和通信的隐蔽性。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种基于OFDM的无线通信时频同步方法，包括以下步骤：
S1、确定信号指示信道与通信指示信号，建立信号指示信道内的指示信号与通信跳频信号频点的映射关系，并在信号调制端进行跳频通信信号调制，再加入信道指示信号；
S2、在接收端，接收机对信道指示信道内的信道指示信号进行检测，并将检测结果送到算法单元测算出跳频通信信号的频点；
S3、接收机在测算出的跳频频段内进行通信信号的采集；
S4、将采集的通信信号利用循环前缀进行时域粗同步，并进行小数倍频偏补偿；
S5、利用同步序列进行时域精同步，并进行频域整数倍频偏补偿。
进一步地，所述步骤S1中通信指示信号带宽为Δf，信号的中心频率集合为f(f1,f2,f3,…,fn-1,fn),(f1＜f2＜f3＜…＜fn-1＜fn)，即通信信号的中心频率在f(f1,f2,f3,…,fn-1,fn)之间进行跳频，通信信号的跳频频段在之内；
在通信信号的频段外设一个窄带的跳频频率指示频段在信道指示频段内挑选n个频点作为频率指示频点，并进行编号，分别为建立频率指示频点和跳频频点之间的映射关系；
在发射端OFDM通信信号调制过程中，在OFDM信号时频序列中第一个OFDM符号内填充同步序列Zadoff-Chu序列，并在信道指示频段加入与通信信号跳频频点相对应的频率指示信号。
进一步地，所述映射关系的公式为其中fm为信号的中心频率，为信号的指示频率频点，fp、fΔ为频率计算参量。
4、根据权利要求2所述的一种基于OFDM的无线通信时频同步方法，其特征在于：所述频率指示信号为单一频点的点频信号,即其信号幅度为A大于接收端判决门限。
进一步地，所述步骤S4中OFDM符号前端有从末端复制的L个符号序列(s1,s2,s3,…,sL)，在回波信号采集下的数据(r1,r2,r3,Λ,rN)中用长度为L宽度为M的窗口进行滑动相关计算，其滑动相关计算的算法为：
滑动相关计算数值记为p,则滑动相关的计算公式为其中,M为通信信号符号长度,n为滑动相关的起始位置,且n≤L，r* (n+M+i)为r(n+M+i)取共轭。
进一步地，所述步骤S5中相关运算是用接收端和发射端已约定好的ZC序列Z(z1,z2,z3,Λ,zM)进行相关,滑动FFT相关计算数值记为q，根据步骤S4的粗同步计算，滑动FFT相关计算的起始位置为α0-ε+θ(θ＝0,1,2,Λ,2ε)，滑动长度为2ε，X(x1,x2,x3,Λ,xM)为回波信号采集下的数据求FFT后的序列，相关计算的公式为：
其中z* (i)为z(i)取共轭。
本发明的有益效果：
本发明提供的基于OFDM的无线通信时频同步方法，通过对窄带的信道指示信道内信号指示信号的检测来实现跳频通信信号的发射与接收端的同步，并利用时频偏纠错方法消除了OFDM信号时频误差，解决了OFDM跳频通信系统的时频同步问题，有效的消除了OFDM信号本身的干扰，提高了通信隐蔽性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的基于OFDM跳频通信发射、接收时频同步系统示意图；
图2为本发明实施例提供的跳频通信信号样式示意图；
图3为本发明实施例提供的信道指示信道示意图；
图4为本发明实施例提供的OFDM通信信号同步序列设计时频图；
图5为本发明实施例提供的信道指示信号示意图；
图6为本发明实施例提供的OFDM符号加过循环前缀之后的结构图；
图7为本发明实施例提供的OFDM符号精同步示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1所示，本发明为一种基于OFDM的无线通信时频同步方法，包括以下步骤：
S1、确定信号指示信道与通信指示信号，建立信号指示信道内的指示信号与通信跳频信号频点的映射关系，并在信号调制端进行跳频通信信号调制，再加入信道指示信号；
记基于OFDM的无线通信信号带宽为Δf，信号的中心频率的集合为f(f1,f2,f3,…,fn-1,fn),(f1＜f2＜f3＜…＜fn-1＜fn)，即通信信号的中心频率在f(f1,f2,f3,…,fn-1,fn)之间进行跳频，如图2所示，其通信信号的跳频频段在之内。
如图3所示，在通信信号的频段之外设一个窄带的跳频频率指示频段考虑到保证频率指示频段干净的信道环境，将指示频段设置在大于通信信号的频段的较高频段，在信道指示频段内挑选n个频点作为频率指示频点，并进行编号，分别为建立频率指示频点和跳频频点之间的映射关系其中fm为信号的中心频率，为信号的指示频率频点，fp、fΔ为频率计算参量。
如图4所示，在发射端OFDM通信信号调制过程中，在OFDM信号时频序列中在第一个OFDM符号内填充同步序列Zadoff-Chu序列；
如图5所示，并在信道指示频段加入与通信信号跳频频点相对应的频率指示信号。所述频率指示信号为单一频点的点频信号即，其信号幅度为A大于接收端判决门限。
S2、在接收端，接收机对信道指示信道内的信道指示信号进行检测，并将检测结果送到算法单元测算出跳频通信信号的频点；
接收端接收到信号后首先在窄带的信道指示频段内，用判决门限为的窄带接收机进行检测，检测到的点频信号，接着接收端再经过接收映射关系算出通信信号的频点，从而实现信道指示，实现接收端与发射端的跳频同步以对通信信号进行采样。
S3、接收机在测算出的跳频频段内进行通信信号的采集；
S4、将采集的通信信号利用循环前缀进行时域粗同步，并进行小数倍频偏补偿；
如图6所示为OFDM符号加过循环前缀之后的结构，其符号前端有从末端复制的L个符号序列(s1,s2,s3,…,sL)，在回波信号采集下的数据(r1,r2,r3,Λ,rN)中用长度为L宽度为M的窗口进行滑动相关计算，其中M为通信信号符号长度，此相关是利用符号中间隔M的两个序列自己做相关。其滑动相关计算的算法为：
滑动相关计算数值记为p，滑动相关的起始位置记为n(n≤L),则滑动相关的计算公式为其中，r* (n+M+i)为r(n+M+i)取共轭。
通过滑动相关计算得到的最大值确定符号循环前缀的初始位置α0，同时根据相关计算结果对小数倍的频偏进行补偿。
S5、利用同步序列进行时域精同步，并进行频域整数倍频偏补偿；
如图7所示，时域精同步和时域粗同步的方法相似，用长度为M的滑动窗口先做FFT再做相关运算，此相关运算是用接收端和发射端已约定好的ZC序列Z(z1,z2,z3,Λ,zM)进行相关,滑动FFT相关计算数值记为q，根据上一步的粗同步计算，滑动FFT相关取最大值的位置是在已通过粗同步的循环前缀的初始位置的基础上根据循环前缀的长度推测的有效序列的起始位置的一个估计邻域[α0-ε,α0+ε]内，因此滑动FFT相关计算的起始位置即为α0-ε+θ(θ＝0,1,2,Λ,2ε)，滑动长度为2ε，X(x1,x2,x3,Λ,xM)为回波信号采集下的数据求FFT后的序列，计算公式为：
①FFT窗口运算：
②求相关与运算：
其中z* (i)为z(i)取共轭；
设滑动FFT相关运算在取得最大值，则FFT的窗口的起始位置为α0-ε+θ0，找到起始位置后再对信号序列做上述①式的FFT窗口运算，可解得信号中的ZC序列，用此序列和已知的ZC序列做相位比对，可求出整数倍频偏，从而对信号进行补偿。
本发明提供的基于OFDM的无线通信时频同步方法，通过对窄带的信道指示信道内信号指示信号的检测来实现跳频通信信号的发射与接收端的同步，并利用时频偏纠错方法消除了OFDM信号时频误差，解决了OFDM跳频通信系统的时频同步问题，有效的消除了OFDM信号本身的干扰，提高了通信隐蔽性。
以上内容仅仅是对本发明的构思所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的构思或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于OFDM的无线通信时频同步方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、确定信号指示信道与通信指示信号，建立信号指示信道内的指示信号与通信跳频信号频点的映射关系，并在信号调制端进行跳频通信信号调制，再加入信道指示信号；
S2、在接收端，接收机对信道指示信道内的信道指示信号进行检测，并将检测结果送到算法单元测算出跳频通信信号的频点；
S3、接收机在测算出的跳频频段内进行通信信号的采集；
S4、将采集的通信信号利用循环前缀进行时域粗同步，并进行小数倍频偏补偿；
S5、利用同步序列进行时域精同步，并进行频域整数倍频偏补偿。
2.根据权利要求1所述的一种基于OFDM的无线通信时频同步方法，其特征在于：所述步骤S1中通信指示信号带宽为Δf，信号的中心频率集合为f(f1,f2,f3,…,fn-1,fn),(f1＜f2＜f3＜…＜fn-1＜fn)，即通信信号的中心频率在f(f1,f2,f3,…,fn-1,fn)之间进行跳频，通信信号的跳频频段在之内；
在通信信号的频段外设一个窄带的跳频频率指示频段在信道指示频段内挑选n个频点作为频率指示频点，并进行编号，分别为建立频率指示频点和跳频频点之间的映射关系；
在发射端OFDM通信信号调制过程中，在OFDM信号时频序列中第一个OFDM符号内填充同步序列Zadoff-Chu序列，并在信道指示频段加入与通信信号跳频频点相对应的频率指示信号。
3.根据权利要求2所述的一种基于OFDM的无线通信时频同步方法，其特征在于：所述映射关系的公式为其中fm为信号的中心频率，为信号的指示频率频点，fp、fΔ为频率计算参量。
4.根据权利要求2所述的一种基于OFDM的无线通信时频同步方法，其特征在于：所述频率指示信号为单一频点的点频信号,即其信号幅度为A大于接收端判决门限。
5.根据权利要求1所述的一种基于OFDM的无线通信时频同步方法，其特征在于：所述步骤S4中OFDM符号前端有从末端复制的L个符号序列(s1,s2,s3,…,sL)，在回波信号采集下的数据(r1,r2,r3,Λ,rN)中用长度为L宽度为M的窗口进行滑动相关计算，其滑动相关计算的算法为：
滑动相关计算数值记为p,则滑动相关的计算公式为其中,M为通信信号符号长度,n为滑动相关的起始位置,且n≤L，r* (n+M+i)为r(n+M+i)取共轭。
6.根据权利要求1所述的一种基于OFDM的无线通信时频同步方法，其特征在于：所述步骤S5中相关运算是用接收端和发射端已约定好的ZC序列Z(z1,z2,z3,Λ,zM)进行相关,滑动FFT相关计算数值记为q，根据步骤S4的粗同步计算，滑动FFT相关计算的起始位置为α0-ε+θ(θ＝0,1,2,Λ,2ε)，滑动长度为2ε，X(x1,x2,x3,Λ,xM)为回波信号采集下的数据求FFT后的序列，其相关计算的公式为：
其中，z* (i)为z(i)取共轭。
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