CN116232831A - 一种基于ofdm技术的通信和测距一体化的通信方法与系统 - Google Patents

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CN116232831A CN202310003564.XA CN202310003564A CN116232831A CN 116232831 A CN116232831 A CN 116232831A CN 202310003564 A CN202310003564 A CN 202310003564A CN 116232831 A CN116232831 A CN 116232831A
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Abstract

本发明公开了一种基于OFDM技术的通信和测距一体化的通信方法与系统，首先在发送端根据设计的原始通信、测距和指示帧信号，生成通信OFDM符号帧、测距OFDM符号帧和指示帧OFDM符号帧，它们的长度由系统设计的算法决定；然后将他们组成通信‑测距帧结构，完成组帧过程，并将该信号通过信道传输到接收端；在接收端对接收到的通信‑测距帧信号进行滑动采样，采样的数据与本地序列进行相关运算，得到多次相关值；得出最大相关值，完成接收信号的同步过程。因此，本发明采用上述基于OFDM技术的通信和测距一体化的通信方法与系统，通过OFDM技术产生的帧结构由指示帧、测距OFDM符号帧、通信OFDM符号帧组成，能够实现通信和测距的一体化设计。

Description

一种基于OFDM技术的通信和测距一体化的通信方法与系统
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，尤其是涉及一种基于OFDM技术的通信和测距一体化的通信方法与系统。
背景技术
在信息化极速发展的当今社会，无线通信技术已经普及到各群众的生活中。无线通信技术不再局限于用于语音通话方面，它已经全面作用于商业、生活、金融及工作中。移动电话，语音通话，数字电视，网络通信，数据交换等，都随着无线通信技术的平台繁衍而生。人们只需要一个可以移动或者终端设备，在任何地点，任何时间，即可享受无线通信技术带来的语音或视频通话，数据及交换，图像和传真等便利服务。
作为一种高效的调制技术，OFDM(Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing，正交频分复用)起源于多载波调制(Multi-Carrier Modulation，MCM)技术，从二十世纪九十年代开始被广泛应用在各种通信系统中。目前，移动通信可以说是当前通信领域中应用最广泛，发展也最快的技术之一。OFDM调制技术在数字电视、移动通信等领域得到了广泛的应用和发展。OFDM调制技术的核心思想是将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号换成并行的低速自数据流，调制到每个子信道上传输。OFDM技术采用多路子载波调制技术，使系统具有较强的抗窄带干扰能力，采用信道估计和信道平衡技术，使系统具有较强的抗多径衰落能力，采用相互正交的子载波作为子信道，允许子信道的频谱重叠，频谱利用率高，采用高阶调制方式，使系统具有较高的传输速率。所以基于OFDM技术做通信的，在现阶段有很多，但是基于OFDM技术实现通信和测距一体化系统设计的却不是很多。
在如今，通信和测距系统都具备收发系统，并使用信号处理方法提取来自接收信号的信息。因此，随着技术的发展，系统的发射与接收模块的性能指标可以同时满足通信与测距的系统指标要求时，进行通信和测距一体化设计，从而共用发射机或接收机以减少收发系统的装备，通过信号设计和信号处理满足通信功能与测距功能，即使得用于在通信设备间传输信息的信号也可以用于对周围环境进行目标距离测量。毫无疑问，这种通信和测距一体化系统的应用潜力和价值是相当巨大的，在一个系统中同时拥有两个功能可以节省硬件，从而降低生产成本。频带资源也可以被更有效使用，因为这样通信和测距就不再需要占用单独的频段。为了实现通信和测距一体化设计，该系统采用OFDM技术来实现通信和测距一体化设计。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于OFDM技术的通信和测距一体化的通信方法与系统，解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于OFDM技术的通信和测距一体化的通信方法与系统，包括以下步骤：
步骤一，设定通信原始信息比特、测距原始信息比特和指示帧原始信息比特；
步骤二，对通信原始信息、测距原始信息、指示帧原始信息进行M阶QAM调制；
步骤三，对经过调制后的通信序列、测距序列、指示帧序列进行串/并转换；
步骤四，将步骤三处理后的数据进行OFDM载波调制，生成通信OFDM符号的有效数据、测距OFDM符号的有效数据部分，以及一个指示帧符号的有效数据部分；
步骤五，通过复制通信/测距/指示帧符号有效数据部分末端的一段数据生成循环前缀，并将复制的副本放在OFDM有效符号的始端，循环前缀和通信/测距/指示帧OFDM符号的有效数据部分共同组成了通信/测距/指示帧OFDM符号；
步骤六，将上述的符号序列进行并/串转换，转换后的通信OFDM符号组成通信OFDM符号帧，转换后的测距OFDM符号组成测距OFDM符号帧，由指示帧、测距OFDM符号帧和通信OFDM符号帧共同组成通信-测距帧，最后通过信道将上述调制后的信号发送到接收端；
步骤七，接收端接收到通信-测距帧信号，通过滑动窗对接收到的通信-测距帧信号进行滑动采样；
步骤八，将滑动窗每次采样到的数据分别与本地序列进行相关运算，依据相关运算公式得到相关值，通过比较相关值的大小得出最大相关值，依据最大相关值得到对应的位置信息，完成接收信号的同步；
步骤九，再根据相关值最大点的位置信息确定测距OFDM符号帧结构的始端和尾端，根据测距OFDM符号帧的始端，得到指示帧的尾端，完成指示帧的同步，得到指示帧信号，根据测距OFDM符号帧的尾端，得到通信OFDM符号帧的始端，完成通信OFDM符号帧的同步，得到通信OFDM符号帧信号；
步骤十，对求得的指示帧信号和通信OFDM符号帧信号进行串/并转换，去循环前缀，以及相应的OFDM载波解调、并/串转换、QAM解调，求得指示帧信息和通信信息，完成通信过程。
优选的，步骤一中，通信原始信息比特a＝[a0,a1,a2,...,al-1]∈{0,1}，l为偶数，测距原始信息比特b＝[b0,b1,b2...,bm-1]∈{0,1}，m为偶数，指示帧原始信息比特
Figure BDA0004035112520000031
s为偶数，其中s的大小需根据系统的设计变化，且s的值需满足能够设计生成一个OFDM符号。
优选的，步骤二中，对通信原始信息进行M阶QAM调制，获得序列
Figure BDA0004035112520000041
对测距原始信息进行M阶QAM调制，获得序列/>
Figure BDA0004035112520000042
对指示帧原始信息进行M阶QAM调制，获得序列/>
Figure BDA0004035112520000043
其中i＝log2M。
优选的，步骤三中，对经过QAM调制后的通信序列
Figure BDA0004035112520000044
测距序列
Figure BDA0004035112520000045
和指示帧序列/>
Figure BDA0004035112520000046
进行串/并转换，即将串行数据转换成Q行的并行数据进行传输。
优选的，步骤四中，将经过步骤三处理后的数据按照大于数据子载波数的最小2的指数幂进行OFDM载波调制(IFFT调制)，生成多个通信OFDM符号的有效数据部分和测距OFDM符号的有效数据部分，以及一个指示帧符号的有效数据部分，
IFFT调制公式如下：
Figure BDA0004035112520000047
n＝0,1,2,...,N-1
X[k]为频域N个子映射符号，其中k＝1，2，…，N，在时域的一个OFDM符号周期内取N采样；经过N点IFFT变换，在频域使N个子映射符号X[k]在时域的N个采样点的n处被对应的N个子载波调制成1个时域子OFDM符号x(n)。
优选的，步骤五中，加入循环前缀后的OFDM符号可以表示为：
Figure BDA0004035112520000048
其中，Ng为循环前缀的采样长度，而Nb＝N+Ng表示加入循环前缀后的OFDM符号的采样长度，设Tg为循环前缀的时间长度，T为OFDM符号的有效数据部分的时间长度，则加入循环前缀后的OFDM符号的时间长度Tb表示为：
Tb＝T+Tg
其中
Figure BDA0004035112520000051
Δf表示子载波的带宽，而Tg＝Ng×Ts，Ts为单位采样时间，表示为
Figure BDA0004035112520000052
Num为IFFT变化个数。
优选的，步骤七中，首先滑动窗从接收信号的始端开始进行数据采样，然后滑动窗的起始位置按照单位采样点间隔进行滑动后移，通过不断改变滑动窗采样的起始位置，完成G次滑动采样过程。
优选的，步骤八中，将滑动窗每次采样到的数据分别与本地序列进行相关运算，依据相关运算公式得到G次相关值，通过比较G次相关值的大小得出最大相关值，依据最大相关值得到对应的位置信息i(i＝0，1，2，…，G-1)，完成接收信号的同步，然后根据公式求出信号的时延td，根据公式求得收发端间的距离D，完成测距过程；
假设对接收信号滑动采样后的序列为r(n+i)与本地序列s(n)之间的相关运算公式：
Figure BDA0004035112520000053
rrs(i)为相关运算结果的相关值大小，其中Ns为本地序列s(n)的采样点总数目，i(i＝0，1，2，…，G-1)为滑动窗的起始位置的滑动后移次数，滑动窗滑动后移i个单位采样点后，滑动采样得到r(n+i)，
Figure BDA0004035112520000054
/>
其中S为指示帧采样点数目；
Figure BDA0004035112520000061
其中c＝3×108m/s。
优选的，步骤十中，对求得的指示帧信号和通信OFDM符号帧信号进行串/并转换，去循环前缀CP，以及相应的OFDM载波解调(FFT解调)、并/串转换、QAM解调，求得指示帧信息
Figure BDA0004035112520000062
和通信信息a'＝[a'0,a1',a'2,...,al'-1]，完成通信过程，FFT解调公式如下：
Figure BDA0004035112520000063
因此，本发明采用上述一种基于OFDM技术的通信和测距一体化的通信方法与系统，具有以下有益效果：
1、本发明的OFDM技术采用多路子载波调制技术，使系统具有较强的抗窄带干扰能力，采用信道估计和信道平衡技术，使系统具有较强的抗多径衰落能力，采用相互正交的子载波作为子信道，允许子信道的频谱重叠，频谱利用率高，采用高阶调制方式，使系统具有较高的传输速率。
2、本发明通过OFDM技术产生的帧结构由指示帧、测距OFDM符号帧、通信OFDM符号帧组成，能够实现通信和测距的一体化设计。具体而言，通过将本地信号与接收到的信号进行相关运算，既完成了系统的测距，还完成了系统的通信同步过程，能够节省导频插入，节约了频率和带宽的开销，提高系统的带宽效率。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明的步骤流程图；
图2为本发明指示帧主要信息比特的结构图；
图3为本发明通信/测距/指示帧OFDM符号的结构图；
图4为本发明通信/测距OFDM符号帧结构图；
图5为本发明通信OFDM符号数目的算法流程图；
图6为本发明测距OFDM符号数目的算法流程图；
图7为本发明通信-测距帧结构图；
图8为本发明相关算法流程图；
图9为本发明实施例工作流程图；
具体实施方式
以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
实施例
如图1所示，本发明所述的一种基于OFDM技术的通信和测距一体化的通信方法与系统，包括以下步骤：
步骤一，设定通信原始信息比特、测距原始信息比特和指示帧原始信息比特。通信原始信息比特a＝[a0,a1,a2,...,al-1]∈{0,1}，l为偶数，测距原始信息比特b＝[b0,b1,b2...,bm-1]∈{0,1}，m为偶数，指示帧原始信息比特
Figure BDA0004035112520000081
s为偶数，其中s的大小需根据系统的设计变化，且s的值需满足能够设计生成一个OFDM符号。
指示帧原始信息比特：是由前24比特的主要信息比特和填充比特组成，其中0～4比特用于表示系统所采用的调制方式，共包括QPSK、QAM16、QAM64等；6～16比特用于表示系统的子载波信息，并且6～8比特表示子载波的起始位置，9～12比特表示系统选用的数据子载波的数目，13～16比特表示数据子载波间的间隔大小；19～22比特用于表示数据的传输速率。除了上述比特段外，还有一些比特位是被保留以备后用的，指示帧主要信息比特的结构如图2所示。
步骤二，对通信原始信息进行M阶QAM调制，获得序列
Figure BDA0004035112520000082
对测距原始信息进行M阶QAM调制，获得序列/>
Figure BDA0004035112520000083
对指示帧原始信息进行M阶QAM调制，获得序列/>
Figure BDA0004035112520000084
其中i＝log2M。
对各个原始信息的数字调制方式可以有多种，如QPSK、16QAM、64QAM以及更高阶的QAM方式等，本发明综合考虑噪声和干扰的鲁棒性以及频带利用率等方面的性能，采用了16QAM的调制方式。
步骤三，对经过QAM调制后的通信序列
Figure BDA0004035112520000085
测距序列
Figure BDA0004035112520000086
和指示帧序列/>
Figure BDA0004035112520000087
进行串/并转换，即将串行数据转换成Q(数据子载波的个数)行的并行数据进行传输。
步骤四，将经过步骤三处理后的数据按照大于数据子载波数的最小2的指数幂进行OFDM载波调制(IFFT调制)，生成多个通信OFDM符号的有效数据部分(C-DATA)和测距OFDM符号的有效数据部分(R-DATA)，以及一个指示帧符号的有效数据部分(I-DATA)。此外，以大于数据子载波数的最小2的指数幂的方式进行载波调制，是为了在增加采样点的同时又可以直接进行快速傅里叶变换。因为采样点数过少时，采样点输出样值往往不能准确反映出连续OFDM符号的特征，且在采样值被还原后，信号中的高频分量会受到干扰不准确。
IFFT调制(IDFT)公式如下：
Figure BDA0004035112520000091
X[k]为频域N个子映射符号，其中k＝1，2，…，N，在时域的一个OFDM符号周期内取N采样。经过N点IFFT变换，在频域使N个子映射符号X[k]在时域的N个采样点的n处被对应的N个子载波调制成1个时域子OFDM符号x(n)。
步骤五，通过复制通信/测距/指示帧符号有效数据部分末端的一段数据生成循环前缀(Cyclic Prefix，CP)，并将复制的副本放在OFDM有效符号的始端，以保持子载波的正交性，消除载波间干扰。循环前缀和通信/测距/指示帧OFDM符号的有效数据部分共同组成了通信/测距/指示帧OFDM符号，符号的结构图如图3所示。
加入循环前缀后的OFDM符号可以表示为：
Figure BDA0004035112520000092
其中，Ng为循环前缀的采样长度，而Nb＝N+Ng表示加入循环前缀后的OFDM符号的采样长度。设Tg为循环前缀的时间长度，T为OFDM符号的有效数据部分的时间长度，则加入循环前缀后的OFDM符号的时间长度Tb表示为：
Tb＝T+Tg
其中
Figure BDA0004035112520000101
Δf表示子载波的带宽。而Tg＝Ng×Ts，Ts为单位采样时间，表示为
Figure BDA0004035112520000102
Num为IFFT变化个数。
添加循环前缀的原理：因OFDM技术有一个最主要的优势是可以有效的抗多径时延效应。为了解决系统中可能出现的符号间干扰(Inter Symbol Interference，ISI)，需要在各个OFDM符号之间插入一定长度的保护间隔(Guard Interval，GI)。通常情况下保护间隔的长度Tg不小于信道的最大时延扩展τmax，即Tg≥τmax。这样一个符号在受到多径时延的影响就不会与下一个符号的有效数据部分产生重叠。此外，为避免采用直接补零方式引起的子载波间干扰(inter-carrier interference，ICI)，选择在OFDM符号的保护间隔内填充循环前缀(CP)，即复制IFFT变换后的OFDM符号后Tg长度的时域信息至头部。加入循环前缀后，信号子载波多径部分在FFT时长内只是时域信息的排列顺序发生改变，但由于信号保持完整性，根据傅里叶变换的循环特性，多径分量并没有破坏子载波间的正交性，有效避免了ICI的影响。
步骤六，将上述的符号序列进行并/串转换，多个转换后的通信OFDM符号组成通信OFDM符号帧，多个转换后的测距OFDM符号组成测距OFDM符号帧，通信/测距OFDM符号帧的结构如图4所示。由指示帧、测距OFDM符号帧和通信OFDM符号帧共同组成通信-测距帧。最后通过信道将上述调制后的信号发送到接收端。
通信OFDM符号帧结构：通信OFDM符号帧是由多个通信OFDM符号串联组成，且通信OFDM符号的数目是在通信误码率参数的约束下，根据不同的非理想信道条件(多径效应、噪声等)确定的。确定通信OFDM符号数目的算法流程图如图5所示。
测距OFDM符号帧结构：测距OFDM符号帧是由多个测距OFDM符号串联组成，而测距OFDM符号的数目是在测距误差参数的约束下，根据不同的非理想信道条件(多径效应、噪声等)确定的。确定测距OFDM符号数目的算法流程图如图6所示。
通信-测距帧结构：由指示帧结构、测距OFDM符号帧结构和通信OFDM符号帧结构组成，通信-测距OFDM帧的结构图如图7所示。
步骤七，接收端接收到通信-测距帧信号，通过滑动窗对接收到的通信-测距帧信号进行滑动采样。首先滑动窗从接收信号的始端开始进行数据采样，然后滑动窗的起始位置按照单位采样点间隔进行滑动后移，通过不断改变滑动窗采样的起始位置，完成G次滑动采样过程。在此过程中，滑动窗的大小始终保持不变，且滑动窗的大小与本地序列(发送端测距OFDM符号帧)的大小相同。
步骤八，将滑动窗每次采样到的数据分别与本地序列进行相关运算，依据相关运算公式得到G次相关值，通过比较G次相关值的大小得出最大相关值，依据最大相关值得到对应的位置信息i(i＝0，1，2，…，G-1)，完成接收信号的同步，然后根据公式求出信号的时延td，根据公式求得收发端间的距离D，完成测距过程。
假设对接收信号滑动采样后的序列为r(n+i)与本地序列s(n)之间的相关运算公式：
Figure BDA0004035112520000111
rrs(i)为相关运算结果的相关值大小。其中Ns为本地序列s(n)的采样点总数目，i(i＝0，1，2，…，G-1)为滑动窗的起始位置的滑动后移次数，滑动窗滑动后移i个单位采样点后，滑动采样得到r(n+i)，
Figure BDA0004035112520000112
其中S为指示帧采样点数目。
D＝td×c
其中c＝3×108m/s。
步骤九，再根据相关值最大点的位置信息确定测距OFDM符号帧结构的始端和尾端。根据测距OFDM符号帧的始端，得到指示帧的尾端，完成指示帧的同步，得到指示帧信号。根据测距OFDM符号帧的尾端，得到通信OFDM符号帧的始端，完成通信OFDM符号帧的同步，得到通信OFDM符号帧信号。
步骤十，对求得的指示帧信号和通信OFDM符号帧信号进行串/并转换，去循环前缀CP，以及相应的OFDM载波解调(FFT解调)、并/串转换、QAM解调，求得指示帧信息
Figure BDA0004035112520000122
和通信信息a'＝[a'0,a′1,a'2,...,a′l-1]，完成通信过程。
FFT解调(DFT)公式如下：
Figure BDA0004035112520000123
在本实例中发射端和接收端使用的是名为ADALM-PLUTO的软件无线电模块，其支持全双工工作方式，瞬时带宽最高可达20MHz，支持MATLAB、Simulink开发环境。系统的整体工作流程图如图9所示。
步骤一：通过USB数据线将ADALM-PLUTO软件无线电与电脑相连组成发送端，启动MATLAB软件，对ADALM-PLUTO软件无线电的参数进行设计。然后再通过USB数据线将另外一个ADALM-PLUTO软件无线电与另一个电脑相连组成接收端，然后启动MATLAB软件，对ADALM-PLUTO软件无线电的参数进行设计。发送机设计，通过MATLAB中的rand()函数随机生成两组0、1比特序列分别作为测距信息和通信信息，并设计生成指示帧原始信息比特序列。
步骤二：然后对生成的序列采用MQAM的映射方式进行数字调制。综合考虑对噪声和干扰的鲁棒性以及频带利用率等方面，本系统主要采用16QAM的映射方式，输出映射复数数据。
步骤三：经过映射后得到串行的复数数据，根据系统设计，按照数据子载波的个数1200，通过串并转换后把数据转化成1200行的并行数据进行传输。
步骤四：FFT调制，要满足大于子载波的最小2的指数幂，本系统子载波个数为1200，所以采用2048点的IFFT变化，即在后面的1201～2048子载波上补零，相当于系统进行了过采样，当采样点数目过少的时候，采样点的输出样值往往不能准确反映出连续OFDM符号的特征，在采样被还原后，信号的高频分量受到干扰不准确，所以采用2048点IFFT在增加采样点的同时又可以直接进行傅里叶变换。此时输出得到多个通信OFDM符号的有效数据部分、多个测距OFDM符号的有效数据部分和一个指示帧符号的有效数据部分。
步骤五：多径信道所产生的多径效应会使得OFDM符号之间出现符号干扰，这样会破坏OFDM符号中子载波得正交性，为了消除该影响，就在保护间隔内加入循环前缀(cp)，循环前缀长度应该大于最大时延扩展。IFFT调制的点数为2048个，循环前缀是2048调制点的后144个点，并将循环前缀的144点，放到2048个调制点的前端，所以对得到的多个通信OFDM符号的有效数据部分、多个测距OFDM符号的有效数据部分和一个指示帧符号的有效数据部分分别添加循环前缀，得到多个通信OFDM符号、多个测距OFDM符号和一个指示帧OFDM符号。
本系统的信道总带宽为20MHz，子载波间隔为Δf＝15KHz，有1200子载波，那么1200*15KHz＝18MHz，剩下的2MHz是保护带宽。则一个OFDM符号有效数据部分的长度为：
TOFDM＝1/Δf≈66.67μs
本系统采用2048点的IFFT，所以OFDM符号的采样间隔为：
Ts＝1/(Δf×2048)≈32.55ns
保护间隔长度(循环前缀)为：
Tg＝144×Ts≈4.69μs
步骤六：加入保护间隔后就完成了对OFDM符号发射端的处理，因为信号在信道中是串行传输得，所以在组帧前先进性并串转换，然后将调制好的OFDM符号依照图7设计的帧结构组帧。组帧后的结构是由指示OFDM符号帧、测距OFDM符号帧、通信OFDM符号帧组成。将生成的测距OFDM符号帧可以存储起来，作为本地信号，需要的时候调用可节省运营时间。
其中获取测距OFDM符号数目的算法流程图如图6所示，首先设置系统的多径数目path，SNR的值snr，设置测距误差参数为D_error_target，蒙特卡洛值CNT，然后系统仿真就会从一个测距OFDM符号开始仿真，根据蒙特卡洛值CNT，进行CNT次仿真，对得到的CNT次仿真误差进行求均值，得到均值误差D_error_final，然后用得到得均值误差D_error_final与误差参数D_error_target进行比较，如果小于误差参数，则输出此时的测距OFDM符号个数，否则，测距OFDM符号个数加一，再重复以上过程，直到得到满足要求的测距OFDM符号数目。
其中通信OFDM符号数目的算法流程图如图5所示，首先设置系统的多径数目path，SNR的值snr，设置误码率参数为BER_target，蒙特卡洛值CNT，设置数据子载波的初始个数，然后系统仿真就会从初始的数据子载波个数开始进行仿真，根据蒙特卡洛值CNT，进行CNT次仿真，对得到的CNT次仿真误码率进行求均值，得到均值误差BER_final，然后用得到的均值误差BER_final与误码率参数BER_target进行比较，如果小于误差参数，则输出此时的数据子载波的个数，否则，数据子载波的个数减2，再重复以上过程，直到得到满足要求的数据子载波个数。然后根据系统设计得到通信OFDM符号的个数。
步骤七：接收机设计，同步问题是通信系统的一个关键问题数字通信中同步主要包括时间同步和载波频率同步，本系统通过测距OFDM符号的相关运算，完成同步，完成延时时间的求取，在实现测距功能的同时，也完成了通信信息的同步。找到了通信OFDM符号帧的起始端，和指示帧的尾端。并对求得通信OFDM符号帧进行串并转换，去除循环前缀，FFT解调、去cp都是和发送端对应模块的逆过程。为使信源数据能够在信道中传输，在发送端对数据进行了星座图映射，把数据比特流映射成模拟形式，所以在接收端进行数据恢复时，要进行与发送端映射方式相对应的解调。最后得到通信信息和指示帧信息。
相关算法的流程图如图8所示：
首先滑动窗的大小与本地序列(发送端测距OFDM符号帧)的大小相同，滑动窗对接收到的通信-测距帧信号进行滑动采样。首先滑动窗从接收信号的始端开始进行数据采样，然后滑动窗的起始位置按照单位采样点间隔进行滑动后移，通过不断改变滑动窗采样的起始位置，完成G次滑动采样过程。在此过程中，滑动窗的大小始终保持不变，且将滑动窗每次采样到的数据分别与本地序列进行相关运算。将滑动窗每次采样到的数据分别与本地序列进行相关运算，依据相关运算公式得到G次相关值。通过比较G次相关值的大小得出最大相关值，依据最大相关值得到对应的位置信息i(i＝0,1,2,...,G-1)，完成接收信号的同步。
以16QAM为例，系统总带宽为20MHz，子载波带宽为15khz，有Nc＝1200个子载波，一个OFDM符号的最高可承载7200比特的信息。所示最高的通信速率Vt＝Nc×log2(16)÷(Ts×2048)＝18Mbps。
系统中的OFDM技术的系统参数如下表所示。
表一OFDM技术方案系统参数
参数 值
子载波个数 2048
数据子载波个数 1200
OFDM符号有效持续时间 66.67μs
保护间隔持续时间 4.45μs
循环前缀 144
子载波间隔 15kHz
采样周期Ts 32.55ns
因此，本发明采用上述一种基于OFDM技术的通信和测距一体化的通信方法与系统，通过OFDM技术产生的帧结构由指示帧、测距OFDM符号帧、通信OFDM符号帧组成，能够实现通信和测距的一体化设计。通过将本地信号与接收到的信号进行相关运算，既完成了系统的测距，还完成了系统的通信同步过程，能够节省导频插入，节约了频率和带宽的开销，提高系统的带宽效率。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种基于OFDM技术的通信和测距一体化的通信方法与系统，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一，设定通信原始信息比特、测距原始信息比特和指示帧原始信息比特；
步骤二，对通信原始信息、测距原始信息、指示帧原始信息进行M阶QAM调制；
步骤三，对经过调制后的通信序列、测距序列、指示帧序列进行串/并转换；
步骤四，将步骤三处理后的数据进行OFDM载波调制，生成通信OFDM符号的有效数据、测距OFDM符号的有效数据部分，以及一个指示帧符号的有效数据部分；
步骤五，通过复制通信/测距/指示帧符号有效数据部分末端的一段数据生成循环前缀，并将复制的副本放在OFDM有效符号的始端，循环前缀和通信/测距/指示帧OFDM符号的有效数据部分共同组成了通信/测距/指示帧OFDM符号；
步骤六，将上述的符号序列进行并/串转换，转换后的通信OFDM符号组成通信OFDM符号帧，转换后的测距OFDM符号组成测距OFDM符号帧，由指示帧、测距OFDM符号帧和通信OFDM符号帧共同组成通信-测距帧，最后通过信道将上述调制后的信号发送到接收端；
步骤七，接收端接收到通信-测距帧信号，通过滑动窗对接收到的通信-测距帧信号进行滑动采样；
步骤八，将滑动窗每次采样到的数据分别与本地序列进行相关运算，依据相关运算公式得到相关值，通过比较相关值的大小得出最大相关值，依据最大相关值得到对应的位置信息，完成接收信号的同步；
步骤九，再根据相关值最大点的位置信息确定测距OFDM符号帧结构的始端和尾端，根据测距OFDM符号帧的始端，得到指示帧的尾端，完成指示帧的同步，得到指示帧信号，根据测距OFDM符号帧的尾端，得到通信OFDM符号帧的始端，完成通信OFDM符号帧的同步，得到通信OFDM符号帧信号；
步骤十，对求得的指示帧信号和通信OFDM符号帧信号进行串/并转换，去循环前缀，以及相应的OFDM载波解调、并/串转换、QAM解调，求得指示帧信息和通信信息，完成通信过程。
2.根据权利要求1所述的基于OFDM技术的通信和测距一体化的通信方法与系统，其特征在于：步骤一中，通信原始信息比特a＝[a0,a1,a2,...,al-1]∈{0,1}，l为偶数，测距原始信息比特b＝[b0,b1,b2...,bm-1]∈{0,1}，m为偶数，指示帧原始信息比特
Figure FDA0004035112510000021
s为偶数，其中s的大小需根据系统的设计变化，且s的值需满足能够设计生成一个OFDM符号。
3.根据权利要求2所述的基于OFDM技术的通信和测距一体化的通信方法与系统，其特征在于：步骤二中，对通信原始信息进行M阶QAM调制，获得序列
Figure FDA0004035112510000022
对测距原始信息进行M阶QAM调制，获得序列/>
Figure FDA0004035112510000023
对指示帧原始信息进行M阶QAM调制，获得序列/>
Figure FDA0004035112510000024
其中i＝log2M。
4.根据权利要求3所述的基于OFDM技术的通信和测距一体化的通信方法与系统，其特征在于：步骤三中，对经过QAM调制后的通信序列
Figure FDA0004035112510000025
测距序列/>
Figure FDA0004035112510000026
和指示帧序列/>
Figure FDA0004035112510000027
进行串/并转换，即将串行数据转换成Q行的并行数据进行传输。
5.根据权利要求4所述的基于OFDM技术的通信和测距一体化的通信方法与系统，其特征在于：步骤四中，将经过步骤三处理后的数据按照大于数据子载波数的最小2的指数幂进行OFDM载波调制(IFFT调制)，生成多个通信OFDM符号的有效数据部分和测距OFDM符号的有效数据部分，以及一个指示帧符号的有效数据部分，
IFFT调制公式如下：
Figure FDA0004035112510000031
X[k]为频域N个子映射符号，其中k＝1，2，…，N，在时域的一个OFDM符号周期内取N采样；经过N点IFFT变换，在频域使N个子映射符号X[k]在时域的N个采样点的n处被对应的N个子载波调制成1个时域子OFDM符号x(n)。
6.根据权利要求5所述的基于OFDM技术的通信和测距一体化的通信方法与系统，其特征在于：步骤五中，加入循环前缀后的OFDM符号可以表示为：
Figure FDA0004035112510000032
其中，Ng为循环前缀的采样长度，而Nb＝N+Ng表示加入循环前缀后的OFDM符号的采样长度，设Tg为循环前缀的时间长度，T为OFDM符号的有效数据部分的时间长度，则加入循环前缀后的OFDM符号的时间长度Tb表示为：
Tb＝T+Tg
其中
Figure FDA0004035112510000033
Δf表示子载波的带宽，而Tg＝Ng×Ts，Ts为单位采样时间，表示为
Figure FDA0004035112510000041
Num为IFFT变化个数。
7.根据权利要求6所述的基于OFDM技术的通信和测距一体化的通信方法与系统，其特征在于：步骤七中，首先滑动窗从接收信号的始端开始进行数据采样，然后滑动窗的起始位置按照单位采样点间隔进行滑动后移，通过不断改变滑动窗采样的起始位置，完成G次滑动采样过程。
8.根据权利要求7所述的基于OFDM技术的通信和测距一体化的通信方法与系统，其特征在于：步骤八中，将滑动窗每次采样到的数据分别与本地序列进行相关运算，依据相关运算公式得到G次相关值，通过比较G次相关值的大小得出最大相关值，依据最大相关值得到对应的位置信息i(i＝0，1，2，…，G-1)，完成接收信号的同步，然后根据公式求出信号的时延td，根据公式求得收发端间的距离D，完成测距过程；
假设对接收信号滑动采样后的序列为r(n+i)与本地序列s(n)之间的相关运算公式：
Figure FDA0004035112510000042
rrs(i)为相关运算结果的相关值大小，其中Ns为本地序列s(n)的采样点总数目，i(i＝0，1，2，…，G-1)为滑动窗的起始位置的滑动后移次数，滑动窗滑动后移i个单位采样点后，滑动采样得到r(n+i)，
Figure FDA0004035112510000043
其中S为指示帧采样点数目；
D＝td×c
其中c＝3×108m/s。
9.根据权利要求8所述的基于OFDM技术的通信和测距一体化的通信方法与系统，其特征在于：步骤十中，对求得的指示帧信号和通信OFDM符号帧信号进行串/并转换，去循环前缀CP，以及相应的OFDM载波解调(FFT解调)、并/串转换、QAM解调，求得指示帧信息
Figure FDA0004035112510000051
和通信信息a'＝[a'0,a1',a'2,...,al'-1]，完成通信过程，FFT解调公式如下：
Figure FDA0004035112510000052
/>
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