專利名稱：一種弱能量并行巴克碼幀同步方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種弱能量并行巴克碼幀同步方法，屬于數(shù)字信息傳輸技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及數(shù)字電視廣播系統(tǒng)、單載波OFDM通信系統(tǒng)、多載波OFDM通信系統(tǒng)、無線局域網(wǎng)(WLAN)等采用OFDM調(diào)制的數(shù)字通信系統(tǒng)中的同步技術(shù)。尤其是在數(shù)字地面電視(DVB-T)系統(tǒng)中用于改善系統(tǒng)的移動性能。
背景技術(shù)：
正交頻分復(fù)用調(diào)制(OFDM)因其信道利用率很高、有很好的抗衰落能力而被廣泛利用。然而，OFDM系統(tǒng)對同步錯誤十分敏感，因此，同步技術(shù)是該系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。
常規(guī)的同步方法可分為保護(hù)間隔同步方法、導(dǎo)頻同步方法、訓(xùn)練序列同步方法和盲同步方法四類。
通過保護(hù)間隔進(jìn)行同步的算法簡單，運(yùn)算量小，在AWGN信道條件下性能較好，但是，在高速移動多徑衰落信道中不易保證精確的時間同步。如果時間同步的時間誤差超過保護(hù)間隔，還會破壞子載波間的正交性。而頻率同步與時間同步同時進(jìn)行，實現(xiàn)雖簡單，但易受時間同步誤差的影響。
利用導(dǎo)頻來獲得同步信號是一個好方法，但是這些導(dǎo)頻因為占用了寶貴的系統(tǒng)帶寬資源而在使用中受到限制。而且，即使在DVB-T系統(tǒng)中，采用導(dǎo)頻和保護(hù)間隔聯(lián)合進(jìn)行同步，其性能也不理想。一般在移動速度超過100km/h時，DVB-T的同步就會出現(xiàn)問題。雖然歐洲也一直試圖改善DVB-T系統(tǒng)的移動接收性能，但是，至今仍沒有公開的相關(guān)技術(shù)報道。所以，在高速移動環(huán)境下如何改善DVB-T系統(tǒng)的同步性能仍是學(xué)術(shù)界研究的難點(diǎn)和重點(diǎn)。
在利用PN序列來進(jìn)行同步的方法中，大部分方法所應(yīng)用的PN序列都是與信號串行排列的，PN序列與信號并行排列的同步方法很少見到。其中，性能較好的串行PN序列同步算法都存在一個較大的弱點(diǎn)，即同步信號在零時間偏移處附近出現(xiàn)了平臺，而不是尖峰，即使文獻(xiàn)Fredrik Tufvesson，Mike Faulkner，Peter Hoeher and Ove Edfors，OFDM time and frequencysynchronization by spread spectrum pilot technique，IEEE Conference，1999.的方法相對更優(yōu)，而文獻(xiàn)Hlaing Minn，Vijay K.Bhargava，and Khaled Ben Letaief，A robust timing and frequencysynchronization for OFDM systems，IEEE Trans.on wireless communications，vol.2，No.4，July2003，pp822-838.和文獻(xiàn)Byungjoon Park，Hyunsoo Cheon，Changeon Kang and Daesik Hong，Anovel timing estimation method for OFDM systems，IEEE Communications letters，vol.7，No.5，，May2003，pp239-241.還針對此問題做了深入探討，但最終效果都不令人滿意。而且串行PN序列同步算法中PN序列占用了寶貴的帶寬資源，只在具有專用同步符號的4G、WLAN等系統(tǒng)中才能適用，而對于DVB-T系統(tǒng)則沒法使用。對于并行PN序列同步算法，由于PN序列疊加在信號上造成了對信號的干擾，雖然Liying Song，Youxi Tang，Hongzhi Zhao，ShaoqianLi，etc，Optimum partial interference canceling factor pilot assistant coherent OFDM system withpartial power training sequences synchronization，The 14thIEEE 2003 international symposium onPersonal，Indoor and Mobile Radio Communication Proceedings，pp1906-1910.提出了一種消除部分干擾的方法，但該方法隱含了一個條件即對接收機(jī)結(jié)構(gòu)的改變；而文獻(xiàn)FredrikTufvesson，Mike Faulkner，Peter Hoeher and Ove Edfors，OFDM time and frequencysynchronization by spread spectrum pilot technique，IEEE Conference，1999.和文獻(xiàn)SteingaB.A，etc，F(xiàn)rame synchronization using superimposed sequence，Proc.IEEE ISIT’97，ULM，Germany，1997，pp489.采用在不同同步階段選用不同能量因子以調(diào)整疊加PN序列能量的方法確實能夠?qū)崿F(xiàn)同步，但是造成了對系統(tǒng)性能的影響，尤其是在高速移動環(huán)境下需要快速同步，這個方法更不適合。
盲同步方法性能比利用先驗知識的序列進(jìn)行同步的性能要差。而就采用保護(hù)間隔、導(dǎo)頻和PN序列進(jìn)行同步的性能相比較，采用PN序列進(jìn)行同步性能更佳。所以，在實際工程中，一般選用同步性能較好的、算法性能較穩(wěn)定的、計算復(fù)雜度較低的快速PN序列同步方法。但是，要得到同時滿足這些條件的同步算法很不易。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種計算復(fù)雜度低的、算法性能穩(wěn)定的快速幀同步方法。該方法不但能滿足所有的正交頻分復(fù)用通信系統(tǒng)在高速移動環(huán)境同步要求，而且所利用的序列不占用寶貴的系統(tǒng)帶寬資源。尤其是在尚沒有實現(xiàn)時間同步和頻率同步的DVB-T系統(tǒng)中，該方法不但能實現(xiàn)高速移動環(huán)境DVB-T系統(tǒng)的幀同步，從而改善系統(tǒng)移動性能，而且其所引入的訓(xùn)練序列對系統(tǒng)性能的影響可以忽略。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是在發(fā)送端，對于OFDM調(diào)制后的子載波基帶時域信號，在其中一個信息符號上疊加弱能量的巴克碼，經(jīng)處理形成發(fā)射信號；在接收端通過對接收信號采用巴克碼進(jìn)行解擴(kuò)產(chǎn)生同步信號，獲得幀同步。
本發(fā)明的具體操作步驟如下步驟1PN序列在時域疊加在OFDM信號上，在這個過程中被分配極弱的能量Pc，對于子載波數(shù)為Nc的OFDM系統(tǒng)，符號長度為Ts。在AWGN信道中，基帶接收信號可以表示為r[k-τ]＝s[k-τ]+n[k-τ]=(Pcσsc[k-τ]+σsd[k-τ])ej(2πϵkNc+θ)+n[k-τ]---(1)]]>其中，c[k]為傳輸?shù)膹?fù)巴克碼，d[k]為OFDM數(shù)據(jù)序列，n′[k]為復(fù)高斯白噪聲，θ為載波相位，ε為待估計的歸一化頻偏，τ為待估計的定時位置。復(fù)巴克碼c[k]所分配的能量Pc非常弱。發(fā)射信號和噪聲的功率分別為σs2和σn2。
特別值得一提的是，在本專利中，復(fù)巴克碼所分配的能量Pc可以非常弱，弱到該并行序列雖然是疊加到信號上，但是對系統(tǒng)性能的影響可以忽略；同時，復(fù)巴克碼所分配的能量Pc可以比較強(qiáng)，強(qiáng)到利用該并行復(fù)巴克碼能夠獲得很好的信道估計性能，從而可以很好地消除并行復(fù)巴克碼對系統(tǒng)性能的影響。這是本專利中對并行巴克碼能量分配的一個核心思想。
步驟2接收信號通過本地復(fù)巴克碼組解擴(kuò)，有c*[k]r[k-τ]=Pcσsc*[k]c[k-τ]ej(2πϵkNc+θ)+σsc*[k]d[k-τ]ej(2πϵkNc+θ)+n′[k-τ]---(2)]]>對于幀同步，假設(shè)兩個序列之間的相對滑動位置τ為整數(shù)。為了進(jìn)行同步，在式(2)中最后兩項可以看作噪聲干擾。
在整個同步階段，復(fù)巴克碼組的能量均僅占總能量的一部分。不像其它常規(guī)方法在俘獲階段讓復(fù)巴克碼組的能量幾乎為1，而在跟蹤階段又把其能量降低到一個對數(shù)據(jù)信號不產(chǎn)生影響的程度，這是本專利技術(shù)與文獻(xiàn)Fredrik Tufvesson，Mike Faulkner，Peter Hoeher and OveEdfors，OFDM time and frequency synchronization by spread spectrum pilot technique，IEEEConference，1999.等常規(guī)方法最大的不同之處。
步驟3假設(shè)解擴(kuò)信號有K個子相關(guān)信號，于是復(fù)巴克碼產(chǎn)生的相關(guān)信號則通過L個子間隔為KP個采樣點(diǎn)求和獲得，其中P為相關(guān)器長度的延時。有Cor1[k,θ]=Σl=0L-1(Σn=0K-1c*[k-n-lL-θ]r[k-n-lK])·(Σn=0K-1c[k-n-(l+P)K-θ]r[k-n-(L+P)K)*---(3)]]>其中，c*[.]表示對c[.]取共軛。
步驟4為了改善幀同步的性能，保護(hù)間隔的相關(guān)性被與復(fù)巴克碼的相關(guān)性融合在一起，共同產(chǎn)生同步信號。于是，幀同步由下式確定θ^=arg{maxθ[Cor1[k,θ]+Σm=θθ+Ng-1r*[m-θ]r[m-θ-Nc]]}---(4)]]>本發(fā)明在OFDM通信系統(tǒng)的發(fā)送端通過在時域疊加具有最佳自相關(guān)特性的只分配少量能量的巴克碼，實現(xiàn)了DVB-T 2K系統(tǒng)在尚沒有獲得時間同步和頻率同步的情況下首先獲得幀同步，從而改善了系統(tǒng)的移動性能。
與現(xiàn)有技術(shù)最大的區(qū)別在于第一、巴克碼與信號并行，即巴克碼是疊加在信號上的；第二、疊加的序列(如巴克碼)僅分配總能量的一部分的能量(所分配能量可以是非常弱的能量，也可以是比較強(qiáng)的能量)，從而與常規(guī)方法不一樣。如果是分配極弱的能量，那么該專利技術(shù)不需要在接收端消除疊加序列對信息和系統(tǒng)的干擾。第三、該專利技術(shù)中的訓(xùn)練序列為復(fù)巴克碼，而現(xiàn)有技術(shù)多采用m序列、Frank序列、Zadoff-Chu序列、Milewsk序列；第四、同步算法不同。
本發(fā)明適用于采用所有采用OFDM進(jìn)行調(diào)制的通信系統(tǒng)中進(jìn)行幀同步和時間同步，尤其是適用于歐洲數(shù)字地面電視(DVB-T)系統(tǒng)中。雖然本發(fā)明的技術(shù)主要針對頻分多址的系統(tǒng)，但任何具有信號處理、通信等知識背景的工程師，都可以根據(jù)本發(fā)明設(shè)計出相應(yīng)的針對碼分多址和時分多址的幀同步或時間同步裝置，其均應(yīng)包含在本發(fā)明的思想和范圍中。


圖1是常規(guī)的OFDM系統(tǒng)框圖。
圖2是包含本專利技術(shù)的OFDM系統(tǒng)框圖。如圖所示，在發(fā)送端加入復(fù)巴克碼的位置為OFDM調(diào)制以及IFFT后、上采樣與成型濾波之前；在接收端加入同步單元的位置為下采樣與成型濾波之后、FFT與OFDM解調(diào)之前。
圖3為在信息符號上疊加巴克碼的示意圖。
具體實施例方式下面通過具體的實施對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的描述。
將本發(fā)明應(yīng)用于OFDM系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用QPSK調(diào)制，仿真均基于DVB-T 2K系統(tǒng)AWGN信道和Rayleigh衰落信道。仿真的主要參數(shù)有假設(shè)頻率偏移為3.6，移動速度為450km/h。具體步驟為1、發(fā)送端將OFDM調(diào)制的基帶信號送入，并在其中一個信息符號上疊加復(fù)巴克碼，形成發(fā)射信號。
2、在接收端獲得接收信號，并按照式(2)對接收信號進(jìn)行解調(diào)，獲得基本解調(diào)單元信號。
3、按照式(3)和式(4)產(chǎn)生同步信號，并通過峰值檢測獲得幀同步。
權(quán)利要求
1.本發(fā)明涉及一種利用弱能量的并行巴克碼進(jìn)行幀同步的方法，其特征在于包括如下步驟步驟1PN序列在時域疊加在OFDM信號上，在這個過程中被分配極弱的能量Pc，對于子載波數(shù)為Nc的OFDM系統(tǒng)，符號長度為Ts。在AWGN信道中，基帶接收信號可以表示為r[k-τ]=s[k-τ]+n[k-τ]]]>=(Pcσsc[k-τ]+σsd[k-τ])ej(2πϵkNc+θ)+n[k-τ]---(1)]]>其中，c[k]為傳輸?shù)膹?fù)巴克碼，d[k]為OFDM數(shù)據(jù)序列，n′[k]為復(fù)高斯白噪聲，θ為載波相位，ε為待估計的歸一化頻偏，τ為待估計的定時位置。復(fù)巴克碼c[k]所分配的能量Pc非常弱。發(fā)射信號和噪聲的功率分別為σs2和σn2。步驟2接收信號通過本地復(fù)巴克碼組解擴(kuò)，有c*[k]r[k-τ]=Pcσsc*[k]c[k-τ]ej(2πϵkNc+θ)+σsc*[k]d[k-τ]ej(2πϵkNc+θ)+n′[k-τ]---(2)]]>對于幀同步，假設(shè)兩個序列之間的相對滑動位置τ為整數(shù)。為了進(jìn)行同步，在式(2)中最后兩項可以看作噪聲干擾。步驟3假設(shè)解擴(kuò)信號有K個子相關(guān)信號，于是復(fù)巴克碼產(chǎn)生的相關(guān)信號則通過L個子間隔為KP個采樣點(diǎn)求和獲得，其中P為相關(guān)器長度的延時。有Cor1[k,θ]=Σl=0L-1(Σn=0K-1c*[k-n-lK-θ]r[k-n-lK])·(Σn=0K-1c[k-n-(l+P)K-θ]r[k-n-(l+P)K])*---(3)]]>其中，c*[.]表示對c[.]取共軛。步驟4為了改善幀同步的性能，保護(hù)間隔的相關(guān)性被與復(fù)巴克碼的相關(guān)性融合在一起，共同產(chǎn)生同步信號。于是，幀同步由下式確定θ^=arg{max[Cor1[k,θ]θ+Σm=θθ+Ng-1r*[m-θ]r[m-θ-Nc]]}---(4)]]>
2.如權(quán)利要求1所說，一種利用弱能量的并行巴克碼進(jìn)行幀同步的方法，其特征在于對疊加的復(fù)巴克碼所分配的能量很弱，僅占總能量的1.4％。
3.如權(quán)利要求1所說，一種利用弱能量的并行巴克碼進(jìn)行幀同步的方法，其特征在于所選擇的序列為復(fù)巴克碼。
4.如權(quán)利要求1所說，一種利用弱能量的并行巴克碼進(jìn)行幀同步的方法，其特征在于可用于單載波、多載波以及無線局域網(wǎng)協(xié)議和數(shù)字廣播電視協(xié)議等采用OFDM進(jìn)行調(diào)制的通信系統(tǒng)。尤其是可用于改善DVB-T系統(tǒng)的同步性能。
5.如權(quán)利要求1所說，一種利用弱能量的并行巴克碼進(jìn)行幀同步的方法，其特征在于如果對并行巴克碼分配較強(qiáng)的能量并獲得精確的信道估計性能，此時，也可以采用該算法通過在接收端消除并行巴克碼對系統(tǒng)性能的影響。當(dāng)然，由于并行巴克碼能量的增加，其幀同步的正確概率比采用弱能量巴克碼來進(jìn)行幀同步的正確概率更高。
6.本發(fā)明適用于采用所有采用OFDM進(jìn)行調(diào)制的通信系統(tǒng)中進(jìn)行幀同步和時間同步，尤其是適用于歐洲數(shù)字地面電視(DVB-T)系統(tǒng)中。雖然本發(fā)明的技術(shù)主要針對頻分多址的系統(tǒng)，但任何具有信號處理、通信等知識背景的工程師，都可以根據(jù)本發(fā)明設(shè)計出相應(yīng)的針對碼分多址和時分多址的幀同步或時間同步裝置，其均應(yīng)包含在本發(fā)明的思想和范圍中。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種利用弱能量并行巴克碼進(jìn)行幀同步的方法，該方法通過在OFDM調(diào)制的基帶時域信號上疊加弱能量的復(fù)巴克碼，而在接收端對收到信號采用復(fù)巴克碼進(jìn)行解調(diào)，并融合保護(hù)間隔的相關(guān)信息產(chǎn)生同步信號，獲得幀同步。本發(fā)明中復(fù)巴克碼所分配的能量極弱，從而對信號和系統(tǒng)性能的影響可以忽略。本發(fā)明實現(xiàn)容易，能用于各類采用OFDM進(jìn)行調(diào)制的通信系統(tǒng)，尤其是對于改善高速移動環(huán)境的DVB－T 2K系統(tǒng)的同步性能有效。
文檔編號H04L27/26GK1901523SQ20051003589
公開日2007年1月24日 申請日期2005年7月20日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月20日
發(fā)明者羅仁澤, 朱維樂 申請人:電子科技大學(xué)中山學(xué)院, 電子科技大學(xué)