本發(fā)明涉及數(shù)字通信領(lǐng)域，具體是一種ofdm系統(tǒng)中的時(shí)頻聯(lián)合同步方法及裝置。

背景技術(shù)：

數(shù)字通信系統(tǒng)是利用數(shù)字信號傳輸信息的系統(tǒng)，是構(gòu)成現(xiàn)代通信網(wǎng)的基礎(chǔ)。數(shù)字通信系統(tǒng)具有抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高，易于加密且保密性強(qiáng)，靈活性好，設(shè)備可集成化等模擬通信系統(tǒng)不具有的優(yōu)點(diǎn)。但存在諸多優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，數(shù)字通信系統(tǒng)還存在著占用頻帶較寬，技術(shù)要求復(fù)雜，尤其是同步技術(shù)要求精度高等問題。

數(shù)字通信最根本的要求和目標(biāo)是信號在信道中能夠可靠、高速的傳輸，為了滿足這一需求，各種新型通信技術(shù)不斷涌現(xiàn)出來，正交頻分復(fù)用(ofdm)技術(shù)的出現(xiàn)能夠有效減少數(shù)字通信過程中經(jīng)常遇到的衰落、干擾及噪聲對信號產(chǎn)生的影響，從而大幅度提高數(shù)字通信系統(tǒng)的信道容量與傳輸速率。因此，ofdm技術(shù)在數(shù)字通信領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。

ofdm技術(shù)因具有高頻譜的利用率、抗多徑干擾和頻率選擇性衰落、對均衡要求低等優(yōu)點(diǎn)成為了第四代移動(dòng)通信的核心技術(shù)。其與光纖通信技術(shù)相結(jié)合的光正交頻分復(fù)用(oofdm，opticalorthogonalfrequencydivisionmultiplexing)也成為了光纖通信領(lǐng)域的一項(xiàng)核心技術(shù)。然而，ofdm數(shù)字通信系統(tǒng)(簡稱ofdm系統(tǒng))同樣有其固有的缺點(diǎn)，如高峰均比(papr)、對相位噪聲、頻偏和同步誤差敏感等。本發(fā)明的目的是解決ofdm系統(tǒng)中的時(shí)頻同步問題。

在ofdm系統(tǒng)中，一方面，為了接收端得到準(zhǔn)確的快速傅里葉變換起始位置，需要進(jìn)行準(zhǔn)確的符號定時(shí)同步，否則將會導(dǎo)致嚴(yán)重的符號間干擾(isi)，甚至導(dǎo)致載波間干擾(ici)；另一方面，如果系統(tǒng)中的載波頻率偏差得不到有效的補(bǔ)償，ofdm系統(tǒng)子載波之間的正交性將被破壞，則該系統(tǒng)的諸多優(yōu)勢將不復(fù)存在。所以采用更加有效的同步技術(shù)來保證系統(tǒng)的通信質(zhì)量至關(guān)重要，深入研究ofdm系統(tǒng)的符號定時(shí)同步與載波頻率同步具有重要意義。

按照是否需要在ofdm符號中額外插入數(shù)據(jù)，同步算法可以分為兩大類：數(shù)據(jù)輔助型同步算法和非數(shù)據(jù)輔助型同步算法。數(shù)據(jù)輔助型同步算法由于插入了額外的數(shù)據(jù)，不可避免地增加了系統(tǒng)的冗余度，降低了系統(tǒng)的有效性，但是這類算法的優(yōu)點(diǎn)是估計(jì)精度高且計(jì)算復(fù)雜度相對較低，在ofdm系統(tǒng)具有更好的應(yīng)用前景。此類算法主要包括基于保護(hù)間隔的同步算法、基于導(dǎo)頻的同步算法以及基于訓(xùn)練序列的同步算法三種?；谟?xùn)練序列的同步方法，因?yàn)槠渫剿俣瓤?、精度高等?yōu)點(diǎn)，常被應(yīng)用于突發(fā)通信中，在加性高斯白噪聲(awgn)信道和多徑衰落信道下該方法都可以獲得很好的同步性能，也是ofdm系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)時(shí)頻聯(lián)合同步的首選方法。傳統(tǒng)的基于訓(xùn)練序列的同步算法主要依靠訓(xùn)練序列的相關(guān)性來完成同步，因此，在設(shè)計(jì)訓(xùn)練序列時(shí)應(yīng)使其內(nèi)部某些部分之間具有較強(qiáng)的相關(guān)性，并且能夠容易實(shí)現(xiàn)。

基于訓(xùn)練序列的同步算法中最經(jīng)典的是文獻(xiàn)《robustfrequencyandtimingsynchronizationforofdm》(t.m.schmidl，d.c.cox.robustfrequencyandtimingsynchronizationforofdm[j].transactionsoncommunications，1997，45(12)，pp：1613-1621)提出的schmidl算法，利用訓(xùn)練序列的相關(guān)性進(jìn)行同步的時(shí)頻估計(jì)。由于循環(huán)前綴的存在，schmidl算法的定時(shí)測量函數(shù)會出現(xiàn)“峰值平臺”，造成定時(shí)模糊。經(jīng)典時(shí)頻同步算法都要經(jīng)過兩步運(yùn)算才能分別計(jì)算出時(shí)間偏移和載波頻率偏移，不僅具有較高的同步處理復(fù)雜度，又影響了處理的速度，因此出現(xiàn)了同時(shí)估計(jì)時(shí)間偏移和載波頻率偏移的時(shí)頻聯(lián)合同步方法。

對時(shí)頻聯(lián)合同步方法進(jìn)行研究的文獻(xiàn)《jointtimingsynchronizationandfrequencyoffsetacquisitionalgorithmformimoofdmsystems》(q.liu，b.hu.jointtimingsynchronizationandfrequencyoffsetacquisitionalgorithmformimoofdmsystems[j].systemsengineeringandelectronics.2009，20(3)，pp：470～478)針對傳統(tǒng)同步算法存在的效率和精度上的問題，提出使用兩個(gè)調(diào)頻率不同的線性調(diào)頻信號(lfm)作為訓(xùn)練序列，在接收端進(jìn)行兩次分?jǐn)?shù)階傅立葉變換(frft)可以同時(shí)計(jì)算出系統(tǒng)中的時(shí)偏和頻偏，從而實(shí)現(xiàn)時(shí)頻聯(lián)合同步。

在此基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)《jointtiming/frequencyoffsetestimationandcorrectionbasedonfrftencodedtrainingsymbolsforpdmco-ofdmsystems》(huibinzhou，xiangli，mingtang.jointtiming/frequencyoffsetestimationandcorrectionbasedonfrftencodedtrainingsymbolsforpdmco-ofdmsystems[j].opticsexpress(oe)，2016，19(3)，pp：2831-2845.)提出了偏振復(fù)用相干光正交頻分復(fù)用系統(tǒng)中基于frft的時(shí)頻聯(lián)合同步算法。接收端通過一次frft實(shí)現(xiàn)對時(shí)間偏移和頻率偏移同時(shí)進(jìn)行估計(jì)，提高了已有同步算法的估計(jì)精度和估計(jì)范圍。

但基于frft的時(shí)頻聯(lián)合同步方法同樣存在一定的不足，在低信噪比時(shí)，frft對噪聲的抑制作用有限，檢測性能降低，并且多個(gè)lfm信號的frft譜存在相互遮蔽的問題，對估計(jì)精度造成一定的影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種ofdm系統(tǒng)中的時(shí)頻聯(lián)合同步方法及裝置，用以同時(shí)估計(jì)系統(tǒng)中存在的時(shí)間偏移和頻率偏移，提升時(shí)頻同步精度，實(shí)現(xiàn)對ofdm符號的準(zhǔn)確接收。本發(fā)明提出的時(shí)頻聯(lián)合同步方法基于radon-wigner(拉東-維格納)變換實(shí)現(xiàn)，首先采用兩個(gè)調(diào)頻率互為相反數(shù)的線性調(diào)頻(lfm)信號作為訓(xùn)練序列，并插入到所發(fā)送的ofdm數(shù)據(jù)符號前；然后，在接收端對接收到的訓(xùn)練序列進(jìn)行radon-wigner變換，利用lfm信號經(jīng)過radon-wigner變換后會產(chǎn)生沖激的特性，通過在radon-wigner變換域中檢測峰值位置可以精確的檢測出lfm信號。當(dāng)ofdm系統(tǒng)中存在時(shí)間偏移和頻率偏移時(shí)，lfm信號經(jīng)radon-wigner變換后的峰值位置會發(fā)生相應(yīng)的移動(dòng)。最后利用檢測得到的峰值位置變化量同時(shí)計(jì)算得出ofdm系統(tǒng)中存在的時(shí)偏和整數(shù)倍頻偏，小數(shù)倍頻偏可以利用傳統(tǒng)schmidl(施米德爾)算法進(jìn)一步進(jìn)行估計(jì)，由于定時(shí)位置已經(jīng)確定，可以很容易計(jì)算出小數(shù)倍頻偏。該同步算法相較于傳統(tǒng)利用訓(xùn)練序列相關(guān)性進(jìn)行同步的方法，可以同時(shí)計(jì)算出時(shí)偏和整數(shù)倍頻偏，提高了同步效率，并且克服了低信噪比時(shí)frft對lfm信號檢測性能降低的問題，因此在低信噪比時(shí)相較于基于frft的時(shí)頻聯(lián)合同步方法具有更好的同步效果，提高了時(shí)頻同步精度。

本發(fā)明解決該技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：一種ofdm系統(tǒng)中的時(shí)頻聯(lián)合同步方法及裝置。

本發(fā)明提供的ofdm系統(tǒng)中的時(shí)頻聯(lián)合同步方法，包括以下步驟：

在發(fā)送端選取兩個(gè)調(diào)頻率相反的線性調(diào)頻lfm信號相加作為訓(xùn)練序列，并將訓(xùn)練序列插入到ofdm符號前；

在接收端對接收到的訓(xùn)練序列進(jìn)行radon-wigner變換，檢測兩個(gè)lfm信號在radon-wigner變換域的實(shí)際峰值位置信息；

根據(jù)兩個(gè)lfm信號在radon-wigner變換域的理論峰值位置信息、以及檢測到的兩個(gè)lfm信號在radon-wigner變換域的實(shí)際峰值位置信息，確定兩個(gè)lfm信號對應(yīng)的中心頻率變化量；

根據(jù)得到的兩個(gè)lfm信號的中心頻率變化量和兩個(gè)lfm信號的調(diào)頻率，確定ofdm系統(tǒng)中存在的時(shí)間偏移和頻率偏移；

根據(jù)確定出的時(shí)間偏移和頻率偏移對接收到的ofdm符號進(jìn)行補(bǔ)償。

進(jìn)一步地，所述峰值位置信息包括調(diào)頻率和中心頻率；以及

所述根據(jù)兩個(gè)lfm信號在radon-wigner變換域的理論峰值位置信息、以及檢測到的兩個(gè)lfm信號在radon-wigner變換域的實(shí)際峰值位置信息，確定兩個(gè)lfm信號對應(yīng)的中心頻率變化量，具體包括：

從兩個(gè)lfm信號在radon-wigner變換域的理論峰值位置信息中提取兩個(gè)lfm信號的中心頻率理論值；

從檢測到的兩個(gè)lfm信號在radon-wigner變換域的實(shí)際峰值位置信息中提取兩個(gè)lfm信號的中心頻率實(shí)際值；

根據(jù)兩個(gè)lfm信號的中心頻率理論值和中心頻率實(shí)際值，確定兩個(gè)lfm信號對應(yīng)的中心頻率變化量。

進(jìn)一步地，所述兩個(gè)lfm信號在radon-wigner變換域的理論峰值位置信息預(yù)先配置在接收端。

進(jìn)一步地，所述發(fā)送端選取的兩個(gè)調(diào)頻率相反的lfm信號分別使用如下公式表示：

其中，-f0表示lfm信號z1(t)的中心頻率理論值，μ表示z1(t)的調(diào)頻率；f0表示lfm信號z2(t)的中心頻率理論值，-μ表示z2(t)的調(diào)頻率；

z1(t)、z2(t)在radon-wigner變換域中的理論峰值位置信息分別為(μ，-f0)、(-μ，f0)；

z1(t)、z2(t)在radon-wigner變換域中的實(shí)際峰值位置信息分別為(μ，f01)、(-μ，f02)，f01表示z1(t)的中心頻率實(shí)際值，f02表示z2(t)的中心頻率實(shí)際值；

所述根據(jù)兩個(gè)lfm信號的中心頻率理論值和中心頻率實(shí)際值，確定兩個(gè)lfm信號對應(yīng)的中心頻率變化量，具體通過如下公式表示：

δρ1＝f01-(-f0)

δρ2＝f02-f0

其中，δρ1表示lfm信號z1(t)的中心頻率變化量，δρ2表示lfm信號z2(t)的中心頻率變化量。

進(jìn)一步地，所述根據(jù)得到的中心頻率變化量和兩個(gè)lfm信號的調(diào)頻率，確定ofdm系統(tǒng)中存在的時(shí)間偏移和頻率偏移，具體通過如下公式表示：

δf＝-(δρ1+δρ2)/2

δt＝(δρ1-δρ2)/2μ

其中，δf表示ofdm系統(tǒng)中存在的頻率偏移，δt表示ofdm系統(tǒng)中存在的時(shí)間偏移，δρ1表示lfm信號z1(t)的中心頻率變化量，δρ2表示lfm信號z2(t)的中心頻率變化量，μ表示z1(t)的調(diào)頻率。

本發(fā)明提供的ofdm系統(tǒng)中的時(shí)頻聯(lián)合同步裝置，包括：

訓(xùn)練序列插入模塊，用于在發(fā)送端選取兩個(gè)調(diào)頻率相反的線性調(diào)頻lfm信號相加作為訓(xùn)練序列，并將訓(xùn)練序列插入到ofdm符號前；

變換檢測模塊，用于在接收端對接收到的訓(xùn)練序列進(jìn)行radon-wigner變換，檢測兩個(gè)lfm信號在radon-wigner變換域的實(shí)際峰值位置信息；

中心頻率變化量確定模塊，用于根據(jù)兩個(gè)lfm信號在radon-wigner變換域的理論峰值位置信息、以及檢測到的兩個(gè)lfm信號在radon-wigner變換域的實(shí)際峰值位置信息，確定兩個(gè)lfm信號對應(yīng)的中心頻率變化量；

偏移確定模塊，用于根據(jù)得到的兩個(gè)lfm信號的中心頻率變化量和兩個(gè)lfm信號的調(diào)頻率，確定ofdm系統(tǒng)中存在的時(shí)間偏移和頻率偏移；

同步模塊，用于根據(jù)確定出的時(shí)間偏移和頻率偏移對接收到的ofdm符號進(jìn)行補(bǔ)償。

進(jìn)一步地，所述峰值位置信息包括調(diào)頻率和中心頻率；以及

中心頻率變化量確定模塊，具體包括：

第一提取子模塊，用于從兩個(gè)lfm信號在radon-wigner變換域的理論峰值位置信息中提取兩個(gè)lfm信號的中心頻率理論值；

第二提取子模塊，用于從檢測到的兩個(gè)lfm信號在radon-wigner變換域的實(shí)際峰值位置信息中提取兩個(gè)lfm信號的中心頻率實(shí)際值；

確定子模塊，用于根據(jù)兩個(gè)lfm信號的中心頻率理論值和中心頻率實(shí)際值，確定兩個(gè)lfm信號對應(yīng)的中心頻率變化量。

進(jìn)一步地，還包括：

配置模塊，用于在接收端預(yù)先配置所述兩個(gè)lfm信號在radon-wigner變換域的理論峰值位置信息。

進(jìn)一步地，所述發(fā)送端選取的兩個(gè)調(diào)頻率相反的lfm信號分別使用如下公式表示：

其中，-f0表示lfm信號z1(t)的中心頻率理論值，μ表示z1(t)的調(diào)頻率；f0表示lfm信號z2(t)的中心頻率理論值，-μ表示z2(t)的調(diào)頻率；

z1(t)、z2(t)在radon-wigner變換域中的理論峰值位置信息分別為(μ，-f0)、(-μ，f0)；

z1(t)、z2(t)在radon-wigner變換域中的實(shí)際峰值位置信息分別為(μ，f01)、(-μ，f02)，f01表示z1(t)的中心頻率實(shí)際值，f02表示z2(t)的中心頻率實(shí)際值；

所述確定子模塊，具體通過如下公式表示：

δρ1＝f01-(-f0)

δρ2＝f02-f0

其中，δρ1表示lfm信號z1(t)的中心頻率變化量，δρ2表示lfm信號z2(t)的中心頻率變化量。

進(jìn)一步地，所述偏移確定模塊，具體通過如下公式表示：

δf＝-(δρ1+δρ2)/2

δt＝(δρ1-δρ2)/2μ

其中，δf表示ofdm系統(tǒng)中存在的頻率偏移，δt表示ofdm系統(tǒng)中存在的時(shí)間偏移，δρ1表示lfm信號z1(t)的中心頻率變化量，δρ2表示lfm信號z2(t)的中心頻率變化量，μ表示z1(t)的調(diào)頻率。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的顯著進(jìn)步是：

(1)本發(fā)明是ofdm系統(tǒng)中的時(shí)頻聯(lián)合同步方法及裝置。相比于傳統(tǒng)定時(shí)同步和載波頻率同步算法，本發(fā)明所提出的時(shí)頻聯(lián)合同步算法可以通過在接收端進(jìn)行radon-wigner變換同時(shí)估計(jì)出系統(tǒng)中存在的時(shí)偏和頻偏，并獲得更高的估計(jì)精度，克服了傳統(tǒng)算法在效率和精度上的不足，實(shí)現(xiàn)ofdm信號的準(zhǔn)確接收。并且由于radon-wigner變換對lfm信號良好的聚集特性，能有效克服在低信噪比時(shí)frft對lfm信號檢測性能下降及多個(gè)lfm信號存在時(shí)其變換譜相互遮蔽可能造成峰值誤判的問題。

(2)本發(fā)明的仿真結(jié)果顯示，本發(fā)明提出的時(shí)頻聯(lián)合同步方法可以有效地提高時(shí)偏和頻偏的估計(jì)精度，特別是在低信噪比的情況下，與現(xiàn)有同步方法相比具有優(yōu)越的同步性能。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。

圖1為本發(fā)明一種ofdm系統(tǒng)中的時(shí)頻同步方法的流程圖；

圖2為本發(fā)明一種ofdm系統(tǒng)中的時(shí)頻同步裝置的結(jié)構(gòu)圖；

圖3為本發(fā)明用于ofdm系統(tǒng)中的時(shí)頻聯(lián)合同步所使用的ofdm信號調(diào)制解調(diào)框圖；

圖4為ofdm系統(tǒng)同步框圖；

圖5為本發(fā)明應(yīng)用于ofdm系統(tǒng)中時(shí)頻聯(lián)合同步算法的lfm信號的radon-wigner變換仿真圖；

圖6為本發(fā)明方法所提出的lfm信號構(gòu)成的訓(xùn)練序列在系統(tǒng)存在不同偏移時(shí)的位置變化，其中圖6(a)為不存在偏移時(shí)兩信號在時(shí)頻平面的位置，圖6(b)為存在頻率偏移時(shí)兩信號在時(shí)頻平面的位置，圖6(c)為存在時(shí)間偏移時(shí)兩信號在時(shí)頻平面的位置，圖6(d)為既存在頻率偏移又存在時(shí)間偏移時(shí)兩信號在時(shí)頻平面的位置；

圖7為本發(fā)明方法和現(xiàn)有同步算法在不同信噪比下的平均定時(shí)估計(jì)誤差比較圖；

圖8為本發(fā)明方法和現(xiàn)有同步算法在不同信噪比下的平均歸一化頻偏估計(jì)誤差比較圖；

圖9為本發(fā)明方法和現(xiàn)有同步算法在不同歸一化頻偏下的平均估計(jì)誤差比較圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明實(shí)施例提供了一種ofdm系統(tǒng)時(shí)頻聯(lián)合同步方法及裝置，實(shí)現(xiàn)了對ofdm符號的準(zhǔn)確接收。

如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種ofdm系統(tǒng)中的時(shí)頻聯(lián)合同步方法，包括以下步驟：

第一步，在發(fā)送端選取兩個(gè)調(diào)頻率相反的線性調(diào)頻(lfm)信號相加作為訓(xùn)練序列t(t)，并將訓(xùn)練序列插入到ofdm符號前。

即：

t(t)＝z1(t)+z2(t)

其中，z1(t)和z2(t)為兩個(gè)調(diào)頻率相反的lfm信號，-f0表示不存在偏移時(shí)lfm信號z1(t)的中心頻率理論值，μ表示z1(t)的調(diào)頻率；f0表示不存在偏移時(shí)lfm信號z2(t)的中心頻率理論值，-μ表示z2(t)的調(diào)頻率。

第二步，在接收端對接收到的訓(xùn)練序列進(jìn)行radon-wigner變換，檢測兩個(gè)lfm信號在radon-wigner變換域的實(shí)際峰值位置信息。

接收端對信號進(jìn)行radon-wigner變換，由于該變換對lfm信號具有匯聚作用，因此變換后的lfm信號會在radon-wigner變換域中產(chǎn)生峰值。

(1)的wigner變換：

(2)的radon-wigner變換：

因此，當(dāng)不存在偏移時(shí)，z1(t)、z2(t)在radon-wigner變換域中的理論峰值位置信息分別為(μ，-f0)、(-μ，f0)。

第三步，根據(jù)兩個(gè)lfm信號在radon-wigner變換域的理論峰值位置信息、以及檢測到的兩個(gè)lfm信號在radon-wigner變換域的實(shí)際峰值位置信息，確定兩個(gè)lfm信號對應(yīng)的中心頻率變化量。

兩個(gè)lfm信號f1、f2在其時(shí)頻平面可以表示為：

f1＝-f0+μt1

f2＝f0-μt2

其中f0和-f0分別為其中心頻率，μ和-μ分別為調(diào)頻率，f1和f2為頻率，t1和t2為時(shí)間。

當(dāng)存在時(shí)偏和頻偏時(shí)：

f1+δf＝-f0+μ(t1+δt)

f2+δf＝f0-μ(t2+δt)

即

f1＝-f0+μ(t1+δt)-δf

f2＝f0-μ(t2+δt)-δf

其中δt為系統(tǒng)中存在的時(shí)間偏移量，δf為系統(tǒng)中存在的載波頻率偏移量。

則此時(shí)的中心頻率f01和f02為

f01＝-f0+μδt-δf

f02＝f0-μδt-δf

發(fā)生偏移后，兩個(gè)信號的調(diào)頻率保持不變，中心頻率發(fā)生變化，中心頻率變化量δρ為：

δρ1＝f01-(-f0)

δρ2＝f02-f0

即

δρ1＝-δf+μδt

δρ2＝-δf-μδt

第四步，根據(jù)得到的兩個(gè)lfm信號的中心頻率變化量和兩個(gè)lfm信號的調(diào)頻率，確定ofdm系統(tǒng)中存在的時(shí)間偏移和頻率偏移。

根據(jù)所得信號中心頻率變化量和信號調(diào)頻率計(jì)算出系統(tǒng)中存在的時(shí)間偏移和頻率偏移，具體通過如下公式計(jì)算：

δf＝-(δρ1+δρ2)/2

δt＝(δρ1-δρ2)/2μ

第五步，根據(jù)確定出的時(shí)間偏移和頻率偏移對接收到的ofdm符號進(jìn)行補(bǔ)償。

圖2所示實(shí)施例表明，本發(fā)明方法采用的ofdm系統(tǒng)中時(shí)頻聯(lián)合同步裝置圖：

訓(xùn)練序列插入模塊21，用于在發(fā)送端選取兩個(gè)調(diào)頻率相反的線性調(diào)頻lfm信號相加作為訓(xùn)練序列，并將訓(xùn)練序列插入到ofdm符號前；

變換檢測模塊22，用于在接收端對接收到的訓(xùn)練序列進(jìn)行radon-wigner變換，檢測兩個(gè)lfm信號在radon-wigner變換域的實(shí)際峰值位置信息；

中心頻率變化量模塊23，用于根據(jù)兩個(gè)lfm信號在radon-wigner變換域的理論峰值位置信息、以及檢測到的兩個(gè)lfm信號在radon-wigner變換域的實(shí)際峰值位置信息，確定兩個(gè)lfm信號對應(yīng)的中心頻率變化量；

中心頻率變化量模塊23具體可以包括：

第一提取子模塊231，用于從兩個(gè)lfm信號在radon-wigner變換域的理論峰值位置信息中提取兩個(gè)lfm信號的中心頻率理論值；

第二提取子模塊232，用于從檢測到的兩個(gè)lfm信號在radon-wigner變換域的實(shí)際峰值位置信息中提取兩個(gè)lfm信號的中心頻率實(shí)際值；

確定子模塊233，用于根據(jù)兩個(gè)lfm信號的中心頻率理論值和中心頻率實(shí)際值，確定兩個(gè)lfm信號對應(yīng)的中心頻率變化量；其中兩個(gè)lfm信號的中心頻率理論值可由配置模塊在接收端預(yù)先配置所述兩個(gè)lfm信號在radon-wigner變換域的理論峰值位置信息；

偏移確定模塊24，用于根據(jù)得到的兩個(gè)lfm信號的中心頻率變化量和兩個(gè)lfm信號的調(diào)頻率，確定ofdm系統(tǒng)中存在的時(shí)間偏移和頻率偏移；

同步模塊25，用于根據(jù)確定出的時(shí)間偏移和頻率偏移對接收到的ofdm符號進(jìn)行補(bǔ)償。

其中需要進(jìn)行同步的ofdm信號的調(diào)制解調(diào)過程如圖3所示。為方便理解，先對涉及到的ofdm調(diào)制解調(diào)過程、系統(tǒng)同步模型和所涉及到的radon-wigner變換的基本原理簡要介紹如下：

(1)本發(fā)明方法采用的ofdm信號的調(diào)制解調(diào)過程，具體描述如圖3所示。隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)與dsp技術(shù)的發(fā)展，人們成功利用離散傅里葉逆變換(idft)/離散傅里葉變換(dft)實(shí)現(xiàn)對ofdm信號的調(diào)制/解調(diào)，推動(dòng)了ofdm技術(shù)走向?qū)嶋H應(yīng)用。

從多載波調(diào)制的角度分析ofdm信號的調(diào)制/解調(diào)原理，由圖3可以看出，當(dāng)我們以一個(gè)ofdm符號為例，并且以速率ts/n對s(t)進(jìn)行抽樣，則得到第m個(gè)抽樣值：

結(jié)合子載波正交條件，可知

綜合兩式，可以得到：

其中，表示idft。在接收端，可以通過dft進(jìn)行解調(diào)：

可以看出ofdm信號的調(diào)制/解調(diào)可以利用idft/dft進(jìn)行，而且通常實(shí)際中采用更加快捷高效的ifft和fft來代替，將復(fù)合乘法運(yùn)算的次數(shù)由n²降為這樣不僅降低了計(jì)算的復(fù)雜度，而且節(jié)約了系統(tǒng)成本，奠定了ofdm技術(shù)廣泛應(yīng)用堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

(2)ofdm系統(tǒng)同步模型：本發(fā)明是為了解決ofdm數(shù)字通信系統(tǒng)中的時(shí)頻聯(lián)合同步問題，即同時(shí)估計(jì)出系統(tǒng)中存在的時(shí)間偏移和整數(shù)倍載波頻率偏移。在ofdm系統(tǒng)中，同步技術(shù)按功能可以分為三類：第一類為符號定時(shí)同步，第二類為載波頻率同步，第三類為采樣鐘同步，如圖4所示。

ofdm系統(tǒng)接收端進(jìn)行符號定時(shí)同步，才能得到ofdm符號的正確起始位置，以明確fft窗口的位置，最終實(shí)現(xiàn)正確的解調(diào)。由于系統(tǒng)采用了相干檢測，而發(fā)射端與接收端的激光器受各種因素影響，會存在一定的頻率偏差，因此需要載波頻率同步估計(jì)出這個(gè)偏差并且進(jìn)行補(bǔ)償，才能將信號恢復(fù)到基帶，否則，子載波間的正交性被破壞也會嚴(yán)重影響系統(tǒng)性能。由于估計(jì)誤差、噪聲、發(fā)端晶體振蕩器的漂移，導(dǎo)致收發(fā)兩端采樣時(shí)鐘頻率存在一定的偏差，這就是采樣種同步要解決的問題。

在實(shí)際系統(tǒng)中，采樣頻率偏差受信道中各種因素的影響小，而且系統(tǒng)中光載波頻率又遠(yuǎn)大于采樣頻率，故采樣頻率的偏差一般比較小，其影響也沒有前兩者嚴(yán)重，另外，在定時(shí)同步與頻率同步過程中也可以補(bǔ)償一部分采樣頻率偏差帶來的定時(shí)誤差與頻率誤差，因此，本發(fā)明主要針對符號定時(shí)與載波頻率同步進(jìn)行分析與研究。

(3)radon-wigner變換的基本原理

radon變換是一種直線積分的投影變換，將直角坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)α角度得到一個(gè)新的直角坐標(biāo)系(u，v)，這時(shí)以不同的u值平行于v軸積分，所得的結(jié)果就是radon變換。

對于時(shí)頻平面來說，對任意一個(gè)二維函數(shù)x(t，f)來說，α角度的radon變換可以表示為

radon-wigner變換是對wigner-ville分布的時(shí)頻平面作radon變換，其定義為

一般習(xí)慣用y軸的截距f0和斜率μ為參數(shù)表示直線，有f0＝u/sinα，μ＝-cotα，

以參數(shù)(μ，f0)表示積分路徑，可得：

radon-wigner變換會在對應(yīng)的參數(shù)(μ，f0)呈現(xiàn)尖峰，當(dāng)參數(shù)偏離μ和f0時(shí)，radon-wigner變換值迅速減小。對于一個(gè)線性調(diào)頻信號其wigner-ville分布為

對lfm信號進(jìn)行radon-wigner變換用dz(μ，α)表示：

若z(t)是參數(shù)為f0和μ的信號，則積分值最大；而當(dāng)參數(shù)偏離f0和μ時(shí)，積分值將會迅速減小。即對一定的lfm信號，其radon-wigner變換會在對應(yīng)的參數(shù)(μ，f0)處呈現(xiàn)尖峰，如圖4為lfm信號進(jìn)行radon-wigner變換的仿真。

圖3所示實(shí)施例表明，本發(fā)明方法采用的ofdm信號的調(diào)制解調(diào)圖：

隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)與dsp技術(shù)的發(fā)展，人們成功利用離散傅里葉逆變換(idft)/離散傅里葉變換(dft)實(shí)現(xiàn)對ofdm信號的調(diào)制/解調(diào)，推動(dòng)了ofdm技術(shù)走向?qū)嶋H應(yīng)用。

從多載波調(diào)制的角度分析ofdm信號的調(diào)制/解調(diào)原理，從圖3可以看出，當(dāng)我們以一個(gè)ofdm符號為例，并且以速率ts/n對s(t)進(jìn)行抽樣，則得到第m個(gè)抽樣值：

結(jié)合子載波正交條件，可知

綜合兩式，可以得到：

其中，表示idft。在接收端，可以通過dft進(jìn)行解調(diào)：

可以看出ofdm信號的調(diào)制/解調(diào)可以利用idft/dft進(jìn)行，而且通常實(shí)際中采用更加快捷高效的ifft和fft來代替，將復(fù)合乘法運(yùn)算的次數(shù)由n²降為這樣不僅降低了計(jì)算的復(fù)雜度，而且節(jié)約了系統(tǒng)成本，奠定了ofdm技術(shù)廣泛應(yīng)用堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

圖4所示實(shí)施例表明ofdm系統(tǒng)三種同步所處的位置：

本發(fā)明是為了解決ofdm系統(tǒng)中的時(shí)頻聯(lián)合同步問題，即同時(shí)估計(jì)出系統(tǒng)中存在的時(shí)間偏移和載波頻率偏移。在ofdm系統(tǒng)中，同步技術(shù)按功能可以分為三類：第一類為符號定時(shí)同步，第二類為載波頻率同步，第三類為采樣鐘同步，如圖4所示。

ofdm系統(tǒng)接收端進(jìn)行符號定時(shí)同步，才能得到ofdm符號的起始位置并明確fft窗口的位置，最終實(shí)現(xiàn)正確的解調(diào)。由于系統(tǒng)采用了相干檢測，而發(fā)射端與接收端的激光器受各種因素影響，會存在一定的頻率偏差，因此需要載波頻率同步估計(jì)出這個(gè)偏差并且進(jìn)行補(bǔ)償，才能將信號恢復(fù)到基帶，否則，子載波間的正交性被破壞也會嚴(yán)重影響系統(tǒng)性能。由于估計(jì)誤差、噪聲、發(fā)端晶體振蕩器的漂移，導(dǎo)致收發(fā)兩端采樣時(shí)鐘頻率存在一定的偏差，這就是采樣種同步要解決的問題。

在實(shí)際系統(tǒng)中，采樣頻率偏差受信道中各種因素的影響小，而且系統(tǒng)中光載波頻率又遠(yuǎn)大于采樣頻率，故采樣頻率的偏差一般比較小，其影響也沒有前兩者嚴(yán)重，另外，在定時(shí)同步與頻率同步過程中也可以補(bǔ)償一部分采樣頻率偏差帶來的定時(shí)誤差與頻率誤差，因此，本發(fā)明主要針對符號定時(shí)與載波頻率同步進(jìn)行分析與研究。

圖5所示實(shí)施例表明，本發(fā)明應(yīng)用于ofdm系統(tǒng)中時(shí)頻聯(lián)合同步算法的lfm信號的radon-wigner變換仿真圖：radon-wigner變換對lfm信號具有良好的聚集特性，即通過radon-wigner變換可以時(shí)lfm信號匯聚到一點(diǎn)。由圖5可以看出，在radon-wigner域內(nèi)，lfm信號具有尖銳的峰值，通過對峰值進(jìn)行搜索可以精確的判斷l(xiāng)fm信號的出現(xiàn)。

圖6所示實(shí)施例表明，本發(fā)明方法所提出的lfm信號構(gòu)成的訓(xùn)練序列在系統(tǒng)存在不同偏移時(shí)的位置變化：

圖6(a)為系統(tǒng)中不存在任何偏移時(shí)訓(xùn)練序列的位置；當(dāng)系統(tǒng)中只存在頻率偏移時(shí)，如圖6(b)所示，兩個(gè)lfm信號將會同時(shí)沿頻率軸f移動(dòng)；當(dāng)系統(tǒng)中只存在時(shí)間偏移時(shí)，如圖6(c)所示，兩個(gè)lfm信號將會同時(shí)沿時(shí)間軸t移動(dòng)；當(dāng)系統(tǒng)中既存在時(shí)間偏移又存在頻率偏移時(shí)，如圖6(d)所示，兩個(gè)lfm信號將會在時(shí)間軸t和頻率軸f方向同時(shí)發(fā)生移動(dòng)，此時(shí)對其進(jìn)行radon-wigner變換，并對峰值進(jìn)行檢測，則可以得到此時(shí)兩個(gè)lfm信號的斜率和截距，由圖5可知，發(fā)生偏移后兩信號的截距均發(fā)生變化而斜率保持不變。通過斜率和截距的變化量可依據(jù)本發(fā)明所提出的方法計(jì)算得出系統(tǒng)中的時(shí)間偏移和頻率偏移。

圖7所示實(shí)施例表明，本發(fā)明方法和現(xiàn)有同步算法在不同信噪比下的平均定時(shí)估計(jì)誤差比較圖：

為了驗(yàn)證本發(fā)明時(shí)頻同步方法的在ofdm信號傳輸時(shí)的同步性能，我們搭建了基帶數(shù)據(jù)傳輸速率為10gbit/s的co-ofdm系統(tǒng)，圖中示出了信號進(jìn)行50km光纖傳輸時(shí)，本發(fā)明方法和現(xiàn)有的schmidl算法、基于frft時(shí)頻聯(lián)合同步算法在不同光信噪比下的平均定時(shí)估計(jì)誤差的比較。圖中每個(gè)點(diǎn)為1000仿真的平均結(jié)果?？梢钥闯觯?dāng)光信噪比高于12db的時(shí)候，基于frft的同步算法有一個(gè)采樣點(diǎn)的定時(shí)估計(jì)誤差，這意味著此時(shí)該算法可以較好的估計(jì)出系統(tǒng)中的時(shí)間偏移量；但隨著光信噪比的降低，該方法的定時(shí)估計(jì)誤差明顯增大，定時(shí)同步效果顯著下降。當(dāng)光信噪比高于4db時(shí)，本發(fā)明方法的平均定時(shí)估計(jì)誤差為0，即本方法可以精確估計(jì)出系統(tǒng)的時(shí)間偏移；當(dāng)光信噪比下降到2db時(shí)，本方法的平均估計(jì)誤差為0.02，依然具有較好的時(shí)偏估計(jì)性能。而schmidl算法由于受到循環(huán)前綴的影響，其定時(shí)矩陣出現(xiàn)平臺，具有最差的時(shí)偏估計(jì)效果。

圖8所示實(shí)施例表明，本發(fā)明方法和現(xiàn)有同步算法在不同信噪比下的平均歸一化頻偏估計(jì)誤差比較圖：

為了評估本發(fā)明方法在不同信噪比下的頻偏估計(jì)性能，我們分別在不同光信噪比下對算法進(jìn)行了1000次仿真驗(yàn)證，得出了本發(fā)明算法在不同光信噪比時(shí)的平均歸一化頻偏估計(jì)誤差。由圖7可以看出，當(dāng)光信噪比高于14db時(shí)，基于frft的時(shí)頻同步算法和本發(fā)明算法均能正確估計(jì)出系統(tǒng)中存在的整數(shù)倍頻偏。但隨著光信噪比下降，基于frft算法的平均估計(jì)誤差逐漸變大，而本發(fā)明所提出的基于radon-wigner變換的時(shí)頻同步方法依然具有良好的估計(jì)性能。當(dāng)信噪比低至2db時(shí)，本發(fā)明方法的估計(jì)誤差依然明顯低于基于frft的算法?？梢钥闯?，本發(fā)明所提出的時(shí)頻聯(lián)合同步方法在不同信噪比下的頻偏估計(jì)性能均明顯優(yōu)于現(xiàn)有的基于frft的算法。

圖9所示實(shí)施例表明，本發(fā)明方法和現(xiàn)有同步算法在不同歸一化頻偏下的對頻偏的平均估計(jì)誤差比較圖。

為了驗(yàn)證本發(fā)明所提出的同步方法在低信噪比時(shí)對不同歸一化頻偏值的估計(jì)性能，我們將光信噪比設(shè)置為5db，并在系統(tǒng)中分別設(shè)置-20到20的歸一化頻偏，對本發(fā)明方法和基于frft的同步方法的頻偏估計(jì)性能進(jìn)行了1000次仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明，當(dāng)光信噪比為5db、歸一化頻偏為[-20，20]時(shí)，基于frft的同步方法的平均頻偏估計(jì)誤差在0.1到0.4的范圍內(nèi)，而本發(fā)明的基于radon-wigner變換的同步方法的平均估計(jì)誤差保持在0.1以下，并且基本保持穩(wěn)定。因此，在5db的光信噪比時(shí)，本發(fā)明方法在[-20，20]的歸一化頻偏下，可以顯著提高現(xiàn)有算法的頻偏估計(jì)性能，提高系統(tǒng)頻率同步精度。

本發(fā)明實(shí)施例提供的ofdm系統(tǒng)中的時(shí)頻聯(lián)合同步方法及裝置，在低信噪比情況下，本發(fā)明方法及裝置可以同時(shí)計(jì)算出ofdm系統(tǒng)中存在的時(shí)間偏移和頻率偏移，可以有效提高ofdm系統(tǒng)的時(shí)頻同步效率及精度。