衛(wèi)星通信中基于ofdm符號前導(dǎo)的聯(lián)合檢測同步方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及空間通信，尤其涉及低軌道衛(wèi)星通信中接收端的定時同步技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002] 衛(wèi)星通信已經(jīng)進(jìn)入軍事偵察、通信廣播、電視直播、導(dǎo)航定位、氣象預(yù)報、資源探 測、環(huán)境監(jiān)測和在漢防護(hù)等國防和民用的各個領(lǐng)域，成為現(xiàn)代社會中不可缺少的通信手段。 衛(wèi)星通信與其它通信方式相比較，有傳播距離遠(yuǎn)，覆蓋面極大，通信回路靈活等優(yōu)點。然 而，衛(wèi)星信道中存在的多徑效應(yīng)和多普勒頻移，使接收端不僅接收到不同傳輸時延的信號， 而且會產(chǎn)生一定的頻率選擇性失真，為了提高衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器的性能，就需要引入同步技 術(shù)。符號同步技術(shù)是衛(wèi)星通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，其準(zhǔn)確性將直接影響整個系統(tǒng)的性 能。隨著通信的發(fā)展，許多頻譜利用率高、抗多徑干擾能力強(qiáng)的正交頻分復(fù)用（Orthogonal FrequencyDivisionMultiplexing，OFDM)多載波調(diào)制技術(shù)可應(yīng)用于衛(wèi)星移動通信中。就 主要用于高速數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)的0FDM系統(tǒng)而言，如果符號發(fā)送周期與脈沖擴(kuò)展差不多甚至 小于脈沖擴(kuò)展時，就容易引起碼間串?dāng)_（ISI)，從而影響系統(tǒng)的通信性能；加之0FDM中子載 波的相互正交會使系統(tǒng)對頻率偏移比較敏感，即當(dāng)子載波的正交性遭到破壞時，整個系統(tǒng) 的性能會因嚴(yán)重的子載波干擾（ICI)而迅速下降；另外，針對通常用于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的突發(fā)或 應(yīng)急傳輸系統(tǒng)，一般的盲同步方法因需要較長的同步時間而無法滿足快速同步的要求。鑒 于此，許多關(guān)于同步技術(shù)研究和算法被提出。
[0003] 定時同步的經(jīng)典算法主要有：（1)循環(huán)盲同步算法（參見文獻(xiàn)：ParkB,Cheon Η,ΚοΕ,etal.AblindOFDMsynchronizationalgorithmbasedoncycliccorrelation. SignalProcessingLe-tters,IEEE, 2004:83-85·)·該算法針對在OFDM系統(tǒng)中傳送應(yīng)急數(shù) 據(jù)時每幀長度一般為毫秒級或秒級不等使同步系統(tǒng)無法檢測到數(shù)據(jù)幀的準(zhǔn)確到達(dá)時刻而 將有可能丟失掉整幀的數(shù)據(jù)的問題，提出了通過在發(fā)送幀的幀頭加入一定的輔助數(shù)據(jù)即前 導(dǎo)，并利用前導(dǎo)的自相關(guān)特性實現(xiàn)定時同步的方法。該方法雖然在一定程度上能粗略地判 斷出一幀數(shù)據(jù)的到來，但不能準(zhǔn)確確定一幀數(shù)據(jù)中有用部分的開始時刻。（2)粗細(xì)同步聯(lián)合 算法（ShengB,ZhengJ,YouX，etal.AnoveltimingsynchronizationmethodforOFDM systems[J].CommunicationsLetters,IEEE, 2010:1110-1112.)該算法提出 了將粗同步與 細(xì)同步相結(jié)合的方法，雖然能判斷到一幀甚至有用數(shù)據(jù)的開始，但因前導(dǎo)的結(jié)構(gòu)性問題還 是有可能接收不到整幀的數(shù)據(jù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：在移動衛(wèi)星信道中，由于0FDM系統(tǒng)應(yīng)急數(shù)據(jù)每幀 長度一般為毫秒級或秒級不等，如果無法檢測到數(shù)據(jù)幀的準(zhǔn)確到達(dá)時刻，便有可能丟失掉 整幀數(shù)據(jù)。針對該問題，現(xiàn)有的一些定時同步算法僅考慮了前導(dǎo)的結(jié)構(gòu)，并沒有將其與幀同 步及符號同步有效地結(jié)合起來。本發(fā)明提出一種基于0FDM符號前導(dǎo)的聯(lián)合檢測同步方法 (CDS0P)，既能判斷數(shù)據(jù)幀的到來，又能確定有用數(shù)據(jù)的開始時刻，在特定衛(wèi)星信道環(huán)境下 能準(zhǔn)確且快速地實現(xiàn)OFDM符號的定時同步。
[0005] 本發(fā)明解決上述問題的技術(shù)方案是：
[0006] 衛(wèi)星通信系統(tǒng)發(fā)送的信號進(jìn)入接收端，當(dāng)接收機(jī)檢測到一幀數(shù)據(jù)的到來時，對發(fā) 送幀的前導(dǎo)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，利用基于前導(dǎo)的延遲自相關(guān)幀同步算法準(zhǔn)確判斷出一幀數(shù)據(jù)中 有用數(shù)據(jù)的開始時刻即粗定時。該過程雖然完成了對一幀數(shù)據(jù)中前導(dǎo)位置的大致估計，但 該方法的判決量存在一定的過渡帶，所以只能判斷出一幀數(shù)據(jù)中前導(dǎo)長度的大致范圍。然 后利用基于前導(dǎo)的延遲互相關(guān)算法即細(xì)定時即可完成對0FDM符號定時同步的聯(lián)合檢測。
[0007] 本發(fā)明提出的基于0FDM符號前導(dǎo)的聯(lián)合檢測同步方法（⑶S0P)具體包括以下步 驟：
[0008] 1.發(fā)送端首先對串行的高速數(shù)據(jù)流進(jìn)行編碼、交織、數(shù)字調(diào)制及串并變換，然后對 并行的低速數(shù)據(jù)流進(jìn)行傅里葉反變換IFFT，從而實現(xiàn)頻域信號的時域轉(zhuǎn)換。隨后再進(jìn)行相 應(yīng)的并串變換及插入保護(hù)間隔等操作。上述信號進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)化和射頻放大后經(jīng)過衛(wèi)星移動 信道到達(dá)接收端。
[0009] 2.接收端首先對接收的高頻信號進(jìn)行混頻處理和模數(shù)變換，然后進(jìn)入定時和頻率 同步模塊，該模塊首先需要對發(fā)送幀的前導(dǎo)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)即P符號和Μ符號的組合，該前導(dǎo) 具有每個Ρ符號的自相關(guān)運算中只出現(xiàn)一個尖峰的循環(huán)特性，然后在改進(jìn)前導(dǎo)的基礎(chǔ)上， 利用Ρ符號和Μ符號的良好自相關(guān)特性，根據(jù)公式
[0010]
[0011] 進(jìn)行運算，其中Ρ(η)為接收信號及延遲接收信號的自相關(guān)值；^為接收的基帶信 號，L表不短的訓(xùn)練序列即一個Ρ符號的長度。
[0012] 3.接收到基于改進(jìn)的前導(dǎo)的0FDM數(shù)據(jù)幀，利用基于前導(dǎo)的延遲自相關(guān)幀同步算 法進(jìn)行粗定時。為了防止信號衰減時門限值發(fā)生較大的改變，需要將粗定時同步部分做歸 一化處理，然后檢測粗定時同步方法是否產(chǎn)生一個平臺，通過該平臺就可以知道一幀數(shù)據(jù) 的到來即粗定時。
[0013] 4.在粗定時同步的基礎(chǔ)上，采用基于前導(dǎo)的延遲互相關(guān)算法對接收的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行 精確定時，根據(jù)公式
[0014；
[0015] 檢測到9個脈沖，且平臺包含7個脈沖，即確定有用部分?jǐn)?shù)據(jù)的開始位置，即檢測 9個脈沖，且平臺上是否含有7個脈沖來判斷0FDM幀有用數(shù)據(jù)部分是否已經(jīng)到來。Sni為發(fā) 送的信號；rn為接收的基帶信號；L= 256為P符號的周期。
[0016] 本發(fā)明提出的聯(lián)合檢測同步方法（CDS0P)既能準(zhǔn)確地檢測到數(shù)據(jù)幀的到來又能 判斷有用數(shù)據(jù)幀的開始位置，有利于特定衛(wèi)星信道環(huán)境下的定時同步。
【附圖說明】
[0017] 圖1 0FDM系統(tǒng)收發(fā)機(jī)框圖；
[0018] 圖2前導(dǎo)的結(jié)構(gòu)圖；
[0019] 圖3 -幀數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)；
[0020] 圖4基于前導(dǎo)的延遲自相關(guān)幀同步算法流程圖；
[0021] 圖5基于前導(dǎo)的延遲互相關(guān)算法流程圖；
[0022] 圖6CDS0P算法流程圖。
【具體實施方式】
[0023] 本發(fā)明針對的系統(tǒng)是各個子載波相互正交的多載波系統(tǒng)，所以對同步的要求非常 高。0FDM定時同步的主要任務(wù)是要接收機(jī)檢測到一幀數(shù)據(jù)的到來，并且準(zhǔn)確判斷出一幀數(shù) 據(jù)中有用數(shù)據(jù)的開始時刻。基于以上描述，為了準(zhǔn)確實現(xiàn)數(shù)據(jù)符號的定時同步，首先需要對 發(fā)送幀的前導(dǎo)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。然后在改進(jìn)前導(dǎo)的基礎(chǔ)上，需要進(jìn)行粗定時即幀同步過程。 該過程雖然完成了對一幀數(shù)據(jù)中前導(dǎo)位置的大致估計，但該方法的判決量存在一定的過渡 帶，所以只能判斷出一幀數(shù)據(jù)中前導(dǎo)長度的大致范圍。因此，為了能準(zhǔn)確得到一幀數(shù)據(jù)有用 部分的開始時刻，最后還需要在粗定時同步的基礎(chǔ)上，對接收的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行細(xì)定時即符號 同步過程。綜上所述，在改進(jìn)前導(dǎo)的基礎(chǔ)上將粗定時和細(xì)定時兩個過程結(jié)合起來，即可完成 對0FDM符號定時同步的聯(lián)合檢測。具體步驟參見圖6 :
[0024] 1.發(fā)送端首先對串行的高速數(shù)據(jù)流進(jìn)行編碼、交織、數(shù)字調(diào)制及串并變換，然后對 并行的低速數(shù)據(jù)流進(jìn)行傅里葉反變換IFFT，從而實現(xiàn)頻域信號的時域轉(zhuǎn)換。隨后再進(jìn)行相 應(yīng)的并串變換及插入保護(hù)間隔等操作。上述信號進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)化和射頻放大后經(jīng)過衛(wèi)星移動 信道到達(dá)接收端。
[0025] 2.接收端首先對接收的高頻信號進(jìn)行混頻處理和模數(shù)變換，然后進(jìn)入定時和頻率 同步模塊，該模塊首先需要對發(fā)送幀的前導(dǎo)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)即P符號和Μ符號的組合。
[0026] 3.接收到基于改進(jìn)的前導(dǎo)的0FDM數(shù)據(jù)幀，利用基于前導(dǎo)的延遲自相關(guān)幀同步算 法進(jìn)行粗定時。為了防止信號衰減時門限值發(fā)生較大的改變，需要將粗定時同步部分做歸 一化處理。
[0027] 4.檢測粗定時同步方法是否產(chǎn)生一個平臺即一幀數(shù)據(jù)的到來。在粗定時同步的基 礎(chǔ)上，采用基于前導(dǎo)的延遲互相關(guān)算法對接收的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行精確定時，檢測是否含有9個 脈沖且平臺上是否含有7個脈沖來判斷0FDM幀有用數(shù)據(jù)部分已經(jīng)到來。
[0028] 以下結(jié)合附圖和具體實例對本發(fā)明的實施作具體描述。
[0029] 如圖1所示為本發(fā)明涉及0FDM系統(tǒng)收發(fā)機(jī)框圖。其中上半部分為發(fā)送端鏈路，下 半部分為接收端鏈路。由圖可知，發(fā)送端首先對串行的高速數(shù)據(jù)流進(jìn)行編碼、交織、數(shù)字調(diào) 制及串并變換，然后對并行的低速數(shù)據(jù)流進(jìn)行傅里葉反變換IFFT，從而實現(xiàn)頻域信號到時 域轉(zhuǎn)換。隨后再進(jìn)行相應(yīng)的并串變換及插入保護(hù)間隔等操作。最后對上述信號進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn) 化和射頻放大后經(jīng)過衛(wèi)星信道傳到接收端。而接收端首先對接收的高頻信號進(jìn)行混頻處理 和模數(shù)變換，然后采用相應(yīng)的同步算法對轉(zhuǎn)換后的低頻信號進(jìn)行時間和頻率同步。在定時 同步之后，即檢測到有用數(shù)據(jù)的開始位置，再進(jìn)行去保護(hù)間隔得到串行數(shù)據(jù)，再進(jìn)行串并轉(zhuǎn)