一种弱能量并行巴克码帧同步方法

摘要

本发明提供了一种利用弱能量并行巴克码进行帧同步的方法，该方法通过在OFDM调制的基带时域信号上叠加弱能量的复巴克码，而在接收端对收到信号采用复巴克码进行解调，并融合保护间隔的相关信息产生同步信号，获得帧同步。本发明中复巴克码所分配的能量极弱，从而对信号和系统性能的影响可以忽略。本发明实现容易，能用于各类采用OFDM进行调制的通信系统，尤其是对于改善高速移动环境的DVB－T 2K系统的同步性能有效。

说明书

技术领域：

本发明涉及一种弱能量并行巴克码帧同步方法，属于数字信息传输技术领域，特别涉及数字电视广播系统、单载波OFDM通信系统、多载波OFDM通信系统、无线局域网(WLAN)等采用OFDM调制的数字通信系统中的同步技术。尤其是在数字地面电视(DVB-T)系统中用于改善系统的移动性能。

背景技术：

正交频分复用调制(OFDM)因其信道利用率很高、有很好的抗衰落能力而被广泛利用。然而，OFDM系统对同步错误十分敏感，因此，同步技术是该系统的关键技术之一。

常规的同步方法可分为：保护间隔同步方法、导频同步方法、训练序列同步方法和盲同步方法四类。

通过保护间隔进行同步的算法简单，运算量小，在AWGN信道条件下性能较好，但是，在高速移动多径衰落信道中不易保证精确的时间同步。如果时间同步的时间误差超过保护间隔，还会破坏子载波间的正交性。而频率同步与时间同步同时进行，实现虽简单，但易受时间同步误差的影响。

利用导频来获得同步信号是一个好方法，但是这些导频因为占用了宝贵的系统带宽资源而在使用中受到限制。而且，即使在DVB-T系统中，采用导频和保护间隔联合进行同步，其性能也不理想。一般在移动速度超过100km/h时，DVB-T的同步就会出现问题。虽然欧洲也一直试图改善DVB-T系统的移动接收性能，但是，至今仍没有公开的相关技术报道。所以，在高速移动环境下如何改善DVB-T系统的同步性能仍是学术界研究的难点和重点。

在利用PN序列来进行同步的方法中，大部分方法所应用的PN序列都是与信号串行排列的，PN序列与信号并行排列的同步方法很少见到。其中，性能较好的串行PN序列同步算法都存在一个较大的弱点，即：同步信号在零时间偏移处附近出现了平台，而不是尖峰，即使文献Fredrik Tufvesson，Mike Faulkner，Peter Hoeher and Ove Edfors，OFDM time and frequencysynchronization by spread spectrum pilot technique，IEEE Conference，1999.的方法相对更优，而文献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，pp：822-838.和文献Byungjoon Park，Hyunsoo Cheon，Changeon Kang and Daesik Hong，Anovel timing estimation method for OFDM systems，IEEE Communications letters，vol.7，No.5，，May2003，pp：239-241.还针对此问题做了深入探讨，但最终效果都不令人满意。而且串行PN序列同步算法中PN序列占用了宝贵的带宽资源，只在具有专用同步符号的4G、WLAN等系统中才能适用，而对于DVB-T系统则没法使用。对于并行PN序列同步算法，由于PN序列叠加在信号上造成了对信号的干扰，虽然Liying Song，Youxi Tang，Hongzhi Zhao，ShaoqianLi，etc，Optimum partial interference canceling factor pilot assistant coherent OFDM system withpartial power training sequences synchronization，The 14^th IEEE 2003 international symposium onPersonal，Indoor and Mobile Radio Communication Proceedings，pp：1906-1910.提出了一种消除部分干扰的方法，但该方法隐含了一个条件：即对接收机结构的改变；而文献FredrikTufvesson，Mike Faulkner，Peter Hoeher and Ove Edfors，OFDM time and frequencysynchronization by spread spectrum pilot technique，IEEE Conference，1999.和文献SteingaB.A，etc，Frame synchronization using superimposed sequence，Proc.IEEE ISIT’97，ULM，Germany，1997，pp：489.采用在不同同步阶段选用不同能量因子以调整叠加PN序列能量的方法确实能够实现同步，但是造成了对系统性能的影响，尤其是在高速移动环境下需要快速同步，这个方法更不适合。

盲同步方法性能比利用先验知识的序列进行同步的性能要差。而就采用保护间隔、导频和PN序列进行同步的性能相比较，采用PN序列进行同步性能更佳。所以，在实际工程中，一般选用同步性能较好的、算法性能较稳定的、计算复杂度较低的快速PN序列同步方法。但是，要得到同时满足这些条件的同步算法很不易。

发明内容：

本发明的目的是：针对现有技术的不足，提出一种计算复杂度低的、算法性能稳定的快速帧同步方法。该方法不但能满足所有的正交频分复用通信系统在高速移动环境同步要求，而且所利用的序列不占用宝贵的系统带宽资源。尤其是在尚没有实现时间同步和频率同步的DVB-T系统中，该方法不但能实现高速移动环境DVB-T系统的帧同步，从而改善系统移动性能，而且其所引入的训练序列对系统性能的影响可以忽略。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：在发送端，对于OFDM调制后的子载波基带时域信号，在其中一个信息符号上叠加弱能量的巴克码，经处理形成发射信号；在接收端通过对接收信号采用巴克码进行解扩产生同步信号，获得帧同步。

本发明的具体操作步骤如下：

步骤1PN序列在时域叠加在OFDM信号上，在这个过程中被分配极弱的能量P_c，对于子载波数为N_c的OFDM系统，符号长度为T_s。在AWGN信道中，基带接收信号可以表示为：

r[k-τ]＝s[k-τ]+n[k-τ]

$>>=>>>(>>>P>c>\; >>\sigma >s>>c>[>k>->\tau >]>+>>\sigma >s>>d>[>k>->\tau >]>)>>>e>>j>>(>>>2>\pi ϵk>>>N>c>\; >+>\theta >)>>>>>+>n>[>k>->\tau >]>->->->>(>1>)>>>s>$

其中，c[k]为传输的复巴克码，d[k]为OFDM数据序列，n′[k]为复高斯白噪声，θ为载波相位，ε为待估计的归一化频偏，τ为待估计的定时位置。复巴克码c[k]所分配的能量Pc非常弱。发射信号和噪声的功率分别为σ_s²和σ_n²。

特别值得一提的是，在本专利中，复巴克码所分配的能量P_c可以非常弱，弱到该并行序列虽然是叠加到信号上，但是对系统性能的影响可以忽略；同时，复巴克码所分配的能量P_c可以比较强，强到利用该并行复巴克码能够获得很好的信道估计性能，从而可以很好地消除并行复巴克码对系统性能的影响。这是本专利中对并行巴克码能量分配的一个核心思想。

步骤2接收信号通过本地复巴克码组解扩，有：

$>>>c>*>>[>k>]>r>[>k>->\tau >]>=>>>P>c>\; >>\sigma >s>>>c>*>>[>k>]>c>[>k>->\tau >]>>e>>j>>(>>>2>\pi ϵk>>>N>c>\; >+>\theta >)>>>>+>>\sigma >s>>>c>*>>[>k>]>d>[>k>->\tau >]>>e>>j>>(>>>2>\pi ϵk>>>N>c>\; >+>\theta >)>>>>+>>n>\prime >>[>k>->\tau >]>->->->>(>2>)>>>s>$

对于帧同步，假设两个序列之间的相对滑动位置τ为整数。为了进行同步，在式(2)中最后两项可以看作噪声干扰。

在整个同步阶段，复巴克码组的能量均仅占总能量的一部分。不像其它常规方法在俘获阶段让复巴克码组的能量几乎为1，而在跟踪阶段又把其能量降低到一个对数据信号不产生影响的程度，这是本专利技术与文献Fredrik Tufvesson，Mike Faulkner，Peter Hoeher and OveEdfors，OFDM time and frequency synchronization by spread spectrum pilot technique，IEEEConference，1999.等常规方法最大的不同之处。

步骤3假设解扩信号有K个子相关信号，于是复巴克码产生的相关信号则通过L个子间隔为KP个采样点求和获得，其中P为相关器长度的延时。有：

$>>>Cor>1>>[>k>,>\theta >]>=>>\Sigma >>l>=>0>>>L>->1>over>>\begin{array}{}>>>>(>>\Sigma >>n>=>0>>>K>->1>over>>>c>*>>[>k>->n>->lL>->\theta >]>r>[>k>->n>->lK>]>)>\; >>>>·>>>(>>\Sigma >>n>=>0>>>K>->1>over>>c>[>k>->n>->>(>l>+>P>)>>K>->\theta >]>r>[>k>->n>->>(>L>+>P>)>>K>)>>*>\; >\end{array}>>->->->>(>3>)>>>s>$

其中，c^*[.]表示对c[.]取共轭。

步骤4为了改善帧同步的性能，保护间隔的相关性被与复巴克码的相关性融合在一起，共同产生同步信号。于是，帧同步由下式确定：

$>ver>>\theta >^>>=>arg>\{>>max>\theta >>[>>Cor>1>>[>k>,>\theta >]>+>>\Sigma >>m>=>\theta >>>\theta >+>>N>g>>->1>over>>>r>*>>[>m>->\theta >]>r>[>m>->\theta >->>N>c>>]>]>\}>->->->>(>4>)>>>s>$

本发明在OFDM通信系统的发送端通过在时域叠加具有最佳自相关特性的只分配少量能量的巴克码，实现了DVB-T 2K系统在尚没有获得时间同步和频率同步的情况下首先获得帧同步，从而改善了系统的移动性能。

与现有技术最大的区别在于：第一、巴克码与信号并行，即：巴克码是叠加在信号上的；第二、叠加的序列(如：巴克码)仅分配总能量的一部分的能量(所分配能量可以是非常弱的能量，也可以是比较强的能量)，从而与常规方法不一样。如果是分配极弱的能量，那么该专利技术不需要在接收端消除叠加序列对信息和系统的干扰。第三、该专利技术中的训练序列为复巴克码，而现有技术多采用m序列、Frank序列、Zadoff-Chu序列、Milewsk序列；第四、同步算法不同。

本发明适用于采用所有采用OFDM进行调制的通信系统中进行帧同步和时间同步，尤其是适用于欧洲数字地面电视(DVB-T)系统中。虽然本发明的技术主要针对频分多址的系统，但任何具有信号处理、通信等知识背景的工程师，都可以根据本发明设计出相应的针对码分多址和时分多址的帧同步或时间同步装置，其均应包含在本发明的思想和范围中。

附图说明：

图1是常规的OFDM系统框图。

图2是包含本专利技术的OFDM系统框图。如图所示，在发送端加入复巴克码的位置为OFDM调制以及IFFT后、上采样与成型滤波之前；在接收端加入同步单元的位置为下采样与成型滤波之后、FFT与OFDM解调之前。

图3为在信息符号上叠加巴克码的示意图。

具体实施方式：

下面通过具体的实施对本发明的技术方案作进一步的描述。

将本发明应用于OFDM系统。该系统采用QPSK调制，仿真均基于DVB-T 2K系统AWGN信道和Rayleigh衰落信道。仿真的主要参数有：假设频率偏移为3.6，移动速度为450km/h。具体步骤为：

1、发送端将OFDM调制的基带信号送入，并在其中一个信息符号上叠加复巴克码，形成发射信号。

2、在接收端获得接收信号，并按照式(2)对接收信号进行解调，获得基本解调单元信号。

3、按照式(3)和式(4)产生同步信号，并通过峰值检测获得帧同步。