一种数字通信系统中帧同步序列产生的方法及装置

摘要

本发明涉及一种数字通信系统中帧同步序列的生成方法及装置，属于数字信号传输技术领域。为了提高信号传输的灵活性、有效性及可靠性，本发明提供一种帧同步序列的生成方法，包括步骤：依据帧结构，生成若干个原始序列；将信令信息分配到各个原始序列；对原始序列进行调制以携带信令信息，形成若干调制序列；将所述调制序列在时域上组合形成所述帧同步序列，与待传输数据组帧后发送。基于本发明技术方案所提出的帧同步序列，接收端可简单快速地完成对帧同步序列的捕获和对接收信号同步参数的估计，并完成对信令信息的解调恢复。该方法实现过程简单、复杂度低、检测精度高，可在复杂无线传输通道环境下可靠恢复信令信息。

说明书

技术领域

本发明属于数字信号传输技术领域，特别涉及一种数字通信系统中帧同步序列产生的方法及装置。

背景技术

目前无线通信技术主要解决的问题是如何在有限的带宽内可靠地提高传输速率，包括两种主要的块传输技术：OFDM(OrthogonalFrequency Division Multiplexing，正交频分复用)和SC-FDE(Single-Carrier Frequency Domain Equalization，单载波频域均衡)。现有技术可以在频率选择性衰落信道中实现高速率传输，且实现过程较为简便，目前已广泛应用于无线局域网、固定无线接入、地面数字广播等无线通信系统中。

宽带无线传输必须面对多径效应引入的ISI(Inter SymbolInterference，符号间干扰)，即频率选择性衰落问题。对于块传输系统而言，虽然数据块的持续时间远远大于单个符号的持续时间，但是在大的延时扩展通道下，时域数据块之间仍然存在不可忽略的IBI(Inter Block Interference，块间干扰)。现有技术中块传输系统对抗IBI的一种有效方法是在时域数据块之间加入GI(Guard Interval，保护间隔)，在GI的长度不小于通道的最大多径延时的情况下，时域数据块之间不会产生块间干扰。根据GI填充内容的不同种类，存在着多种GI填充技术，其中包括CP(Cyclic Prefix，循环前缀)填充技术，ZP(Zero Padding，零填充)技术，和TS(Training Sequence，训练序列)填充技术等等。其中基于循环前缀填充OFDM系统帧结构如图1所示，数据块A2位于循环前缀段A1之后，循环前缀用作DFT(Discrete Fourier Transform，离散傅里叶变换)的保护间隔，该技术已经成功应用到IEEE 802.11a无线局域网、数字音频广播(DigitalAudio Broadcasting，DAB)、地面数位视频广播(Digital VideoBroadcasting-Terrestrial，DVB-T)及其第二代准DVB-T2系统中；基于PN(Pseudo-random Noise，伪噪声)序列填充的方法是TS填充技术的特例，属于TDS-OFDM(Time Domain Synchronization OFDM，时域同步正交频分复用)系统的一个重要特征，其帧结构如图2所示，数据块B2位于训练序列B1之后，该技术已成功应用到中国地面数字电视传输标准(Digital Television Multimedia Broadcast，DTMB)中。

物理层信号帧结构对整个系统的性能有着重要的影响，上述这些标准或系统都有着不同的物理层帧结构，但不论采用何种物理层帧结构，其一般都会包括帧同步序列、传输信令符号和数据符号。在DVB-T2系统中，物理层帧同步序列采用了P1符号。P1符号由一段长度为1024位的OFDM数据块在时域上经过频移的扩展保护所得到，P1符号在DVB-T2信号帧结构中的插入位置与方式如图3所示，其中C为A的前一部分的频移，B为A的后一部分的频移，P1符号除了作为T2帧的前导序列用作初始同步外，还携带了7比特的信令信息，包括T2信号帧的FFT长度、SISO/MISO模式等，以便后续信号解调。P2为传输其他信令信息的信号。DTMB系统中采用了时域同步正交频分复用技术，用时域训练序列作为保护间隔填充。已知时域训练序列在对抗块间干扰起到保护间隔作用的同时，还可以辅助进行帧同步、定时恢复、载波恢复、信道估计和噪声估计等操作。同时DTMB系统还采用了多层的复帧结构，如图4所示，复帧结构的最上层称为日帧，它以一个自然日(24小时)为周期，将格林威治标准时间(GST)0:0:0AM定义为一个新日帧的开始时间。每个日帧包含1440个分帧，每个分帧长为1分钟。分帧的下一层称为超帧，每个超帧持续125ms。超帧由基本的信号帧构成，每一个信号帧有唯一的帧号，它被编码在信号帧帧头的PN序列中。

对具有信号帧结构的数字通信传输系统，接收端通常首先完成帧同步的捕获。因此，帧同步捕获的可靠性是接收机参数估计和后续解调的基础。此外，通信系统为了满足不同条件下的传输需求，其系统配置参数通常具备多种可选的参数，例如数据块长度、保护间隔长度、子载波数目、调制方式、编码速率以及是否采用发射分集等。因此，接收端通常需要预先知道或获得有关系统配置的信令信息，即传输参数信令(Transmission Parameter Signaling，TPS)。为了使接收端能够更快、更有效、更可靠地获取上述物理层参数，有必要对发送端的帧同步序列的产生方法进行改进，使其携带一定数量的物理层信令信息，以便于接收机快速地完成信号帧同步捕获、接收信号同步参数估计(如载波频偏估计、时钟恢复估计等)，同时得到相应的信令信息。

发明内容

本发明目的在于公开一种基于训练序列的块传输系统中的帧同步序列产生方法及装置，以提高信号传输的灵活性、有效性及可靠性。

为了达到上述目的，本发明提供了一种数字通信系统中帧同步序列的生成方法，用于生成由若干段调制序列组合而成、携带信令信息的帧同步序列，所述方法包括如下步骤：

步骤A：依据帧结构，生成若干个原始序列；

步骤B：将信令信息分配到所述原始序列；

步骤C：对所述原始序列进行调制，形成若干携带信令信息的调制序列；

步骤D：将所述调制序列在时域上组合形成所述帧同步序列。

所述步骤A中的所述帧结构，采用具有复帧结构且有复帧帧头的传输系统、具有复帧结构但无复帧帧头的传输系统、或无复帧结构的传输系统。

所述原始序列包括m序列、Gold序列、Legendre序列、Walsh序列、Golay序列或上述序列的循环扩展或截断；所述原始序列还包括所述原始序列的离散傅立叶变换域为m序列、Gold序列、Legendre序列、Walsh序列、Golay序列或上述序列的循环扩展或截断。

所述若干个原始序列的总长度由对应的帧结构决定。

在所述步骤B中，根据信令信息的重要程度对信令信息比特设置不同级别的权重，以区别其受保护程度。

在所述步骤C中，原始序列的调制状态至少有两种，相应调制序列携带的信令信息的比特数不小于一个。

在所述步骤C中，原始序列的调制形式包括幅度变化、相位变化、时域位移、离散傅立叶变换域位移，或上述方式的组合。

在所述步骤D中，调制序列的组合方法由帧结构决定，包括时域连续组合作为超帧头插入若干数据块前面或时域分散组合作为保护间隔插入数据块间。

在所述步骤D后，将所述帧同步序列与待传输数据组帧并一同发送，所述待传输数据为OFDM调制或单载波调制数据。

此外，一种数字通信系统中帧同步序列的生成装置，包括原始序列生成模块、信令信息分配模块、原始序列调制模块和调制序列组合模块，其中，

原始序列生成模块，用于依据帧结构，产生若干原始序列，其结果发送给信令信息分配模块；

信令信息分配模块，用于将信令信息分配到所述原始序列，其结果发送给原始序列调制模块；

原始序列调制模块，用于通过幅度变化、相位变换、时域位移、离散傅立叶变换域频移或上述调制方式的组合等操作对原始序列进行调制，形成若干携带信令信息的调制序列，并将其发送给调制序列组合模块；

调制序列组合模块，用于将所述调制序列在时域组合形成所述帧同步序列。

基于本发明技术方案所提出的帧同步序列，接收端可以利用互相关或滑动自相关的检测方法简单快速地完成对帧同步序列的捕获和对接收信号同步参数的估计，并利用帧同步序列完成对信令信息的解调恢复。该方法实现过程步骤简单、复杂度低、检测精度高，并可在复杂的无线传输通道环境下可靠地恢复出携带的信令信息。

附图说明

图1为现有技术中CP-OFDM帧结构的一种示意图

图2为现有技术中TDS-OFDM帧结构的一种示意图；

图3为现有技术中欧洲DVB-T2系统信号帧结构中P1符号插入位置与方式示意图；

图4为现有技术中中国DTMB系统的层次化帧结构示意图；

图5为依照本发明实施例的帧同步序列产生方法流程图；

图6为本发明实施例一中帧同步序列的结构和填充方法示意图；

图7为本发明实施例二中帧同步序列的结构和填充方法示意图；

图8为本发明实施例三中帧同步序列的结构和填充方法示意图；

图9为本发明实施例四中帧同步序列的结构和填充方法示意图；

图10为本发明实施例五中帧同步序列的结构和填充方法示意图；

图11为本发明实施例六中帧同步序列的结构和填充方法示意图。

图12为本发明实施例七中帧同步序列产生装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

首先对本发明所提供了一种数字通信系统中帧同步序列的生成方法进行说明。

该方法用于生成由若干段调制序列组合而成、携带信令信息的帧同步序列，包括如下步骤：

步骤A：依据帧结构，生成若干个原始序列；

所述帧结构，采用具有复帧结构且有复帧帧头的传输系统、具有复帧结构但无复帧帧头的传输系统、或无复帧结构的传输系统。

所述原始序列为时域的二值序列，或者离散傅立叶变换域的二值序列，所述若干个原始序列的总长度由对应的帧结构决定。

所述时域的二值序列包括m序列、Gold序列、Legendre序列、Walsh序列、Golay序列或上述序列的循环扩展或截断；所述离散傅立叶变换域的二值序列包括原始序列的离散傅立叶变换域为m序列、Gold序列、Legendre序列、Walsh序列、Golay序列或上述序列的循环扩展或截断。

步骤B：将信令信息分配到所述原始序列，根据信令信息的重要程度对信令信息比特设置不同级别的权重，以区别其受保护程度；

步骤C：对所述原始序列进行调制，形成若干携带信令信息的调制序列，原始序列的调制状态至少有两种，相应调制序列携带的信令信息的比特数不小于一个，原始序列的调制形式包括幅度变化、相位变化、时域位移、离散傅立叶变换域位移，或上述方式的组合；

步骤D：将所述调制序列在时域上组合形成所述帧同步序列，调制序列的组合方法由帧结构决定，包括时域连续组合作为超帧头插入若干数据块前面或时域分散组合作为保护间隔插入数据块间；此外，还对所述帧同步序列插入待传输数据并一同发送，所述待传输数据为OFDM调制或单载波调制数据。

下面依据具体实施例来说明本发明技术方案的一些具体实施方式。

实施例1

如图5所示，本实施例具体描述一个具有复帧结构并基于训练序列填充保护间隔的OFDM系统产生帧同步序列的工作流程。本实施例中帧同步序列的结构和填充方法如图6所示。

在所述OFDM系统中，保护间隔填充的训练序列与OFDM数据块组成一个信号帧，数据块间填充的训练序列由本实施例中的两个连续原始序列C组成。帧同步序列产生的过程具体包括如下步骤：

步骤101：依据帧结构，产生4个原始序列C；

4个原始序列均为长度256的序列，该序列的离散傅立叶变换域为长度255的m序列，经过循环扩展得到的长为256的序列。

步骤102：将信令信息分配到所述各个原始序列

该系统传输的信令包含6比特信息，包括保护间隔长度2比特、FFT长度2比特、是否采用发射分集1比特，并保留1比特信息；将对应保护间隔、FFT长度、是否采用发射分集、保留信息所对应的信令信息依次分配给四个原始序列。

步骤103：对原始序列进行调制以携带信令信息，形成若干调制序列；

本实施例中利用训练序列循环位移携带信令信息，调制序列C1、C2、C3、C4是原始序列C的循环位移，长度为N的训练序列C＝[c₁，c₂，…，c_N]循环右移一位为：

其中D为循环位移变化操作数。

类似地，循环右移L位为：

循环左移L位为：

作为优选，选取等，其中表示不超过x的最大整数。本实施例中对携带2比特信息原始序列选取L为-7，-3，+3，+7；对携带1比特信息原始序列选取L为-3，+3。由于一个调制序列携带2比特信息受保护程度显然低于携带1比特信息情况，因此将高权重信息比特分配给只携带1比特信息的调制序列。

步骤104：将所述4个调制序列在时域连续组合形成所述帧同步序列，作为超帧头插入S个信号帧前面(其中S为整数)，并一同组成一个超帧后发送。

接收端通过检测帧每个同步序列本身的位移变化以解调携带信令信息。

实施例2

本实施例具体描述一个具有复帧结构并基于训练序列填充保护间隔的OFDM系统产生帧同步序列的工作流程。本实施例中帧同步序列的结构和填充方法如图7所示。

在所述OFDM系统中，保护间隔填充的训练序列与OFDM数据块组成一个信号帧，数据块间填充的训练序列是本实施例中的原始序列。帧同步序列产生的过程具体包括如下步骤：

步骤201：依据帧结构，产生1个原始序列；

该原始序列是长度为191的时域Legendre序列。

步骤202：将信令信息分配到所述各个原始序列；

该系统传输1比特信令信息，分配给该原始序列。

步骤203：对原始序列进行调制以携带信令信息，形成若干调制序列；

本实施例中利用训练序列相位变化携带信令信息，调制序列C1是原始序列C的相位变化，训练序列C＝[c₁，c₂，…，c_N]相移为：

其中为相位变化，Φ为相移变化操作数。作为优选，选取等。本实施例中选取为0和π，即训练序列C或-C来携带训练信息。

步骤204：所述调制序列即为所述帧同步序列，作为超帧头插入S个信号帧前面(其中S为整数)，并一同组成一个超帧后发送。

接收端通过检测每个帧同步序列本身的相位变化以解调携带信令信息。

实施例3

本实施例具体描述一个具有复帧结构并基于训练序列填充保护间隔的单载波系统产生帧同步序列的工作流程。本实施例中帧同步序列的结构和填充方法如图8所示。

在所述单载波系统中，保护间隔填充的训练序列与单载波数据块组成一个信号帧，数据块间填充的训练序列是本实施例中的第一个原始序列。帧同步序列产生的过程具体包括如下步骤：

步骤301：依据帧结构，产生2个原始序列；

该原始序列为不同生成多项式产生的长度均为127的m序列，分别记为C和C′。

步骤302：将信令信息分配到所述各个原始序列；

该系统传输2比特信令信息，每个原始序列各分配1比特信息。

步骤303：对原始序列进行变化以携带信令信息，形成若干调制序列；

本实施例中利用训练序列的离散傅立叶变换域位移变化携带信令信息，调制序列C1、C2是原始序列C、C′的离散傅里叶变换域位移变化，训练序列C＝[c₁，c₂，…，c_N]离散傅立叶变换域位移等效为时域频移，即：

其中ω为时域频率变化，Ω为离散傅立叶变换域位移变化操作数，j²＝-1。作为优选，选取ω＝0，π/N，2π/N，…，(2N-1)π/N等。本实施例中选取ω为0和2π/N。

步骤304：将所述2个调制序列在时域连续组合形成所述帧同步序列，作为超帧头插入S个信号帧前面(其中S为整数)，并一同组成一个超帧后发送。

接收端通过检测每个帧同步序列本身的离散傅立叶变换域位移以解调携带信令信息。

实施例4

本实施例具体描述一个具有复帧结构并基于训练序列填充保护间隔的单载波系统产生帧同步序列的工作流程。本实施例中帧同步序列的结构和填充方法如图9所示。

在所述单载波系统中，保护间隔填充的训练序列与单载波数据块组成一个信号帧，数据块间填充的训练序列是本实施例中的原始序列。帧同步序列产生的过程具体包括如下步骤：

步骤401：依据帧结构，产生3个原始序列；

该原始序列均是长度为512的序列，该序列的离散傅立叶变换域为长度512的Walsh序列。

步骤402：将信令信息分配到所述各个原始序列；

该系统传输3比特信令信息，每个原始序列各分配1比特信息。

步骤403：对原始序列进行变化以携带信令信息，形成若干调制序列；

本实施例中利用训练序列幅度变化携带信令信息，调制序列C1、C2、C3是原始序列C的幅度变化，训练序列C＝[c₁，c₂，…，c_N]幅度变化为：

其中a为幅度变化，A为幅度变化操作数。作为优选，选取$a=1/\mathrm{2,1},\sqrt{2},3/\mathrm{2,2}$等。本实施例中选取a为1和

步骤404：将所述3个调制序列在时域连续组合形成所述帧同步序列，作为超帧头插入S个信号帧前面(其中S为整数)，并一同组成一个超帧后发送。

接收端通过检测每个帧同步序列本身的幅度变化以解调携带信令信息。

实施例5

本实施例具体描述一个具有复帧结构并基于训练序列填充保护间隔的单载波系统产生帧同步序列的工作流程。本实施例中帧同步序列的结构和填充方法如图10所示。

在所述单载波系统中，保护间隔填充的训练序列与单载波数据块组成一个信号帧，数据块间填充的训练序列是本实施例中的原始序列。帧同步序列产生的过程具体包括如下步骤：

步骤501：依据帧结构，产生2个原始序列；

原始序列是长度分别为256和512的Golay序列，分别记为C和C′。

步骤502：将信令信息分配到所述各个原始序列；

该系统传输8比特信令信息，每个原始序列各分配4比特信息。较长序列检测成功概率显然高于较短序列，因此将高权重信息比特分配给长度为512的原始序列。

步骤503：对原始序列进行变化以携带信令信息，形成若干调制序列；

本实施例中利用训练序列相位变化、幅度变化、时域位移和离散傅立叶变换域位移的组合携带信令信息，调制序列C1、C2是原始序列C、C′的组合变化，训练序列C＝[c(1)，c(2)，…，c(n)]的组合变化为：

其中Δ为组合变化操作数。本实施例中选取L为-3，+3；选取为0和π；选取ω为0和2π/N；选取a为1和并各携带1比特信息。

步骤504：将所述2个调制序列在时域连续组合形成所述帧同步序列，作为超帧头插入S个信号帧前面(其中S为整数)，并一同组成一个超帧后发送。

接收端通过检测每个帧同步序列本身的幅度变化、相位变化、时域位移、离散傅立叶变换域位移以解调携带信令信息。

实施例6

本实施例具体描述一个具有复帧结构但无复帧头的基于训练序列填充保护间隔的OFDM系统产生帧同步序列的工作流程。本实施例中帧同步序列的结构和填充方法如图11所示。

在所述OFDM系统中，保护间隔填充的训练序列与OFDM数据块组成一个信号帧，数据块间填充的训练序列是本实施例中的原始序列经过变换后的调制序列。帧同步序列产生的过程具体包括如下步骤：

步骤601：依据帧结构，产生225个原始序列

原始序列是由长度255的m序列经过循环扩展后得到长度为420序列。

步骤602：将信令信息分配到所述各个原始序列；

该系统传输224比特信令信息，第一个原始序列不携带信息，其余每个原始序列各分配1比特信息。

步骤603：对原始序列进行变化以携带信令信息，形成若干调制序列；

本实施例中利用训练序列循环位移携带信令信息，调制序列C1、C2、......、Cs是原始序列C的循环位移变化，其中第一个序列L选取为0，其余224个序列各有2个序列L选取为±1，或±3，…，或±113。

步骤604：将所述225个调制序列在时域分散组合作为保护间隔插入225个信号帧内，并一同组成一个超帧后发送。

接收端通过检测帧每个同步序列本身的时域位移变化以解调携带信令信息。

基于本发明技术方案实施例1～6中所提出的帧同步序列，接收端可通过调制序列简单快速地完成对帧同步序列的捕获和对接收信号同步参数(如频率偏差、定时误差、帧同步序列起始位置等)的估计，并完成对调制序列携带信令信息的解调恢复。例如，实施例1和6中利用调制序列位移进行解调；实施例2中利用调制序列相位进行解调；实施例3中利用调制序列频偏进行解调；实施例4中利用调制序列幅度进行解调；实施例5中联合利用调制序列位移、相位、频率、幅度位移解调。该方法接收端实现过程简单、复杂度低、检测精度高，可在复杂无线传输通道环境下可靠恢复信令信息。

实施例7

本实施例具体描述本发明技术方案所提出了一种数字通信系统中帧同步序列的生成装置，包括原始序列生成模块、信令信息分配模块、原始序列调制模块和调制序列组合模块，如图12所示，其中，

原始序列生成模块：用于依据帧结构，产生若干原始序列，其结果发送给信令信息分配模块；

信令信息分配模块：用于将信令信息分配到所述原始序列，其结果发送给原始序列调制模块；

原始序列调制模块：用于通过幅度变化、相位变换、时域位移、离散傅立叶变换域频移，或其组合等操作对原始序列进行调制，形成若干携带信令信息的调制序列，并将其发送给调制序列组合模块

调制序列组合模块：用于将所述调制序列在时域组合形成所述帧同步序列。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。