专利名称：一种煤矿井下ofdm通信系统载波同步方法
技术领域：
本发明涉及一种煤矿井下OFDM通信系统载波同步方法，属于信息技术领域，特别适用于无线网络通信领域。
背景技术：
煤炭工业是关系国家经济命脉的重要基础产业，是支撑我国⑶P增长的重要一次性能源。内蒙古自治区煤炭储量极其丰富，现已查明含煤面积达10多万平方公里、累计探明储量2400亿吨，远景储量12000亿吨，居全国第一位。煤炭和稀土是内蒙古自治区两大支柱性资源。至2009年内蒙古自治区煤炭产量达到6. 37亿吨，超过山西的6. 15亿吨，位
居全国第一。2010年内蒙古煤炭产量将达到7. 82亿吨。由于煤矿井下复杂的通信环境，使得电磁波不能很好地传播，存在大量的反射、折射及散射路径，造成严重的多径传播。矿井巷道是一个非自由的受限空间，电磁波在传播过程中不仅会被由煤层、岩石、土壤等组成的巷道壁所吸收，更重要的是电磁波在传播过程中遇到巷道壁和障碍物时会频繁发生折射和反射，从而产生多径衰落，这严重破坏了信号的相位和幅值特性，对接收系统产生极大的影响。其次，巷道中的机电设备启动频繁、功率高也对信号的传播特性破坏严重。巷道和工作面顶底板有起伏，并且在水平方向根据煤层和岩层的走向变化会形成各种弯度，从而产生了非可视距传播，大大降低了巷道和工作面上无线信号的传输距离。受制于其特定环境要求，使得相关研究工作十分困难，矿井无线通信技术的发展要远落后陆地的GSM、CDMA, OFDM等无线通信，并且地面移动通信技术从工作原理、发射功率、抗干扰措施、组网方式、建设成本等方面仍不能直接适用于矿井巷道。上述煤矿井下的多径衰落和非可视传输的问题加大了矿井无线通信的实现难度，对煤矿井下无线通信系统提出了极大的挑战。目前对矿井巷道的电磁波传播特性、系统建模、抗多径衰落等关键理论与技术的研究仍处于进一步发展阶段，至今还没有形成完整、可靠的理论基础和体系，缺乏理论上的支撑。正交频分复用(OrthogonalFrequency Division Multiplexing, OFDM)技术是一种高效并行多载波传输技术，它将高速串行的数据调制到多个并行的正交子信道中，从而使每个子信道的码元宽度大于信道时延扩展，再通过加入循环前缀，减小了码间干扰(Inter Symbol Interference, ISI)对系统的影响,可以有效对抗多径效应,是一种比较适合煤矿井下环境的无线通信技术。虽然OFDM系统具有诸多优点，但它也存在很大的问题对于载波频率偏移敏感。对于煤矿井下接收信号中的频率偏移，需要接收机进行同步保证各载波间正交性。精确同步理论不仅对信道估计和矿井接收系统，而且对整个矿井下的无线通信系统意义重大。
发明内容
本发明需要解决的技术问题就在于克服现有技术的缺陷，提供一种煤矿井下OFDM通信系统载波同步方法，它针对煤矿巷道复杂环境下的OFDM同步方法进行了改进，并在FPGA硬件平台进一步验证了矿井OFDM系统同步方法的可实现性。为解决上述问题，本发明采用如下技术方案
本发明提供了煤矿井下OFDM通信系统载波同步方法，OFDM通信系统包括OFDM发射和接收系统，可以分为基带处理和射频两部分；所述载波同步方法为对OFDM系统中的基带处理过程，对信号的频偏进行估计后补偿，保证后续的FFT、信道估计等过程的准确性。首先对信源二进制输入数据进行扰码，扰码的作用是为了避免出现长串的I或0，有助于接收机定时恢复。输入数据经过扰码后进入编码器，对其进行卷积编码，这样可以对抗无线信道造成的随机错误。编码后的数据进入交织器，完成交织过程，信号域进行一级交 织，而数据域需要进行两级交织，这样可以避免传输过程中突发错误的影响。对交织后的数据进行16QAM映射，可以将数据调制成同相(I)正交(Q)的两路信号，从而形成复信号。在复信号相应位置插入4个导频，将插入导频信息的复信号进行IFFT，把将数据信息调制到52个子载波上，OFDM符号初步形成。最终将IFFT调制后的数据进行并串变换，将多路信号合成一路信号，并对这路信号做加循环前缀和加窗处理等操作，至此，OFDM基带信号形成，OFDM基带处理结束。将形成的基带信号经过数模转换器，转换成模拟信号，对其进行正交调制，转换成实信号，将信号进行中频调制变为中频信号，最后调制成射频信号通过天线发射，以上过程为射频处理过程。这就是OFDM信号形成和发射的整个过程。OFDM系统接收机的接收过程是与发射相反的过程。OFDM信号经过高频头变为中频模拟信号，模拟信号经过放大和模数转换器，成为中频数字信号。中频数字信号经过数字解调和正交解调后变为基带复信号，这样发射信号就恢复到了基带形式。将得到的信号进行同步，滤除信号中的纯噪声部分，对信道和设备造成的频偏进行估计和补偿，最终较为准确地找到FFT窗口的位置，为即将进行FFT做准备。信号经过同步后，要进行去训练符号和循环前缀等过程，去掉OFDM分组数据中的辅助部分，得到信号域和数据域信号。经过串并变换后，它们变为多路信号，可以经过FFT变换。由于无线信道的影响会造成OFDM解调子载波时的幅度偏差，影响后续16QAM解映射的正确性，故需要将变换后的信号进行信道估计与均衡，对信号的相位和幅值进行校正。信道均衡后的数据经过16QAM解映射，解交织，解码，解扰等过程最终将原始信源二进制数据较为准确地恢复出来。本发明主要关注OFDM系统中的基带处理过程，提出一种载波同步方法。井下无线信道中的多径干扰较为严重，加之工作人员之间相互组成的收发系统本地振荡器不完全匹配，会使接收信号的载波频率发生偏移，从而破坏OFDM子载波间的正交性，引起载波间干扰。载波同步及时对信号的频偏进行估计后补偿，保证后续的FFT (FastFourier Trans format ion)、信道估计等过程的准确性。设基带发送信号为\，则接收到的复基带信号为
rs = V 繩，
式中，为发送载波频率下力采样周期。若两个连续重复符号之间的延时力-个采样长度，OFDM符号长度力h则周期重复信号的延时相关和为1-权利要求
1.一种煤矿井下OFDM通信系统载波同步方法，OFDM通信系统包括OFDM发射和接收系统，可以分为基带处理和射频两部分；其特征在于所述载波同步方法为对OFDM系统中的基带处理过程，对信号的频偏进行估计后补偿，保证后续的FFT、信道估计等过程的准确性。
2.如权利要求1所述的煤矿井下OFDM通信系统载波同步方法，其特征在于OFDM发射过程为首先对信源二进制输入数据进行扰码，输入数据经过扰码后进入编码器，对其进行卷积编码，编码后的数据进入交织器，完成交织过程，信号域进行一级交织，数据域进行两级交织，对交织后的数据进行16QAM映射，将数据调制成同相(I)正交(Q)的两路信号，形成复信号;在复信号插入4个导频，将插入导频信息的复信号进行IFFT，把将数据信息调制到52 个子载波上，OFDM符号初步形成；最终将IFFT调制后的数据进行并串变换，将多路信号合成一路信号，并对这路信号做加循环前缀和加窗处理，OFDM基带信号形成，OFDM基带处理结束；将形成的基带信号经过数模转换器，转换成模拟信号，对其进行正交调制，转换成实信号，将信号进行中频调制变为中频信号，最后调制成射频信号通过天线发射，以上过程为射频处理过程；OFDM接收过程为OFDM系统接收机的接收过程是与发射相反的过程，OFDM信号经过高频头变为中频模拟信号，模拟信号经过放大和模数转换器，成为中频数字信号；中频数字信号经过数字解调和正交解调后变为基带复信号，这样发射信号就恢复到了基带形式；将得到的信号进行同步，滤除信号中的纯噪声部分，对信道和设备造成的频偏进行估计和补偿，找到FFT窗口的位置，为即将进行FFT做准备；信号经过同步后，进行去训练符号和循环前缀，去掉OFDM分组数据中的辅助部分，得到信号域和数据域信号；经过串并变换后，它们变为多路信号，经过FFT变换；将变换后的信号进行信道估计与均衡，对信号的相位和幅值进行校正；信道均衡后的数据经过16QAM解映射，解交织，解码，解扰最终将原始信源二进制数据较为准确地恢复出来。
3.如权利要求2所述的煤矿井下OFDM通信系统载波同步方法，其特征在于设基带发送信号为A，则接收到的复基带信号为
全文摘要
本发明公开了一种煤矿井下OFDM通信系统载波同步方法，OFDM通信系统包括OFDM发射和接收系统，可以分为基带处理和射频两部分；所述载波同步方法为对OFDM系统中的基带处理过程，对信号的频偏进行估计后补偿，保证后续的FFT、信道估计等过程的准确性。本发明针对煤矿巷道复杂环境下的OFDM同步方法进行了改进，并在FPGA硬件平台进一步验证了矿井OFDM系统同步方法的可实现性。
文档编号H04L27/26GK103001917SQ201210536868
公开日2013年3月27日 申请日期2012年12月13日 优先权日2012年12月13日
发明者崔丽珍, 曹成, 刘乃君, 高丽丽, 史明泉 申请人:内蒙古科技大学