NAVDAT中基于PN序列的同步方法与流程

本发明涉及一种无线移动数字通信系统的同步头设计与同步方法，尤其涉及在不存在整数频偏的情况下，利用PN序列以较低的计算复杂度来同时完成时间同步和频率同步，一种应用于NAVDAT(Navigational Data、导航数据)数字通信系统中的同步头设计与同步方法。

背景技术：

NAVDAT数字通信系统是一种工作在500KHz频段，用于海上移动服务、以确保海上安全和从岸基到船只相关信息安全传输的数字广播系统。该数字通信系统为各种类型的消息提供了广播传输服务，并且具有加密性。其中广播的消息包括但不限于航海安全、信息安全、海盗行为、搜救以及船舶交通系统文件传输等。NAVDAT数字系统的500KHz工作频段为数据广播信号提供了良好的覆盖，可以为从岸基到船舶的信息广播实现高速的数据传输以提高操作效率和航海安全。

NAVDAT数字通信系统物理层采用的核心技术是OFDM(正交频分复用)技术，其基本原理是将高速的数据流分解为多路并行的低速数据流，利用多个子载波上同时进行传输，各个子载波相互正交。通过调制之后的频谱相互重叠，在接收端可以利用各个子载波的正交性分离出各个子载波的数据信息，这种技术不仅可以有效提高频谱利用率，而且可以有效抵抗无线信道的衰落效应。

在OFDM无线移动通信系统中，同步问题包括时间同步和频率同步。时间同步的目的是正确找出FFT窗的起始位置，当接收端的FFT观察窗口扩展到两个连续的OFDM符号内时，就会导致子载波间干扰和码间干扰。时间同步偏差会破坏子载波间的正交性，从而导致系统性能的降低。OFDM系统中的频率偏移主要由接收机和发射机两端的晶振不稳定，移动环境的多普勒偏移，非线性信道的相位噪声引起。当不存在频率偏移时，OFDM系统各子载波间相互正交，不存在载波间干扰，系统性能良好；当存在频率偏移时，会破坏子载波间的正交性，引起载波间干扰，较小的频率偏移就会导致较大的性能损失。因此，准确的时间同步和精确的频率同步是OFDM系统正常工作的前提。

按照同步所采用的辅助数据可以将同步技术划分为：基于保护间隔的同步方法，基于导频的同步方法，基于PN序列的同步方法以及盲同步方法。基于PN序列的同步方法具有实现简单，计算复杂度低，同步准确度高等优点。NAVDAT数字通信系统的应用场景是海岸到船舶，广阔海面上的信道衰落与多径效应相比于山区和城市要小，其500KHz的工作频率使得收发两端之间只存在小数频偏。

技术实现要素：

本发明的目的是针对海岸到近海船舶信道以及传输特点，提供一种NAVDAT中基于PN序列的同步方法，该方法可以充分复用频率同步的PN序列来提高时间同步的检测精度。

为了获得准确的时间同步和精确的频率同步，本发明所采用的技术方案如下：一种NAVDAT中基于PN序列的同步方法，该方法包括以下步骤：

(1)在NAVDAT发送端，设置一个NAVDAT数据帧的同步头，同步头的长度为T个OFDM符号，每个OFDM符号的子载波数为N个，其中T为正整数，N为正偶数。在NAVDAT同步头中每个OFDM符号的频域上按照以下规则放置PN序列：

(1.1)对于NAVDAT同步头中的前T₁个OFDM符号，在这前T₁个OFDM符号的频域子载波位置上放置T₁个各不相同的PN序列，记为PN₁,PN₂,…,PN_T1；

(1.2)对于NAVDAT同步头中的余下T-T₁个OFDM符号，在其OFDM符号的频域子载波位置上放置T-T₁个完全相同的PN序列，记为T-T₁为偶数；

(2)在NAVDAT接收端，采用与本地PN相关的方法来完成时间同步；

(2.1)接收端接收数据r(n)经FFT变换之后变为R(k),R(k)分别与本地的进行相关得到相关值

(2.2)将相关值P(k)进行变换得到新的度量M(k)；M(k)定义为当前相关值P(k₀)与窗内相关值均值的比值：

L为窗口长度，窗口起始点为k₀-L，窗口终止点为k₀-1。

经过变换，变换为

(2.3)接收机收到数据帧时，将首先在M₁(k₀)处出现相关峰，随后分别在以及处出现相关峰。

(2.4)当的T₁个位置处至少出现一个相关峰，并且所有T个位置累积出现三个以上相关峰时就认为信号到达；

(2.5)根据相关峰出现的位置给出正确的同步位置。

(3)在NAVDAT接收端，通过频域共轭相关的方法来完成频率同步；

(3.1)时间同步完成之后，将接收机收到的T-T₁个完全相同的分别记为r(n),r(n+N),…,r(n+(T-T₁-1)N),n＝1,…,N；对这T-T₁个分别进行FFT变换后得到R(k),R(k+N),…,R(k+(T-T₁-1)N),k＝1,…,N；

(3.2)对于FFT变换后的T-T₁个完全相同的将前(T-T₁)/2个视为整体，其频域数据记为R₁(k)＝R(k),k＝1,…,(T-T₁)N/2；类似地，将后(T-T₁)/2个也视为整体，其频域数据记为R₂(k)＝R(k+(T-T₁)N/2),k＝1,…,(T-T₁)N/2；

归一化频偏ε的估计值通过如下的公式来估计：

进一步地，所述同步头中OFDM符号的子载波个数为N，N的优选值为116。

进一步地，所述同步头的长度为T个OFDM符号，前T₁个OFDM符号的频域子载波位置上放置各不相同的PN序列，T的优选值为7，T₁的优选值为3。

本发明的有益效果包括：

(1)采用与本地PN序列相关的方法来进行时间同步，由于本地PN序列的取值只有±1，因此相关过程中只需要进行符号运算和加法运算，同步计算复杂度低，易于系统实现。

(2)复用频偏估计的PN序列进行时间同步，增加了参与时间同步的PN数目，可以提高时间同步的精度，降低同步头的开销。

(3)使用当前相关值与窗内相关值均值的比值作为相关峰的度量标准，消除了相关峰大小与信号幅度之间的关系，能够适应不同的信号幅度变化，具有更好的通用性。

(4)通过频域共轭相关的方法来完成频偏估计，估计精度高。

附图说明

图1是同步头PN序列插入方式示意图；

图2是本地PN序列与接收数据相关运算示意图；

图3是相关峰度量值的计算示意图；

图4是相关峰位置关系示意图；

图5是频偏估计序列组合示意图。

具体实施方式

为了使本发明的技术方案和优点变得更加清晰，下面结合具体实施例对本发明作进一步详细的描述。经过详细描述的实施例，使本领域技术人员可以实施本发明，且应当理解的是，可以利用其它实施例，以及在并不背离本发明的情况下做出PN序列数目，子载波个数的改变。因此，以下具体描述并不具有限制的涵义。

在OFDM无线通信系统中，同步问题包括时间同步和频率同步。在实际应用中，考虑接收机的实现复杂度和中波信道环境中不存在整数频偏，以及PN序列具有优良的自相关性和互相关性，因此可以用PN序列来完成时间同步和频率同步。同步头的设计方法如图1所示，图中t代表着时域方向，f代表着频域方向；每一行代表一个PN序列，圆形表示OFDM子载波位置其取值为±1。图1中的7个PN序列均参与时间同步，其中最后4个PN4还被复用作频率同步，具体实现步骤如下：

1、在NAVDAT发送端，设置NAVDAT同步头长度为7个OFDM符号，每个OFDM符号的子载波数为N个；在NAVDAT同步头中每个OFDM符号的频域上放置PN序列；

2、在NAVDAT接收端，采用与本地PN相关的方法来完成时间同步

基于相关的时间同步方法，通过分析不同PN序列相关峰出现的位置来确定同步起点。如图2所示，接收机收到数据r(n)经FFT变换之后变为R(k),R(k)分别于本地的PN1,PN2,PN3,PN4进行相关得到相关值P₁(k),P₂(k),P₃(k),P₄(k)。

在实际应用中，相关值P(k)的峰值大小与实际接收信号的幅度有关。本发明通过对P(k)进行适当的变形得到新的度量M(k)，M(k)的峰值大小与实际接收信号的幅度无关。如图3所示，M(k)定义为当前相关值P(k₀)与窗内相关值均值的比值：

L为窗口长度，窗口起始点为k₀-L，窗口终止点为k₀-1。

经过变换，P₁(k),P₂(k),P₃(k),P₄(k)变换为M₁(k),M₂(k),M₃(k),M₄(k)。

如图4所示，接收机收到数据帧时，将首先在M₁(k₀)处出现相关峰，随后分别在M₂(k₀+N),M₃(k₀+2N)以及M₄(k₀+3N),M₄(k₀+4N),M₄(k₀+5N),M₄(k₀+6N)处出现相关峰。在实际系统中，受噪声以及信道衰落等因素影响，这7个相关峰可能不会同时出现。因此在本发明中，当M₁(k₀),M₂(k₀+N),M₃(k₀+2N)三个相关峰至少出现一个，并且7个相关峰累积出现三个以上时就认为信号到达；同时，根据M₁(k₀),M₂(k₀+N)或者M₃(k₀+2N)相关峰出现的位置给出正确的同步位置。例如，当在M₁(k₀)或M₂(k₀+N)或M₃(k₀+2N)处出现相关峰时，数据段的起点位置为k₀+6N+1。

3、在NAVDAT接收端，通过频域共轭相关的方法来完成频率同步

在NAVDAT发送端放置了4个完全相同的PN4，如图5所示，接收机收到的4个PN4分别表示为r(n),r(n+N),r(n+2N),r(n+3N),n＝1,…,N；这4个PN4分别经过FFT变换后变为R(k),R(k+N),R(k+2N),R(k+3N),k＝1,…,N；

不考虑噪声影响时R(k)和R(k+N)满足

R(k+N)＝R(k)e^2πjε

ε为OFDM子载波间隔归一化的频偏。

在该发明中，将前两个PN4视为整体，其频域数据为R₁(k)＝R(k),k＝1,…,2N；同理，将后两个PN4也视为整体，其频域数据为R₂(k)＝R(k+2N),k＝1,…,2N；

归一化频偏ε的估计值为：

本发明是一种应用于NAVDAT数字通信系统中的基于PN序列的同步方法。针对海岸到近海船舶广播信道特点实现的一种同步头设计方法，我们要求将作为发明进行保护。以上所述仅为特定应用场合的具体实施方式，但本发明的真实精神和范围不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员可以修改、等同替换、改进等，实现不同应用场合的同步方法。本发明由权利要求书及其等效技术方案来限定。