CN107070840A - 一种符号定时同步方法及其*** - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种符号定时同步方法，应用于可见光DCO‑OFDM***，其中，所述方法包括：利用对符号串***的训练序列的相关性，在接收端对接收到的信号进行相关性运算以得到定时度量曲线；通过检测符号的所述定时度量曲线的峰值位置以确定符号的起始位置。本发明还提供一种符号定时同步***。本发明提供的技术方案利用中心对称的序列在中心位置处的相关性最大的特点设计出一种训练序列，通过中心对称的PN序列的加入有效的抑制了次峰的出现并使得主峰下降更加陡峭，本发明使得判定符号起始位置的干扰更小，有利于更加准确的符号定时，保证通信***在接收端准确的解调工作。

Description

一种符号定时同步方法及其***
技术领域
本发明涉及可见光LED无线通信领域，尤其涉及一种基于可见光DCO-OFDM***的符号定时同步方法及其***。
背景技术
随着LED照明技术越来越成熟。该照明技术已被广泛的应用，这也给VLC的发展提供了一个机会。VLC采用LED灯作为信号的发送端，选用光波作为信息传送的载体，成为短波无线通信领域的一项新兴技术。其特点有：频谱资源广泛，功耗低，电磁波干扰小，保密性好等等优势。合适的调制方式可以大大提高传输效率。然而同步技术就是VLC中各种信号调制技术的关键链接。
高速的VLC***需克服多径衰落与提高频谱利用率。由于OFDM技术的高频谱利用率以及其稳定的抗多径干扰性能，该技术已经被广泛应用于各种无线通信***当中。
许多定时同步算法被用来估计OFDM***的定时偏移。其中最著名的添加训练序列的算法是Schmidl算法，它采用一个在时域包含完全相同的两部分的训练序列。然而，该算法的定时度量曲线存在一个固有平坦区域，该区域的存在造成了定时估计很大范围的浮动。为了使定时估计更加的准确，Minn在Schmidl的基础上设计了两种修改方案。第一种是采用以整个符号周期的样值计算信号能量并且对处于保护间隔的窗口求得的定时度量值求平均。第二种方案训练序列使用包含4个相等长度的序言部分,最后两个是前两个部分的负值。虽然Minn算法提供了一个尖锐的定时度量，但是其在多径信道当中的定时估计值及其不稳定，方差很大。Park在此时提出了一种中心对称的训练序列，该通过对该训练序列相关性运算产生的定时度量值下降更加陡峭比Schmidl算法与Minn算法。在后来的继续研究过程当中，Ren采用了将PN序列与包含两个相同部分的前言序列相乘的到的训练序列，在接收端通过相关性算法得到了一个具有冲击形状的定时度量曲线并且获得了很好的定时均方误差，但该训练序列增加了OFDM符号的带宽，引进了用户的邻近干扰。
而且，之前的算法大部分在射频通信的基础上对OFDM的符号定时同步进行研究，然而在可将光通信***当中对OFDM的研究并不是很深入。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种符号定时同步方法及其***，旨在利用中心对称的序列在中心位置处的相关性最大的特点设计出一种训练序列，通过中心对称的PN序列的加入有效的抑制了次峰的出现并使得主峰下降更加陡峭，从而解决目前在判定符号起始位置存在较大干扰而影响符号定时准确度的问题。
本发明提出一种符号定时同步方法，其中，所述方法应用于可见光DCO-OFDM***，所述方法包括：
利用对符号串***的训练序列的相关性，在接收端对接收到的信号进行相关性运算以得到定时度量曲线；
通过检测符号的所述定时度量曲线的峰值位置以确定符号的起始位置。
优选的，所述利用对符号串***的训练序列的相关性，在接收端对接收到的信号进行相关性运算以得到定时度量曲线的步骤具体包括：
在发射端对输入的原始数据进行正交幅度调制星座映射；
对经过星座映射后的串行信号进行串/并变换处理以及共轭对称变换处理以得到N路并行传输的数据，其中，N为逆快速傅里叶变换点数；
对N路并行传输的数据进行逆快速傅里叶变换以得到信号序列；
生成训练序列，并在所述信号序列的基础上***所述训练序列和OFDM符号的循环前缀CP；
利用对***后的信号序列中的电信号添加直流偏置后来调节信号光源LED，所述信号光源LED发出的DCO-OFDM信号进入室内可见光无线通信信道；
在接收端利用光电探测器接收所述DCO-OFDM信号，并对接收到的所述DCO-OFDM信号做相关性运算以得到定时度量曲线。
优选的，所述生成训练序列的步骤具体包括：
通过逆快速傅里叶变换生成N/2长度信号，并对所述N/2长度信号做共轭对称变换处理以形成一共轭对；
随机生成长度为N/2的PN序列，并对N/2的PN序列做对称变换以变为长度为N的中心对称的PN序列；
将所述一共轭对与所述长度为N的中心对称的PN序列相乘以生成训练序列。
优选的，所述通过检测符号的所述定时度量曲线的峰值位置以确定符号的起始位置的步骤具体包括：
对度量值设定阈值，检测所述定时度量曲线中的每一个度量值，当度量值超过所述阈值时判定为符号的起始位置；
在判定出符号的起始位置之后，去除接收到的OFDM符号的循环前缀CP，并进行串/并变换，然后进行快速傅里叶变换以进行信号恢复。
另一方面，本发明还提供一种符号定时同步***，所述符号定时同步***应用于可见光DCO-OFDM***，所述符号定时同步***包括：
计算模块，用于利用对符号串***的训练序列的相关性，在接收端对接收到的信号进行相关性运算以得到定时度量曲线；
定位模块，用于通过检测符号的所述定时度量曲线的峰值位置以确定符号的起始位置。
优选的，所述计算模块具体用于：
在发射端对输入的原始数据进行正交幅度调制星座映射；
对经过星座映射后的串行信号进行串/并变换处理以及共轭对称变换处理以得到N路并行传输的数据，其中，N为逆快速傅里叶变换点数；
对N路并行传输的数据进行逆快速傅里叶变换以得到信号序列；
生成训练序列，并在所述信号序列的基础上***所述训练序列和OFDM符号的循环前缀CP；
利用对***后的信号序列中的电信号添加直流偏置后来调节信号光源LED，所述信号光源LED发出的DCO-OFDM信号进入室内可见光无线通信信道；
在接收端利用光电探测器接收所述DCO-OFDM信号，并对接收到的所述DCO-OFDM信号做相关性运算以得到定时度量曲线。
优选的，所述计算模块具体还用于：
通过逆快速傅里叶变换生成N/2长度信号，并对所述N/2长度信号做共轭对称变换处理以形成一共轭对；
随机生成长度为N/2的PN序列，并对N/2的PN序列做对称变换以变为长度为N的中心对称的PN序列；
将所述一共轭对与所述长度为N的中心对称的PN序列相乘以生成训练序列。
优选的，所述定位模块具体用于：
对度量值设定阈值，检测所述定时度量曲线中的每一个度量值，当度量值超过所述阈值时判定为符号的起始位置；
在判定出符号的起始位置之后，去除接收到的OFDM符号的循环前缀CP，并进行串/并变换，然后进行快速傅里叶变换以进行信号恢复。
本发明提供的技术方案利用中心对称的序列在中心位置处的相关性最大的特点设计出一种训练序列，通过中心对称的PN序列的加入有效的抑制了次峰的出现并使得主峰下降更加陡峭，本发明使得判定符号起始位置的干扰更小，有利于更加准确的符号定时，保证通信***在接收端准确的解调工作。
附图说明
图1为本发明一实施方式中符号定时同步方法流程图；
图2为本发明一实施方式中图1所示步骤S1的具体流程图；
图3为本发明一实施方式中图2所示步骤S4中生成训练序列的具体流程图；
图4为本发明一实施方式中图1所示步骤S2的具体流程图；
图5为本发明一实施方式中训练序列的结构图；
图6为本发明一实施方式中四种同步算法在DCO_OFDM***当中的对比示意图；
图7为本发明一实施方式中四种同步算法的定时准确概率曲线对比示意图；
图8为本发明一实施方式中四种同步算法的定时最小分辨限曲线对比示意图；
图9所示为本发明一实施方式中符号定时同步***10的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
以下将对本发明所提供的一种符号定时同步方法进行详细说明。
请参阅图1，为本发明一实施方式中符号定时同步方法流程图。
在本实施方式中，该符号定时同步方法主要是基于可见光直流偏置光正交频分复用无线光通信(DCO-OFDM)***的符号定时同步方法，应用于可见光DCO-OFDM***。本发明提出针对可见光通信***的OFDM调制的符号定时算法提出了改进，结合Park算法的对称性与PN序列的随机性对训练序列进行了设计，更加严格的限制了训练序列的相关性，当在接收端对其接收到的信号做定时度量相关性运算得到的定时度量曲线满足峰值两侧下降陡峭，并且很好的抑制旁峰的效果，大大提高符号定时性能。
在步骤S1中，利用对符号串***的训练序列的相关性，在接收端对接收到的信号进行相关性运算以得到定时度量曲线。
在本实施方式中，所述步骤S1具体包括S11-S16这六个子步骤，如图2所示。
请参阅图2，为本发明一实施方式中图1所示步骤S1的具体流程图。
在步骤S11中，在发射端对输入的原始数据进行正交幅度调制(QAM)星座映射。
本发明在发送端采用OFDM调制方式，但是由于OFDM技术必须保证各个子载波之间的严格正交，所以对定时偏移与频率偏移十分敏感。当OFDM符号的保护间隔大于多径信道的最大信道延时时，OFDM技术对定时误差偏移的存在具有一定的容忍性。然而，当定时偏差位置的FFT窗口包含前一个或者后一个OFDM符号时，即使小的定时偏差也会破坏子载波之间的正交性并且会引进的符号间干扰(ICI)和码间干扰(ISI)，严重时降低OFDM***的性能。而对于频率误差，主要由于发射机与接收机的本地振荡器之间会发生频率漂移和多普勒效应引起的。可见光通信***采用的是强度调制/直接检测(IM/DD)并且接收端与发射端通常是相对缓慢移动或者准静态的，多普勒效应与接收机与发射机之间的本地振荡器的频率偏移基本可以消除。所以针对本发明研究的可见光通信***不需要载波同步。
在本实施方式中，原始数据为原始基带信号，是一种二进制比特序列，对原始数据进行QAM星座映射后为带通频带信号，是一种串行信号。
在步骤S12中，对经过星座映射后的串行信号进行串/并变换处理以及共轭对称变换处理以得到N路并行传输的数据，其中，N为逆快速傅里叶变换(IFFT)点数。
在本实施方式中，利用串并(Serial to Parallel，S/P)转换单元对星座映射后的串行信号进行并行传输处理，主要作用是为信号进入之后的***单元做准备，在串并变换之后还要进行共轭对称变换，使其变换为N路并行传输的数据，N为IFFT点数。
在步骤S13中，对N路并行传输的数据进行逆快速傅里叶变换以得到信号序列。
在本实施方式中，这种将N路数据信息进行N点的IFFT变换，实现对输入信号的多载波调制，提高***传输速率，保证信号正交化且***间干扰。
在步骤S14中，生成训练序列，并在所述信号序列的基础上***所述训练序列和OFDM符号的循环前缀CP。
在本实施方式中，所述生成训练序列的步骤具体包括S141-S143，如图3所示。
请参阅图3，为本发明一实施方式中图2所示步骤S4中生成训练序列的具体流程图。
在步骤S141中，通过逆快速傅里叶变换生成N/2长度信号，并对所述N/2长度信号做共轭对称变换处理以形成一共轭对；
在步骤S142中，随机生成长度为N/2的PN序列，并对N/2的PN序列做对称变换以变为长度为N的中心对称的PN序列；
在步骤S143中，将所述一共轭对与所述长度为N的中心对称的PN序列相乘以生成训练序列。
在本实施方式中，通过IFFT变换与共轭对称产生具有对称性与相关性的训练序列，将生成的训练序列与具有同样对称性的PN序列相乘，主要功能是通过在接收端对接收到的信号进行相关性运算，通过在训练序列某个固定位置相关性最大的特点确定出信号流中每个OFDM符号的起始位置，以保证在接收端准确的恢复出原始信号。
请继续参阅图2，在步骤S15中，利用对***后的信号序列中的电信号添加直流偏置后来调节信号光源LED，所述信号光源LED发出的DCO-OFDM信号进入室内可见光无线通信信道。
在步骤S16中，在接收端利用光电探测器接收所述DCO-OFDM信号，并对接收到的所述DCO-OFDM信号做相关性运算以得到定时度量曲线。
在本实施方式中，在接收端，通过固定长度的滑动窗口选取N个信号，对选取的N个信号做相关性计算得到度量值。
请继续参阅图1，在步骤S2中，通过检测符号的所述定时度量曲线的峰值位置以确定符号的起始位置。
在本实施方式中，步骤S2具体包括S21-S22，如图4所示。
请参阅图4，为本发明一实施方式中图1所示步骤S2的具体流程图：
在步骤S21中，对度量值设定阈值，检测所述定时度量曲线中的每一个度量值，当度量值超过所述阈值时判定为符号的起始位置；
在步骤S22中，在判定出符号的起始位置之后，去除接收到的OFDM符号的循环前缀CP，并进行串/并变换，然后进行快速傅里叶变换以进行信号恢复。
请参阅图5，为本发明一实施方式中训练序列的结构图。其中，序列A为N/2长度信号序列，序列B为序列A的共轭对称变换序列，A和B是一共轭对，CP为OFDM符号的循环前缀(Cyclic Prefix，CP)，P(d)为定时度量中的相关求和项，当d处于正确定时点位置，a—a*，-b—-b*，c—c*，d—d*...，各样值点完全对应，此时相关性最大，即P(d)值最大。如果定时错误，如图5所示，P(d+1)为a*—-b*，a—c*，-b—d*...的求和，每一对样点值都不对应，所以P(d+1)会接近于0。本发明的改进算法简化了Park算法的复杂结构，结合Park算法的对称性和PN序列的随机性，更加严格的限制了相关性的要求，很好的抑制了旁峰的出现，也使得主峰下降的更加陡峭。
在本实施方式中，在添加训练序列之后，此时在加直流偏置操作前的OFDM时域采样信号可表示为：
利用对***后的信号序列中的电信号添加直流偏置后来调节信号光源LED，所述信号光源LED发出的DCO-OFDM信号进入室内可见光无线通信信道，光电探测器接收到的信号表示为yk＝[y0,y1,…,yk,…,yN-1]，此时再对接收到的信号做相关性运算，计算定时度量值M(d)，其中，P(d)为接收信号的相关求和函数，R(d)为采样点能量的总和，将每个定时度量值与阈值的大小进行比较，当定时度量值超过阈值时，则判定一个OFDM符号到来，去除每个OFDM符号用来减弱符号间干扰的循环前缀，去除保护间隔之后信号经过FFT变换，得到的信号再进行基带解调后输出最终的信号。
最后搭建一个可见光通信DCO-OFDM***的仿真平台对本发明实施例进行验证。本发明使用的仿真参数为：DCO-OFDM子载波数为256，输入的DCO-OFDM符号个数为50，采用16QAM调制方式，门限值m＝0.98。图6为本发明一实施方式中四种同步算法在DCO_OFDM***当中的对比示意图，sch算法、Minn算法、Park算法分别为本发明背景技术部分中介绍的现有技术的算法，parkimp改进算法为本发明实施例中的方法(即本发明提出的符号定时同步算法)，参照图6可以看出，本发明提出的符号定时同步算法相比较其它算法，抑制了平台区以及旁峰的出现，改善了主峰两侧下降缓慢的缺点，大大提高了定时估计的性能。
请参阅图7，为本发明一实施方式中四种同步算法的定时准确概率曲线对比示意图，sch算法、Minn算法、Park算法分别为本发明背景技术部分中介绍的现有技术的算法，parkimp改进算法为本发明实施例中的方法(即本发明提出的符号定时同步算法)，由图7可知，本发明设计训练符号以及相关性计算的算法相比其它几种经典的符号定时同步算法的定时准确率是最高的，***的性能的最优的，无论是在信噪比较低的情况下还是在正常信噪比情况下，本发明提出的改进算法几乎都可以实现无误差接收。
请参阅图8，为本发明一实施方式中四种同步算法的定时最小分辨限曲线对比示意图，sch算法、Minn算法、Park算法分别为本发明背景技术部分中介绍的现有技术的算法，parkimp改进算法为本发明实施例中的方法(即本发明提出的符号定时同步算法)，参照图8可知，本发明提供符号定时同步算法对于符号定时点的估计更加稳定，本发明提供符号定时同步算法在接收端的相关性度量值当中最小分辨限是最高的，更加有利于在接收端进行解调时信号阈值的设定。
本发明提供的一种符号定时同步方法，利用中心对称的序列在中心位置处的相关性最大的特点设计出一种训练序列，通过中心对称的PN序列的加入有效的抑制了次峰的出现并使得主峰下降更加陡峭，本发明使得判定符号起始位置的干扰更小，有利于更加准确的符号定时，保证通信***在接收端准确的解调工作。
以下将对本发明所提供的一种符号定时同步***10进行详细说明。
请参阅图9，所示为本发明一实施方式中符号定时同步***10的结构示意图。
在本实施方式中，符号定时同步***10应用于可见光DCO-OFDM***，主要包括计算模块11和定位模块12。
计算模块11，用于利用对符号串***的训练序列的相关性，在接收端对接收到的信号进行相关性运算以得到定时度量曲线。
定位模块12，用于通过检测符号的所述定时度量曲线的峰值位置以确定符号的起始位置。
在本实施方式中，所述计算模块11具体用于：
在发射端对输入的原始数据进行正交幅度调制星座映射；
对经过星座映射后的串行信号进行串/并变换处理以及共轭对称变换处理以得到N路并行传输的数据，其中，N为逆快速傅里叶变换点数；
对N路并行传输的数据进行逆快速傅里叶变换以得到信号序列；
生成训练序列，并在所述信号序列的基础上***所述训练序列和OFDM符号的循环前缀CP；
利用对***后的信号序列中的电信号添加直流偏置后来调节信号光源LED，所述信号光源LED发出的DCO-OFDM信号进入室内可见光无线通信信道；
在接收端利用光电探测器接收所述DCO-OFDM信号，并对接收到的所述DCO-OFDM信号做相关性运算以得到定时度量曲线。
在本实施方式中，所述计算模块11具体还用于：
通过逆快速傅里叶变换生成N/2长度信号，并对所述N/2长度信号做共轭对称变换处理以形成一共轭对；
随机生成长度为N/2的PN序列，并对N/2的PN序列做对称变换以变为长度为N的中心对称的PN序列；
将所述一共轭对与所述长度为N的中心对称的PN序列相乘以生成训练序列。
在本实施方式中，所述定位模块12具体用于：
对度量值设定阈值，检测所述定时度量曲线中的每一个度量值，当度量值超过所述阈值时判定为符号的起始位置；
在判定出符号的起始位置之后，去除接收到的OFDM符号的循环前缀CP，并进行串/并变换，然后进行快速傅里叶变换以进行信号恢复。
本发明提供的一种符号定时同步***10，利用中心对称的序列在中心位置处的相关性最大的特点设计出一种训练序列，通过中心对称的PN序列的加入有效的抑制了次峰的出现并使得主峰下降更加陡峭，本发明使得判定符号起始位置的干扰更小，有利于更加准确的符号定时，保证通信***在接收端准确的解调工作。
值得注意的是，上述实施例中，所包括的各个单元只是按照功能逻辑进行划分的，但并不局限于上述的划分，只要能够实现相应的功能即可；另外，各功能单元的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。
另外，本领域普通技术人员可以理解实现上述各实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，相应的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，所述的存储介质，如ROM/RAM、磁盘或光盘等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种符号定时同步方法，其特征在于，所述方法应用于可见光DCO-OFDM***，其特征在于，所述方法包括：
利用对符号串***的训练序列的相关性，在接收端对接收到的信号进行相关性运算以得到定时度量曲线；
通过检测符号的所述定时度量曲线的峰值位置以确定符号的起始位置。
2.如权利要求1所述的符号定时同步方法，其特征在于，所述利用对符号串***的训练序列的相关性，在接收端对接收到的信号进行相关性运算以得到定时度量曲线的步骤具体包括：
在发射端对输入的原始数据进行正交幅度调制星座映射；
对经过星座映射后的串行信号进行串/并变换处理以及共轭对称变换处理以得到N路并行传输的数据，其中，N为逆快速傅里叶变换点数；
对N路并行传输的数据进行逆快速傅里叶变换以得到信号序列；
生成训练序列，并在所述信号序列的基础上***所述训练序列和OFDM符号的循环前缀CP；
利用对***后的信号序列中的电信号添加直流偏置后来调节信号光源LED，所述信号光源LED发出的DCO-OFDM信号进入室内可见光无线通信信道；
在接收端利用光电探测器接收所述DCO-OFDM信号，并对接收到的所述DCO-OFDM信号做相关性运算以得到定时度量曲线。
3.如权利要求2所述的符号定时同步方法，其特征在于，所述生成训练序列的步骤具体包括：
通过逆快速傅里叶变换生成N/2长度信号，并对所述N/2长度信号做共轭对称变换处理以形成一共轭对；
随机生成长度为N/2的PN序列，并对N/2的PN序列做对称变换以变为长度为N的中心对称的PN序列；
将所述一共轭对与所述长度为N的中心对称的PN序列相乘以生成训练序列。
4.如权利要求2所述的符号定时同步方法，其特征在于，所述通过检测符号的所述定时度量曲线的峰值位置以确定符号的起始位置的步骤具体包括：
对度量值设定阈值，检测所述定时度量曲线中的每一个度量值，当度量值超过所述阈值时判定为符号的起始位置；
在判定出符号的起始位置之后，去除接收到的OFDM符号的循环前缀CP，并进行串/并变换，然后进行快速傅里叶变换以进行信号恢复。
5.一种符号定时同步***，其特征在于，所述符号定时同步***应用于可见光DCO-OFDM***，所述符号定时同步***包括：
计算模块，用于利用对符号串***的训练序列的相关性，在接收端对接收到的信号进行相关性运算以得到定时度量曲线；
定位模块，用于通过检测符号的所述定时度量曲线的峰值位置以确定符号的起始位置。
6.如权利要求5所述的符号定时同步***，其特征在于，所述计算模块具体用于：
在发射端对输入的原始数据进行正交幅度调制星座映射；
对经过星座映射后的串行信号进行串/并变换处理以及共轭对称变换处理以得到N路并行传输的数据，其中，N为逆快速傅里叶变换点数；
对N路并行传输的数据进行逆快速傅里叶变换以得到信号序列；
生成训练序列，并在所述信号序列的基础上***所述训练序列和OFDM符号的循环前缀CP；
利用对***后的信号序列中的电信号添加直流偏置后来调节信号光源LED，所述信号光源LED发出的DCO-OFDM信号进入室内可见光无线通信信道；
在接收端利用光电探测器接收所述DCO-OFDM信号，并对接收到的所述DCO-OFDM信号做相关性运算以得到定时度量曲线。
7.如权利要求5所述的符号定时同步***，其特征在于，所述计算模块具体还用于：
通过逆快速傅里叶变换生成N/2长度信号，并对所述N/2长度信号做共轭对称变换处理以形成一共轭对；
随机生成长度为N/2的PN序列，并对N/2的PN序列做对称变换以变为长度为N的中心对称的PN序列；
将所述一共轭对与所述长度为N的中心对称的PN序列相乘以生成训练序列。
8.如权利要求5所述的符号定时同步***，其特征在于，所述定位模块具体用于：
对度量值设定阈值，检测所述定时度量曲线中的每一个度量值，当度量值超过所述阈值时判定为符号的起始位置；
在判定出符号的起始位置之后，去除接收到的OFDM符号的循环前缀CP，并进行串/并变换，然后进行快速傅里叶变换以进行信号恢复。
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