矿山透地通信OFDM符号定时同步算法.pdf

第 4 1 卷 第 8期 2 O 1 5 年 8月 工矿 自 动化 I n dus t r y a nd M i ne Au t omat i o n Vo I _ 4 1 NO ． 8 Au g ． 2 01 5 文 章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 5 0 8 0 0 5 6 0 4 DOI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 X ． 2 0 1 5 ． 0 8 ． 0 1 4 路螈， 郝建军 ， 丁晓明． 矿山透地通信 OF D M 符号定时同步算法[ J ] ． 工矿 自动化， 2 0 1 5 ， 4 1 8 5 6 5 9 ． 矿山透地通信 O F D M 符号定时同步算法 路 螈 ， 郝 建 军 ， 丁 晓明 1 ． 山东 科技 大学 电子通信 与 物理学 院 ，山东 青 岛 2 6 6 5 9 0 ； 2 ． 中 国联通 泰 安分公 司 ，山东 泰安2 7 1 0 0 0 摘要 针对现有 OF D M 符号定时同步算法存在训练序列构造复杂、 定时精度较低的问题， 提 出了一种基 于线性调频序列的定时同步算法。该算法利用线性调频序列及其负共轭构成序列帧结构， 实现了 OF DM 符 号 定 时 同步 。Ma t l a b仿 真结 果表 明 ， 该 同步 算 法的训 练序 列相 关峰 更加 尖锐 ， 可 以更精 确 地 确定 OF DM 符 号 的起 始位 置 。最后 ， 利 用 D S P芯 片设 计 实现 了一个 简单 的 0F DM 基 带通 信 系统 ， 通 过 收发 数 据 的一 致性 验证 了该 同步算 法的 正确性 。 关键 词 矿 山 ； 透 地通 信 ；0 F D M ；符号 同步 中图分类 号 TD 6 5 5 文 献标 志码 A 网络 出版 时间 2 0 1 5 0 7 3 1 1 5 3 3 网络 出版地 址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 0 1 5 0 7 3 1 ． 1 5 3 3 ． 0 1 4 ． h t ml Ti mi ng s y n c h r o n i z a t i o n a l g o r i t h m o f OFDM s y mb o l s f o r mi n e t h r o u gh t he ‘ e a r t h c o mmu n i c a t i o n s y s t e m LU Yu a n ， HAO J i a n j u n ， DI NG Xi a o mi n g 。 1． Sc h oo l of El e c t r o ni c s，Co m mun i c a t i o n a n d Phy s i c s ，Sh a nd o ng U n i v e r s i t y o f Sc i e nc e a nd Te c hno l o gy Qi n g d a o 2 6 6 5 9 0 ，Ch i n a ；2 ． Ta i a n B r a n c h，Ch i n a Un i c o rn Co mp a n y ，Ta i a n 2 7 1 0 0 0 ，Ch i n a Ab s t r a c t I n vi e w of p r obl e m t ha t e x i s t i n g t i mi ng s yn c h r on i z a t i o n a l go r i t h m o f OFDM s y m b ol s h a s t r a i n i ng s e qu e n c e wi t h c o m p l e x s t r uc t u r e a nd l o w t i mi n g a c c u r a c y， a t i mi n g s yn c hr o ni z a t i o n a l g o r i t hm ba s e d o n l i ne a r f r e q ue n c y m o du l a t i o n s e q ue n c e wa s pr o po s e d． The a l g o r i t hm u s e s l i ne a r f r e que nc y mo d u l a t i o n s e q u e n c e a n d i t s n e g a t i v e c o n j u g a t e s e q u e n c e t o c o n s t i t u t e f r a me s s t r u c t u r e o f s e q u e n c e ，S O a s t o a c hi e ve t he 0FDM s y mbo l s t i mi ng s vn c h r o ni z a t i o n． M a t l a b s i m u l a t i on r e s ul t s s ho w t ha t t he s y nc hr o ni z a t i on a l g o r i t hm h a s t r a i n i ng s e q ue nc e wi t h s ha r pe r c or r e l a t i on p e a k，a nd c a n d e t e r m i ne s t a r t i ng po s i t i o n o f OFDM s y mbo l s m o r e a c c ur a t e l y． Fi n a l l y， DSP c hi p wa s u s e d t o de s i gn a s i mpl e OFDM ba s e b a nd c o m mun i c a t i o ns s y s t e m ， a n d c or r e c t i on o f t h e pr o po s e d s yn c h r o n i z a t i o n a l g or i t hm wa s v e r i f i e d by c o ns i s t e nc y o f s e n di ng d a t a a n d r e c e i vi ng d a t a． Ke y wo r ds mi ne；t hr o ug h t he e a r t h c o m mun i c a t i o n；OFDM ；s y m b ol s y nc hr o ni z a t i on 0 引言 煤矿 生产 过程 中时常会 面 临瓦斯 爆炸 、 冒顶 、 透 水 、 冲击地压等灾害 ， 为应付可能的突发情况 ， 需要 一 种可靠 的应急通信 系统 ， 以在常规通信方式失效 的情 况下 ， 维 持井 下 与地 面 的联 系 。大 地信 道特 性 非常稳定 ， 适合作为应急通信系统的信道 ， 因此 ， 透 地通信可作为矿山的应急通信手段 。然而大地信道 也有 明显 的缺点 ， 电磁波 、 地 电极和 弹性 波等 透地 通 信方式 的信号传播都面临巨大的衰减[ 1 ] ， 且衰减随 频率 的升 高而加 剧 ， 因此 ， 现 有 透 地 通信 系 统 如 澳 大利 亚 P E D系 统 、 美 国 Ma g n e l i n k系统 都 使 用 低 收稿 日期 2 0 1 5 ～ 0 4 2 9 ； 修回 日期 2 0 1 5 0 6 1 0； 责任编辑 胡娴 。 基金项 目 国家 自然科学基金项 目 6 1 4 7 1 2 2 4 ；山东省 自然科学基金项 目 z R 2 O 1 4 J L 0 4 4 。 作者简介 路螈 1 9 8 9 一 ， 女 ， 山东泰安人 ， 硕士研究生 ， 主要研究方向为无线 通信 、 透地通信等 ， E - ma i l 1 3 0 8 4 1 2 7 2 3 q q ． c o rn。 2 0 1 5年 第 8期 路螈 等 矿 山透地 通信 OF DM 符 号定 时 同步算 法 5 7 频段。此外 ， 大地信道还呈现明显的衰落特性_ 3 ] ， 这 也会极 大 地影 响信 号 传输 质 量。2 0 0 8年 郭 银 景 等 _ 4 提 出 了 一 种 基 于OF DM Or t h o g o n a l F r e q u e n c y Di v i s i o n Mu l t i p l e x i n g ，正 交 频 分 复 用 技术的透地通信系统， 以弹性波作 为信号 的传播载 体 ， 并采用穿透大地信道的通信方式 。O F D M 调制 方式既能节省频带资源 ， 又能抑制衰落 ， 是一种较为 理 想 的通信 方 式 ， 但 O F D M 对 同 步 的要 求 比较 高 。 因为 多载波 系统 的 同步误 差和 载波频 率偏 移会 导致 子信道之间产生干扰 ， 如果不采取措施抑制干扰， 就 会使得系统性能产生严重的地板效应 ， 即无论如何 增 加 信 号 的 发 射 功 率， 也 不 能 显 著 地 改 善 系 统 性 能 。 透地通信系统的地面和井下设备通信时都是固 定 的 ， 不会 产生 多普 勒 频 移 ， 因此 ， 频 偏 并 不 是 严 重 的问题 ， 但大地信道 的背景噪声却处于一个较高水 平 ， 而经过大地信道衰减后接收到的信号非常微弱 ， 所 以准确 的符号 同步 定 时 同 步 就 显 得尤 为重 要 ， 本 文所 开 展 的研 究 就 是 针 对 O F D M 的符 号 同步 。 目前对 于 OF D M 符 号 定时 同步算 法 的研究 很 多 ， 其 中基于训练序列的同步算法较为简单 ， 这类算 法计 算量小 ， 但是由于增加了一些辅助数据， 降低了带宽 利用率 。S c h mi d l C o x算法简单， 但训练序列构造 复杂 ， 且存在 定时平缓区的问题 ] 。P a r k同步算 法在 S c h mi d l C o x算法的基础上进行了改进 ， 其利 用时域训练序列的共 轭对称性 ， 明显改善 了定 时性 能， 但是存在多个除主相关峰外的次峰， 会影响定时 精 度 _ 1 o j 。基 于循环 前缀 的 同步 算 法 在低 信 噪 比的 条件下 ， 性能并不是很好 ， 定 时曲线 中的峰值会 降 低 ， 从 而造 成定 时错 误 。本 文在 分 析 S c h mi d l C o x 算法和 P a r k算法的基础上， 提出了一种基于线性调 频行列的定时同步算法， 可实现 OF DM 符号的定时 同步 。 1 O F D M 符号 定时 同步算 法 1 ． 1 经典 0F DM 同步算 法 S c h mi d l ＆C o x同步算 法 是 一 种 经 典 的 O F D M 同步算 法 ， 它通过 2个 特 殊 的训 练 符 号 实 行联 合 频 率 和 时间 同步 ， 时域 上 由前 后 2个 相 同的 部分 组 成 第 1 个 训练 符号 ， 主 要 用 于小 数 频 偏 估 计 和定 时偏 移估计 ， 利用第 2个训 练符 号进行整数频偏 估计 。 由于循环前缀的存在 ， 该算法 的定时 曲线存在 一个 平 台现 象 。不 同信噪 比 S NR 下序 列 的相关 曲线 如 图 1 所示 。P a r k同步 算 法 构 造 的序 列 虽 解 决 了平 台现象 ， 也得到了较尖锐的相关峰， 但得到的训练序 列 滑动相 关 曲线 出现 多个 次 峰 ， 容 易 导致 峰值 位 置 的错 误判 断 。 图 1 不 同信噪 比下序列 的相关 曲线 1 ． 2 基 于线性调 频序 列 的定 时 同步 算 法 通过综合 S c h mi d l C o x算法和 P a r k算法的优 点 ， 本 文 提 出 了 一 种 新 的 基 于 线 性 调 频 L i n e a r F r e q u e n c y Mo d u l a t i o n ，L F M 序列 的定时 同步算 法 ， 并构造 了用于符号 同步的 L F M 序列。L F M 信 号 的频谱 图 和 OF DM 调 制 之 后 的 信号 频 谱 图有 很 多相 似 之 处 ， 且 利 用 DS P 实 现 相 对 简 单 。典 型 的 L F M 信 号频 谱如 图 2所 示 。用 P N P s e u d o No i s e ， 伪噪声 序列生成训练序列 相对较为复杂 ， 而利用 D S P芯片产 生的正弦信号经简单改造后 即可得到 L F M 序列 ， 相对容易得多 。 1 4 目1 2 l 0 号8 6 4 粕 2 a 线性调频信号 馨 苫