Способ временной, тактовой и частотной синхронизации системы связи на основе ортогонального частотного разделения каналов с мультиплексированием по преамбуле Российский патент 2025 года по МПК H04L27/26 

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к способу временной, тактовой и частотной синхронизации системы связи.

Ортогональное частотное разделение каналов с мультиплексированием - OFDM (англ. Orthogonal Frequency-Division Multiplexing) используется в следующих стандартах связи: WiFi, WiMAX, LTE. Широкое применение данной технологии в современных стандартах связи обусловлено ее высокой устойчивостью к межсимвольной интерференции за счет использования циклического префикса.

Эффективность систем связи во многом определяется способностью алгоритмов временной синхронизации обеспечить в многолучевых нестационарных каналах необходимую точность оценки временного положения сигнала.

Для временной синхронизации обычно используют специальный сигнал - преамбулу, которая предшествует информационному сообщению. Преамбула представляет собой символ или символы OFDM с заранее известным спектральным составом.

Чувствительность приемного тракта системы связи и отношение сигнал/шум полученного сигнала зависит от точности тактовой и частотной синхронизации.

Различие частоты дискретизации сигналов в передатчике и приемнике приводит к изменению масштаба сигнала по времени и ширине спектра. Для подстройки частоты дискретизации приемника используется тактовая синхронизация.

Известен способ определения временного сдвига (метод В), описанный в статье Minn Н., Zeng М., Bhargava V. К., On Timing Offset Estimation for OFDM Systems // IEEE COMMUNCATIONS LETTERS, VOL. 4, NO. 7, JULY 2000, pp. 242-244.

Временная синхронизация системы связи методом В заключается в следующем:

на передающей стороне формируют преамбулу из OFDM символов, модулированных по схеме квадратурной фазовой манипуляции, содержащих циклический префикс, первый символ которой используют для определения по нему временного положения сигнала; сигнал преамбулы переносят на несущую частоту; усиливают и передают его по каналу связи;

на приемной стороне входной сигнал фильтруют, усиливают, переносят на нулевую промежуточную частоту, осуществляют его аналого-цифровое преобразование, формируя входной цифровой комплексный сигнал на нулевой промежуточной частоте;

далее формируют решающую функцию и определяют ее максимум, и по его положению оценивают временную задержку сигнала.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному методу является выбранный в качестве прототипа «Способ временной синхронизации системы связи на основе ортогонального частотного разделения каналов с мультиплексированием по преамбуле» [Пат.2609774 РФ, H04L 27/26 (2006.01), Опубл. 03.02.2017 в Бюл. №4. - 28]. Решающая функция представляет собой квадрат модуля комплексной функции взаимной корреляции принятого сигнала и символа эталонной преамбулы без циклического префикса, который не передавался через канал передачи, а был заранее известен. Символ преамбулы представляет собой дельта -коррелированный шумоподобный сигнал.

Преамбула для данного способа может содержать один, два или более двух символов, каждый из которых во временной области не имеет повторяющихся участков, чтобы максимум решающей функции был один для каждого символа, который используется для синхронизации.

Для проведения временной синхронизации на основе комплексной функции взаимной корреляции между принятым сигналом и символом эталонной преамбулы без циклического префикса, рассчитываемой через обратное преобразование Фурье от произведения спектра принятого сигнала на комплексно сопряженный спектр соответствующего символа эталонной преамбулы, формируется решающая функция (см. нормированную решающую функцию без шумов на Фиг. 1).

Временная синхронизация осуществляется в точку с индексом по времени N_g/2, соответствующую середине циклического префикса. При такой синхронизации обеспечивается наименьшее возможное наложение OFDM символов друг на друга, т.е. минимизируется межсимвольная интерференция.

Для поддержания временной синхронизации используется постоянная длительность фрейма (как правило, составляющая несколько сотен символов) и небольшое расхождение между опорными частотами передающего и приемного модемов (как правило, не хуже 10^-6). Например, при длительности фрейма 100 символов и длительности одного символа 1126 дискрет, имеем изменение индекса положения максимума на 0,1 дискрет (100*1126*10^-6≈0,1 дискрет). Эти моменты обуславливают, что от фрейма к фрейму индекс положения максимума решающей функции без дополнительной подстройки меняется меньше, чем длительность циклического префикса (в условиях реального радиоканала меняется не более чем на несколько дискрет, резкие изменения обусловлены неравномерностью ГВЗ (группового времени запаздывания), при отсутствии резких изменений канала из-за несовпадения опорных частот возможно изменение на 1 дискрет). Т.о. принимая преамбулу следующего фрейма, можно с уверенностью сказать, что максимум решающей функции лежит относительно предыдущего своего местоположения в диапазоне плюс минус половины длительности циклического префикса.

Задачей предлагаемого изобретения является расширение функциональных возможностей, а именно реализация тактовой синхронизации, например, синхронизация частоты дискретизации абонентской станций по частоте базовой станции, а также реализация частотной синхронизации, т.е. синхронизация несущей частоты абонентской станции по несущей частоте базовой станции. Поставленная задача решается за счет использования следующих действий.

Для определения ошибки частоты необходимо найти суммарную ошибку в дискретах за выбранное количество к длительностей фреймов L (см. Фиг. 2-3). Для этого необходимо определить разницу между k длительностями фреймов базовой и абонентской станций:

Коррекция осуществляется только тогда, когда абсолютное значение разницы длительности фреймов больше или равно 1 дискрету, т.е. дискрета.

Для расчета ошибки частоты необходимо составить следующее соотношение:

где ƒ_S - частота дискретизации базовой станции (эталонная частота),

ƒ_X - частота дискретизации абонентской станции,

N - расстояние в дискретах между коррекциями

(на Фиг. 3 это расстояние равно 2L). Откуда получим:

Отсюда ошибка частоты:

Данные расчеты реализованы в алгоритме тактовой синхронизации. Особенностью алгоритма является синхронизация в точку, соответствующую середине циклического префикса.

Способ реализуется следующим образом.

После проведения обнаружения преамбулы и начальной синхронизации в соответствие с алгоритмом прототипа в алгоритм временной синхронизации вносится изменение для возможности накопления суммарной необходимой коррекции в дискретах по времени за выбранное количество фреймов - NF.

Для поддержания синхронизации текущий фрейм должен быть удлинен на Δ дискрет за счет изменения защитного интервала, который находится в конце фрейма, это приведет к тому, что следующий фрейм будет принят позже на Δ дискрет и индекс положения максимума уменьшится на Δ дискрет. Значение Δ определяется как разница индекса положения максимума решающей функции (I) и величины циклического префикса (N_g), деленной пополам: Δ=I-N_g/2.

На следующем шаге, используя найденное значение Δ, осуществляется тактовая синхронизация. Подробный алгоритм представлен ниже. Алгоритм тактовой синхронизации:

1. В соответствии с известными параметрами фрейма устанавливается значение циклического префикса N_g, инициализируются переменные

2. Ожидание данных по новому принятому фрейму.

3. Рассчитывается Δ = I - N_g/2 (за счет вычитания будет синхронизации в середину циклического префикса).

I - найденное значение индекса максимума решающей функции.

4. Если Δ не равно 0, тогда переход к п. 5, иначе к п. 9.

5. Изменение длительности фрейма на значение Δ.

6. Записывается номер фрейма, когда произошла последняя коррекция:

- номер фрейма, когда выполнилась коррекция.

7. Если переменная т.е. значение номера фрейма, на котором выполнялась первая коррекция еще не сохранено, то сохранение номера фрейма, на котором выполнялась первая коррекция

8. Рассчитывается сумма коррекций

9. Если переход к п. 10, иначе к п. 2.

10. Если интервал между фреймами, где проводилась первая и последняя коррекции за NF длительностей фрейма

то рассчитывается ошибка по частоте:

- частота дискретизации, - длина фрейма в дискретах.

11. В соответствии со значениемпроизводится коррекция управляющего напряжения (изменяется код, подаваемый на низкочастотный ЦАП), выход которого подключен к входу управляющего напряжения генератора опорной частоты (ГУН).

12. Переход к п. 2.

Для выполнения частотной синхронизации необходимо, чтобы генератор опорной частоты являлся единым для частоты дискретизации и несущей частоты радиосигнала. Это позволяет подстраивая по данному алгоритму генератор опорной частоты, выровнять одновременно частоту дискретизации ведомой (абонентской) станции по ведущей (базовой) станции. После выполнения тактовой синхронизации спектр ведомой станции будет располагаться в той же сетке частот, что и спектр частот ведущей станции, а также выровняется несущая частота. Эта особенность позволяет одновременно с тактовой синхронизацией получить и частотную.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 представлена нормированная решающая функция без шумов, начало преамбулы в точке с индексом равным N_g/2.

На фиг. 2 представлено изменение положения начала фрейма в зависимости от времени, без поддержания временной синхронизации. Происходит медленное изменение положения максимума решающей функции, т.е. его положение из середины циклического префикса смещается в сторону конца циклического префикса (см. Фиг. 2), длительность фрейма АС меньше длительности фрейма БС из-за того, что опорная частота АС больше опорной частоты БС.

На фиг. 3 представлено изменение положения начала фрейма в зависимости от времени, при работе алгоритма поддержания временной синхронизации. Происходит коррекция длительности фрейма АС в служебном участке фрейма - GAP, где нет передачи. Изменение положения максимума решающей функции, т.е. его положение из середины циклического префикса смещается в сторону конца циклического префикса до тех пор, пока абсолютное значение необходимой коррекции равно нулю (это значение целое). Значение 0.8 будет определено алгоритмом как 1 (происходит округление), поэтому в конце данного фрейма будет вставлен дополнительный дискрет длительности в интервале GAP. Начало следующего после коррекции фрейма будет смещено на 0.2 дискрета. Без коррекции это значение составляет 1.2 дискрета. Длительность фрейма АС меньше длительности фрейма БС из-за того, что опорная частота АС больше опорной частоты БС.

На фиг. 4 изображена блок-схема цифрового модема, в котором может быть реализован предложенный способ временной, тактовой и частотной синхронизации.

На фиг. 5 изображена блок-схема цифрового модема, в котором используются отдельные модули ЦАП и АЦП.

На фиг. 6 изображена блок-схема цифрового модема, в котором используются совмещенный модуль ЦАП и АЦП.

На фиг. 7 изображена блок-схема цифрового модема, в котором используется приемопередачик со встроенными в него модулями ЦАП и АЦП.

Управление напряжением генератора опорной частоты, который представлен на фиг. 5- фиг. 7 идет в соответствие с рассчитанным по алгоритму тактовой синхронизации значением Freq_Error один раз за выбранное (большое) число фремов (NF), например, один раз в десять секунд.

Наибольший эффект от использования предложенного способа может быть достигнут в цифровых средствах связи реализованных по технологии OFDM и DMT. В случае DMT модемов, работающих без переноса частоты, например, PLC модемов (модемов работающих в линиях электропередач), частотная синхронизация не используется, т.к. нет переноса частоты, но тактовая синхронизация обязательна, т.к. в подобных модемах часто используется DMT символы с большим количеством поднесущих (более тысячи), а это накладывает требование получить такую же сетку частот на приемной стороне, что и на передающей. Предлагаемый способ расширяет возможности способа временной синхронизации добавляя тактовую и частотные синхронизации.

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к способу временной, тактовой и частотной синхронизации системы связи. Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей, а именно реализация тактовой синхронизации: синхронизация частоты дискретизации абонентской станций по частоте базовой станции, а также реализация частотной синхронизации, то есть синхронизация несущей частоты абонентской станции по несущей частоте базовой станции. Способ временной, тактовой и частотной синхронизации системы связи дополнительно заключается в том, что находят значение индекса максимума решающей функции для расчета разницы между значением индекса максимума и половиной длительности циклического префикса, длительность фрейма изменяется на значение этой разницы, если эта разница имеет значение более одного дискрета, определяется суммарное значение коррекций фрейма в дискретах за выбранное количество фреймов, рассчитывается ошибка по частоте как произведение эталонной частоты дискретизации на частное суммарного значения коррекций фрейма в дискретах и произведения длительности фрейма в дискретах на разницу номеров фреймов последней и предыдущей коррекции, в соответствии со значением ошибки по частоте производится коррекция управляющего напряжения, подающегося на генератор опорной частоты. 7 ил.

Способ временной, тактовой и частотной синхронизации системы связи, заключающийся в том, что на передающей стороне формируют преамбулу из OFDM символов, не имеющих повторяющихся участков во временной области, кроме циклического префикса, модулированных по схеме квадратурной фазовой манипуляции, содержащих циклический префикс, символ или символы которой используют для определения по ним временного положения сигнала, сигнал преамбулы переносят на несущую частоту, усиливают и передают его по каналу связи, на приемной стороне входной сигнал фильтруют, усиливают, переносят на нулевую промежуточную частоту, осуществляют его аналого-цифровое преобразование, формируя входной цифровой комплексный сигнал на нулевой промежуточной частоте, для обнаружения преамбулы рассчитывают решающую функцию, которая представляет собой квадрат модуля комплексной функции взаимной корреляции принятого сигнала и символа эталонной преамбулы без циклического префикса, который не передавался через канал передачи, а был заранее известен, определяют участок значимости, рассчитывают сумму значений решающей функции на участке значимости, рассчитывают среднее значение решающей функции на всем ее протяжении за исключением участка значимости, используют основной критерий обнаружения преамбулы, заключающийся в том, что сумма значений решающей функции на участке значимости должна превышать произведение установленного порогового коэффициента на среднее значение решающей функции, рассчитанное при исключении участка значимости, и по нему оценивают временную задержку сигнала, отличающийся тем, что для реализации тактовой и частотной синхронизации находят значение индекса максимума решающей функции для расчета разницы между значением индекса максимума и половиной длительности циклического префикса, длительность фрейма изменяется на значение этой разницы, если эта разница имеет значение более одного дискрета, определяется суммарное значение коррекций фрейма в дискретах за выбранное количество фреймов, рассчитывается ошибка по частоте как произведение эталонной частоты дискретизации на частное суммарного значения коррекций фрейма в дискретах и произведения длительности фрейма в дискретах на разницу номеров фреймов последней и предыдущей коррекции, в соответствии со значением ошибки по частоте производится коррекция управляющего напряжения, подающегося на генератор опорной частоты.