CN111865860B - 一种基于ofdm技术的无线广播授时系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于OFDM技术的无线广播授时系统，包括OFOM系统设计和授时信号转发网络，所述OFOM系统设计包括基本参数基带、子载波、OFDM数据体、OFDM循环前缀、OFDM符号、调制方式、FEC编码、同步信号、信号帧内OFDM符号、信号帧、OFDM符号有效子载波和频域导频，包括以下处理步骤：建立OFDM信号帧结构、同步信号设计、OFDM符号的设计、FEC的扩频处理、其他系统子模块处理。本发明提供了一种基于OFDM技术的无线广播授时系统，该系统不仅可以完成普通环境和复杂环境下的授时信号传输的通信网络，且该系统还具备信号覆盖强、授时精度高、并发性好的特点，满足不同条件下授时信号的传输需求。

Description

一种基于OFDM技术的无线广播授时系统

技术领域

本发明属于数字信息传输领域，尤其涉及一种基于OFDM技术的无线广播授时系统。

背景技术

高精度时间信息在当今社会的技术和经济发展中起着越来越重要作用，如通信、电力和金融等行业都离不开精确的计时系统，以实现同步和高效率运行。随着授时服务在这些领域得到广泛的应用和发展，用于实现精确时间同步的授时系统的性能、可靠性、实现和维护的成本等因素逐渐被更加重视起来。

市场上常见的授时方式有原子钟、导航卫星授时、短波授时、长波授时、网络授时等。其中，原子钟的精度最高，但因价格昂贵难以广泛使用。导航卫星授时的精度可达20ns，但局限性在于卫星信号较弱，容易受到干扰，特别是室内等没有卫星信号的环境下无法工作，出于对距离、布线和障碍物和授时网路灵活性等各种因素的考虑，将可接收到的卫星授时信号进行转发，或是通过有线网络传输到授时目标设备的连接方式有时候也很难实际操作。

短波授时信号是凭借电离层的反射来传播的，由于电离层受太阳黑子高低年变化、季节变化和昼夜变化等因素的影响，其反射性呈现不规则的变化，从而导致时号传输的稳定性遭受很大的影响，短波授时接收机在长时间内无法成功授时。而且其授时精度只有±1ms左右，在一些授时精度要求较高的场合无法满足使用。

长波授时信号抗干扰性能好，授时精度能够达到±5us，但长波授时存在授时信息单一、不能自主授时等诸多局限。同时如果长波授时台链数据重复周期较长时，用户要经过很长时间才能授时成功，不利于精确测量和实时授时。

以太网为媒介的网络授时技术具有方便快捷、成本低廉的优点，但其授时精度较低，一般在几十毫秒左右，并且随网络结构和网络的负荷而变化。

此外，现在也有一些关于授时信号的无线通讯技术，但基本上都需要从机向主机发起授时申请，再由主机将授时信号向从机通过特定无线通讯系统传送授时信息，这个过程中不仅存在着时延不可控的问题，同时也难以支持大量从机的突发授时需求。

OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)即正交频分复用，是一种能够充分利用频谱资源的多载波传输方式，其良好的抗窄带干扰和多径干扰的能力，特别适应复杂无线通信环境下的信息传输需求，而且通过结合扩频和特殊扩展形式的帧结构设计，系统可以具备比较高的灵敏度，即便是在室内/地下这种信号衰落很严重的应用场景中也可以发挥良好的通信效果。本发明在充分研究了授时系统在室内等信号衰落严重的环境下能够保证授时信号能够准确实时完成传输的实际需求，结合OFDM技术的特点，提出了一种无线广播授时系统，不仅可用于普通传输环境下的授时任务，也可以满足干扰较强或普通无线信号难以覆盖的环境下的授时需求。

发明内容

本发明提供了一种基于OFDM技术的无线广播授时系统，该系统不仅可以完成普通环境和复杂环境下的授时信号传输的通信网络，且该系统还具备信号覆盖强、授时精度高、并发性好的特点，满足不同条件下授时信号的传输需求。

本发明的技术方案是构造一种基于OFDM技术的无线广播授时系统，包括OFOM系统设计和授时信号转发网络，所述OFOM系统设计包括基本参数基带、子载波、OFDM数据体、OFDM循环前缀、OFDM符号、调制方式、FEC编码、同步信号、信号帧内OFDM符号、信号帧、OFDM符号有效子载波和频域导频，包括以下处理步骤：

1)：建立OFDM信号帧结构，OFDM系统物理层信号以帧为单位，每个帧由一个同步信号和48个OFDM符号构成。一个信号帧的时间长度为1秒，授时终端所接收到的信号间隔为固定整秒长度；

循环前缀的长度大于信道的冲击响应长度，基带采样率为3.2kHz，所述子载波间隔为100Hz，所述OFDM数据体长度为10ms，OFDM循环前缀长度为10ms，所述OFDM符号周期为20ms，所述调制方式为QPSK，所述FEC编码为LDPC编码，码字长度576，码率1/2；

2)：同步信号设计，所述同步信号由A、A和Α^*、Α^*四个信号块构成，每个信号块包含32个采样点数据，其中

A＝IFFT{[X₀,X₁,X₂,.......,X₃₁]}＝[x₀,x₁,x₂,.......,x₃₁],所述[X₀,X₁,X₂,.......,X₃₁]由线性反馈移位寄存器生成器产生，同步信号长度为40ms，所述信号帧内OFDM符号个数为48，所述信号帧长度为1s，所述OFDM符号有效子载波数为30，所述频域导频间隔为5；

3)：OFDM符号的设计，将OFDM循环前缀长度扩展到100％的OFDM符号长度；

4)：FEC的扩频处理，所述扩频处理的方法是将1个LDPC块数据完全重复4次，使得1个LDPC块数据扩展到原来的4倍长度，在接收端利用LDPC解码软信息的解扩处理，FEC编码采用的是576长度的LDPC编码，对LDPC编码块进行了扩频处理；

5)：其他系统子模块处理，包括扰码、FEC编码、交织、导频和子载波映射，授时信息由一个二进制伪随机序列

进行加扰。

由线性反馈移位寄存器产生，其对应生成多项式为：x⁹+x⁴+1，移位寄存器的初始值为000000001，在每个帧的起始位置重置线性反馈移位寄存器至初始值，所述扰码通过将输入比特信息序列与二进制伪随机序列进行模2加法实现，公式为

式中X(i)为加扰前的比特，a(i)为加扰后的比特i，所述FEC编码为对扰码后的比特流进行FEC编码，编码方式为LDPC，码率为1/2，所述交织为经过卷积编码的业务描述信息采用比特交织，交织以交织块为单位进行，其算法为设交织前的输入序列为

其中N_MUX为交织块的长度，交织后的输出序列为

则v_n＝u_R(N)

其中，p(0)＝0，p(i)＝mod(5×p(i-1)+q)s，(i≠0)，

q＝s/4-1，一个帧的授时信息按LDPC块扩频后按上述算法进行比特交织，交织长度N_MUX＝4*N₁，N₁＝576，是LDPC码长。

优选地，所述授时信息输入的数据字节流均按照MSB在前的方式。

本发明有益效果：

1.灵活适配各种授时信号来源，既可以支持GPS授时信号的转发，也可以支持高精度原子钟或者第三方授时信号；

2.在设计OFDM系统的过程中特别增强了抗信号衰落的能力，使其在干扰较强和无线信号受到迅速衰落的环境下也可以完成接收解调；

3.以广播形式转发授时信号，不需要由从机发起授时申请，避免了通信延时，同时可以应对大量并发性授时需求；

4.信号帧的时间长度通过特别设计，确保授时信号能够在固定时间点被接收，时延和偏差可控。

附图说明

图1为无线授时系统的物理层结构图。

图2为授时信号无线广播系统帧结构图。

图3为同步信号结构图。

图4为生成同步信号的线性反馈移位寄存图。

图5为基于循环前缀的同步方法图。

图6为产生扰码的线性反馈移位寄存器。

图7为导频和子载波映射图。

图8为基本授时信号无线广播系统布网方式图。

图9为授时信号无线广播系统局部转发方式图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

实施例1：

如图1至图9所示，一种基于OFDM技术的无线广播授时系统，包括OFOM系统设计和授时信号转发网络，其特征在于，所述OFOM系统设计包括基本参数基带、子载波、OFDM数据体、OFDM循环前缀、OFDM符号、调制方式、FEC编码、同步信号、信号帧内OFDM符号、信号帧、OFDM符号有效子载波和频域导频，包括以下处理步骤：

1)：建立OFDM信号帧结构，OFDM系统物理层信号以帧为单位，每个帧由一个同步信号和48个OFDM符号构成。一个信号帧的时间长度为1秒，授时终端所接收到的信号间隔为固定整秒长度；

2)：同步信号设计，所述同步信号由A、A和Α^*、Α^*四个信号块构成，每个信号块包含32个采样点数据，其中

A＝IFFT{[X₀,X₁,X₂,.......,X₃₁]}＝[x₀,x₁,x₂,.......,x₃₁],所述[X₀,X₁,X₂,.......,X₃₁]由线性反馈移位寄存器生成器产生；

3)：OFDM符号的设计，将OFDM循环前缀长度扩展到100％的OFDM符号长度；

4)：FEC的扩频处理，FEC编码采用的是576长度的LDPC编码，对LDPC编码块进行了扩频处理；

5)：其他系统子模块处理，包括扰码、FEC编码、交织、导频和子载波映射，授时信息由一个二进制伪随机序列

进行加扰。

由线性反馈移位寄存器产生，其对应生成多项式为：x⁹+x⁴+1，移位寄存器的初始值为000000001，在每个帧的起始位置重置线性反馈移位寄存器至初始值，所述扰码通过将输入比特信息序列与二进制伪随机序列进行模2加法实现，公式为

式中X(i)为加扰前的比特，a(i)为加扰后的比特i，所述FEC编码为对扰码后的比特流进行FEC编码，编码方式为LDPC，码率为1/2，所述交织为经过卷积编码的业务描述信息采用比特交织，交织以交织块为单位进行，其算法为设交织前的输入序列为

其中N_MUX为交织块的长度，交织后的输出序列为

则v_n＝u_R(N)

其中，p(0)＝0，p(i)＝mod(5×p(i-1)+q)s，(i≠0)，

q＝s/4-1，一个帧的授时信息按LDPC块扩频后按上述算法进行比特交织，交织长度N_MUX＝4*N₁，N₁＝576，是LDPC码长。

OFDM系统物理层信号以帧为单位，每个帧由一个同步信号和48个OFDM符号构成。一个信号帧的时间长度为1秒，授时终端所接收到的信号间隔为固定整秒长度，那么只要发射端的时钟足够精确，就能在接收端将授时信号的误差进行补偿，也极大简化了整个系统对延时估计的复杂度。

同步信号结构，具备移动相关和中心对称相关特性，适用于弱信号和强干扰环境下的信号传输，充分利用这些特性，接收端可以更加准确地估计出接收信号的同步位置。

选择将循环前缀的长度扩展到100％的OFDM符号长度。这样做的好处是，除了可以最大限度地利用OFDM符号的冗余部分获得相当于对OFDM符号进行扩频的增益效果外，还可以通过参考资料中介绍的方法，利用循环前缀与OFDM数据体之间的良好相关特性，获得每个OFDM符号的时域区间，充分利用这个特点，可以一步提高系统的同步性能。

循环前缀是OFDM数据体的完全复制，在时域上进行相关计算时，当滑动窗口移动到符号的起始位置时相关峰达到最大值，根据“基于OFDM循环前缀同步算法”可以很容易定位到每个OFDM符号的起始位置，如果采用适当算法对其位置进行累计，即使在信号衰落很严重的环境下，也能够准确定位到OFDM符号的起始位置，这对系统的同步估计是非常有价值的。

FEC编码采用的是576长度的LDPC编码。LDPC本身是一种接近香农极限的分组编码，但是由于本系统的目标是能够在极低的信号强度下也能完成授时信息的传输，仅靠编码本身的性能还是难以满足需求，为此本发明中对LDPC编码块进行了扩频处理，使得接收端可以通过利用扩频所带来的增益完成极限解码工作。

OFDM系统参数可以推算出，4个LDPC编码块被一个信号帧携带。

OFDM符号中承载实际信号的子载波称为有效子载波，包括数字子载波和导频，虚子载波不承载任何信号，载波发送功率为0。

授时信号转发网络解释：

首先，本发明提出的授时信号无线广播系统，可以用于大范围的授时布网，将高性能的授时信号广播传送到一定区域内的多个需要授时的设备，不会因为申请授时服务的设备过多而造成费用和时延的增加，确保授时精度不受损失。

另外，本发明提出的授时信号无线广播系统，也可以用于局部强干扰环境或信号被严重衰落的情况下，对已有的授时信号进行接收后，在环境内转播授时信号，解决授时信号的室内中继难题。

实施例2：

在实施例1的基础上，如图1至图9所示，所述循环前缀的长度大于信道的冲击响应长度。循环前缀在OFDM系统中的作用主要是消除符号间干扰(ISI)和码间干扰(ICI)，一般只要求循环前缀的长度大于信道的冲击响应长度即可。在本发明中，为了进一步提高系统的解码性能。

实施例3：

在实施例1的基础上，如图1至图9所示，所述基带采样率为3.2kHz，所述子载波间隔为100Hz，所述OFDM数据体长度为10ms，所述OFDM循环前缀长度为10ms，所述OFDM符号周期为20ms，所述调制方式为QPSK，所述FEC编码为LDPC编码，码字长度576，码率1/2，所述同步信号长度为40ms，所述信号帧内OFDM符号个数为48，所述信号帧长度为1s，所述OFDM符号有效子载波数为30，所述频域导频间隔为5。

实施例4：

在实施例1的基础上，如图1至图9所示，所述扩频处理的方法是将1个LDPC块数据完全重复4次，使得1个LDPC块数据扩展到原来的4倍长度，在接收端利用LDPC解码软信息的解扩处理。

实施例5：

在实施例1的基础上，如图1至图9所示，所述授时信息输入的数据字节流均按照MSB在前的方式。

Claims (2)

1.一种基于OFDM技术的无线广播授时系统，包括OFOM系统设计和授时信号转发网络，其特征在于：所述OFOM 系统设计包括基本参数基带、子载波、OFDM 数据体、OFDM 循环前缀、OFDM 符号、调制方式、FEC 编码、同步信号、信号帧内OFDM 符号、信号帧、OFDM 符号有效子载波和频域导频，包括以下处理步骤：

1）：建立OFDM信号帧结构，OFDM 系统物理层信号以帧为单位，每个帧由一个同步信号和48个OFDM符号构成，一个信号帧的时间长度为1秒，授时终端所接收到的信号间隔为固定整秒长度；循环前缀的长度大于信道的冲击响应长度，基带采样率为3.2kHz，所述子载波间隔为100Hz，所述OFDM 数据体长度为10ms，OFDM循环前缀长度为10ms，所述OFDM 符号周期为20ms，所述调制方式为QPSK，所述FEC 编码为LDPC编码，码字长度576，码率1/2；

2）：同步信号设计，所述同步信号由A、A和

、

四个信号块构成，每个信号块包含32个采样点数据，其中A=IFFT{[

]}=[

],所述[

]由线性反馈移位寄存器生成器产生，同步信号长度为40ms，所述信号帧内OFDM符号个数为48，所述信号帧长度为1s，所述OFDM符号有效子载波数为30，所述频域导频间隔为5；

3）：OFDM 符号的设计，将OFDM 循环前缀长度扩展到100%的OFDM 符号长度；

4）：FEC 的扩频处理，所述扩频处理的方法是将1 个LDPC 块数据完全重复4 次，使得1个LDPC 块数据扩展到原来的4倍长度，在接收端利用LDPC 解码软信息的解扩处理，FEC 编码采用的是576 长度的LDPC 编码，对LDPC 编码块进行了扩频处理；

5）：其他系统子模块处理，包括扰码、FEC 编码、交织、导频和子载波映射，授时信息由一个二进制伪随机序列

进行加扰，

由线性反馈移位寄存器产生，其对应生成多项式为：

，移位寄存器的初始值为 000000001，在每个帧的起始位置重置线性反馈移位寄存器至初始值，所述扰码通过将输入比特信息序列与二进制伪随机序列进行模2加法实现，公式为

，式中

为加扰前的比特，

为加扰后的比特i，所述FEC编码为对扰码后的比特流进行FEC编码，编码方式为LDPC，码率为1/2，所述交织为经过卷积编码的业务描述信息采用比特交织，交织以交织块为单位进行，其算法为设交织前的输入序列为

,其中

为交织块的长度，交织后的输出序列为

,则

其中，

，p(i)＝mod(5×p(i-1)+q)s，

，

,

=

，一个帧的授时信息按LDPC块扩频后按上述算法进行比特交织，交织长度

，

，是LDPC码长。

2.根据权利要求1 所述一种基于OFDM 技术的无线广播授时系统，其特征在于，所述授时信息输入的数据字节流均按照MSB 在前的方式。

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