[发明专利]一种基于OFDM的数字地震仪数据传输系统及其同步方法

说明书

技术领域

本发明属于油气勘探领域，特别涉及油气地震勘探中数字地震仪数据传输系统使用OFDM技术的系统同步方法。

背景技术

随着国民经济的快速发展，我国对石油、矿产等能源的需求越来越旺盛。地震勘探作为一种快速高效的地球物理勘探方法，在能源勘探领域得到广泛应用。数字地震仪作为地震勘探的关键设备，90%以上依靠国外进口，国内自主研发投入少，严重制约了我国地震勘探事业的发展。虽然经过国内研究机构的多年努力，地震仪的发展已经取得长足的进步，然而由于地震仪道容量一直受到数据传输技术的制约，严重影响了数字地震仪野外的实际勘探效率。因此，对数字地震仪数据传输技术的研究就显得尤为重要。

正交频分复用（OFDM）技术由于具有良好的抗多径衰落能力、频谱利用率高和适合高速率数据传输等优点，被广泛的运用于无线通信的物理层（PHY）、智能电网、以及其它工业通信中等。

为了满足数字地震仪数据高速率传输的需要，可以将OFDM技术运用于数字地震仪数据传输系统中，提高传输速率和频带利用率，但是存在对同步误差较敏感的缺陷，同步性能的不好将直接影响OFDM系统的性能，特别是在复杂环境下突发地震数据传输系统更显得重要。目前，提出的同步算法主要是在连续的OFDM符号间插入等长度的训练序列的方式来获取同步，如文献：Amirhossein, Hashemi, Sajdi. “A New Joint Time and Frequency Offset Estimation Method for OFDM Systems,” Wireless Communications and Signal Processing (WCSP), 2009 IEEE International Conference on,. Nov. 2009. pp. 1-4. 和文献：Guanghui Liu, Sergey V. Zhidkov. “A Composite PN-Correlation Based Synchronizer for TDS-OFDM Receiver,” IEEE Transactions on broadcasting, Vol. 56, no. 1, pp. 77-85. Mar. 2010. 所述，但这种方法存在的缺陷有两个：一个是占用了有效的频谱资源；另一个是训练序列独占发射机功率。

时间同步主要用来确定OFDM数据符号的起始位置，以备进行正确的FFT操作和频偏估计；同时，不精确的频偏估计将直接破坏子载波间的正交性，将导致载波间干扰（ICI）。在OFDM系统（如图1所示）中，利用插入训练序列进行同步的基本原理如下（结构框图如图2所示）：

在发射端，将训练序列插入在两个连续OFDM符号之间；在接收端，利用本地训练序列与接收信号进行共轭相关获取同步信息，实现时间同步和频偏估计。时域共轭相乘的数学表达式为：

                   （1）

其中，“*”表示取共轭，表示训练序列的长度，为整数，表示接收信号相对本地训练序列滑动的位置，表示接收信号，表示本地训练序列。

为了快速实现同步，在实际的工程应用中一般采用设置门限值的方法来判断同步，而不采用遍历搜索最大峰值的方法。为了提高同步正确率，通常要求相关函数具有单一、尖锐的峰值特性。

传统叠加训练序列的构造方式有两种：

1）  训练序列由一个具有良好自相关性的PN序列构成，且序列不具有其它特性；

2）  训练序列由一段长度为的短序列，连续重复多次构成，并利用巴克码控制正负极性（如图3所示），参考文献见：严春林，房家奕，唐友喜，李少谦. 一种利用巴克码和训练序列进行OFDM快速同步的方法. 中国，02133998[P]. 20040205. 所述。相应地，在接收端利用本地训练序列与接收信号按照式（2）进行共轭相关获取时间同步信息：

            （2）

其中，表示接收信号，表示本地训练序列，为整数，表示接收信号相对本地训练序列滑动的位置，表示PN序列的长度，为巴克码的长度。