CN101014028B - 一种利用相位参考码元性质的频率粗同步方法 - Google Patents

一种利用相位参考码元性质的频率粗同步方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用相位参考码元性质的频率粗同步方法，该方法包括如下步骤：步骤1，通过对接收到的相位参考码元进行滑动去扰并对去扰后的数据分段相关，确定整数倍频偏的范围；步骤2，根据所述的整数倍频偏的范围，相关器利用相位参考码元相关特性寻找并确定精确的整数倍频偏，完成频率粗同步。本发明利用相位参考码元的特性对频率粗同步进行改进，提出一种能够快速精确地搜索频偏的频率粗同步方法，达到了简化算法提高性能的目的。

Description

一种利用相位参考码元性质的频率粗同步方法
技术领域
该发明涉及一种在数字音频广播(DAB，Digital AudioBroadcasting)通信中的同步方法，具体涉及接收机与发射机之间载波频率的整数倍子载波频率偏差的获取。
背景技术
数字音频广播系统是由欧洲电信标准协会(ETSI，EuropeanTelecommunications Standards Institute)提出的一种数字音频广播系统，它采用了正交频分复用技术(OFDM，Orthogonal FrequencyDivision Multiplexing)与差分正交相移键控调制(DQPSK)相结合的调制方式。对于载波频率同步，由于OFDM各子信道带宽较小，对载波频率偏差的敏感程度非常高，因此需要非常精确的载波同步。目前的载波同步过程分为两种模式：粗同步和细同步。在粗同步模式中，同步器将参数的较大初始偏差减小到一个较小的范围；在细同步模式中，同步器将参数的剩余误差进一步减小，提高估计的精度。
在OFDM系统中，频率偏差实际上可分解为两部分：整数部分和小数部分，这里的整数部分和小数部分是相对于子载波间隔而言的。所述整数部分是等于子载波间隔的整数倍的那一部分频率偏差，即本发明方法中所指的粗同步需要寻找的频率偏差；小数部分是指小于子载波间隔的那一部分频率偏差。
作为通信系统，同步是获取信息前非常重要的步骤，同步算法设计的优劣直接影响到产品的功耗和性能，特别是现在产品多以集成电路的方式实现，所以这个问题更加突出。
DAB系统的频率同步是首要的过程。在频率同步中，频率的粗同步又是其中非常重要的部分。现有的频率粗同步方法有以下2种：
1.将接收到的相位参考码元(PRS，Phase Reference Symbol)做FFT变换(快速傅立叶变换)后，与本地产生的PRS共轭相乘，然后将相乘的结果做IFFT变换(快速反傅立叶变换)。当相位参考码元与本地PRS严格对齐的时候，会有峰值出现。
2.将接收到的相位参考码元PRS与本地产生的经过IFFT变换后的PRS相关。如果接收信号已经时域同步了，相关后会有峰值出现。
以上两种频率粗同步的方法都存在各自的缺点，具体如下：
方法一：运算量过大。每一次峰值检测都需要做共轭相乘并做IFFT。而且只有当相位参考码元与本地PRS严格对齐的时候，才有峰值出现。所以必须遍历所有的可能频偏，而不能大步进搜索。所以这种方法功耗较大，不适合硬件实现。
方法二：算法有效的前提条件苛刻。由于这种方法是在时域上检测频偏信息，因此前提条件是必须先在时域上要精确同步。这增加了时域同步的难度。从系统的角度上来讲是简化了某方面的算法，却大大增加了另一方面的算法难度。得不偿失。
以上所述两种方法对于通用的OFDM系统都是可行的，但都忽略了DAB系统的特殊性。在DAB系统中，ETSI对PRS进行了如下定义：
Figure G2007100364224D00031
Z1k代表PRS值，L代表帧号，k表示子载波序号。
Figure G2007100364224D00032
Figure G2007100364224D00033
由i，k，k’，n查表决定。
本发明中所说的扰码值由NK表示，Nl，k＝ejθk，
Figure G2007100364224D00034
由此，利用公式2，可以由h，n得到
Figure G2007100364224D00035
利用公式1，可以由
Figure G2007100364224D00036
得到Z1k。
i，k，k’，n的值可以由以下查询表得到。不同的通信模式，对应不同的表格。ETSI在DAB中一共规定了4种模式，模式1，2，4主要用于无线传输中，所以这里仅给出模式1，2，4的参数查询表格。对于模式的具体解释请参见ETSI的相应文档(ETSI EN 300 401，Page147-149)。
Figure G2007100364224D00041
Figure G2007100364224D00042
表1  模式1的下标参数查询表
Figure G2007100364224D00043
表2  模式2的下标参数查询表
Figure G2007100364224D00045
Figure G2007100364224D00046
表3  模式4的下标参数查询表
  j   0   1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11   12   13   14   15
  h<sub>0，j</sub>   0   2   0   0   0   0   1   1   2   0   0   0   2   2   1   1
  h<sub>1，j</sub>   0   3   2   3   0   1   3   0   2   1   2   3   2   3   3   0
  h<sub>2，j</sub>   0   0   0   2   0   2   1   3   2   2   0   2   2   0   1   3
  h<sub>3，j</sub>   0   1   2   1   0   3   3   2   2   3   2   1   2   1   3   2
  j   16   17   18   19   20   21   22   23   24   25   26   27   28   29   30   31
  h<sub>0，i</sub>   0   2   0   0   0   0   1   1   2   0   0   0   2   2   1   1
  h<sub>1，j</sub>   0   3   2   3   0   1   3   0   2   1   2   3   2   3   3   0
  h<sub>2，j</sub>   0   0   0   2   0   2   1   3   2   2   0   2   2   0   1   3
  h<sub>3，j</sub>   0   1   2   1   0   3   3   2   2   3   2   1   2   1   3   2
表4  所有模式的h参数查询表
下面举例说明在实际运算中公式的应用。比如查模式1中k＝30处的PRS值和扰码，须进行如下操作：
查表1有：1＜k＝30＜32，见表1右表第1行，k’＝1，i＝0，n＝3，因此将k’＝1和i＝0的值代入公式2，再查表4有：hi，j＝hi，k-k’＝h0，29＝2，因此由公式2有：
Figure G2007100364224D00051
再代入公式1得到PRS值：
同时可得
Figure G2007100364224D00053
扰码
Figure G2007100364224D00054
本发明中所指的去扰运算即Zl，k*Nl，k *。
通过对PRS的分析能得到如下3个规律：
规律1：从表4可以看出，将PRS分成若干个以32为单位的小块，每个小块的前16个符号和后16个符号对应索引的符号的值是相同的。图1是DAB系统规律1说明示意图，如图1所示，块1中相同标号的值是相同的，块2到块N也具有相同的性质。
规律2：从表1到表3可以看出，n每隔32个符号变化一次，以32个符号为单位的小块，具有相同的扰码。图2是DAB系统规律2说明示意图，如图2所示，块1的所有数据都有相同的扰码n1，块2的所有数据都有相同的扰码n2，块K的所有数据都有相同的扰码nk。
规律3：从表1到表3可以看出，i每隔128个符号一个循环，去掉扰码n后(Zl，k*Nl，k *)，将PRS分成若干个128的大块，每个大块中相同索引的值是一样的。图3是DAB系统规律3说明示意图，如图3所示，图中大块1的符号1与其他大块的符号1是相同的。
综上所述，由于PRS在去扰后有一定规律可循，因此可以通过滑动去扰、分段相关等操作来确定整数倍频偏的范围，并在此范围内进一步地确定精确的整数倍频偏，完成频率粗同步。
发明内容
为了解决现有技术方案的不足，本发明利用PRS的特性对频率粗同步进行改进，提出一种能够快速精确地搜索频偏的频率粗同步方法，达到了简化算法提高性能的目的。
本发明方法包括如下步骤：
步骤1.通过对接收到的相位参考码元进行滑动去扰并对去扰后的数据分段相关，确定整数倍频偏的范围；
步骤2.根据所述的整数倍频偏的范围，相关器利用相位参考码元相关特性寻找并确定精确的整数倍频偏，完成频率粗同步。
进一步的，所述步骤1具体包括如下步骤：
步骤1.1：对接收到的PRS进行FFT变换，得到频域PRS。
步骤1.2：将频域PRS通过滑动去扰器进行去扰运算。
步骤1.3：将去扰后的PRS按128个符号分块相关。
步骤1.4：通过门限检测器，检测出相关值的变化，并根据所述相关值的变化判断频偏的大致方向和位置，给出滑动步进调整下一步的步进和方向。
步骤1.5：重复步骤1.2、1.3、1.4直到找到超过门限的相关值，当相关值超过确定的门限值后，可以认为进入整数倍频偏范围。
进一步地，所述步骤2具体包括如下步骤：
步骤2.1：根据所述整数倍频偏范围，门限检测器输出使能信号，打开相关器；
步骤2.2：相关器将未去扰的32点PRS进行相关，并通过峰值检测器进行相关值峰值检测，直到找到最大相关值峰值，此时的滑动窗位置即为整数倍频偏。
由于载波频率误差曲线为一条渐变的曲线，本发明方法通过相关值的上升和下降快速分析频偏的大概位置，无须逐点搜索，搜索速度快；本发明方法只需要在频域而不是在时域进行频偏检测，这样对时间同步的要求不是那么严格，因此算法有效的前提条件容易满足；本发明方法充分地利用了PRS的信息，因此更容易搜索到频偏的频率，算法较其他方法更加精确简单。
附图说明
图1是DAB系统规律1说明示意图
图2是DAB系统规律2说明示意图
图3是DAB系统规律3说明示意图
图4是本发明方法的步骤流程图
图5是本发明方法的原理图
图6是整数倍频偏范围确定说明示意图
图7是去扰的说明示意图
图8是本发明方法的具体实施步骤图
图9是仿真结果的数据示意图
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作详细说明。
图4是本发明方法的步骤流程图，如图4所示本发明方法主要分为两步进行：步骤1，对接收到的PRS进行滑动去扰，并对去扰后的数据分段相关，确定整数倍频偏的范围；步骤2，根据所述的整数倍频偏的范围，相关器利用相位参考码元相关特性寻找并确定精确的整数倍频偏，完成频率粗同步。
图5是本发明的原理图，如图5所示本发明的实施原理如下：对接收到的PRS进行FFT变换，得到频域PRS；将频域PRS通过去扰器进行去扰运算；将去扰后的PRS按128个符号分块相关；然后通过门限检测器，检测出相关值的变化，并根据所述相关值的变化判断频偏的大致方向和位置，给出滑动步进调整下一步的左右移动方向和移动范围大小；重复以上步骤直到找到超过门限的相关值，当相关值超过确定的门限值后，可以认为进入整数倍频偏范围；根据所述整数倍频偏范围，门限检测器输出使能信号，打开前后16点相关器；相关器将未去扰的32点PRS进行相关，并通过峰值检测器进行峰值检测，控制滑动窗口调整直到找到最大相关峰，此时的滑动窗口位置即为整数倍频偏。
图6是整数倍频偏范围确定说明示意图，滑动步进调整对所得相关值进行搜索直到找到超过门限的相关值，如图6所示整数倍频偏的大概位置在A区域内，通常为3～5个子载波范围。
图7是去扰的说明示意图。在实际系统中PRS频域同步之前，PRS的第一个点是未知的。因此，去扰开始时扰码和PRS是对不齐的。对齐是指去扰的时候，扰码的第一个点与PRS的第一个点相乘，第二个点与PRS的第二个点相乘，直到最后一个点与PRS的最后一个点相乘。如图7所示，当存在频偏时块1、块2......块K中由于扰码n1、n2......nk的存在，每一块中会有一部分会去扰错误的码。但是如DAB系统规律3所述，只有那些去扰正确的符号才符合128为周期的重复，而其他去扰错误的码是没有任何规律的。如果此时按照相邻的两个大块相关并将各个乘积求和，那么得到的相关值会比完全对齐时得到的相关值小。并且，频偏越大，去扰错误的码越多，相关值就越小。由此，通过使滑动步进调整不断移动，能得到所述相关值的不断增大或减小，从而快速判断出正确频偏的位置。直到所述相关值超过门限，得到频偏范围。
图8是本发明方法的具体实施步骤图，如图8所示，本发明方法的具体实施过程如下：首先将1～256号寄存器与本地扰码的共轭相乘，然后将其中1～128号寄存器相乘的结果与129～256号寄存器相乘的结果共轭相乘，并通过加法器相加，求模值；同样的，将257～512号寄存器中的值做同样的操作；并将第一组相关器结果和第二组相关器结果通过加法器相加，并通过门限判断器对该相加值进行判断，如果小于门限，即对PRS进行滑动步进调整，所述滑动步进调整包括左右移动和移动范围的大小；如果相关值大于门限，即输出使能信号，开启方框内器件即前后16点相关器；前后16点相关器开启后，通过对滑动窗口的控制将1～16号寄存器与17～32号寄存器的共轭对应相乘，并通过加法器相加；峰值检测器对滑动窗口进行小范围的左右移动，每移动一次能得到一个相加值，峰值检测器对所有相加值求最大值，此时的滑动窗口位置，即为整数倍频偏。
图9是仿真结果的数据示意图，即在DAB系统中频偏为64KHz时，采用本发明方法两组相关所得到的一个相关值仿真结果。如图9所示，载波的频偏曲线为一条渐变的曲线，本发明方法通过相关值的上升和下降快速分析频偏的大概位置，无须逐点搜索。在频偏为64的这个点有最大的相关峰。这充分说明了本算法的正确性和优越性
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种利用相位参考码元性质的频率粗同步方法，包括如下步骤：
步骤1.通过对接收到的相位参考码元进行滑动去扰并对去扰后的数据分段相关，确定整数倍频偏的范围；
步骤2.根据所述的整数倍频偏的范围，相关器利用相位参考码元特性寻找并确定精确的整数倍频偏，完成频率粗同步；
其中，所述步骤1包括如下步骤：
步骤1.1：对接收到的相位参考码元进行傅立叶变换，得到频域相位参考码元；
步骤1.2：对频域相位参考码元进行去扰运算；
步骤1.3：将去扰后的相位参考码元分块相关；
步骤1.4：通过门限检测器，检测出相关值的变化，并根据所述相关值的变化，判断频偏的大致方向和位置，给出滑动步进调整下一步的步进和方向；
步骤1.5：重复步骤1.2、1.3、1.4直到找到超过门限的相关值，所述超过门限的相关值即进入了整数倍频偏的范围；
所述步骤2包括如下步骤：
步骤2.1：根据所述整数倍频偏范围，门限检测器输出使能信号，打开相关器；
步骤2.2：相关器将未去扰的相位参考码元进行相关，并通过峰值检测器进行相关值峰值检测，检测到的最大相关值峰值滑动窗口位置即为整数倍频偏。
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