CN101242389A - 一种帧同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明利用恒模零自相关(CAZAC)序列特性以及频于消除干扰的性能高特性，提供一种将CAZAC序列作为训练寻序列并在频域进行帧同步检测的帧同步方法，该方法包括在通信系统的发端和收端产生相同CAZAC序列作为训练序列，并在接收端将接收信号首先在频域中进行干扰处理，然后在通过与接收端产生的CAZAC序列进行相关处理通过判断相关峰来获取同步信息。由于在频域中可以方便地将单音干扰、多音干扰或窄带干扰滤除，因此本方法当信道存在带内干扰时，仍能取得良好的性能。

Description

一种帧同步方法

技术领域

本发明属于无线通信领域，它特别涉及一种帧同步技术。

背景技术

在无线通信系统中，帧同步是一项关键技术，帧同步的目的是在收到的串行数据流中找出数据帧的边界。精确的同步能使载波间干扰(ICI)和符号间干扰(ISI)影响最小，各种后续的解调解码过程都依赖于帧同步算法完成的优劣，参见文献：A.R.S.Bahai，B.R.Saltzberg，M.Ergen，Multi-Carrier Digital Communications：Theory and Applications of OFDM 2nd edition，Springer Inc.New York，2004，ISBN：387225757所述。

现有的帧同步方法是在时域进行，它们都是利用了相同数据之间的相关性，通过检测相关峰的位置来确定帧同步点。

常规的帧同步方法有两种：

1)用于同步的数据有重复部分，利用重复数据之间的相关性，通过延迟相关可以实现帧同步。参见文献：T.M.Schmidl，D.C.Cox，“Robust frequency andtiming synchronization for OFDM，”IEEE Transactions on Communications，volume 45，No.12，December 1997，pp.1613-1621。发端在时域连续放置两段相同的训练序列，在收端按式(1)-(3)计算接收信号的相关性，通过相关峰取得帧同步的位置：

$P\left(d\right)=\underset{m=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}\left(r_{d+m}^{*}{r}_{d+m+L}\right)---\left(1\right)$

$R\left(d\right)=\underset{m=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left|r_{d+m+L}\right|}^2---\left(2\right)$

$M\left(d\right)=\frac{{\left|P\left(d\right)\right|}^2}{{\left(R\left(d\right)\right)}^2}---\left(3\right)$

其中，d为检测的时间点，r_d为接收信号，L为每段训练序列的长度。当M(d)取得峰值时的d为训练序列的起始位置。

2)发端发送训练序列，将接收信号序列与已知的训练序列进行相关运算，通过相关峰取得帧同步。参见文献：F.Tufvesson，O.Edfors，M.Faulkner，“Time and frequency synchronization for OFDM using PN-sequence preambles，”Proceedings of IEEE VTC，September 19-22，1999，pp.2203-2207。发端在时域发送多个重复的PN序列，收端先将接收信号与已知的训练序列进行相关运算，而后再做延迟相关，如式(4)所示：

$\mathrm{\γ}\left[k\right]=\underset{l=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}[\left(\underset{n=0}{\overset{K-1}{\mathrm{\Σ}}}{c}^{*}\right[k-n-\mathrm{lK}\left]r\right[k-n-\mathrm{lK}\left]\right)$

$\·{\left(\underset{n=0}{\overset{K-1}{\mathrm{\Σ}}}{c}^{*}\right[k-n-(l+1)K\left]r\right[k-n-(l+1)K\left]\right)}^{*}]---\left(4\right)$

其中，k为检测的时间点，r[k]为接收信号，c[k]为已知的PN序列，L为训练序列中完整的PN序列的个数，K为单个PN序列的长度。帧同步点由|γ[k]|的最大峰值确定。

上述的帧同步方法都是在时域完成，当信道中存在干扰，特别是单音干扰、多音干扰或窄带干扰等带内干扰时，这些方法的性能将迅速下降。

发明内容

本发明利用恒模零自相关(CAZAC)序列特性以及频于消除干扰的性能高特性，提供一种将CAZAC序列作为训练寻序列并在频域进行帧同步检测的帧同步方法，该方法包括在通信系统的发端和收端产生相同CAZAC序列作为训练序列，并在接收端将接收信号首先在频域中进行干扰处理，然后在通过与接收端产生的CAZAC序列进行相关处理通过判断相关峰来获取。同步信息由于在频域中可以方便地将单音干扰、多音干扰或窄带干扰滤除，因此本方法当信道存在带内干扰时，仍能取得良好的性能。

本发明提供的帧同步方法具体包括在通信系统的发射端和接收端两部分处理过程。

其中发射端包含下列步骤：

步骤1：按照式(5)构建一个长度为N的CAZAC序列，其中N为2的整数次幂：

$\stackrel{\→}{C}=\left\{C\right[k\left]\right|C\left[k\right]=\exp \left(\frac{\mathrm{j\π}(N-1)k^2}{N}\right),k\∈[0,N-1]\}---\left(5\right)$

步骤2：将序列

经N阶IFFT变换后得到长度为N的时域CAZAC序列

步骤3：重复步骤1、步骤2所构建的时域CAZAC序列L次(L取从2开始的整数值)，通过本步骤重复后的序列就是在时域中的训练序列，训练序列结构如图1所示；

步骤4：将步骤3所取得的训练序列放在数据帧之前，然后一同发送出去。

接收端包含下列步骤：

步骤5：接收端在本地也按照步骤1的方法产生与发送端训练序列完全相同的长度为N的训练序列

步骤6：按照与发端发送训练序列相同的采样时间，将接收信号r(t)依次采样得到接收信号序列

步骤7：从步骤6所得到的接收序列

中的m位开始依序取出N个数据(r[m]～r[m+N-1])，并对所述的N个数据进行N阶FFT变换得到频域信号{R[k]，k∈[0，N-1]}；

步骤8：对步骤7中所得到的频域信号{R[k]，k∈[0，N-1]}进行带内干扰消除，得到消除干扰后的频域信号{R′[k]，k∈[0，N-1]}；

步骤9：将步骤8所消除干扰后的频域信号序列 ${\stackrel{\→}{R}}^{\′}=\left\{R^{\′}\right[k],k\∈[0,N-1\left]\right\}$ 循环移位后与步骤5中得到的训练序列进行共轭相关取模运算，其中将序列

分别循环移位0，1，...，N-1次(或者将序列

分别循环移位0，1，...，N-1次)，得到N个相关值{γ[a]，a∈[0，N-1]}，a为循环移位时的移动次数；

步骤10：将步骤9中得到的N个相关值{γ[a]，a∈[0，N-1]}中的最大值与给定门限T_h1进行比较，如果max{γ[a]}＜T_h1，则认为没有捕获到同步序列，令m＝m+N，返回步骤7进行下N个数据的检测；如果max{γ[a]}≥T_h1，则认为捕获到一个或部分训练序列，设此时使得γ[a]取得最大值时的a为。由于信道噪声的影响及FFT检测窗口位置的随机性，在此得到的同步位置不一定是训练序列中的第一个CAZAC序列，此时FFT窗口的可能位置有三种情况，分别如图2，图3或图4所示。

步骤11：令m＝m+a，然后按照步骤7至步骤8进行处理，得到序列{R₁′[k]，k∈[0，N-1]}，

步骤12：将步骤11得到的序列{R₁′[k]，k∈[0，N-1]}与进行相关取模运算得到γ₁，

步骤13：将步骤12得到的γ₁与给定门限T_h2(T_h2＜T_h1)进行比较，如果γ₁＜T_h2，则m+为训练序列后数据帧的起始位置，帧同步过程结束；如果γ₁≥T_h2，则令m＝m+N，返回步骤11，直到判决条件γ₁＜T_h2得到满足，满足该条件时的m+为训练序列后数据帧的起始位置。

接收端的实施步骤框图如图5所示。

本发明的依据是：

1)CAZAC序列良好的自相关性能使得它适于作为帧同步的训练序列；

2)周期长度为N的CAZAC序列在做N阶FFT变换后仍为一个周期长度为N的CAZAC序列；

3)对于如式(5)所示的CAZAC序列，当时域序列由于时间偏移产生a位的移位，其对应的FFT变换后的频域序列也会产生a位的循环移位，这样就可以在频域实现对时间偏移的估计；

4)在频域可以方便地将带内干扰滤除。

本发明的有益效果：

传统的帧同步方法通常都是在时域进行，然而当信道中存在带内干扰时，无法直接从时域将其滤除，当干扰较大时，同步性能下降明显。而本发明方法利用CAZAC序列的特性，在频域完成帧同步，可以方便地滤除带内干扰，取得良好的同步性能。

附图说明

图1为训练序列结构，训练序列由依照步骤1～3产生的L段(L取从2开始的整数值)长为N的相同的CAZAC序列构成；

图2为在检测到训练序列时FFT窗口的位置在第1个序列之前；

图3为在检测到训练序列时FFT窗口的位置在任意2个序列之间；

图4为在检测到训练序列时FFT窗口的位置在最后1个序列之后；

图5为在接收端的实施步骤框图；

图6为在具体实施方式实例中，FFT窗口处于两CAZAC序列之间时，频域相关值γ的波形。由图中可看到，尖锐的相关峰使得我们很容易找到准确的同步位置。

实施例：

设信道为AWGN信道，SNR＝0dB；信道中存在窄带干扰，此干扰的带宽与传输系统带宽的比值为0.1，信干比为SIR＝-5dB。

一、发端

按照发明内容中步骤1，根据式(5)产生一个长度为512的CAZAC序列

按照发明内容中步骤2，对序列

进行512阶的IFFT变换。将变换后得到的序列重复一次得到长度为1024的同步训练序列，将同步序列在数据帧之前发送到存在干扰的AWGN信道中。

二、收端

按照发明内容中步骤5，根据式(5)产生一个长度为512的与

相同的序列

然后在接收信号序列中顺序取出512个数据(r[m]～r[m+511])，对其进行512阶的FFT变换将其转换为频域数据{R[k]，k∈[0，511]}；

对频域数据序列{R[k]，k∈[0，511]}进行带内干扰消除，带内干扰消除可采用方法为：首先计算序列{R[k]，k∈[0，511]}的功率：

$P=\underset{k=0}{\overset{511}{\mathrm{\Σ}}}{\left|R\right[k\left]\right|}^2---\left(6\right)$

将序列{R[k]，k∈[0，511]}中能量大于3*P/512的置为零，得到消除干扰后的频域序列{R′[k]，k∈[0，511]}；

按照发明内容中步骤9，将消除带内干扰后的频域数据序列.与训练序列所对应的频域序列进行循环移位相关运算，可采用如式(7)所示方法：

$\mathrm{\γ}\left[a\right]=\frac{\underset{k=0}{\overset{511}{\mathrm{\Σ}}}{\left|R^{\′}\right[\mathrm{mod}(k+a,512)]\·C_F^{*}[k\left]\right|}^2}{\underset{k=0}{\overset{511}{\mathrm{\Σ}}}{\left|R^{\′}\right[k\left]\right|}^2},a\∈\left[\mathrm{0,511}\right]---\left(7\right)$

按照发明内容中步骤10，将最大相关值与门限30比较，如果最大相关值小于门限30，则从发明内容中步骤6开始重复，检测下512个数据；如果最大相关值达到或超过门限30，则进行后述步骤，设取得最大相关值时频域序列循环移位的次数为。图4所示为FFT窗口处于两CAZAC序列之间时，频域相关值γ的波形，由图中可看到，尖锐的相关峰使得我们很容易找到准确的同步位置。

按照发明内容中所述的步骤11，将接收信号序列中的r[m+]～r[m++511]取出按照发明内容中所述的步骤7至步骤8的操作，得到序列{R₁′[k]，k∈[0，511]}，

将序列{R₁′[k]，k∈[0，511]}.与

进行相关取模运算得到γ₁，此相关取模运算可表示为：

${\mathrm{\γ}}_1=\frac{\underset{k=0}{\overset{511}{\mathrm{\Σ}}}{\left|R_1^{\′}\right[k]\·C_F^{*}[k\left]\right|}^2}{\underset{k=0}{\overset{511}{\mathrm{\Σ}}}{\left|R_1^{\′}\right[k\left]\right|}^2}---\left(8\right)$

将γ₁与门限20进行比较，如果γ₁＜20，则m+为训练序列后数据帧的起始位置，帧同步过程结束。如果γ₁≥20，则令m＝m+512，从发明内容中步骤11开始重复，直到判决条件γ₁＜20得到满足，满足该条件时的m+为训练序列后数据帧。

Claims (3)

1、一种帧同步方法，在发射端和接收端分别产生相同的训练序列，在接收端消除干扰后通过相关处理提出训练序列获取同步信息，其特征在于：产生训练序列的方法和消除干扰以及相关处理提取同步序列的过程都是在频域进行。

2、根据权利要求1的一种帧同步方法，其特征在于：在接收端的训练序列的产生过程包含下列步骤：

步骤1：按照式(1)构建一个长度为N的CAZAC序列，其中N为2的整数次幂：

$\stackrel{\→}{C}=\left\{C\right[k\left]\right|C\left[k\right]=\exp \left(\frac{\mathrm{j\π}(N-1)k^2}{N}\right),k\∈[0,N-1]\}---\left(1\right)$

步骤2：将序列

经N阶IFFT变换后得到长度为N的时域CAZAC序列

步骤3：重复步骤1、步骤2所构建的时域CAZAC序列L次(L取从2开始的整数值)，通过本步骤重复后的序列就是在时域中的训练序列；

步骤4：将步骤3所取得的训练序列放在数据帧之前，然后一同发送出去；

其特征还在于接收端包含下列步骤：

步骤5：接收端在本地也按照步骤1的方法产生与发送端训练序列完全相同的长度为N的训练序列

步骤6：按照与发端发送训练序列相同的采样时间，将接收信号r(t)依次采样得到接收信号序列

步骤7：从步骤6所得到的接收序列

中的m位开始依序取出N个数据(r[m]～r[m+N-1])，并对所述的N个数据进行N阶FFT变换得到频域信号{R[k]，k∈[0，N-1]}；

步骤8：对步骤7中所得到的频域信号{R[k]，k∈[0，N-1]}进行带内干扰消除，得到消除干扰后的频域信号{R′[k]，k∈[0，N-1]}；

步骤9：将步骤8所消除干扰后的频域信号序列 ${\stackrel{\→}{R}}^{\′}=\left\{R^{\′}\right[k],k\∈[0,N-1\left]\right\}$ 循环移位后与步骤5中得到的训练序列

进行共轭相关取模运算，其中将序列

分别循环移位0，1，...，N-1次(或者将序列

分别循环移位0，1，...，N-1次)，得到N个相关值{γ[a]，a∈[0，N-1]}，a为循环移位时的移动次数；

步骤10：将步骤9中得到的N个相关值{γ[a]，a∈[0，N-1]}中的最大值与给定门限T_h1进行比较，如果max{γ[a]}＜T_h1，则认为没有捕获到同步序列，令m＝m+N，返回步骤7进行下N个数据的检测；如果max{γ[a]}≥T_h1，则认为捕获到一个或部分训练序列，设此时使得γ[a]取得最大值时的a为

由于信道噪声的影响及FFT检测窗口位置的随机性，在此得到的同步位置不一定是训练序列中的第一个CAZAC序列；

步骤11：令m＝m+a，然后按照步骤7至步骤8进行处理，得到序列{R₁′[k]，k∈[0，N-1]}；

步骤12：将步骤11得到的序列{R₁′[k]，k∈[0，N-1]}与

进行相关取模运算得到γ₁；

步骤13：将步骤12得到的γ₁与给定门限T_h2(T_h2＜T_h1)进行比较，如果γ₁＜T_h2，则m+为训练序列后数据帧的起始位置，帧同步过程结束；如果γ₁≥T_h2，则令m＝m+N，返回步骤11，直到判决条件γ₁＜T_h2得到满足，满足该条件时的m+为训练序列后数据帧的起始位置。

3、根据权利要求1的一种帧同步方法，其特征在于：带内干扰消除可采用方法为：首先计算频域数据序列{R[k]，k∈[0，N-1]}的功率：

$P=\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left|R\right[k\left]\right|}^2---\left(1\right)$

将序列{R[k]，k∈[0，N-1]}中能量大于3*P/N的置为零，得到消除干扰后的频域序列{R′[k]，k∈[0，N-1]}。

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