CN101325575B - 一种正交频分复用系统中帧同步的实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种正交频分复用系统中帧同步的实现方法，包括如下步骤：首先利用收到的数据与本地存储短序列做互相关运算，每次向后滑动1个数据取一个短训练长度的数据，相关值最大时说明这时接收到的数据是一个完整短训练符号，给出一个短训练符号的起始位置；然后根据上述给出的起始位置，计算每一个短训练长度的数据的延时相关值，并给出阈值；继续将接收到的每一个短训练符号长度的数据进行延时相关运算，当相关值小于阈值时，则给出长训练序列的起始位置。该方法在保证帧同步准确度的基础之上可大大减少系统资源。

Description

一种正交频分复用系统中帧同步的实现方法

技术领域

本发明涉及无线局域网技术领域，特别是一种提高IEEE 802.11a物理层接收端帧同步效率的一种无线局域网帧同步实现方法。

背景技术

正交频分复用(OFDM)是一种多载波传输方案，通常用于移动环境和无线局域网(WLAN)，与传统的单载波系统和CDMA系统相比，OFDM系统具有以下的优势：a)可以有效地对抗多径传播所造成的符号间干扰；b)多载波系统可以有效对抗窄带干扰，因为这种干扰仅仅影响系统的一小部分子载波。

与传统的单载波系统和CDMA系统相比，OFDM系统的主要缺点在于：a)对于载波频率偏移和定时误差的敏感程度比单载波系统要高；b)多载波系统中的信号存在较高的峰值平均功率比(PAR)使得它对放大器的要求很高。

由于OFDM系统对频率偏移和定时误差比较敏感，而时频域同步的准确性又对OFDM系统的性能有着重要的影响，因此，如何实现系统的帧同步是OFDM的一个关键部分，现参考IEEE 802.11a物理层帧结构，分析现有OFDM在WLAN中帧同步的算法以及其存在的不足：

图1是基于802.11a的OFDM收发机的简化结构。发射部分完成原始的高速二进制码流到射频信号的全部变换过程，二进制输入数据经过信道编码交织、映射到星座图转换为复星座符号，然后把复星座符号映射到子载波上，接着插入导频，得到调制了数据的子载波，然后通过IFFT，得到OFDM的时域符号，为了使系统能够对抗多径衰落，在符号之间插入保护间隔，将这组时域信号经D/A转换，再调制到射频上去，经过放大发送出去，从而完成整个发送过程。接收过程是发射过程的逆变换，多了同步和信道估计的处理过程。

IEEE 802.11a协议中规定的物理层帧前导结构如图2所示，OFDM前导序列(Preamble Training symbol)包括10个重复的短训练序列(short trainingsymbol)和2个重复的长训练序列(Long training symbol)，前导训练序列主要用来做系统的同步、信道估计、频偏估计、自适应控制等。由于长训练符号和短训练符号是已知的，通常的OFDM帧同步算法是通过信号的相关运算来实现的。计算接收信号的延时自相关值时会出现一个相关值平台，其自相关计算方法如下：

$A\left(n\right)=\underset{k=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}r(k+n)r*(k+n+L)$

式中，r(n)是接收端收到的信号，A(n)是相关计算的输出，L是短训练符号的长度。

用上述算法可使用本地序列与接收序列的互相关来完成精确的定时同步，若使用接收信号与短训练序号的本地序列进行互相关运算，那么峰值就会出现在短训练符号的末尾，互相关公式为：

$C\left(n\right)=\underset{k=0}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}r(k+n)s*\left(k\right)$

式中，s(k)是本地存储的短序列，r(k+n)是接收端收到的信号，C(n)是互相关计算的输出，L是短训练符号的长度。

利用相关性可以很好地实现帧同步，但往往耗费了大量的资源，16个复数做相关运算将耗费64个乘法器和62个加法器。因此，需要一种既能保证同步的准确性同时又能占用较少资源的帧同步方法。

发明内容

本发明目的就是为解决现有技术的不足而提供一种占用较少资源且准确实现帧同步的用于正交频分复用系统中的帧同步方法。

为解决上述技术问题本发明的技术方案为：

一种正交频分复用系统中帧同步的实现方法，其利用前导训练序列在接收端对帧的开始位置进行检测从而确保数据的正确接收，该方法包括如下步骤：

(a)、对每个时钟接收到的数据进行缓存；

(b)、判断是否接收到一个短训练符号长度的信号；

(c)、若接收到一个短训练符号长度的信号，将该长度的信号与设定的本地参考序列进行相关，接着对接收的信号依次向后滑动一个数据后仍为一个短训练符号长度的信号再依次与设定的本地参考序列进行相关，从而找出相关性最大的一组短训练符号长度的信号，且该组信号的起始位置即为短训练符号的起始位置，其中，所述的本地参考序列以表格的形式存储；否则，继续执行步骤(b)；

(d)、在接收到一个长度的短训练符号的信号后，开始计算延时相关值，并根据步骤(c)中给出的短训练符号的起始位置，计算出两个完整的短训练符号的延时相关值，并以该延时相关值给出一阈值；

(e)、继而再每隔一个短训练符号长度的时钟周期读取一次延时相关值，并将每次读出的延时相关值与步骤(d)设定的阈值进行比较，若小于上述阈值，则求出长训练符号的起始位置。

更进一步地，所述的正交频分复用系统基于IEEE 802.11a WLAN，所述的每个短训练符号包括16个信号。

接收到的数据为经A/D转换后的数据，在进行相关运算时取其高6位进行运算。

步骤(e)中在接收到第16个数后每个时时钟都进行计算，预设一个长度为17的缓冲区，将接收到的16个数先存入移位缓冲器中，第17个时钟到时，收到的第17个数和第1个数做相关运算，存入累加器；第1个数据移出缓冲区，缓冲区中原来的第2个数成为第1个数，第18个时钟到时，收到的第18个数移入缓冲区的第17个位置，和缓冲区中的第1个位置上的数做相关运算，相关运算结果和前次的累加存入累加器；依次类推，共做16次相关运算，得到延时相关值。上述利用时间换资源的方法可有效地节省资源，按照上述方法就只用一个乘法器和一个累计器就能完成延时相关的计算。

由于采用了上述的技术方案，本发明的优点为：本发明一方面是利用接收信号与参考序列的相关性准确给出一个短训练符号的起始位置；另一方面根据给出的短训练符号的起始位置，利用延时相关给出长训练符号的起始位置，利用该方法在保证帧同步准确度的基础之上可大大减少系统资源。

附图说明

为进一步说明本发明的技术内容，以下对附图进行说明：

附图1为正交频分复用系统的收发机原理框图；

附图2为OFDM的训练结构图；

附图3是帧同步在系统中的位置，以及与前后模块的接口示意图；

附图4是本发明帧同步方法运算流程框图；

附图5是根据本发明的方法仿真得到的长训练符号起始位置对比曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明：

本发明以IEEE 802.11a WLAN中帧同步实现为本发明的最佳实施例。在IEEE 802.11a WLAN的OFDM帧结构中，如图2所示，t1～t10为10个重复的短训练符号，该符号由16个数据(信号)组成，每个数据分别由实部和虚部组成，协议中给出了该短训练符号的时域参考值，如下表所示：

##	Re	Im
			0	0.046	0.046
1	-0.132	0.002
			2	0.013	-0.079
3	0.143	-0.013
			4	0.092	0.000
5	0.143	-0.013
			6	-0.013	-0.079
7	-0.132	0.002
			8	0.046	0.046
9	-0.002	-0.132

10	-0.079	-0.013
			11	-0.013	0.143
12	0.000	0.092
			13	-0.013	0.143
14	-0.079	-0.013
			15	0.002	0.132

由上表可看出，短训练符号的数据只有七个数且每个数都有明显的等级，而本地参考序列就是一个完整的短训练符号，由于短训练符号只包含7个非零数，因此只需要建立7个表复用就可以完成互相关的运算。且对接收的数据选择有效的6位数据足以分辨出它们的等级，本发明选取10位模数转换器(ADC)输出结果的高6位，包括符号位6位，这样可大大降低硬件的复杂度，且几乎没有精度的损失。

图3为本发明帧同步方法在整个系统中的接口示意图，在OFDM系统中，t1～t10短训练符号用于实现能量检测和自动增益控制(AGC)、帧同步以及信道估计和粗频偏估计，能量检测和AGC以及信道估计和粗频偏估计本领域技术人员可采用惯用方法实现，其不是本发明要点，在此不再赘述。

下面将结合图4具体说明IEEE 802.11a WLAN中帧同步的实现方法，包括第一步，接收并缓存数据，然后计算接收到的信号与本地参考序列的相关值，得出短训练符号的起始位置；第二步，在缓存到一个短训练符号长度的信号后开始计算延时相关值，在本实施例中，一个短训练符号的长度为16个，并根据第一步给出的短训练符号的起始位置计算出两个短训练符号的相关值；第三步，根据第二步的结果，给出阈值和粗频偏估计结果；第四步，每隔16个时钟读出一次延时相关的结果，然后与阈值比较，如果所得结果小于阈值则给出长训练符号的起始位置，反之，继续做延时相关计算。具体实施如下：

在第一步中，当缓存了16个数据后，开始计算接收到的16个信号与本地参考序列的相关值，本实施例中所有的数据都采用6bits的有符号数。在计算相关值时，因为参考序列是已知的，且其只包含7个非零数，因此可以通过查表做乘法运算，建立7个乘法表复用以完成互相关的运算。同时为了减小门延时，加入了两级流水。且为了达到更好的效果，表中的数值可调整。

第二步中，计算延时相关值，为了节省资源，在接收到第16个数后每个时时钟都进行计算，设立一个长度为17的缓冲区，接收到的16个数先存入移位缓冲器中，第17个时钟到时，收到的第17个数和第1个数做相关运算，存入累加器；第1个数据移出缓冲区，缓冲区中原来的第2个数成为第1个数，第18个时钟到时，收到的第18个数移入缓冲区的第17个位置，和缓冲区中的第1个位置的数做相关运算，相关运算结果和前次的累加存入累加器；依次类推，共做16次相关运算，保证所得到的结果是十六个数据(一个短序列的长度)的延时相关值。这样就只用一个乘法器和一个累计器完成了延时相关的计算。

移位缓冲区如下所示：

D17

D16

D15

D14

D13

D12

D11

D10

D9

D8

D7

D6

D5

D4

D3

D2

D1

第三步中，根据第一步给出的一个短训练符号的起始位置，决定何时读出延时相关值，这样第一次读出的延时相关值就是两个完整短训练符号的相关值，可以根据所得的结果给出粗频偏估计和设定阈值。由于帧同步是在完成能量检测后通过一使能信号触发帧同步模块工作的，因此，确保了该方法最先接收到的16个数据为一个完整的短训练符号。

第四步中，从第一次读出数据后每隔16个时钟读出一次延时相关值，然后与阈值比较，当小于阈值时，说明已经接收到长训练符号的GI的16个数据，然后利用延时给出长训练符号的起始位置。

图5给出了本发明得到的长训练符号的位置与真实位置的比较结果，分别在不同信噪比的情况下给出了比较结果。其中＊表示实际位置，ο表示本发明得到的结果。从对比情况看，本发明较为准确地完成了帧同步。

Claims (8)

1.一种正交频分复用系统中帧同步的实现方法，其利用前导训练序列在接收端对帧的开始位置进行检测从而确保数据的正确接收，该方法包括如下步骤：

(a)、对每个时钟接收到的数据进行缓存；

(b)、判断是否接收到一个短训练符号长度的信号；

(c)、若接收到一个短训练符号长度的信号，将该长度的信号与设定的本地参考序列进行相关，所述的本地参考序列为一完整的短训练符号，接着对接收的信号依次向后滑动一个数据后仍为一个短训练符号长度的信号再依次与设定的本地参考序列进行相关，从而找出相关性最大的一组短训练符号长度的信号，且该组信号的起始位置即为短训练符号的起始位置，其中，所述的本地参考序列以表格的形式存储；否则，继续执行步骤(b)；

(d)、在接收到一个短训练符号长度的信号后，开始计算延时相关值，并根据步骤(c)中给出的短训练符号的起始位置，计算出两个完整的短训练符号的延时相关值，并以该延时相关值给出一阈值；

(e)、继而每隔一个短训练符号长度的时钟周期读取一次延时相关值，并将每次读出的延时相关值与步骤(d)设定的阈值进行比较，若小于上述阈值，则求出长训练符号的起始位置。

2.根据权利要求1所述的一种正交频分复用系统中帧同步的实现方法，其特征在于：所述的正交频分复用系统基于IEEE 802.11a WLAN，所述的每个短训练符号包括16个信号。

3.根据权利要求1所述的一种正交频分复用系统中帧同步的实现方法，其特征在于：接收到的数据为经A/D转换后的数据，在进行相关运算时取其高6位进行运算。

4.根据权利要求1或3所述的一种正交频分复用系统中帧同步的实现方法，其特征在于：所述的本地参考序列的数值可调整。

5.根据权利要求1所述的一种正交频分复用系统中帧同步的实现方法，其特征在于：在步骤(a)执行之前还设有能量检测步骤。

6.根据权利要求2所述的一种正交频分复用系统中帧同步的实现方法，其特征在于：步骤(e)中在接收到第16个数后每个时钟都进行计算，预设一个长度为17的缓冲区，将接收到的16个数先存入移位缓冲器中，第17个时钟到时，收到的第17个数和第1个数做相关运算，存入累加器；第1个数据移出缓冲区，缓冲区中原来的第2个数成为第1个数，第18个时钟到时，收到的第18个数移入缓冲区的第17个位置，和缓冲区中的第1个位置上的数做相关运算，相关运算结果和前次的累加存入累加器；依次类推，共做16次相关运算，得到延时相关值。

7.根据权利要求1所述的一种正交频分复用系统中帧同步的实现方法，其特征在于：步骤(d)中，还同时完成粗略频偏估计的计算。

8.根据权利要求7所述的一种正交频分复用系统中帧同步的实现方法，其特征在于：所述的粗略频偏估计是根据延时相关值的虚部符号来判断的。

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