CN102223345B - 时隙同步与符号同步的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及时隙同步与符号同步的方法。在时隙同步中包括时隙同步状态控制、时隙同步相关运算和时隙同步峰值检测；时隙同步状态控制中的捕获阶段用于捕获第一次时隙同步相关峰值的位置；跟踪阶段是在第一次搜索到时隙开始位置后，捕获阶段转换后的阶段；时隙同步相关运算是通过同步数据符号的相关，得到相关值的模和角度；时隙同步峰值检测是判断峰值的位置，控制峰值检测。本发明的时隙同步与符号同步的方法通过捕获和跟踪的状态对相关峰进行控制，能够在显著降低计算量的同时，还防止在动态环境下出现误检，最小程度的避免漏检。

Description

时隙同步与符号同步的方法

技术领域

本发明涉及时隙同步与符号同步的方法，具体的讲是CMMB接收系统的时隙同步与符号同步的方法。

背景技术

中国移动多媒体广播，简称CMMB(China Mobile Multimedia Broadcasting)，是我国自主研发的、具有自主知识产权的一种通讯标准。CMMB标准中的核心技术之一是采用了OFDM(正交频分复用)技术，OFDM技术是CMMB系统设计的重点和难点。

CMMB接收机中包括了RF模块、ADC模块、匹配滤波、自动增益控制(AGC)、时隙同步、符号同步、频率同步、采样频偏同步、FFT处理、信道估计、信道译码、信源译码等多个基本模块。其中同步处理在CMMB接收系统中起到重要的作用，它是CMMB解调系统的关键。时隙同步为检测每一个时隙的起始位置，符号同步的作用是检测每个OFDM数据符号的位置。在现有的时隙同步处理的基本算法为：

$\mathrm{\γ}\left(m\right)=\underset{i=m}{\overset{m+\mathrm{Nsyn}-1}{\mathrm{\Σ}}}y(n,l)y^{*}(n,i+\mathrm{Nsyn})$

$\widehat{\mathrm{\θ}}=\arg \max \left\{\right|\mathrm{\γ}\left(m\right)|-\frac{1}{2}\mathrm{\φ}\left(m\right)\}$

$\widehat{\mathrm{\ϵ}}=-\frac{1}{2\mathrm{\π}}\mathrm{angle}\left(\mathrm{\γ}\left(\widehat{\mathrm{\θ}}\right)\right)$

其中中，arg max(|γ(m)|-(1/2)φ(m))表示当|γ(m)|-(1/2)φ(m)取最大值时相关峰m的位置，为求取的相位角，Nsyn为同步符号的长度，大小为2048，

为同步位置，

为小数倍频率偏差估计值。由于在这种算法中采用了并行运算，需要大量的乘加运算单元，使得在硬件中实现难度很大。而且现有方法在对一般对同步位置连续检测时，由于没有考虑到CMMB系统的既定参数，也会产生大量计算资源。另外，由于CMMB工作在时域选择性衰落环境，直接判决往往会出现漏检，导致数据解析失败。而为了弥补漏检采取的措施，往往又引起误检。

发明内容

针对上述的问题，本发明提供了一种时隙同步与符号同步的方法，能够在显著降低计算量的同时，还防止在动态环境下出现误检，最小程度的避免漏检。

本发明的时隙同步的方法中，在时隙同步中包括时隙同步状态控制、时隙同步相关运算和时隙同步峰值检测；

时隙同步状态控制中包括初始阶段、捕获阶段和跟踪阶段，其中在捕获阶段中系统将时隙同步使能设为进入的状态，用于捕获第一次时隙同步相关峰值的位置；跟踪阶段是在第一次搜索到时隙开始位置后，捕获阶段转换后的阶段，是根据CMMB发送数据的时隙结构，在固定的区域上开启时隙相关使能信号，并在该区域内对时隙相关峰值的位置进行搜索，当跟踪区域的相关峰值小于设定的跟踪门限时，跟踪失锁；

时隙同步相关运算是将CMMB系统的两个同步数据符号前后进行相关，得到相关值的模和角度，并且求得2048点的数据能量值；

时隙同步峰值检测是根据时隙同步相关运算的估计结果，判断峰值的位置，控制峰值检测，并且使用自适应的峰值检测门限，使其能够根据实时估算结果进行动态调整。

在上述方案的基础上，在时隙同步状态控制中的跟踪阶段中，间隔250000个采样点打开相关器，对相关峰值的位置进行跟踪。250000个采样点也即是一个时隙的CMMB信号(一个数据帧的长度)。在多径环境，时隙同步相关峰的位置与理想的峰值位置会有偏差，但是偏差值的大小不会超出1024个采样点。因而相关使能信号有效宽度可以设计为2048个采样点。然而设计中，每次相关使能以后得到的前2048个相关值无效，因而把相关使能有效的长度设计为4096个采样点，4096既是一个数据帧中携带的单个数据符号的长度。

为了简化系统的计算量，时隙同步相关运算为通过数据流的递归算法对数据进行串行处理。通过递归的方式，采用递推运算将传统的在同一时刻并行处理多项数据的方式改为通过合理长的时间而在同一时刻只处理少量数据的串行方式，能够显著的降低运算量，优化系统效率。

在时隙同步相关运算中，较为困难的实现包括模运算和相位运算，因此在数据流递归算法中包括了Cordic(坐标旋转数字计算方法)算法，Cordic算法是通过将向量不断地向某一坐标方向旋转，得到向量的幅度和相位。

进一步的方案为，时隙同步峰值检测的主要作用是根据MMSE估计的结果，判断峰值的位置，同时控制相关器的开闭和时隙同步状态机的转换。其所述的估计结果如果大于所跟踪的相关峰值门限与当前信号能量的乘积时，则搜索峰值成功；如果所跟踪的相关峰值小于设定的跟踪门限与该相关峰值对应的能量值的乘积，则跟踪失锁，重新进行时隙同步捕获。

为了减少误检，时隙同步峰值检测中所述的估计结果如果连续4次均大于所跟踪的相关峰值门限与当前信号能量的乘积时，则搜索峰值成功；同时为了避免在高动态环境下时隙起始位置在跟踪区间内而出现了漏检的情况，如果连续4个跟踪区间内的所跟踪的相关峰值小于设定的跟踪门限与该相关峰值对应的能量值的乘积，则表示跟踪失锁，重新进行时隙同步捕获。

本发明的符号同步的方法，是根据CMMB数据结构和上述时隙同步的方法确定第一个OFDM数据符号的相关峰区域，在该区域内搜索相关峰值的位置，并利用第一个相关峰值的位置确定下一个OFDM数据符号的相关峰值区域，通过循环方式确定每个OFDM数据符号的起始位置。

进一步的方案为，跟踪时隙相关峰值的位置，通过循环前缀进行相关得到符号同步。当检测到时隙同步相关峰值位置后，关闭时隙同步相关运算，同时根据图符号同步跟踪图，打开符号同步相关运算，搜索OFDM符号的起始位置。确定OFDM数据符号的位置后，去掉循环前缀，以便后续进行解调。

本发明的时隙同步与符号同步的方法通过捕获和跟踪的状态对相关峰进行控制，能够在显著降低计算量的同时，还防止在动态环境下出现误检，最小程度的避免漏检。

以下结合由附图所示实施例的具体实施方式，对本发明的上述内容再作进一步的详细说明。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述技术思想情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更，均应包括在本发明的范围内。

附图说明

图1是本发明时隙同步的方法中时隙同步联合小数倍频偏同步的流程框图。

图2是本发明时隙同步的方法中的时隙同步跟踪示意图。

图3是本发明时隙同步的方法中的时隙同步状态转换示意图。

图4是图1中时隙同步峰值检测的内部状态转换示意图。

图5是图1的RTL仿真波形图。

图6是本发明的符号同步的相关峰运行仿真图。

具体实施方式

实施例1：

本发明的时隙同步的方法，在时隙同步中包括时隙同步状态控制、时隙同步相关运算和时隙同步峰值检测。在CMMB的标准中，CMMB基带采样率为10M，信道带宽分为2M和8M两种模式，本发明的方法主要应用于8M信道带宽模式。在物理层中信号的每一帧的长度为1s(秒)，每一帧划分为40个时隙，每个时隙的长度为25ms(毫秒)。每个时隙包括1个信标和53个OFDM数据符号。信标包括了1个25.6us长度的发射机标识信号和两个完全相同的204.8us(微秒)的同步符号。发射机标识信号前面有10.4us的循环前缀。OFDM数据符号由循环前缀和数据体构成。其中循环前缀的长度为51.2us，数据体的长度为409.6us。在发射机标识符号和同步符号、同步符号和OFDM数据符号、OFDM数据符号和OFDM数据符号、OFDM数据符号和发射机标识符号之间分别插入了2.4us的保护间隔。

如图1所示，在时隙同步过程中，可以联合小数倍频偏补偿共同运行，小数倍频偏补偿的作用是降低接收干扰，使CMMB解调能够正确进行。

在时隙同步状态控制中包括初始阶段、捕获阶段和跟踪阶段，其中捕获阶段为捕获第一次时隙同步的过程；跟踪阶段表示已经捕获到了第一次时隙同步，根据CMMB时隙结构，相隔250000个采样点打开相关器的过程，对相关峰值的位置进行跟踪。如图2所示的时隙同步跟踪图，理想阶段下每个相关峰值之间的距离为250000个采样点，也就是一个时隙的CMMB信号。在多径环境，时隙同步相关峰的位置与理想的峰值位置会有偏差，但是偏差值的大小不会超出1024个采样点。因而相关使能信号有效宽度可以设计为2048个采样点。然而设计中，每次相关使能以后得到的前2048个相关值无效，因而把相关使能有效的长度设计为4096个采样点。当连续4个跟踪区间内的相关峰值都小于设定的跟踪门限与峰值对应的能量值的乘积，表示跟踪已经失锁，需要重新进行时隙同步捕获。采用连续4次检测的目的是为了避免在高动态环境下，时隙起始位置在跟踪区间内而出现了漏检的概率。

如图3所示的时隙同步中各阶段的转换，Time_slot_en为时隙同步使能信号，高电平有效，无效时从任何阶段转回初始阶段；在捕获阶段，Acq_Tra为跟踪指示与跟踪失锁信号，当Acq_Tra为高电平时，时隙同步由捕获阶段转到跟踪状态；在跟踪阶段，Acq_Tra为低电平时表示跟踪失锁，时隙同步由跟踪阶段转到初始阶段。

在时隙同步相关运算中是采用了2048点的相关进行运算和处理，并且在相关器中增加了三个深度为2048的FIFO(先入先出队列寄存器)，将传统的并行相关处理转化为基于数据流串行的递归运算方式，以减少运算量，其运算公式为：

$=g(m-1)+r\left(m\right)r^{*}(m+\mathrm{Nsyn})-r(m-\mathrm{Nsyn})r^{*}\left(m\right)$

$=f(m-1)+\frac{1}{2}({\left|r\left(m\right)\right|}^2+{\left|r(m+\mathrm{Nsyn})\right|}^2)-\frac{1}{2}({\left|r(m-\mathrm{Nsyn})\right|}^2+{\left|r\left(m\right)\right|}^2)$

公式中m表示相关峰的位置，Nsyn为同步符号的长度，大小为2048，i为选择次数，g为向量的幅度值，f为向量的相位值。

在时隙同步相关运算中，对模运算和相位运算的实现比较繁琐，因此采用Cordic算法来求取向量的幅度和相位，这种算法是将向量不断地向某一坐标方向旋转，其步骤为：

a.对向量进行初始化处理，若向量的初始虚部值y₀≥0，将初始向量V₀顺时针旋转角度π/2，并取旋转参数为a₀＝-1；如果y₀≤0，将初始向量V₀逆时针旋转角度π/2，并取旋转参数为a₀＝1，其中y₀对应于上式中的g(m)；

b.若y_i≥0，0＜i＜N，将向量V_i顺时针旋转角度tan^-1(1/2^(i-2))，并取旋转参数为a_i＝-1；如果y_i≤0，将初始向量V_i逆时针旋转角度tan^-1(1/2^(i-2))，并取旋转参数为a_i＝1，其中y_i表示经过i次旋转以后得到虚部值；

经过以上步骤，在N(N为正整数)次迭代运算后可以得到初始向量V₀的幅度和相位值为式：

γ₀＝x_N*0.607253

${\mathrm{\φ}}_0=-a_0*\frac{\mathrm{\π}}{2}-\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i{\tan }^{-1}\left(\frac{1}{2^{(i-1)}}\right)$

γ₀表示初始向量V₀的幅度值，φ₀表示初始向量V₀的相位值。

如图4所示，时隙同步峰值检测主要作用是根据相关结果，判断峰值的位置，同时控制相关器的开闭和时隙同步状态机的转换；其中包括了8种不同的控制状态，控制峰值检测的实现，同时采用了自适应的峰值检测门限，确保不出现误检，尽量避免出现漏检。图4中8种控制状态为：

S0：等待相关值有效，递推实现的相关结果前2048次为无效的结果，counter是计数器，用来记录次数。Frame_sta是状态寄存器；

S1：在时隙同步捕获状态进行峰值搜索，Acq_suc指示是否搜到相关峰值，高电平有效，相关值大于门限与能量乘积表示捕获成功，状态转到S2；

S2：捕获成功状态；

S3：在相关峰值区间的2048个采样点内搜索最大值，确定捕获态峰值的位置；

S4：在相关峰值区间的2048个采样点内搜索最大值，确定跟踪态峰值的位置；

S5：跟踪失锁状态；

S6：峰值检测完成状态；

S7：等待下一次跟踪区间，tra_length为到下一次跟踪需要等待的采样点数。

时隙同步峰值检测估计相关的结果大于所跟踪的相关峰值门限与当前信号能量的乘积时，表示搜索峰值成功。当估计结果连续4次大于门限值与当前数据能量值时，表示时隙同步捕获成功。因为采用了将当前能量作为捕获检测的依据，因此可以避免在高动态环境下，由于相关峰值出现波动而出现误判的情况。同时，对4次捕获的结果进行判断可以进一步减少误检的几率。

在图5所示的Modelsim环境下时隙同步的RTL(实时功能级)仿真波形图中表示了时隙同步的实现过程，在左边的虚线圈内，表示时隙同步的捕获过程；在右边虚线圈内，表示时隙同步的的跟踪结果；在两个虚线圈之间为等待下一次时隙同步的相关运算。以图5中的捕获的相关峰值位置Frame_peak_position为例，在2048点的相关区域中的第444上，跟踪的相关峰值位置在跟踪的2048点相关区域的1021上。图5中各信号的表述为：

Time_slot_en：时隙同步使能信号，高电平有效；

Frame_sta：时隙同步的运行阶段，00表示初始阶段，01为捕获阶段，10为跟踪阶段；

Frame_com_sta：峰值检测的状态000到111分别对应状态S0到S7；

Acq_Tra：跟踪指示与跟踪失锁信号，在捕获阶段，Acq_Tra为高电平时，时隙同步阶段由捕获阶段转到跟踪阶段，在跟踪阶段，Acq_Tra为低电平，时隙同步阶段由跟踪阶段转到初始阶段；

Frame sync：时隙同步指示号，有效持续时间为一个时钟周期，与系统状态控制的接口；

estimate_en：MMSE相关器开断控制使能信号，高电平有效；

Frame_peak_position：相关峰值的位置；

Frame_out_avi：截取同步信号使能信号；

Fra_fre_avi：小数倍频率偏差值有效指示信号，有效持续时间为一个时钟周期，使能小数倍频率偏差的第一个累加器；

Corr_abs_value：MMSE估计算法的相关结果；

Energy_unit：当前估计的能量值；

Angle_value：相关结果的相位。

结合图4的峰值检测状态转换，当图5中的Time_slot_en有效时，时隙同步阶段转到捕获阶段，Frame_sta的值由00变为01，并打开相关器。Frame_com_sta在检测过程中状态不断地在变化，当Frame_com_sta为S2时，输出时隙同步指示信号Fra_sync。当Frame_com_sta为S6时，输出时隙同步指示信号Fra_sync。

实施例2：

因为在实施例1的时隙同步中已经确保了每隔时隙起始位置的正确性，因而在本发明的符号同步的方法中，只需要根据CMMB的时隙结构，跟据时隙的起始位置判断第一个OFDM符号的起始位置相关区间，在这个相关区间内根据相关峰值位置判断下一个OFDM符号的起始位置的相关区间，依次根据当前相关区间的峰值位置判断下一个OFDM符号的起始位置的相关区间。符号同步主要是利用OFDM数据符号的循环前缀进行相关运算，跟踪相关峰值的位置确定OFDM数据符号的位置后，去掉循环前缀，以便后续进行解调。

从图6所示的时隙同步与符号同步相关峰示意图中可以看出在时间上时隙同步相关峰和符号同步相关峰有先后关系，由此可知时隙同步相关峰与符号同步相关峰能够定时同步的正确运行。

Claims (6)

1.时隙同步的方法，其特征为：在时隙同步中包括时隙同步状态控制、时隙同步相关运算和时隙同步峰值检测；

时隙同步状态控制中包括初始阶段、捕获阶段和跟踪阶段，其中在捕获阶段中系统将时隙同步使能设为进入的状态，用于捕获第一次时隙同步相关峰值的位置；跟踪阶段是在第一次搜索到时隙开始位置后，捕获阶段转换后的阶段，是根据CMMB发送数据的时隙结构，每间隔250000个采样点开启时隙相关使能信号，并在跟踪区域内对时隙相关峰值的位置进行搜索，当跟踪区域的相关峰值小于设定的跟踪门限时，跟踪失锁；

时隙同步相关运算是通过数据流的递归算法对数据进行串行处理，将CMMB系统的两个同步数据符号前后进行相关，得到相关值的模和角度，并且求得2048点的数据能量值；

时隙同步峰值检测是根据时隙同步相关运算的估计结果，判断峰值的位置，控制峰值检测，并且使用自适应的峰值检测门限。

2.如权利要求1所述的时隙同步的方法，其特征为：在所述的数据流递归算法中包括Cordic算法，所述的Cordic算法通过将向量不断地向某一坐标方向旋转，得到向量的幅度和相位。

3.如权利要求1所述的时隙同步的方法，其特征为：时隙同步峰值检测中所述的估计结果如果大于跟踪的相关峰值门限与当前信号能量的乘积时，则搜索峰值成功；如果跟踪的相关峰值小于设定的跟踪门限与该相关峰值对应的能量值的乘积，则跟踪失锁，重新进行时隙同步捕获。

4.如权利要求3所述的时隙同步的方法，其特征为：时隙同步峰值检测中所述的估计结果如果连续4次均大于跟踪的相关峰值门限与当前信号能量的乘积时，则搜索峰值成功；如果连续4个跟踪区间内的跟踪的相关峰值小于设定的跟踪门限与该相关峰值对应的能量值的乘积，则跟踪失锁，重新进行时隙同步捕获。

5.符号同步的方法，其特征为：根据CMMB数据结构和权利要求1至4所述时隙同步的方法确定第一个OFDM数据符号的相关峰区域，在该区域内搜索相关峰值的位置，并利用第一个相关峰值的位置确定下一个OFDM数据符号的相关峰值区域，通过循环方式确定每个OFDM数据符号的起始位置。

6.如权利要求5所述的符号同步的方法，其特征为通过循环前缀进行相关得到符号同步。

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