CN102497349B - 联合多策略的ofdm帧同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能够有效抵抗噪声、载波频偏和同频信号等干扰引起的误同步，满足OFDM系统对于帧同步的要求的联合多策略的OFDM帧同步方法，它包括：1)对接收信号序列与本地训练序列进行符号互相关运算，对接收信号序列进行延时自相关运算，对延时接收信号序列进行能量运算；2)将符号互相关运算结果与预设的互相关判决门限T1进行判决检测，将延时自相关运算结果与预设的自相关判决门限T2进行判决检测，将延时自相关运算结果与自适应判决门限T3进行判决检测；3)检测到帧到来后，对延时自相关运算结果进行峰值搜索，得到定时位置；4)根据定时位置调整接收信号序列位置，得到帧同步输出信号。

Description

联合多策略的OFDM帧同步方法

技术领域

本发明涉及通信领域中的同步技术，具体来说，涉及一种适用于宽带数据传输的正交频分复用的联合多策略的OFDM帧同步方法。

背景技术

近年来，OFDM凭借频谱利用率高、抵抗频率选择性衰落和窄带干扰能力强的优点，成为了宽带无线通信研究的热点，并被广泛应用于广播式的音频、视频领域和民用通信系统中。但是，与单载波系统相比，OFDM系统对同步误差比较敏感。同步技术通常分为帧同步和频率同步，而帧同步又可细分为帧检测和定时同步，其中，帧检测用于确定OFDM帧信号是否到来，定时同步则用于确定OFDM符号的起始位置。

现有的帧同步方法大都是基于训练序列的相关运算进行的。Schmidl&Cox利用训练序列内两个完全相同部分的延时自相关运算实现帧同步。该方法对载波频偏具有较强的抵抗能力，但定时位置存在一个平顶，导致定时不准确。Tufvesson提出的帧同步方法直接利用训练序列的强相关特性，通过本地训练序列与接收序列符号互相关运算进行帧同步。该方法定时精度很高，能够较好地抵抗噪声的干扰，但容易受到频偏的影响。

这两种方法的共性在于：帧检测和定时同步过程联合进行，其度量函数都是基于接收信号的相关运算。由于干扰信号类型的多样性，如果单独选择一种帧同步方法，就容易导致帧检测性能降低以及定时同步位置准确度下降。

发明内容

针对以上的不足，本发明提供了一种能够有效抵抗噪声、载波频偏和同频信号等干扰引起的误同步，满足OFDM系统对于帧同步的要求的联合多策略的OFDM帧同步方法，它包括：1)对接收信号序列与本地训练序列进行符号互相关运算，对接收信号序列进行延时自相关运算，对延时接收信号序列进行能量运算；2)将符号互相关运算结果与预设的互相关判决门限T1进行判决检测，将延时自相关运算结果与预设的自相关判决门限T2进行判决检测，将延时自相关运算结果与自适应判决门限T3进行判决检测；3)检测到帧到来后，对延时自相关运算结果进行峰值搜索，得到定时位置；4)根据定时位置调整接收信号序列位置，得到帧同步输出信号。

所述步骤1)中对接收信号序列与本地训练序列进行符号互相关运算之前，分别对接收信号序列与本地训练序列进行符号函数运算。

所述步骤3)中检测到有帧到来的条件为：符号互相关运算结果超出固定的互相关判决门限T1。

所述步骤3)中检测到有帧到来的条件为：符号互相关运算结果超出固定的互相关判决门限T1，且延时自相关运算结果超出固定的自相关判决门限T2。

所述步骤3)中检测到有帧到来的条件为：符号互相关运算结果超出固定的互相关判决门限T1，且延时自相关运算结果超出固定的自相关判决门限T2和自适应判决门限T3。

所述延时自相关运算的延时变量D与设定的本地训练序列重复部分的周期长度相等。

所述延时自相关运算的延时变量D取值64各样值点。

所述互相关判决门限T1取值范围为10000～30000。

所述自相关判决门限T2取值范围为5000～15000。

所述自适应判决门限T3为能量运算结果值与系数σ的乘积，所述系数σ取1/8。

本发明的有益效果：本发明的联合多策略的OFDM帧同步方法的帧检测和定时同步过程联合进行，多策略帧检测过程中的判决函数可直接被用于定时同步过程，从而降低了系统的运算开销；本发明在帧检测过程中采用多策略的帧检测方法，克服了传统帧检测方法的单一结构，从而能够同时去除噪声、载波频偏以及同频信号干扰的影响，提高了OFDM帧信号的正确检测概率；本发明在定时同步过程中，通过延时自相关运算并选择一定的累加窗口长度保证了定时位置的准确度，克服了传统定时同步方法受频偏影响的缺点，从而提高了系统的定时同步性能。

附图说明

图1为本发明的联合多策略的OFDM帧同步方法的流程图；

图2是本发明在IEEE 802.16d标准应用中的本地训练序列结构图；

图3是本发明联合多策略的OFDM帧同步方法的信号控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步阐述。

如图1、图2和图3所示，本发明的联合多策略的OFDM帧同步方法采用联合多策略的方式实现OFDM系统中的帧同步，即首先对接收信号序列分别进行符号符号互相关运算、延时自相关运算和能量运算，然后再通过预设的互相关判决门限和自相关判决门限(固定门限)，以及自适应判决门限进行检测判决，OFDM帧信号到来之后对延时自相关运算结果值进行峰值搜索，确定定时位置，最后根据定时位置调整接收信号序列位置，得到同步输出信号。

本发明的联合多策略的OFDM帧同步方法包括：1)对接收信号序列与本地训练序列进行符号互相关运算，对接收信号序列进行延时自相关运算，对延时接收信号序列进行能量运算；2)将符号互相关运算结果与预设的互相关判决门限T1进行判决检测，将延时自相关运算结果与预设的自相关判决门限T2进行判决检测，将延时自相关运算结果与自适应判决门限T3进行判决检测；3)检测到帧到来后，对延时自相关运算结果进行峰值搜索，得到定时位置；4)根据定时位置调整接收信号序列位置，得到帧同步输出信号。

下面以IEEE 802.16d无线城域网系统为例，通过实施例对本发明的具体实现进行说明，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围，本发明同样适用于其他OFDM系统。

IEEE 802.16d标准的短训练序列结构如图2所示，包括CP和4个重复部分，每个重复部分的周期长度为64个样值点，基于标准的OFDM系统包含256个子载波数。

本发明提出的方法利用短训练序列的循环特性来实现帧同步，方法的具体实现如图3所示，具体步骤如下：

步骤(a)，对接收信号序列与本地训练序列(短训练序列)进行符号互相关运算，对接收信号序列进行延时自相关运算，对延时接收信号序列进行能量运算。

本发明提出的帧同步方法联合了帧检测和定时同步过程，帧检测过程的判决函数可直接用作于定时同步过程。传统帧同步方法中，自相关曲线在定时位置存在一个平顶，导致定时不准确，本发明提出的帧同步方法通过选择一定的累加窗口长度消除了定时平顶的影响，从而保证了定时的精确度。

假设接收信号序列为r_n，本地短训练序列为l_n，D设定为本地训练序列重复部分的周期长度，即64个样值点。

符号互相关运算为接收信号序列的符号位与本地训练序列的符号位进行相关运算，然后再取模平方|·|²，具体表示如下：

$\mathrm{cross}\_\mathrm{corr}={|\underset{n=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{sign}\left(r_n^{*}\right)\·\mathrm{sign}\left(l_n\right)|}^2$

其中，L为累加窗口长度，设定为256个样值点，对于实数x而言， $\mathrm{sign}\left(x\right)=\left\{\begin{array}{c}1,x>0\\ 0,x=0\\ -1,x<0\end{array}\right.;$ 对于复数x而言，sign(x)仍为复数，其实部对应为x的实部取sign(·)，虚部对应为x的虚部取sign(·)。

延时自相关运算为接收信号序列延时D后与接收信号序列本身进行相关运算，然后再取模平方|·|²，具体表示如下：

$\mathrm{auto}\_\mathrm{corr}={|\underset{n=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{r}_n\&CenterDot;{r^{*}}_{n+D}|}^2$

其中，r_n+D为延时D后的接收信号序列。

能量运算为计算延时接收信号序列的能量之后再取平方(·)²，具体表示如下：

$\mathrm{energy}={\left(\underset{n=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left|r_{n+D}\right|}^2\right)}^2$

步骤(b)，将符号互相关运算结果与预设的互相关判决门限进行判决检测，将延时自相关运算结果与预设的自相关判决门限进行判决检测，将延时自相关结果与自适应判决门限进行判决检测。

OFDM帧信号到来的判决条件可以由cross_corr与T₁的比较结果决定，也可以由cross_corr与T₁和auto_corr与T₂的比较结果决定，还可以由cross_corr与T₁、auto_corr与T₂和auto_corr与T₃的比较结果决定。

本发明提出的帧同步方法要求符号互相关结果cross_corr超出固定的互相关判决门限T₁，这是为了避免由干扰和噪声引起的误同步，由于进行符号互相关运算时，只取接收信号序列的符号位，符号互相关结果cross_corr对接收信号序列幅度的变化有很好的适应性(即接收信号序列幅度的较大变化只会引起符号互相关结果cross_corr较小的变化)，此时门限T₁可以取一个合适的固定值。本发明提出的帧同步方法还要求延时自相关结果auto_corr超出固定的自相关判决门限T₂，这是为了避免由噪声引起的误同步，因为噪声的功率比较小，门限T₂需要取较小的值以保证在接收机灵敏度范围内的信号不会出现漏同步。

因此，本发明的OFDM帧信号到来的判决条件最佳为：符号互相关运算结果cross_corr超出预设(固定)的互相关判决门限T₁，延时自相关运算结果auto_corr超出预设(固定)的自相关判决门限T₂，延时自相关运算结果auto_corr超出自适应判决门限T₃，当这三个判决条件都满足时，则表明有OFDM帧信号到来。

当发明应用于基于IEEE 802.16d标准的OFDM系统时，固定的互相关判决门限T₁设定为10000～30000，固定的自相关判决门限T₂设定为5000～15000，自适应判决门限T₃为能量结果energy与系数σ的乘积，系数σ设定为1/8。

这种多策略的帧检测方法可以获得很好的帧检测性能，具体原因分析如下：首先，基于短训练序列的延时自相关运算可以很好地对抗载波频偏的影响；其次，基于短训练序列的符号互相关运算能够较好地抵抗噪声的干扰，同时可以去除具有类似帧结构的同频信号干扰的影响；最后，由于固定门限实现简单但检测性能较差，而自适应门限检测性能较好但对抗噪声和干扰的能力较差，多策略的帧检测方法结合了固定和自适应两类门限进行判决检测，从而可以获得两类检测方法的优异性能，同时克服了各自的缺点。

步骤(c)，检测到帧到来后，对延时自相关结果进行峰值搜索，得到定时位置。

将三个判决检测结果进行与运算&，结果为1则表示有OFDM帧信号到来，为0则表示没有帧信号到来。当检测到有OFDM帧信号到来后，对延时自相关结果auto_corr进行最大值搜索，峰值位置即为定时位置。

步骤(d)，根据定时位置调整接收信号序列位置，得到帧同步输出信号。

获得定时位置D后，将接收信号序列进行位置调整，得到帧同步输出信号。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明并不局限于上述实施方式，在实施过程中可能存在局部微小的结构改动，如果对本发明的各种改动或变型不脱离本发明的精神和范围，且属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型。

Claims (9)

1.一种联合多策略的OFDM帧同步方法，其特征在于，它包括：

1)对接收信号序列与本地训练序列进行符号互相关运算，对接收信号序列进行延时自相关运算，对延时接收信号序列进行能量运算，而对接收信号序列与本地训练序列进行符号互相关运算之前，分别对接收信号序列与本地训练序列进行符号函数运算；

其中，符号互相关运算为接收信号序列的符号位与本地训练序列的符号位进行相关运算，然后再取模平方|·|²，具体表示如下：

$\mathrm{cross}\_\mathrm{corr}={|\underset{n=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{sign}\left(r_n^{*}\right)\&CenterDot;\mathrm{sign}\left(l_n\right)|}^2$

其中，L为累加窗口长度，设定为256个样值点，对于实数x而言， $\mathrm{sign}\left(x\right)=\left\{\begin{array}{c}1,x>0\\ 0,x=0\\ -1,x<0\end{array}\right.;$ 对于复数x而言，sign(x)仍为复数，其实部对应为x的实部取sign(·)，虚部对应为x的虚部取sign(·)；

延时自相关运算为接收信号序列延时D后与接收信号序列本身进行相关运算，然后再取模平方|·|²，具体表示如下：

$\mathrm{auto}\_\mathrm{corr}={|\underset{n=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{r}_n\&CenterDot;{r^{*}}_{n+D}|}^2$

其中，r_n+D为延时D后的接收信号序列；

能量运算为计算延时接收信号序列的能量之后再取平方(·)²，具体表示如下：

$\mathrm{energy}={\left(\underset{n=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left|r_{n+D}\right|}^2\right)}^2;$

2)将符号互相关运算结果与预设的互相关判决门限T1进行判决检测，将延时自相关运算结果与预设的自相关判决门限T2进行判决检测，将延时自相关运算结果与自适应判决门限T3进行判决检测；

3)检测到帧到来后，对延时自相关运算结果进行峰值搜索，得到定时位置；

4)根据定时位置调整接收信号序列位置，得到帧同步输出信号。

2.根据权利要求1所述的联合多策略的OFDM帧同步方法，其特征在于，所述步骤3)中检测到有帧到来的条件为：符号互相关运算结果超出固定的互相关判决门限T1。

3.根据权利要求1所述的联合多策略的OFDM帧同步方法，其特征在于，所述步骤3)中检测到有帧到来的条件为：符号互相关运算结果超出固定的互相关判决门限T1，且延时自相关运算结果超出固定的自相关判决门限T2。

4.根据权利要求1所述的联合多策略的OFDM帧同步方法，其特征在于，所述步骤3)中检测到有帧到来的条件为：符号互相关运算结果超出固定的互相关判决门限T1，且延时自相关运算结果超出固定的自相关判决门限T2和自适应判决门限T3。

5.根据权利要求1所述的联合多策略的OFDM帧同步方法，其特征在于，所述延时自相关运算的延时变量D与设定的本地训练序列重复部分的周期长度相等。

6.根据权利要求5所述的联合多策略的OFDM帧同步方法，其特征在于，所述延时自相关运算的延时变量D取值64个样值点。

7.根据权利要求1所述的联合多策略的OFDM帧同步方法，其特征在于，所述互相关判决门限T1取值范围为10000～30000。

8.根据权利要求1所述的联合多策略的OFDM帧同步方法，其特征在于，所述自相关判决门限T2取值范围为5000～15000。

9.根据权利要求1所述的联合多策略的OFDM帧同步方法，其特征在于，所述自适应判决门限T3为能量运算结果值与系数σ的乘积，所述系数σ取1/8。