CN102724158A - 多输入多输出正交频分复用系统时频同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多输入多输出正交频分复用系统时频同步方法，该其步骤为：(1)生成导频数据；(2)生成载荷数据；(3)组成发送数据；(4)获得延迟相关数据；(5)获得滤波数据；(6)获得滤波数据变化趋势；(7)获得时间同步位置；(8)纠正小数倍频率偏移；(9)纠正整数倍频率偏移。本发明中只用一次延迟相关获得时间同步位置，降低了系统消耗资源和技术实现成本；利用一次延迟相关同时获得时间同步位置和小数倍频率偏移，提高了系统运算速度；利用延迟相关变化趋势获得时间同步位置，提高了时间同步的精确度。

Description

多输入多输出正交频分复用系统时频同步方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，更进一步涉及多输入多输出正交频分复用(MIMO-OFDM)系统通信技术，是一种基于导频的精确时间同步方法。本发明用于解决在高速运动信道环境下多输入多输出正交频分复用系统的时间频率同步问题。

背景技术

在多输入多输出正交频分复用系统中，为了通信的正常进行，接收端需要对接收的信号进行时间同步，时间同步性能的好坏影响系统的整体性能。现有技术大都利用接收信号和训练序列之间的相关性来获得定时同步，由于多径效应的存在，相关峰会有多个，判断同步时应通过合适的算法选择主径。而当采用本专利技术时，多经只会造成峰值的平台期变短，对峰值的大小影响不大，在多径情况下，仍然可以获得主径的时间同步。

北京邮电大学、北京三星通信技术研究有限公司申请的专利“一种MIMO-OFDM系统的同步方法”(专利申请号200610136098，公开号CN1972271A)。该专利申请主要是将本地序列与接收到的序列进行相关运算，得到相关峰值及其旁瓣，找出主相关峰值位置作为时延位置信息，从而实现同步。该专利申请公开的设备和方法存在的不足是，对于序列较长的相关序列进行相关运算时，由于需要每个数据点时间进行一次相关运算，故其运算量很大，实现困难；并且时间同步的精确度不足，运算时间较长。另外，使用该算法无法完成频率同步。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种解决多输入多输出正交频分复用系统时频同步的方法。本发明可以明显减少运算量，解决了多输入多输出正交频分复用系统在多径移动信道条件下时频同步较复杂的问题。

本发明实现的基本思路是，系统生成导频和数据，接着针对不同的发送天线对导频进行循环移位，进而产生所有天线的导频数据，并组帧，然后导频帧与数据帧共同组成发送数据，接收端首先对本次收到的信号进行延迟相关，利用延迟相关模值最大点的相角求出载波小数倍频率偏移，完成小数倍频率偏移纠正；然后对延迟相关得到的数据进行平滑滤波，根据滤波数据的变化趋势寻找时间同步位置，再用时间同步位置从经过小数倍频偏纠正的数据中提取出导频序列和数据，该导频序列和本地导频序列分别做快速傅里叶变换，得到的两个序列共轭相乘，对乘积做快速反傅里叶变换，得到时移信道序列，时移信道序列的时移除以导频序列生成因子就得到整数倍频偏估计，最后用整数倍频偏估计的共轭乘以纠正过小数倍频偏的数据，完成载波同步。

为实现上述目的，本发明实现的具体步骤如下：

1.一种多输入多输出正交频分复用系统时频同步方法，包括以下步骤：

(1)生成导频数据

1a)在系统输入输出端的信号处理器中分别产生参数相同的自相关序列，将系统输出端的自相关序列作为导频序列，输入端的自相关序列作为本地序列；

1b)将系统第m个输出端口导频序列的循环移位部分移动到该导频序列前端，获得系统第m+1个输出端口的导频序列；

1c)在导频序列的前端附加该导频序列的末尾部分作为循环前缀，获得第一个导频帧；

1d)在导频序列的尾部附加该导频序列的开头部分作为循环后缀，获得第二个导频帧；

1e)将第二个导频帧附加到第一个导频帧尾部，获得导频数据；

(2)生成载荷数据

2a)在系统输出端的信号处理器中产生一定长度的二进制数据，作为原始序列；

2b)将原始序列分组，并进行星座映射后生成调制信号；

2c)对调制信号做快速反傅里叶变换，得到正交频分复用符号序列；

2d)在正交频分复用符号序列的前端附加正交频分复用符号序列的末尾部分作为循环前缀，获得载荷数据；

(3)将载荷数据附加到步骤1e)中导频数据的尾部，作为发送数据；

(4)获得延迟相关数据

4a)将从系统输入端接收到的数据任意位置起一个导频序列长度范围内的点作为第一序列；

4b)将第一序列后的一个导频序列长度范围内的点作为第二序列；

4c)求出第一序列的共轭和第二序列的内积，将内积结果作为延迟相关数据的一个点；

4d)对系统输入端收到的所有数据依次进行步骤4a)、步骤4b)和步骤4c)操作，直到获得完整的延迟相关数据；

(5)将延迟相关数据通过FIR滤波器，获得滤波数据；

(6)获得滤波数据变化趋势

6a)将滤波数据中的任意一个点与微分长度后的点相减，获得一个数据差；

6b)数据差除以微分长度，获得滤波数据变化趋势的一个点；

6c)对所有滤波数据依次进行步骤6a)和步骤6b)操作，直到获得完整的滤波数据变化趋势；

(7)获得时间同步位置

7a)在滤波数据变化趋势中按照时间同步位置定位方法找到时间同步位置；

7b)将时间同步位置前的一个导频序列长度数据作为接收导频，时间同步位置后载荷数据长度的数据作为接收数据；；

7c)将时间同步位置送入信道均衡模块，完成时间同步；

(8)纠正小数倍频率偏移

8a)从步骤4d)的延迟相关数据中找到模值最大的点；

8b)求出该点虚部除以实部结果的反正切函数值，将获得的反正切函数值作为最大点相角；

8c)最大点相角除以第二个导频帧的时间长度，获得小数倍载波频率偏移估计；

8d)小数倍载波频率偏移估计的共轭分别乘以步骤7b)中的接收导频和接收数据帧，获得小数倍频偏校正导频和小数倍频偏校正数据；

(9)纠正整数倍频率偏移

9a)对小数倍频偏校正导频和步骤1a)中的本地序列分别进行快速傅里叶变换得到频域导频和频域本地序列；

9b)将频域导频的共轭乘以频域本地序列，对结果做快速反傅里叶变换，将得到的序列作为时移信道序列；

9c)找到时移信道序列的模值最大点，模值最大点位置与时移信道序列起始位置间的长度除以自相关序列的长度，得到整数倍频率偏移估计；

9d)整数倍频率偏移估计的共轭乘以步骤8d)中得到的小数倍频偏校正数据，得到完整频偏校正数据；

9e)将完整频偏校正数据送入信道均衡器中，完成载波频率同步。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

第一，本发明通过一次延迟相关获得时间同步，克服了现有技术中必须进行大量相关运算才能得到时间同步带来的资源消耗较大的不足。使得本发明具有了系统资源消耗低和技术实现成本小的优点。

第二，本发明采用延迟相关技术，可在通过求延迟相关峰值的相角得到小数倍频偏估计，通过分析延迟相关变化趋势完成时间同步，从而实现一次延迟相关同时完成时频同步，克服了现有技术中时间同步和小数倍频偏估计要分别计算带来的运算时间过长的不足。使得本发明具有了运算速度快的优点。

第三，本发明通过分析延迟相关变化趋势获得精确时间同步位置，克服了现有技术中时间同步精确度不够的缺点。使得本发明具有了时间同步精确的优点。

附图说明

图1为本发明流程图；

图2为本发明的发送数据结构；

图3为本发明中时间同步位置定位方法示意图。

具体实施方式

下面结合附图1，对本发明的实施方式做进一步的描述。

步骤1，生成导频数据

在系统输入输出端的信号处理器中分别产生自相关序列，将系统输出端的自相关序列作为导频序列，输入端的自相关序列作为本地序列。按照以下公式生成自相关序列：

其中，C表示自相关序列，i表示点在序列中的位置，π表示圆周率，e表示自然常数，j表示虚数，K表示自相关序列长度，L表示与自相关序列长度K互素的任意整数。

将系统第m个输出端口导频序列的循环移位部分移动到该导频序列前端，获得系统第m+1个输出端口的导频序列。循环移位部分为导频序列尾部的部分，循环移位部分的长度为导频序列长度除以系统输出端口数量。移动导频序列的循环移位部分是为了有效区分多输入多输出系统中不同的输出端。

在导频序列的前端附加该导频序列的末尾部分作为循环前缀，获得第一个导频帧。循环前缀为导频序列尾部的部分，循环前缀的长度由信道传播时延决定，长度应大于信道最大多径时延。在前端附加循环前缀后可以对抗多径信道引起的时延扩展。

在导频序列的尾部附加该导频序列的前端部分作为循环后缀，获得第二个导频帧。循环后缀为导频序列前段的部分，循环后缀的长度与循环前缀的长度相同。在尾部附加循环后缀可以对抗多径信道时延扩展带来的影响。

将第二个导频帧附加到第一个导频帧尾部，获得导频数据。

步骤2，生成载荷数据

在系统输出端的信号处理器中产生一定长度的二进制数据，作为将要发送的原始二进制数据。在实际系统中，二进制数据为需要传输的信源数据经信源编码、信道编码之后的二进制序列。

将原始序列进行星座映射后生成调制信号。星座映射是指，将二进制序列进行分组后调制成多进制移相键控信号(MPSK)或者多进制正交幅度调制信号(MQAM)。

对调制信号做快速反傅里叶变换，得到正交频分复用符号序列。

在正交频分复用符号序列的前端附加正交频分复用符号序列的末尾部分作为循环前缀，获得数据符号。正交频分复用符号序列循环前缀的长度与导频数据循环前缀的长度相同。可以为了抵抗多径时延扩展带来的影响。

步骤3，将数据符号附加到步骤1中导频数据的尾部，作为发送数据。发送数据的完整结构如图2所示，图中CP1为步骤1中的循环前缀，CP2为步骤1中的循环后缀。

步骤4，获得延迟相关数据

进行未延迟数据选取操作，将从系统输入端接收到的数据任意位置起一个导频序列长度范围内的点作为第一序列，将第一序列作为延迟相关运算中的未延迟数据。

进行延迟数据选取操作，将第一序列后的一个导频序列长度范围内的点作为第二序列。将第二序列作为延迟相关运算中的延迟数据。第二序列相对于第一序列的延迟长度为一个导频序列长度。

进行求内积操作，求出第一序列的共轭和第二序列的内积，将内积结果作为延迟相关数据的一个点。求内积的方法为，第一序列的共轭和第二序列中相同位置的点相乘，然后将乘积相加，得到内积结果。

对所有系统输入端接收到的数据依次进行未延迟数据选取操作、延迟数据选取操作和求内积操作，直到获得完整的延迟相关数据。

步骤5，将延迟相关数据通过FIR滤波器，获得滤波数据。FIR滤波器的抽头系数均为1，抽头数的范围为大于5小于导频序列长度的三分之一。利用FIR滤波器实现平滑滤波的目的是减小噪声影响。

步骤6，获得滤波数据变化趋势

进行求取滤波数据差操作，将滤波数据中的任意一个点与微分长度后的点相减，获得一个数据差。微分长度应远小于导频帧循环前缀的长度。要求微分长度应远小于导频帧循环前缀的长度是因为微分长度影响时间同步的精确程度，微分长度越短时间同步就越精确。

进行求取变化趋势数据点操作，数据差除以微分长度，获得滤波数据变化趋势的一个数据点。

对所有滤波数据依次进行求取滤波数据差操作和求取变化趋势数据点操作，直到获得完整的滤波数据变化趋势。对滤波数据的微分遵循以下公式：

$y\left(n\right)=\frac{x(n+w)-x\left(n\right)}{w}$

其中，x(n)表示滤波数据；w表示微分长度；y(n)表示滤波数据x(n)的变化趋势。

步骤7，获得时间同步位置

在滤波数据变化趋势中按照时间同步位置定位方法找到时间同步位置。时间同步位置定位方法分为两种，第一种方法为在滤波数据变化趋势中找到连续负数后的第一个正数，第一个正数的位置作为时间同步位置，其中连续负数的长度不小于一半导频序列长度；第二种方法为在滤波数据变化趋势中找到连续正数后的第一个负数，将第一个负数后一个导频帧长度的位置作为时间同步位置，其中连续正数的长度不小于一半导频序列长度。

图3表示出了在滤波数据变化趋势中定位时间同步位置的方法。图中，点A表示第二种方法中的连续正数后的第一个负数的位置；点B表示第一种方法中连续负数后的第一个正数的位置。

将时间同步位置前的一个导频序列长度数据作为接收导频，时间同步位置后载荷数据长度的数据作为接收数据。

将时间同步位置送入信道均衡模块，完成时间同步。

步骤8，纠正小数倍频率偏移

从步骤4的延迟相关数据中找到模值最大的点。

求出该点虚部除以实部结果的反正切函数值，将获得的反正切函数值作为最大点相角。最大点相角的计算方法服从以下公式：

$\mathrm{ang}=\arctan \left(\frac{b}{a}\right)$

其中，ang表示最大点相角，arctan(·)表示反正切函数，a表示延迟相关数据模

值最大点的实部，b表示延迟相关数据模值最大点的虚部。

最大点相角除以导频序列的时间长度，获得小数倍载波频率偏移估计。

小数倍载波频率偏移估计的共轭分别乘以步骤7中接收到的接受导频和接收数据，获得小数倍频偏校正导频和小数倍频偏纠正数据。进行小数倍频偏校正后，可以保证在进行整数倍频率偏移估计时各个正交频分复用子载波正交，从而保证整数倍频率偏移估计的准确性。

步骤9，纠正整数倍频率偏移

对小数倍频偏校正导频和步骤1中的本地序列分别进行快速傅里叶变换得到频域导频和频域本地序列。

频域导频和频域本地序列相乘，对乘积做快速反傅里叶变换，将得到的序列作为时移信道序列。

找到时移信道序列的模值最大点，模值最大点位置与时移信道序列起始位置间的长度除以自相关序列的长度，得到整数倍频率偏移估计。最大点位置与时移信道序列起始位置间的长度就是信道序列的时偏，时偏等于整数倍频偏与自相关序列的长度的乘积。

整数倍频率偏移估计的共轭乘以步骤8中得到的小数倍频偏校正数据，得到完整频偏校正数据。整数倍频率偏移和小数倍频率偏移都是完整频率偏移的一部分，两种频率偏移的校正方法完全相同。

将完整频偏校正数据送入信道均衡器中，完成载波频率同步。

Claims (9)

1.一种多输入多输出正交频分复用系统时频同步方法，包括以下步骤：

(1)生成导频数据

1a)在系统输入输出端的信号处理器中分别产生参数相同的自相关序列，将系统输出端的自相关序列作为导频序列，输入端的自相关序列作为本地序列；

1b)将系统第m个输出端口导频序列的循环移位部分移动到该导频序列前端，获得系统第m+1个输出端口的导频序列；

1c)在导频序列的前端附加该导频序列的末尾部分作为循环前缀，获得第一个导频帧；

1d)在导频序列的尾部附加该导频序列的开头部分作为循环后缀，获得第二个导频帧；

1e)将第二个导频帧附加到第一个导频帧尾部，获得导频数据；

(2)生成载荷数据

2a)在系统输出端的信号处理器中产生一定长度的二进制数据，作为原始序列；

2b)将原始序列分组，并进行星座映射后生成调制信号；

2c)对调制信号做快速反傅里叶变换，得到正交频分复用符号序列；

2d)在正交频分复用符号序列的前端附加正交频分复用符号序列的末尾部分作为循环前缀，获得载荷数据；

(3)将载荷数据附加到步骤1e)中导频数据的尾部，作为发送数据；

(4)获得延迟相关数据

4a)将从系统输入端接收到的数据任意位置起一个导频序列长度范围内的点作为第一序列；

4b)将第一序列后的一个导频序列长度范围内的点作为第二序列；

4c)求出第一序列的共轭和第二序列的内积，将内积结果作为延迟相关数据的一个点；

4d)对系统输入端收到的所有数据依次进行步骤4a)、步骤4b)和步骤4c)操作，直到获得完整的延迟相关数据；

(5)将延迟相关数据通过FIR滤波器，获得滤波数据；

(6)获得滤波数据变化趋势

6a)将滤波数据中的任意一个点与微分长度后的点相减，获得一个数据差；

6b)数据差除以微分长度，获得滤波数据变化趋势的一个点；

6c)对所有滤波数据依次进行步骤6a)和步骤6b)操作，直到获得完整的滤波数据变化趋势；

(7)获得时间同步位置

7a)在滤波数据变化趋势中按照时间同步位置定位方法找到时间同步位置；

7b)将时间同步位置前的一个导频序列长度数据作为接收导频，时间同步位置后载荷数据长度的数据作为接收数据；

7c)将时间同步位置送入信道均衡模块，完成时间同步；

(8)纠正小数倍频率偏移

8a)从步骤4d)的延迟相关数据中找到模值最大的点；

8b)求出该点虚部除以实部结果的反正切函数值，将获得的反正切函数值作为最大点相角；

8c)最大点相角除以第二个导频帧的时间长度，获得小数倍载波频率偏移估计；

8d)小数倍载波频率偏移估计的共轭分别乘以步骤7b)中的接收导频和接收数据，获得小数倍频偏校正导频和小数倍频偏校正数据；

(9)纠正整数倍频率偏移

9a)对小数倍频偏校正导频和步骤1a)中的本地序列分别进行快速傅里叶变换得到频域导频和频域本地序列；

9b)将频域导频的共轭乘以频域本地序列，对结果做快速反傅里叶变换，将得到的序列作为时移信道序列；

9c)找到时移信道序列的模值最大点，模值最大点位置与时移信道序列起始位置间的长度除以自相关序列的长度，得到整数倍频率偏移估计；

9d)整数倍频率偏移估计的共轭乘以步骤8d)中得到的小数倍频偏校正数据，得到完整频偏校正数据；

9e)将完整频偏校正数据送入信道均衡器中，完成载波频率同步。

2.根据权利要求1所述的多输入多输出正交频分复用系统时频同步方法，其特征在于，步骤1a)中所述的自相关序列按照以下公式生成：

其中，C表示自相关序列，i表示点在序列中的位置，π表示圆周率，e表示自然常数，j表示虚数，K表示自相关序列长度，L表示与自相关序列长度K互素的任意整数。

3.根据权利要求1所述的多输入多输出正交频分复用系统时频同步方法，其特征在于，步骤1b)中所述的循环移位部分为导频序列尾部的部分，循环移位部分的长度为导频序列长度除以系统输出端口数量。

4.根据权利要求1所述的多输入多输出正交频分复用系统的时频同步方法，其特征在于，步骤1c)中所述的循环前缀为导频序列尾部的部分，循环前缀的长度由信道传播的多径时延决定，长度应大于系统最大多径时延。

5.根据权利要求1所述的多输入多输出正交频分复用系统的时频同步方法，其特征在于，步骤1d)中所述的循环后缀为导频序列前段的部分，循环后缀的长度与循环前缀的长度相同。

6.根据权利要求1所述的多输入多输出正交频分复用系统的时频同步方法，其特征在于，步骤2b)中所述的星座映射是指，将二进制序列进行分组后调制成多进制移相键控信号(MPSK)或者多进制正交幅度调制信号(MQAM)。

7.根据权利要求1所述的多输入多输出正交频分复用系统的时频同步方法，其特征在于，步骤(5)中所述的FIR滤波器参数为所有滤波器抽头系数均为1，且滤波器抽头数目范围为从5到导频序列点数的三分之一。

8.根据权利要求1所述的多输入多输出正交频分复用系统时频同步方法，其特征在于，步骤6a)中所述的微分长度应远小于导频帧循环前缀的长度。

9.根据权利要求1所述的多输入多输出正交频分复用系统时频同步方法，其特征在于，步骤7a)中所述的时间同步位置定位方法分为两种，第一种方法为在滤波数据变化趋势中找到连续负数后的第一个正数，第一个正数的位置作为时间同步位置，其中连续负数的长度不小于一半导频序列长度；第二种方法为在滤波数据变化趋势中找到连续正数后的第一个负数，将第一个负数后一个导频帧长度的位置作为时间同步位置，其中连续正数的长度不小于一半导频序列长度。

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