CN103095624B - 一种帧同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明帧同步方法步骤如下：设置滑动窗，滑动窗的长度为同步符号的长度N；对滑动窗内的前N/2个点和后N/2个点进行互相关运算获得相关值R，确定最大相关值R_max及R_max对应的位置d_max；确定R_max对应的滑动窗，计算该窗后N/2个点的功率累加值P；依据R_max和P计算信噪比；判断信噪比是否小于预设阈值：若不小于预设阈值，则判定d_max为帧同步起始位置；否则以d_max为中心，前后各确定L个点，形成新的搜索区间，并在该区间内进行帧同步起始位置搜索。本发明技术方案先通过SNR估算方法判断信号质量，再针对不同信噪比的信号采用不同方法来确定帧同步起始位置，在帧同步的准确度与计算量之间实现了很好的平衡。

Description

一种帧同步方法

技术领域

本发明涉及一种帧同步方法。

背景技术

TDS-OFDM(TimeDomainSynchronization-OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，时域同步正交频分复用数字传输技术)技术是近年来比较兴起的技术，其特点是对同步符号进行特殊构造，可以在时域完成同步。

中国移动多媒体广播电视技术CMMB(ChinaMobileMultimediaBroadcasting，中国移动数字多媒体广播)是2006年由国家广电总局正式颁布的移动电视行业标准，采用了TDS-OFDM技术。在CMMB标准中，一帧由40个时隙组成，每个时隙包括发射机标识信号(TXID)、同步符号和53个OFDM符号。其中，同步符号是由两段相同的、且由PN序列填充的同步信号组成。在CMMB中，帧同步等价于时隙同步，通常用同步符号在时域完成。

由于CMMB系统的信道环境恶劣，且支持高速移动，其帧同步的要求较高。一般地，为对抗较大的载波频偏，实际中采用的算法多是基于自相关的算法。该算法将接收信号充延迟一定的时间间隔后与自己相关，然后作归一化。但这种方法获得的接收信号自相关曲线在峰值附近变化平缓，即存在所谓的平顶效应，这就使得该方法难以在高斯噪声较大的情况下准确的检测帧的起始位置。为解决上述平顶效应，现有技术中出现了一些改进算法，例如，将接收的数据进行分段相关、或是对接收的数据进行差分预处理等，这些改进算法都比较复杂，在对帧数据进行全搜索时，计算量也非常的大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种计算简单、可快速准确定位的帧同步方法。

本发明的帧同步方法，具体步骤如下：

设置滑动窗，所述滑动窗的长度等于同步符号的长度，所述同步符号的长度为N；

对滑动窗内的前N/2个点和后N/2个点进行互相关运算，得到相关值R，并获取其中的最大相关值R_max、以及所述最大相关值R_max对应的位置d_max；

确定所述最大相关值R_max对应的滑动窗，计算该滑动窗的后N/2个点的功率累加值P；

依据所述最大相关值R_max和所述功率累加值P计算信噪比SNR；

判断所述信噪比SNR是否小于预设阈值TH_SNR：若SNR≥TH_SHR，则判定所述最大相关值R_max对应的位置d_max为帧同步起始位置；若SNR＜TH_SNR，则以所述最大相关值R_max对应的位置d_max为中心，前后各确定L个点，形成新的搜索区间，并在该区间内进行帧同步起始位置搜索；其中，所述L为自然数，所述L的取值范围为L＝0，１，２…（N/2-1)。

进一步地，前N/2个点和后N/2个点进行互相关运算，获得所述相关值R的方法为：

$R\left(d\right)=\underset{k=0}{\overset{d+N/2-1}{\Σ}}{r}_k^{*}{r}_{k+D}=e^{j2{\mathrm{\π\Δf}}_{f}D}\underset{k=0}{\overset{d+N/2-1}{\Σ}}{\left|r_k\right|}^2$

其中，d＝0，1，２…N/2；

r_k为时域接收信号采样，为r_k的复数共轭值， $r_k=s_k{e}^{-j(2{\mathrm{\π\Δf}}_{f}k+\mathrm{\Δ}\mathrm{\φ})}+n_k,$ k＝0，1，2…N-1；

s_k为信号分量；n_k为加性高斯白噪声；Δf_f为频偏；Δφ为相位偏角；N为同步符号的长度；D＝N/2。

进一步地，得到所述功率累加值P的方法为：

$P\left(d\right)=\underset{k=d}{\overset{d+N/2-1}{\Σ}}{\left|r_{k+D}\right|}^2$

其中，d＝0，1，2…N/2；

r_k为时域接收信号采样，为r_k的复数共轭值， $r_k=s_k{e}^{-j(2{\mathrm{\π\Δf}}_{f}k+\mathrm{\Δ}\mathrm{\φ})}+n_k,$ k＝0，1，2…N－1；

s_k为信号分量；n_k为加性高斯白噪声；Δf_f为频偏；Δφ为相位偏角；N为同步符号的长度；D＝N/2。

进一步地，得到所述信噪比SNR的方法为：

其中，R为相关值，P为功率累加值。

进一步地，根据所述信噪比SNR确定所述L的取值，具体方法如下：

$L=(1-\frac{\lg (1+SNR)}{\lg (1+{\mathrm{TH}}_{SNR})})*\frac{N}{4}$

进一步地，所述L的取值范围为：

本发明的有益效果是：

1.本发明技术方案先通过SNR(信噪比)估算方法判断信号质量，再针对不同信噪比的信号采用不同方法来确定帧同步起始位置，在帧同步的准确度与计算量之间实现了很好的平衡。

2.在信号质量较好的情况下，本发明技术方案直接采用单一的滑动窗，仅对窗内的数据作前后的互相关运算，计算简单，定位快速。

3.在信号质量较差的情况下，本发明技术方案在确定最大相关值对应的位置后，再进一步确定一个较为精准的搜索范围，并在该范围内进行帧同步搜索，这就大大地降低了计算量。

附图说明

图1为本发明帧同步方法的流程示意图；

图2为本发明中CMMB标准的时隙数据结构的构成示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示，本发明的帧同步方法，具体步骤如下：

步骤1，设置滑动窗，滑动窗的长度与时隙的同步符号的长度N相同。如图2所示，时隙包括发射机标识信号(TXID)、同步符号(两段相同的的同步信号)、53个OFDM符号。

步骤2，对滑动窗内的前N/2个点和后N/2个点进行互相关运算，得到相关值R，并获取其中的最大相关值R_max、以及最大相关值R_max对应的位置d_max。

步骤3，确定最大相关值R_max对应的滑动窗，计算该滑动窗的后N/2个点的功率累加值P。

步骤4，依据最大相关值R_max和功率累加值P计算信噪比SNR。

步骤5，判断信噪比SNR是否小于预设阈值TH_SNR：若SNR≥TH_SNR，则判定最大相关值R_max对应的位置d_max为帧同步起始位置；若SNR＜TH_SNR，则以最大相关值R_max对应的位置d_max为中心，前后各确定L个点，形成新的搜索区间，并在该区间内进行帧同步起始位置搜索。其中，L为自然数，其取值范围为L＝0，1，2…(N/2-1)。

下面对帧同步方法的工作原理以及工作过程进行简单介绍。

若CMMB标准的时域接收信号采样为：

$r_k=s_k{e}^{-j(2{\mathrm{\π\Δf}}_{f}k+\mathrm{\Δ}\mathrm{\φ})}+n_k,$ k＝0，1，2……N-1；其中，

s_k为信号分量；n_k为加性高斯白噪声；Δf_f为频偏；Δφ为相位偏角；N为同步符号的长度。

因为在同步符号中，第二段同步信号和第一段同步信号完全相同，因此可视第二段同步信号为第一段同步信号在时域上延迟了D＝N/2个采样点后得到的数据。此时第一段同步信号、第二段同步信号的互相关值R计算如下：

$R\left(d\right)=\underset{k=0}{\overset{d+N/2-1}{\Σ}}{r}_k^{*}{r}_{k+D}=e^{j2{\mathrm{\π\Δf}}_{f}D}\underset{k=0}{\overset{d+N/2-1}{\Σ}}{\left|r_k\right|}^2$

其中，为r_k的复数共轭值，d的取值范围为d＝0，1，2……N/2。

若采用现有技术中的前后相关算法(即SCA算法)确定帧同步起始位置，则在每次获得最大相关值R_max以及R_max对应的位置d_max后，再计算获得一个与其相对应的功率累加值P_max，再根据R_max与P_max计算此时的功率归一化相关值M。其中，

$\begin{array}{cc}P\left(d_{\max }\right)=\underset{k=d_{\max }}{\overset{d_{\max }+N/2-1}{\Σ}}{\left|r_{k+D}\right|}^2& M=\frac{{\left|R\left(d_{\max }\right)\right|}^2}{{\left(R\right(d_{\max }\left)\right)}^2}\end{array}$

一般情况下，可认为r_k与r_k+D相互独立，相关值M很小，当d位于帧内同步符号的起始位置时，M基本上同相累加也将达到最大。因此，粗同步符号的起始位置估计为：

$d_{max}=\underset{d}{max}\left\{M\left(d\right)\right\}$

也就是说，现有技术的SCA算法中，滑动窗每移动一次，就需要计算多次互相关值(从中选取最大的相关值)、一次功率累加值、一次功率归一化相关值，计算过程复杂、计算量大、且该算法在信噪比较低的情况下，M(d)曲线将存在一个平缓的区域，这就会造成帧同步的偏差。

而若将第二段同步信号视为接收的数据信号，将第一段同步信号视为第二段同步信号的循环前缀，可以推导出：

因此，当上述的延时点数D取为N/2时，在d＝d_max处，恰有：

$M\left(d\right){|}_{d=d_{\max }}=\frac{\left|R\left(d\right)\right|}{\left|P\left(d\right)\right|}{|}_{d=d_{\max }}=\frac{\left|{\mathrm{\δ}}_s^2{e}^{-j2\mathrm{\π}e}\right|}{\left|{\mathrm{\δ}}_s^2+{\mathrm{\δ}}_n^2\right|}=\left|\frac{SNR}{SNR+1}\right|=\frac{SNR}{SNR+1}$

上式中，去除绝对值符号，是因为一般情况下SNR>0。

由于CMMB的同步信号采用PN序列填充，而PN序列具有强自相关特性，在信号情况较好的情况下，R(d)取最大值R_max时对应的d_max与M(d)取值最大时对应的d_max值十分接近，因此，可通过计算SNR值，先确定信号质量好坏，若信号质量好，则可用前者代替后者计算M(d)的方法来检测帧同步起始位置。因为在本发明技术方案提供的方法中，滑动窗每移动一次，就需要计算多次互相关值，在滑动窗移动完成后，从诸多互相关值中选取一个最大的相关值；确定最大相关值后，再计算该相关值对应的滑动窗内的后N/2个点的功率累加值P(仅计算一次)；最后再计算信噪比(仅计算一次)，与现有技术的算法相比，本发明就大大地减少了计算量。

采用本发明技术方案，计算后的信噪比不小于预设的阈值，则说明信号质量较好，根据上述的分析，最大相关值对应的位置d_max即为帧同步起始位置。若计算后的信噪比小于预设的阈值，则说明信号质量不佳，若只通过最大相关值对应的位置d_max来确定帧同步起始位置会存在一定的偏离，但是，可以确定的是帧同步起始位置与d_max点相差不会太远。因此，可以d_max为中心，向前向后各搜索L个点，确定一个新的搜索区间，在该区间内采用其它帧同步方法来搜索帧同步起始位置。

其中，可以按照以下两种方法确定L的取值：

1.根据计算出的信噪比SNR来确定L的取值，具体公式如下：

$L=(1-\frac{\lg (1+SNR)}{\lg (1+{\mathrm{TH}}_{SNR})})*\frac{N}{4}$

2.经过大量的数据仿真可获知，在低信噪比情况下，L的取值范围可为：

$\frac{N}{4}*0.6\≤L\≤\frac{N}{4}*\mathrm{0.9.}$

在选好L的取值，确定好新的搜索区间后，可以采用以下方法搜索帧同步起始位置，因为搜索区间范围较小，因此计算量也相对来说较少：

1.前后相关算法(SCA算法)：即上述提及的参考算法；

2.本地序列相关算法：即将接收到的时域同步信号与本地已知的同步信号序列作相关运算、累加，设置门限判断帧同步起始位置；

3.分段相关算法：即将接收到的时域同步信号与本地已知的同步信号序列作相关运算，求得累加值；将若干个累加值再进行循环共轭相关运算并作累加，当取到最大值时所对应的位置作为帧同步位置。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种帧同步方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

设置滑动窗，所述滑动窗的长度＝同步符号的长度＝N；

对滑动窗内的前N/2个点和后N/2个点进行互相关运算，得到相关值R，并获取其中的最大相关值R_max、以及所述最大相关值R_max对应的位置d_max；

确定所述最大相关值R_max对应的滑动窗，计算该滑动窗的后N/2个点的功率累加值P；

依据所述最大相关值R_max和所述功率累加值P计算信噪比SNR；

判断所述信噪比SNR是否小于预设阈值TH_SNR：若SNR≥TH_SNR，则判定所述最大相关值R_max对应的位置d_max为帧同步起始位置；若SNR＜TH_SNR，则以所述最大相关值R_max对应的位置d_max为中心，前后各确定L个点，形成新的搜索区间，并在该区间内进行帧同步起始位置搜索；其中，所述L为自然数，按照以下两种方法确定L的取值：

根据计算出的信噪比SNR来确定L的取值，具体公式如下：

$L=(1-\frac{lg(1+SNR)}{lg(1+{\mathrm{TH}}_{SNR})})*\frac{N}{4}$

L的取值范围可为： $\frac{N}{4}*0.6\≤L\≤\frac{N}{4}*\mathrm{0.9.}$

2.按照权利要求1所述的帧同步方法，其特征在于，

前N/2个点和后N/2个点进行互相关运算，获得所述相关值R的方法为：

其中，d＝0，1，2…N/2；

r_k为时域接收信号采样，为r_k的复数共轭值，

$r_k=s_k{e}^{-j(2{\mathrm{\π\Δf}}_{f}k+\mathrm{\Δ}\mathrm{\φ})}+n_k,k=0,1,2...N-1;$

s_k为信号分量；n_k为加性高斯白噪声；Δf_f为频偏；Δφ为相位偏角；N为同步符号的长度；D＝N/2。

3.按照权利要求1或2所述的帧同步方法，其特征在于，

得到所述功率累加值P的方法为：

其中，d＝0，1，2…N/2；

r_k为时域接收信号采样，为r_k的复数共轭值， $r_k=s_k{e}^{-j(2{\mathrm{\π\Δf}}_{f}k+\mathrm{\Δ}\mathrm{\φ})}+n_k,k=0,1,2...N-1;$

s_k为信号分量；n_k为加性高斯白噪声；Δf_f为频偏；Δφ为相位偏角；N为同步符号的长度；D＝N/2。

4.按照权利要求3所述的帧同步方法，其特征在于，

得到所述信噪比SNR的方法为：

其中，R为相关值，P为功率累加值。

5.按照权利要求1或2所述的帧同步方法，其特征在于，

得到所述信噪比SNR的方法为：

其中，R为相关值，P为功率累加值。