CN103986683B - 一种基于高载波数ofdm符号定时同步的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于高载波数的OFDM符号定时同步的方法，是在发送端将同步训练序列插入发送信号；在接收端采样，将采样值存为一个样值窗；求出样值窗中各采样点的能量并存储在寄存器中；在样值窗中从第1至个点内，以长度的移动窗每次移动D＝2ⁿ步长进行度量函数的计算，找到准最小值位置完成粗同步过程；在准最小值附近进行细同步过程，在粗同步位置前后TD‑1个点中以长度的移动窗每次移动1位长度进行细同步度量函数的计算，找到最小值位置完成细同步过程；利用细同步估计值进行符号的定时同步纠正。本发明最大限度地降低系统的计算复杂度和抗干扰性能，在实际的NG‑DSL系统的输入信噪比等级下能进行准确的定时判断，达到高速传输的目的。

Description

一种基于高载波数OFDM符号定时同步的方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，更具体地，涉及一种在双绞线信道媒介之中，能够有效地进行高载波数OFDM符号定时同步方法。

背景技术

随着互联网技术的迅猛发展，像高清网络电视、大型网络游戏和在线视频会议等应用正在慢慢普及，但是我国现阶段的网络速度还远远不够，我们需要更加高速的接入技术来满足人们对于未来带宽的需求。下一代数字用户线技术(NG-DSL，Next GenerationDigital Subscriber Line)技术将是未来重要的高速有线接入技术，这种接入技术的带宽将超过100M，传输速率将超过1Gbps，能够很好地和光纤网相结合，大幅度地提升网络速度。

在物理层上，NG-DSL技术采用的是高水平的正交频分复用(OFDM，OrthogonalFrequency Division Multiplexing)技术。OFDM技术是一种频带利用率极高的多载波调制技术，在有线和无线接入网中有着广泛的应用。不同于传统的数字用户线技术(DSL，Digital Subscriber Line)技术，NG-DSL技术使用的OFDM调制方式具有高载波数与高正交振幅调制(QAM，Quadrature Amplitude Modulation)两大特点，因为这两大特点使得NG-DSL技术有着很高的带宽和传输速率，但也正是因为这两大特点使得NG-DSL技术对于信号同步的要求比以往任何一种接入技术都高。因此，同步技术在NG-DSL技术中显得尤为重要。

OFDM的符号同步的任务就是要准确地判断一个符号的开始与结束，符号定时的准确与否关系到能否将信号完全无误地解调出来。

发明内容

本发明针对现有符号定时同步方法存在的高复杂度与抗干扰能力弱的不足，提出一种基于高载波数OFDM符号定时同步的方法，是一种新的适用于高载波数的OFDM信号并且适用于实际NG-DSL传输工程应用的符号定时同步方法，最大限度地降低系统的计算复杂度和抗干扰性能，并且在实际的NG-DSL系统的输入信噪比等级下能进行准确的定时判断，达到高速传输的目的。

为了实现上述功能，本发明的技术方案为：

本发明提出了一种新的同步训练序列结构与一种新的度量函数设计。采用了变步长搜索的方法进行定时点的搜索。适用于实际NG-DSL系统，本技术方案主要包括以下处理步骤：

a)在发送端将同步训练序列插入发送信号中；

b)在接收端从定时位开始进行采样，令N为一个OFDM符号的载波数，L为循环前缀长度，取长度的采样值作为一个样值窗，这样就必然包含一个完整的训练序列；

c)计算样值窗中每个采样点的能量，将结果存储在寄存器中；

d)在样值窗中从第1个点开始到第个点结束，在长度的移动窗内以变步长搜索方式进行粗同步度量函数的计算，找到准最小值位置完成粗同步过程；

e)在准最小值附近进行细同步过程，在粗同步位置前后TD-1个点，其中T为正整数，以长度的移动窗每次移动1位长度进行细同步度量函数的计算，找到最小值位置完成细同步过程；

f)利用得出的细同步估计值进行符号的定时同步纠正，输出符号。

为了得到正确的信号，本发明利用所估计出来的定时位置，来对符号进行定时纠正，在接收端得到受到定时偏差干扰的信号，经过定时同步估计过程得到的估计值进行相位纠正，就能够使得输出变成可以进行无误解调的信号，这样才可以正确解调出来。

同步训练序列是插在OFDM帧头的一串人为添加的有规律的用于定时同步的序列，同步训练序列是在信号发送端进行添加，在传输OFDM数据符号时首先先在发送端发出一段训练序列，然后接着在发送OFDM的数据信息。

步骤a)中，为了使得本发明能够有一定的抵御双绞线信道冲激响应拖尾干扰的能力，更加适用于双绞线信道，所述同步训练序列是设定了具有冗余信息的同步训练序列，这种训练序列两端分别是长度为四分之一训练序列长度的冗余信息，中间是长度为四分之一训练序列长度具有相同数据的信息。

步骤b)与c)中，为了减少本发明所需要的样值点数和减少算法复杂度以达 到快速同步的目的，在接收机端取一个长度为的样值窗，采用共轭运算求出样值窗中每个样值点的能量并将其存储在寄存器中。

步骤d)中，为了最大限度地降低算法的复杂度，所以采用了变步长搜索。具体是采取长度为的移动窗进行步长为D＝2ⁿ的度量函数计算，n为正整数，所采取的度量函数Λ(d)为：

其中每次计算都是从窗中第1个值到第N/4个值的位置，m的取值就代表这个范围，r(x)代表接收的信号，r^*(x)代表共轭，r(x)r^*(x)代表这个采样点的能量，

求出使得度量函数Λ(d)最小的d值，作为准最小值，完成粗定时同步过程。

步骤e)中，为了精确地完成符号同步，在得到了准最小值的基础之上，在准最小值前后TD-1(T为正整数)个点进行细同步计算，降低系统误差。细同步的过程将采用以长度的移动窗每次移动1位长度进行细同步度量函数的计算，T的取值与系统信噪比有关，信噪比与T呈反比，即当信噪比较低时需要较大的T值，即更大范围的细同步以避免出现定时错误。通过上述步骤就完成了细定时过程，并且通过粗定时过程与细定时过程相结合的计算方式，可以使得定时精度与复杂度达到一个最优值。

步骤f)中，为了最终估计出定时的准确值，需要利用公式(2)进行定时偏差的最终计算，其中d为粗定时阶段估计值，k为细定时阶段估计值。最终定时偏差为：

在接收端将根据实际情况采取对输入信号采取旋转角度纠正或者是调整接收机定时起点的方式进行纠正。

所述的方法，描述了整个方案的处理过程，将高载波数的OFDM信号符号定时同步过程分为了粗同步与细同步两个过程。并且对数据处理过程进行了优化处理，使得本发明拥有较低的复杂度、较强的抗干扰能力并且在实际的NG-DSL系统的输入信噪比等级下能进行准确的定时判断。

与现有技术相比，本发明的优点：通过提前计算定时窗中的能量结合新的度量函数，可以初步降低计算复杂度；通过粗定时的变步长搜索使其有着非常低的复杂度；通过特殊的具有冗余特点的训练序列使其有一定的抵御双绞线冲激响应拖尾能力，适用于双绞线信道；本发明的符号定时同步方法在输入信噪比较高的环境下可以有着非常高的定时精度。上述特点使得本发明能够很好地满足NG-DSL系统的要求。

附图说明

图1是本发明的工作流程图。

图2是训练序列的结构图。

图3是本发明定时位置说明图。

图4是利用新算法进行纠正前后的输出星座图。

图5是本发明方法在步长为1情况下的度量函数输出曲线示意图。

图6是本发明方法在步长为64情况下的度量函数输出曲线示意图。

图7是不同方法的复杂度比较图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述，但本发明的实施方式并不限于此。

本发明的思想为：利用特殊的训练序列前后相关性结合变步长搜索的方式对符号定时位置进行估计，最大限度地降低算法复杂度并且满足精度要求，整体的流程图如图1。

本发明的实现过程

首先，在发送端构造如图2结构的训练序列，将连续3个训练序列作为帧头插入到发送数据之中进行发送。

然后，在接收端进行接收采样，从定时位开始进行采样，一共取长度的采样值成为一个样值窗，这样就必然包含一个完整的训练序列。并且在接收端采样的过程之中进行采样点的能量计算操作，将样值窗内所有的点能量保 存在寄存器之中。

接着，进行粗定时过程，在样值窗中，然后从第1个点开始到第个点结束，以长度的移动窗每次移动D＝2ⁿ长度进行度量函数的计算，度量函数如公式(1)所示，计算之后就可以找到本次计算的最小值位置，由于采用变步长搜索，本次计算的最小值并不一定是真实的最小值(定时位置)，称本次计算的结果为准最小值，找到准最小值位置时就完成了粗同步过程。

然后，进行细同步过程，在准最小值附近进行最小值的搜索过程，找到真实的定时位置。算法在准最小值点的前后各K个点开始进行细同步，K的定义如下：

K＝TD-1，其中T＝1or2or…(2)

系统信噪比不同会使得T的取值也不同，信噪比较高的时候T的取值可以偏小，信噪比较低的时候T的取值要偏大，这样就可以最大限度地避免由于变步长粗同步而错过真正的定时点。在细定时同步的过程中，我们将搜索步长调整为1，进行Λ(k)的最小值搜索，此时只需要进行K个点范围内的细定时同步，假设在细同步阶段的第k个点找到最小值，可以推出符号的定时偏差为：

结合图3，本发明定时位置说明图对公式(3)进行说明，当时，说明符号定时起点在第1个符号的有效训练序列之前，即图3的定时起点1，此时将得到的d值用公式(3)的第1个公式计算。当时，说明符号定时起点在第一个符号的有效训练序列之后，即图3的定时起点2，需要利用下一个符号的训练序列进行定时，此时将得到的d值用公式(3)的第2个公式计算。图3所示的两种定时范围体现了接收机在一个OFDM符号中所有可能的定时情况。

其中是接收端序列，R(k)是原始的序列，N为载波总数，k为子载波序号，Δn是定时位置(利用这个公式就可以将有偏信号进行纠正)。

经过本发明的粗同步与细同步过程之后便完成了定时起点的估计，在接收端数据处理中便可以利用公式(4)或者调整接收机定时起点进行符号的纠正过程，符号的纠正效果如图4所示。

本发明的性能分析

本发明所采用的模型是拥有8192个子载波的OFDM符号的NG-DSL系统中，进行本发明的性能分析与仿真比较。并且与两种传统的方法进行了比较，方法一是文献“Blindsymbol synchronization for OFDM systems using cyclic prefix in time-variantand long-echo fading channels”中提出的非数据辅助型方法，方法二是文献“A noveltiming estimation method for OFDM systems”中提出的数据辅助型方法。

图5与图6是本发明方法在步长为1与步长为64情况下的度量函数输出曲线，可以很明显地发现由于采用变步长搜索，使得度量函数输出曲线的长度变短，从而降低了本发明方法的定时复杂度。但是从这两幅图中也可以看出，定时曲线最小值非常明显，显示了在NG-DSL输入信噪比环境下，本发明方法可以进行准确的定时。

接下来，将从本发明方法的复杂度、精度、估计速度与抗干扰性四个方面与传统方法进行比较。在下文的比较中将方法一称为CP算法，方法二称为Park算法。

第一，进行算法的复杂度分析。在传统的CP算法中，需要在长度为(2N+L)个样值中以长度为L的计算窗长进行乘法与加减法运算，逐步找寻最大值点。每次平移都需要经过3L次乘法与2L次加减法，并且总共进行(2N-L)次平移，因此完成一次CP算法定时大致需要进行3L(2N-L)次乘法与2L(2N-L)次加减法。Park算法也需要在长度为(2N+L)个样值中以长度为的计算窗长进行计算，可以得出这种算法大致的复杂度为(N+L)N次乘法、(N+L)N次加法与 (N+L)次除法。在本发明方法中，只需要在长度为个样值中以窗长度进行平移计算，大致的计算复杂度为次乘法与次加法。并且由于采用的变步长搜索方法，使得新算法大大减少了加法的次数。因此，与上面几种算法相比较本发明提出的新方法复杂度非常低，适合具有高子载波数的系统。所以，通过对复杂度的分析可知Park算法最高，CP算法次之，本发明的方法复杂度最低，几种算法的计算复杂度与载波数的关系如图7。

第二，进行定时速度分析。定时速度将以定时所需符号数作为参考标准。CP算法需要(2N+L)个样值长度才能完整包括1个OFDM符号。Park算法也需要(2N+L)个样值长度才可以完整包括定时所需的训练序列。在本发明方法中，需要个样值长度即可完整包括新算法的训练序列。根据分析可知要满足上述要求，都需要最多3个OFDM符号才可以确保包含所需信息。所以在定时速度方面，上述方法都需要最多3个OFDM符号时间，但是本实施例的方法所需的样值点数要比其他两种算法少。

第三，进行定时精度分析。定时算法的准确与否和信噪比有很大的关系，NG-DSL系统有着非常高的输入信噪比(>50dB)，在这种信噪比环境下，本发明可以准确定时。但是当信噪比较低时，Park算法的定时效果最好，本发明次之，CP算法的定时效果最差。并且本发明方法的定时准确度与搜索步长有关，步长越长复杂度越低，但精度就会越低，所以设定步长时要与系统信噪比与载波数共同考虑而决定。

第四，进行抗干扰性分析。由于NG-DSL的信道是双绞线信道，存在着一定的信道拖尾响应。在CP算法中，需要利用循环前缀与数据段的强相关性，而双绞线的拖尾响应对循环前缀有着较大的影响，这就使得CP算法或者其他利用循环前缀的定时算法有的抗干扰性较弱，这个缺陷使得基于循环前缀的相关方法不适合双绞线信道。在Park算法中，利用的是数据段的相关性计算，不利用循环前缀的相关性，因此OFDM的循环前缀就可以发挥较好的抵御ISI的能力，不用担心循环前缀被破坏而对算法精度造成影响，但是当拖尾响应影响到数据段时，Park算法就不能够进行准确的定时，基于此分析可以认为类似于Park算法的数据辅助型算法有着一定的抗干扰能力。本发明提出的新方法由于 不依赖于循环前缀，使本方法具有传统数据辅助型算法的抗干扰优点，并且由于采用了具有一定冗余结构的训练序列，这就扩大了对于信道拖尾干扰的抵御范围，即便数据段的一些数据被信道拖尾响应破坏，只要在中间的训练序列没有被破坏，本法就可以进行准确地定时。

综上所述，本发明的优点是：通过提前计算定时窗中的能量结合新的度量函数，可以初步降低计算复杂度；通过粗定时的变步长搜索使其有着非常低的复杂度；通过特殊的具有冗余特点的训练序列使其有一定的抵御双绞线冲激响应拖尾能力，适用于双绞线信道；本发明的符号定时同步在输入信噪比较高的环境下可以有着非常高的定时精度。上述特点使得本发明能够很好地满足NG-DSL系统的要求。

以上所述的本发明的实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神原则之内所作出的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于高载波数 OFDM符号定时同步的方法，其特征在于，包括以下步骤：

a)在发送端将同步训练序列插入发送信号中，即将连续3个训练序列作为帧头插入到发送数据之中进行发送；

b)在接收端从定时位开始进行采样，令为一个OFDM符号的载波数，为循环前缀长度，取长度的采样值作为一个样值窗，这样就必然包含一个完整的训练序列；

c)计算样值窗中每个采样点的能量，将结果存储在寄存器中；

d)在样值窗中从第1个点开始到第个点结束，在长度的移动窗内以变步长搜索方式进行粗同步度量函数的计算，找到准最小值位置完成粗同步过程；具体是：

所述步骤d)中，采取长度为的移动窗进行步长为的度量函数计算，为正整数，所采取的度量函数为：

（1）

其中每次计算都是从窗中第1个值到第个值的位置，的取值就代表这个范围，代表接收的信号，代表共轭，代表这个采样点的能量，求出使得度量函数

最小的值，作为准最小值，完成粗定时同步过程；

e)在准最小值附近进行细同步过程，在粗同步位置前后个点，其中T为正整数，以N长度的移动窗每次移动1位长度进行细同步度量函数的计算，找到最小值位置完成细同步过程；

其具体过程为：进行细同步过程，在准最小值附近进行最小值的搜索过程，找到真实的定时位置，在准最小值点的前后各K个点开始进行细同步，K的定义如下：

其中，（2）

系统信噪比不同会使得的取值也不同，信噪比较高的时候T的取值偏小，信噪比较低的时候T的取值要偏大，这样就能最大限度地避免由于变步长粗同步而错过真正的定时点；在细定时同步的过程中，将搜索步长调整1，进行的最小值搜索，此时只需要进行K个点范围内的细定时同步，假设在细同步阶段的第k个点找到最小值，推出符号的定时偏差为：

（3）

其中为粗定时阶段估计值，为细定时阶段估计值；

f)利用得出的细同步估计值进行符号的定时同步纠正，输出符号：

（4）

其中是接收端序列，是原始的序列，为载波总数，为子载波序号，是定时位置；

经过粗同步与细同步过程之后便完成了定时起点的估计，在接收端数据处理中便能利用公式（4）或者调整接收机定时起点进行符号的纠正过程。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述同步训练序列在信号发送端进行添加，在传输OFDM数据符号时先在发送端发出一段同步训练序列，接着在发送OFDM的数据信息。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤a)中，所述同步训练序列是具有冗余信息的同步训练序列，该同步训练序列两端分别是长度为四分之一训练序列长度的冗余信息，中间是长度为四分之一训练序列长度具有相同数据的信息。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤c)中，在接收机端取一个长度为的样值窗，采用共轭运算求出样值窗中每个样值点的能量并将其存储在寄存器中。

5.根据权利要求1所述的方法，所述步骤e)中，的取值与系统信噪比有关，信噪比与呈反比。