CN104735014A - 一种基于前导符号差分相关的定时同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于前导符号差分相关的定时同步方法，该方法应用于OFDM系统中，处理步骤包括：1、在滑动窗内将OFDM接收机的时域接收信号与时域前导符号进行共轭相乘；2、对滑动共轭相乘结果进行差分处理；3、差分相关数据求和计算定时度量；4、对定时度量进行归一化；5、搜索归一化度量值的最大值并确定前导符号的起始位置。本发明的定时同步方法的实现简单，且不要需要采用特殊的前导结构，应用范围更广；同等信道条件下性能优于传统符号定时同步算法；在接收机中采用差分相关的结构得到定时度量，其性能不受载波频率偏差的影响。

Description

一种基于前导符号差分相关的定时同步方法

技术领域

本发明涉及数字无线通信传输技术领域，特别涉及在多径衰落信道下应用于OFDM系统的一种基于前导符号差分相关的定时同步方法。

背景技术

正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)是一种多载波调制技术。OFDM能够提供大容量的信息传输，并解决了移动终端传输高速数据时无线信道性能变差的问题，具有频谱利用率高，抗多径衰落等优点。OFDM适用于宽带卫星通信信道下的高速传输，例如欧洲卫星标准DVB-SH设计了采用OFDM或TDM技术的混合地面与卫星的通信标准。随着卫星通信体制的发展，卫星通信体制与地面移动通信体制的空中接口问题成为下一步卫星通信体制研究的关键内容。目前，地面移动通信体制LTE的上行链路采用单载波频分多址复用(SC-FDMA)，下行链路采用正交频分多址复用(OFDMA)体制，将OFDM、信道编码和HARQ技术相结合来克服发生在子信道上的深度衰落。

OFDM的基本原理如下:设输入的高速串行数据流信息速率是R_b，符号间隔是T_b＝1/R_b。经过串并变换(S/P)后，得到N路并行的子数据流，每个子载波上的信息速率降低为输入数据信息速率的1/N，符号间隔扩展为原来的N倍，子数据流信息速率为R_b/N，符号间隔是T_s＝NT_b。将N路并行的子数据流在N个并行的正交子载波上分别进行调制，经过并串变换(P/S)后得到OFDM符号。假设无线信道的最大多径时延为τ_max，由于OFDM系统的数据符号持续时间远大于τ_max，可以有效克服多径效应带来的频率选择性衰落的影响。在此基础上，通过在每个OFDM符号前端加入循环前缀(CP)，且CP长度大于τ_max，就可以避免多径信道产生的符号间干扰(ISI)和载波间干扰(ICI)。OFDM的调制解调可以通过快速傅里叶变换及其逆变换(FFT/IFFT)实现。

发送端基带OFDM符号第n个样值表示为

$x\left(n\right)=\frac{1}{\sqrt{N}}\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}X\left(k\right)e^{j2\mathrm{\πkn}/N},n=0,...,N-1---\left(1\right)$

其中，X(k)为第k个子载波的频域信号，N是IFFT的点数。

接收端基带OFDM符号第n个样值表示为

$\begin{array}{c}r\left(n\right)=y(n-\mathrm{\ϵ})e^{j(2\mathrm{\πvn}/N)}+w\left(n\right)\\ =\underset{m=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}h\left(m\right)x(n-\mathrm{\ϵ}-m)e^{j(2\mathrm{\πvn}/N)}+w\left(n\right)\end{array}---\left(2\right)$

其中，ε为未知的符号定时偏差，v为归一化的载波频率偏差，w(n)是方差为零均值复高斯噪声，h(m)为信道冲激响应，L为信道记忆长度。

OFDM接收机中在FFT变换之前需要通过定时同步选择恰当的FFT窗起始位置。目前已有的OFDM符号定时同步算法主要可以分为三类。第一类是基于前导符号的时域周期性结构，例如Schmidl&Cox算法，Ren算法等。第二类是基于循环前缀和OFDM符号中与之对应相同的部分的相关性。由于多径效应对循环前缀的影响，使得基于循环前缀的同步算法性能在多径衰落信道下恶化甚至失效。第三类是盲同步技术，不需要已知前导信息，但处理延迟和计算复杂度较高，不适用于高延迟传输环境。

目前，采用OFDM体制的通信标准，如IEEE802.11、LTE等，多采用第一类符号定时同步算法，即利用前导符号的时域周期性结构进行符号定时同步。Schmidl&Cox提出的OFDM符号定时同步算法称为S&C算法。该算法采用时域前后两段相同的前导符号进行符号定时同步，每段长度为N/2，N为一个OFDM符号长度。接收端对长度为N窗口内的接收信号r(d+n)前后两段进行共轭相关，归一化后得到定时度量M(d)。接收端定时估计器选取定时度量M(d)的最大点作为接收端进行FFT的起始位置。S&C算法定时度量为：

$M\left(d\right)=\frac{{|\underset{n=0}{\overset{N/2-1}{\mathrm{\Σ}}}{r}^{*}(d+n)\·r(d+n+N/2)|}^2}{{\left(\underset{n=0}{\overset{N/2-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left|r(d+n+N/2)\right|}^2\right)}^2}---\left(3\right)$

其中，d为长度为N的数据段中第1个采样数据的位置。

针对上述经典算法的改善技术通常从以下两方面进行。

(1)接收端定时估计器采用更为复杂的算法，锐化定时度量曲线，消除S&C算法的平台效应，提高定时准确性。

(2)设计结构特殊结构的前导符号，减小接收端共轭相关过程中循环前缀带来的影响，使定时度量曲线仅在准确定时点出现峰值。

采用CAZAC(恒幅零相关)序列的“Ren算法”对前后两段相同的前导符号进行加权。该序列为s_n，前导符号为x_n'＝s_nx_n。只有在准确定时点，前导符号的加权值才会使前后两段前导数据完全相关，由此得到定时度量的峰值。定时度量为

$M\left(d\right)=\frac{{|\underset{n=0}{\overset{N/2-1}{\mathrm{\Σ}}}{s}_n{s}_{n+N/2}{r}^{*}(d+n)\·r(d+n+N/2)|}^2}{{\left(\frac{1}{2}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left|r(d+n)\right|}^2\right)}^2}---\left(4\right)$

该算法的前导符号采用伪随机序列加权，增大了定时度量相邻值之间的差异，得到的定时度量仅在准确定时点出现峰值，符号定时同步算法性能得到了较大提高。S&C算法和Ren算法都需要采用前后两段相同的前导符号进行符号定时同步。这些算法都需要采用特殊的前导结构，只能应用于特定的采用OFDM体制的通信标准。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于前导符号差分相关的定时同步方法，该方法应用于OFDM系统中，不需要特殊的前导结构，在接收机中通过对前导符号进行差分相关即可得到定时度量，从而获得更好的符号定时同步特性。

本发明的上述目的通过以下方案实现：

一种基于前导符号差分相关的定时同步方法包括如下步骤：

(1)、在长度为N的滑动窗内，将OFDM接收机的时域接收信号r(n)与时域前导符号x(n)共轭相乘得到乘积函数p(n,d)，具体计算公式如下：

p(n,d)＝r(n+d)x^*(n)，n＝0,1,…,N-1，d＝0,1,…,M_s×N；

其中，d为滑动窗的当前滑动位置；N为一个OFDM符号的采样数；M_s为每帧内存在的OFDM符号个数；

(2)、对步骤(1)计算得到的乘积函数p(n,d)进行差分相关得到相关函数R(n,d)：

R(n,d)＝p(n,d)·p^*(n-1,d)，n＝1,…,N-1，d＝0,1,…,M_s×N；

(3)、将步骤(2)计算得到的差分相关数据进行时域求和得到定时度量Ψ(d)：

$\mathrm{\Ψ}\left(d\right)=\underset{n=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}R(n,d),d=\mathrm{0,1},...,M_s\×N;$

(4)、采用滑动窗长内的接收信号的能量对步骤(3)计算得到的定时度量进行归一化，得到归一化后的定时度量M(d)：

$M\left(d\right)=\frac{{\left|\mathrm{\Ψ}\left(d\right)\right|}^2}{{\left(\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left|r(n+d)\right|}^2\right)}^2},d=\mathrm{0,1},...,M_s\×N;$

(5)、对归一化后的定时度量M(d)求取最大值，所述最大值对应的滑动窗当前滑动位置d就是前导符号的起始位置估计值即如果在d＝d₀时，M(d)取得最大值，则其中d₀＝0,1,…,M_s×N。

上述的基于前导符号差分相关的定时同步方法，在步骤(1)中，时域前导符号x(n)根据发送端采用MPSK或MQAM调制得到的频域前导符号X(k)经过N点IFFT变换得到，其中，k＝0,…,N_u-1，N_u为有效子载波数，即频域前导符号X(k)的长度且N_u≤N。

上述的基于前导符号差分相关的定时同步方法，在步骤(5)中，在d＝d₀时，M(d)取得最大值M_max，且M_max≥λ，其中，λ为设定的阈值且0≤λ≤1。

上述的基于前导符号差分相关的定时同步方法，在步骤(1)中，OFDM接收机的时域接收信号r(n)为经过多径衰落信道的信号，即：

$r\left(n\right)=\underset{m=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}h\left(m\right)x(n-\mathrm{\ϵ}-m)e^{j(2\mathrm{\πvn}/N)}+w\left(n\right),$

其中，h(m)为多径衰落信道的冲激响应函数，m＝0,1,…,L-1，L为所述多径衰落信道的记忆长度，w(n)为多径衰落信道的热噪声，ε为多径衰落信道引入的符号定时偏差，v为归一化的载波频率偏差。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

(1)、本发明的定时同步方法，利用1个OFDM前导符号计算得到前导符号的起始位置估计值实现定时同步，相对于现有技术中采用2个相同的OFDM前导符号或具有2个相同数据段的1个OFDM前导符号，本发明不要需要采用特殊的前导结构，实现结构简单，应用范围更广；

(2)、本发明的定时同步方法，在接收机FFT变换之前对时域接收信号r(n)进行处理，并采用的差分相关的结构，其性能不受载波频率偏差的影响；

(3)、本发明的定时同步方法，在同等信道条件下，定时度量的峰值比现有技术中传统算法得到的定时度量的峰值更高且噪声分量更低，经仿真验证，在低信噪比条件下，本发明得到的前导符号的起始位置估计值的均方误差(MSE)性能比传统算法提高5dB。

附图说明

图1为采用本发明的基于前导符号差分相关的定时同步方法的OFDM接收机系统的处理框图；

图2为本发明的实施例中仿真分析采用的OFDM调制的基本时频图样；

图3为现有技术中传统符号定时同步算法计算得到的定时度量结果；

图4为本发明基于前导符号差分相关定时同步方法计算得到的定时度量结果；

图5为本发明基于前导符号差分相关定时同步方法和现有技术中的传统算法的MSE性能比较结果。

具体实施方式

下面结合附图和具体实例对本发明作进一步详细的描述：

如图1所示的为采用本发明定时同步方法的OFDM接收机系统的处理框图，本发明的基于前导符号差分相关的定时同步方法包括如下步骤：

(1)、采用滑动窗结构连续滑动选取OFDM时域接收信号中的N点数据，与N点的时域前导符号进行共轭相乘，即在长度为N的滑动窗内，将OFDM接收机的时域接收信号r(n)与时域前导符号x(n)进行共轭相乘得到乘积函数p(n,d)，具体计算公式如下：

p(n,d)＝r(n+d)x^*(n)，n＝0,1,…,N-1，d＝0,1,…,M_s×N；

其中，d为滑动窗的当前滑动位置；N为一个OFDM符号的采样数；M_s为每帧内存在的OFDM符号个数。

时域前导符号x(n)根据发送端采用MPSK或MQAM调制得到的前导符号X(k)经过N点IFFT变换得到，即n＝0,…,N-1。其中，k＝0,…，N_u-1，N_u为有效子载波数，即频域前导符号X(k)的长度且N_u≤N。

OFDM接收机的时域接收信号r(n)为经过多径衰落信道的信号，即：

$r\left(n\right)=\underset{m=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}h\left(m\right)x(n-\mathrm{\ϵ}-m)e^{j(2\mathrm{\πvn}/N)}+w\left(n\right);$

其中，h(m)为多径衰落信道的冲激响应函数，m＝0,1,…,L-1，L为所述多径衰落信道的记忆长度，w(n)为多径衰落信道的热噪声，ε为多径衰落信道引入的符号定时偏差，即为本定时同步方法的待求量，v为归一化的载波频率偏差。

(2)、对步骤(1)计算得到的乘积函数p(n,d)进行差分相关得到相关函数R(n,d)：

R(n,d)＝p(n,d)·p^*(n-1,d)，n＝1,…,N-1，d＝0,1,…,M_s×N；

(3)、将步骤计算得到的差分相关数据进行时域求和得到定时度量Ψ(d)：

$\mathrm{\Ψ}\left(d\right)=\underset{n=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}R(n,d),d=\mathrm{0,1},...,M_s\×N;$

(4)、采用滑动窗长内的接收信号的能量对步骤(3)计算得到的定时度量进行归一化，得到归一化后的定时度量M(d)：

$M\left(d\right)=\frac{{\left|\mathrm{\Ψ}\left(d\right)\right|}^2}{{\left(\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left|r(n+d)\right|}^2\right)}^2},d=\mathrm{0,1},...,M_s\×N;$

(5)、对归一化后的定时度量M(d)求取最大值，所述最大值对应的滑动窗当前滑动位置d就是前导符号的起始位置估计值即如果在d＝d₀时，M(d)取得最大值，则其中d₀＝0,1,…,或M_s×N。

在d＝d₀时M(d)取得最大值M_max，且M_max≥λ，其中，λ为设定的阈值且0≤λ≤1。因此在实际工程应用中，可以根据信号能量和定时同步的检测性能确定合适的阈值，作为是否达到定时同步的判决条件。即满足M(d)≥λ时，则判断滑动窗当前位置为定时同步算法的估计值。

实施例：

在该实施例中，通过如下的仿真对本发明的定时同步方法的性能进行分析。其中，OFDM调制的前导符号的时频图样如图2所示，每帧包括7个OFDM符号，并将前导符号作为每帧的第1个OFDM符号。OFDM系统子载波数为256，即设定N＝256，在数据处理中采用256点的IFFT/FFT。

在无噪无失真条件下，采用现有技术中的REN算法和本发明的基于前导符号差分相关的定时同步方法，计算得到的定时度量分别如图3和图4所示。其中，在图3中可以看出，REN算法计算得到的定时度量在准确定时点(n＝0)处出现峰值为1.0，而且在准确定时点附近也出现了多个约为0.1的值。而在图4所示的本发明方法的计算结果中，在准确定时点出现峰值为1.27，其他位置的定时度量幅度均低于0.02。因此由图3和图4的仿真结果对比可以看出，本发明所提出的基于前导符号差分相关的定时同步方法得到的定时同步度量峰值比传统算法更高且噪声分量比传统算法更低。

在多径瑞利衰落信道下，对OFDM系统的10000帧接收数据进行仿真分析，其中，设置信号带宽为3MHz，载波间隔为15kHz，多径时延分量分别为[0μs 0.667μs 1.333μs 2μs 2.667μs 3.333μs]，每径的幅度衰落为[-1.4476dB-4.3429dB-7.2382dB-10.1335dB-13.0288dB-15.9241dB]，即服从指数分布A_i＝e^-(i/3)，其中_i表示多径序号。在同等信道条件下，分别统计本发明方法与Ren算法得到的定时偏移估计的均方误差MSE，统计结果如图5所示。在信噪比较低的条件下，本发明的基于前导符号差分相关方法的MSE性能比Ren算法的MSE性能提高约5dB。在高信噪比下，本发明方法的MSE性能与Ren算法的MSE性能近似，都在10^-1级别，即定时偏差小于1个样值。

以上所述，仅为本发明一个具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (4)

1.一种基于前导符号差分相关的定时同步方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)、在长度为N的滑动窗内，将OFDM接收机的时域接收信号r(n)与时域前导符号x(n)共轭相乘得到乘积函数p(n,d)，具体计算公式如下：

p(n,d)＝r(n+d)x^*(n)，n＝0,1,…,N-1，d＝0,1,…,M_s×N；

其中，d为滑动窗的当前滑动位置；N为一个OFDM符号的采样数；M_s为每帧内存在的OFDM符号个数；

(2)、对步骤(1)计算得到的乘积函数p(n,d)进行差分相关得到相关函数R(n,d)：

R(n,d)＝p(n,d)·p^*(n-1,d)，n＝1,…,N-1，d＝0,1,…,M_s×N；

(3)、将步骤(2)计算得到的差分相关数据进行时域求和得到定时度量Ψ(d)：

$\mathrm{\ψ}\left(d\right)=\underset{n=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}R(n,d),$ d＝0,1,…,M_s×N；

(4)、采用滑动窗长内的接收信号的能量对步骤(3)计算得到的定时度量进行归一化，得到归一化后的定时度量M(d)：

$M\left(d\right)=\frac{{\left|\mathrm{\ψ}\left(d\right)\right|}^2}{{\left(\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left|r(n+d)\right|}^2\right)}^2},$ d＝0,1,…,M_s×N；

(5)、对归一化后的定时度量M(d)求取最大值，所述最大值对应的滑动窗当前滑动位置d就是前导符号的起始位置估计值即如果在d＝d₀时，M(d)取得最大值，则其中d₀＝0,1,…,M_s×N。

2.根据权利要求1所述的一种基于前导符号差分相关的定时同步方法，其特征在于：在步骤(1)中，时域前导符号x(n)根据发送端采用MPSK或MQAM调制得到的频域前导符号X(k)经过N点IFFT变换得到，其中，k＝0,…,N_u-1；N_u为有效子载波数，即频域前导符号X(k)的长度，且N_u≤N。

3.根据权利要求1所述的一种基于前导符号差分相关的定时同步方法，其特征在于：在步骤(5)中，在d＝d₀时，M(d)取得最大值M_max，且M_max≥λ，其中，λ为设定的阈值且0≤λ≤1。

4.根据权利要求1所述的一种基于前导符号差分相关的定时同步方法，其特征在于：在步骤(1)中，OFDM接收机的时域接收信号r(n)为经过多径衰落信道的信号，即：

$r\left(n\right)=\underset{m=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}h\left(m\right)x(n-\mathrm{\ϵ}-m)e^{j(2\mathrm{\πvn}/N)}+w\left(n\right),$

其中，h(m)为多径衰落信道的冲激响应函数，m＝0,1,…,L-1，L为所述多径衰落信道的记忆长度，w(n)为多径衰落信道的热噪声，ε为多径衰落信道引入的符号定时偏差，v为归一化的载波频率偏差。