CN106789825B

CN106789825B - 一种基于滑动窗峰值检测的ofdm系统同步方法

Info

Publication number: CN106789825B
Application number: CN201710107105.0A
Authority: CN
Inventors: 辜方林; 魏急波; 王杉; 赵海涛; 黄圣春; 熊俊
Original assignee: National University of Defense Technology
Current assignee: National University of Defense Technology
Priority date: 2017-02-27
Filing date: 2017-02-27
Publication date: 2020-02-18
Anticipated expiration: 2037-02-27
Also published as: CN106789825A

Abstract

本发明涉及一种基于滑动窗峰值检测的OFDM系统同步装置及方法。该装置包含延时相关计算单元、计数器单元、差值计算单元和判决器。该方法涉及的参数（检测门限和窗口长度等）与信号的强弱无关，只与信号的结构有关，因此能适应信号变化，可以有效缓解固定门限方案存在的丢帧问题，也具有良好的对抗噪声和干扰的能力，能够防止干扰、噪声存在的条件下产生大量误同步的现象，具有良好的鲁棒性，相关性能已在实际系统中得到检验。

Description

一种基于滑动窗峰值检测的OFDM系统同步方法

技术领域

本发明属于移动通信系统技术领域，尤其涉及一种OFDM系统同步装置及方法。

背景技术

OFDM系统模型如图1所示，发送数据经过信道编码，QAM映射，IFFT和加CP等处理后得到OFDM信号，再经过无线信道传输。接收端先要对接收信号进行同步处理，估计并补偿符号定时和载波频率偏差，才能保证后续QAM解映射，信道解码等处理正确进行。

假设N为OFDM的IFFT(FFT)点数，N_u为非虚子载波个数。在每个OFDM符号前加入长度为N_G的循环前缀。X(k)表示调制在第k个子载波上的频域符号。那么，发送端基带OFDM时域采样信号x(n)可以表示为

其中n∈[-N_G,N-1]，j为

假设多径衰落信道的冲激响应h(n)为

其中，L为路径数，h_l为第l条路径对应的复增益，τ_l为第l条路径对应的时延，δ(n-τ_l)为单位冲激响应函数。当不存在定时和频率偏差时，接收信号可以表示为y(n)＝x(n)*h(n)，表示卷积运算。对接收信号y(n)进行FFT运算得到其频域表达式：

其中，X(k),Y(k),H(k),W(k)分别为第k个子载波上的发射信号、接收信号、多径信道和噪声的频率响应，发射信号经过多径衰落信道后，存在定时偏差和频率偏差的接收时域采样信号r(n)为

其中，d为以采样周期归一化的符号定时偏差，ε为以子载波间隔归一化的载波频偏。w(n)表示均值为0，方差为的加性高斯白噪声信号，

当存在定时偏差和频率偏差时，接收信号的时域表达式为

其中，R(k)为第k个子载波上接收信号r(n)的频率响应。可以看出，在OFDM系统中STO不仅能引起相位失真(通过均衡器能补偿)，而且可能引起ISI(一旦发生，无法被修正)，而CFO则会破坏子载波之间的正交性，引入ICI。因此，接收机同步技术的性能是影响OFDM系统性能的关键技术之一。

发明内容

为了解决现有OFDM同步装置易受到检测门限的影响产生虚同步或者误同步的情形，本发明特提出一种基于滑动窗峰值检测的OFDM系统同步装置及方法，装置包括含延时相关计算单元、计数器单元、差值计算单元和判决器，装置创造点在于该装置的同步性能不再受到检测门限的影响，具有很好的稳定性和可靠性。

一种基于滑动窗峰值检测的OFDM系统同步方法，具体内容是通过寻找滑动窗的相关峰值，实现OFDM系统的定时同步和频偏估计。具体步骤包括计算信号的延时相关，并通过搜寻延时相关值变化趋势确定延时相关峰值，进而实现定时同步和频偏估计。本方法的创新点在于通过搜寻延时相关值变化趋势确定延时相关峰值，无需人为设置检测门限，提高了同步算法的稳定性和可靠性。

同步序列的选取会影响到算法的同步性能。作为一种幅度恒定、自相关和互相关性良好同步序列，Chu序列已被实际OFDM系统广泛用于解决信号同步问题。具体而言，Chu序列的特性可以归纳为如下几个方面：

(1)信号包络恒定：Chu序列的幅度恒定；

(2)自相关性良好：Chu序列循环移动n位，当n不是该序列的周期时，移位后序列与原序列之间不相关；

(3)互相关良好：不同Chu序列的互相关值趋近于0；

(4)傅里叶变换特性：Chu序列经过FFT变换或者IFFT变换后仍是Chu序列。

这里将Chu序列作为训练序列，在时域将其插入OFDM数据前端。训练序列结构如图2所示，其长度为一个OFDM符号，由四组序列c，c，c，c构成。部分训练序列c是长度为N₁＝N/4的Chu序列，c＝[c(0),c(1),...,c(N4-1)]，c(k)可以表示为

其中k∈[0,N/4-1]，r＝N/4-1。

这里通过发送训练序列来进行定时同步和频偏估计，它的基本原理是通过信号的互相关利用训练序列的循环特性来实现。特别这里考虑一种特殊情形，假定训练序列的CP长度为1/4，此时信号的互相关(利用时间平均代替统计平均)为

根据Chu序列的性质，接收机估计的STO为

进一步，接收机估计的CFO为

可以看出，信号的延时相关幅值的极大值的求解是进行STO和CFO估计的关键。由于式(7-9)中的延时相关是利用时间平均代替统计平均，因此信号延时相关的幅值受噪声和多径的影响会出现一定程度波动起伏的情况。经典的STO估计方法主要根据信号的延时相关幅度值设置门限，然后检测该门限的方式实现，例如，根据信号的量化电平，设置一个固定门限值，当信号的自相关值幅度大于该门限时，认为有OFDM帧到来。可以看出，采用固定门限的方案鲁棒性很差，并且极易造成丢帧的行为。

为了改善固定门限方式的检测性能，这里提出一种联合训练序列自相关的自适应门限加固定门限的STO检测方案。该方案利用信号的平均能量作为自适应门限，信号能量为

自适应门限定时同步的判决准则为

自适应门限STO检测算法的好处在于检测门限(即信号能量)随信号强弱变化，算法能适应信号变化，可以有效缓解固定门限方案存在的丢帧问题。但同时它也存在对抗噪声和干扰的能力比较弱，存在干扰时算法会产生大量误同步，即使只存在噪声时算法也会发生误同步现象。

针对上述方法存在的问题，这里提出一种基于滑动窗的相关峰值检测OFDM系统同步方法，它的基本原理如图3所示。此时：

理想情况下，信号的相关峰值曲线如图3中①曲线所示，当信号中只有噪声时，它保持在一个平稳的较小值，当信号中出现训练序列的重复结构时，则开始出现峰值；

为了描述信号相关峰值的变化，定义了一个计数器Inc_count表示长度为N/4的滑动窗口内当前时刻的信号峰值大于前一时刻信号峰值的数目，它对应的曲线如图3中的②曲线；类似的，定义了一个计数器Dec_count表示长度为N/4的滑动窗口内当前时刻的信号峰值小于或等于前一时刻信号峰值的数目，它对应的曲线如图3中的③曲线。理想情况下，Inc_count计数器在信号中只有噪声的情况下取值为0，在A点达到最大值N/4；Dec_count计数器在信号中只有噪声的情况下取值为0，在C点达到最大值N/4；

计数器Inc_count与计数器Dec_count差的绝对值曲线如图3中曲线④所示，理想情况下，它在信号中只有噪声的情况下取值为0，分别在A点和C点取最大值N/4，特别的，它会在B点达到它的谷点，取值为0。

以上分析都是在理想的情况下进行的，事实上，由于信号会受到干扰的影响，且信号相关值的求解是利用时间平均代替统计平均实现，因此，信号相关的峰值会出现起伏波动的情形。此时：

计数器Inc_count和计数器Dec_count在信号中只有噪声的情况下不会等于0，而是会达到一个较小值(约为滑动窗口长度N/4的1/3-1/2之间)，且它们的取值基本接近；

在信号中出现训练序列的循环结构时，计数器Inc_count和计数器Dec_count的变化趋势与理想情况下基本一致，特别的，当滑动窗口的长度取值较大时，计数器Inc_count和计数器Dec_count的取值不会出现大的波动情况(这对于方法的稳定性至关重要)；

计数器Inc_count与计数器Dec_count差的绝对值在信号中只有噪声的情况下，其取值大约为0；在信号中出现训练序列循环结构时的变化趋势与理想情况下基本一致，它会出现2个峰值，在峰值之间会出现零点，零点出现的位置大约在信号相关的峰值之后的N/8处。

根据上述分析，结合计数器Inc_count与计数器Dec_count差的绝对值的变化规律。可以通过对计数器Inc_count与计数器Dec_count差的绝对值设置一个门限，用于检测是否有OFDM信号开始到达，可以看出，该门限的设置只与滑动窗口的长度有关。在此基础上，进一步检测计数器Inc_count与计数器Dec_count差的绝对值的零点完成STO的估计。

本发明的有益效果是：

本发明提供了一种基于滑动窗的相关峰值检测方法用于OFDM系统，并设计了相应的实现装置。相比于传统的基于门限检测的OFDM系统同步方法，本方法的好处在于涉及的参数(检测门限和窗口长度等)与信号的强弱无关，只与信号的结构有关，因此算法能适应信号变化，可以有效缓解固定门限方案存在的丢帧问题，也具有良好的对抗噪声和干扰的能力，能够防止干扰、噪声存在的条件下产生大量误同步的现象，具有良好的鲁棒性，相关性能已在实际系统中得到检验。

附图说明

图1OFDM系统收发端模型；

图2用于同步的训练序列结构；

图3基于滑动窗的相关峰值检测方法原理图；

图4基于滑动窗的延时相关峰值检测方法实现框图；

图5联合自适应门限与固定门限检测方法效果图；

图6基于滑动窗的延时相关峰值检测方法效果图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。

本发明实施例公开一种OFDM系统同步装置，请参见图4，它共包含延时相关计算单元、计数器单元、差值计算单元和判决器。

延时相关计算单元具体包括根据训练序列的重复结构对接收信号延时特定时钟单元，以图2所示的训练序列结构为例，则延时N/4个时钟单元，在此基础上，再将延时后的接收信号与原始接收信号N个时钟单元内的数据进行相关运算，计算出得相关值用于后续模块的处理。

计数器单元具体包括根据训练序列的重复结构选取特定的滑动窗长度，以图2所示的训练序列结构为例，则窗口长度选N/4，在此基础上，根据延时相关计算单元得到的相关值，比较当前时钟单元的相关值与前一时钟单元的相关值，若autocorr(n)大于autocorr(n-1)，则计数器Inc_count加1，否则Inc_count保持不变，计数器Dec_count加1，反之亦然。

差值计算单元具体包括根据计数器单元计数器的值，计算计数器Inc_count与Dec_count之差的绝对值，通过比较器比较它们的大小，若Inc_count的值大于Dec_count的值，则前者减去后者，反之，则后者减去前者。

判决器单元具体包括根据差值计算单元得到的计数器差值，与特定的门限值进行比较，判定OFDM符号是否到来，该门限值得设置只与滑动窗长度有关(大约为窗口长度的1/2)，若差值大于该门限，则认为OFDM到来，否则认为信号中只有噪声。在检测到差值大于特定门限值的情况下，进一步检测差值的零点，用于判定相关值的峰值位置。

上述OFDM系统的同步装置在实际系统中进行了测试，测试的OFDM系统参数为8MHz，子载波数为512，CP长度为1/4。图5给出联合自适应门限与固定门限OFDM系统同步检测方法的效果，可以看出，该方法在信号中只有噪声的情况下也会发生误同步，出现虚警，而当参数设置不恰当，则又可能导致低信噪比条件下发生误同步。

图6给出了基于滑动窗的延时相关峰值的OFDM系统同步检测方法的效果，可以看出，该方法很好的克服了现有检测方法存在的缺陷。

Claims

1.一种基于滑动窗峰值检测的OFDM系统同步方法，通过寻找滑动窗的相关峰值，实现OFDM系统的定时同步和频偏估计，其特征在于，包括计算信号的延时相关值，并通过搜寻延时相关值变化趋势确定延时相关峰值，实现定时同步和频偏估计，具体为：

使用时间平均实现延时相关峰值的求解；

其中，当训练序列的CP长度为1/4时，计算信号的延时相关值包括：

根据预设公式计算信号的延时相关值；

所述预设公式为

其中，r(n)表示接收信号；

定义一个计数器Inc_count表示长度为N/4的滑动窗口内当前时刻的延时相关值大于前一时刻延时相关值的数目，定义一个计数器Dec_count表示长度为N/4的滑动窗口内当前时刻的延时相关值小于或等于前一时刻延时相关值的数目；其中，N表示单位OFDM符号长度；

结合计数器Inc_count与计数器Dec_count差的绝对值的变化规律，通过对计数器Inc_count与计数器Dec_count差的绝对值设置一个门限，用于检测是否有OFDM信号开始到达，可以得出，该门限的设置只与滑动窗口的长度有关，在此基础上，进一步检测计数器Inc_count与计数器Dec_count差的绝对值的零点完成STO的估计；

其中，所述计数器Inc_count与计数器Dec_count差的绝对值的变化规律为先变大、再变小、再变大、最后变小，所述门限值应为滑动窗长度的1/2。

2.根据权利要求1所述的一种基于滑动窗峰值检测的OFDM系统同步方法，其特征在于，所述计算信号的延时相关值，具体包括根据训练序列的重复结构对接收信号延时特定时钟单元，计算得出相关值用于后续步骤的处理。