CN108075871B - 适用于导频辅助ofdm符号同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种适用于导频辅助OFDM符号同步方法，其先根据粗符号同步进行频域信道估计得到信道响应H，利用IFFT运算得到具有周期性的时域信道响应h，对各径进行可能位置推算，并利用时域相关运算进行判别，得到准确的多径信息，最终根据去除周期性时域信道响应计算精确的符号同步，本发明将信道估计与符号同步相结合，大大提高了符号同步精度，且信道估计部分可与系统其它模块共用，硬件开销少。

Description

适用于导频辅助OFDM符号同步方法

本申请是原案的分案申请，原案的申请号201611011234.1，申请日2016年11月17日，发明创造名称“适用于导频辅助OFDM符号同步方法和系统”。

技术领域

本发明涉及无线通信数据处理领域，主要涉及一种适用于导频辅助OFDM符号同步方法。

背景技术

OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)称为正交频分复用，是一种高效的传输技术。1961年，由Franco和Lachs提出了基本原理，随着数字信号处理技术的和大规模集成电路的飞速发展和应用，OFDM技术被广泛应用于各种数字通信系统中，如数字音频广播(DAB)系统、数字视频广播(DVB)系统、无线局域网(WLAN)、第四代移动通信(4G)等。OFDM也因此成为研究热点之一。

对于OFDM接收机而言，一个关键问题是对同步误差的敏感性。其中，符号同步将会导致码间干扰(ISI)，载波同步会导致载波间干扰(ICI)，两者均会导致系统性能的恶化。特别是对于基于导频的OFDM系统，由于导频的等间隔插入，将会带来频域上的周期性，若系统无法精确符号同步，将会使信道估计出现周期性错误，所带来的性能恶化将比ISI更为严重。符号同步也因此成为基于导频OFDM系统的难点之一。

上述的基于导频的OFDM系统，典型应用如DVB-T\DVB-T2,下面将以DVB-T为例(不限于此)。图1为DVB-T的OFDM帧结构图，其中导频间隔横向DX＝3，纵向DY＝4。利用导频进行信道估计时，在时域将会出现周期性。当符号同步出现偏差时，会出现两个现象：1、引入码间干扰ISI；2、出现前后径混淆。

为解决该问题，目前常用的算法主要有几种：

1、利用循环前缀：检测精度较低；

2、基于相位信息：当有较远强径时失效，且精度不高。

3、最小均方差(MMSE):实现较为复杂，且精度不高。

以上几种均精度不高，当在高码率时，性能难以满足系统需求。鉴于以上方法的缺陷，提出一种精度较高，实现较为简单的适用于导频辅助OFDM符号同步方法和系统。

发明内容

本发明的目的是：本发明通过提供一种适用于导频辅助OFDM符号同步方法和系统，实现精度较高且实现简单的符号同步。

本发明提供了一种适用于导频辅助OFDM符号同步方法，其特征在于，包括以下步骤：在粗符号同步之后，根据符号同步位置去除保护间隔，进行FFT运算得到频域数据；利用导频进行频域信道估计，得到频域信道响应；对频域信道响应进行IFFT运算，得到时域信道响应；基于导频的插入方式确定时域信道相应的周期性，对第一个周期出现多径进行时域相关识别，根据每一根多径相对于初开窗位置区分为前径或后径；对前径和后径可能的位置进行相关运算，相关值较大者得到正确时域多径的位置，并以此重新获取开窗位置，完成精符号同步。

进一步地，在本发明所提的适用于导频辅助OFDM符号同步方法中，还具有这样的特征：其中，在上述区分前径或后径的检测步骤中，包括以下方法中任意一种：利用导频的时域序列作为本地序列进行相关运算；或者利用接收到的时域数据作为本地序列进行相关运算。

进一步地，在本发明所提的适用于导频辅助OFDM符号同步方法中，还具有这样的特征：其中，利用导频的时域序列作为本地序列进行相关运算步骤，包括：将接收数据和以导频的时域序列作为的本地序列进行共轭相乘累加得到幅度值计算公式；分别将预判为前径时的采样延时数和预判为后径时的采样延时数代入该幅度值计算公式，将其中较为多径的一个对应判断为前径。

进一步地，在本发明所提的适用于导频辅助OFDM符号同步方法中，还具有这样的特征：其中，利用接收到的时域数据作为本地序列进行相关运算步骤，包括：

将接收数据和以最大径对应的时延作为的本地序列进行共轭相乘累加得到幅度值计算公式；分别将预判为前径时的采样延时数和预判为后径时的采样延时数代入该幅度值计算公式，将其中较为多径的一个对应判断为前径。

进一步地，在本发明所提的适用于导频辅助OFDM符号同步方法中，还具有这样的特征：其中，所述粗同步的步骤，包括：从保护间隔的前后相关得到检测曲线，以预定门限对第一个大于该预定门限对应的位置确定为粗符号同步位置。

进一步地，在本发明所提的适用于导频辅助OFDM符号同步方法中，还具有这样的特征：其中，利用离散导频进行频域信道估计，得到频域信道响应，其中，仅在离散导频对应处有值，其余位置为零。

进一步地，在本发明所提的适用于导频辅助OFDM符号同步方法中，还具有这样的特征：其中，精符号同步步骤包括：根据前后径检测结果，重新对多径排序，根据码间干扰最小准则进行符号同步位置确定，重新开窗后得到正确的时域信道响应。

另外，本发明还提供了一种基于导频辅助OFDM系统，其特征在于，包括：粗符号同步模块，用于对接收数据进行粗始同步；去除保护间隔模块，用于根据符号同步位置去除保护间隔；FFT模块，用于在粗符号同步之后进行FFT运算得到频域数据；信道估计模块，用于利用导频进行频域信道估计，得到频域信道响应；以及精符号同步模块，其中，该精符号同步模块包括：IFFT模块，前后径检测模块，以及确定开窗位置模块。

进一步地，在本发明所提的基于导频辅助OFDM系统中，还具有这样的特征：其中，IFFT模块，用于对频域信道响应进行IFFT运算，得到时域信道响应；前后径检测模块，用于基于导频的插入方式确定时域信道相应的周期性，对第一个周期出现多径进行时域相关识别，根据每一根多径相对于初开窗位置区分为前径或后径；以及确定开窗位置模块，用于对前径和后径可能的位置进行相关运算，相关值较大者得到正确时域多径的位置，并以此重新获取开窗位置，完成精符号同步。

进一步地，在本发明所提的基于导频辅助OFDM系统中，还具有这样的特征：其中，前后径检测模块中，用于在上述区分前径或后径的检测通过以下任意一种实现：利用导频的时域序列作为本地序列进行相关运算；或者利用接收到的时域数据作为本地序列进行相关运算。

本发明的技术效果和作用：

根据本发明所提供的导频辅助OFDM符号同步方法和系统，仅利用时域相关运算，进行比较即可，实现起来较简单，另外，基于时域信道响应基础之上，充分利用导频信息，同步精度提高。

附图说明

图1是本发明的基于导频辅助OFDM系统的符号同步示意框图；

图2是本发明方法中的DVB-T的帧结构示意图；

图3是本发明方法中理论信道及粗符号同步位置示意图；

图4是本发明方法中时域信道响应h示意图；以及

图5是本发明方法中重新排序后的时域信道响应示意图。

具体实施方式

通过以下对本发明的实施例结合其附图的描述，可以进一步理解其发明的目的、具体结构特征和优点。

本发明给出的适用于导频辅助OFDM符号同步方法，其步骤包括如下:

1)首先进行粗符号同步，根据符号同步位置去除保护间隔(GI)，进行FFT运算得到频域数据，其中粗符号同步可采取已有的任意粗始符号同步方法，在此不做限制；

2)利用导频进行频域信道估计，得到频域信道响应H；

3)对频域信道响应H进行IFFT运算，得到时域信道响应h；

4)由于导频的插入方式决定了时域信道相应的周期性，对第一个周期出现多径进行时域相关识别，区分每一根多径相对于初开窗位置为前径或后径。

5)根据以上步骤，得到正确时域多径的位置，并以此重新获取开窗位置，完成精符号同步。

本发明设计无线通信数据处理领域，本发明的方法通过结合信道估计得到的时域响应，相当于预知了信道的可能分布状况，再利用时域相关进行不同可能的区分。即可提高检测的精度，又避免了复杂的运算。另外，由于信道估计的频域和时域响应在系统中可与其他模块共用，而时域相关由于已知信道状况，退化为固定位置的相乘累加，硬件开销极小。

OFDM系统的帧结构一般采用保护间隔加数据形式，符号同步需要确定数据段的起始，由于采用循环结构，只要FFT开窗位置在保护间隔内将不会引入符号间干扰。因此，在符号同步时，需要检测出最前径位置，并以此径的数据段位置作为FFT开窗位置，以保证系统不引入符号间干扰，并得到准确的信道响应。在本发明中，首先利用通过粗符号同步，并利用导频进行信道估计得到可能的多径分布，在利用时域相关进行前后径的区分，最终得到精确的符号同步位置。如图2所示，本发明的数据处理单元主要包括：粗符号同步、去除GI、FFT/IFFT运算、频域信道估计、前后径检测单元、确定开窗位置运算单元。

在本例中，以DVB-T系统8K模式为例，GI模式取1/4。精符号同步需要以频域信道响应H作为基础，得到H需要以下步骤：

首先，进行粗符号同步。利用保护间隔的前后相关得到检测曲线

并取最大值m＝max(x(n))，并以m-Δ作为门限，x(n)第一个大于门限对应的位置即为粗符号同步位置；其中，N为8192，L为8192*(1/4)，Δ为开窗保护余量。

第二步，利用FFT运算得到接收数据的频域信号。根据得到的粗符号同步数据，去除帧结构中的保护间隔(去除GI)，并对数据段进行FFT运算，得到频域信号R(k)；

第三步,利用离散导频(Scatter Pilot，SP)进行频域信道估计，得到频域信道响应H(k)＝R(k)/SP(k)，k为子载波序号。得到的H，仅在离散导频对应处有值，其余位置为0。

得到了信道频域响应H，但该H建立在粗符号同步的基础之上，开窗位置并不准确。假设，真正的信道由两根多径组成，前径时延为-50us，幅度为20dB，主径为时延0us，幅度0dB。根据粗符号同步算法，开窗位置在主径之前100各采样位置。见图3。理想开窗位置应该置于最前径-50us处，粗符号同步导致开窗位置出现较大偏差。精符号同步模块将根据该频域信道响应H识别出最前径，并将开窗偏差调整为0。步骤如下：

第(1)步骤，根据频域响H(k)应得到时域响应h(n)，见图4。图中可以看到，由于频域以DX为3的间隔有值，在时域上出现3个周期的信道拓展。若仅从h(n)来看，无法区分标注为X＝2375的多径，为前径或是后径。

第(2)步骤：前后径检测。根据h，可以判断X＝2375的多径有两种可能性：一种为后径，相对粗开窗位置为2375个采样延时；另一种为前径，相对开窗位置为356个采样延时。前后径检测可以采取两种方法：第一种，利用导频的时域序列作为本地序列；第二种，利用接收到的时域数据作为本地序列。下面对两种方法进行分别阐述。以前后径可能的位置进行相关运算，相关值较大者为正确位置。

第一种前后径检测方法：利用导频时域序列作为本地序列：

假设发送数据为s(n)，该数据由两部分组成，数据d(n)和导频p(n)组成，即s(n)＝d(n)+p(n)。其中，数据d(n)为未知量，导频p(n)为已知数据。接收时域数据r(n)为

即

为卷积运算符。当以p(n)为本地序列在h对应位置τ₀进行共轭相乘累加，得到

当c(τ₀)幅度大小将与h(τ₀)成正比。在本例中，将2375和-356代入，将得到c(2375)和c(-356)，由于真正多径为前径，将得到c(-356)大于c(2375)，判断为前径。

第二种前后径检测方法：利用接收到的时域数据作为本地序列：

接收到时域数据为

若忽略其他多径的数据干扰，可将每个多径延时τ_i对应接收数据为l(i,n)＝s(n)h(τ_i)。取最大径i_max对应时延τ_max为本地序列l(i_max,n)＝s(n)h(τ_max)，其余各径与最大径进行共轭相乘累加得到

得到的相关值与对应多径强度成正比。因此，在判断前后径时，真正出现多径的位置将大于另一位置。本例中，同样将2375和-356对应多径位置代入，可将该径判断为前径。

第(3)步骤：根据前后径检测结果，重新对多径排序，根据ISI干扰最小准则进行符号同步位置确定。重新开窗后得到正确的时域信道响应，见图5。

综上所述，本发明首先根据粗符号同步得到频域信道响应H，精符号同步模块利用IFFT运算单元得到具有周期特性的时域信道响应h。根据周期性计算出各多径的可能位置，利用时域相关进行前后径区分。根据得到的正确信道响应进行重新开窗，获得较好的系统性能。本发明将信道估计与符号同步相结合，大大提高了符号同步精度。

Claims (4)

1.一种适用于导频辅助OFDM符号同步方法，其特征在于，包括以下步骤：

在粗符号同步之后，根据符号同步位置去除保护间隔，进行FFT运算得到频域数据；

利用导频进行频域信道估计，得到频域信道响应；

对上述频域信道响应进行IFFT运算，得到时域信道响应；

基于导频的插入方式确定时域信道相应的周期性，对第一个周期出现多径进行时域相关识别，根据每一根多径相对于初开窗位置区分为前径或后径；以及

对上述前径和上述后径可能的位置进行相关运算，相关值较大者得到正确时域多径的位置，并以此重新获取开窗位置，完成精符号同步，

其中，上述利用接收到的时域数据作为本地序列进行相关运算的步骤，包括：

将接收数据和以最大径对应的时延对应的接收数据作为本地序列进行共轭相乘累加得到幅度值计算公式；以及

分别将预判为前径时的采样延时数和预判为后径时的采样延时数代入上述幅度值计算公式，将通过幅度值计算公式得到的结果较大者对应的多径判断为前径。

2.如权利要求1所述的适用于导频辅助OFDM符号同步方法，其特征在于，其中，上述粗符号同步的步骤，包括：

从上述保护间隔的前后相关得到检测曲线，依据预定门限，将第一个大于上述预定门限对应的位置确定为粗符号同步位置。

3.如权利要求1所述的适用于导频辅助OFDM符号同步方法，其特征在于：

其中，利用离散导频进行上述频域信道估计，得到上述频域信道响应，其中，仅在上述离散导频对应处有值，其余位置为零。

4.如权利要求1所述的适用于导频辅助OFDM符号同步方法，其特征在于，其中，上述精符号同步步骤包括：

根据前后径检测结果，重新对多径排序，根据码间干扰最小准则进行符号同步位置确定，重新开窗后得到正确的时域信道响应。

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