CN112910817A - 基于一维搜索和能量检测的ofdm时间同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于一维搜索和能量检测的OFDM时间同步方法，主要解决现有方法同步耗时较长和在低信噪比下同步准确性降低的问题。本发明的具体步骤包括：(1)获得采样序列；(2)利用一维搜索获得采样序列的粗时间同步位置；(3)设立两个能量检测范围；(4)进行判断粗时间同步正确性的能量检测；(5)判断能量值的比值是否大于或等于比值的门限值；(6)获得采样序列的细时间同步位置。本发明时间同步耗时少，在低信噪比下时间同步仍可保持较高准确性。

Description

基于一维搜索和能量检测的OFDM时间同步方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，更进一步涉及无线通信技术领域中的一种基于一维搜索和能量检测的正交频分复用OFDM(Orthogonal Frequency-Division Multiplexing)时间同步方法。本发明可用于面向OFDM通信系统的符号定时同步，可准确定位到接收信号的起始位置。

背景技术

在OFDM通信系统中，时间同步是频偏估计，信道均衡及信号解调的前提，因此OFDM技术对时间同步的正确性要求很高，如果不能够正确的进行时间同步，将会影响整个OFDM系统的性能。OFDM时间同步方法，一般情况下分为两个步骤，首先进行粗时间同步，确定出大致的时间同步位置，在粗同步的基础上确定细时间同步位置的搜索范围，最后在这个范围内搜索精确的符号同步位置，但是噪声和频偏会影响粗时间同步和细同步的准确性。

华南理工大学在其申请的专利文献“自相关与互相关结合的多段重复序列OFDM同步算法”(专利申请号2017111188319，申请公布号CN107835141A)中提出了一种基于自相关与互相关结合的多段重复序列结构的时间同步方法。该方法的具体步骤为：第一步，发送分段处理后的重复导言序列，并构造导言序列的乘积矩阵；第二步，对接收序列进行分段处理，构造接收序列的乘积矩阵，进行突发帧的检测和粗时间同步；第三步，在粗时间同步后确定的搜索范围内利用导言序列的乘积矩阵和接收序列的乘积矩阵构造互相关度量函数；第四步，利用接收序列的多段重复特性来构造自相关的度量函数；第五步，结合互相关和自相关的度量函数确定一个新的度量函数，再寻找新度量函数的峰值确定细时间同步位置；第六步，依据细时间同步的位置进行频偏的估计。该方法存在的不足之处是，在低信噪比下粗时间同步不正确会导致的细时间同步精度降低。

电子科技大学在其申请的专利文献“基于共轭CAZAC序列的卫星OFDM同步算法”(专利申请号2017106509894，申请公布号CN107196887A)中提到了一种基于共轭CAZAC序列OFDM时间同步方法。该时间同步方法的具体步骤为：第一步，发射端在发射信号中加入CAZAC训练序列；第二步，接收到的信号与接收端的本地共轭CAZAC序列进行相关运算，得到两个定时度量函数；第三步，通过搜索定时度量函数峰值的位置，获得定时同步位置与整数倍频偏；第四步，确定整数倍频偏与定时度量函数峰值之间的相对位置关系，对时间同步位置进行修正。该方法存在的不足之处是，定时度量函数需要在一个数据符号的持续时间内进行连续比较，之后还需要利用整数倍频偏对时间同步位置进行修正，这就导致获取时间同步位置的耗时较长，无法保证实时的定时同步。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提供一种基于一维搜索和能量检测的OFDM时间同步方法，以解决在时间同步中现有技术中时间同步耗时较大，无法保证实时的时间同步、时间同步位置不准确的问题。

为了实现上述目的，本发明的思路是：OFDM时间同步过程分为粗时间同步过程细时间同步过程，粗时间同步是一个粗略的时间同步，细时间同步是精确的时间同步，一维搜索的计算复杂度低，使用一维搜索算法可快速完成时间同步，但是一维搜索算法获得的时间同步是粗时间同步，通过进行能量检测，先判断粗时间同步的正确性，在粗时间同步的正确的前提下，搜索细时间同步位置，获得精确的时间同步。

本发明的具体步骤包括如下：

(1)获得采样序列：

OFDM接收机将接收的调制信号经数字下变频处理，得到采样序列；

(2)利用一维搜索获得采样序列的粗时间同步位置：

(2.1)利用自相关公式，计算采样序列中每一个采样点的自相关值，将所有的自相关值组成自相关序列；

(2.2)计算自相关序列的模值，得到自相关模值序列；

(2.3)从自相关模值序列中依次选取三个采样点，作为第一、第二、第三采样点；

(2.4)判断第三采样点的模值是否大于第二采样点的模值，若是，则执行步(2.5)，否则，执行步骤(2.6)；

(2.5)从自相关模值序列中重新选取两个采样点作为第二、第三采样点后执行步骤(2.4)；

(2.6)判断第二采样点的模值是否满足第一约束条件，若是，则执行步骤(2.7)，否则，从自相关模值序列中重新选取两个采样点作为第二采样点和第三采样点后执行步骤(2.4)；

(2.7)判断第三采样点的位置是否满足第二约束条件，若是，则执行步骤(2.8)，否则，从自相关模值序列中重新选取两个采样点作为第二采样点与第三采样点后执行步骤(2.4)；

(2.8)判断第三采样点的模值的门限值是否小于0.5倍的第二采样点的模值，若是，则执行步骤(2.10)，否则，执行步骤(2.9)；

(2.9)从自相关模值序列中重新选取一个采样点作为第三采样点后执行步骤(2.4)；

(2.10)判断第一采样点的模值是否大于第二采样点的模值，若是，则从自相关模值序列中重新选取两个采样点作为第一采样点和第二采样点后执行步骤(2.4)，否则，执行步骤(2.11)；

(2.11)判断第一采样点的模值是否大于0.75倍的第二采样点的模值，若是，从自相关模值序列中重新选取一个采样点作为第一采样点后执行步骤(2.10)，否则，执行步骤(2.12)；

(2.12)判断第二个采样点的模值是否满足第三约束条件，若是，则执行步骤(2.13)，否则，从自相关模值序列中重新选取两个采样点作为第一采样点和第二采样点后执行步骤(2.10)；

(2.13)判断第二个采样点的位置关系是否满足第四约束条件，若是，则执行步骤(2.14)，否则，从自相关模值序列中重新选取两个采样点作为第一采样点和第二采样点后执行步骤(2.10)；

(2.14)结束搜索，将当前搜索得到第二个采样点在采样序列中的位置作为粗时间同步位置；

(3)设立两个能量检测范围：

将

的结果作为第一个能量检测范围的起始位置I₁，将

的结果作为第一个能量检测范围的结束位置I₂；

将

的结果作为第二个能量检测范围的起始位置I₃，将

的结果作为第二个能量检测范围的结束位置I₄；

其中，d₁表示粗时间同步位置，N_cp表示OFDM系统循环前缀的长度，N表示OFDM系统的子载波数；

(4)进行判断粗时间同步正确性的能量检测：

(4.1)按照互相关公式，将接收采样序列与OFDM发射机发送的本地训练序列做互相关，得到互相关序列；

(4.2)依次取出能量检测范围内的互相关序列采样点的序号组成集合；

(4.3)按照能量值公式，计算互相关序列的第一个能量检测范围内的能量值以及第二个能量检测范围内的能量值；

(4.4)计算互相关序列的第一个能量检测范围内的能量值与互相关序列的第二个能量检测范围内的能量值的比值；

(5)判断互相关序列的第一个能量检测范围内的能量值与互相关序列的第二个能量检测范围内的能量值的比值是否大于或等于比值的门限值，若是，则执行步骤(6)否则，执行步骤(2)；所述比值的门限值是指在[3,20]内选取的一个值。；

(6)获得采样序列的细时间同步位置：

利用互相关定时度量公式，计算互相关序列中每个采样点的定时度量值，将所有的定时度量值组成互相关定时度量序列，将互相关定时度量序列中最大值对应的采样点在采样序列中的位置为细时间同步位置。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

第一，本发明通过对自相关模值序列进行一维搜索获得采样序列的粗时间同步位置，由于一维搜索的计算复杂低，搜索速度快，从而减少粗时间同步的所需时间，解决了现有技术时间同步耗时较长，无法保证实时的时间同步的问题，使得本发明具有时间同步耗时少，实时性高的优点。

第二，本发明对互相关序列进行判断粗时间同步正确性的能量检测，由于只在粗时间同步正确的前提下才会进行细时间同步，从而保证细时间同步的准确性，克服了在低信噪比下粗时间同步不正确导致到细同步准确性降低的问题，使得本发明具有在低信噪比下时间同步仍可保持较高准确性的优点。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明一维搜索过程的流程图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明做进一步地描述。

参照附图1，对本发明的实现步骤做进一步地描述。

步骤1，获得采样序列。

OFDM接收机将接收的调制信号经数字下变频处理，得到采样序列。

步骤2，利用一维搜索获得采样序列的粗时间同步位置。

参照附图2，对本发明的实现一维搜索步骤做进一步描述。

第一步，利用自相关公式，计算采样序列中每一个采样点的自相关值，将所有的自相关值组成自相关序列。

所述自相关公式如下：

其中，P_d表示采样序列中第d个自相关值，d表示自相关序列中采样点的序号，N表示由OFDM系统的子载波数，∑表示求和操作，m表示采样序列中采样点的序号，r(·)表示采样序列，上标*表示取共轭操作，·表示相乘操作。

第二步，计算自相关序列的模值，得到自相关模值序列。

第三步，从自相关模值序列中依次选取三个采样点，作为第一、第二、第三采样点。

第四步，判断第三采样点的模值是否大于第二采样点的模值，若是，则执行本步骤的第五步，否则，执行本步骤的第六步。

第五步，从自相关模值序列中重新选取两个采样点作为第二、第三采样点后执行本步骤的第四步。

第六步，判断第二采样点的模值是否满足第一约束条件，若是，则执行本步骤的第七步，否则，从自相关模值序列中重新选取两个采样点作为第二采样点和第三采样点后执行本步骤的第四步。

所述的第一约束条件为：M_E＞0.75*M_C＞M_D，其中，M_D表示在相关模值序列中选取的第三采样点的幅值，M_C表示在相关模值序列中选取的第二采样点的幅值，M_C表示在第三采样点更新前从相关模值序列中选取的第三采样点的幅值。

第七步，判断第三采样点的位置是否满足第二约束条件，若是，则执行本步骤的第八步，否则，从自相关模值序列中重新选取两个采样点作为第二采样点与第三采样点后执行本步骤的第四步。

所述第二约束条件为：

其中，X_C表示第二采样点在相关模值序列中的位置，X_D表示第三采样点在相关模值序列中的位置，N_cp表示OFDM系统循环前缀的长度。

第八步，判断第三采样点的模值的门限值是否小于0.5倍的第二采样点的模值，若是，则执行本步骤的第十步，否则，执行本步骤的第九步。

所述当前第三采样点的模值的门限值为

其中，CR₂表示当前的迭代时第三采样点的模值的门限值，CR₁表示上次迭代时的第三采样点的模值的门限值。

第九步，从自相关模值序列中重新选取一个采样点作为第三采样点后执行本步骤的第四步。

第十步，判断第一采样点的模值是否大于第二采样点的模值，若是，则从自相关模值序列中重新选取两个采样点作为第一采样点和第二采样点后执行本步骤的第四步，否则，执行本步骤的第十一步。

第十一步，判断第一采样点的模值是否大于0.75倍的第二采样点的模值，若是，从自相关模值序列中重新选取一个采样点作为第一采样点后执行本步骤的第十步，否则，执行本步骤的第十二步。

第十二步，判断第二个采样点的模值是否满足第三约束条件，若是，则执行本步骤的第十三步，否则，从自相关模值序列中重新选取两个采样点作为第一采样点和第二采样点后执行本步骤的第十步。

所述第三约束条件为：M_B＞0.75*M_C＞M_A，其中，M_B表示在相关模值序列中选取的第一采样点的幅值，M_A表示在第一采样点更新前从相关模值序列中选取的第一采样点的幅值。

第十三步，判断第二个采样点的位置关系是否满足第四约束条件，若是，则执行本步骤的第十四步，否则，从自相关模值序列中重新选取两个采样点作为第一采样点和第二采样点后执行本步骤的第十步。

所述第四约束条件为：

其中，X_B表示第一采样点在相关模值序列中的位置。

第十四步，结束搜索，将当前搜索得到第二个采样点在采样序列中的位置作为粗时间同步位置。

步骤3，设立两个能量检测范围。

将

的结果作为第一个能量检测范围的起始位置I₁，将

的结果作为第一个能量检测范围的结束位置I₂。

将的结果作为第二个能量检测范围的起始位置I₃，将

的结果作为第二个能量检测范围的结束位置I₄。

其中，d₁表示粗时间同步位置，N_cp表示OFDM系统循环前缀的长度，N表示OFDM系统的子载波数。

步骤4，进行判断粗时间同步正确性的能量检测。

第一步，按照互相关公式，将接收采样序列与OFDM发射机发送的本地训练序列做互相关，得到互相关序列。

所述互相关公式如下：

其中，R_g表示互相关序列中的第g个互相关值，g表示互相关序列中采样点的序号，d₁表示粗时间同步位置,s(·)表示OFDM发射机发送的本地训练，k表示OFDM发射机发送的本地训练中采样点的序号。

第二步，依次取出能量检测范围内的互相关序列采样点的序号组成集合。

第三步，按照能量值公式，计算互相关序列的第一个能量检测范围内的能量值以及第二个能量检测范围内的能量值。

所述能量计算公式如下：

其中，E_i表示第i个能量检测范围的能量值，i等于0或1，∈表示属于符号，L_i表示第i个互相关序列采样点的集合。

第四步，计算互相关序列的第一个能量检测范围内的能量值与互相关序列的第二个能量检测范围内的能量值的比值。

步骤5，判断互相关序列的第一个能量检测范围内的能量值与互相关序列的第二个能量检测范围内的能量值的比值是否大于或等于比值的门限值，若是，则执行步骤6，否则，执行步骤2；所述比值的门限值是指在[3,20]内选取的一个值。

步骤6，获得采样序列的细时间同步位置。

利用互相关定时度量公式，计算互相关序列中每个采样点的定时度量值，将所有的定时度量值组成互相关定时度量序列，将互相关定时度量序列中最大值对应的采样点在采样序列中的位置为细时间同步位置。

所述互相关定时度量公式如下：

其中，ψ_n表示定时互相关定时度量序列中第n个采样点的度量值。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于一维搜索和能量检测的OFDM时间同步方法，其特征在于，通过对自相关模值序列进行一维搜索获得采样序列的粗时间同步位置，对互相关序列进行能量检测判断粗时间同步位置的正确性，该方法的步骤包括如下：

(1)获得采样序列：

OFDM接收机将接收的调制信号经数字下变频处理，得到采样序列；

(2)利用一维搜索获得采样序列的粗时间同步位置：

(2.1)利用自相关公式，计算采样序列中每一个采样点的自相关值，将所有的自相关值组成自相关序列；

(2.2)计算自相关序列的模值，得到自相关模值序列；

(2.3)从自相关模值序列中依次选取三个采样点，作为第一、第二、第三采样点；

(2.4)判断第三采样点的模值是否大于第二采样点的模值，若是，则执行步骤(2.5)，否则，执行步骤(2.6)；

(2.5)从自相关模值序列中重新选取两个采样点作为第二、第三采样点后执行步骤(2.4)；

(2.6)判断第二采样点的模值是否满足第一约束条件，若是，则执行步骤(2.7)，否则，从自相关模值序列中重新选取两个采样点作为第二采样点和第三采样点后执行步骤(2.4)；

(2.7)判断第三采样点的位置是否满足第二约束条件，若是，则执行步骤(2.8)，否则，从自相关模值序列中重新选取两个采样点作为第二采样点与第三采样点后执行步骤(2.4)；

(2.8)判断第三采样点的模值的门限值是否小于0.5倍的第二采样点的模值，若是，则执行步骤(2.10)，否则，执行步骤(2.9)

(2.9)从自相关模值序列中重新选取一个采样点作为第三采样点后执行步骤(2.4)；

(2.10)判断第一采样点的模值是否大于第二采样点的模值，若是，则从自相关模值序列中重新选取两个采样点作为第一采样点和第二采样点后执行步骤(2.4)，否则，执行步骤(2.11)；

(2.11)判断第一采样点的模值是否大于0.75倍的第二采样点的模值，若是，从自相关模值序列中重新选取一个采样点作为第一采样点后执行步骤(2.10)，否则，执行步骤(2.12)；

(2.12)判断第二个采样点的模值是否满足第三约束条件，若是，则执行步骤(2.13)，否则，从自相关模值序列中重新选取两个采样点作为第一采样点和第二采样点后执行步骤(2.10)；

(2.13)判断第二个采样点的位置关系是否满足第四约束条件，若是，则执行步骤(2.14)，否则，从自相关模值序列中重新选取两个采样点作为第一采样点和第二采样点后执行步骤(2.10)；

(2.14)结束搜索，将当前搜索得到第二个采样点在采样序列中的位置作为粗时间同步位置；

(3)设立两个能量检测范围：

将

的结果作为第一个能量检测范围的起始位置I₁，将

的结果作为第一个能量检测范围的结束位置I₂；

将

的结果作为第二个能量检测范围的起始位置I₃，将

的结果作为第二个能量检测范围的结束位置I₄；

其中，d₁表示粗时间同步位置，N_cp表示OFDM系统循环前缀的长度，N表示OFDM系统的子载波数；

(4)进行判断粗时间同步正确性的能量检测：

(4.1)按照互相关公式，将接收采样序列与OFDM发射机发送的本地训练序列做互相关，得到互相关序列；

(4.2)依次取出能量检测范围内的互相关序列采样点的序号组成集合；

(4.3)按照能量值公式，计算互相关序列的第一个能量检测范围内的能量值以及第二个能量检测范围内的能量值；

(4.4)计算互相关序列的第一个能量检测范围内的能量值与互相关序列的第二个能量检测范围内的能量值的比值；

(5)判断互相关序列的第一个能量检测范围内的能量值与互相关序列的第二个能量检测范围内的能量值的比值是否大于或等于比值的门限值，若是，则执行步骤(6)，否则，执行步骤(2)；所述比值的门限值是指在[3,20]内选取的一个值；

(6)获得采样序列的细时间同步位置：

利用互相关定时度量公式，计算互相关序列中每个采样点的定时度量值，将所有的定时度量值组成互相关定时度量序列，将互相关定时度量序列中最大值对应的采样点在采样序列中的位置为细时间同步位置。

2.根据权利要求1所述基于一维搜索和能量检测的OFDM时间同步方法，其特征在于，步骤(2.1)中所述自相关公式如下：

其中，P_d表示采样序列中第d个自相关值，d表示自相关序列中采样点的序号，N表示由OFDM系统的子载波数，∑表示求和操作，m表示采样序列中采样点的序号，r(·)表示采样序列，上标*表示取共轭操作，·表示相乘操作。

3.根据权利要求2所述基于一维搜索和能量检测的OFDM时间同步方法，其特征在于，步骤(2.6)中所述的第一约束条件为：M_E＞0.75*M_C＞M_D，其中，M_D表示在相关模值序列中选取的第三采样点的幅值，M_C表示在相关模值序列中选取的第二采样点的幅值，M_C表示在第三采样点更新前从相关模值序列中选取的第三采样点的幅值。

4.根据权利要求3所述基于一维搜索和能量检测的OFDM时间同步方法，其特征在于，步骤(2.7)中所述的第二约束条件为：

其中，X_C表示第二采样点在相关模值序列中的位置，X_D表示第三采样点在相关模值序列中的位置，N_cp表示OFDM系统循环前缀的长度。

5.根据权利要求4所述基于一维搜索和能量检测的OFDM时间同步方法，其特征在于，步骤(2.8)中所述的当前第三采样点的模值的门限值为

其中，CR₂表示当前的迭代时第三采样点的模值的门限值，CR₁表示上次迭代时的第三采样点的模值的门限值。

6.根据权利要求5所述基于一维搜索和能量检测的OFDM时间同步方法，其特征在于，步骤(2.12)中所述第三约束条件为：M_B＞0.75*M_C＞M_A，其中，M_B表示在相关模值序列中选取的第一采样点的幅值，M_A表示在第一采样点更新前从相关模值序列中选取的第一采样点的幅值。

7.根据权利要求6所述基于一维搜索和能量检测的OFDM时间同步方法，其特征在于，步骤(2.13)中所述第四约束条件为：

其中，X_B表示第一采样点在相关模值序列中的位置。

8.根据权利要求7所述基于一维搜索和能量检测的OFDM时间同步方法，其特征在于，步骤(4.1)中所述互相关公式如下：

其中，R_g表示互相关序列中的第g个互相关值，g表示互相关序列中采样点的序号，d₁表示粗时间同步位置,s(·)表示OFDM发射机发送的本地训练，k表示OFDM发射机发送的本地训练中采样点的序号。

9.根据权利要求8所述基于一维搜索和能量检测的OFDM时间同步方法，其特征在于，步骤(4.3)中所述能量计算公式如下：

其中，E_i表示第i个能量检测范围的能量值，i等于0或1，∈表示属于符号，L_i表示第i个互相关序列采样点的集合。

10.根据权利要求9所述基于一维搜索和能量检测的OFDM时间同步方法，其特征在于，步骤(6)中所述互相关定时度量公式如下：

其中，ψ_n表示定时互相关定时度量序列中第n个采样点的度量值。

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