CN117411757B - 一种ofdm系统帧头捕获方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种OFDM系统帧头捕获方法，所述方法包括：S1：OFDM系统接收到数据后，将所述数据送入构建的滑窗中；其中，所述滑窗的大小为256个时域符号；S2：将所述滑窗中的数据与前导已知序列的前256个时域符号分段共轭相乘并分段累加，并对累加结果求能量值；S3：根据所述滑窗中的数据的平均功率，计算门限值；S4：根据所述能量值和所述门限值，确定数据中的帧头位置。本发明通过提出一种基于分段计算法、SRL16E移位寄存器和ROM查找表的高效实现方法，其耗用少量的逻辑资源的同时，能够极大降低帧头捕获时延，而且进一步降低了芯片功耗，具有较高的工程应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及通信领域，尤其涉及到一种OFDM系统帧头捕获方法。
背景技术
正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM）技术是一种特殊的使用多载波进行数据传输的方案，其帧结构虽然与传统通信系统不同，但是仍然常采用基于已知导频序列的方法完成帧头捕获。在电磁环境恶劣的情况下，基于OFDM体制的数据链系统常常需要频繁的进行通信建链，此时需要接收端不停的进行帧捕获，若是通信过程中出现漏捕和错捕，则会造成数据丢失，对数据链设备来说则会导致应用视频卡顿、设备状态丢失、无法正常通信等情况，因此数据链系统帧头捕获技术是极其重要的，采用先进、可靠的帧头捕获技术，可以大大降低漏捕和错捕概率，保证数据的正确传输。
在OFDM系统中，帧头捕获较为成熟的技术是将接收信号与本地已知导频序列做自相关或互相关处理，然后根据系统门限检查相关峰，从而得到帧头所在位置。在实际工程应用中，通常采用经典的滑窗算法进行帧头捕获，为配合基带的后续处理，如帧同步、数据解调和译码等，帧头捕获算法在FPGA芯片内部实现。由于OFDM系统的特性，其导频序列一般设计较长，因此帧头捕获的滑窗算法计算量巨大，采用传统的实现结构会耗用大量的逻辑资源，同时产生较大的时间延迟。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种OFDM系统帧头捕获方法，旨在解决目前的OFDM系统帧头捕获的滑窗算法计算量巨大，采用传统的实现结构会耗用大量的逻辑资源，同时产生较大的时间延迟的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种OFDM系统帧头捕获方法，包括：
S1：OFDM系统接收到数据后，将所述数据送入构建的滑窗中；其中，所述滑窗的大小为256个时域符号；
S2：将所述滑窗中的数据与前导已知序列的前256个时域符号分段共轭相乘并分段累加，并对累加结果求能量值；
S3：根据所述滑窗中的数据的平均功率，计算门限值；
S4：根据所述能量值和所述门限值，确定数据中的帧头位置。
可选的，所述步骤S2中，将所述滑窗中的数据与前导已知序列的前256个时域符号分段共轭相乘并分段累加步骤，具体包括：
S21：将所述滑窗中的数据与前导已知序列的前256个时域符号中每4个符号进行一次共轭相乘，得到256个共轭相乘数值；
S22：将256个共轭相乘数值分为4段，每段64个共轭相乘数值进行累加求和。
可选的，将256个共轭相乘数值分为4段，每段64个共轭相乘数值进行累加求和的表达式，具体为：
；
其中，n为每段64个共轭相乘数值中的第n个共轭相乘数值，m为256个共轭相乘数值中的第m段，为滑窗中的数据，/>为前导已知序列的时域符号，/>为/>的共轭。
可选的，所述步骤S2中，对累加结果求能量值步骤，具体包括：
S23：对每段64个共轭相乘数值进行累加求和的结果分别求能量值，对获得的能量值进行累加求和。
可选的，所述对获得的能量值进行累加求和的表达式，具体为：
；
其中，m为256个共轭相乘数值中的第m段。
可选的，所述步骤S3中，根据所述滑窗中的数据的平均功率，计算门限值步骤的表达式，具体为：
；
其中，bound为门限值，eng_avg为所述滑窗中的数据的平均功率，ratio为比例常数。
可选的，所述S3：根据所述能量值和所述门限值，确定数据中的帧头位置，具体包括：
S31：设置一个用于存放4个数据的寄存器；
S32：若当前的能量值大于门限值，则在寄存器中记录当前的窗头位置，继续滑窗；若又出现一个大于门限值的值，计算此时帧头位置与寄存器中存储数据的差值；
S33：当帧头位置与寄存器中存储数据的差值为512时，则寄存器中的当前窗头位置则为帧头位置；
S34：当帧头位置与寄存器中存储数据的差值不为512时，则寄存器向后移动一位，将此时帧头位置记录在寄存器中，继续滑窗，直到出现帧头位置与寄存器中存储数据的差值为512时，停止滑窗。
本发明的有益效果在于：提出了一种OFDM系统帧头捕获方法，所述方法包括：S1：OFDM系统接收到数据后，将所述数据送入构建的滑窗中；其中，所述滑窗的大小为256个时域符号；S2：将所述滑窗中的数据与前导已知序列的前256个时域符号分段共轭相乘并分段累加，并对累加结果求能量值；S3：根据所述滑窗中的数据的平均功率，计算门限值；S4：根据所述能量值和所述门限值，确定数据中的帧头位置。本发明通过提出一种基于分段计算法、SRL16E移位寄存器和ROM查找表的高效实现方法，其耗用少量的逻辑资源的同时，能够极大降低帧头捕获时延，而且进一步降低了芯片功耗，具有较高的工程应用价值。
附图说明
图1为本发明一种OFDM系统帧头捕获方法的流程示意图；
图2为本发明中滑窗的示意图；
图3为本发明中前导字存储器ROM的输出示意图；
图4为本发明捕获窗平均能量计算的输出示意图；
图5为本发明分段共轭相乘的原理示意图；
图6为本发明确定数据中帧头位置的示意图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例提供了一种OFDM系统帧头捕获方法，参照图1，图1为本发明一种OFDM系统帧头捕获方法实施例的流程示意图。
本实施例中，一种OFDM系统帧头捕获方法，包括：
S1：OFDM系统接收到数据后，将所述数据送入构建的滑窗中；其中，所述滑窗的大小为256个时域符号；
S2：将所述滑窗中的数据与前导已知序列的前256个时域符号分段共轭相乘并分段累加，并对累加结果求能量值；
S3：根据所述滑窗中的数据的平均功率，计算门限值；
S4：根据所述能量值和所述门限值，确定数据中的帧头位置。
在优选的实施例中，所述步骤S2中，将所述滑窗中的数据与前导已知序列的前256个时域符号分段共轭相乘并分段累加步骤，具体包括：S21：将所述滑窗中的数据与前导已知序列的前256个时域符号中每4个符号进行一次共轭相乘，得到256个共轭相乘数值；S22：将256个共轭相乘数值分为4段，每段64个共轭相乘数值进行累加求和。
在优选的实施例中，将256个共轭相乘数值分为4段，每段64个共轭相乘数值进行累加求和的表达式，具体为：
；
其中，n为每段64个共轭相乘数值中的第n个共轭相乘数值，m为256个共轭相乘数值中的第m段，为滑窗中的数据，/>为前导已知序列的时域符号，/>为/>的共轭。
在优选的实施例中，所述步骤S2中，对累加结果求能量值步骤，具体包括：S23：对每段64个共轭相乘数值进行累加求和的结果分别求能量值，对获得的能量值进行累加求和。
在优选的实施例中，所述对获得的能量值进行累加求和的表达式，具体为：；其中，m为256个共轭相乘数值中的第m段。
在优选的实施例中，所述步骤S3中，根据所述滑窗中的数据的平均功率，计算门限值步骤的表达式，具体为：；其中，bound为门限值，eng_avg为所述滑窗中的数据的平均功率，ratio为比例常数。
在优选的实施例中，所述S3：根据所述能量值和所述门限值，确定数据中的帧头位置，具体包括：S31：设置一个用于存放4个数据的寄存器S32：若当前的能量值大于门限值，则在寄存器中记录当前的窗头位置，继续滑窗；若又出现一个大于门限值的值，计算此时帧头位置与寄存器中存储数据的差值；S33：当帧头位置与寄存器中存储数据的差值为512时，则寄存器中的当前窗头位置则为帧头位置；S34：当帧头位置与寄存器中存储数据的差值不为512时，则寄存器向后移动一位，将此时帧头位置记录在寄存器中，继续滑窗，直到出现帧头位置与寄存器中存储数据的差值为512时，停止滑窗。
为了更清楚的解释本申请，下面提供本申请在实际应用中的具体实例。
（1）OFDM系统帧头捕获的具体实现原理：OFDM系统的帧头捕获在时域进行，设计OFDM系统的总子载波个数为512，采用非相干+门限判定的方法完成算法实现，主要通过以下几个重要步骤：
步骤一：采用滑窗算法，设计窗大小为256个时域符号。滑窗示意图如图2所示。
步骤二：OFDM系统接收到数据后，数据进入滑窗中，此时将窗里的数据
与前导已知序列的前256个时域符号（从CP后的第一个符号算起）分段共轭相
乘并分段累加；本实施例中每4个符号进行一次共轭相乘，采用64次共轭乘法，得到256个数
值，再将这256个数值分为4段（m=4），每段64个数据并进行累加求和；之后再对累加后的4个
值分别求能量，最后累加这4个能量值，求得的能量和用eng_sum表示，当窗与已知前导符号
完全对齐时，eng_sum会达到峰值。采用多次分段方法的好处是其可以并行处理，降低了系
统整体时延，具体实现公式如下。
；
；
步骤三：求窗里数据的平均功率eng_avg，门限（ratio由实际系统设计而定，ratio≤1，本实施例中取值为0.9）。
步骤四：设置一个可以存放4个数据的寄存器，如果当前的eng_sum大于bound，则在寄存器中记录当前的窗头位置，继续滑窗，如果又出现一个大于bound的值，计算此时帧头位置与寄存器中存储数据的差值，如差值为512，则寄存器中的该位置则为帧头位置，否则，寄存器向后移动一位，将此时帧头位置记录在寄存器中，继续滑窗，直到出现差值为512的情况。
上述实现方法中，做相关累加的值为64个，则该方法能适应的频偏范围为（Fd为符号速率），设/>为子载波间隔，则该方法能适应的频偏范围为正负4倍子载波间隔，即/>，相比传统实现方法，其适应频偏范围更广。在多径加高斯白噪声信道下，采用matlab对其进行100万次仿真，仿真结果证明该捕获方法基本无漏检和虚警。
（2）OFDM系统帧头捕获的具体实现结构：
如图3-图6所示，在具体实现中，大部分OFDM接收机采用零中频的硬件架构，因此FPGA会接收到IQ两路数据信息，不妨分别设为ri和rq。为简化实现复杂度，将帧头捕获模块放置在基带解调器的后端，每个符号仅有一个采样点数，在OFDM系统中，接收信号为连续信号，因此符号的样本个数理论上没有具体限制要求，但是在FPGA定点实现时需要充分考虑复杂度、估计精度和处理延迟等因素。首先OFDM系统的总子载波数值优先考虑为2M（M为大于0的正整数），方便FPGA内部做移位运算，可大大节省资源，本文设计为512个子载波；设fs_ce为输入数据使能频率，设f_ce为工作使能频率，取f_ce为fs_ce的N倍，以利用处理速度的调高来换取器件资源的节省，在本实施例的实现中，N取4。
如图5-图6所示，ri为I路输入数据，rq为Q路输入数据，p_i0~p_i255为存储于ROM查找表的前导已知I路数据，p_q0~p_q255为前导已知Q路数据，d0_i~d255_i和d0_q~d255_q为IQ两路接收经量化后的数据，在实现中， SRL16E移位寄存器单元在f _ce的高速时钟频率下依次推入采样数据，SRL16E的地址单元由1至4递增，则SRL16E单元在地址控制下依次延迟1至4个f_ce处理使能周期并输出，在f_ce使能作用下，输入采样数据依次同存储在本地ROM查找表中的已知IQ两路前导序列共轭相乘，通过分段处理，得到Conj_d0~Conj_d255，再将其分段进行累加求和，最终与门限进行比较得到相关峰，从而成功捕获超帧帧头。由于采用了分段并行计算方法，因此每一段的计算在FPGA中进行实现时，均可使用模块复用的方法来完成，大大简化了设计，同时节省了逻辑资源，相比常规实现方法，延迟也可降低至原来的一半以上。
由此，考虑到滑窗的帧头捕获算法由于计算量巨大，采用传统的实现结构会耗用大量的逻辑资源，同时产生较大的时间延迟。基于零中频接收机硬件架构，本实施例提出一种利用分段计算法、SRL16E移位寄存器和ROM查找表的高效实现OFDM系统帧头捕获算法的设计结构，充分利用IQ两路数据信息，并综合考虑复杂度、捕获概率和处理延迟等因素，通过合理设计符号分段和高效调用FPGA片内的SRL16E移位寄存器、乘法器、累加器和ROM表等资源，以较小的硬件代价实现了帧头捕获算法，在保证捕获概率的同时兼顾了处理延迟，具有较高的工程应用价值，实验证明，本文所述OFDM系统的高效帧头捕获实现方法在保证系统捕获精度的同时，具有系统复杂度低和延迟小的特点。
可以理解的是，在本说明书的描述中，参考术语“一实施例”、“另一实施例”、“其他实施例”、或“第一实施例～第N实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者系统中还存在另外的相同要素。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (5)
1.一种OFDM系统帧头捕获方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：OFDM系统接收到数据后，将所述数据送入构建的滑窗中；其中，所述滑窗的大小为256个时域符号；
S2：将所述滑窗中的数据与前导已知序列的前256个时域符号分段共轭相乘并分段累加，并对累加结果求能量值；具体包括：
S21：将所述滑窗中的数据与前导已知序列的前256个时域符号中每4个符号进行一次共轭相乘，得到256个共轭相乘数值；
S22：将256个共轭相乘数值分为4段，每段64个共轭相乘数值进行累加求和；
S3：根据所述滑窗中的数据的平均功率，计算门限值；
S4：根据所述能量值和所述门限值，确定数据中的帧头位置；具体包括：
S31：设置一个用于存放4个数据的寄存器；
S32：若当前的能量值大于门限值，则在寄存器中记录当前的窗头位置，继续滑窗；若又出现一个大于门限值的值，计算此时帧头位置与寄存器中存储数据的差值；
S33：当帧头位置与寄存器中存储数据的差值为512时，则寄存器中的当前窗头位置则为帧头位置；
S34：当帧头位置与寄存器中存储数据的差值不为512时，则寄存器向后移动一位，将此时帧头位置记录在寄存器中，继续滑窗，直到出现帧头位置与寄存器中存储数据的差值为512时，停止滑窗。
2.如权利要求1所述的一种OFDM系统帧头捕获方法，其特征在于，将256个共轭相乘数值分为4段，每段64个共轭相乘数值进行累加求和的表达式，具体为：
其中，n为每段64个共轭相乘数值中的第n个共轭相乘数值，m为256个共轭相乘数值中的第m段，为滑窗中的数据，/>为前导已知序列的时域符号，/>为/>的共轭。
3.如权利要求2所述的一种OFDM系统帧头捕获方法，其特征在于，步骤S2中，对累加结果求能量值步骤，具体包括：
S23：对每段64个共轭相乘数值进行累加求和的结果分别求能量值，对获得的能量值进行累加求和。
4.如权利要求3所述的一种OFDM系统帧头捕获方法，其特征在于，所述对获得的能量值进行累加求和的表达式，具体为：
其中，m为256个共轭相乘数值中的第m段。
5.如权利要求4所述的一种OFDM系统帧头捕获方法，其特征在于，步骤S3中，根据所述滑窗中的数据的平均功率，计算门限值步骤的表达式，具体为：
bound=eng_avg*ratio
其中，bound为门限值，eng_avg为所述滑窗中的数据的平均功率，ratio为比例常数。
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