CN1311579A - 一种快速帧同步和均衡系数校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种快速帧同步和均衡系数校正方法,是通过导频相位信息进行的。包括:从进入频域均衡器的接收数据中提取导频相角信息;对导频相角信息进行导频相角差计算;从导频相角差中提取符号帧错位的整数个样点和残余小数个样点的导频相角差;利用符号帧错位的整数个样点的导频相角差进行符号帧同步移位校正;通过计算任意子信道的残余小数个样点的导频相角差设计旋转校正因子,对频域均衡系数进行旋转校正。可确保数据正确传输。

Description

一种快速帧同步和均衡系数校正方法

本发明涉及一种数据通讯技术，更确切地说是涉及一种数据通讯领域中的信道处理技术。

信道处理技术是现代数据通讯技术领域中最为核心的问题，特别是在非对称数字用户线(ADSL:Asymmetric Digital Subscriber Line)数据通讯领域采用正交频分复用(OFDM:Orthogonal Frequency Division Multiplexing)调制解调方法时的信道特性补偿和时钟恢复技术。信号经过信道传输后，其幅度及相位都将发生变化，变化的大小与信号的频率有关，一般来说，信号的频率越高，信号经过信道后的幅度衰减越大，相位滞后也越严重。信道的这种频率选择性，给数据的调制解调带来极大的困扰。信道均衡技术就是用于消除信道频率选择性的，使不同频率的信号在经过均衡后，使它们的幅度衰减及相位滞后保持大小基本一致。

在信道处理技术中，OFDM调制解调方法已得到越来越广泛的应用。OFDM调制解调方法是将整个信道按频率(频谱等分关系)划分成多个子信道，每个子信道的载波信号相互正交，当子信道数大到一定数目时，对于每一个子信道而言，其频谱特性就是平坦的，即在该子信道频率带宽内传输的信号，其幅度衰减和相位滞后大小基本一致。以此为基础，人们用单个复数抽头(简称复抽头)来表示各个子信道的频谱特性，用该复抽头的模来表示子信道的幅度衰减(放大)系数，用相角表示子信道的相位滞后大小。

数据通讯技术领域中还有一个核心问题就是系统的同步问题，从技术上说也就是符号帧的同步问题。符号帧的同步包括两方面的内容，一个是在数据通讯的接收、发送端处理数据符号的速率一致，另一个是在接收端准确地定位由发送端所发送符号帧的帧头与帧尾。

在进行数据通讯时，由于接收端和发送端的用于产生时钟信号的晶振器不可能完全相同，此外还有一些其它问题，使数据通讯发送端与接收端的符号帧难于实现完全同步，即存在符号帧的同步偏差问题，当发生符号帧的同步偏差时，接收端对符号帧帧头的定位也必定发生偏差，这种符号帧定位偏差对接收数据的影响是使接收到的数据产生一定的相位滞后或超前。帧同步的作用就是要将这种帧定位的误差控制在一个很小的范围内，使得由同步误差带来的数据相位滞后或相位超前缩小在可以接受的范围内。

信道均衡与帧同步在数据通讯领域中是两个相对独立的技术，因为信道均衡是相对于信道特性补偿而言的，而帧同步是接收端相对于发送端符号传送的快慢及定位而言的，且在实际应用中，两者也是各自独立地完成自己的任务，这样，就存在一个数据相位滞后、控制精度不高、带来误码率升高的问题。因为，对于独立的符号帧同步控制，同步控制精度为一个数据采样点，那末对于小于一个数据采样点的偏差就得不到处理；此外，信道均衡的着眼点是对信道畸变特性进行补偿，当帧同步偏差达到一定程度时将引起频域均衡失效，使误码率陡升。

本发明的目的是提供一种快速帧同步和均衡系数校正方法，将符号帧同步与信道频域均衡结合起来，尽可能缩小接收数据的同步偏差，保证帧同步的精度和频域均衡的正确有效性，和保证很好的抗干扰性。

本发明的目的是这样实现的：一种快速帧同步和均衡系数校正方法，其特征在于是通过导频相位信息进行快速帧同步和均衡系数校正的方法，包括：

A．从进入频域均衡器的接收数据中提取导频相角信息；

B．对导频相角信息进行导频相角差计算；

C．从导频相角差中提取符号帧错位的整数个样点的导频相角差和残余小数个样点的导频相角差；

D．利用符号帧错位的整数个样点的导频相角差进行符号帧同步移位校正；

E．根据从导频相角差中提取对应符号帧错位的残余小数个样点的相角差，计算其它任意子信道的残余小数个样点的相角差，并设计旋转校正因子，对频域均衡系数进行旋转校正。

所述的对导频相角信息进行导频相角差计算包括先设置导频信号相角初值ψ₀，再计算导频信号的导频相角差Δψ_D。

所述的导频信号相角初值ψ₀，是通讯系统初始化时对信道辨识后的相角；在接收到的导频信号采样数据为a_D+jb_D时，所述的导频信号的相角ψ_D为 $\mathrm{arctg}\left(\frac{b_D}{a_D}\right)$ ；所述的导频信号的导频相角差Δψ_D为 $\mathrm{arctg}\left(\frac{b_D}{b_D}\right)-{\mathrm{\ψ}}_0$ ，式中D表示导频信道号。

所述的从导频相角差中提取符号帧错位的整数个样点的导频相角差是一用int(.)表示取整数n的运算过程，即为 $n=\mathrm{int}(\frac{{\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{\ψD}}}{2\mathrm{\π}}\×\frac{f_s}{f_D})$ ，其中Δψ_D为导频相角差，f_S为通讯系统采样频率，f_D为导频信号频率。

所述的从导频相角差中提取符号帧错位的残余小数个样点的导频相角差Δψ_DLE是从导频相角差Δψ_D中减去符号帧错位的整数个样点的导频相角差 $\mathrm{int}(\frac{{\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{\ψD}}}{2\mathrm{\π}}\×\frac{f_s}{f_D})\×\frac{f_D}{f_s}\×2\mathrm{\π}$ 的运算过程，即为 ${\mathrm{\Δ\ψ}}_{\mathrm{DLE}}={\mathrm{\Δ\ψ}}_D-\mathrm{int}(\frac{{\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{\ψD}}}{2\mathrm{\π}}\×\frac{f_s}{f_D})\×\frac{f_D}{f_s}\×2\mathrm{\π}$ ,f_S为通讯系统采样频率，D为导频信道号，f_D为D导频信道号的导频信号频率。

所述的利用符号帧错位的整数个样点的导频相角差进行帧同步校正是根据计算得到的n的正负将符号帧的帧头后移或前移n个样点数，进行符号帧的快速同步校正。

所述的计算任意子信道的残余小数个样点的导频相角差是针对任意子信道k进行的，在该子信道k的导频信号频率为f_K，导频信道号为D，导频信号频率为f_D时，任意子信道的残余小数个样点的导频相角差 $\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ψ}}_k=\frac{f_k}{f_D}\×\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{DLE}}$

所述的根据任意子信道的残余小数个样点的导频相角差设计旋转校正因子，是对任意子信道k的残余小数个样点的导频相角差Δψ_KLE的三角函数运算，是一用复数表示的函数，cos(-Δψ_KLE)+jsin(-Δψ_KLE)，j是复数的虚部。

所述的对频域均衡系数进行旋转校正是在频域均衡器中用各子信道的旋转校正因子乘相应子信道的频域均衡系数，校正频域均衡系数。

本发明的快速帧同步和均衡系数校正方法，用于以OFDM调制方法实现的ADSL系统中，通过导频相位信息将符号帧同步与信道频域均衡结合起来，充分利用导频信号的相位信息进行符号帧同步和对频域均衡系数进行快速校正，特别适用于时钟源存在比较大干扰的场合。本发明通过提取导频相角差信息进行帧同步和频域均衡系数校正，还有计算量小、精度高的优点，这是因为对于帧同步而言，一般都是先通过对同步帧进行相关计算求出同步偏差，再进行同步纠正的，显然，同步帧的相关计算要远大于导频相角差的计算；而对于频域均衡而言，其抽头系数的自适应修正一般都有一个逐渐收敛的过程(如最小均方差算法)，而通过导频信息提取相角差信息再进行均衡系数校正，则可做到一步收敛到位。而对于高速数据通讯系统而言，运算量的降低及算法收敛速度的提高都是相当重要的效果。

下面结合实施例及附图进一步说明本发明的技术

图1是实现信道自适应频域均衡的流程框图

图2是利用导频相位信息进行快速帧同步和均衡系数校正的流程框图

参见图1，采用OFDM调制解调方法实现的ADSL系统，是将整个信道按频率(频谱)等分关系划分成多个子信道，如图中所示的信道号为0至N-1的N个子信道，每个子信道的载波信号相互正交。该OFDM调制解调方法，可比较容易地对信道进行自适应频域均衡(FEQ)设计。可采用常规技术措施，即选择最小均方差(LMS:Least Mean Square)作为频域均衡系数训练和修正的自适应算法。对于其中的任一个子信道，如子信道号为i的第i个子信道而言，其输入数据为Y(i)，输出数据为X(i)，而W(i)则为该i子信道的频域均衡系数，X(i)经频域均衡器均衡判决后的输出数据，再对频域均衡系数W(i)作调整，如此反复进行。显然，频域均衡系数W(i)反映了信道特性和累加的帧同步偏差。

特别当信道相位滞后和同步帧偏差大到使某一个子信道的频域均衡系数的相角超过一定角度时(子信道号越大，允许的相角偏差就越小)，频域均衡将不可避免地出现错误。

本发明的方法是通过导频相位信息，即导频信号的相角信息来进行快速帧同步和均衡系数校正的，首先的问题是需利用导频信号的相角信息来提取同步符号帧偏差信息。其实现原理是：设导频信道号为D，则导频信号频率可用f_D来表示，若用f_S表示系统的采样频率，对于第k号子信道，其导频信号频率可用f_K来表示。

在系统进行通讯时，设接收端的导频信号初相角为ψ₀，在系统通讯后接收到的导频信号相角为ψ_D，则导频相角差Δψ_D为：Δψ_D=ψ_D-ψ₀。此时就可推导出任意子信道k中导频信号产生的导频相角差Δψ_k， ${\mathrm{\Δ\ψ}}_k=\frac{f_k{\×\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{\ψD}}}{f_D}.$ 对于导频信号而言，符号帧在错位一点时，其产生的相角偏差为： $\frac{f_D\×2\mathrm{\π}}{f_S},$ 则从导频产生的相角差中可以推导出符号帧产生的错位样点数： $n=\mathrm{int}(\frac{{\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{\ψD}}}{2\mathrm{\π}}\×\frac{f_s}{f_D}),$ 用int(.)表示取整数。

因此在实际上，导频相角差可以表示成两部分：Δψ_D=Δψ_DIN+Δψ_DLE。即将导频相角差Δψ_D分解成等价于整数个样点的相角差Δψ_DIN和等价于残余小数个样点的相角差Δψ_DLE，等价于整数个样点的相角差可通过符号同步移位纠正，等价于残余小数个样点的相角差则可通过相角旋转因子对频域均衡系数进行旋转纠正。

显然有： ${\mathrm{\Δ\ψ}}_{\mathrm{DIN}}=\frac{f_D}{f_s}\×2\mathrm{\π}\×n,$ Δψ_DLE=Δψ_D-Δψ_DIN。

上述公式表明，由导频信号的相角差可以推知其它任意子信道k产生的相角差，为： ${\mathrm{\Δ\ψ}}_k=\frac{f_k}{f_D}{\×\mathrm{\Δ\ψ}}_D.$ 相应地，减去由符号帧错位的整数个样点产生的相角差后，其残余个样点的相角差为 ${\mathrm{\Δ\ψ}}_{\mathrm{KLE}}=\frac{f_k}{f_D}\×{\mathrm{\Δ\ψ}}_D.$

上述说明表明，在获得导频信号的相角差信息后，便可以很容易地对通讯系统中存在的由帧同步错位产生的偏差进行校正。

参见图2，图中示出利用导频相角差信息进行帧同步校正和频域均衡系数校正的流程，数据Y(k)输入频域均衡器25，频域均衡器25输出均衡后数据X(k)，判决器26输出均衡判决后数据。具体步骤包括：

步骤框21，数据Y(k)在进入频域均衡器25之前，先提取出导频相角信息，利用输入数据Y(k)中的导频信号数据提取导频相角差信息Δψ_D，包括：(1)设置导频相角初值ψ₀，该导频相角初值ψ₀可以设置为通讯系统初始化时对信道进行辨识后的相角；(2)计算导频信号在系统通讯时的导频相角差Δψ_D，其具体计算过程是：设系统在通讯时所接收到的导频信号数据是a_D+jb_D，此时导频信号的相角为 ${\mathrm{\ψ}}_D=\mathrm{arctg}\left(\frac{b_D}{a_D}\right),$ 再据此计算得到导频相角差Δψ_D为： ${\mathrm{\Δ\ψ}}_D=\mathrm{arctg}\left(\frac{b_D}{a_D}\right)-{\mathrm{\ψ}}_0;$

步骤22，从导频相角差Δψ_D中提取符号帧错位的整数个样点数相角差 ${\mathrm{\Δ\ψ}}_{\mathrm{DIN}}=\frac{f_D}{f_s}\×2\mathrm{\π}\×n,$ 其中整数个样点数 $n=\mathrm{int}(\frac{{\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{\ψD}}}{2\mathrm{\π}}\×\frac{f_s}{f_D}),$ int(.)表示取整数，就可利用该符号帧错位的整数个样点数n进行帧同步校正，即对符号数据帧帧头的调整，根据计算得到的n的正、负将符号数据帧帧头后移或前移n个样点；

步骤23从提取了符号帧错位的整数个样点数n后的导频相角差Δψ_D中提取符号帧错位的残余小数个样点数，即残余相角差为： ${\mathrm{\Δ\ψ}}_{\mathrm{DLE}}={\mathrm{\Δ\ψ}}_D-\mathrm{int}(\frac{{\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{\ψD}}}{2\mathrm{\π}}\×\frac{f_s}{f_D})\×\frac{f_D}{f_s}\×2\mathrm{\π},$ 再根据从导频相角差中提取的符号帧错位的残余小数个样点数相角差计算其它任意子信道k的残余小数个样点数相角差Δψ_k，为： ${\mathrm{\Δ\ψ}}_k=\frac{f_k}{f_D}\×\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{DLE}},$ 根据任意子信道k的残余小数个样点数相角差Δψ_k得到该子信道的旋转校正因子；cos(-Δψ_KLE)+j sin(-Δψ_KLE)，该三角函数表示的是一个复数，j表示复数的虚部；

框24输出子信道的频域均衡系数W(k)，对该子信道的频域均衡系数进行旋转校正，在频域均衡器25中将所得到的各子信道的旋转校正因子与相应的频域均衡系数相乘，即实现了对各频域均衡抽头系数的相角校正，使残余相角差得到纠正，输出经均衡后的数据X(k)，最后由均衡判决器26输出均衡判决后数据。

以上步骤可作为ADSL数据通讯应用系统的工作过程。

在G.lite(无分离器的ADSL系统)数据通讯系统中，应用本发明的方法进行快速同步和均衡系数校正可以获得较好的效果。这是因为，在G.lite数据通讯系统中，采用的是OFDM调制解调系统，整个信道分成128个子信道，每个子信道的带宽为4.3125KHz，其中第2到第32子信道为上行信道，第33到第128信道为下行信道。系统上行信号的采样频率为276KHz，下行信号的采样频率为2.208MHz，上、下行的传输符号帧的样点个数均为512点，G.lite数据通讯系统中上行导频为第16子信道信号，下行导频为第64子信道的信号。由于G.lite数据通讯系统中下行传输速率达到1.5M/s，上行传输速率达到512K/s，传输速率较高，因此对时钟和符号帧的同步要求较严格。但由于时钟的抖动及信道的变化不可避免地会引起数据解调的错误，导致误码的产生，因而必须有一种较为稳妥的办法能保证时钟和符号的同步，来避免误码的产生。

利用本发明的方法，从导频信息中提取相角信息、克服符号帧定位偏差和对频域均衡系数进行调整，使接收数据的相角偏差调整到几乎为零，使纠正后的数据的相角抖动范围大大缩小，从而保证了数据的正确传输。

Claims (9)

1．一种快速帧同步和均衡系数校正方法，其特征在于是通过导频相位信息进行快速帧同步和均衡系数校正的方法，包括：

A．从进入频域均衡器的接收数据中提取导频相角信息；

B．对导频相角信息进行导频相角差计算；

C．从导频相角差中提取符号帧错位的整数个样点的导频相角差和残余小数个样点的导频相角差；

D．利用符号帧错位的整数个样点的导频相角差进行符号帧同步移位校正；

E．根据从导频相角差中提取对应符号帧错位的残余小数个样点的相角差，计算其它任意子信道的残余小数个样点的相角差，并设计旋转校正因子，对频域均衡系数进行旋转校正。

2．根据权利要求1所述的一种快速帧同步和均衡系数校正方法，其特征在于：所述的对导频相角信息进行导频相角差计算包括先设置导频信号相角初值ψ₀，再计算导频信号的导频相角差Δψ_D。

3．根据权利要求2所述的一种快速帧同步和均衡系数校正方法，其特征在于：所述的导频信号相角初值ψ₀，是通讯系统初始化时对信道辨识后的相角；在接收到的导频信号采样数据为a_D+jb_D时，所述的导频信号的相角ψ_D为 $\mathrm{arctg}\left(\frac{b_D}{a_D}\right)$ ；所述的导频信号的导频相角ΔΨ_D为 $\mathrm{arctg}\left(\frac{b_D}{b_D}\right)-{\mathrm{\ψ}}_0$ ，式中D表示导频信道号。

4．根据权利要求1所述的一种快速帧同步和均衡系数校正方法，其特征在于：所述的从导频相角差中提取符号帧错位的整数个样点的导频相角差是一用int(.)表示取整数n的运算过程，即为 $n=\mathrm{int}(\frac{{\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{\ΨD}}}{2\mathrm{\π}}\×\frac{f_s}{f_D}),$ 其中Δψ_D为导频相角差，f_S为通讯系统采样频率，f_D为导频信号频率。

5．根据权利要求1所述的一种快速帧同步和均衡系数校正方法，其特征在于：所述的从导频相角差中提取符号帧错位的残余小数个样点的导频相角差Δψ_DLE是从导频相角差Δψ_D中减去符号帧错位的整数个样点的导频相角差 $\mathrm{int}(\frac{{\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{\ψD}}}{2\mathrm{\π}}\×\frac{f_s}{f_D})\×\frac{f_D}{f_s}\×2\mathrm{\π}$ 的运算过程，即为 ${\mathrm{\Δ\ψ}}_{\mathrm{DLE}}={\mathrm{\Δ\ψ}}_D-\mathrm{int}(\frac{{\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{\ψD}}}{2\mathrm{\π}}\×\frac{f_s}{f_D})\×\frac{f_s}{f_D}\×2\mathrm{\π}$ ，f_S为通讯系统采样频率，D为导频信道号，f_D为D导频信道号的导频信号频率。

6．根据权利要求1或4所述的一种快速帧同步和均衡系数校正方法，其特征在于：所述的利用符号帧错位的整数个样点的导频相角差进行帧同步校正是根据计算得到的n的正负将符号帧的帧头后移或前移n个样点数，进行符号帧的快速同步校正。

7．根据权利要求1或5所述的一种快速帧同步和均衡系数校正方法，其特征在于：所述的计算任意子信道的残余小数个样点的导频相角差是针对任意子信道k进行的，在该子信道k的导频信号频率为f_k，导频信道号为D，导频信号频率为f_D时，任意子信道的残余小数个样点的导频相角差 ${\mathrm{\Δ\ψ}}_k=\frac{f_k}{f_D}{\×\mathrm{\Δ\ψ}}_{\mathrm{DLE}}.$

8．根据权利要求1或5所述的一种快速帧同步和均衡系数校正方法，其特征在于：所述的根据任意子信道的残余小数个样点的导频相角差设计旋转校正因子，是对任意子信道k的残余小数个样点的导频相角差Δψ_KLE的三角函数运算，是一用复数表示的函数，cos(-Δψ_KLE)+jsin(-Δψ_KLE)，j是复数的虚部。

9．根据权利要求1所述的一种快速帧同步和均衡系数校正方法，其特征在于：所述的对频域均衡系数进行旋转校正是在频域均衡器中用各子信道的旋转校正因子乘相应子信道的频域均衡系数，校正频域均衡系数。

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