CN1333566C - 一种基于相位信息和实部检测的ofdm盲同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于相位信息和实部检测的OFDM盲同步方法，涉及通信系统的解调制技术。本发明通过以下技术方案实现：将接收到的复数字信号的幅度变为一个恒定值，或者只提取原始信号的相位信息，所得信号只与原始信号的相位信息相关，将该只与相位信息相关的信号进行滑动相关运算，而且对滑动相关的结果只进行实部检测，当检测到峰值时，该峰值对应的时刻即为所求同步时刻，然后用该同步时刻的信号样值完成频偏估计。本发明可以极大地提高符号同步的准确性，降低噪声影响，同时降低OFDM同步设备的复杂度和成本，并且具有很高的可靠性。

Description

一种基于相位信息和实部检测的OFDM盲同步方法

技术领域

本发明涉及通信领域，尤其涉及通信系统的解调制技术。

背景技术

目前随着新的通信业务需求的迅速增长，对无线通信系统和无线局域网的传输速率提出了更高的要求，而传输速率的提高又给常规单载波系统带来了符号间干扰(ISI)和深度频率选择性衰落的问题。目前有两种方法解决这个问题，一种是采用正交频分复用，也就是把高速数据分散到若干子载波上以低速率进行并行传输；另一种是采用简单引入循环前缀的单载波系统。这两种方法都需要插入循环前缀并采用频域均衡，由于这两种方法都以符号块结构发送信号，这就要求不仅进行抽样时钟同步，还要进行符号定时同步和载波同步。其中的符号定时同步和载波同步也有两种方法，一种是利用训练序列，另一种是利用循环前缀引入的周期信号结构进行盲同步。

图1给出了正交频分复用(OFDM)系统的数字基带模型的原理框图。OFDM系统的整个信号传输大致要经过发送机的发送处理、信道传输和接收机的接收处理这几个阶段。如图1所示，发送机的发送处理主要是对信号进行调制，包括对信号进行编码、星座映射和逆离散傅立叶变换(IDFT)，变成时域信号，在经过发送机的发送处理之后，信号经过信道传输后由接收机接收，接收机对信号进行解调制，主要包括符号同步、载波同步、样值同步和离散傅立叶变换(DFT)等几个过程。下面对符号同步和载波同步之前的信号处理过程进行更详细的介绍。

在OFDM系统中，数据流被分块传输，每个数据块d(k)经过一定的编码处理和星座映射之后形成一个长度为N的频域向量 $\stackrel{\→}{x}=\left\{x_k\right\},k=0,...,N-1,$ 通过逆离散傅立叶IDFT变换，该向量变成时域数据向量，并加上长度为L的循环前缀之后得到 $\stackrel{\→}{s}=\left\{s_i\right\},$ 其中i＝0，...，N+L-1，且当i＝0，...，L-1时，s_i＝s_i+N。这个加了循环前缀之后的时域数据向量 经过并/串转换之后形成串行时域数据s(n)，n∈□，□为整数。

串行时域数据s(n)经过信道h(n)传输之后形成为包含噪声v(n)的信号r(n)，接收机从信道接收到信号r(n)。然后根据OFDM符号同步的结果对r(n)进行分块，每块经串/并变换之后得到向量 $\stackrel{\→}{r}=\left\{r_i\right\}$ ，i＝0，...，N+L-1。同时丢弃

的前L个样值，也就是去掉循环前缀，将剩下的N个样值通过离散傅立叶变换输出为 $\stackrel{\→}{y}=\left\{y_k\right\}$ ，k＝0，...，N-1。其后还对该信号进行信道估计、信道去耦和信道解码等操作。

根据OFDM传输原理，在上述OFDM信号传输过程中，当循环前缀的长度L大于信道冲激响应h(n)的持续时间M时，离散傅立叶变换之后形成的

与逆离散傅立叶变换之前的 之间的关系为：y(k)＝H(k)x(k)+V(k)，k＝0，...，N-1。其中H(k)为信道冲激响应h(n)的频域表示，V(k)是噪声v(n)的频域表示。

通常符号同步的目的就是确定循环前缀的终止位置，然后根据这个终止位置正确地丢弃 的前L个样值，即去掉循环前缀，得到有效信号部分。

在现有的盲同步算法中，都是利用OFDM时域信号中的重复周期结构(循环前缀是有效信号部分样值的复制)，即循环前缀和已调制符号中部分样值的强相关性进行相关运算，通过峰值检测得到符号定时同步估计。这种方法受噪声影响较大时会使峰值点偏离同步点，影响同步估计的精确度。同时成峰性与峰值尖锐程度有限严重影响判决的准确性和稳定性，从而也影响载波频率偏差估计的精度。

发明内容

有鉴于此，本发明所要解决的技术问题是：提出一种克服现有技术的不足，能提高同步准确性的基于循环前缀的调制系统的符号盲同步方法。解决上述技术问题的技术方案是：通过屏蔽幅度信息，即只保留原始复数字信号的相位信息，再进行滑动相关运算，同时只保留滑动相关的实部，从而提高同步检测的准确度。

本发明是通过如下技术方案予以实现的：

一种基于相位信息和实部检测的OFDM盲同步方法，包括如下步骤：

对接收机接收到的原始复数字信号进行处理，从而得到一个新的信号，新信号只包含原始复数字信号的相位信息，而与幅度信息无关；

对上述新信号进行预定窗口大小的滑动相关运算，对相关运算结果取其实部；

对所述实部进行峰值检测，并取峰值点对应的时刻为所求同步时间点；

在上述同步时间点进行频率偏差估计，所得频率偏差估计值用于频率偏差校正。

本发明也可以通过技术方案二实现：

提取接收到的当前复数字信号的相位角，得到当前相位信号；

提取当前复数字信号的预定数量个采样点后的复数字信号的相位角，得到延迟预定数量采样间隔的相位信号；

计算上述两个相位信号的差值，得到相位差信号；

计算上述相位差信号对应样值的余弦函数值，得到相位差的余弦信号；

对上述余弦信号进行预定窗口大小的滑动相关运算；

对所述相关运算的结果进行峰值检测，并取峰值点对应的时刻为所求同步时间点。

在上述同步时间点进行频率偏差估计，所得频率偏差估计值用于频率偏差校正。

所述预定窗口大小对应的采样间隔数小于或等于OFDM系统中的循环前缀的采样间隔数。

本发明通过屏蔽接收信号的幅度信息，获得的新信号只与接收信号的相位信息相关，再进行滑动相关运算，同时只保留滑动相关的实部，在减小噪声对信号影响的同时又保留了原有的强相关性，提高了信号的成峰性，即改善成峰尖锐度，从而提高同步检测的准确度，也即同步时间点更准确，提高系统的稳定性。

附图说明

图1示出了正交频分复用(OFDM)系统的基本原理框图

图2示出了本发明的OFDM盲同步方法原理框图

图3示出了只保留相位信息信号的滑动相关样本与原始复数字信号的滑动相关样本的波形对照图

图4示出了屏蔽原始复数字信号幅度的参考方法一示意框图

图5示出了屏蔽原始复数字信号幅度的参考方法二示意框图

图6示出了本发明OFDM盲同步方法二参考原理框图

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

如图2所示，当OFDM系统中的接收机接收到的信号r(t)经过模/数(A/D)转换器转换为数字信号r(n)后开始本发明的盲同步过程，这里取采样率为发送端发送时的样值速率。

基于相位信息和实部检测的OFDM盲同步过程如下所述：

步骤201，对经A/D变换后的信号r(n)＝R_nexp(jβ_n)的幅度信息R_n屏蔽，得到的新信号只与接收信号的相位信息相关，而与其幅度无关，只靠相位信息β_n实现同步功能。对幅度信息屏蔽处理后的信号为 $\tilde{r}\left(n\right)=\exp \left(j{\mathrm{\β}}_n\right).$

如图4示出了对幅度信息进行屏蔽处理的第一种方法的原理框图，计算原始接收信号各样值的相位，以信号的幅度值作单位圆，并计算单位圆上对应相位的复数字信号，该复数字信号为恒定幅值的新信号，从而屏蔽了幅度信息，得到只含有原始复数字信号的相位信息的新信号，即提取相位β_n并计算exp(jβ_n)得到只含原始复数字信号相位信息的新信号 。如图5示出了对幅度信息进行屏蔽处理的第二种方法的原理框图，计算接收原始复数字信号各样值的模|r(n)|，并用样值r(n)除以样值的模|r(n)|，从而使得信号的所有样值归一化为1，变为恒定幅值的新信号，即新信号只保留原始复数字信号的相位信息，即 $\tilde{r}\left(n\right)=r\left(n\right)/\left|r\left(n\right)\right|=\exp \left(j{\mathrm{\β}}_n\right)$

步骤202，将经步骤201处理的新信号 进行特定时间(即N个样值时间)的延时(Z^-N)，从而得到延迟后的样值信号 。所述特定时间与OFDM符号的有效长度相对应，该值相对采样时间的归一化值是发送端进行OFDM调制时的反傅立叶变换的点数；

步骤203，将经步骤202处理得到的信号取其共轭得到

步骤204，将经过步骤201和步骤203处理后的信号作相乘得到信号

步骤205，步骤204相乘所得的信号进行窗口滑动求和计算，得到信号

的滑动相关，即有滑动求和结果 $S_n^{\left(M\right)}=\underset{l=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{\tilde{r}}_{l+n}{\tilde{r}}_{l+n+N}^{*},$ 其中M是滑动窗口长度，M小于或等于循环前缀的长度L(采样间隔数)；

步骤206，对步骤205中滑动求和结果S_n ^(M)取其实部，即得到Re[S_n ^(M)]；

步骤207，对S_n ^(M)的实部进行峰值检测，当出现峰值时，峰值对应的时刻点

为所求的OFDM符号同步时刻点，即循环前缀的结束位置，也即得到了OFDM符号的有效部分的正确起始位置；

步骤208，利用上述同步时刻的样值完成载波偏差估计，以便进行相位校正。在得到OFDM符号同步点之后，对符号同步点的信号样值与该样值之后的第N个样值的共轭乘积所得信号的相位乘以常数(-1/2π)得到频偏估计值

步骤209，利用上述同步时刻点

触发附图2中的串并变换器(S/P)，把该OFDM符号块的(N+L)个样值变成向量 $\stackrel{\→}{r}=\left\{r_i\right\}$ ，i＝0，...，N+L-1，并通过删除循环前缀得到剩下的N个有效OFDM符号样值。并利用步骤208估计出的频偏估计产生相应的相位纠正信号对这些样值进行相位校正。经相位校正的信号进一步经FFT变换得到y(k)，完成信道估计得到 ，并进行信道去耦，即得到发端信号s(k)的估计值 ，并对

进行译码等处理得到发端发送的原始数据d(k)。

附图6给出了本发明OFDM盲同步的另一种实现方法，首先提取原始复数字信号相位信息相关的信号，去除其幅度信息的影响，并进行相关运算，通过对其相位差信号进行余弦运算，取其实部，再进行滑动相关运算。

步骤601，对接收到的数字信号延时N个样值，即得到距离当前时刻N个样值之后的样值r(n+N)，其中，N为预定数量与OFDM符号的有效长度相对应；

步骤602，提取当前样值r(n)＝R_nexp(jβ_n)的相位角，得到当前接收信号的相位信号β_n；

步骤603，提取经步骤601输出的延时N个样值后的信号r(n+N)的相位角，得到延时后的相位信号β_n+N；

步骤604，通过加法/减法器计算上述两个相位信号的差值，得到相位差信号；

步骤605，计算上述相位差信号的余弦函数值，得到cos(β_n-β_n+N)，即为所求信号的实部；

步骤606，对上述相位差的余弦信号求窗口大小为M的滑动和，得到实部的滑动和信号， $S_n^{*}=\underset{l=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}\cos ({\mathrm{\β}}_{n+l}-{\mathrm{\β}}_{n+N+l}),$ 此结果与附图2中步骤206的输出等价；

步骤607，对上述滑动和信号进行峰值检测，取峰值处对应的时刻为所求OFDM符号同步时刻点。

步骤608和步骤609与步骤208、209相当，完成载波偏差估计并进行相位校正，经相位校正的信号进一步经FFT变换得到y(k)，完成信道估计得到，进行信道去耦，并通过后续的解码等步骤得到原始数据。

图3示出了只保留相位信息信号的滑动相关样本与原始复数字信号的滑动相关样本的波形对照图，从图中可看出，只保留相位信息的信号的滑动相关样本峰值点尖锐度更好，在进行峰值检测时，更容易确定符号同步时间点，提高同步估计的精确度。

本发明对接收机接收到的复数字信号的幅度通过处理变为一个恒定值，从而得到一个新的信号，该信号只包含原始复数字信号的相位信息，而与幅度信息无关，这样能减小噪声的影响同时能又不失信号相关特性，从而降低加性噪声对相关信号成峰性的影响。采用对滑动相关的实部进行峰值检测，并取峰值点对应的时刻为所求同步时间点；由于除同步点为实数外其它信号都是复数字信号，所以采用实部检测可以使除同步点外其它采样点的值都会降低，以获得更好的成峰性，提高了检测的准确性。

以上所述，仅为本发明的较佳实施方式，但本发明的保护范畴并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可以轻易想到的变换和替换，都应包含在本发明的保护范畴内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种基于相位信息和实部检测的OFDM盲同步方法，其特征在于，包括如下步骤：

a.对接收机接收到的原始复数字信号进行处理，从而得到一个只包含原始复数字信号的相位信息，而与幅度信息无关的新信号；

b.对上述新信号进行预定窗口大小的滑动相关运算，对相关运算结果取其实部；

c.对所述实部进行峰值检测，并取峰值点对应的时刻为所求同步时间点；

d.在上述同步时间点进行频率偏差估计，所得频率偏差估计值用于频率偏差校正。

2.根据权利要求1所述的OFDM盲同步方法，其特征在于，所述对原始复数字信号进行处理的过程包括：计算原始复数字信号各样值的模，并用样值除以样值的模，从而使得信号的所有样值归一化为1，使其得到的新信号为幅值恒定的信号。

3.根据权利要求1所述的OFDM盲同步方法，其特征在于，所述对原始复数字信号进行处理的过程包括：计算原始复数字信号各样值的相位，并计算单位圆上对应相位的复数字信号，从而得到只含有原始复数字信号的相位信息的新信号。

4.根据权利要求1-3其中之一所述的OFDM盲同步方法，其特征在于，所述预定窗口大小对应的采样间隔数小于或等于OFDM系统中的循环前缀的采样间隔数。

5.一种基于相位信息和实部检测的OFDM盲同步方法，其特征在于，包括如下步骤：

e.提取接收到的当前复数字信号的相位角，得到当前相位信号；

f.提取当前复数字信号的预定数量个采样点后的复数字信号的相位角，得到延迟预定数量的相位信号；

g.计算上述两个相位信号的差值，得到相位差信号；

h.对上述相位差信号取余弦，得到相位差的余弦信号；

i.对上述余弦信号进行预定窗口大小的滑动相关运算；

j.对所述滑动相关运算的结果进行峰值检测，并取峰值点对应的时刻为所求同步时间点；

k.在上述同步时间点进行频率偏差估计，所得频率偏差估计值用于频率偏差校正。

6.根据权利要求5所述的OFDM盲同步方法，其特征在于，所述预定窗口大小对应的采样间隔数小于或等于OFDM系统中的循环前缀的采样间隔数。

7.根据权利要求5所述的OFDM盲同步方法，其特征在于，所述预定数量与OFDM符号的有效长度相对应。

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