CN1534908A - 一种正交频分复用信号的帧定时同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明正交频分复用系统中的帧定时同步方法，其实现单元包括：延时器、自相关器、互相关器、判决变量合成器、限幅器、固定门限判决器、可调门限判决器、数字特征计算器、内置数据库；特征是在插入前导信元的基础上，根据前导信元的特征构造出一个判决变量，使该判决变量的数学期望值与输入信噪比成一次函数关系；采用固定门限判决器和可调门限判决器相结合的方法，通过固定门限判决器的使用，在可靠检测前导信元的同时极大简化了检测过程；通过可调门限判决器的使用，结合简单的内置数据库，可以动态选取最佳帧同步判决门限，提高判决精度。这样通过固定门限判决器与可调门限判决器的结合使用，就能可靠的进行帧检测，准确的进行帧同步。

Description

一种正交频分复用信号的帧定时同步方法

技术领域：

本发明属于正交频分复用(OFDM)移动通信技术领域，特别涉及OFDM通信系统中的帧定时同步技术。

背景技术：

正交频分复用(OFDM)技术具有良好的抗噪声性能和抗多径干扰的能力以及频谱利用率高等优点，因而被普遍认为是第四代移动通信系统不可缺少的技术。OFDM的帧定时同步问题，即确定OFDM信元的起始时刻，是OFDM系统中的一项关键技术。

美国专利5,732,113公开了一种OFDM定时和频率同步的方法。该方法在发射端插入一个结构特殊的前导信元，该前导信元由两个完全相同的长为半个OFDM信元的码元构成。在接收端，先对接收信号进行半个OFDM信元长度的延迟，再计算接收信号和延迟信号的互相关值，通过产生的相关峰值进行帧检测和帧定时同步。该方法能实现快速的帧同步，并具有合理的计算复杂度。但在实际实现中，由于存在不确定性因素的影响(比如输入信噪比)，会造成相关峰值大小的不确定性，故在使用门限判决时存在最优判决门限不确定的问题。这会影响帧起始检测和帧定时同步。

技术内容：

本发明提出一种正交频分复用信号的帧定时同步方法，可结合简单的内置数据库，在简化帧检测的同时提高帧同步的准确度。

这种正交频分复用信号的帧定时同步方法，包括在发射端，在数据帧前插入一个前导信元，该信元由R个(R＞2)长为N的相同的伪随机码构成，这R个码元构成一个OFDM信元；在接收端，同时计算接收信号N点的自相关V1和接收信号与N个样点延迟信号的N点互相关V2，然后将这两路相关信号按公式 合成判决变量

其特征在于：

该判决变量的数学期望值与输入信噪比成一次函数关系；采用固定门限判决器和可调门限判决器相结合的方法来进行帧定时同步；在该判决变量的上升沿采用固定门限(V_Tr≥2)来判断有无前导信元，即进行帧检测，当该判决变量的值高于固定门限时，判断为收到前导信元；然后再根据该变量的均值、最小值和方差查表选取出最佳的下降沿判决门限(V_Td)，在该判决变量的值低于下降沿门限时，输出帧同步脉冲；

在接收端，该方法的实现单元包括：延时器、自相关器、互相关器、判决变量合成器、限幅器、固定门限判决器、可调门限判决器、数字特征计算器、内置数据库；接收到的信号分为三路：一路经过延迟器，延迟N个样点后送至互相关器；一路送至自相关器，自相关器计算出接收信号N个样点的自相关值后送至判决变量合成器；另一路送至互相关器，互相关器计算出接收信号和延时器输出信号N个样点的相关值后送至判决变量合成器；判决变量合成器将收到的自相关值和互相关值合成为一个新的判决变量后送至限幅器；限幅器的输出信号分为三路：一路送至固定门限判决器，一路送至数字特征计算器，另一路送至可调门限判决器；固定门限判决器检测到大于门限值的输入后输出一个启动脉冲到数字特征计算器；数字特征计算器收到启动脉冲后开始统计限幅器送入信号的数字特征，包括均值、最小值、方差，并将结果送至内置数据库进行查表，确定最佳的帧同步门限；内置数据库将查表得到的结果送至可调门限判决器，可调门限判决器根据此门限值和限幅器送人的信号进行判决，当限幅器送入信号低于次门限值时输出同步脉冲。

本发明中，该判决变量的原理如下：

在高斯信道下，收到的信号可以表示为：

                     y(t)＝k[s(t)+n(t)]               (f1)

其中k为接收机前端放大倍数；s(t)为发送的信号；n(t)为噪声；y(t)为收到的信号。若将s(t)简写为s；n(t)简写为n；y(t)简写为y。构造判决变量：

$V=\frac{|E1+E2|}{|E1-E2|}---\left(f2\right)$

其中E1＝E[yy^*]，E2＝E[yy_T ^*]。E[.]表示求数学期望运算，y^*为y的共轭，y_T为y的一个周期延迟。则，

1.无发送信号时(全噪声)：

                       E1＝E[yy^*]＝k²σ²

                       E2＝E[yy_T ^*]＝0                     (f3)

                        $V=\frac{|E1+E2|}{|E1-E2|}=1$

其中σ²为噪声方差。

2.有发送信号，且为前导信元时：

                       E1＝E[yy^*]＝k²(P_s+σ²)

                       E2＝E[yy_T ^*]＝k²P_s                  (f4)

                        $V=\frac{|E1+E2|}{|E1-E2|}=1+\frac{2P_s}{{\mathrm{\σ}}^2}$

其中P_s为发送信号的平均功率。

3.有发送信号，但无前导信元时：

                     E1＝E[yy^*]＝k²(P_s+σ²)

                     E2＝E[yy_T ^*]＝0                             (f5)

                      $V=\frac{|E1+E2|}{|E1-E2|}=1$

可见，该判决变量只与输入信噪比有关。在实际使用时，用信号的时间平均来代替统计平均。(将归一化加权因子省略)即：

$V1=\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{y}_k{y_k}^{*}$

$V2=\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{y}_k{y_{k+N}}^{*}---\left(f6\right)$

在多径信道下，由于伪随机码具有良好的自相关特性，推导出的结果与上面的结果类似。

与现有技术相比较，由于本发明提供了一种根据前导信元的特征构造出的简单有效的判决变量，使该判决变量的数学期望值与输入信噪比成一次函数关系，采用固定门限判决器和可调门限判决器相结合的方法，通过固定门限判决器的使用，在可靠检测前导信元的同时极大简化了检测过程；通过可调门限判决器的使用，结合简单的内置数据库，可以动态选取最佳帧同步判决门限，提高判决精度；这样通过固定门限判决器与可调门限判决器的结合使用，就能可靠的进行帧检测，准确的进行帧同步。

附图说明：

附图1为本发明在接收端，帧检测和帧同步的系统实现框图。

附图2为在典型城市环境(TU)信道模型下，信噪比为15db时，判决变量的单次样本曲线。

具体实施方式：

以下结合附图说明本方法的实施例。

实施例1：

本实施例系统使用的OFDM信元长度为2048。在OFDM数据信元前加一个前导信元，由8个完全相同的，长为256的伪随机序列构成。该序列由长为256的M序列经逆傅立叶变换(IFFT)而来。信道模型采用城市环境(TU)信道模型。

在接收端，帧检测和帧同步的系统实现框图如图1所示。模块1为延时器，将收到的基带数字信号10延迟256个样点；模块2为自相关器，对收到的基带数字信号按公式(f6)中的 $V1=\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{y}_k{y_k}^{*}$ 进行计算，其中累加长度为256；模块3为互相关器，对收到信号与延迟后的信号按公式(f6)中的 $V2=\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{y}_k{y_{k+N}}^{*}$ 进行计算，其中累加长度为256；模块4为判决变量生成器，对互相关和自相关结果按公式(f6)中的

进行合并，产生一个新的判决变量。在没有接收到前导信元时，该判决变量的值约为1；在接收到前导信元时，该判决变量会快速上升为一个较大值(大于1)，值的大小只与输入信噪比有关，固定上升沿判决门限值为2，即V_Tr＝2；当前导信元结束后，该判决变量的值会快速下降到1附近。由于通过该判决变量的下降时刻来判断前导信元的结束时刻，故可以根据该判决变量的数字特征来动态决定下降门限V_Td，以获得更准确的前导信元结束时间，即下一个OFDM信元的起始时刻。模块5为限幅器，用来限制做除法时产生的异常大值，在此设为10；模块6为固定门限判决器，用来判断前导信元的到来，在此设为V_Tr＝2，当送入模块6的值超过2时，可以肯定收到了前导信元，此时触发模块7。模块7为信号统计量计算器，用来计算256×4长度内，该判决变量的平均值、最小值和方差。模块8为内置数据库，根据计算出的平均值、最小值和方差来查表决定该判决变量的最优下降门限V_Td。模块9为可调门限判决器，它根据模块8输出的下降沿门限值V_Td和模块5送入的判决变量来判断前导信元的结束时刻，当模块5送入的判决变量低于V_Td时，经过适当的时延调整，模块9输出脉冲信号11来指示OFDM信元的起始时刻。

附图2为在典型城市环境(TU)信道模型下，信噪比为15db时，经过限幅电平为10的限幅器后的判决变量仿真曲线。该图显示了本发明提出的判决变量的单次样本曲线，横轴为样点数，纵轴为变量的样点值。附图2的变化趋势为：在没有收到前导信元时，曲线的值在1附近；在收到前导信元时，曲线快速上升到一个较大值；在处理前导信元的过程中，曲线保持一个较大的峰顶；当前导信元结束时，曲线快速下降到1附近。附图2中曲线特征为：

1.没有接收到前导信元时，值约为1。

2.在收到前导信元时，曲线快速上升。

3.在前导信元结束时，曲线快速下降。

由附图2中的曲线的特点，在没有收到前导信元时，该判决变量的值约为1；在收到前导信元后，其值快速上升，在上升到2以后，就可以确定收到了前导信元；在前导信元结束后，该判决变量的值快速下降到1附近。所以，可以使用本发明提出的固定门限判决器和可调门限判决器相结合的方法，在简化帧检测的同时提高帧同步的准确度。

本发明在插入前导信元的基础上，根据前导信元的特征构造出一种简单有效的判决变量，使该判决变量的数学期望值与输入信噪比成一次函数关系。这样，通过固定门限判决器就可以简单可靠的判断前导信号到来与否；同时，通过计算出的数字特征和预置数据库，可以动态选取最佳帧同步判决门限，提高判决精度。这样通过固定门限判决器与可调门限判决器的结合使用，就能可靠的进行帧检测，准确的进行帧同步。由于固定门限判决器的使用，极大简化了前导信元的检测过程；同时又因为伪随机码的良好相关特性，以及前导信元和判决变量的特殊构造，保证了该判决变量能够快速上升和下降，在上升沿门限V_Tr大于2时就能确保检测到前导信元，因而该方法提高了帧检测的正确概率；由于下降沿门限是根据输入信号的特性动态选择的，而且该判决变量的下降速度很快，故该方法能提高帧同步的准确度。

Claims (1)

1、一种正交频分复用信号的帧定时同步方法，包括在发射端，在数据帧前插入一个前导信元，该信元由R个(R＞2)长为N的相同的伪随机码构成，这R个码元构成一个OFDM信元；在接收端，同时计算接收信号N点的自相关V1和接收信号与N个样点延迟信号的N点互相关V2，然后将这两路相关信号按公式 合成判决变量

其特征在于：

该判决变量的数学期望值与输入信噪比成一次函数关系；采用固定门限判决器和可调门限判决器相结合的方法来进行帧定时同步；在该判决变量的上升沿采用固定门限(V_Tr≥2)来判断有无前导信元，即进行帧检测，当该判决变量的值高于固定门限时，判断为收到前导信元；然后再根据该变量的均值、最小值和方差查表选取出最佳的下降沿判决门限(V_Td)，在该判决变量的值低于下降沿门限时，输出帧同步脉冲；

在接收端，该方法的实现单元包括：延时器、自相关器、互相关器、判决变量合成器、限幅器、固定门限判决器、可调门限判决器、数字特征计算器、内置数据库；接收到的信号分为三路：一路经过延迟器，延迟N个样点后送至互相关器；一路送至自相关器，自相关器计算出接收信号N个样点的自相关值后送至判决变量合成器；另一路送至互相关器，互相关器计算出接收信号和延时器输出信号N个样点的相关值后送至判决变量合成器；判决变量合成器将收到的自相关值和互相关值合成为一个新的判决变量后送至限幅器；限幅器的输出信号分为三路：一路送至固定门限判决器，一路送至数字特征计算器，另一路送至可调门限判决器；固定门限判决器检测到大于门限值的输入后输出一个启动脉冲到数字特征计算器；数字特征计算器收到启动脉冲后开始统计限幅器送入信号的数字特征，包括均值、最小值、方差，并将结果送至内置数据库进行查表，确定最佳的帧同步门限；内置数据库将查表得到的结果送至可调门限判决器，可调门限判决器根据此门限值和限幅器送入的信号进行判决，当限幅器送入信号低于次门限值时输出同步脉冲。