CN1534909A - 移动环境下正交频分复用系统的帧检测与帧同步方法 - Google Patents
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Abstract
本发明为移动环境下正交频分复用系统的帧检测与帧同步方法，其特征是：将包括由戈德码产生的至少三个相同导引信号的接收数据经过二级延时器，得到三个判决变量，分别为互相关参考信号、第一级自相关参考信号以及第二级自相关参考信号；根据判决变量的差距来进行帧检测与帧同步的：在出现互相关参考信号大于一个预先设定的较低的阀值后，当比较器发现第一级自相关信号大于互相关信号的一个设定的倍数时，即检测到了正交频分复用帧信号；在检测到了帧信号之后，当比较器发现第二级自相关信号大于互相关信号的一个设定的倍数时，即作为正交频分复用帧信号前面的导引部分结束的标志。本发明能够在典型的移动环境下实现准确的帧检测与帧同步。
Description
技术领域：
本发明属于正交频分复用(OFDM)移动通信技术领域，特别是涉及典型移动环境下正交频分复用系统的帧检测与帧同步的实现方法。
背景技术：
为了在有限的频谱带宽上实现更高的传输速率，新一代蜂窝移动通信系统中大都采用了正交频分复用技术。虽然正交频分复用及相关技术在无线局域网(WLAN)领域已经得到了成功的应用，但对于典型的移动环境，由于信道环境的变化，高速数据传输的正交频分复用系统还面临很多急需解决的问题，其中，帧检测与帧同步是正交频分复用系统最为基本也是最为关键的技术之一。
美国专利5,732,113公开了一种常规的正交频分复用帧检测与帧同步方法，该方法构造设计了一种较为特殊的导引(Preamble)，通过由自相关值产生一个峰值来进行帧检测与帧同步。专利公开号CN1355971A提出的“获得与正交频分复用信号的码元定时和频率同步的设备和方法”，用接收到的数据进行一段延时与自身相关，通过产生的峰值平顶进行帧检测，并利用匹配相关产生的峰值来进行帧同步。这两种方法在无线局域网等信道较好的领域中是行之有效的，但在典型的移动环境下，由于多径以及衰落的影响，这种判决值的峰值或峰值平台将变得更加不明显，并会出现更大的随机起伏，可能无法准确地进行帧检测与帧同步。另外，对于帧检测，由于峰值门限必须依据具体电路进行调整，一旦系统参数发生变化，则必须重新设定门限，硬件调试较为复杂。
技术内容：
本发明提出一种在典型的移动环境下正交频分复用系统可以准确地进行帧检测与帧同步的方法，以克服现有技术的上述缺陷。
这种在移动环境下正交频分复用系统的帧检测与帧同步方法，包括帧检测与帧同步；其特征在于：所述帧检测，采取门限与比例联合检测的方法：即将其接收的包括由戈德(Gold)码产生的至少三个相同导引信号的接收数据经过二级延时器，将第一级延时器前后的信号互相关值减去第二级延时器前后的信号互相关值，并进行累计得到互相关参考信号；将第一级延时器前的信号自相关值减去第一级延时器后的信号自相关值，并进行累计得到第一级的自相关参考信号；在出现互相关参考信号大于一个预先设定的较低的阀值后，当比较器发现第一级自相关信号大于互相关信号的一个设定的倍数时，即检测到了正交频分复用帧信号；
所述帧同步，包含与上述帧检测方法同样的二级延时器，将第二级延时器前的信号自相关值减去第二级延时器后的信号自相关值，并进行累计得到第二级的自相关参考信号；在检测到了正交频分复用帧信号之后，当比较器发现第二级自相关信号大于互相关信号的一个设定的倍数时，即作为正交频分复用帧信号前面的导引部分结束的标志。
本发明是根据判决变量的这些差距来进行帧检测与帧同步的。
本发明将接收到的包含至少三个由戈德序列产生的相同的导引的正交频分复用帧信号，利用二级延时器构造出三个判决变量，分别作为互相关参考信号、第一级的自相关参考信号和第二级自相关参考信号，由于这三个判决变量在正交频分复用帧信号传输的过程中上升与下降的顺序不同，即使是在信道条件较差的时候，这三个判决变量之间的上升与下降顺序差异依然是十分明显的；尤其是在接收到帧信号的导引以及导引结束时，判决变量的差距最为明显。
对于帧检测，与上述美国专利5,732,113以及专利公开号CN1355971A等提出的方法不同，本发明中的这个门限值可以设置得较低，相对最高值有一定的冗余量且相对稳定而不用进行多次调整。因为导引的相关性，如果接收的信号不是重复的导引，则互相关参考信号的值将相对很小，不会超过门限；而当正交频分复用帧信号的导引到来的时候，互相关参考信号的值将逐渐升高，这个门限的作用主要是防止出现互相关参考信号与第一级自相关参考信号都很小时，第一级自相关参考信号也可能达到互相关参考信号的这一预先设定的倍数，从而出现虚警的情况。由于第一级自相关参考信号与互相关参考信号在正交频分复用帧信号到达的时候，上升的顺序差异明显，在理想信道条件下甚至在第一级自相关参考信号达到峰值顶点时，互相关参考信号的值依然还处于低谷，故而它们之间的帧检测判决比例也可以较为稳定地设定。这种联合检测的方法既通过设定门限防止了噪声值起伏带来的虚警，又通过第一级自相关参考信号与互相关参考信号的升降顺序的明显差异而较为准确地检测到正交频分复用帧信号的到来，因此本发明可以实现在移动环境下进行帧检测。
对于帧同步，在检测到了正交频分复用帧信号之后，由于此时互相关参考信号与第二级的自相关参考信号均累加超过了一定的值，但互相关参考信号将先于第二级的自相关参考信号下降，而且在理想的信道条件下，当第二级的自相关参考信号还处于峰值平顶时，互相关参考信号已经降到了低谷。因此，一旦第二级的自相关参考信号达到互相关参考信号的某一设定的倍数时，就可以判定正交频分复用帧信号的重复导引结束了。
即使在信道环境恶劣时，由于互相关参考信号与第二级的自相关参考信号的值依然会出现非常明显的下降顺序，而且导引后面的数据前端加了一定长度的循环前缀，这个比例也可以较为稳定地设定。因此，本发明这种帧同步方法可以实现在典型的移动环境下准确地进行帧同步。
附图说明：
附图1为本发明在移动环境下正交频分复用系统的帧检测与帧同步方法的原理图。
附图2为本发明中的三个判决变量即第一级的自相关参考信号、互相关参考信号和第二级自相关参考信号在时域上的变化示意图。
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：
在本实施例中，假定接收到的信号首先是2048个采样的噪声，接着是三个完全相同的长度为256点的导引信号，导引由8位的戈德序列产生。后面的数据的循环前缀为320个采样。正交频分复用帧信号具有2048个子载波，其中有用载波为1860个，采样位数为12比特。
信号经由包括两个延时器、三个共轭器、五个相乘器、三个相减器、三个相加器、一个门限监测器以及两个比较器在内的接收系统，按附图1所示的结构来进行帧检测与帧同步：将接收到的信号通过一级256点的延时器1，并将第一级延时器前的信号x(i)与自身通过共轭器2而得到的x*(i)，送至相乘器3而得到的自相关值，再送到相减器4；将第一级延时器后的信号x(i-256)与其自身通过共轭器5而得到的x*(i-256)，送至相乘器6而得到的自相关值，也送到相减器4；将相减器4输出的信号送至累加器7进行累计，从而得到第一级的自相关参考信号Q(i)＝Q(i-1)+x(i)·x*(i)-x(i-256)·x*(i-256)。将第一级延时器前的信号通过共轭器2而得到的x*(i)与第一级延时器之后的信号x(i-256)，送至相乘器8而得到的互相关值，再送至相减器9；将第一级延时器1之后的信号x(i-256)送至第二级256点的延时器10，并将第二级延时器10前的信号通过共轭器5而得到的x*(i-256)与第二级延时器之后的信号x(i-512)，送至相乘器11而得到的互相关值，也送至相减器9；将相减器9输出的信号送至累加器12并进行累计，从而得到互相关参考信号R(i)＝R(i-1)+x*(i)·x(i-256)-x*(i-256)·x(i-512)。将第二级延时器前的信号x(i-256)与其自身通过共轭器5而得到的x*(i-256)，送入相乘器6而得到的自相关值，再送至相减器13；将第二级延时器后的信号x(i-512)与其自身通过共轭器14而得到的x*(i-512)，送至相乘器15而得到的自相关值，也送至相减器13；将相减器输出的信号送至累加器16进行累计，从而得到第二级的自相关参考信号P(i)＝P(i-1)+x(i-256)·x*(i-256)-x(i-512)·x*(i-512)。
将互相关参考信号R(i)送至门限监测器17进行实时检测，同时也将R(i)与第一级的自相关参考信号Q(i)分别送至比较器18；另外，也将第二级的自相关参考信号P(i)与互相关参考信号R(i)分别送至比较器19。在R(i)出现超过300000的情况后，一旦比较器18发现第一级的自相关参考信号Q(i)大于互相关参考信号R(i)的32倍时，就判定检测到了正交频分复用帧信号；在此之后，如果比较器19检测到第二级的自相关参考信号P(i)大于互相关参考信号R(i)的32倍时，就判定正交频分复用帧信号中的导引部分结束了。
由于正交频分复用帧信号中三个完全相同的由戈德序列产生的导引信号，它们具有良好的自相关与互相关特性，所以将接收到的第一级的自相关参考信号Q(i)、互相关参考信号R(i)以及第二级自相关参考信号P(i)在时域上作图，就会得到图2。图2中横坐标为时间上的采样点，纵坐标为计算的结果值。曲线Q(i)为第一级的自相关参考信号，曲线R(i)为互相关参考信号，而曲线P(i)为第二级自相关参考信号。当导引信号到来的时候，就出现首先是第一级的自相关参考信号Q(i)快速上升，在Q(i)上升到最高点时，互相关参考信号R(i)以及第二级自相关参考信号P(i)也开始迅速上升。而在导引信号结束时，则首先是第一级的自相关参考信号Q(i)以及互相关参考信号R(i)迅速下降，在它们下降至最低时，第二级自相关参考信号P(i)才开始迅速下降。
由于对变量R(i)设定了一个门限，因此可有效防止在变量R(i)与变量Q(i)均很小时变量Q(i)也有可能达到变量R(i)的预先设定倍数而造成的虚警。因为在理想情况下，变量Q(i)将比变量R(i)达到峰值要早256个采样点，所以即使由于移动环境造成了变量Q(i)与R(i)有较大的起伏，由于采用门限与比例联合检测的方法，可靠性依然很高。
在检测到了正交频分复用帧信号之后，必须进行帧同步。变量P(i)与变量R(i)是同时开始攀升的，但变量P(i)将滞后于变量R(i)开始下降，其差距也是256个采样点。在理想情况下，当变量R(i)已经下降到最低点的时候，变量P(i)还处于峰值并刚刚开始下降。因此，在移动环境下，虽然变量P(i)与R(i)的值将出现一定的起伏，但由于它们在下降时的差距十分明显，故而帧同步的偏差不会超出循环前缀的保护。
在性能试验模拟中，本实施例选取的信道模型为典型6径的TU模型。各径的平均功率分别为0.1897、0.3785、0.2388、0.0951、0.06与0.0379，用来模拟典型的移动信道环境。试验的接收模块由一片现场可编程门阵列(FPGA)来完成，型号为Altera(阿特拉)公司的EP20K600C-3。本实施例进行了5000次试验，性能结果如表1及表2所示。
表1：正确的帧检测率与信噪比之间的试验结果
| 信噪比(dB) | 3 | 5 | 7 | 9 | 11 | 13 | 15 | 17 | 19 | 21 |
| 检测率(％) | 45 | 92 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 |
表2：帧同步性能与信噪比之间的试验结果(其中3dB与5dB时均为正确进行了帧检测后的帧同步试验结果)
| 信噪比(dB) | 3 | 5 | 7 | 9 | 11 | 13 | 15 | 17 | 19 | 21 |
| 平均偏差(采样) | 94 | 95 | 91 | 100 | 106 | 98 | 91 | 103 | 110 | 96 |
| 最大偏差(采样) | 241 | 243 | 215 | 206 | 240 | 201 | 216 | 230 | 225 | 213 |
| 最小偏差(采样) | 5 | 8 | 4 | 1 | 4 | 5 | 6 | 4 | 1 | 2 |
上列试验结果表明：本发明方法能够在典型的移动信道条件下准确地进行帧检测与帧同步。在信噪比大于7dB时帧检测的正确率就可达100％，而且甚至在更低的信噪比条件下，只要能准确地进行帧检测，则可做到准确的帧同步，即同步的最大偏差不超过320个采样，在循环前缀的保护之内。
Claims (1)
1、一种在移动环境下正交频分复用系统的帧检测与帧同步方法，包括帧检测与帧同步；其特征在于：
所述帧检测，将包括由戈德码产生的至少三个相同导引信号的接收数据经过二级延时器，将第一级延时器前后的信号互相关值减去第二级延时器前后的信号互相关值，并进行累计得到互相关参考信号；将第一级延时器前的信号自相关值减去第一级延时器后的信号自相关值，并进行累计得到第一级的自相关参考信号；在出现互相关参考信号大于一个预先设定的较低的阀值后，当比较器发现第一级自相关信号大于互相关信号的一个设定的倍数时，即检测到了正交频分复用帧信号；
所述帧同步，将第二级延时器前的信号自相关值减去第二级延时器后的信号自相关值，并进行累计得到第二级的自相关参考信号；在检测到了正交频分复用帧信号之后，当比较器发现第二级自相关信号大于互相关信号的一个设定的倍数时，即作为正交频分复用帧信号前面的导引部分结束的标志。
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Applications Claiming Priority (1)
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Publications (1)
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|---|---|
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|---|---|---|---|
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| CN (1) | CN1534909A (zh) |
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-
2003
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