CN102130878B

CN102130878B - 一种基于IEEE802.11a的OFDM帧定时同步方法

Info

Publication number: CN102130878B
Application number: CN 201110045537
Authority: CN
Inventors: 袁东风; 刘朝娜; 孙健
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2011-02-25
Filing date: 2011-02-25
Publication date: 2013-06-26
Anticipated expiration: 2031-02-25
Also published as: CN102130878A

Abstract

一种基于IEEE802.11a的OFDM帧定时同步方法，属于无线数字通信技术，步骤为：接收机接收数据信号，经延迟相关算法实现粗帧定时同步，得到粗帧定时同步信号；数据信号依次经过粗频偏模块和细帧定时模块，通过互相关算法实现细帧定时同步，得到细帧定时同步信号；控制信号联合控制产生有效数据开始信号payload和数据到达计数信号count；有效数据开始信号payload控制去循环前缀以使数据进行FFT运算和信道估计，数据到达计数信号count控制载波频偏的计算；有效数据开始信号控制去循环前缀cp以使数据进行FFT运算和信道估计。本发明降低了复杂度的同时，提高了精度，解决了数据星座图发散和旋转的问题。

Description

一种基于IEEE802.11a的OFDM帧定时同步方法

技术领域

本发明涉及一种基于IEEE802.11a的OFDM帧定时同步方法，属于无线数字通信技术领域。

背景技术

OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)即正交频分复用技术，是MCM(Multi-CarrierModulation)多载波调制的一种。通过减小和消除码间串扰的影响来克服信道的频率选择性衰落。而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分，信道均衡变得相对容易。由于子载波的频谱相互重叠，因而可以得到较高的频谱效率。OFDM系统也有明显的不足，那就是对相位噪声和载波频偏十分敏感，整个OFDM系统对各个子载波之间的正交性要求格外严格，任何一点小的载波频偏都会破坏子载波之间的正交性，引起ICI(信道间干扰)，同样，相位噪声也会导致码元星座点的旋转、扩散，从而形成ICI。而帧定时同步是纠正载波频偏和相位频偏的前提，所以帧定时同步对OFDM系统而言十分重要。本文帧定时同步方法利用基于训练符号的方法，其他基于训练符号的方法所采用的延迟相关算法中计算量大，算法复杂，如“基于ieee802.11a OFDM关键技术的FPGA实现”(CNKI,作者：冯丽娟,暨南大学2008年硕士论文)就是此类文章。

FPGA(Field－Programmable Gate Array)，即现场可编程门阵列，它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。如何实现快速的时序收敛、降低功耗和成本、优化时钟管理并降低FPGA与PCB并行设计的复杂性等问题，一直是采用FPGA的系统设计工程师需要考虑的关键问题。因此提高FPGA硬件资源的利用率十分重要。

发明内容

针对背景技术中所述的缺陷和不足，本发明提出了一种基于IEEE802.11a的OFDM帧定时同步方法，以提高接收端帧定时同步的精度，减小误码率。

本发明的技术方案如下：

一种基于IEEE802.11a的OFDM帧定时同步方法，由无线实时传输系统实现，该系统包括发送装置、接收装置，其中发送装置包括发送端开发板和发送端计算机，发送端开发板和发送端计算机相连；接收装置包括接收端开发板和接收端计算机，接收端开发板和接收端计算机相连，该方法步骤如下：

1)无线实时传输系统接收机接收数据信号，通过延迟相关算法实现粗帧定时同步，得到粗帧定时同步信号；延迟N_d(IEEE802.11a标准所采用帧结构中短相关数据长度，N_d=16)个样值的两个相同训练序列，因其自相关函数R(τ)(段相关数据的自相关函数)在τ=0(τ为短前导字开始时刻)时达到最大值，所以寻找R(τ)的最大值，也就是找到最佳定时时刻，这种算法也称之为延迟相关算法,具体步骤如下：

(1)接收到的数据经过延迟自相关得到相关值C_n=r_n+kr^* _n+k+16(r_n+k为接收的第n+k个数据)，所得值经过相减累加得到

（2）接收到的数据经过取模操作得到能量值，能量值经过相减累加得到

{P 1}_{n} = Σ_{k = 0}^{15} (P_{n} - P_{n + N_{d}});

（3）定义判别变量M_n=(P1_n)²>|C1_n|²，若M_n=1则粗帧定时时刻来到，其高电平1会持续一个N_d*9的平台；从而得到粗帧定时同步信号；

2）无线实时传输系统接收机接收数据信号，得到纠正频偏后的数据信号；

3）纠正频偏后的数据信号，通过互相关算法实现细帧定时同步操作，得到细帧定时同步信号；具体步骤如下：基于训练符号的细帧定时同步算法在接收端准备好训练序列t_k,k=0,1,...,L-1(L=64)(IEEE802.11a标准所采用帧结构中长相关数据)，所以只需在接受信号r_n中寻找与之匹配的数据段，可通过互相关来完成，即寻找R_s(n)(接收数据与长前导字数据的互相关值)模值的2个最大的样值，即为长前导字符号的结束时刻；接收到的数据通过取符号操作，把复杂的数据变为(-1、1、0)数据，其原则为，正数变为1、负数变为-1、零即是0，然后再与存在本地的训练序列互相关，可以得到细帧定时同步信号：

R_{s} = Σ_{k = 0}^{L - 1} (r_{n + k} {t^{*}}_{k});

4）粗帧定时同步信号和细帧定时同步信号联合控制产生有效数据开始信号和数据到达计数信号,步骤3)所得两个最大样值信号延迟相与得到长前导字结束信号，延迟时间为一个长前导字长度64；数据到达计数信号由所述步骤1)所得短前导字开始信号的高电平开始计数，当互相关信号延迟相与信号的上升沿到达时，重载入细帧尾(长前导字结束位置)，以纠正粗帧定时相关的不精确计数；

5）有效数据开始信号控制去循环前缀cp以使数据进行FFT运算和信道估计，具体为：有效数据开始信号控制接收数据去循环前缀(cp)以使数据的每个帧在正确的位置进行FFT操作，还控制信道估计模块精确的信道估计和载波细频偏；数据到达计数信号控制粗频偏模块正确的判定长前导字的开始位置，以精确地估计粗频偏。

上述方法步骤1中延迟相关算法中的相减累加算法

和累加算法相比大大降低了运算复杂度，且其单个数据相关算法中多路选择器的使用比乘法器的使用大大节省了资源，其中mults有14个slices、28个FFS、28个LUTS、1个mult组成，因此相比节省了[81+28*3-106=17]个slices、[112+28*3-98=98]个FFS、[160+28*3-154=90]个luts和3个mults。所述步骤3利用本地长前导字(-1,0,1)的数据特性，选用多路复用器的结构，比乘法器结构多用了slices和FFS，但是节省了256个mults，而mults远比slices复杂。这样大大节省了硬件资源，降低了功耗。

多路复用器进行复数相关的原理为通过多路复用模块得到接收数据与长前导字的相乘，在经过相加模块和5倍下采样模块得到接收数据与长前导字的互相关值，步骤如下：

（1）输入端的数据为复数r_n=A_n+B_nj，

经过5倍上采样数据流变为

{r_n,r_n,r_n,r_n,r_n,r_n+1,r_n+1,r_n+1,r_n+1,_rn+1,r_n+2,r_n+2,r_n+2,r_n+2,r_n+2,...}；

（2）此5倍上采样之后的数据经过多路复用器选择信号sel（依次为

{0,1,2,3,0,1,2,3,0,1,2,3,0,1,2,3,...}的循环）之后依次输出；

（3）两个多路复用器的输出信号在经过乘法器的输出依次为

{A_{n} A_{n + N_{d}}, B_{n} B_{n + N_{d}}, - A_{n} B_{n + N_{d}}, B_{n} A_{n + N_{d}}, A_{n} A_{n + N_{d}}, B_{n + 1} B_{n + N_{d} + 1}, - A_{n + 1} B_{n + N_{d} + 1,} B_{n + 1} A_{n + N_{d} + 1}, A_{n + 1} A_{n + N_{d} + 1}, \cdot \cdot \cdot}

此数据流与延迟一个时间单位的此数据流相加后得到

{A_{n} A_{n + N_{d}}, A_{n} A_{n + N_{d}} + B_{n} B_{n + N_{d}}, B_{n} B_{n + N_{d}} - A_{n} B_{n + N_{d}}, - A_{n} B_{n + N_{d}} + B_{n} A_{n + N_{d}}, B_{n} A_{n + N_{d}} + A_{n} A_{n + N_{d}}, A_{n} A_{n + N_{d}} + B_{n + 1} B_{n + N_{d} + 1},

B_{n + 1} B_{n + N_{d} + 1} - A_{n + 1} B_{n + N_{d} + 1}, - A_{n + 1} B_{n + N_{d} + 1} + B_{n + 1} A_{n + N_{d} + 1}, B_{n + 1} A_{n + N_{d} + 1}, + A_{n + 1} A_{n + N_{d} + 1}, \cdot \cdot \cdot}

（4）因为乘法器模块延迟了1个时间单位，所以下采样数据从第4个数据开始，对此数据流下采样5倍得到复数相乘的虚部

{- A_{n} B_{n + N_{d}} + B_{n} A_{n + N_{d}}, - A_{n + 1} B_{n + N_{d} + 1} + B_{n + 1} A_{n + N_{d + 1}, \cdot \cdot \cdot},}

对此数据流延迟两个时间单位下采样5倍得到复数相乘的实部

{A_{n} A_{n + N_{d}} + B_{n} B_{n + N_{d}}, A_{n + 1} A_{n + N_{d} + 1} + B_{n + 1} B_{n + N_{d} + 1}, \cdot \cdot \cdot} .

所述步骤3中互相关算法中的复数相乘算法选用多路复用器，长前导字(-1、1、0)分别可变化为(2、1、0)，实现复数乘法。

基于IEEE802.11a的OFDM传输系统的帧定时同步方法，帧定时同步由粗帧定时同步和细帧定时同步联合实现，粗帧定时同步采用接收数据的延迟相关算法，细帧定时同步采用接收数据与本地数据的互相关算法，粗帧定时同步和细帧定时同步的联合控制提高了OFDM传输系统帧定时同步的精度，减小了误码率，且星座图聚合度高，适用于实际信道环境的数据恢复。

本发明中使用的开发板是Sundance公司的带有FPGA芯片、通过软件写入程序的开发板。用System generater软件搭建模块，自动生成VHDL语言的程序，将该程序通过3L diamond软件写入开发板的FPGA芯片中。发送端采用发送端采用SMT8036，接收端采用SMT8096。

本发明的有益效果为：对应用于实际平台中的算法降低系统复杂度的同时，提高了帧定时同步精度，一定程度上解决了数据星座图发散和旋转的问题。

附图说明

图1为本发明系统的结构示意图。其中：1、发送端开发板， 2、发送端计算机，3、接收端计算机，4、接收端开发板。

图2为本发明方法的流程框图。其中5－9为其各个步骤。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例：

本发明实施例如图1－2所示，由无线实时传输系统实现，该系统包括发送装置、接收装置，其中发送装置包括发送端开发板1和发送端计算机2，发送端开发板1和发送端计算机2相连；接收装置包括接收端开发板4和接收端计算机3，接收端开发板4和接收端计算机3相连，该方法步骤如下：

5、无线实时传输系统接收机接收数据信号，通过延迟相关算法实现粗帧定时同步，得到粗帧定时同步信号；延迟N_d(IEEE802.11a标准所采用帧结构中短相关数据长度，N_d=16)个样值的两个相同训练序列，因其自相关函数R(τ)(段相关数据的自相关函数)在τ=0(τ为短前导字开始时刻)时达到最大值，所以寻找R(τ)的最大值，也就是找到最佳定时时刻，这种算法也称之为延迟相关算法,具体步骤如下：

（2）接收到的数据经过取模操作得到能量值

，能量值经过相减累加得到

{P 1}_{n} = Σ_{k = 0}^{15} (P_{n} - P_{n + N_{d}});

6、无线实时传输系统接收机接收数据信号，得到纠正频偏后的数据信号；

7、纠正频偏后的数据信号，通过互相关算法实现细帧定时同步操作，得到细帧定时同步信号；具体步骤如下：基于训练符号的细帧定时同步算法在接收端准备好训练序列t_k,k=0,1,...,L-1(L=64)(IEEE802.11a标准所采用帧结构中长相关数据)，所以只需在接受信号r_n中寻找与之匹配的数据段，可通过互相关来完成，即寻找R_s(n)(接收数据与长前导字数据的互相关值)模值的2个最大的样值，即为长前导字符号的结束时刻；接收到的数据通过取符号操作，把复杂的数据变为(-1、1、0)数据，其原则为，正数变为1、负数变为-1、零即是0，然后再与存在本地的训练序列互相关，可以得到细帧定时同步信号：

R_{s} = Σ_{k = 0}^{L - 1} (r_{n + k} {t^{*}}_{k});

8、粗帧定时同步信号和细帧定时同步信号联合控制产生有效数据开始信号和数据到达计数信号,步骤7所得两个最大样值信号延迟相与得到长前导字结束信号，延迟时间为一个长前导字长度64；数据到达计数信号由所述步骤5所得短前导字开始信号的高电平开始计数，当互相关信号延迟相与信号的上升沿到达时，重载入细帧尾(长前导字结束位置)，以纠正粗帧定时相关的不精确计数；

9、有效数据开始信号控制去循环前缀cp以使数据进行FFT运算和信道估计，具体为：有效数据开始信号控制接收数据去循环前缀(cp)以使数据的每个帧在正确的位置进行FFT操作，还控制信道估计模块精确的信道估计和载波细频偏；数据到达计数信号控制粗频偏模块正确的判定长前导字的开始位置，以精确地估计粗频偏。

Claims

1.一种基于IEEE802.11a的OFDM帧定时同步方法，由无线实时传输系统实现，该系统包括发送装置、接收装置，其中发送装置包括发送端开发板和发送端计算机，发送端开发板和发送端计算机相连；接收装置包括接收端开发板和接收端计算机，接收端开发板和接收端计算机相连，该方法步骤如下：

1)无线实时传输系统接收机接收数据信号，通过延迟相关算法实现粗帧定时同步，得到粗帧定时同步信号；延迟N_d个样值的两个相同训练序列，因其自相关函数R(τ)在τ=0时达到最大值，所以寻找R(τ)的最大值，也就是找到最佳定时时刻，这种算法也称之为延迟相关算法,具体步骤如下：

(1)接收到的数据经过延迟自相关得到相关值

C_n=r_n+kr^* _n+k+16(r_n+k为接收的第n+k个数据)，所得值经过相减累加得到

（2）接收到的数据经过取模操作得到能量值

，能量值经过相减累加得到

{P 1}_{n} = Σ_{k = 0}^{15} (P_{n} - P_{n + N_{d}});

3）纠正频偏后的数据信号，通过互相关算法实现细帧定时同步操作，得到细帧定时同步信号；具体步骤如下：基于训练符号的细帧定时同步算法在接收端准备好训练序列t_k,k=0,1,...,L-1(L=64)，IEEE802.11a标准所采用帧结构中长相关数据，所以只需在接受信号r_n中寻找与之匹配的数据段，可通过互相关来完成，即寻找R_s(n)模值的2个最大的样值，该模值为接收数据与长前导字数据的互相关值，即为长前导字符号的结束时刻；接收到的数据通过取符号操作，把复杂的数据变为(-1、1、0)数据，其原则为，正数变为1、负数变为-1、零即是0，然后再与存在本地的训练序列互相关，可以得到细帧定时同步信号：

R_{s} = Σ_{k = 0}^{L - 1} (r_{n + k} {t^{*}}_{k});

4）粗帧定时同步信号和细帧定时同步信号联合控制产生有效数据开始信号和数据到达计数信号,步骤3）所得两个最大样值信号延迟相与得到长前导字结束信号，延迟时间为一个长前导字长度64；数据到达计数信号由所述步骤1）所得短前导字开始信号的高电平开始计数，当互相关信号延迟相与信号的上升沿到达时，重载入细帧尾，以纠正粗帧定时相关的不精确计数；